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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Überwachungsvorrichtung für die Unsymmetrie der elektrischen
Abnahmeleistung an den Stromleitern eines Dreiphasen-
Wechselstromnetzes. Sie findet Anwendung bei allen dreiphasigen
Netzen, die Geräte des einphasigen Typs von variabler Anzahl und
Leistungsaufnahme versorgen.
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In den Stromnetzen zur Versorgung von einphasigen
Geräten kommt es vor, daß große Unsymmetrien bei der
Abnahmeleistung auftreten, wenn der Wert des Stroms, der in einem
der Phasenleiter dieses Netzes fließt, sehr viel größer wird, als
die Werte der Ströme, die in den anderen Phasenleitern fließen.
Dies ist z.B. der Fall, wenn das Netz einphasige Geräte speist,
und eine Mehrzahl dieser Geräte an einer der Phasen des Netzes zu
einem bestimmten Zeitpunkt einen großen Stromverbrauch hat. Wenn
die Unsymmetrie zu groß wird, können die Überlastungs-
Schutzeinrichtungen ansprechen, und der Spannungsabfall kann Werte
erreichen, die für einen Teil der Benutzer und der Geräte
unzulässig sind, wohingegen ein besserer Gleichgewichtszustand
diese Nachteile vermeiden würde.
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Gegenwärtig gibt es keine einfache und kostengünstige
Überwachungsvorrichtung für die Unsymmetrie der an den Leitern der
verschiedenen Phasen eines Stromnetzes oder einer dreiphasigen
Wechselstroinanlage abgenommenen Leistung.
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Dieser Mangel ist nachteilig für die Stromlieferanten,
da sie, aus Unkenntnis der Leistung, die an jedem Phasenleiter
abgenommen wird, diese Maximalleistung nicht begrenzen können
durch eine bessere Verteilung der Lasten oder Geräte, die mit
jedem der Phasenleiter verbunden sind.
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Daraus resultiert, daß die Kosten der Versorgung mit
elektrischer Energie, welche die Kosten der Überwachung, der
Entstörung, der Wartung und der Erneuerung beinhalten, und die
Kosten der Serviceinterventionen und der elektischen Verluste auf
Grund der Unregelmäßigkeit der Spannungen reduziert werden könnten
durch eine bessere Kenntnis des Unsymmetriergrads der
Stromabnahmeleistung.
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Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, diese
Nachteile zu beseitigen, und vor allem eine Vorrichtung zu
schaffen zur Feststellung der Unsymmetrie von Stromabnahmeleistung
an den Leitern eines dreiphasigen Netzes, die es erlaubt, auf
Grund der besseren Kenntnis der Unsymmetrie dieses Netzes, die
Lasten besser auf dessen verschiedene Phasenleiter zu verteilen;
man vermeidet somit Stromunterbrechungen auf Grund einer
Überintensität in einem dieser Phasenleiter durch eine bessere
Verteilung vor allem der an dieses Netz angeschlossenen
einphasigen Geräte, so daß man eine bessere Verteilung der
abgenommenen elektrischen Leistung auf jeden dieser Phasenleiter
erhält.
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Es sei festgestellt, daß die Unsymmetrie der
Abnahmeleistung permanent sein kann. Diese Typ der Unsymmetrie
geht auf die Installation selbst zurück, z.B. wenn die
Verbrauchergeräte mehrheitlich an eine bestimmte Phase
angeschlossen sind. Man kann diese Unsymmetrie dann als
strukturell bezeichnen.
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Die Unsymmetrie kann auch momentan sein, oder mal
diese, mal jene Phase betreffen. Man bezeichnet sie dann als
konjunkturell.
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Wenn die Momente ihres Auftretens regelmäßig erfolgen
und immer die gleiche Phase betreffen, spricht man von einer
zyklischen konjunkturellen Unsymmetrie. Wenn sie sich hingegen
nicht vorhersehen lassen, weder bezüglich des Zeitpunkts noch der
Phase, handelt es sich um eine zufällige konjunkturelle
Unsymmetrie.
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Die sogenannten strukturellen Unsymmetrien können
korrigiert werden durch eine Änderung der Anschlüsse an der
Anlage, um auf Dauer eine bessere Verteilung der Leistungsabnahme
durch die verschiedenen Phasenleiter zu gewährleisten.
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Die zyklischen konjunkturellen Unsymmetrien können
behoben werden durch eine Optimierung (automatisch oder manuell)
des Unterspannungsetzens der Geräte.
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Die zufälligen konjunkturellen Unsymmetrien können nur
behoben werden durch Leistungsadapter und/oder automatische
Ausgleichseinrichtungen, jedoch kann der Anschluß dieser Adapter
an das Netz nur aus einer besseren Kenntnis der Unsymmetrie
resultieren, und folglich aus dem Vorhandensein eines
Analysegeräts für diese Unsymmetrie.
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Wie man weiter unten im Detail sehen wird, erlaubt die
erfindungsgemäße Vorrichtung, jede Unsymmetrie der
Stromabnahmeleistung an den Leitern der verschiedenen Phasen eines
Wechselstromnetzes festzustellen durch Messen oder Berechnen des
Werts des Stroms im Neutralleiter, und durch die Herstellung des
Verhältnisses dieses Werts zu der Summe der Werte der Ströme in
jedem der Phasenleiter. Dieses Verhältnis, das auch als
Unsymmetriegrad bezeichnet werden kann, kann zwischen 0 und 1
variieren. Dieses Verhältnis weist den Wert 0 auf, wenn der Wert
der Stromintensität in dem Neutralleiter gleich 0 ist, und nimmt
den Wert 1 an, wenn die gesamte Leistung an einer einzigen Phase
abgenommen wird. Der Wert des Stroms in der Mitte ist dann gleich
der Intensität, welche diese Phase durchfließt, wobei der Strom in
den beiden anderen Phasen gleich Null ist.
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Man kann den Grenzwert des Unsymmetrieverhältnisses
oder -grads, der nicht überschritten werden darf, damit das Netz
unter akzeptablen Unsymmetriebedingungen funktioniert, mit 0,5+ε
festlegen. Für diesen Wert ist die Stärke des Stroms in einer der
Phasen nämlich immer größer als die Summe der Stromstärken der
beiden anderen Phasen. Jedoch paßt sich die Erfindung an jeden
anderen gegebenen Schwellenpegel an. Die aufschlußreichsten Grade
sind jedoch höher oder gleich 0,5+ε.
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Die Erfindung hat eine Vorrichtung für die Überwachung
der Unsymmetrie der Stomentnahme an den Leitern eines dreiphasigen
Wechselstromnetzes zum Gegenstand, wobei dieses Netz einen Leiter
für jede Phase und einen stromrückführenden Neutralleiter umfaßt,
wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie
Meßmittel für Ströme enthält, angeschlossen an die Netzleiter, um
an jeweiligen Ausgängen die numerischen Werte der in diesen
Leitern fließenden Ströme, Mittel zum Berechnen des Werts des
Verhältnisses, im selben Moment, des Werts des in dem
Neutralleiter fließenden Stroms zu der Summe der Werte der in den
Phasenleitern fließenden Ströme, wobei ein repräsentatives
numerisches Signal vom Wert dieses Verhältnisses an einem Ausgang
der Rechenmittel geliefert wird, erste Anzeigemittel, verbunden
mit dein Ausgang der Rechenmittel, um eine Anzeige zu liefern, wenn
der Wert des genannten Verhältnisses eine bestimmte,
Unsymmetrieschwelle genannte Schwelle überschreitet, und zweite
Anzeigemittel, verbunden mit den Ausgängen der Meßmittel der
Ströme in den Phasenleitern, sowie einen Ausgang der ersten
Anzeigemittel, um den Phasenleiter ausfindig zu machen, in dem
dann ein Strom mit einem Wert fließt, der höher ist als jeder der
Werte der Ströme, die in den anderen Phasenleitern fließen, wobei
der ausfindig gemachte Leiter der ist, der die Unsymmetrie
verursacht hat. Die Berechnungsmittel steuern die Anzeige eines
Resultats nur dann, wenn die entnommene Leistung einen Schwellwert
Pa überschreitet, der gleich x% (z.B. 75%) der für das Netz oder
die Anlage festgesetzten Leistung beträgt. Es ist nämlich
unsinnig, die Unsymmetrie einer schwach belasteten Anlage zu
verfolgen. Die Leistungsschwelle der Gesamtleistung, ab der man
den Unsymmetriegrad aufzeichnet, wird mit 75% vorgeschlagen, aber
man kann legitimerweise an einen zwischen 50 und 90% verstellbaren
Wert denken.
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Nach einer Ausführungsart enthalten die ersten
Anzeigemittel zwei Schwellendetektoren (Leistung und Unsymmetrie),
verbunden mit den Ausgängen der Rechenmittel, wobei ein Ausgang
des Detektors für die Unsymmetrie mit einer Anzeige verbunden ist,
die ihren Zustand verändert, sowie die genannte festgelegte
Schwelle überschritten wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsart enthalten die
dritten Anzeigemittel einen Komparator, dessen Eingänge verbunden
sind mit den Ausgängen der Meßmittel der Werte der Ströme in den
Phasenleitern, um zu jedem Zeitpunkt den Phasenleiter zu
bestimmen, in dem ein Strom fließt, dessen Wert größer ist als der
des Stroms, der in den anderen Phasenleitern fließt, wobei dieser
Komparator Ausgänge hat, die jeweils den Phasenleitern
entsprechen, wobei ein codiertes Signal, entsprechend dem Leiter,
in dem der Strom mit dem höchsten Wert fließt, an dem
entsprechenden Ausgang des Komparators geliefert wird, wobei ein
Auswahllogik-Schaltkreis Eingänge hat, die mit den Ausgängen des
Komparators verbunden sind und mit dem Ausgang des
Schwellendetektors, wobei dieser Auswahllogik-Schaltkreis Ausgänge
hat, die den Phasenleitern entsprechen, wobei diese Ausgänge
jeweils verbunden sind mit Anzeigen, wobei dieser Auswahllogik-
Schaltkreis, sobald die genannte festgelegte Schwelle
überschritten wird, die Anzeige auswählt, die dem Leiter
entspricht, in dem der Strom mit dem höheren Wert fließt.
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Nach einer weiteren Ausführungsart sind die
Aufzeichnungsmittel verbunden mit dem Ausgang der Rechenmittel und
mit dem Ausgang des Schwellendetektors, um die Werte der genannten
Verhältnisse, jedesmal wenn die festgelegte Schwelle überschritten
wird, aufzuzeichnen.
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Nach einer weiteren Ausführungsart sind die
Aufzeichnungsmittel verbunden mit den Ausgängen der Meßmittel für
die Werte der Ströme in den Phasenleitern, und mit den Ausgängen
des Auswahllogik-Schaltkreises, um bei jedem Überschreiten der
festgelegten Schwelle den oberen Wert des Stroms in dem
Phasenleiter aufzuzeichnen, der die Unsymmetrie verursacht hat.
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Die Charakteristika und Vorzüge der Erfindung gehen
besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die sich auf die
beigefügte Figur bezieht, welche schematisch eine erfindungsgemäße
Unsymmetrie-Überwachungsvorrichtung darstellt.
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Die in der Figur schematisch dargestellte Vorrichtung
erlaubt, die Unsymmetrie der elektrischen Leistungsabnahme an den
Leitern P1, P2, P3, PN eines dreiphasigen Wechselstromnetzes zu
überwachen. Dieses Netz umfaßt einen Leiter für jede der Phasen
(die Leiter P1, P2, P3 im gewählten Beispiel eines dreiphasigen
Netzes, sowie den neutralen Rückleiter PN) des Stroms.
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Die Vorrichtung enthält Meßmittel für die Ströme,
angeschlossen an die Leiter P1, P2, P3, PN des Netzes, um an
Ausgängen die numerischen Werte der in diesen Leitern fließenden
Ströme zu liefern. Diese Meßmittel können z.B. gebildet werden von
numerischen Stommeßzangen, jeweils bezeichnet mit 2, 3, 4, 5 in
der Figur. Es kann sich auch um Intensitätsbegrenzer handeln,
schon angebracht für die Versorgung des thermischen Bilds des
eventuellen Schutzes eines Transformators. Diese Zangen liefern an
ihren jeweiligen Ausgängen 7, 8, 9, 10 die numerischen Werte der
Ströme, die in den entsprechenden Leitern P3, P2, P1, PN fließen.
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Da PN aus P3, P2, P1 berechnet werden kann, ist es oft besser, den
Intensitätswert in dem Leiter PN durch seinen berechneten Wert zu
ersetzen.
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Die Vorrichtung enthält auch Mittel 11, um zu einem
bestimmten Zeitpunkt den Wert des Verhältnisses TD des Werts des
in dem Neutralleiter PN fließenden Stroms IN zu der Summe I1+I2+I3
der Werte der Ströme I1, I2, I3, die in den Phasenleitern P1, P2,
P3 fließen, zu berechnen.
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Dieser Wert TD gleich IN/I1+I2+I3 wird als
Unsymmetriegrad des Netzes bezeichnet. Er wird in Form eines
numerischen Signals an einem Ausgang 12 der Rechenmittel 11
geliefert.
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Die Vorrichtung enthält auch erste Anzeigemittel 13,
verbunden mit dem Ausgang 12 der Rechenmittel 11, um eine Anzeige
zu liefern, wenn der Wert des Verhältnisses TD der Unsymmetrie des
Netzes einen festgelegten Unsymmetrie-Schwellenwert überschreitet.
Dieser Grenzwert kann, wie weiter oben angegeben, bei 0,5+ε
festgelegt werden. Die ersten Anzeigemittel 13 enthalten z.B.
einen Schwellendetektor 14, verbunden mit dem Ausgang 12 der
Rechenmittel 11. Ein Ausgang dieses Detektors ist verbunden mit
einer Anzeige 15, die ihren Zustand ändert, sowie der festgelegte
Unsymmetrie-Schwellenwert TD überschritten wird. Die Anzeige 15
kann eine Lampe sein, oder ein sonstiges akustisches oder
elektromechanischen Anzeigemittel.
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Die Vorrichtung enthält auch zweite Anzeigemittel 16,
verbunden mit den Ausgängen 7, 8, 9 der Meßmittel 2, 3, 4 der
Werte der Ströme in den Phasenleitern, sowie mit einem Ausgang der
ersten Anzeigemittel 13. Tatsächlich ist dieser Ausgang der des
Schwellendetektors 14. Dieses zweite Anzeigemittel erlaubt, wie
man weiter unten im Detail sehen wird, den Phasenleiter ausfindig
zu machen, in dem ein Strom fließt, der einen höheren Wert hat,
als jeder der Werte der Ströme, die in den anderen Phasenleitern
fließen. Der ausfindig gemachte Leiter ist nämlich jener, den es
zu entlasten gilt bezüglich der anderen Phasen.
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Die zweiten Anzeigemittel 16 enthalten einen
numerischen Komparator 17, dessen Eingänge verbunden sind mit den
Ausgängen 7, 8, 9 der Meßmittel der Werte der Ströme in den
Phasenleitern; dieser Komparator erlaubt, zu jedem Zeitpunkt den
Phasenleiter zu bestimmen, in dem ein Strom fließt, dessen Wert
höher ist als die Werte der Ströme, die in den anderen
Phasenleitern fließen. Der numerischen Komparator wird hier nicht
im Detail beschrieben. Er kann bestehen aus einer
Zusammenschaltung von Komparatoren; er liefert an Ausgängen
codierte Signale. Im betrachteten Beispiel, wo drei Stromwerte zu
vergleichen sind, enthält der Komparator drei Ausgänge. Ein
besonderes, codiertes Signal wird an dem Ausgang des Komparators
geliefert, der dem Phasenleiter entspricht, im dem der Strom
fließt, der den höchsten Wert aufweist. Dieses codierte Signal
kann z.B. ein Signal mit dem logischen Pegel 1 sein, das an dem
betreffenden Ausgang erscheint, wobei die anderen Ausgänge Signale
mit dem logischen Pegel 0 liefern.
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Die zweiten Anzeigemittel 16 enthalten auch einen
Auswahllogik-Schaltkreis 18, mit Ausgängen, die verbunden sind mit
den Ausgängen des Komparators 17, sowie mit dem Ausgang des
Schwellendetektors 14. Dieser Auswahllogik-Schaltkreis weist
Ausgänge auf, die jeweils den Phasenleitern entsprechen. Diese
Ausgänge sind in Figur 1 dargestellt als 19, 20, 21. Sie sind
jeweils verbunden mit den elektrischen oder elektromechanischen
Anzeigen 22, 23, 24. Der Auswahllogik-Schaltkreis 18 wählt, sowie
die vorher festgelegte Schwelle überschritten wird, die Anzeige,
welche dem Leiter entspricht, in dem der Strom mit dem höchsten
Wert fließt.
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Der Auswahllogik-Schaltkreis kann z.B. bestehen, im
Falle eines dreiphasigen Netzes, aus drei Gattern 25, 26, 27 des
Typs UND. Jedes dieser Gatter hat zwei Eingänge. Die ersten
Eingänge dieser Gatter sind jeweils verbunden mit den Ausgängen
28, 29,30 des Komparators 17, während die zweiten Eingänge dieser
Gatter verbunden sind mit dem Ausgang des Schwellendetektors 14.
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Die soeben beschriebene Vorrichtung funktioniert auf
folgende Weise: wenn eine Unsymmetrieschwelle überschritten wird,
während die Gesamtleistungsabnahme über einem bestimmten Pegel
liegt, ändert die Anzeige 15 der ersten Anzeigemittel 13 ihren
Zustand. Diese Anzeige kann z.B. eine Lampe sein, die aufleuchtet.
Wenn eine Unsymmetrieschwelle überschritten wird, bedeutet dies,
daß in einem der Phasenleiter ein Strom fließt, der sehr viel
größer ist, als der in den anderen Leitern, und daß dieser Leiter,
der die Unsymmetrie verursacht, ausfindig gemacht werden muß. Wenn
der stärkste Strom der Strom ist, der in dem Leiter P1 fließt,
liefert der Komparator 17 an seinem diesem Leiter entsprechenden
Ausgang 30 ein Signal mit dem logischen Pegel 1. Dieser Komparator
macht nämlich den höchsten numerischen Wert ausfindig, geliefert
durch den Ausgang 9 des Meßmittels 4 des Stroms I1, der in dem
Leiter P1 fließt. Dieses Signal mit dem logischen Pegel 1 wird am
zweiten Eingang des UND-Gatters 27 angelegt, während ein Signal
mit dem logischen Pegel 1 am ersten Eingang dieses Gatters
angelegt wird, durch den Ausgang des Schwellendetektors 14. Wenn
der Unsymmetrie-Verhältniswert TD (0,5+E in dem betrachteten
Beispiel) überschritten wird, liefern die Ausgänge 28, 29 des
Komparators ein Signal mit dem logischen Pegel 0. Das UND-Gatter
liefert folglich an seinem Ausgang 21 ein Signal mit dem logischen
Pegel 1, das die Zustandsänderung der elektromechanischen,
elektrischen oder akustischen Anzeige 24, eine Lampe z.B.,
veranlaßt. Die anderen, den Leitern P2, P3 entsprechenden Anzeigen
ändern ihren Zustand nicht.
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Somit erlaubt die Vorrichtung, das Überschreiten einer
Quote oder eines Verhältnisses der Unsymmetrie, vorher festgelegt,
festzustellen, wenn die Gesamtleistung P1+P2+P3 einen gewissen
Leistungsschwellenwert P übersteigt, der z.B. gleich 75% des
festgesetzten Werts ist, und den Phasenleiter ausfindig zu machen,
in dem ein Strom fließt, der einen höheren Wert hat als die Werte
der Ströme, die in den anderen Phasenleitern fließen, wobei der
Überstrom in diesem Leiter die Unsymmetrie der Abnahmeleistung in
dem Netz verursacht hat.
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Die Anzeige des Vorhandenseins einer eine Phase
betreffenden Unsymmetrie bleibt bestehen, bis die Vorrichtung
durch menschliche Intervention rückgestellt wird. Jedoch wird die
Überwachung fortgesetzt, und es ist nicht ausgeschlossen, daß man
bei der Endablesung feststellt, daß zu dem einen oder anderen
Zeitpunkt zwei oder alle drei Phasen im Zustand der Unsymmetrie
die am höchsten belasteten waren.
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Wenn eine einzige Phase betroffen war (strukturelle
Unsymmetrie), besteht die einfache Empfehlung darin, ein Viertel
der Belastung dieser Phase auf jede der beiden anderen zu
übertragen.
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Wenn zwei Phasen betroffen sind, kann man die
Übertragung eines Drittels der Belastung jeder dieser Phasen auf
die dritte vorschlagen, jedoch erfordert die richtige Lösung oft
die Zuhilfenahme eines Unsymmetrieanalysators, der alleine
geeignet ist, anzugeben, ob das Phänomen strukturell oder
konjunkturell ist.
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Schließlich, wenn die drei Phasen zu dem einen oder
anderen Zeitpunkt betroffen waren, handelt es sich sicher um
konjunkturelle Unsymmetrien. Die Analyse zeigt an, ob sie zyklisch
oder zufällig sind, und empfiehlt die korrektiven Maßnahmen.
Äußerstenfalls muß man die Erhöhung der Leistung des
Versorgungstransformators erwägen, oder der vertraglich
festgesetzten Abnahmeleistung des Verbrauchers.
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Die Vorrichtung enthält auch Aufzeichnungsmittel 31,
verbunden mit dem Ausgang 12 der Rechenmittel 11 und mit dem
Ausgang des Schwellendetektors 14, um jedesmal, wenn die
festgelegte Schwelle überschritten wird, die Werte der
Unsymmetrieverhältnisse aufzuzeichnen. Diese Aufzeichnungsmittel
können mit einer nicht dargestellten Uhr ausgestattet sein, um
zusätzlich den Zeitpunkt aufzuzeichnen, zu dem sich die
Unsymmetrie ereignet, bezogen auf einen Referenzzeitpunkt.
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Die Aufzeichnungsmittel 31 können auch verbunden sein
mit den Ausgängen 7, 8, 9 der Meßmittel 1 der Stromwerte in den
Phasenleitern P1, P2, P3, sowie mit den Ausgängen 19, 20, 21 des
Auswahllogik-Schaltkreises 18. Diese Verbindungen erlauben bei
jedem Überschreiten des festgelegten Schwellenwerts, den Oberwert
des Stroms in dem Phasenleiter aufzuzeichnen, der die Unsymmetrie
verursacht hat. Der Aufzeichnungszeitpunkt dieses Wertes selbst
kann aufgezeichnet werden, wie vorhergehend erwähnt.
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Die Aufzeichnungmittel 31 können durch einen
Leseausgang 32 mit Anzeigemitteln (nicht dargestellt) der
verschiedenen, im Laufe der Zeit aufgezeichneten Werte verbunden
sein. Diese Anzeige erlaubt z.B., die Phasenleiter zu untersuchen,
welche die größten Unsymmetrien verursachen, sowie den
strukturellen, konjunkturellen, zyklischen oder zufälligen
Charakter der Unsymmetrien. Diese Untersuchung ermöglicht, wie
weiter oben erwähnt, die Unsymmetrie der Abnahmeleistung zu
beseitigen, entweder dadurch daß die durch das Netz versorgten
Geräte anders angeschlossen werden, oder durch Veränderung der
Charakteristika des diese Geräte versorgenden Hoch-
Tiefspannungstransformators. Diese Vorrichtung hilft z.B., die
Verwendung von Transformatoren mit zu großer Leistung zu
vermeiden. Sie hilft ebenfalls, durch eine bessere Verteilung der
versorgten Geräte auf die verschiedenen Phasenleiter des Netzes,
jede Unterbrechung dieses Netzes infolge einer zu großen
Unsymmetrie in einem Phasenleiter von diesem zu vermeiden.
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Vorkehrungen wurden getroffen, um zu vermeiden, daß ein
Netz oder eine Anlage als unsymetrisch betrachtet wird, wenn nur
eine flüchtige Unsymmetrie aufgetreten ist.
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Ebenso, wenn ein Netz oder eine Anlage geschütz wird
durch eine Schalter, ist vorgesehen, zu signalisieren, ob dessen
eventuelles Ansprechen im Zustand der Unsymmetrie erfolgte oder
nicht.