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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur
Erdschlußüberwachung für ein elektrisches Verteilernetz, welche Mittel zur
Messung, Filterung sowie Abtastung und Analog-Digital-Umsetzung
der Differenzspannung eines elektrischen Verteilernetzes, Mittel
zur Messung, Filterung sowie Abtastung und Analog-Digital-
Umsetzung des Differenzstroms, Mittel zur Synchronisierung der
Abtastung der Differenzspannung und des Differenzstroms sowie
eine an die Ausgänge des Analog-Digital-Umsetzers
angeschlossene, ein Fehlersignal liefernde digitale Verarbeitungsschaltung
umfaßt.
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Erdschlußschutz-Überwachungseinrichtungen dienen dazu,
Anzeigesysteme zu betätigen oder die fehlerbehaftete Leitung
abzuschalten. Solche Anordnungen können in verschiedenen
Netzformen eingesetzt werden, die sich hinsichtlich des
Spannungsbereichs (Niederspannung, Mittelspannung, Hoch- und
Höchstspannung) sowie bezüglich des Anschlusses des gemeinsamen Leiters
(Neutralleiters) an Erde unterscheiden, wobei insbesondere Netze
mit isoliertem Sternpunkt, mit geerdetem Sternpunkt, über eine
Impedanz geerdeten Sternpunkt und kompensierte Netze
differenziert werden. Ein Erdschluß ist definiert als ein Kurzschluß
zwischen einem oder mehreren aktiven Netzleitern (Phasen) und
Erde. Im allgemeinen erfolgt die Erfassung eines Erdschlusses
durch die Messung eines Differenzstroms in den Phasen des zu
überwachenden Leitungsnetzes. Diese Messung reicht jedoch
nicht in jedem Fall aus, da zwischen Leitungen großer Länge und
Erde Leitungskapazitäten auftreten, die Blindfehlerströme
verursachen. Es muß daher eine Messung des Wirkanteils und des
Blindanteils des Erdschlußstroms vorgenommen werden.
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Erdschlußschutz-Überwachungseinrichtungen bekannter Bauart
beruhen auf der Erfassung der Differenz-Wirkleistung oder des
Differenz-Wirkstroms. Ihre Funktionsweise ist für
eingeschwungene Zustände ausgelegt und ermöglicht keine
Erdschlußerfassung
im Verlauf von Einschwingzuständen. Es wurden ebenfalls
bereits zusätzliche Maßnahmen zur Erfassung des Erdschlusses in
Einschwingzuständen vorgeschlagen, bei denen eine Analyse der
Augenblickswerte vorgenommen wird. Eine solche Analyse ist
sehr aufwendig und damit kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu
schaffen, die es ermöglicht, das Auftreten eines Erdschlusses
unmittelbar nach Beginn des durch diesen Erdschluß verursachten
Einschwingzustands zu erfassen. Diese Erfassung bleibt dabei
natürlich nach Erreichen des eingeschwungenen Zustands
wirksam.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, daß die
Verarbeitungsschaltung Rechenmittel aufweist, um in jeder
Abtastperiode die Grundschwingungen des Erdschlußstroms und der
Erdschlußspannung zu berechnen, welche über einen, der
Periodendauer des zu schützenden Netzes entsprechenden Zeitabschnitt
erfaßt werden, und so eine erste, die Phasenverschiebung zwischen
den genannten Grundschwingungen des Stroms und der Spannung
abbildende Größe bereitstellen, sowie erste Mittel zum Vergleich
der ersten Größe mit einem ersten Schwellwert, Mittel zur
Bestimmung einer, die Veränderung des Ergebnisses des ersten
Vergleichs abbildenden zweiten Größe, zweite Mittel zum Vergleich
der zweiten Größe mit einem festgelegten zweiten Schwellwert
und Mittel zur Erzeugung des Fehlersignals bei Überschreiten des
genannten zweiten Schwellwerts umfaßt.
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Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung umfassen
die Mittel zur Bestimmung der zweiten Größe Zählmittel.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt die
Verarbeitungsschaltung Mittel zur Veränderung des Inhalts der Zählmittel,
wobei die Veränderungsmittel Mittel umfassen, um den
Zählerinhalt um einen ersten Wert zu erhöhen, wenn das Ergebnis des
ersten Vergleichs positiv ist, und Mittel umfassen, um den
Zählerinhalt um einen zweiten Wert zu erhöhen, wenn das Ergebnis des
ersten Vergleichs negativ ist, wobei der erste und der zweite
Wert jeweils unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert.
Dabei zeigen:
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Figur 1 ein elektrisches Dreiphasen-Verteilernetz, in dem die
Erfindung angewandt werden kann.
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Figur 2 die Phasenverschiebung zwischen der Erdschlußspannung
und den Erdschlußströmen in einem gesunden Abgang sowie
einem fehlerbehafteten Abgang im eingeschwungenen Zustand.
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Figur 3 eine Darstellung der tatsächlichen Spannungen und Ströme
im Netz.
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Figur 4 die Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den
Grundschwingungen Vo, ICo, IDo der Erdschlußspannung und
der Erdschlußströme bei Auftreten eines Fehlers.
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Figur 5 das Blockschaltbild einer, einem Abgang L1 des Netzes
aus Figur 1 zugeordneten Meßeinrichtung.
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Figur 6 ein Beispiel eines von der digitalen
Verarbeitungsschaltung der Einrichtung aus Figur 5 verwendeten Ablaufdiagramms.
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Figur 7 und 8 die in der Einrichtung aus Figur 5 erhaltenen
Größen in Abhängigkeit von der Zeit bei Vorliegen oder
Nichtvorliegen eines Erdschlusses im betreffenden Abgang.
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Figur 1 zeigt das Schaltbild eines elektrischen
Dreiphasen-Verteilernetzes, in dem über einen Einspeisetransformator Tr eine
Hauptleitung LP eingespeist wird, die wiederum an verschiedene
Unterverzweigungen oder Abgänge L1 bis Ln angeschlossen ist.
Der Transformator ist sekundärseitig im Stern geschaltet, wobei
die drei Sekundärwicklungen einerseits an eine der drei Phasen
der Hauptleitung LP und andererseits an einen gemeinsamen
Neutralleiter N angeschlossen sind. Der Neutralleiter N ist über eine
Kompensationsspule L mit einem Wirkanteil R mit Erde verbunden.
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Die Unterverzweigungen L1 bis Ln weisen Leitungskapazitäten
C1 bis Cn gegen Erde auf. Die durch die Leitungskapazitäten
verursachten kapazitiven Blindströme ico werden auf bekannte Art
durch einen von der Kompensationsspule L erzeugten induktiven
Blindstrom ilo kompensiert. Die Bemessung der
Kompensationsspule erfolgt entsprechend Lω = 1/3 Ctω), wobei L dem Wert der
Kompensationsspule, Ct dem Wert der Gesamtsumme aller
Leitungskapazitäten und ω = 2πf entspricht und f die Netzfrequenz
darstellt.
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Tritt ein Fehler F gegen Erde in einer Unterverzweigung auf, so
liegt im entsprechenden Abgang, L1 in der Figur, ein Erdschluß
vor, und es entsteht eine Erdschluß-Differenzspannung vo
zwischen sämtlichen Phasen der Hauptleitung und Erde. Die
fehlerbehaftete Leitung L1 verhält sich in dieser Situation wie ein
Erdschlußgenerator. Der Fehlerstrom ido erzeugt Blindströme I2 bis
In in den gesunden Abgängen sowie einen Strom IT gegen Erde
mit einem Wirkanteil ir im Wirkwiderstand R und einem
Blindanteil ilo in der Spule L.
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Die Erdschluß-Differenzspannung entspricht auf bekannte Art
und Weise der Vektorsumme der drei Phasenspannungen gegen
Erde, und der Meßwert des Erdschluß-Differenzstroms ergibt
sich aus der Vektorsumme der drei Phasenströme der Leitung.
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Der Übergang von einem stabilen oder eingeschwungenen
fehlerfreien Betriebszustand in einen stabilen, mit einem
Erdschlußfehler behafteten Betriebszustand, in dem sämtliche elektrischen
Spannungen und Ströme einen Sinusverlauf haben, bewirkt einen
Einschwingzustand mit instabilem Betrieb sverhalten, dessen Dauer
von der Art des Fehlers abhängt. Während dieses
Einschwingzustands, haben die Erdschlußspannung und der Erdschlußstrom
keinen sinusförmigen Verlauf mehr, und die Messung der
Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zur Bestimmung des
Wirkanteils des Stroms wirft Probleme bei der Durchführung auf.
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Figur 2 zeigt für einen stabilen oder eingeschwungenen
Betriebszustand die Phasenverschiebung zwischen der Erdschlußspannung
vo und dem kapazitiven Blindstrom ico in einem gegebenen
gesunden Abgang, bzw. dem induktiven Blindstrom ilo und dem
Wirkstrom ir. Je nach Genauigkeit der Kompensation der Kapazitäten
C1 bis Cn durch die Spule L kann der Strom ido im
fehlerbehafteten Abgang zwischen den Werten id1 und id2
schwanken, deren Phasenverschiebung in bezug auf vo nicht genau
180º beträgt.
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Eine Darstellung der tatsächlichen Spannungen und Ströme im
Netz ist in Figur 3 zu sehen. Die einzelnen Phasenspannungen der
Hauptleitung LP sind als V1, V2 und V3 dargestellt, wobei vo die
Vektorsumme der Spannungen V1, V2 und V3 darstellt. Im
Normalbetrieb ist diese Spannung vo gleich null. Tritt in mindestens
einer Phase einer Abgangsleitung ein Fehler auf, so sinkt die
entsprechende Phasenspannung, beispielsweise V1, und vo steigt an.
Das durch den Erdschlußstrom ido angezeigte Auftreten eines
Fehlers F bewirkt eine Veränderung des Sinusverlaufs der
übrigen Größen, insbesondere des kapazitiven Erdschlußstroms ico
eines gesunden Abgangs sowie der Erdschlußspannung vo.
Die Erdschlußspannung vo und der Erdschlußstrom ido werden
erfindungsgemäß abgetastet und anschließend über einen
bekannten Zeitabschnitt (Rechteckfenster, Hamming-Abstand, Hanning-
Abstand...) erfaßt. Die Dauer dieses Zeitabschnitts beträgt T =
1/fr, wobei fr die Grundfrequenz des zu schützenden Netzes
darstellt. Auf der Grundlage dieser Erfassung können anschließend
mit Hilfe einer Fourier-Reihe die Grundschwingungen Vo und Io
der Erdschlußspannung vo bzw. des Erdschlußstroms io berechnet
werden. Die Grundschwingungen Vo und Io hängen stark von der
Periodendauer T des Erfassungszeitraums ab. Anschließend wird
eine die Phasenverschiebung Φ zwischen den Grundschwingungen
Vo und Io abbildende Größe berechnet. Die Veränderung dieser
Größe erlaubt die Erfassung eines Erdschlusses.
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Figur 4 zeigt mit größerer Genauigkeit die Veränderung der
Phasenverschiebung zwischen der Grundschwingung Vo der
Spannung vo und der Grundschwingung ICo des Stroms ico in einem
gesunden Abgang bzw. der Grundschwingung IDo des Stroms ido
in einem fehlerbehafteten Abgang. Zu einem Zeitpunkt tf des
Auftretens eines Fehlers, strebt die Phasenverschiebung Φ (Vo,
ICo) in einem gesunden Abgang gegen einen Wert von 90º und
die Phasenverschiebung Φ (Vo, IDo) in einem fehlerbehafteten
Abgang gegen einen Wert von 180º, und zwar jeweils unter
Ausführung von Schwingungen.
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Aus der Analyse dieser Phasenverschiebungen läßt sich ableiten,
daß bei Auftreten eines Fehlers der Kosinus des
Phasenverschiebungswinkels cos Φ in einem gesunden Abgang positiv ist, da die
Phasenverschiebung Φ (Vo, ICo) stets kleiner als 90º ist,
während das Vorzeichen des cos Φ in einem fehlerbehafteten Abgang
sehr schnell negativ wird, da die Phasenverschiebung in der Nähe
von 180º liegt.
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Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Bestimmung der Phasenverschiebung in jeder Abtastperiode.
Die Berechnung der Grundschwingungen des Stroms Io und der
Spannung Vo erfolgt durch Erfassung der aufgenommenen
Abtastwerte über einen Zeitabschnitt mit einer der Periodendauer des zu
schützenden Netzes entsprechenden Dauer. In einer digitalen
Verarbeitungsschaltung der in der nachstehend beschriebenen,
besonderen Ausgestaltung der Erfindung verwendeten Bauart,
werden die Spannung vo und der Strom io gleichzeitig abgetastet.
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Eine besondere Ausgestaltung der dem Abgang L1 zugeordneten
Meßeinrichtung ist in Form eines Blockschaltbilds in Figur 5
dargestellt. Die Hauptleitung LP speist über ein Schaltorgan 2,
beispielsweise einen Leistungsschalter, dessen Abschaltung über eine
Auslöseschaltung 3 angesteuert werden kann, die Abgangsleitung
L1 ein. Die Messung der Differenzspannung vo erfolgt in der
Hauptleitung mit Hilfe eines Differenzspannungs-Meßwandlers
TVo bekannter Art. Diese Differenzspannung vo wird durch ein
Anti-Aliasing-Filter FVo gefiltert, anschließend abgetastet und
durch einen Analog-Digital-Umsetzer CVo digitalisiert. Die
Messung des Differenzstroms io erfolgt mit Hilfe eines
Differenzstrom-Meßwandlers TIo bekannter Art. Dieser Strom io wird
durch ein Anti-Aliasing-Filter FIo gefiltert, anschließend abgetastet
und durch einen Analog-Digital-Umsetzer CIo digitalisiert Die
Umsetzer CVo und CIo führen die Abtastungen mit einer
Periodendauer te gleichzeitig durch. Eine digitale
Verarbeitungsschaltung 1, die mit den Ausgangssignalen der Analog-Digital-Wandler
CVo und CIo beaufschlagt wird, berechnet die
Grundschwingungen Io und Vo des Erdschlußstroms bzw. der Erdschlußspannung
sowie ihre Phasenverschiebung. Anschließend zeigt sie gemäß
bestimmter, zuvor festgelegter und nachstehend genauer
beschriebener Kriterien mit Hilfe einer Fehleranzeige 5 das Vorliegen
eines Erdschlusses an und/oder beaufschlagt die
Auslöseschaltung 3 mit einen Auslösebefehl 4 zur Abschaltung des
Schaltorgans 2. In Figur 5 steuert die Schaltung 1 darüber hinaus die
gleichzeitige Abtastung der Werte vo und io.
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Figur 6 zeigt ein von der digitalen Verarbeitungsschaltung 1
verwendetes Ablaufdiagramm. Die über jeweils eine Abtastperiode
te abgetasteten Werte des Erdschlußstroms io und der
Erdschlußspannung vo werden von der Verarbeitungsschaltung eingelesen
(Schritt 6). Die Berechnung der Grundschwingungen Io und Vo
des Stroms io bzw. der Spannung vo erfolgt in Schritt 7. Diese
Grundschwingungen werden anschließend zur Berechnung der
Phasenverschiebung verwendet (Schritt 8). Diese
Verarbeitungsprozedur wird für jede Abtastperiode unter Berücksichtigung der
vorausgegangenen T/te Abtastungen gemäß dem
Erfassungsabschnitt mit der Periodendauer T durchgeführt. Der Wert Io cos Φ
wird mit einem Schwellwert S = 0 verglichen (Schritt 9), um das
Vorhandensein eines Kurzzeitfehlers zu erfassen. Liegt der Wert
Io cos Φ unter dem Schwellwert S, wird der Inhalt des
Fehlerpositionierzählers Cd um einen konstanten Wert K1 verändert
(Schritt 10). Im umgekehrten Fall wird der Inhalt des Zählers Cd
um einen konstanten Wert K2 verändert (Schritt 11). Damit der
Zähler Cd einen bestimmten Ablesebereich nicht verläßt, sind
eine obere und eine untere Begrenzung festgelegt. In Schritt 12
wird der Inhalt des Zählers Cd mit einem Höchstwert Cmax
verglichen. Liegt Cd über dem Höchstwert, wird der Inhalt des
Zählers durch Cmax ersetzt (Schritt 13). In Schritt 14 wird der Inhalt
des Zählers Cd mit einem Mindestwert Cmin verglichen. Liegt Cd
unter dem Mindestwert, wird der Inhalt des Zählers durch Cmin
ersetzt (Schritt 15). Ein zwischen dem Höchstwert Cmax und dem
Mindestwert Cmin liegender Schwellwert Cs ermöglicht die
Anzeige eines Fehlers. Je nach Ergebnis des Vergleichs (Schritt 16)
kann die Verarbeitung an einen geeigneten Schritt 17 oder 18
weitergegeben werden. Die Erfassung eines Fehlers kann dazu
genutzt werden, die Ansteuerung der Fehleranzeige 5 zu
bewirken oder, falls der Fehler über eine bestimmte Zeit bestehen
bleibt, um das Auslöseorgan 3 anzusteuern. Ist wie im
nachstehenden Beispiel das Vorzeichen der Konstante K1 negativ und
das Vorzeichen der Konstante K2 positiv, entspricht Schritt 17
der Erfassung eines Langzeitfehlers.
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Figur 7 zeigt die mit einer besonderen Ausgestaltung der
Erfindung gewonnenen Größen, wenn im betrachteten Abgang ein
Erdschluß vorliegt. Die Parameter des Zählers sind in diesem
Beispiel wie folgt: S = 0, Cmax = 8, Cmin = -24, Cs = 0, K1= -1 und
K2 = 8. Wenn der Vergleichsschwellwert 5 für Io cos Φ gleich
null ist, kann sich dieser Vergleich auf das Vorzeichen des cos Φ
beschränken. Kurve 19 zeigt die Werte des Wirkanteils von Ioa
der Grundschwingung Io des Erdschlußstroms io. Kurve 20 zeigt
die Veränderungen von Cd in Abhängigkeit vom Vorzeichen des
Stroms Ioa. In Kurve 21 ist ein das Ergebnis des Vergleichs mit
dem Schwellwert Cs abbildendes Signal dargestellt, das bei der
in der Figur dargestellten besonderen Ausgestaltung der
Erfindung einem Übergang des Zählerinhalts auf einen negativen Wert
entspricht. Dieses Signal nimmt einen ersten Wert 27 an, wenn
Cd kleiner ist als Cs. Im umgekehrten Fall verharrt es auf einen
zweiten Wert 28, der in der Figur null beträgt.
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Figur 7 zeigt die Größen für einen fehlerbehafteten Abgang. In
Kurve 19 wird bei negativen Werten für Ioa entsprechend dem
Bereich 22 der Inhalt des Zählers um +K1 (Cd = Cd - 1)
verändert, d.h. bei jedem Rechenschritt vermindert (Bereich 24). Bei
Wegfall des Fehlers wird Ioa erneut zu null, und der Inhalt des
Zählers Cd kehrt in Schritten entsprechend K2, d.h. Cd = Cd + 8,
rasch zu seinem Ruhewert zurück (Bereich 25). Durch die Wahl
der Werte für K1 und K2 können kleine Schwingungen von Ioa
um den Nullpunkt (Bereich 23) kein Absinken von Cd unter den
Schwellwert Cs bewirken (Bereich 26). Fällt Cd unter den
Schwellwert Cs, d.h. wird Cd negativ, so nimmt das Signal A
während der gesamten Dauer der Unterschreitung seinen ersten
Wert 27 an.
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Figur 8 zeigt die gleichen Größen wie Figur 7 für den Fall, daß
der Erdschluß nicht im betrachteten Abgang auftritt. Die Werte
für den Wirkanteil Ioa des Stroms können um 0 schwanken. Die
Veränderungen von Cd sind gering und kehren bei jedem
Übergang von Iao auf positive Werte zu + 8 (Cdmax) zurück. Der
Schwellwert Cs wird zu keinem Zeitpunkt unterschritten, und das
Signal verharrt auf seinem zweiten Wert 28.
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Die obige Beschreibung bezieht sich auf die Überwachung einer
Abgangsleitung. Sie setzt voraus, daß die gesamte Meß-,
Umsetzund Verarbeitungseinrichtung in jeder Abgangsleitung installiert
ist. Andere Ausgestaltungen der Erfindung erlauben eine
Reduzierung der erforderlichen Betriebsmittel zum Zwecke einer
allgemeineren Netzüberwachung. Eine erste Einsparung ergibt sich
durch die Verwendung eines gemeinsamen
Differenzspannungswandlers, der an die Hauptleitung angeschlossen wird und seinen
Meßwert für die Erdschlußspannung an alle
Überwachungseinrichtungen der einzelnen Ab gangsleitungen weiterleitet. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann darüber hinaus die digitale
Signalverarbeitung für mehrere Abgänge zentralisiert werden. In diesem
Fall erfaßt die digitale Signalverarbeitung sämtliche Abgänge,
und es wird eine gemeinsame Meßkette zur Erfassung der
Erdschlußspannung
verwendet, die Messung der Differenzströme
sowie die Auslösebefehle sind jedoch jedem Abgang einzeln
zugeördnet.
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Der die Phasenverschiebung zwischen den Grundschwingungen
Io, Vo des Erdschlußstroms bzw. der Erdschlußspannung
abbildende Anteil kann in unterschiedlicher Form vorliegen,
insbesondere als direkter Wert der Phasenverschiebung Φ, Kosinus der
Phasenverschiebung cos Φ, Wert des Wirkanteils der
Grundschwingung Ioa oder als Io cos Φ. Für jeden dieser Fälle wird der
Vergleichsschwellwert S an den jeweiligen Referenzwert ange
paßt.