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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft die Koordinierung von Überstromschutzeinrichtungen,
wie beispielsweise Schaltungsunterbrechern und Schutzrelais, in einem
elektrischen Leistungssystem, und insbesondere ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum entfernten Testen einer solchen Koordinierung.
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Hintergrundinformation
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In einem typischen elektrischen Leistungsverteilungssystem
sieht ein Haupt-Bus Leistung an eine Anzahl zusätzlicher Busse vor, die ihrerseits eine
Vielzahl von Verteilungsschaltungen mit Energie versorgen. Häufig setzen
Leistungstransformatoren die Spannung an verschiedenen Punkten in
dem System herab. Typischerweise sind Überstromschutzeinrichtungen
in dem Haupt-Bus und zumindest in einigen, wenn nicht allen anderen
Zweigen des Verteilungssystems vorgesehen. Jede der Überstromschutzeinrichtungen
besitzt ihre eigene Überstrom-/Zeit-Auslösecharakteristik
zum Ansprechen auf Fehler in dem Leistungssystem. Typischerweise sind
diese Überstrom-/Zeit-Auslösecharakteristika der
verschiedenen Überstromschutzeinrichtungen durch
eine hierarchische Anordnung koordiniert, so dass nur die nächstliegende
Schutzeinrichtung oberhalb des Fehlers auslöst, um eine Unterbrechung des Dienstes
zu minimieren. Diese Koordination wird üblicherweise bestätigt bzw.
verifiziert durch Aufzeichnen der Zeit/Strom-Auslösecharakteristika
der individuellen Überstromschutzeinrichtungen
auf transparentem Papier und dann durch Übereinanderlegen der Papiere
in hierarchischer Reihenfolge, um zu sehen, dass die Kurven für die Einrichtungen
höherer Ordnung
außerhalb
der entfernten Einrichtungen sind, die in der Hierarchie niedriger
sind. Selbst wenn die ordnungsgemäße Koordinierung auf diese
Weise verifiziert ist, könnte
es Fehler geben beim Einstellen der Einrichtungen in der zuvor beschriebenen
Weise. In einigen Fällen
wird die tatsächliche
Koordinierung getestet durch Eingeben eines Fehlerstroms in das System
an ausgewählten
Stellen und durch Beobachtung, welche Einrichtungen auslösen. Dies
ist ein aufwendiger Test, der nur durchgeführt werden kann, wenn das System
von der Leistungsquelle getrennt ist, und daher, falls überhaupt,
typischerweise nur während
eines anfänglichen
Systemtests durchgeführt
wird.
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Bei einigen Anlagen werden Zonen-
bzw. Bereichsverriegelungen verwendet. Bei einer solchen Anordnung
senden Überstromschutzeinrichtungen, die
in der Hierarchie niedriger sind und einen Überlaststrom sehen, ein Verriegelungssignal
an eine Einrichtung höherer
Ordnung, um die Erzeugung eines Auslösesignals des letzteren zu
blockieren, um den ersteren Zeit zum Reagieren zu geben. Dies gestattet,
dass die Zeit/Überstrom-Charakteristika
benachbarter Überstromschutzeinrichtungen
in der Hierarchie ihre Zeit/Strom-Auslösecharakteristika näher beieinander
eingestellt haben, aber gewährleistet, dass
die niedrigere Einrichtung zuerst auslöst, wenn die Bedingungen dies
gebieten. In einigen Anlagen werden die Überstromschutzeinrichtungen
in mindestens einem Teil des Verteilungssystems von einer zentralen
Schalttafel aus gesteuert. Ferner ist es heutzutage üblich, dass Überstromschutzeinrichtungen
digitale Auslösungseinheiten
aufweisen, die einen Mikroprozessor umfassen. Viele dieser Mikroprozessoren
sind in der Lage, mit einer entfernten Einheit zu kommunizieren,
die den Betrieb der Überstromschutzeinrichtungen überwachen
kann, und sie sind in einigen Fällen
in der Lage, die Parametereinstellungen zu steuern und/oder zu ändern. Das
Dokument "Computer assessment of IDMT relay performance for phase
and earth faults on interconnected power systems", D. Litgate and
H. Askarian Abyaneh, IEE Proceedings C, März 1988, UK, Band 135, Nr.
2 ISSN 0143-7046 Seiten 157–165, XP-002059341,
offenbart einen Computeralgorithmus zur Auswertung der Leistung
von Überstromschutz
in einem elektrischen Leistungssystem. Das Leistungssystem besitzt
eine Hierarchie von Zweigen und weist eine Vielzahl von Überstromschutzrelais auf.
Jedes dieser Relais ist mit einem Schaltungsunterbrecher assoziiert,
besitzt eine zugewiesene Überstrom-/Zeit-Auslöse-Stromcharakteristik
und ist einem Zweig der Hierarchie von Zweigen des elektrischen
Leistungssystems zugewiesen.
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U.S. Patent Nr. 4,814,712 lehrt einen
Testsatz für
digitale und analoge Überstromschutzeinrichtungen.
Die digitale Überstromschutzeinrichtung umfasst
einen digitalen Prozessor (Mikroprozessor) zum Verarbeiten von Schaltungsinformation
in diskreten Intervallen. Wann immer es nötig ist die Betriebsfähigkeit
einer digitalen Überstromschutzeinrichtung
zu testen, ohne dass elektrische Leistungssystem abzuschalten, wird
der Testsatz zeitweise mit der Überstromschutzeinrichtung
verbunden. Nachfolgend kann der Mikrocomputer innerhalb des Testsatzes
oder Testkits eine weite Vielzahl von Testfunktionen durchführen. Eine
der Testfunktionen simuliert einen Überstromzustand innerhalb der Überstromschutzeinrichtung,
wohingegen eine andere Testfunktion die Auslösewerte der Überstromschutzeinrichtung
anzeigt.
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Es gibt einen Bedarf für ein verbessertes Verfahren
und eine verbesserte Vorrichtung zum Testen der Koordinierung zwischen
Schutzeinrichtungen in elektrischen Leistungssystemen.
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Es gibt genauer einen Bedarf für ein solches verbessertes
Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung, die das Testen der
verschiedenen Schutzeinrichtungen gestatten, die über das
System verteilt sind, und zwar von einer gemeinsamen Stelle aus.
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Es gibt auch einen Bedarf für ein solches Verfahren
und eine Vorrichtung, die die zentrale Sammlung der Ergebnisse eines
solchen Koordinierungstests vorsehen.
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Ferner gibt es einen Bedarf für ein solches Verfahren
und eine Vorrichtung, die die ordnungsgemäße Implementierung der Koordinierung
verifiziert bzw. bestätigt,
ohne Strom eingeben zu müssen
oder die Einrichtungen tatsächlich
auslösen
zu müssen, so
dass die Verifizierung jederzeit wiederholt werden kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese und weitere Bedürfnisse
werden erfüllt durch
ein elektrisches Leistungssystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
zum Testen einer Überstrom-/Zeit-Auslösecharakteristik-Koordinienung
der verschiedenen Schutzeinrichtungen in einem elektrischen Leistungssystem
gemäß Anspruch
6. Dies umfasst eine zentrale Teststation, die ein entfernter Computer
oder eine Einheit sein kann, die in einer Schalttafel angebracht
ist, und die mit den individuellen Überstromschutzeinrichtungen über eine
Kommunikationsverbindung verbunden ist. Die zentrale Teststation
führt gleichzeitige
Tests der Überstromschutzeinrichtungen
durch unter Verwendung eines Musters zugewiesener Testströme, die
einen Fehler an einer angegebenen Stelle in der Hierarchie von Zweigen
des Systems simulieren. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel senden die zentralen
Testmittel zuerst die zugewiesenen Ströme an jede der Schutzeinrichtungen
zum Speichern in einem Speicher innerhalb der Schutzeinrichtung.
Dies kann erreicht werden durch Nachrichten, die an die individuellen Überstromschutzeinrichtungen
adressiert sind. Die zentralen Testmittel senden dann über die
Kommunikationsverbindung an alle Schutzeinrichtungen ein Testsignal,
das Testmittel innerhalb jeder der Überstromschutzeinrichtungen
betätigt,
um einen Test der Auslösemittel
zu implementieren unter Verwendung des in dem Speicher abgespeicherten
zugewiesenen Teststroms. Die Überstromschutzeinrichtungen
führen
dann Schutzfunktionen durch, die durch ihre jeweiligen Zeit/Strom-Auslösecharakteristika
implementiert sind. Die Zeit, zu der eine Überstromschutzeinrichtung auslöst ansprechend
auf den zugewiesenen Teststrom, wird in ihrem Speicher abgespeichert.
Die zentralen Testmittel rufen dann die Auslösezeiten aus den Speichern
in den verschiedenen Überstromschutzeinrichtungen
zur Auswertung ab. Die zugewiesenen Testströme, die von den zentralen Testmitteln
an die individuellen Schutzeinrichtungen geliefert werden, berücksichtigen
die Effekte jeglicher Einrichtungen, die Fehlerströme beeinflussen,
wie beispielsweise Leistungstransformatoren, Instrumententransformatoren,
Motoren, Kondensatoren und anderer Einrichtungen in dem Leistungsverteilungssystem.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Volles Verständnis der Erfindung kann erhalten
werden durch die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen, in denen:
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1 ein
schematisches Diagramm eines Leistungsverteilungssystems ist, das
die Erfindung umfasst, zum Testen der Koordinierung zwischen Überstromschutzeinrichtungen
in dem System.
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2 ist
ein Flussdiagramm einer Routine, die von dem zentralen Tester verwendet
wird, welcher einen Teil des in 1 offenbarten
Systems bildet.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das die einschlägigen Teile einer Hauptroutine
darstellt, die von den Überstromschutzeinrichtungen
verwendet werden, welche einen Teil des Verteilungssystems von 1 bilden.
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4 ist
ein Flussdiagramm einer Test-Unterbrechungsroutine, die von den Überstromschutzeinrichtungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Die Erfindung wird nun beschrieben
in Anwendung auf ein elektrisches Leistungsverteilungssystem, aber
es ist verständlich,
dass die Erfindung auf andere elektrische Leistungssysteme angewendet
werden kann, wo eine Koordinierung von Überstromschutzeinrichtungen
von Interesse ist. Das beispielhafte elektrische Leistungsverteilungssystem 1, auf
das die Erfindung angewandt wird, ist in 1 gezeigt.
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Das Verteilungssystem 1 umfasst
eine Quelle 3, die Leistung über einen Leistungstransformator 5 an
einen Haupt-Bus 7 liefert. Der Haupt-Bus 7 liefert
seinerseits Leistung über
Transformatoren 9 und 11 an Busse 13 und 15.
Der Bus 13 liefert Leistung an eine Anzahl von Verteilungsschaltungen 17 und 19.
In ähnlicher
Weise liefert der Bus 15 Leistung an die Verteilungsschaltungen 21 und 23.
Die Busse 7 bis 15 und die Verteilungsschaltungen 17 bis 23 bilden
eine Hierarchie von Zweigen in dem Verteilungssystem 1,
wobei der Haupt-Bus 7 an der Spitze der Hierarchie steht
und die Verteilungsschaltungen 17 bis 23 am unteren
Ende der Hierarchie stehen.
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Überstromschutzeinrichtungen 25a bis 25g sind
in den jeweiligen Zweigen vorgesehen. In dem beispielhaften Verteilungssystem 1 sind
diese Schutz einrichtungen 25 Schaltungsunterbrecher mit
integrierten Auslöseeinheiten,
obwohl es verständlich
ist, dass andere Arten von Überstromschutzeinrichtungen,
wie beispielsweise Schutzrelais, verwendet werden könnten in
Verbindung mit Leistungsschaltungsunterbrechern in anderen Leistungssystemen.
Typischerweise werden Schutzrelais in elektrischen Leistungssystemen
verwendet, in denen die Leitungsspannung oberhalb von 1000 V ist.
Jeder der Schaltungsunterbrecher 25a bis 25g umfasst Kontakte 27a bis 27g,
die von einer Auslöseeinheit 29a bis 29g betätigt werden.
Die beispielhaften Auslöseeinheiten 29a bis 29g sind
elektronische Auslöseeinheiten,
die einen Mikroprozessor 31a bis 31g mit einem
Speicher 33a bis 33g umfassen. Die Auslöseeinheiten 29a bis 29g fühlen den
Strom über
Stromwandler (CTs) 35a bis 35g ab. Das Verteilungssystem 1 ist dreiphasig,
aber es ist aus Gründen
der Klarheit in einer einzigen Leitung gezeigt. Daher besitzt jeder
der Schaltungsunterbrecher einen Satz von Kontakten 27 und
einen Stromwandler 35 für
jede Phase, obwohl wiederum nur einer in 1 gezeigt ist.
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Die Auslöseeinheiten 29a bis 29g sehen Überstromschutz
durch eine Implementierung von vorbestimmten Strom/Zeit-Auslösecharakteristika vor.
Diese vorbestimmten Strom/Zeit-Auslösecharakteristika der verschiedenen
Auslöseeinheiten 29a bis 29g sind
bekanntermaßen
koordiniert, um eine Dienstunterbrechung aufgrund eines Fehlers
zu minimieren. Diese Koordinierung ist implementiert durch eine
hierarchische Anordnung von Strom/Zeit-Auslösecharakteristika der Auslöseeinheiten 29a bis 29g. Gemäß dieser
Anordnung sind die Strom/Zeit-Auslösecharakteristika
der Auslöseeinheiten 29 der
Schaltungsunterbrecher 25, die in der Hierarchie niedriger stehen,
so ausgewählt,
dass sie vor solchen, die in der Hierarchie höher stehen, auf einen Fehler
ansprechen. Wenn beispielsweise ein Fehler an der Stelle 37 in
einem niedrigeren Zweig 17 des Verteilungssystems vorhanden
ist, werden die Auslöseeinheiten 29e, 29b und 29a diesen
Fehler abfühlen. Wenn
die Auslöseeinheit 29a anspricht
durch Auslösen
des Schaltungsunterbrechers 25a, wird offensichtlich das
gesamte Verteilungssystem abgeschaltet. Das Ziel ist es, dass nur
der erste Schaltungsunterbrecher oberhalb des Fehlers anspricht,
was in diesem Fall der Schaltungsunterbrecher 25e ist.
Um den Betrieb der Auslöseeinheiten 29e, 29b und 29a zu
koordinieren, kann die Strom/Zeit-Auslösecharakteristik der Auslöseeinheit 29e ausgewählt werden, um
auf den Fehler bei 37 anzusprechen, bevor dies die Auslöseeinheit 29b tut.
In ähnlicher
Weise kann die Strom/Zeit-Auslösecharakteristik
der Auslöseeinheit 29a so
ausgewählt
sein, dass gestattet wird, dass der Schaltungsunterbrecher 25b zuerst
auf Fehler unterhalb dieser beiden Schaltungsunterbrecher anspricht.
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Es ist auch bekannt, Bereichs- bzw.
Zonenverriegelungen zu verwenden, um eine Koordinierung zwischen
Schaltungsunterbrechern in einer Hierarchie von Schaltungszweigen
vorzusehen. In einem beispielhaften System erzeugen somit die Auslöseeinheiten 29f und 29g Zonenverriegelungssignale,
wenn sie einen Fehler sehen. Diese Zonenverriegelungssignale werden
an die Auslöseeinheit 29c des
Schaltungsunterbrechers 25c, welcher in der Hierarchie über ihnen
liegt, übertragen,
und zwar über
Leitungen 391 bzw. 392.
Die Zonenverriegelungssignale verhindern das Auslösen des
Schaltungsunterbrechers 25c und geben dem Schaltungsunterbrecher 25f oder 25g Zeit,
um auf einen Fehler unterhalb davon anzusprechen. Dieses Zonenverriegelungsschema
gestattet, dass die Schutzkurven bzw. -kennlinien für die Auslöseeinheiten 29f und 29g in
den unteren Schaltungsunterbrechern 25f und 25g näher an der
Schutzkurve bzw. -kennlinie für
die Auslöseeinheit 29c des
Schaltungsunterbrechers 25c liegen.
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Das System 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine entfernte digitale Einrichtung 41, die
mit den Auslöseeinheiten 29 der
individuellen Schaltungsunterbrecher 25a bis 25g über eine
Kommunikationsverbindung in Form eines Netzwerks 43 kommuniziert.
Jede der Schutzeinrichtungen 25a bis 25g umfasst
ein Kommunikationsmodul 45a bis 45g, das eine
Schnittstelle mit dem Netzwerk 43 vorsieht zur Kommunikation
zwischen dem Mikroprozessor 31a bis 31g und der
entfernten digitalen Einrichtung 41.
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Die entfernte digitale Einrichtung 41 kann
ein entfernter Computer sein, der beispielsweise in einem Steuerraum
angeordnet sein kann, und über den
ein Bediener den Betrieb des Systems 1 und insbesondere
der Überstromschutzeinrichtungen 25a bis 25g überwachen
kann. Die entfernte digitale Einrichtung 41 ermöglicht es
dem Bediener, die Einstellungen der verschiedenen Überstrom schutzeinrichtungen
nachzusehen und Informationen aufzurufen betreffend Auslösungen oder
andere Ereignisse, die von den Überstromschutzeinrichtungen
in ihren Speichern 33a bis 33g aufgezeichnet wurden.
Zusätzlich kann
die entfernte digitale Einrichtung verwendet werden zum Anpassen
bzw. Einstellen der Einstellungen der Auslöseeinheiten 29 von
bestimmten Überstromschutzeinrichtungen 25.
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In einigen Fällen sind die Überstromschutzeinrichtungen 25a bis 25g Schaltungsunterbrecher, die
in einer Schalttafel angebracht sind. Typischerweise sind diese
Schaltungsunterbrecher, obwohl sie sehr hoch entwickelte Auslöseeinheiten 29a bis 29g aufweisen,
nicht mit einer Anwenderschnittstellenanzeige versehen. Bei solchen
Anlagen dient eine auf der Schalttafel angebrachte entfernte digitale
Einrichtung 41 als eine gemeinsame Verwenderschnittstelle.
Unabhängig
davon, ob die entfernte digitale Einrichtung 41 ein entfernter
Computer, eine Schalttafelschnittstelle oder ein anderer zentraler,
digitaler Prozessor ist, dient sie als zentraler Tester gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die entfernte digitale Einrichtung 41 umfasst
einen digitalen Prozessor, wie beispielsweise den Mikroprozessor 45 und
einen Speicher 47. Wie in 2 gezeigt
ist, implementiert der Mikroprozessor 45 eine Routine 49,
die zuerst eine angegebene Fehlerstelle empfängt, die von dem Verwender
eingegeben wurde und mit 51 bezeichnet ist. Die Routine
ruft dann aus dem Speicher 47 die Stellen der Einrichtungen
in dem Leistungssystem bei 53 ab, und zwar zusammen mit
den Stellen der Transformatoren und von Multiplizierern bei 55.
Diese werden verwendet zur Einrichtung eines Musters von Testströmen für die von
dem Verwender angegebene Fehlerstelle bei 57. Getrennt
adressierte Nachrichten, die den zugewiesenen Teststrom für jede Überstromschutzeinrichtung
enthalten, werden dann über
das Netzwerk geschickt bei 59. Nachdem alle zugewiesenen
Testströme
verteilt wurden, wird ein Signal über das Netzwerk gesendet,
dass alle Überstromschutzeinrichtungen 25 anweist,
einen Test einzuleiten unter Verwendung der vorher übertragenen zugewiesenen
Testströme,
wie bei 61 angezeigt ist. Nach Beendigung des Tests fragt
der zentrale Tester die Auslösezeiten
von den Schutzeinrichtungen bei 63 ab, die verwendet werden
können
zur Analyse der Koordinierung der Schutzeinrichtungen.
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Beim Empfang der individuellen Nachrichten durch
die jeweiligen Schutzeinrichtungen 25a bis 25g werden
die zugewiesenen Testströme
in den Speichern 33a bis 33g der Auslöseeinheiten
gespeichert. Wie in 3 gezeigt
ist, führen
die Mikroprozessoren 31a bis 31g der Schutzeinrichtungen
kontinuierlich ein Programm 65 aus, dass das Aufrufen der
Schutzroutine bei 67 umfasst. Die Schutzroutine implementiert
die Überstrom/Zeit-Auslösecharakteristik,
die für die
Auslöseeinheit 29a bis 29g eingerichtet
wurde. Wenn ein Auslösesignal
erzeugt wird, werden die Auslöseparameter
bei 69 gespeichert, und in jedem Fall wird die Kommunikationsroutine
bei 71 durchgeführt.
Wenn ein gesendetes Signal von dem zentralen Tester empfangen wird,
wird eine Unterbrechung (interrupt) erzeugt, die unmittelbar einen
Test der Auslöseeinheit
einleitet unter Verwendung des zugewiesenen Teststroms, so dass
alle Einheiten die Tests gleichzeitig einleiten. Der Test wird vorzugsweise
durchgeführt
ohne die Überstromschutzeinrichtung
tatsächlich
auszulösen,
so dass die Leistung nicht unterbrochen wird. Somit kann der Test
gemäß der vorliegenden
Erfindung während
des Betriebs bzw. online durchgeführt werden. Wie in 4 gezeigt ist, erzeugt das gesendete Signal
in allen Mikroprozessoren 31a bis 31g eine Testunterbrechung
bei 73. Dies ruft die Schutzroutine 67 von 3 in jeder der Überstromschutzeinrichtungen
auf unter Verwendung des gespeicherten Teststroms, wie bei 75 angezeigt
ist.
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Während
spezielle Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Einzelheiten beschrieben wurden, wird der Fachmann
erkennen, dass verschiedenen Modifikationen und Alternativen zu
diesen Einzelheiten entwickelt werden könnten im Lichte der Gesamtlehre
der Offenbarung. Entsprechend sollen die offenbarten besonderen
Anordnungen nur zur Veranschauung dienen und nicht als beschränkend für den Umfang
der Erfindung angesehen werden, dem die volle Breite der beigefügten Ansprüche zukommen soll.