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Einrichtung zur Ermittlung von Leitungslängen bzw. zur Fehlerortbestimmung
bei Hochspannungsfreileitungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Ermittlung von Leitungslängen bzw. zur Fehlerortbestimmung, das insbesondere dazu
verwendet werden kann, die Lage von Fehlern in Hochspannungsfreileitungen schnell
und genau zu ermitteln, so daß es nicht notwendig ist, die ganze Leitung abzugeben.
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Es ist bereits bekannt, zu diesem Zweck einen Hochfrequenzsender
an die Leitung anzuschließen, dessen Frequenz einen bestimmten Frequenzbereich durchläuft.
Wenn im Zuge der Leitung eine Kurzschluß stelle, eine Erdschlußstelle oder eine
Leitungsunterbrechung liegt, so treten an diesen Fehlerstellen Reflexionen auf,
die dazu führen, daß sich auf der Leitung stehende Wellen ausbilden.
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Diese Wellen haben je nachdem, ob die Hochfrequenz kurzgeschlossen
oder unterbrochen wird, an der Fehlerstelle Spannungsknoten oder Spannungsbäuche.
Infolgedessen entstehen auch am Leitungsanfang, an dem die Prüffrequenz auf die
Leitung gegeben wird, bei bestimmten Frequenzen Spannungsknoten und Spannungsbäuche
bzw. Stromknoten und Strombäuche.
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Die Verteilung der Spannung U auf einer Leitung bei verschiedenen
Frequenzen ist in Abb. 1 dargestellt. Dabei ist angenommen, daß an der Fehlerstelle
P ein Kurzschluß
vorliegt, so daß dort die Spannung immer gleich
Null sein muß. Am Leitungsanfang A tritt dann der erste Spannungsbauch bei der Frequenz,
auf, wenn die Entfernung von A-F = 1/4 der Wellenlänge ist. Steigert nian die Frequenz
weiter, so entsteht der nächste Spannungsbauch bei der Frequenzf2, bei der die Entfernung
4-F = 314 Wellenlängen beträgt. Der dritte Spannungsbauch entsteht bei der Frequenz
3 entsprechend 5/4 Wellenlängen. Der Abstand zweier Frequenzen, bei denen ein Spannungsbauch
auftritt, entspricht also einer halben Wellenlänge. Wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Wellen auf der Leitung v bekannt ist, kann man, wie die Rechnung in Abb. I zeigt,
aus der Geschwindigkeitzw und der Differenz d zweier Frequenzen, bei denen ein Spannungsbauch
auftritt, die Entfernung L zwischen dem Fehlerort F und der Stelle A, an der gemessen
wird, berechnen.
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Diese Verhältnisse sind aus der Leitungstheorie bekannt, und man
hat auch hiernach Fehlerortbestimmungen in Leitungsnetzen durchgeführt, indem man
die Frequenz einen weiten Bereich, z. B. von I kllz bis 100 kHz, langsam durchlaufen
ließ und die entstehende Stromkurve aufgezeichnet hat. Diese Kurve wurde dann ausgewertet,
indem man den Mittelpunkt des Abstandes zwischen zwei Strombäuchen ausgemessen und
daraus den Fehlerort berechnet hat. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß einerseits
die Aufzeichnung der Kurve und die darauffolgende Auswertung recht langwierig ist
und daß die Kurve durch zufällige Störungen gefäl scht werden kann. Ferner ist zur
Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit ein sehr großer Frequenzbereich zu durchlaufen.
Im praktischen Betrieb ist jedoch ein solches Gerät nur brauchbar, wenn eine Fehlerortbestimmung
in kürzester Zeit durch das Betriebspersonal ausgeführt werden kann, das häufig
nicht in der Lage ist, eine Berechnung des Fehlerortes aus Kurven vorzunehmen.
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Weiter ist noch eine Einrichtung bekannt, die zur Messung des Abstandes
eines reflektierenden Gegenstandes von einem Meßort mittels drahtloser Wellen dient.
Diese Einrichtung arbeitet nach folgendem Prinzip: Von einem am Meßort aufgestellten
Sender werden Wellen ausgestrahlt, deren Frequenz sich periodisch über einen bestimmten
Frequenzbereich ändert. Diese Wellen werden von dem Gegenstand, dessen Abstand festzu
stellen ist, reflektiert und gelangen auf einen selektiven Empfänger, der am Sendeort
oder in dessen Nähe aufgestellt ist. Diesem Empfänger wird außerdem unmittelbar
die vom Sender ausgesandte Frequenz zugeführt. Infolge der stetigen Frequenzänderung
und der verschiedenen Laufzeiten ergeben sich so im Empfänger aus den beiden aufgenommenen
Wellen Schwebúngen, die ein Maß für den gesuchten Abstand sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. eine Einrichtung zu schaffen,
die es erinoglicht, dieses aus der drahtlosen Technik bekannte Prinzip bei der Messung
des Fehlerortes an Hochspannungsleitungen anzuwen-- den, um auf diese Weise für
den genannten Zweck ein Meßgerät zu erhalten, das eine unmittelbare Anzeige der
Fehlerortentfernung gestattet und keine Auswertungsarbeit erfordert. Der Anwendung
des bekannten Prinzips auf dem neuen Gebiet standen jedoch erhebliche Schwierigl;eiten
entgegen, die eine einfache Übertragung des Bekannten nicht ohne weiteres zuließen
und deren Überwindung erst durch eine Anzahl besonderer, die Erfindung darstellender
Maßnahmen möglich wurde. Erfindungsgemäß besteht die zur Ermittelung von Leitungslängen
bzw. zur Fehlerortbestimmung bei Hochspannungsleitungen nach dem vorstehend beschriebenen
V erfahren arbeitende Einrichtung darin, daß das die sich periodisch ändernde Frequenz
liefernde Sendegerät und das die ausgesandte und die voii der Fehlerstelle reflektierte
Welle aufnehmende Empfangsgerät über den gleichen Kopplungskondensator sowie über
gemeinsame Abstimmittel und Sicherungseinrichtungen gegen Uberströme und Überspannungen
an die zu untersuchende Leitung angeschlossen sind, wobei zur Ankopplung die für
eine Iiochfrequenzübertragung bereits vorhandene Leitungsausrüstung verwendet wird,
und daß der Frequenzbereich, den die Sendefrequenz durchläuft, so gewählt ist, daß
bei möglichst großem Frequenzhuh der Einfluß des Koppelkondensators und der Leitungsdämpfung
gering sind.
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Die größte Schwierigkeit, die einer Anwendung des bekannten Verfahrens
auf dem genannten Gebiet entgegensteht, liegt darin, daß die Übertragung der Hochfrequenz
in vorliegendem Falle nicht über ein homogenes Medium erfolgen kann, da die Hochspannungsleitung
ein Potential besitzt, das eine unmittelbare Anschaltung von Hochfrequenz sender
und -empfänger nicht gestattet, während bei der bekannten Anwendung des Prinzips
für die Messung des Abstandes eines reflektierenden Gegenstandes vom Sendeort mittels
drahtloser Wellen ein homogenes Meditim vorliegt. Nun liegt es zwar nahe, zur Ankopplung
der Hochfrequenzgeräte Kopplungskondensatoren anzuwenden, wie sie auch bei anderen
Hochfrequenzübertragungen über Starkstromleitungen bereits Anwendung finden. Jedoch
ist dabei zu bedenken, daß das Meßverfahren, das hier zur Anwendung kommen
soll,
ganz andere Anforderungen stellt als eine solche bekannte Hochfrequenzübertragung.
Um eine einwandfreie Fehlerortbestimmung an derartigen oft sehr langen Leitungen
durchführen zu können, benötigt man einen sehr großen Frequenzbereich, der einwandfrei
über den Koppelkondensator übertragen werden und im Gegensatz zur Arbeitsweise der
bekannten Hochfreqenzübertragungssysteme im Betrieb dauernd durchlaufen werden muß.
Der Kopplungskondensator hat außerdem zur Folge, daß man in der Lage und Größe des
Frequenzbereiches än bestimmte Grenzen gebunden ist.
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Es kommt noch hinzu, daß die Leitung stets in Reihe mit einem Kondensator
liegt, also wie bereits erwähnt, einen inhomogenen t'bertragungsweg darstellt. Da
es sich hier aber um ein Meßverfahren handelt, muß auch der Einfluß des Koppelkondensators
über den ganzen Meßbereich kompensiert werden, was ebenfalls erhebliche Schwierigkeiten
bereitet.
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Die Tatsache, daß die reflektierte Welle stets nur einen geringen
Bruchteil der ausgesandten Energie aufweist, läßt sich bei der bekannten drahtlosen
Übertragung leicht durch selektive Verstärkung im Empfänger ausgleichen, während
dieser Ausgleich bei vorliegendem Anwendungsgebiet nicht durchführbar ist, sondern
durch beste Anpassung und geeignete Wahl des Meßfrequenzbereiches ersetzt werden
mußte. Weiter mußten Vorkehrungen getroffen werden, die die sofortige Betriebsbereitschaft
des Meßgerätes gewähfleisten. Es war für den Fachmann, dem die Aufgabe gestellt
xvurde, das bekannte Meßverfahren für eine liehlerortermittlung an Hochspannungsfreileitungen
geeignet zu machen, von vornherein klar, daß die Sende- und Empfangseinrichtung
nicht ohne weiteres an die zu untersuchende Hochspannung führende Leitung angeschlossen
werden konnte. Die bereits erwähnte hochspannungsmäßig ausgeführte Ankopplungseinrichtung
stellte aber einen hohen Aufwand für das Meßgerät dar, der praktisch nicht tragbar
erschien. Ferner ergab sich der noch schwerer wiegende Nachteil, daß die Impedanz
der Kopplungseinrichtung sowohl eine Verfälschung der Meßergebnisse mit sich bringt
als auch die Freizügigkeit der Meßfrequenzen in der Wahl beeinträchtigt. Nun ist
es zwar denkbar, die Kopplungseinrichtungen so abzustimmen, daß ihr nachteiliger
Einfluß weitgehend kompensiert wird. Das bedeutet aber, daß für das Meßgerät eine
ganze besonders ausgebildete Leitungseinrichtung verwendet werden müßte.
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Auch das hätte praktisch erhebliche Schwierigkeiten bereitet, denn
man kann im Bedarfsfall das Meßgerät nicht erst mit den Sopplungseinrichtungen an
die zu untersuchende Leitung anschließen, sondern die IÇopplungseinrichtungen, d.
h. wenigstens der hochspannungsmäßig ausgebildete Teil derselben müßten bereits
fest an der Leitung liegen.
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Infolgedessen wird gemäß der Erfindung die praktisch in den Hochspannungsnetzen
an allen wichtigen Stellen für eine Hochfrequenztel ephonie bereits vorhandene Leitungsausrüstung
für die Ankopplung des Meßgerätes mit ausgenutzt, worauf es dabei ankam, die iibrigen
Teile der Ankopplung auf die festliegenden elektrischen Werte der Kopplungskondensatoren
in geeigneter Weise abzustimmen. Gleichzeitig damit war auch der für die Durchführung
der Messungen zu wählende Meßbereich festzulegen, der im Interesse der Meßgenauigkeit
möglichst groß sein mußte.
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Durch die Kombination der die Erfindung darstellenden Maßnahmen wurde
schließlich eine praktisch brauchbare, die vielfältigen Schwierigkeiten weitgehend
überwindende Meßeinrichtung geschaffen, die mit möglichst geringem Aufwand eine
direkte Messung von Leitungslängen bzw. Entfernung von Fehlerstellen in Hochspannungsfreileitungen
ermöglichte. Gegenüber dem bereits bekannten Verfahren mit Hochfrequenz weist die
Erfindung den Vorteil auf, daß man eine genügende Meßgenauigkeit erhält, ohne daß
ein übermäßig hoher Frequenzbereich durchlaufen werden muß. Gegenüber den anderen
bekannten Verfahren zur Fehlerortmessung ist ein weiterer Vorteil darin zu erblicken,
daß auch die Ermittlung des Fehlerortes beim Vorhandensein mehrerer Fehlerstellen
sicher erfolgen kann, da stets die dem Meßort am nächsten liegende Fehlerstelle
ermittelt wird.
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Die Messung der Zahl der Spannungsbäuche in der Zeiteinheit kann
durch einen Zungenfrequenzmesser erfolgen oder auch durch einen mit Kondensatorumladung
arbeitenden, direkt zeigenden Frequenzmesser (Feckerscher Frequenzmesser, Elektrische
Nachrichtentednik mg36, 5.205 ff.). Man kann die Zahl der Resonanzstellen in der
Zeiteinheit jedoch auch durch einen Oszillographen zur Anzeige bringen dessen Kippfrequenz
so eingestellt wird, daß ein stehendes Bild der Resonanzstelle entsteht, so daß
die eingestellte Kippfrequenz ein Maß für die Zahl der Resonanzstellen in der Zeiteinheit
ist. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß man die niedrigste Kippfrequenz einstellt,
bei der ein stehendes Bild erhalten wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Dabei zeigt Abb. 2 die Schaltung des Hochfrequenzsenders. Die Abb. 3 und 4 zeigen
verschiedene Arten der periodischen Frequenzänderung, und die Abb. 5 zeigt eine
weitere Möglichkeit,
die periodische Frequenzänderung auszufiihren.
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In Abb. 2 ist ein Hochfrequenzsender dargestellt, der periodisch
einen bestimmten Frequenzbereich durchläuft. Der Sender besteht aus der Generatorröhre
j', mit dem Schwingkreis aus dem Kondensator C1 und der Spule L1, die auf die gewünschte
Frequenz abgestimmt sind. Die Spule ist mit der Spule so im Gitterkreis der Röhre
rückgekoppelt, wodurch die Schwingungserzeugung eintritt. An der Kathode der Röhre
V1 liegt zur Erzeugung der Gittervorspannung der Kathodenwiderstand 21 dem der Kondensator
Ca zur Ableitung der Hochfrequenz parallel geschaltet ist. Die Sekundärwicklung
der Spule L2 liegt am Gitter der Verstärkerröhre 1q. Diese hat den I(athodenwiderstand
R mit dem Parallelkondensator C5 zur Erzeugung der Gitterspannung sowie den Spannungsteiler
1?,, Rs zur Erzeugung der Schiringitterspannung aus der Anodenspannung der Batterie
l'A. Im Anodenkreis der Röhre V3 liegt der Übertrager 82, durch den die Hochfrequenz
gegebenenfalls über einen weiteren Verstärker Ir an den Übertrager C1 gelangt, dessen
Isolation so bemessen ist, daß das Hochfrequenzgerät durch Überspannungen an der
Leitung nicht gefährdet wird. Zu diesem Zweck sind ferner die Sicherungseinrichtungen
Si vorgesehen, iiber die die Hochfrequenz zu den Kopplungskondensatoren K und zur
Hochspannungsleitung L geführt wird. Diese Leitungsausrüstung wird zweclimäBig ebenso
ausgeführt, wie es bei der Hochfrequenztelephonie über Leitungen bekannt ist, und
man kann eine für diesen Zweck vorhandene Leitungsausrüstung auch für die Fehlerorthestimmungen
mitbenutzen. In diesem Fall wird jedoch zweckmäßig das Hochfrequenztelephoniegerät
abgeschaltet, da sonst ein erheblicher Teil der Hochfrequenz in das Gerät abfließen
würde. Wenn die Leitungsausrüstung Abstimmittel enthält, muß darauf geachtet werden,
daß diese mitabgeschaltet werden oder daß sie den von der Meßeinrichtung bestrichenen
Frequenzbereich durchlassen.
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Der Hochfrequenzstrom. der in die Leitung fließt, wird als Spannungsabfall
an dem Meßwiderstand RM gemessen, an dem als Meßgerät beispielsweise ein direkt
zeigender Freuenzmesser angeschlossen ist, der auf die Zahl der Resonanzstellen
in der Zeiteinheit anspricht.
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Der Frequenzbereich, der zu durchlaufen ist, hängt davon ab, welche
Fehlerentfernungen noch gemessen werden sollen. Ferner wird man den Frequenzbereich
so wählen, daß keine zu großen Verstimmungen des Senders erforderlich werden. Hierfür
ist es zweckmäßig, den Frequenzbereich hoch zu wählen. Andererseits steigt mit wachsender
Frequenz die Dämpfung der Leitung stark an, so daß die Resonanzstellen ebenfalls
gedämpft werden. Aus diesen taründell ist es am zweckmäßigsten, den Frequenzbereich
in derselhen Größenordnung zu wählen, wie er auch bei der Hochfrequenziibertragullg
über Starkstromleitungen üblich ist.
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Die periodische Änderung des Frequeiizbereichs kann auf verschiedene
Weise erfolgen, z. B. mechanisch durch Verstellung eines Drehkondensators oder eines
Variometers mit Hilfe eines Nlotors. Zweckmäßiger sind jedoch Anordnungen. bei denen
die Änderung elektrisch erfolgt, da diese Anordnungen einfacher sind und keine beweglichen
Teile aufweisen.
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In dem Ausführungsbeispiel ist eine Röhrenschaltung dargestellt, wie
sie in ähnlicher Weise von der automatischen Scharfabstimmung von Rundfunkempfängertl
bekannt ist.
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Die Röhre T-o enthält zwischen Gitter und Katllode den Widerstand
R2 und zwischen Gitter und Anode den Kondensator C2. Eine solche Anordnung hat die
Eigenschaft, daß zwischen Anode und Kathode ein kapazitiver Widerstand für angelegteWechselspannungell
entsteht, dessen Größe sich in Abhängigkeit von der Steilheit der Röhre ändert.
Durch Änderung der Gitterspannung der Röhre V2 liegt also parallel zum Abstimmkondensator
C1 des Hochfrequenzgenerators eine veränderliche Kapazität, durch die die erzeugte
Frequenz beeinflußt wird. Durch periodische Änderung der Gifterspannung entsteht
also die gewünschte periodische Änderung der Sendefrequenz.
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Ebenso läßt sich mit einer solchen Röhrenschaltung auch eine Induktivität
oder ein komplexer Widerstand herstellen, so daß hierdurch eine beliebige Frequenz
steuerung möglich ist. Statt der dargestellten Röhrenschaltung kann man beispielsweise
auch die Ab stimmimpulse L1 als Eisenkernspule ausführen. Die Induktivität dieser
Spule ist von der Permeabilität des Eisenkernes abhängig und diese Permeabilität
kann dadurch geändert werden, daß der Eisenkern vormagnetisiert wird. Durch periodische
Änderung der Vormagnetisierung erhält man ebenfalls eine periodische .Rntlerung
der Sendefrequenz.
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Die Änderung der Frequenz mit der Zeit kann entweder nach einer sägexahuförmigen
Kurve verlaufen. wie es Abb. 3 zeigt, oder auch periodisch ansteigen und abfallen,
wie es die Abb. 4 zeigt. Entsprechend muß der Verlauf der Steuerspannung gewählt
werden. in Abb. 2 wird die Steuerspannung durch eine Kippschaltung als sägezahnförmige
Kurve erzeugt. Die Kippschaltung besteht aus dem Kondensator CÕ, der von der Batterie
UA2 über
den Widerstand R10 aufgeladen wird. Entsprechend der Zeitkonstante
dieses Kreises lädt sich der Kondensator langsam auf, bis die Ansprechspannung der
Gasentladungsröhre 14 erreicht ist. In diesem Augenblick zündet die Röhre und entlädt
den Kondensator sehr schnell über den Widerstand RD.
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Nach Entladung des Kondensators setzt die Entladung in der Röhre wieder
aus und der Kondensator wird von neuem aufgeladen. Der Ladestrom des Kondensators
fließt durch den Widerstand R11, der zugleich im Gitterkreis der Steuerröhre V liegt,
so daß der Spannungsabfall am Widerstand R11 die Frequenz des Hochfrequenzsenders
periodisch ändert.
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Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann man diese Kippschaltung in gleicher
Weise, wie es bei Oszillographen üblich ist, durch den Meßstrom am Widerstand RM
so synchronisieren, daß der nächste Durchlauf des Frequenzbereiches immer bei einem
bestimmten, stets gleichbleibenden Wert des Meßstromes, insbesondere beim Maximum
oder Minimum, erfolgt. Hierdurch wird vermieden, daß ein Stromanstieg noch gemessen
wird, wenn das Maximum bzw. das Minimum dieses Stromanstieges nicht mehr in dem
durchlaufenden Frequenzbereich liegt.
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Durch diese Steuerung der Sendefrequenz entstehen leicht auch Amplitudenschwankungen,
die jedoch in bekannter Weise, z. B. durch frequenzabhängige Widerstände, in den
Verstärkerstufen entzerrt werden können.
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Ebenso kann man in bekannter Weise zusätzliche Mittel vorsehen, um
einen möglichst linearen Anstieg bzw. Abfall der Steuerspannungen in dem gewünschten
Bereich zu erhalten.
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Eine Frequenzkurve und demgemäß auch eine Steuerspannungskurve, wie
sie Abb. 4 zeigt, kann man erreichen, wenn man gemäß Abb. 5 an eine Induktivität
eine konstante, periodisch ihre Polarität wechselnde Spannung X anlegt. Diese Spannung
kann man in bekannter Weise durch eine Röhre erhalten, an deren Gitter eine Wechselspannung
solcher Größe gelegt wird, daß die Röhre im wesentlichen im Sättigungsbereich arbeitet.
Bei Anlegen einer solchen Spannung an eine Drossel fließt in dieser ein annähernd
dreieckförmiger Strom i, der zur Steuerung der Steuerröhre verwendet werden kann.
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Zur Messung wird es in manchen Fällen genügen, die Hochfrequenz zwischen
zwei Phasen der Leitung oder zwischen eine Phase und Erde zu legen. Falls hierdurch
noch kein eindeutiges Ergebnis erzielt wird, kann man leicht Vergleichsmessungen
zwischen verschiedenen Phasen sowie zwischen verschiedenen Phasen und Erde durchführen,
wodurch die Meßgenauigkeit des Verfahrens erhöht wird.
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Den Frequenzmesser wird man zweckmäßig direkt in der Fehlerortentfernung
eichen.