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Schutzeinrichtung für Mehrphasenstromkreise.
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Ausserdem tritt in jeder Phase des beliebigen Systems noch eine Einphasenkomponente auf. Diese Komponente ist in allen drei Phasen gleich gross und hat die gleiche Phasenlage. Die Summe dieser letzten Komponente ist identisch mit dem Summenstrom des Dreiphasensystems bzw. mit der Nullpunktsspannung des Systems.
Im Fehlerfalle treten die genannten drei Komponenten entsprechend der Natur und der Lage des Fehlers auf, u. zw. ergibt sich bei den verschiedenen möglichen Fehlern folgendes :
Bei Dreiphasenkurzschluss ist kein Erdschlussstrom vorhanden, und da die drei Ströme gleich gross und um 120 gegeneinander verschoben sind, sind die gegenläufigen Komponenten und die Summenstrom- komponenten gleich Null. Die mitläufige Komponente stellt den gesamten resultierenden Kurzschlussstrom dar.
Bei einfachem Kurzschluss ist die Summenstromkomponente gleich Null, weil keine Erdverbindung besteht, und nur die mitläufigen und gegenläufigen Komponenten bleiben übrig. Diese beiden Komponenten sind gleich gross, ebenso die beiden entsprechenden Spannungskomponenten.
Bei einfachem Erdschluss bilden die mitläufigen, gegenläufigen und Summenstromkomponenten den resultierenden Fehlerstrom. Diese drei Stromkomponenten sind gleich gross. Die Summe der Spannungskomponenten ist gleich Null.
Bei Doppelerdschluss treten die mitläufigen, gegenläufigen und Summenstromkomponenten auf.
Der gesamte Fehlerstrom ist die Summe dieser drei Komponenten, die verschiedenen Spannungskomponenten sind in diesem Falle gleich gross.
Zum vollkommenen Schutz eines Dreiphasenübertragungssystems sind bisher wenigstens zwei Relais vorgeschlagen worden, die entsprechend auf die mitläufige und auf die gegenläufige Komponente einer elektrischen Grösse ansprechen. Wie aus der Betrachtung der einzelnen Fehlermöglichkeiten hervorgeht, tritt die mitläufige Komponente in jedem Fehlerfalle auf. Als Fehlerkriterium kommt sie nur in Frage bei Überlast oder Dreiphasenkurzsehluss, da sie nur in diesen Fällen ein Anwachsen in der Grösse zeigt. Bei andern Fehlern als bei dreiphasige Kurzschluss setzt sieh der Gesamtfehlerstrom zusammen aus den mit-und gegenläufigen Komponenten und gegebenenfalls auch aus der Summenstromkomponente.
Die Notwendigkeit zweier Sehutzrelais ergab sich daraus, dass ein einziges Relais, welches auf die mitläufigen Komponenten anspricht, bei einem kleineren Spannungs-oder Stromwert der mitläufigen Komponente ansprechen müsste, als er unter normalen Betriebsbedingungen auftritt.
Notwendigerweise würde ein solches Relais bei unsymmetrischer Belastung falsch ansprechen. Aus diesem Grunde hat man ein Relais, das auf die mitläufigen Komponenten bei Dreiphasenkurzsehluss oder bei Überlastung, und ein zweites Relais, das auf die gegenläufigen Komponenten für andere Fehlerbedingungen anspricht, vorgesehen.
Um die mit-oder gegenläufigen Komponenten eines Vielphasensystems abzusondern, hat man bisher Widerstandsanordnungen (Kunstschaltungen) vorgesehen, die über Wandler mit dem Vielphasensystem verbunden werden. Wenn man die mitläufigen oder die gegenläufigen Komponenten des
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Systems mit derselben Widerstandsanordnung erfassen will, ist es nur notwendig, die Wandleransrblüsse an der Widerstandsanordnung zu vertauschen. Es sind aber auch verschiedene Kunstschaltungen für die entsprechenden Relais zur Absonderung der beiden Komponenten in Anwendung gekommen, und vielfach hat man auch Kunstsehaltungen in die Konstruktion der entsprechenden Relais eingefügt.
Die Erfindung hat eine Schutzeinrichtung für mehrphasige Stromkreise zum Gegenstande. Erfindungsgemäss dient zum Schutz gegen Überlastung, Kurzschluss, unsymmetrische Belastung usw. ein einziges Schutzrelais, das von der mitläufigen und von der gegenläufigen Komponente einer elektrischen Grösse, z. B. des Stromes oder der Spannung des zu schützenden Stromkreises, erregt wird. Dieses Relais wird mit einer zur Überwachung der Symmetrie des Systems dienenden Widerstandsanordnung verbunden, welche derart abgestimmt ist, dass die mit-und gegenläufige Komponente der elektrischen Grösse mit Hilfe dieser Widerstandsanordnung auf das Sehutzrelais zur Einwirkung gebracht wird.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung soll sie im Vergleich zur Wirkungsweise von Einphasen- relais erläutert werden. Um einen einfachen Uberstromschutz vorzusehen, muss mit jeder Phase des
Systems ein Einphasenrelais verbunden werden. Jedes dieser Relais spricht an, wenn der Wert des
Stromes in der entsprechenden Phase eine bestimmte Grösse überschreitet unabhängig von der Grösse des Stromes in den übrigen Ph. asenleitungen. Es ist ersichtlich, dass derartige Einphasenrelais nicht empfindlicher gemacht werden können für Fehler der Phasen untereinander als für normale dreiphasige
Belastungsströme.
Da es jedoch wünschenswert ist, einen niedrigeren Anspreehwert bei Fehlern zwischen Phasen untereinander als bei normalen Belastungen zu haben, ist die Anwendung von solchen Einphasenrelais begrenzt. Die Notwendigkeit, ein Relais in jeder Phase vorzusehen, ergibt sich auch daraus. dass einphasige Erdschlüsse erfasst werden sollen.
Durch Einführung von Relais, welche die eingangserwähnten Komponenten erfassen, sind die Beschränkungen der Einphasenrelais überwunden und niedrigere Ansprechwerte für die Relais möglich gemacht worden. So werden Relais, welche auf gegenläufige Komponenten ansprechen, für einfache Kurzschlüsse und Erdschlüsse angewendet. Für Erdschlüsse kann man auch Relais anwenden, die auf Summenstromansprechen, während zum Schutz gegen dreiphasige Kurzschlüsse Relais verwendet werden, die auf die mitläufigen Komponenten ansprechen.
Bei jedem einzelnen System kann der Wert der Komponenten des Stromes oder der Spannung, die in den Fehlerfällen auftreten, durch bekannte mathematische Rechnung ermittelt werden. Daraus ist ersichtlich, dass die verschiedenen, auf die Phasenkomporenten ansprechenden Relais in jedem System diesem Wert angepasst werden können und dass infolgedessen ein besserer Schutz des Systems erreicht wird, als wenn gewöhnliche Einphasenstromrelais verwerdet werden.
Bei den bisherigen Widerstandsanordnungen zur Absonderung der mit-oder gegenläufigen Kom- ponente hat man keine Rücksicht auf die Beziehungen der Konstanten der Widerstandsanordnung im Verhältnis zur Widerstandscharakteristik des zu schützenden Stromkreises genommen. Gemäss der Erfindung werden regelbare Widerstände in der Widerstandsanordnung verwendet, so dass die Konstanten der Widerstandsanordnung eingestellt werden können. Die Grösse und Phasenlage der verschiedenen Komponenten für die einzelnen Fehlerfälle können für jedes bestimmte System durch geeignete Be- rechnungsmethoden ermittelt werden.
Die Konstanten der Widerstandsanordnung werden dann zweekmässig so eingestellt, dass die Grssssenverhältnisse der abgesonderten mit-und gegenläufigen Komponenten des Stromes bzw. der Spannung der Widerstandseharakteristik des überwachten Stromkreises entsprechen.
Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. In Fig. 1 sind Stromwandler 12, 13, 14 und 16 in den Phasenleitungen eines Dreiphasensystems 11 elektrisch angeordnet. Diese Wandler sind paarweise so zusammengefasst, dass die Sekundärwicklungen der Wandler 12 und 13 und entsprechend die der Wandler 14 und 16 kreuzweise verbunden sind, wodurch ein Stromkreis für die Summenstromkomponente geschlossen wird, so dass diese Komponente nicht durch das angeschlossene Schutzrelais fliessen kann. Die Wandlerpaare 12, 13 und 14, 16 sind in Serie mit der Windung 27 eines Relais 17 geschaltet. Eine aus Widerständen bestehende Anordnung 18, 19 liegt im Nebenschluss zum Relais 17.
Der Punkt 23 dieser Widerstandsanordnung ist durch einen Leiter 24 mit dem Punkt 26 zwischen den Wick- lungen der in Reihe liegenden Wandlerpaare verbunden. Bei Erregung schliesst das Relais 17 Kontakte 28, wodurch irgendein nicht dargestellter Auslösestromkreis geschlossen wird.
Die Widerstände 18 und 19 haben gleiche Absolutwerte. Der Widerstand 18 ist zusammengesetzt aus einem rein Ohmschen Widerstand 21 und einer Induktivität 22, während der Widerstand 19 ein rein Ohmscher ist. Die in der Figur dargestellte Kunstschaltung ähnelt den bisherigen Schaltungen, die zur Erfassung der mit-oder gegenläufigen Komponenten von Strom und Spannung eines Vielphasensystems verwendet worden sind. Bei diesen Kunstsehaltungen war jedoch der Strom gegenüber der Spannung in einem Zweige um 60 im voreilenden oder nacheilenden Sinne phasenverschoben. Erfindungsgemäss ist die Kunstschaltung so ausgebildet, dass bewusst diese Phasenverschiebung nicht den bisher üblichen Wert von 60 , sondern beispielsweise von 55,50 und 450 hat.
Um diese gewünschte Phasenverschiebung zu erhalten, werden die Werte der Induktivität 22 und des ohmschen Widerstandes 21 so verändert. dass die Spannung gegenüber dem Strom, der in dem Zweig 18 fliesst, um einen ändern Winkel als 60 ver-
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der gegenläufigen Komponenten ist, eilt der Strom in der Induktivität 22 gegenüber der angelegten Spannung um 600 nach.
Wenn man in einem ganz symmetrischen Stromdiagramm die Spannungsvektoren betrachtet, welche an der Widerstandskombination 18, 19 auftreten, so erkennt man, dass die Spannungsvektoren sich decken, wenn die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung im Widerstandszweig 18 60 beträgt, d. h. es bleibt in diesem Falle keine Restspannung übrig, die eine mitläufige Komponente des Stromes auf das an die Widerstandsanordnung angeschlossene Schutzrelais zur Einwirkung bringt.
Stellt man jedoch den Winkel in der Widerstandsanordnung 18 so ein, dass die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in diesem Kreis von 60 abweicht, also z. B. nur 55 beträgt, so kommen die beiden Spannugnsvektoren nicht zur Deckung, und es bleibt eine Restspannung übrig, die einen Einfluss der mitläufigen Komponente zusätzlich zur gegenläufigen Komponente des Stromes auf das Relais zur Folge hat.
Die Arbeitsweise und der Grad der Erregung des hier zur Verwendung kommenden Relais ist für verschiedene Bedingungen des Systems in den folgenden Tafeln zusammengestellt :
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<tb>
<tb> Tafel <SEP> I.
<tb>
# <SEP> Im <SEP> Ig <SEP> IL <SEP> L <SEP> IL <SEP> N <SEP> IL+L-N
<tb> 60 <SEP> 0#000 <SEP> 1#00 <SEP> 0#577-0#577 <SEP> 0#577-0#715 <SEP> 0#500-0#500
<tb> 55 <SEP> 0#050 <SEP> 0#98 <SEP> 0#577-0#617 <SEP> 0#530-0#756 <SEP> 0#463-0#540
<tb> 50 <SEP> 0#100 <SEP> 0#95 <SEP> 0#577- <SEP> 0#664 <SEP> 0#490-0#802 <SEP> 0#432-0#571
<tb> 45 <SEP> 0#150 <SEP> 0#92 <SEP> 0#577-0#704 <SEP> 0#445-0#848 <SEP> 0#405-0#610
<tb> Tafel <SEP> 11.
<tb>
# <SEP> Im <SEP> Ig <SEP> IL-L <SEP> IL-N <SEP> IL+L-N
<tb> 55 <SEP> 5#00 <SEP> 0#26 <SEP> 0#43-0#41 <SEP> 0#47-0#43 <SEP> 0#54-0#47
<tb> 550 <SEP> 4-00 <SEP> 0-20 <SEP> 0-35-0-32 <SEP> 0-38-0-27 <SEP> 0-43-0-38
<tb> 550 <SEP> 3#00 <SEP> 0#15 <SEP> 0#26-0#24 <SEP> 0#28-0#20 <SEP> 0#32-0#28
<tb> 5bo <SEP> 2-00 <SEP> 0#10 <SEP> 0#17-0#16 <SEP> 0#19-0#13 <SEP> 0#21-0#19
<tb> 500 <SEP> 5#00 <SEP> 0#52 <SEP> 0#87-0#75 <SEP> 1#02-0#62 <SEP> 1#16-0#87
<tb> 50 <SEP> 4-00 <SEP> 0-42 <SEP> 0-69-0-60 <SEP> 0#82-0#50 <SEP> 0#93-0#70
<tb> 50 <SEP> 3#00 <SEP> 0#32 <SEP> 0#52-0#45 <SEP> 0#61-0#8 <SEP> 0#070-0#52
<tb> 500 <SEP> 2#00 <SEP> 0#21 <SEP> 0#34-0#30 <SEP> 0#41-0#25 <SEP> 0#46-0#35
<tb> 450 <SEP> 5#00 <SEP> 0#81 <SEP> 1#30-1#06 <SEP> 1#69-0#89 <SEP> 1#85-1#23
<tb> 450 <SEP> 4#00 <SEP> 0#65 <SEP> 1#04-0#85 <SEP> 1#35-0#71 <SEP> 1#48-0#98
<tb> 450 <SEP> 3#00 <SEP> 0#49 <SEP> 0#78-0#64
<SEP> 1#02-0#53 <SEP> 1#08-0#74
<tb> 450 <SEP> 2-00 <SEP> 0-32 <SEP> 0-52-0-43 <SEP> 0-67-0-35 <SEP> 0-74-0-49
<tb>
Tafel I gibt die Relaisströme wieder in Abhängigkeit von den verschiedenen Kombinationsmö- lichkeiten des Leitungsstromes, die auf dieselbe Grösseneinheit des Leitungsstromes bezogen sind. In dieser Tafel bedeutet # den Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom im Zweig 18 der in Fig. 1 dar-
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bei normalen mitläufigen Stromkomponenten der Leitung eingezeichnet. In der Spalte 111 sind die Relaisströme bei normalen gegenläufigen Stromkomponenten eingetragen.
Die Spalte Tj, enthält die Werte für zweiphasige Kurzschlussströme, Spalte IL-N die Werte für Erdschluss oder einphasigen Kurzschluss gegen den Nulleiter oder Erde, in der Spalte IL+L-N sind die Stromwerte eingetragen, die im Falle eines Doppelerdschlusses auftreten.
In dieser Tafel sind in jeder der drei letzten Spalten jeweils zwei Werte eingetragen. Diese Werte grenzen den Bereich der Ströme ein, deren Grösse einerseits von der relativen Lage des Fehlers und anderseits von den Anschluss der Stromwandler, welche das Schutzrelais speisen, abhängen. Die mathematsche Berechnung der in den Tafeln zusammengestellten Werte beruhen auf der Gleichung Z =e jd, R, worin Z die Impedanz des Zweiges IS, R den Widerstand des Zweiges 19 und # der entsprechende
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komponenten gleich gross sind.
Die Einstellung des Relais entsprechend den Erfordernissen eines bestimmten Systems kann Tafel II entnommen werden. Hierin sind die Relativwerte des Leitungsstromes, bei denen das auf einen bestimmten ert eingestellte Relais ansprechen würde, für die verschiedenen Fehlerfälle, die in der Tafel I zusammengestellt sind, aufgeschrieben. Die Werte der Tafel II sind die Reziprokwerte der in der Tafel I stehenden Werte, welche für jede Zeile mit einer bestimmten Verhältniszahl multipliziert sind, so dass die den bestimmten Winkeln f entsprechenden Werte der zweiten Spalte einander gleich sind. An Stelle der verschiedenen Relaiseinstellung erhält man dasselbe Ergebnis durch Verwendung von Stromwandlern mit entsprechend höheren Übersetzungsverhältnissen.
In der Tafel I sind in Abhängigkeit vom Phasenverschiebungswinkel tE, der am Widerstand 18 in Fig. 1 eingestellt werden kann, die Relaisströme für die verschiedenen Fehlerfälle eingetragen. Die einzelnen in dieser Tafel stehenden Werte geben die Grösse des Relaisstromes an, wobei die gegenläufige Komponente des Stromes gleich 1 gesetzt ist, die bei einer Phasenverschiebung von 60 in voller Grösse im Relais fliesst. Man erkennt aus dieser Tafel, dass die Relaisströme selbst bei prozentualen grossen Änderungen der mitläufigen Stromkomponente verhältnismässig wenig beeinflusst werden.
Die in der Tafel II eingetragenen Werte sollen die Abhängigkeit des Relaisstromes allein von der veränderlichen gegenläufigen Komponente zeigen. Zu diesem Zweck ist für verschiedene Winkel 550,
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und 2-0, vorgenommen. Man erkennt aus dieser Tafel, dass die Stromstärke eines Relais sieh mit der gegenläufigen Stromkomponente stark ändert. So sind beispielsweise die Werte für den Kurzschlussfall unter der Voraussetzung, dass die mitläufige Komponente den Wert 5'0 hat, für die Winkel 55 , 500 und 450 entsprechend 0'43, 0'76 und 1'3. Beide Tafeln zeigen also, dass der Strom im Relais einerseits
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der mitläufigen Komponente I", beeinflusst wird.
Daraus ergibt sieh, dass die Empfindlichkeit des Relais gegenüber Änderungen der gegenläufigen Komponente sehr hoch ist.
Wenn man das Schutzrelais mit einem bestimmten System verbindet, muss man die Relativwerte der Fehlerströme für die gegenläufige und Summenstromkomponente betrachten im Vergleich zur mitläufigen Komponente des Stromes, welche bei Eintritt eines dreiphasigen Fehlers auftreten. Die Stromwandler werden dann so gewählt, dass sie den richtigen Ansprechwert des Relais in Beziehung zum Normalstrom ergeben.
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier sind mit den entsprechenden Phasenleitungen eines Dreiphasensystems 21 Stromwandler 32,. 33 und 34 elektrisch verbunden, deren Sekundärwicklungen mit entsprechenden Wicklungen 43, du und 46 in Reihe liegen, die auf einem Kern 42 angeordnet sind. Eine weitere Wicklung 47 befindet sieh auf dem Kern, die in Reihe zur Erregerwicklung 49 eines Relais 48 liegt.
Parallel zur Wicklung 43 liegt eine Widerstandsanordnung 36, die aus einer veränderlichen Kapazität 35 und einem Ohmschen Widerstand 39 besteht. Parallel zur Wicklung 44 liegt ein rein Ohmscher Widerstand 37 und parallel zur Wicklung 46 eine Widerstandsanordnung 38, die aus einer veränderlichen Induktivität 40 und einem Ohmschen Widerstand 41 besteht.
Die Wicklungen 43, 44 und 46 und die Widerstandsanordnung 36, 37 und 38 werden so eingestellt, dass der Strom in den Wicklungen 4. 3, 44 und 46 eine Phasenverschiebung im Sinne der Voreilung oder Nacheilung gegenüber dem Strom in den entsprechenden Stromwandlern 38,. 33 und. 34 erhält. Wenn die Leistungsfaktoren der Widerstände der Spulen 43, 44 und 46 identisch gleich den Widerständen der
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In diesem Falle ruft die Zusammensetzung der durch die Wicklungen 43, 44 und 46 erzeugten Flüsse einen resultierenden Fluss in dem Kern 42 hervor, der in der Wicklung 47 eine Spannung induziert. Wenn die Widerstandsanordnungen 36, 37 und 38 denselben Leistungsfaktor hätten, würde die Wicklung 49 des Relais nur entsprechend der Summenstromkomponente erregt werden und nicht entsprechend den mit-und gegenläufigen Komponenten. Durch Veränderung der Kapazität : 15 kann der Leistungsfaktor der Widerstandsanordnung 36 kleiner als der der Wicklung 43 gemacht werden.
Entsprechend kann durch Veränderung der Induktivität 40 der Leistungsfaktor der Widerstandsanordnung 38 höher als der Leistungsfaktor der Wicklung 40 gemacht werden. Hiedureh ist es möglich, in der Wicklung 43 einen voreilenden Strom, in der Wicklung 44 einen gleichphasigen Strom und in der Wicklung 46 einen nacheilenden Strom hervorzurufen. Wenn man eine solche Phasenverschiebung einstellt, wird die Erregerwicklung 49 des Relais in Abhängigkeit von der mitläufigen und von der gegenläufigen Komponente des Stromes erregt.
Durch Veränderung der Phasenverschiebung ist es möglich, das Relais 48 für gegenläufige Komponenten des Stromes empfindlicher zu machen als für mitläufige Komponenten, ohne die Empfindlichkeit des Relais für Summenstromkomponenten nennenswert zu beeinflussen.
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In jedem besonderen Falle müssen die Werte von mitläufigen, gegenläufigen und Summenstromkomponenten, die sich aus den verschiedenen Fehlermöglichkeiten ergeben, betrachtet werden, um die richtige Einstellung der Widerstandsanordnungen. 6, 37 und 38 zu erhalten. Wenn man eine Phasenverschiebung von etwa 100 im vor- und im nacheilenden Sinne einstellt, so spricht das Relais 48 auf dreiphasige Kurzschlüsse ebenso an wie auf andere Fehler. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist im wesentlichen dieselbe wie die der in Fig. 1 eingehend dargestellte Einrichtung.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung. Hier sind die Sekundärwicklungen der Stromwandler 32, 3. und 34 in Stern geschaltet, der Sternpunkt ist durch einen Leiter 45 mit je einem Ende der Wicklungen 4. 3, 44 und 46 verbunden. Die andern Anschlüsse dieser Wicklungen sind mit entsprechenden freien Enden der Stromwandlersekundärwicklungen verbunden. Die Wicklungen 43, du und 46 sind auf dem Kern 51 einer Einrichtung 50 aufgebracht, welche diesen Kern 51 und ein Relais 52 enthält, das einen drehbaren Anker 53 besitzt. Die Widerstands anordnungen 86, 87 und 88 entsprechen mit denselben Ziffern versehenen Widerständen in Fig. 2.
Bei dieser Schaltung wird der Anker 58 in Abhängigkeit von den Stromkomponenten bewegt, die aus dem System. 31 abgesondert worden sind.
In den Ausführungsbeispielen sind nur Einrichtungen dargestellt, durch die die Stromkomponenten eines Mehrphasensystems abgesondert werden. Die Erfindung ist in gleicher Weise auch zur Erfassung der Spannungskomponenten anwendbar. Die Erfindung kann in entsprechender Weise für jedes geerdete oder ungeerdete Vielphasensystem angewendet werden. An Stelle der Widerstandskombinationen aus veränderlicher Kapazität und Ohmschem Widerstand bzw. aus veränderlicher Induktivität und Ohmschem Widerstand, wie sie in Fig. 2 und 3 zur Erzeugung der Phasenverschiebung angegeben sind. können auch andere Kombinationen verwendet werden, die dieselbe Wirkung hervorrufen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schutzeinrichtung für mehrphasige Stromkreise, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz
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metrischer Belastung (einphasige und zweiphasiger Kurzschluss) ein einziges Schutzrelais dient, das von der mitläufigen und von der gegenläufigen Komponente einer elektrischen Grösse (z. B. Strom oder Spannung) des zu schützenden Stromkreises derart erregt wird, dass diese beiden Komponenten in verschieden grossem Mass zur Wirkung kommen.