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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines rückspeisefähigen Energiesystems mit einem Umrichter, mit einem Filter mit Kondensator und mit einer Induktivität, insbesondere einem Transformator, die bzw. der über ein Schaltersystem mit einem elektrischen Versorgungsnetz mit einer vorgegebenen Netzfrequenz verbunden ist.
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Als rückspeisefähiges Energiesystem wird in diesem Kontext ein System betrachtet, das mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbunden ist, und das zumindest zeitweise elektrische Energie in selbiges einspeist.
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Ein Beispiel hierfür ist ein Schienenfahrzeug mit einer rückspeisefähigen Elektromotor-Generator-Antriebseinheit. Ein solches Schienenfahrzeug wird im Antriebsmodus mit Energie aus einem Versorgungsnetz gespeist und mit Hilfe des Elektromotors in Bewegung gesetzt oder gehalten. Im Rückspeisemodus hingegen fungiert die Elektromotor-Generator-Antriebseinheit als Generator und bremst das Schienenfahrzeug ab, wobei die beim Bremsvorgang generierte elektrische Energie in das Versorgungsnetz eingespeist wird.
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Ein weiteres Beispiel für ein rückspeisefähiges Energiesystem stellt eine Windkraftanlage dar. Diese generiert in Abhängigkeit der vorherrschenden Wetterbedingungen elektrische Energie und speist diese in ein angeschlossenes Versorgungsnetz ein.
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Die Eigenschaften eines Versorgungsnetzes, wie zum Beispiel der Betrieb gemäß dem Gleich- oder Wechselstromprinzip, die Anzahl der vorgesehenen Phasen, die Spannungsamplitude oder die Netzfrequenz, sind typischerweise vorgegeben und sollen durch die Einspeisung von Energie nicht verändert werden. Dementsprechend wird in einem rückspeisefähigen Energiesystem die in das Versorgungsnetz einzuspeisende Energie in den meisten Fällen aufbereitet und hierdurch an dieses angepasst. Jene Anpassung erfolgt in vielen Fällen unter anderem mit Hilfe eines Umrichters und eines elektronischen Filters.
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Zum Schutz des rückspeisefähigen Energiesystems einerseits und des Versorgungsnetzes andererseits ist in der Regel für den Störungsfall, insbesondere bei einem Kurzschluss, eine möglichst zeitnahe Trennung des rückspeisefähigen Energiesystems vom Versorgungsnetz vorgesehen. Hierzu ist das rückspeisefähige Energiesystem über ein Schaltersystem oder ein Sicherungssystem, zum Beispiel eine Schmelzsicherung, mit dem Versorgungsnetz verbunden. Im Störungsfall wird das Schaltersystem geöffnet bzw. das Sicherungssystem ausgelöst, so dass das rückspeisefähige Energiesystem in der Folge vom Versorgungsnetz getrennt ist.
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Dem gegenüber steht die Forderung, dass ein System, welches zur Energieeinspeisung in ein Versorgungsnetz vorgesehen ist, dazu in der Lage sein muss, zu einer Kurzschlussklärung im Versorgungsnetz beizutragen. Tritt innerhalb des Versorgungsnetzes ein Kurzschluss auf, dann soll das System das Versorgungsnetz stützen und solange Energie in selbiges einspeisen, bis im Versorgungsnetz ein Sicherungsmechanismus nahe der Kurzschlussquelle auslöst.
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Bisherige Ausführungen von zur Einspeisung dienenden Systemen, die über ein Schaltersystem mit einem Versorgungsnetz verbunden sind, reagieren bedingt durch die typischen konstruktiven Gegebenheiten des Schaltersystems relativ träge, so dass das entsprechende System nach dem Auftreten eines Kurzschlusses noch für etwa 100 ms über das Schaltersystem mit dem Versorgungsnetz verbunden ist. Sofern ein netzseitiger Kurzschluss vorliegt, speist das System in dieser Zeit weiter Energie in das Versorgungsnetz ein und trägt somit zumindest zeitweise zur Kurzschlussklärung im Versorgungsnetz bei. Ergänzend zum Schaltersystem sind zum Schutz des rückspeisefähigen Energiesystems, insbesondere für den Fall eines systemseitigen Kurzschlusses, Schmelzsicherungen innerhalb des Systems verbaut. Ungünstig ist hierbei der Umstand, dass die Auslösekriterien für einen derartigen Schutzmechanismus durch die Auslegung der Schutzelemente, also des Schaltersystems und der Sicherungen gegeben und hierdurch sehr eng gefasst sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung und insbesondere zum Schutz eines rückspeisefähigen Energiesystems anzugeben. Es ist darüber hinaus Aufgabe der Erfindung, ein entsprechend überwachtes rückspeisefähiges Energiesystem anzugeben.
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Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
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Das Verfahren dient zur Überwachung und insbesondere zum Schutz eines rückspeisefähigen Energiesystems, welches über ein Schaltersystem mit einem elektrischen Versorgungsnetz mit einer vorgegebenen Netzfrequenz verbunden ist. Das rückspeisefähige Energiesystem, nachfolgend kurz Energiesystem oder auch nur System genannt, umfasst dabei einen Umrichter, ein Filter mit einem Kondensator sowie einen Transformator. Anstelle des Transformators ist in einigen Fällen jedoch auch eine einfache Induktivität vorgesehen.
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Zu Gunsten einer guten Übersichtlichkeit wird das Verfahren im Folgenden in Verfahrensschritte unterteilt. Das Verfahren ist jedoch bei der Ausführung weder an die vorgenommene Gliederung noch an deren Reihenfolge gebunden. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Spannung am Kondensator erfasst. Der Kondensator ist dabei typischerweise Teil des elektronischen Filters. In einigen Fällen wird jedoch auch eine Spannung zum Beispiel an einem Glättungs- oder Speicherkondensator erfasst.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird die erfasste Spannung mit einem ersten Schwellwert und mit einem zweiten Schwellwert verglichen. In Abhängigkeit des Ergebnisses dieses Vergleichs sind verschiedene Schlussfolgerungen und daran gebundene Aktionen vorgesehen, die in einem weiteren Verfahrensschritt ausgeführt werden. Unterschreitet die erfasste Spannung am Kondensator keinen der beiden Schwellwerte, so wird auf einen störungsfreien Betrieb sowohl des Systems als auch des Versorgungsnetzes geschlossen und eine Systemreaktion bleibt aus.
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Im Falle einer Unterschreitung des ersten Schwellwertes wird auf einen Störfall im Versorgungsnetz und insbesondere auf einen netzseitigen Kurzschluss geschlossen. Daraufhin wird die Öffnung des Schaltersystems nach Ablauf einer vorgegebenen Stützzeit initiiert.
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Im Falle einer Unterschreitung des zweiten Schwellwertes hingegen wird auf einen Störfall im System selbst und insbesondere auf einen systemseitigen Kurzschluss geschlossen. In diesem Fall wird die Öffnung des Schaltersystems unmittelbar initiiert.
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Ein derartiges Verfahren dient also nicht nur dazu, einen Störfall festzustellen, sondern auch dazu, den Störfalltyp zu ermitteln und in geeigneter Weise auf den Störfalltyp zu reagieren. Diese Differenzierung und die daraufhin erfolgende differenzierte Reaktion erlaubt es, die beiden Zielsetzungen, nämlich den Schutz des Systems einerseits und die Stützung des Versorgungsnetzes zur Kurzschlussklärung andererseits quasi unabhängig voneinander zu verfolgen.
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Die Stützzeit ist hierbei die Zeitdauer, in der das System weiterhin Energie in das Versorgungsnetz einspeist und somit zur Kurzschlussklärung im Versorgungsnetz beiträgt. Der Schutz des Systems ist dabei sicher gewährleistet. Mögliche Folgeschäden am System oder Personenschäden werden wirksam vermieden. Außerdem sind keine zusätzlichen Schutzelemente, wie insbesondere Schmelzsicherungen, notwendig. Das Design eines solchen Systems ist quasi sicherungslos. Hierdurch ist schließlich der für das System notwendige Bauraum verringert und es entsteht keine zusätzliche Verlustleistung. Im Fehlerfall müssen dementsprechend auch keine Sicherungen ausgetauscht werden, was wiederum den Ersatzteilebedarf reduziert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist als erster Schwellwert die sogenannte Kurzschlussspannung des Transformators, also etwa 5% bis 10% seiner Nennspannung, vorgesehen. Weiter wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der zweite Schwellwert einer Spannung < 2% der Nennspannung entspricht. Darüber hinaus ist es zweckdienlich, für die Stützzeit eine Dauer von bis zu 5 s vorzusehen. Bevorzugt wird diesbezüglich ein Wertebereich zwischen 0,1 s und 2 s.
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Einer bevorzugten Variante des Verfahrens entsprechend wird erst im Falle einer Unterschreitung des ersten Schwellwertes für die Dauer einer ersten Mindestzeit auf einen netzseitigen Kurzschluss geschlossen und die Öffnung des Schaltersystems nach Ablauf einer vorgegebenen Stützzeit initiiert. Mit Hilfe dieser ersten Mindestzeit sollen sogenannte Fehlauslösungen vermieden werden. Eine derartige Fehlauslösung liegt zum Beispiel vor, wenn die am Kondensator erfasste Spannung einen der Schwellwerte unterschreitet, obwohl weder ein netzseitiger noch ein systemseitiger Kurzschluss vorliegt. Dies ist beispielsweise bei temporären Betriebsübergängen sowohl im Versorgungsnetz als auch im System selbst möglich. Da Spannungseinbrüche, die durch derartige temporäre Betriebsübergänge hervorgerufen werden, typischerweise einen Kurzzeitcharakter aufweisen, werden daraus resultierende Fehlauslösungen verhindert, sofern eine daran angepasste Mindestzeit vorgesehen ist.
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Typischerweise korreliert die Dauer eines typischen temporären Betriebsübergangs mit der Netzfrequenz des Versorgungsnetzes oder mit der damit verknüpften Netzperiode. Es ist daher zweckmäßig für die Mindestzeit einen Wertebereich in der Größenordnung einer Netzperiode vorzusehen. Bevorzugt ist eine Mindestzeit, die dem 0,1 bis 3-fachen der Netzperiode entspricht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante wird erst im Falle einer Unterschreitung des zweiten Schwellwertes für die Dauer einer zweiten Mindestzeit auf einen netzseitigen (systemseitigen) Kurzschluss geschlossen und die Öffnung des Schaltersystems unmittelbar initiiert. Die zweite Mindestzeit soll hierbei ebenso wie die erste Mindestzeit mögliche Fehlauslösungen unterbinden. Zugunsten einer möglichst einfachen Gestaltung des Verfahrens sind die erste Mindestzeit und die zweite Mindestzeit in der Regel identisch. Da jedoch bei einer Unterschreitung des zweiten Schwellwertes eventuell ein systemseitiger Kurzschluss vorliegt, der in den meisten Fällen in verhältnismäßig kurzer Zeit zu einer Beschädigung von Bauteilen im System führt, wird es in einigen Anwendungsfällen als vorteilhaft angesehen, für die erste Mindestzeit eine von der zweiten Mindestzeit abweichende und insbesondere kleinere Zeitdauer vorzugeben.
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In einer zweckdienlichen Weiterbildung des Verfahrens wird ergänzend zur Spannung am Kondensator ein den Ladungszustand des Kondensators charakterisierender Strom erfasst. Die hierdurch gewonnenen Informationen werden insbesondere zur Überwachung des Kondensators selbst genutzt, der als Baustein im System die Funktion und damit die Lebenserwartung desselbigen maßgeblich beeinflusst.
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Bezüglich des rückspeisefähigen Energiesystems wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 5. Die darauf rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Ausgestaltungen dieser Erfindung.
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Das rückspeisefähige Energiesystem ist über ein Schaltersystem mit einem elektrischen Versorgungsnetz mit einer vorgegebenen Netzfrequenz verbunden und umfasst einen Umrichter, ein Filter mit einem Kondensator, eine Induktivität oder einen Transformator sowie mindestens eine Einrichtung zur Ausführung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Falle mehrerer Einrichtungen können diese einen oder mehrere Verfahrensschritte ausführen. Ist hingegen nur eine Einrichtung vorgesehen, so führt diese sämtliche Verfahrensschritte aus. Weitere Varianten der Vorrichtung sind dadurch gegeben, dass das Schaltersystem je nach Ausführungsvariante entweder ein Teil des rückspeisefähigen Energiesystems oder aber ein Teil des Versorgungsnetzes ist.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist für das rückspeisefähige Energiesystem ein sogenanntes Active Line Modul (ALM) vorgesehen. Dabei handelt es sich um ein mikroprozessorgesteuertes Modul auf IGBT-Basis (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit einem aktiv und präzise geregelten Zwischenkreis, welches auf Basis sensorisch erfasster Daten, wie zum Beispiel Strom- oder Spannungsmesswerte, einen integrierten Umrichter ansteuert und hierüber die Rückspeisung von Energie aus dem dafür vorgesehenen Zwischenkreis in das Versorgungsnetz regelt.
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Bestandteil eines solchen Active Line Moduls ist also auch eine Ausführungseinheit bzw. Einrichtung, die dazu in der Lage ist, sämtliche Verfahrensschritte auszuführen. Dies beinhaltet auch eine Ansteuerung des Schaltersystems zur bedarfsweisen Trennung des rückspeisefähigen Energiesystems vom Versorgungsnetz. Einige ALM-Varianten sind darüber hinaus programmierbar gestaltet und mit einem Speicher versehen, so dass sämtliche Parameter, wie der erste Schwellwert, der zweite Schwellwert, die Stützzeit, die erste Mindestzeit und die zweite Mindestzeit, beliebig vorgegeben und in einem Speicher des Moduls hinterlegt werden können. Ein derartiges Modul lässt sich somit vorteilhafterweise an die Merkmale verschiedener Systeme und verschiedener Versorgungsnetze anpassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch ein rückspeisefähiges Energiesystems mit einem Active Line Modul und mit einem Netztransformator sowie mit einem Schaltersystem in Schließstellung, und
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2 das Energiesystem gemäß 1 mit dem Schaltersystem in einer Öffnungsstellung.
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Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in 1 und 2 schematisch dargestellte rückspeisefähige Energiesystem 2 ist aufgebaut aus einer Spannungsquelle, symbolisiert durch einen Speicherkondensator 4, einem Active Line Modul 6 mit einem Umrichter 8 und mit einem Netzfilter 10, einem Transformator 12 und einem Schaltersystem 14. Mit Hilfe des rückspeisefähigen Energiesystems 2 wird elektrische Energie, die in nicht näher dargestellter Weise erzeugt wird und am Speicherkondensator 4 zur Verfügung steht, in ein durch drei Anschlüsse symbolisiertes Versorgungsnetz 16 mit drei Phasen und einer vorgegeben Netzfrequenz eingespeist. Für jede der drei Phasen weist der Transformator 12 ein eigenes Spulenpaar und das Schaltersystem 14 einen eigenen Leistungsschalter 14a, 14b, 14c auf.
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Das Netzfilter 10 ist in Anpassung an das dreiphasige Versorgungsnetz 16 ebenfalls dreiphasig ausgestaltet und symmetrisch als Sternschaltung aufgebaut. Dabei sind für jede Phase eine Filterinduktivität 18 sowie zwischen jeder Phase und einem gemeinsamen Sternpunkt eine Filterkapazität 20 vorgesehen. Zusätzlich ist dieser Sternpunkt in einigen Ausführungen geerdet, wobei in einem solchen Fall typischerweise ein zusätzlicher Entstörkondensator zwischen dem Sternpunkt und der Erdung platziert ist. Das Netzfilter kann auch als Dreieckschaltung aufgebaut sein.
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Mit Hilfe von Sensoren 22 erfolgt durch das Active Line Modul 6 eine Überwachung der Spannungen Uf und der Ladeströme If an den Filterkapazitäten 20 des Filters 10. Die Spannungen Uf an den Filterkapazitäten 20, auch Filterspannungen genannt, werden dabei permanent – oder präziser im Takt des Systemtakts des Active Line Moduls – mit zwei hinterlegten Schwellwerten verglichen.
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Da im Falle eines netzseitigen Kurzschlusses die Amplitude der zur betroffenen Phase gehörigen Filterspannung auf einen Mindestwert abfällt, der vom Kurzschlussstrom des Umrichters 8 und der Streuinduktivität des Spulenpaares des Transformators 12 der entsprechenden Phase abhängig ist, ist als erster Schwellwert ein Wert vorgesehen, der zwischen der Amplitude der Filterspannung im Normalbetrieb und dem bauteilabhängigen Mindestwert liegt. In Anpassung daran ist für den zweiten Schwellwert ein Wert zwischen dem Mindestwert und null vorgesehen, denn im Falle eines systemseitigen und insbesondere filternahen Kurzschlusses fällt die Amplitude der Filterspannung typischerweise auf null, zumindest auf eine sehr geringe Restspannung ab.
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Registriert nun das Active Line Modul 6 eine Unterschreitung des ersten Schwellwertes, so wird zunächst ein erstes Zeitglied gestartet. Hat diese Unterschreitung für die Dauer einer hinterlegten Mindestzeit Bestand, so wird ein zweites Zeitglied gestartet und nach der Dauer einer darüber festgelegten Stützzeit wird ein Steuerbefehl oder Steuersignal S generiert, infolge dessen die Leistungsschalter 14a, 14b, 14c in eine Öffnungsstellung wechseln. Demzufolge wird das rückspeisefähige Energiesystem 2 vom Versorgungsnetz 16 getrennt.
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Steigt die Filterspannung hingegen innerhalb der Mindestzeit erneut über den ersten Schwellwert an, so wird das erste Zeitglied zurückgesetzt und gestoppt, bis eine erneute Unterschreitung des ersten Schwellwertes erfasst wird.
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Im Falle einer Unterschreitung des zweiten Schwellwerts ist zwangsläufig auch der erste Schwellwert unterschritten und das erste Zeitglied wird gestartet. Überschreitet die Filterspannung innerhalb der Mindestzeit erneut den ersten Schwellwert, so wird das erste Zeitglied wiederum zurückgesetzt und gestoppt, bis eine erneute Unterschreitung des ersten Schwellwertes erfasst wird. Steigt die Amplitude innerhalb der Mindestzeit über den zweiten Schwellwert, nicht aber über den ersten Schwellwert an, so wird auch in diesem Fall das zweite Zeitglied gestartet und nach Ablauf der Stützzeit das Steuersignal S zur Öffnung der Leistungsschalter generiert. Liegt hingegen die erfasste Amplitude der Filterspannung für die gesamte Dauer der Mindestzeit unter dem zweiten Schwellwert, so wird das Steuersignal S für das Schaltersystem 14 ohne eine zusätzlich vorgesehene Verzögerung generiert und das System vom Versorgungsnetz 16 getrennt.
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Die dargestellte Überwachung einer einzelnen Phase wird durch das Active Line Modul 6 parallel für alle drei Phasen durchgeführt. Dabei führt bereits ein Kurzschluss in einer Phase zur Trennung, also zur Öffnung aller Leistungsschalter 14a, 14b, 14c, des rückspeisefähigen Energiesystems 2 vom Versorgungsnetz 16.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung und/oder zum Schutz eines rückspeisefähigen Energiesystems 2 sowie ein entsprechend überwachtes rückspeisefähiges Energiesystem 2 mit einem Active Line Modul 6 sowie vorzugsweise mit einem Transformator 12, der über ein Schaltersystem 14 mit einem elektrischen Versorgungsnetz 16 mit einer vorgegebenen Netzfrequenz verbunden ist, wobei eine an einer Kapazität 20 erfasste Spannung mit einem ersten Schwellwert und mit einem zweiten Schwellwert verglichen wird, wobei bei einer Unterschreitung des ersten Schwellwertes auf einen netzseitigen und bei einer Unterschreitung des zweiten Schwellwertes auf einen systemseitigen Kurzschluss geschlossen wird, woraufhin die Öffnung des Schaltersystems 14 nach Ablauf einer vorgegebenen Stützzeit bzw. unmittelbar initiiert wird.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.