DE29813737U1

DE29813737U1 - Zeitverzögerte Differenzstromschutzeinrichtung mit Schnelladung

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Publication number: DE29813737U1
Application number: DE29813737U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 1998-12-03
Anticipated expiration: 2008-08-01

Description

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Beschreibung

Zeitverzögerte Differenzstromschutzeinrichtung mit Schnelladung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine zeitverzögerte Differenzstromschutzeinrichtung, nachstehend DI-Einrichtung genannt, mit einer Transduktorschaltung, deren Auswerteschaltung zwischen der Sekundärwicklung und einem komplexen, überwiegend kapazitiven Widerstand, Meßwiderstand genannt, angeordnet ist, der mit der Sekundärwicklung einen Schwingkreis bildet, im einzelnen nach Gattungsbegriff von Anspruch 1. Der Meßwiderstand wirkt auf eine Auslöseeinrichtung ein, die mit Auswerteschaltung mit Gleichrichterschaltung, zwei Zeitverzögerungsschaltungen und Schwellwertschalter arbeitet. Eine derartige bekannte DI-Einrichtung (DE-C-3 429 381) arbeitet mit Integrierglied und Schwellwertschalter und gegebenenfalls einer Zenerdiode zum Begrenzen der Impulshöhe der im Sekundärkreis induzierten Spannungsimpulse. Die DI-Einrichtung dort

"20 ist dafür entwickelt, erhöhte Störunempfindlichkeit zu bewirken. Die Grundschaltung einer derartigen DI-Einrichtung ist in EP-Bl-O 167 079 beschrieben.

Hier wird von einer DI-Einrichtung ausgegangen (DE: 19 755 587.7), bei der zwischen der Gleichrichterschaltung der Auswerteschaltung und einem Schwellwertschalter eine erste Zeitverzögerungsschaltung darauf abgestimmt ist, ein gewünschtes Auslöseverhalten zu erzielen. Die dem Schwellwertschalter nachgeschaltete zweite Verzögerungsschaltung ist daruf abge-' stimmt, daß die Spannung in ihr langsamer abklingt als in der ersten Zeitverzögerungsschaltung. Hierdurch erzielt man, daß beim Abschalten der Netzspannung oder entsprechend beim Ausbleiben der Netzspannung eine Auslösung unterbleibt, die als Fehlauslösung zu verstehen wäre. Die erste Zeitverzögerungsschaltung erlaubt in Verbindung mit dem Schwellwertschalter von Vorschriften geforderte Zeitfenster, in denen eine Auslösung unterbleiben soll, zu erfüllen. Beim Abschalten der

Netzspannung geht die Gleichspannung der Bordnetzversorgung für die Elektronik und damit die Referenzspannung des Schwellwertschalters schneller zurück als die Eingangsspannung des Schwellwertschalters, die wegen eines Energiespeichereffektes der ersten Zeitverzögerungsschaltung eine längere Abklingzeit der Spannung aufweist als die Versorgungsspannung beim Abschalten. Die zweite Zeitverzögerungssschaltung verhindert, daß der Schwellwertschalter nach Abschalten der Netzspannung über seine Schaltbedingungen sozusagen hinwegläuft. Durch die zweite Zeitverzögerungsschaltung werden also Fehlauslösungen vermieden.

Bei einer zeitverzögerten DI-Einrichtung erschweren die Temperaturabhängigkeit der Bauelemente undes Summenstromwandlers, die Zeittore zu passieren.

Um bei einer DI-Einrichtung eine Temperaturabhängigkeit des Auslöseverhaltens zu vermeiden, ist an anderer Stelle vorgeschlagen worden (DE: 19 803 684.1), den Schwellwertschalter in seiner Referenzspannung an den Temperaturgang der eingangsseitig angeordneten Bauteile derart gleichsinnig anzupassen, daß ein Temperaturgang sich nicht auswirken kann.

Um bei einer DI-Einrichtung eine Temperaturunabhängigkeit des Auslöseverhaltens zu vermeiden, ist an anderer Stelle vorgeschlagen worden (DE: 198 03 684.1) den Schwellwertschalter in seiner Referenzspannung am Steuereingang an den Temperaturgang der eingangsseitig angeordneten Bauteile derart gleichsinnig anzupassen, daß ein Temperaturgang sich nicht auswirken kann. Temperaturabhängige Auslösefehlerströme haben auf das Auslöseverhalten hierbei keinen Einfluß. Eine derartige DI-Einrichtung arbeitet auslösezeitverzögert in gewünschter Weise und eignet sich außer für übliche Wechselfehlerströme auch zum Auslösen bei pulsierenden Fehlerströmen und bei glatten Gleichfehlerströmen. Es liegt also allstromsensitives Verhalten vor und dennoch bleibt die Temperaturabhängigkeit infolge des Temperaturgangs der Bauelemente, Summenstromwand-

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ler, Bauteile der ersten Zeitverzögerungsschaltung, auf das Auslöseverhalten ohne Einfluß. Vorteilhaft arbeitet der Schwellwertschalter mit einem Operationsverstärker, an dessen Steuereingang temperaturabhängige Bauelemente wie Widerstände, Halbleiter oder integrierte Schaltungsteile derart angeschlossen sind, daß die Referenzspannung geeignet ansteigt. Dem Schwellwertschalter ist die zweite zeitverzögerungsschaltung hierbei nachgeschaltet. Insbesondere kann am Operationsverstärker an seinem Steuereingang ein erstes temperaturabhängiges Bauelement in Reihe mit einem ersten Widerstand angeschlossen sein und gegen Bezugsmasse ein zweiter Widerstand, dem ein zweites temperaturabhängiges Bauelement nachgeschaltet sein kann. Die beiden Widerstände eigenen sich für eine Grobeinstellung und das erste temperaturabhängige Bauelement sowie gegebenenfalls das zweite temperaturabhängige Bauelement sind daraufhin ausgewählt und eingestellt, daß die Spannung am Steuereingang gleichsinnig mit dem Temperaturgang aller vorgeordneten Bauelemente verläuft. Bei den derzeit üblichen Bauelementen ist also eine mit steigender Temperatur "2&Oacgr; steigende Referenzspannung erforderlich. Allgemein gesprochen: ein gleichsinnig verlaufendes Steuersignal. Es wird hier davon ausgegangen, daß übliche Widerstände ein geringes Temperaturverhalten aufweisen. Verständlicherweise kann man Widerstände mit starkem Temperaturgang auch als temperaturabhängiges Bauelement einsetzen.

Nach einer Weiterbildung arbeitet der Schwellwertschalter mit einem Operationsverstärker, an dessen Steuereingang ein erstes temperaturabhängiges Bauelement in Reihe mit einem ersten Widerstand angeschlossen ist und gegen Bezugsmasse zumindest ein zweiter Widerstand, dem ein zweites temperaturabhängiges Bauelement nachgeschaltet werden kann. Der Reihenschaltung aus den Widerständen ist hierbei jedoch ein Kondensator parallel geschaltet, der danach ausgewählt ist, die Funktion der zweiten Zeitverzögerungsschaltung zu erfüllen. Es erübrigt sich dann eine zweite Zeitverzögerungsschaltung, so daß am Ausgang eines derartigen Schwellwertschalters di-

rekt oder über eine Verstärkerschaltung eine Auslöseeinrichtung beaufschlagt werden kann, die mit einem üblichen Schaltschloß in Wirkverbindung steht, um Schaltkontakte in zu überwachenden Leitungen zu öffnen.
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Das erste temperaturabhängige Bauelement, das in vielen Fällen das einzige temperaturabhängige Bauelement im Schwellwertschalter sein kann, läßt sich durch eine Reihenschaltung von Dioden bilden. In der Praxis kann die Reihenschaltung aus zwei Dioden bestehen.

Bei auslösezeitverzögerten Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen und bei Differenzstrom-Schutzeinrichtungen in allstromsensitiver Ausführung wird üblicherweise davon ausgegangen, daß die Netzspannung dauernd anliegt und daß dann ein Fehlerstrom auftritt. Bei gleichzeitigem Einschalten der Netzspannung und dem gleichzeitigen Auftreten eines glatten Gleich-Fehlerstroms kann die Auslösezeit bei der eingangs geschilderten Differenzstrom-Schutzeinrichtung ansteigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Differenzstrom-Schutzeinrichtung der eingangs geschilderten Art so weiter zu entwickeln, daß unabhängig davon, ob der Fehlerstrom mit dem Anlegen der Netzspannung oder erst später auftritt, gewünschte Auslösezeiten eingehalten werden können.

Derartige Auslösezeiten, auch hinsichtlich der Selektivität, werden durch DIN VDE 0664 und andere Bestimmungen angegeben. Für Österreich gibt es vorgesehene Auslösezeitverzögerungen gemäß ÖVE für eine sogenannte kurzzeitverzögerte G-Type.

Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt durch eine zeitverzögerte Differenzstromschutzeinrichtung nach Anspruch 1. Bei der eingangs geschilderten Differenzstromschutzeinrichtung wird der Schwellwertschalter in seiner Referenzspannung am Steuereingang an den Temperaturgang der eingangsseitig angeordneten Bauteile derart gleichsinnig angepaßt, daß der Temperaturgang sich nicht auswirken kann. Erfindungsgemäß ist

nun vorgesehen, daß zwischen der Gleichrichterschaltung und der ersten Zeitverzögerungsschaltung mit einer Kapazität eine Schnelladeeinrichtung eingeschaltet ist, die dafür ausgelegt ist, die Kapazität der Zeitverzögerungsschaltung auf ihre Ruhegleichspannung, Ur, aufzuladen, derart schnell, daß für den Fall,

- zunächst anliegender Netzspannung und anschließenden Auftretens eines Fehlerstroms, und für den Fall,

- gleichzeitigen Auftretens von Netzspannung und Fehlerstrom die Auslösebedingungen erfüllt sind.

Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnung grob schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:
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In FIG 1 ist der Aufbau einer DI-Einrichtung veranschaulicht.

In FIG 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für Gleichrichterschaltung, Schnelladeeinrichtung, erster Zeitverzögerungsschaltung und Schwellwertschalter veranschaulicht.

In FIG 3 ist in der Darstellungsweise nach FIG 2 ein anderes Ausführungsbeispiel für die Schnelladeeinrichtung dargestellt.
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In FIG 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Schnelladeeinrichtung wiedergegeben.

Die DI-Einrichtung nach FIG 1 arbeitet mit einer Transduktorschaltung, deren Auswerteschaltung 11 zwischen der sekundären Wicklung 6 und einem komplexen, überwiegend kapazitiven Widerstand, Meßwiderstand 9 genannt, eingeschaltet ist. Der Meßwiderstand ist bei 10 geerdet an Bezugsmasse der Schaltung gelegt. Ein Rechteckgenerator 5 steht über einen Verstärker 3 mit einer ersten Anschlußklemme der Sekundärwicklung 6 in Verbindung. Im Ausführungsbeispiel ist der Verstärker 3 Teil

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einer Symmetrieeinrichtung 1 mit einem Frequenzteiler 2 und einem Kondensator 4. Der Frequenzgenerator 5 ist auf die doppelte Frequenz einer gedachten Grundfrequenz eingestellt und die Symmetrieeinrichtung teilt die Frequenz herunter und verstärkt sie, wobei der Trennkondensator 4 für galvanische Trennung sorgt. Die Symmetrieeinrichtung ist im einzelnen in EP-Bl-O 440 835 beschrieben. Eine einfache Frequenzteilung genügt im Prinzip für eine Symmetrierung hinsichtlich der Nulldurchgänge der Signalkurve.

Im Ausführungsbeispiel ist der Meßwiderstand 9 mittelbar an der Sekundärwicklung 6 angeschlossen, indem ein Dämpfungswiderstand 8 zwischengeschaltet ist. Die Sekundärwicklung 6 mit ihrer Induktivität und der Meßwiderstand 9 mit seiner Kapazitat bilden einen Schwingkreis. Er wirkt über die Auswerteschaltung 11 auf eine Auslöseeinrichtung 12 ein. Die Auswerteschaltung 11 arbeitet mit einer Gleichrichterschaltung 17 und einem Schwellwertschalter 19, zwischen denen eine erste Zeitverzögerungsschaltung 18 darauf abgestimmt ist, ein gewünschtes Auslöseverhalten zu erzielen. Dem Schwellwertschalter 19 ist eine zweite Zeitverzögerungsschaltung 20 nachgeschaltet, die darauf abgestimmt ist, daß die Spannung in ihr langsamer abklingt als in der ersten Zeitverzögerungsschaltung 18 derart, daß beim Abschalten der Netzspannung eine Auslösung durch die Auslöseeinrichtung 12 unterbleibt. Es findet daher über die Wirkverbindung 14 von der Auslöseeinrichtung 12 über das Schaltschloß 13 kein Eingriff auf die Schaltkontakte 15 in zu überwachenden Leitungen statt. Primärwicklungen 7 und die Sekundärwicklungen 6 sind Teil eines üblichen Summenstromwandlers.

Die Auswerteschaltung weist im Ausführungsbeispiel an ihrem Ausgang einen Verstärker 12 auf,der über die Auslöseleitung 22 die Auslöseeinrichtung 12 beaufschlagt. Die Auslöseschaltung 11 ist derart auslöseverzögert, daß glatter Gleichfehlerstrom eine fehlerstromabhängige Spannung erzeugt. Diese Abhängigkeit der Spannung vom Fehlerstrom ist am ausgepräg-

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sten zwischen dem Gleichrichter 17 und dem Schwellwertschalter 19. Bei kleinem Fehlerstrom wird am Gleichrichter 17 eine relativ kleine Spannung erzeugt, d.h. die Spannung, die ein durchschnittlicher Fehlerstrom erzeugt. Diese wird von der ersten Zeitverzögerungsschaltung 18 verhältnismäßig lang verzögert, bis der Schwellwertschalter 19 beaufschlagt wird. Höherer Fehlerstrom verursacht höhere Spannung und kürzere Auslösezeitverzögerung. Die vond en Vorschriften geforderten Auslösezeiten bzw. Zeitfenster für Nichtauslösung können durch geeignete Dimensionierung erzielt werden. Die nachgeschaltete zweite Zeitverzögerungsschaltung 20 verhindert, daß bei Fehlerströmen kleiner als dem Auslösestrom nach Vorschrift die in der ersten Verzögerungsschaltung 18 gespeicherte Energie beim Abschalten, also beim Ausfallen der Bordnetzspannung, die gespeicherte Energie zu einer Fehlauslösung führen kann. Beim Abschalten der Netzspannung geht die Gleichspannung der Bordnetzversorgung durch den Bordnetzgenerator 23 nämlich schneller zurück als dessen Eingangsspannung, da diese wegen der Wirkung als Energiespeicher der ersten Zeitverzögerungsschaltung längere Zeit zum Absinken bzw. Ausklingen benötigt als die Zeit bis zum Absinken der Referenzspannung .

Im Ausführungsbeispiel wirkt auf die Auslöseeinrichtung 12 auch eine Fehlerstromschutzeinrichtung 16, nachstehend FI-Einrichtung genannt, parallel ein. Durch eine derartige Anordnung können auch Sondervorschriften erfüllt werden, wonach in Installationen mitunter allstromsensitive, auslösezeitverzögerte FI-Einrichtungen selektiv sein sollen, kurzzeitverzögert oder auch entsprechend der &ldquor;G-Type" der österreichischen Vorschriften. Weitere Vorschriften sind DIN VDE 0664, IEC 1008, EN 61008. Hierdurch werden mitunter verhältnismäßig lange Zeittore festgelegt, in denen eine Schutzeinrichtung nicht auslösen darf. Zwar sind auslösezeitverzögerte FI-Einrichtungen für Wechsel- und Pulsfehlerströme seit längerem auf dem Markt, für DI-Einrichtungen, die sich als Zusatz für FI-Einrichtungen eignen, ist eine zufriedenstellende Lösung

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in der eingangs genannten älteren Anmeldung (DE: 19 755 857.7) beschrieben. Die Gesamtschaltung wirkt bei entsprechender Abstimmung so, daß die DI-Einrichtung für sämtliche Fehlerstromarten die von der jeweiligen Vorschrift geforderten Bedingungen erfüllt und die FI-Einrichtung 16 einen netzspannungsunabhängigen Grundschutz bei Wechselfehlerströmen und in geeigneter Ausführung auch bei pulsierenden Fehlerströmen sicherstellt.

Der Schwellwertschalter 19 ist in seiner Referenzspannung an seinem Steuereingang 30 an den Temperaturgang der eingangsseitig angeordneten Bauteile, wie Summenstromwandler, Bauteile der Zeitverzögerungsschaltung, derartig gleichsinnig angepaßt, daß ein Temperturgang sich nicht auswirken kann.

Der Schwellwertschalter 19 arbeitet im Ausführungsbeispiel mti einem Operationsverstärker.

Zwischen der Gleichrichterschaltung 17 und der ersten Zeit-Verzögerungsschaltung 18 ist eine Schnelladeeinrichtung 26 angeschlossen.

Beim Netzeinschalten wird der Ladekondensator 51 in der ersten Zeitverzögerungsschaltung 18, man vergleiche FIG 2, auf seine Ruhespannung U_R aufgeladen, was ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen wesentlich länger dauern kann als die Weiterladung durch Fehlerstrom von der Ruhe-Gleichspannung U_R auf die Schwellspannung U_s, bei der der Schwellwertschalter 19 für Abschaltung sorgt. Durch die Schnellladeeinrichtung 26 wird der Kondensator 51 in der ersten Zeitverzögerungsschaltung 18 so rasch auf die Ruhegleichspannung U_R aufgeladen, daß diese am Eingang des .Schwellwertschalters 19 ansteht, wenn die Netzspannungsversorgung eingeschwungen ist und kein Fehlerstrom durch eine der Wicklungen des Summenstromwandlers fließt.

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Die Schnellladeeinrichtung 26 bewirkt, daß sowohl bei gleichzeitigem Einschalten der Netzspannung und des Gleich-Fehlerstroms
als auch bei eingeschwungener Netzspannung und anschließendem Einschalten des Gleich-Fehlerstroms die geforderten Auslösezeittore, selektiv bzw. kurzzeitverzögert oder gemäß G-Type, eingehalten werden können.

Im Ausführungsbeispiel nach FIG 2 ist die Schnellladeeinrichtung 26 als Kondensator 46 ausgeführt. Dieser lädt beim

Netzeinschalten den Kondensator 51 in der ersten Zeitverzögerungsschaltung 18 schnell auf. Die Widerstände 52 und 53 sind gleichzeitig Entladewiderstände, sie sind jedoch auch so aufeinander abzustimmen, daß ohne Fehlerstrom die Ruhe-Gleichspannung
Ur am Schwellwertschalter 19 ansteht. Andererseits sind sie darauf anzustimmen, daß die Auslösezeittore

für den Fall zunächst anliegender Netzspannung und anschließenden Auftretens eines Fehlerstroms, und für den Fall
gleichzeitigen Auftretens von Netzspannung und Fehlerstrom
eingehalten sind. Die Auslösebedingungen können also dadurch erfüllt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach FIG 3 weist die Schnellladeeinrichtung
2 6 einen Spannungsteiler aus den Widerständen 43, 44 auf, wobei am Mittelpunkt des Spannungsteilers ein Transistor 41 bei zwischen Basis und Kollektor geschaltetem Kondensator 42 derart angeschlossen ist, daß der Transistor bei Anlegen
von Spannung an die Schnellladeeinrichtung 2 6 sofort leitend wird. Der Transistor 41 wird beim Netzeinschalten mittels des Kondensators 42 sofort leitend und lädt den als Zeitverzögerungskondensator dienenden Kondensator in der ersten Zeitverzögerungsschaltung 18 sofort auf. Der Spannungsteiler aus den Widerständen 43 und 44 bestimmt die Spannung, auf die der
Zeitverzögerungskondensator, beispielsweise 51 in FIG 2, aufgeladen wird. Diese Spannung wird auch als Ruhegleichspannung Ur bezeichnet. Im netzspannungslosen Zustand wird der Kondensator 42 vom Widerstand 43 entladen, wodurch er für das nächste Netzeinschalten wieder bereit ist. Auch hierdurch lassen

sich die Auslösezeittore in beiden geforderten Fällen einhalten.

Beim Ausführungsbeispiel nach FIG 4 ist der Spannungsteiler aus dem niederohmigen Widerständen 61 und 62 vorgesehen, der den Zeitverzögerungskondensator in der ersten Zeitverzögerungsschaltung 18 ausreichend rasch auflädt. Durch geeignete Dimensionierung hört diese Aufladung jedoch bei der Ruhegleichspannung Ur auf. Dann hat der Spannungsteiler keinen weiteren Einfluß auf die Funktion, da die Diode 61 den Spannungsteiler bei ansteigender Spannung entkoppelt, wie sie durch Fehlerstrom am Zeitverzögerungskondensator, z.B. 51, in der ersten Zeitverzögerungsschaltung auftritt. Der niederohmige Spannungsteiler aus den Widerständen 61 und 62 benötigt in der Praxis nur Strom im mA-Bereich, den ein Netzteil zu liefern hat.

Claims

GR 98 G 3536 ····. .*. .".'"I 11 Schutzansprüche

1. Zeitverzögerte Differenzstromschutzeinrichtung, nachstehend DI-Einrichtung genannt, mit einer Transduktorschaltung, deren Auswerteschaltung (11) zwischen der Sekundärwicklung (6) und einem komplexen, überwiegend kapazitiven, Widerstand (9), Meßwiderstand genannt, der mit der Sekundärwicklung (6) einen Schwingkreis bildet, angeordnet ist und auf eine Auslöseeinrichtung (12) einwirkt, wobei die Auswerteschaltung (11) mit Gleichrichterschaltung, zwei Zeitverzögerungsschaltungen und Schwellwertschalter arbeitet, wobei zwischen Gleichrichterschaltung (17) und Schwertschalter (19) eine erste Zeitverzögerungsschaltung(18) darauf abgestimmt ist, ein gewünschtes Auslöseverhalten zu erzielen und wobei ab dem Schwellwertschalter (19) eine zweite Zeitverzögerungsschaltung vorgesehen ist, die darauf abgestimmt ist, daß die Spannung langsamer abklingt als in der ersten Zeitverzögerungsschaltung (18), derart, daß beim Abschalten der Netzspannung eine Auslösung unterbleibt, wobei der Schwellwertschalter in seiner Referenzspannung an seinem Steuereingang an den Temperaturgang der eingangsseitig angeordneten Bauteile derart gleichsinnig angepaßt ist, daß der Temperaturgang sich nicht auswirken kann, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleichrichterschaltung (17) und der ersten Zeitverzögerungsschaltung (18) mit einer Kapazität eine Schnellldeeinrichtung (26) eingeschaltet ist, die dafür ausgelegt ist, die Kapazität der ersten Zeitverzögerungsschaltung (18) auf ihre Ruhegleichspannung U_R aufzuladen, derart schnell, daß für den Fall,

- zunächst anliegender Netzspannung und anschließenden Auftretens eines Fehlerstroms

und für den Fall

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnelladeeinrichtung(26) als Kondensator (46) ausgeführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnelladeeinrichtung(2 6) einen Spannungsteiler aus Widerständen (43, 44) aufweist, wobei am Mittelpunkt des Spannungsteilers ein Transistor (41) bei zwischen Basis und Konvektor geschalteten Kondensator . (42) derart angeschlossen ist, daß der Transistor beim Anlegen von Spannung an die Schnellldeeinrichtung (26) sofort leitend wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Schnelladeeinrichtung(26) einen Spannungsteiler aus niederohmigen Widerständen(61, 62) aufweist, wobei am Mittelpunkt des Spannungsteilers eine Diode (63) angeschlossen ist, die derart bemessen ist, daß in der ersten Zeitverzögerungsschaltung (18) eine Kapazität rasch aufgeladen wird und daß die Diode (63) bei der Ruhe-Gleichspannung Ur sperrt.