DE2333868A1

DE2333868A1 - System zur entkopplung des hochfrequenten signals von dem netzfrequenzstrom in systemen, die gemeinsame uebertragungseinrichtungen benutzen

Info

Publication number: DE2333868A1
Application number: DE19732333868
Authority: DE
Inventors: Nicola Valentini
Original assignee: Societa Italiana Telecomunicazioni Siemens SpA
Current assignee: Italtel SpA
Priority date: 1972-07-04
Filing date: 1973-07-03
Publication date: 1974-01-17
Also published as: US3895370A; IT962385B; FR2191371A1; FR2191371B1; GB1429859A

Description

8963-72/H/Elf

ital. Anra. No. 26558 A/72

vom 4.7.1972

Societa Itallana Telecomunicazioni Siemens s.p.a., Malland (Italien)

System zur Entkopplung des hochfrequenten Signals von

dem Netzfrequenzstrom In Systemen, die gemeinsame übertra-

gungseinrichtungen benutzen

Gegenstand der vorliegenden Erfindung 1st ein System, durch das es möglich ist, ein hochfrequentes Signal an seinen Einschalt- und Abzweigpunkten von einem Netzfrequenzstrom zu trennen. Das System soll für Fernmeldeanlagen eingesetzt werden, die als übertragungselement Leitungen für die Energieversorgung verwenden.

Die Möglichkeit, Nachrichten über Leitungen oder Kabel zu übertragen, die für die Lieferung von elektrischer Energie gedacht sind, wurde bis jetzt erst in beschränktem Umfang bei Hoch- und Hochstspannungsleitungen (bei denen das System angesichts der zu überbrückenden Entfernung tragbar wird) ausgeschöpft. Dies war darauf zurückzuführen, daß es sich als schwierig erwies, eine wirksame Trennung zwischen hochfrequenten Signal und Netzfrequenzstrom herbeizuführen. Auch wenn die für den Transport der elektrischen Energie vorgesehenen Leitungen, seien sie in Kabelkanälen verlegt oder als Freiluftleitungen ausgebildet, unter gewissen Voraussetzungen geeignet wären, als Trägerelement für die übertragung hoch-

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frequenter Signale zu dienen, so bilden doch die Belastungsglieder, mit denen sie an ihren Enden abgeschlossen werden (Transformatoren, Verbrauchsgeräte, usw.), hinsichtlich der Hochfrequenz praktisch einen Kurzschluß sowohl zwischen den Leitern als auch zwischen den Leitern und Erde.

Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, durch geeignete Tiefpaßfilter oder Sperrkreise, die durch abgestimmte LC-Kreise verwirklicht werden, die Ableitung der Hochfrequenzströme zu den Generatoren, Transformatoren oder Verbraucherkreisen zu verhindern. Da in den entsprechenden Induktivitäten starke Netzfrequenz ströme fHessen müssen, können sie keinen Kern aus ferromagnetiechem Material besitzen, sondern müssen als Luftspulen oder kernlose Spulen ausgebildet sein, wobei nur wenige grobdrahtige Windungen möglich sind. Infolgedessen ist der Induktivitätswert, den man auf diese Weise erhält, niedrig. Gering ist auch der Wirkungsgrad als Sperrglied, während andererseits die Kosten und der Platzbedarf erheblich ins Gewicht fallen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Entkopplungssystem, dessen Herstellung nur verhältnismässlg niedrige Kosten verursacht, und das dennoch einfach und mühelos in Verbindung mit den normalen Stromvertellernetzen eingesetzt werden kann.

Die Erfindung besteht darin, daß iia Bereich eines Leitaingsabschnltts , bei dem die vektor .teile Summe der Hetzfrequenzströme gleich Null ist, ein ferromagnetischer Kern eingesetzt wird, um den in jeweils gleicher Richtung und mit der gleichen Zahl von Windungen sämtliche Leiter der Leitung gewickalt sind, und daß durch eine Kopplung**schaltung mit einer unteren Grenzfrequenz, bei der Netzfrequenssignale blockiert werden, Hochfrequenz-lernmeldeainriclitungen zwischen raird^-stene einem Leiter der Leitung und einem nicht zur Leitung gehörenden Rückleiter angeschlossen werden.

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Bei dem Rückleiter kann es sich um die Erdleitung handeln.

Im folgenden wird unter dem Begriff Spule oder Sperrspule eine elektrische Vorrichtung verstanden, die einen ferromagnetischen Kern und Wicklungen für sämtliche Leiter der elektrischen Leitung umfasst.

Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit Energieleitungen angewendet werden, deren Rückstrom über Leiter geführt wird, bei denen es sich entweder um einen besonderen Null-Leiter handelt oder aber abwechselnd um die aktiven Leiter der elektrischen Leitung, wie dies beispielsweise bei den symmetrischen Systemen der Fall ist. Bei diesen Leitungen ist die Summe der umlaufenden Ströme in den Leitern unter normalen Verhältnissen gleich Null.

Diese Bedingung wird normalerweise in den heutzutage üblichen Stromverteilernetzen erfüllt, da nur in ganz außergewöhnlichen Ausnahmefällen bei sehr alten Anlagen der Rücklauf des Kraftstroms durch die Erdleitung zulässig ist. Auch in diesen Fällen ist es möglich, wenn man die elektrische Belastung über einen Leiter an die lokale Erdungsanlage anschließt, in einem Abschnitt der Leitung, in der sich dieser Leiter befindet, das Nullsummenverhältnis der Ströme zu verwirklichen.

Die Zahl der Windungen der Wicklung eines jeden Leiters, an. den die Fernmeldeeinrichtungen angeschlossen sind, ergibt sich aus dem Wert der Induktivität, die für die Blockierung des von diesen Einrichtungen kommenden Hochfreguenzsignal vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäss ausgebildete Entkopplungssystem kann in einer Vielzahl von Fällen Anwendung finden, und zwar nicht nur bei der Hochfrequenzübertragung von Informationen und Nachrichten über Energieleitungen, sondern auch bei der Verwendung der Leiter einer internen elektrischen Anlage zur übertragung von

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Hochfrequenzsignalen, bei denen es sich auch um Breitbandsignale , wie beispielsweise die Drahtfunksignale, handeln kann, auf Anschlüsse, die sich in anderen Räumen befinden.

Nachstehend soll nun eine Anwendungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, die von besonderem Interesse ist. Es handelt sich dabei darum, das für private Verbraucher vorgesehene elektrische Verteilernetz für fernmeldetechnische Zwecke einzusetzen. Im allgemeinen setzt sich das Verteilernetz für Privatverbraucher aus einer Vielzahl von Umspannwerken zusammen, die mit mittlerer Spannung gespeist werden und aus einem Transformator-Sekundärkreis in Sternschaltung verkettete Spannungen von 220 bzw. 380 Volt und in Stern geschaltete Spannungen von 125 bis 220 Volt liefern. Diese letztgenannte Spannung wird in einigen Fällen nicht an die Verbraucher geliefert, die über zwei Phasenleiter und gegebenenfalls den Nullleiter an das Umspannwerk angeschlossen sind. In einigen Fällen wird auch nur die Stern- oder Leiter-Sternpunkt-Spannung geliefert, so daß der Verbraucher an eine Phase und an den Null-Leiter angeschlossen ist. Dies bedeutet, daß in dem Leitungsabschnitt im Bereich des Verbraucheranschlusses stets folgende Bedingung gegeben ist:

In dieser Gleichung bedeutet I. den Strom, der durch den allgemeinen Leiter i fliesst. Die gleiche Bedingung ergibt sich auch an den Klemmen des Sekundärkreises des Umspannwerks. Wenn man somit eine Sperrspule der beschriebenen Art am Ausgang des Sekundärkreises des Umspannwerks und an den Klemmen eines jeden Verbraucherkreises einschaltet, ermöglicht man die übertragung von hochfrequenten Signalen nach der oben beschriebenen Methode zwischen den Stromleitern und dem Erdleiter.

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Diese Anwendungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung ist insbesondere deshalb interessant, weil die entsprechenden Sperrspulen einfach in der Konstruktion und billig in der Herstellung sind - zumindest was die Verbraucherseite betrifft, die letzten Endes jedoch am wichtigsten ist, da über eine einzige Spule auf der Umspannwerkseite zahlreiche Verbraucher bedient werden können. Für die Zahl der parallel schaltbaren Verbraucher gibt es praktisch keine Grenzen. So können verschiedene Verbrauchergruppen auf unterschiedlichen Frequenzbändern bedient werden, ,wobei die auf einem bestimmten Frequenzband angeschlossenen Verbraucher für alle anderen Verbraucher eine praktisch vernachlässigbare Belastung darstellen.

Es besteht die Möglichkeit, auch an Zwischenstellen innerhalb der Verbindung vom Umspannwerk zum Verbraucher Spulen einzuschalten, die durch induktive Kopplung Signale auf die Leitung mit Impedanzen übertragen, die von der jeweiligen Frequenz abhängig sind. Diese Möglichkeit verleiht dem System eine besondere Elastizität. Die verschiedenartigsten Anlagen können durch eine Reihe vorgegebener Baukastenelemente realisiert werden.

Weitere charakteristische Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung.

Fig. l zeigt eine Sperrspule gemäss der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2,3 und 4 veranschaulichen Entkopplungssysteme mit Leitungen aus 3 bzw. 2 Leitern.

Fig. 5 und 6 zeigen Entkopplungssysteme, bei denen Schutzelemente für die Spulen vorgesehen sind.

In Fig. 1 ist davon auszugehen, daß für die Leitung mit den vier Leitern I₁, I₂, I₃, I₄ folgende Bedingung erfüllt ist:

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.-6-4

Σ I₁ = ο

i = 1

In dieser Gleichung bedeutet I. den Strom, der durch den Leiter I₁ fliesst.

Die Wicklungen 1,2,3,4, von denen jeweils eine für jeden Leiter vorgesehen ist, sind auf einem Ringkern 5 aus ferromagnetischem Material angeordnet. Wenn man annimmt, daß N die Zahl der Windungen einer jeden Wicklung ist und die Wicklungen im obengenannten Sinn miteinander identisch sind, so wird der Ringmagnetkreis durch die magnetomotorische Kraft F beansprucht, die folgender Gleichung genügt:

F » N I₁ + N I₂ + N I₃ + N I₄ = N(I₁ + I₃ + I₃ + I₄) Da I I₁ = 0 ist, ergbt sich folglich auch F=O.

Durch den Kern fliesst kein von den elektrischen Kraftströmen erzeugter Magnetfluß. Folglich ist seine Proportionalitätsbeziehung nicht abhängig von der Stärke dieser Ströme. Ausserdem wird durch dieses Proportionalitätsverhältnis der Zustand der Ströme in keiner Weise beeinträchtigt.

In Fig. 2 ist eine Drehstromleitung ohne Null-Leiter mit den Leitern I₁, I₂ , I₃ 1. einem Stromgenerator G und einer Last 1 dargestellt. In den Abschnitten A und B sind die Sperr spulen b_x und b₂ mit geschlossenen Kernen aus Säulen und Jochs eingebaut. Ihre Einschaltung beeinträchtigt in keiner Weise den Fluß der Kraftströme, da stets das Verhältnis (I₁ + I₂ + I₃) = 0 gegeben ist, das notwendig ist, um die Grosse der Spulen von der Stärke der Ströme I₁, I₂, I₃ unabhängig zu machen.

Der Hochfrequenzstrom i trifft in den Wicklungen N₃ und N'₃ auf eine hohe Impedanz. Wenn der Strom durch die Wicklung N₃ fließt,

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erzeugt er nämlich eine magnetomotorische Kraft, die durch keine andere magnetomotorische Kraft kompensiert wird, gleichgültig ob die Punkte 1,2,3 und I¹, 2', 3' als offen angesehen oder für den Kurzschlußfall betrachtet werden, wobei lediglich der Leiter I^ interessiert* Das Gleiche gilt auch für die Wicklung N¹ \ des Abschnitts B.

Unter diesen Voraussetzungen erweisen sich im Hinblick auf diesen Strom die Spulen als effektive Sperrinduktivitäten. In anderen Worten wird durch ihre Einschaltung der Leitungsabschnitt A-B hochfrequenzmässig von den Bereichen links von A und rechts von B isoliert.

Eine Einrichtung G_af zur Erzeugung oder Einspeisung des hochfrequenten Signals ist im Bereich des Abschnitts A über einen Kondensator C, an den Leiter Ig angeschlossen. Der Kondensator C, grenzt das Band der Einrichtung G- nach unten ab und blockiert die Netzfrequenz. Beim Abschnitt B ist ein Empfangsgerät l_&f ■ an den gleichen Leiter Ig gekoppelt, und zwar über einen Konden~ sator Cj, der als Hochpaßfilter dient.

Die Kopplung des hochfrequenten Signals kann auch auf magnetischem Wege erfolgen, wobei man die Sperrspulen selbst zu dieser Aufgabe heranzieht, wie aus dem in Fig.3 dargestellten Beispiel ersichtlich ist. Die beiden Spulen Ta₁ und b₂ sind an die Leiter I₁ und I2 einer Zweidrahtleitung angeschlossen, deren Endpunkte A und B mit dem Frequenzgenerator bzw. der Last oder umgekehrt gekoppelt sind.

Der Generator T„ des Fernmeldesignals ist gleichzeitig an die beiden Drähte 1, und I₂ angeschlossen, die als gemeinsamer Speiseleiter für das hochfrequente Signal dienen, und zwar über die Wicklung N₃, die auf dem Kern der Spule bj angeordnet ist. Die Schwankungen des Magnetflusses, hervorgerufen durch das an die Klemmen der Wicklung N, angelangte Signal, erzeugen an den

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Wicklungen N, und N₂ elektromotorische Kräfte mit der gleichen Phase. Analog hierzu ist mit den Drähten I₁ und I₂ über die
Wicklung N¹ο t die um den Kern der Spule b2 gewickelt ist, ein Empfänger R verbunden. Die durch die Drähte 1, und I₂ fliessenden Hochfrequenzströme haben die gleiche Phase und bewirken somit Veränderungen des Magnetflusses in Verkettung mit der Wick-"lung N'2·

In diesem Fall müssen die Enden der Leitung für das hochfrequente Signal zur Erde hin kurzgeschlossen werden (oder zu
einem dritten Leiter, der beispielsweise Bestandteil eines getrennten Energiesystems ist), um den Stromkreis der Hochfrequenzströme zu schliessen. Die Trennung der beiden Systeme wird gewährleistet durch Kapazitäten C₃, C₃, C₄, C₄, die einen solchen Wert aufweisen, daß gegenüber der Netzfrequenz eine hohe
Impedanz gegeben ist, die andererseits jedoch gegenüber der
Hochfrequenz genügend klein ist.

Gemäss Fig. 4 wird die gleiche Form der Kopplung zum Zwecke der Übertragung auf mehreren Frequenzkanaälen benutzt. Der Generator T, der mit den Drähten I₁ und 1, über die Spule b_Q gekoppelt ist, sendet auf einem breiten Band Informationen, die für Empfänger R-,,....,R bestimmt sind. Jeder dieser Empfänger ist mit den
Leitungen I₁ und I₂ über eine Spule b_x b_n verbunden, Abstimmkreise aus Kondensatoren C₁ C und zu ihnen parallelen In-

dJctivitäten , die durch die Wicklungen nj ,n dargestellt

sind, ermöglichen eine Abstimmung eines jeden einzelnen
Empfängers auf einen speziellen Kanal. An den Hochfrequenzsignalenden werden die Leiter I₁ und I₂ von Kondensatoren C¹ und C" auf der Seite A und von Kondensatoren C"¹ und C^|V auf der
Seite B an Masse geschlossen.

Die Bedingung Σ Ij = 0 für die Ströme I^ der η-Leiter der Versorgungsenergieleitung kann dann nicht erfüllt werden, wenn
anomale Bedingungen vorherrschen, wie dies beispielsweise dann

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OFMGiNAL INSPECTED

der Fall ist, wenn einer der Leiter nur an einem Ende an Masse gelegt ist oder zwischen einen der Leiter und Erde eine Last geschaltet wird.

Solange das Gleichgewicht nur unbedeutend'gestört, d.h. der resultierende Strom I genügend schwach ist, kann die Situation von der Spule durchaus gemeistert werden. Im Rahmen der Dimensionierung ist es leicht, zu bestimmen, welches der zulässige Grenzwert für den Strom ist, ehe einerseits die Spule als Sperrelement ihre Wirksamkeit verliert, da die Induktivität rasch abfällt, wenn sich der Magnetkreis der Sättigung nähert, oder diese erreicht, und andererseits die Spule durch überhöhte Temperaturen oder elektrodynamische Beanspruchungen beschädigt oder zerstört wird. Der erste Grenzwert kann über kleinere Zeiträume hinweg noch toleriert werden, doch darf der zweite Grenzwert nie erreiht werden.

Ein Schutz vor anomalen Bedingungen kann leicht dadurch gewährleistet werden, daß man den Magnetfluß im Kern, soweit er auf den Strom I zurückzuführen ist, ermittelt und entsprechende Kompensationselemente oder Leitungstrennorgane einschaltet, wenn die Stärke des Magnetfelds die zulässigen Grenzen überschreitet.

In Fig. 5 ist eine Zweidrahtleitung mit den Leitern 1, und I₂ veranschaulicht, die über einen Transformator T mit einer Spannung V₂ gespeist' wird, wobei der Mittelpunkt der Sekundärleitung an Masse gelegt ist. Falls hinter der Spule B₂ eine beliebige Last R zwischen dem Leiter I₁ und Erde angeschlossen wird, entwickelt sich entsprechend der Netzfrequenz eine magnetomotorische Kraft (MMK) des Wertes NI im Magnetkreis der Spule B₁ oder im Magnetkreis der Spule B₂, wenn I der Strom ist, der zu der Last R fliesst. Durch beide Spulenkerne fliesst ein entsprechender Magnetfluß , dem keine entgegengesetzt gerichtete MMK entgegenwirkt. Bei diesen Verhältnissen entwickelt sich jedoch an den Klemmen der Wicklung N" eine elektromotorische Kraft, die von einer Schaltung S_ festgestellt wird. Sobald

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der dem maximal zulässigen Magnetfluss entsprechende Wert überschritten wird, öffnet die Schaltung S„ Trennkontakte S ,die unmittelbar vor der Spule B₂ angeordnet sind.

Es sind an sich Vorrichtungen bekannt, die die Pegelwerke der Ströme auf den Leitern der Zweidrahtleitungen einander gegenüber stellen und eine Trennung der Leitung selbst bewirken, sobald die Pegeldifferenz zwischen den beiden Strömen einen vorbestimmten Wert übersteigt. Aus diesem Grunde dürfte es nicht erforderlich sein, die Schaltung S . die in der gleichen Art

und Weise ausgeführt werden kann, ausführlich zu beschreiben. Die Funktion dieser bekannten Vorrichtungen unterscheidet sich jedoch von der hier vorgesehenen Funktion, da es sich in ihrem Fall um einfache Schutzvorrichtungen für Personen gegen eine zufällige Erdung eines spannungsführenden Hauptleiters über den menschlichen Körper handelt.

Eine andere Methode zum Schutz der Spule besteht darin, diese sobald die oben beschriebenen anomalen Verhältnisse angetroffen werden, als Stromtransformator arbeiten zu lassen, dessen Magnetfluß automatisch begrenzt wird. In Fig. 5 ist diese Lösung dargestellt: eine Sekundärwicklung N¹, die um den Kern der Spule B₁ gewickelt ist, wird an einen ausreichend niedrigen Widerstand angeschlossen, sobald die elektromotorischen Kräfte an den Klemmen der Wicklung einen im voraus festgelegten Wert, der dem Sicherheitspegel des Magnetflusses entspricht, übersteigen. Dies erreicht man entweder durch die Verwendung geeichter Ableiter oder durch Dioden mit festgelegtem Schwellenwert oder über eine Relaissteuerung.

Bei dem in Fig.6 veranschaulichten Beispiel handelt es sich um eine aus zwei Phasenleitern und dem Null-Leiter bestehende Leitung, wobei der gleiche Null-Leiter für den Kreislauf des Kompensationsstroms verwendet wird. Auf der Seite A liefert die

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-n-

in Stern geschaltete Sekundärwicklung eines Transformators Tr, die Phasenspannungen an zwei Leiter I₁ und I₂· Der Null-Leiter η ist auf der gleichen Seite an Erde gelegt. Die drei Leiter slid auf der Seite A an die Spule B₁ und auf der Seite B an die Spule Έ>2 angeschlossen'.

Wenn nun eine Phase über einen Widerstand R hinter der Spule B, an Erde gelegt wird, so bewirkt die Vorrichtung D₂ über den Kontakt C₂ einen Erdschluß des Null-Leiters. Auf dem Null-Leiter wird ein Strom induziert, der über den Kontakt C₂ wieder zur Erde geführt wird und den Magnetfluss kompensiert, der auf den Streuverlust im Bereich des Widerstands R zurückzuführen ist.

Die Vorrichtung D₁ schaltet sich demgegenüber zum Schutz der Spule B₁ dann ein, wenn anomale Bedingungen vorherrschen, die gegebenenfalls im Streckenbereich zwischen B₁ und B₂ auftreten können und infolge dessen von der Vorrichtung D₂ nicht erfasst werden können. Dies erreicht man entweder dadurch, daß man die Einschaltung der Vorrichtung D₁ gegenüber der Einschaltung der Vorrichtung D₂ verzögert oder die Vorrichtung D₁ auf einen höheren Interventionsschwellenwert einstellt.

Die VorrichtungaiDj und D₂ könnenwie an sich bereits bekannte Schaltungen verwirklicht werden, deren ausführliche Beschreibung sich hier erübrigt.

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Claims

Patentansprüche

1.) System zur Entkopplung des hochfrequenten Signals von dem Netzfrequenzstrom in einer Fernmeldeanlage, die als übertragungsleitung die Leiter einer elektrischen Energieversorgungsleitung benutzt, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich eines Leitungsabschnitts, in dem die Summe der Netzfrequenzströme gleich Null ist, ein ferromagnetischer Kern eingesetzt ist, auf den mit gleichem Wicklungssinn und mit der gleichen Zahl von Windungen sämtliche Leiter der Leitung gewickelt sind, und daß über eine Kopplungsschaltung mit einer unteren Grenzfrequenz, bei der Netzfrequenzsignale blockiert werden, zwischen mindestens einem Leiter der Leitung und einem nicht zur Hauptleitung gehörenden Rückleiter Hochfrequenz-Fernmeldeeinrichtungen eingeschaltet sind.

2.) System nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsschaltung eine Wicklung enthält, die um den ferromagnetischen Kern gewickelt ist und an deren Klemmen das Hochfrequenzsignal eingespeist wird, und daß der Stromkreis für das Hochfrequenzsignal zum Rückleiter hin durch zwischen jedem leiter der Leitung und dem Rückleiter eingeschaltete Kondensatoren geschlossen ist, die für den Netzfrequenzstrom eine hohe Impedanz und für das Hochfrequenzsignal eine niedrige Impedanz darstellen.

3.) System nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ferromagnetischen Kern eine Wicklung angeordnet ist, die mit einem Schwellenwertelement gekoppelt ist, das die öffnung von Trennungsorganen der Leitung bewirkt,· sobald an den Klemmen dieser Wicklung eine elektromotorische Kraft auftritt, die einen vorbestimmten Wert überschreitet.

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ORIGINAL INSPECTED

4.) System nach Anspruch 1 für eine dreiadrige Leitung, bei der zwei Leiter Spannung führen, während ein Leiter als Null-Leiter wirkt und an einem Ende an Erde gelegt ist, d a d u r ch gekennzeichnet , daß am Ende des Leitungsabschnitts, bei dem das hochfrequenzte Signal angelegt wird und das jenem Ende gegenüber liegt, an dem der Null-Leiter an Erde gelegt ist, um den ferromagnetischen Kern eine Wicklung gelegt ist, die mit einem Schwellenwertelement gekoppelt ist, das anspricht und die Schließung eines Kontakts bewirkt, der den Null-Leiter nach Masse hin kurzschliesst, sobald die elektromotorische Kraft an den Klemmen der Wicklung einen vorbestimmten Wert übersteigt.

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