EP3963616B1 - Schalteranordnung und verfahren zum sicheren betrieb einer schalteranordnung - Google Patents
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- EP3963616B1 EP3963616B1 EP20721216.8A EP20721216A EP3963616B1 EP 3963616 B1 EP3963616 B1 EP 3963616B1 EP 20721216 A EP20721216 A EP 20721216A EP 3963616 B1 EP3963616 B1 EP 3963616B1
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Definitions
- the invention relates to a switch arrangement with a switch and a drive system for the switch, an electrical operating means with a switch arrangement and a method for the safe operation of a switch arrangement.
- switches for different tasks and with different requirements. In order to operate the respective switches, they must be driven by a drive system. These switches include on-load tap changers, load diverter switches, selectors, double reversers, reversers, pre-selectors, circuit breakers, load switches or isolating switches.
- on-load tap-changers are used for uninterrupted switching between different winding taps of an electrical device, such as a power transformer or a controllable choke. This can be used to change the transformation ratio of the transformer or the inductance of the choke, for example. Double reversing switches are used to reverse the polarity of windings during power transformer operation.
- EN 10 2011 002 685 B3 discloses a device for controlling a switch drive of an electrical switch with a control device which is suitable for evaluating an input signal generated with an external operating voltage at a binary input of the device and for controlling the switch drive in dependence on the input signal present on the input side
- WO 2009/156635 A1 discloses a control unit for an engine. This has a main control unit and an additional control unit, which are in dialogue with each other.
- WO 2018/054672 A1 discloses a motor device with a three-phase motor and an electronic control device.
- the electronic control device enables the motor device to be supplied with different supply voltages.
- WO 02/23207 A1 discloses a method for checking the state of an electrical switching device which is arranged in a current path of an electrical system, wherein the switching device serves to close and interrupt a current path.
- EN 100 45 651 A1 discloses a safety switching device for switching on and off safely of an electrical consumer, whereby the safety switching device is connected to other safety switching devices.
- the improved concept is based on the idea of detecting faults in a control unit, a motor and a power unit for driving a switch with a protective circuit and initiating a safety measure if necessary. Motor faults are detected indirectly via the power unit.
- the protective circuit is activated before the switch is switched and deactivated after the switching process has been successfully carried out.
- a switch arrangement with a switch and a drive system for the switch is specified.
- the drive system has a motor for driving the switch, a protective circuit and a control device with a power section for supplying energy to the motor.
- the control device also has a control unit for initiating a switching process of the switch by controlling the power section.
- the protective circuit is designed to detect a first error signal via a status contact in the event of a fault in the control unit and to detect a second error signal via a status contact of the power section in the event of a fault in the power section or the motor.
- the protective circuit is designed to initiate a safety measure depending on the first and second error signals.
- the control device in particular the control unit and/or the power section, is designed to activate the protective circuit before initiating the switching process of the switch and to deactivate it after the switching process has been successfully carried out.
- the switching process comprises a complete switching of the switch, in the case of an on-load tap changer, therefore a complete switching between two winding taps of an electrical equipment assigned to the switch arrangement, such as a power transformer or a choke.
- the switch of the switch arrangement is an on-load tap changer or a selector or a pre-selector or a load diverter switch or a reversing switch or a double reversing switch.
- the switching operation comprises a part of the switching of the switch.
- the switching process comprises a complete switching of an on-load tap changer, i.e. a complete switching between two winding taps of an electrical equipment associated with the on-load tap changer, such as a power transformer or a choke.
- the switching operation comprises a part of the switching of the on-load tap changer, for example a preselector circuit, a selector circuit or a load changeover circuit or a respective part thereof.
- the switching process can correspond to a critical part of the switching process, during which a fault in the motor or the power unit can have serious consequences, such as a stage short circuit.
- the protection circuit detects the error signals only in the activated state and/or initiates the safety measure only in the activated state.
- the protection circuit is formed separately from the power unit, the control unit and the motor.
- parts of the protection circuit are comprised of the power unit, the control unit and/or the motor.
- initiating the safety measure comprises outputting a signal at an output of the protective circuit, for example short-circuiting two output contacts.
- the switch can be assigned to an electrical device or installed on or in the electrical device.
- the safety measure includes a separation of the device from a power grid, for example by operating a circuit breaker. If the circuit breaker is not operated, it connects the device to the power grid.
- the operational reliability of the switch arrangement or the equipment can be increased.
- a safety risk due to errors in movement-relevant components such as the motor and power section during critical switching operations is reduced. This is particularly advantageous for critical switching operations that can no longer be stopped or can no longer be stopped safely once they have been initiated or for critical switching operations that cannot be stopped because this would result in an impermissible state of the switch.
- the protective circuit is not activated, for example if the switch is in a safe or non-critical position or a safe or non-critical state, the safety measure is not initiated, in particular the equipment is not disconnected from the power grid. Therefore, the availability of the equipment is guaranteed despite increased safety.
- the protective circuit is designed to initiate the safety measure only if the first error signal indicates a fault in the power unit (or the motor) and the second error signal indicates a fault in the control unit. It cannot be ruled out that further conditions must be met in order for the safety measure to be initiated.
- the safety measure is only initiated when several, for example all, components of the switch arrangement fail or malfunction.
- the switch arrangement is designed to react to a malfunction or failure of a movement-relevant component by initiating a further safety measure.
- the initiation of further safety measures can depend on specific conditions, such as a position of the switch.
- the protective circuit is not necessarily relevant here at first. Only when several, in particular all, components indicate faults does the protective circuit, if activated, initiate the safety measure.
- the switch in particular on-load tap changer, comprises a storage device for storing mechanical energy, for example a spring energy store.
- the storage device can be charged by the drive system via a drive shaft and can release the stored energy suddenly when the drive shaft reaches a certain position, so that the load switching can take place within a very short time. This ensures that an initiated load switching is always completed.
- the drive system can be designed as a servo drive system, but this is not absolutely necessary.
- the switching process can contain a preselector circuit, for example.
- the switch is designed as a directly driven load tap changer. This means that it has no storage device for storing mechanical energy and the drive system is designed as a servo drive system. In such embodiments, it must be ensured by other suitable means, for example the drive system, that, for example, the load switching is completed once it has been initiated. In such embodiments, it is particularly advantageous if the switching process includes the load switching.
- control unit is configured to activate the protective circuit before initiating the switching process and/or to deactivate it after the switching process has been successfully carried out.
- the power unit is configured to activate the protective circuit before initiating the switching process and/or to deactivate it after the switching process has been successfully carried out.
- control unit is configured to activate the protective circuit before initiating the switching process and to deactivate the power unit after the switching process has been successfully carried out.
- the power unit is designed to To activate the protective circuit before initiating the switching process and to deactivate the control unit after the switching process has been successfully completed.
- the protective circuit has a bistable switching element, in particular a bistable relay.
- the control device in particular the control unit, is designed to actuate the bistable switching element in order to activate and/or deactivate the protective circuit.
- the control device in particular the power unit, is designed to actuate the bistable switching element in order to activate and/or deactivate the protective circuit.
- the protective circuit has a series circuit connected to a first switch unit, a second switch unit and the bistable switching element.
- the first switch unit is coupled to the status contact of the power unit
- the second switch unit is coupled to the status contact of the control unit.
- the first switch unit has one or more switches connected in parallel, at least one of which must be closed so that the protective circuit can initiate the safety measure.
- the second switch unit comprises one or more switches connected in parallel, at least one of which must be closed so that the protective circuit can initiate the safety measure.
- the first switch unit has one or more switches connected in parallel, each of which can be closed by an individual power unit.
- the drive system is designed as a servo drive system.
- the power unit comprises one or more converters, in particular servo converters, equivalent electronic, in particular fully electronic, units for drive machines.
- the power unit comprises one converter per driven axle.
- the on-load tap changer is designed to be multiphase, in particular for a multiphase operating device.
- the power unit has one converter per phase.
- the power unit is designed as an electromechanical unit for drive machines.
- the switch arrangement has a further movement-relevant component, in particular a further motor or a further power unit.
- the protective circuit has a further switch unit which is connected in series to the first and second switch units and is coupled to a status contact of the further movement-relevant component.
- the further switch unit has one or more switches connected in parallel, at least one of which must be closed so that the protective circuit can initiate the safety measure.
- an electrical device which comprises a switch arrangement according to the improved concept, for example a tap changer arrangement.
- the on-load tap changer of the tap changer arrangement is assigned to the electrical device or installed on or in the electrical device.
- the safety measure comprises a separation of the device from a power network.
- an equipment arrangement comprises an electrical equipment according to the improved concept and a circuit breaker for isolating the equipment from the energy network, wherein the safety measure includes actuation of the circuit breaker.
- a method for the safe operation of a switch arrangement comprises activating a protective circuit, initiating a switching operation of the switch by controlling the power section after the protective circuit has been activated, detecting a first error signal via a status contact of a control unit of the drive system, detecting a second error signal via a status contact of a power section of the drive system, initiating a safety measure depending on the first and second error signals and deactivating the protective circuit after the switching operation has been successfully carried out.
- a method for the safe operation of a tap changer arrangement comprises activating a protective circuit, initiating a switching operation of the on-load tap changer by controlling the power section after the protective circuit has been activated, detecting a first error signal via a status contact of a motor of the drive system, Detecting a second error signal via a status contact of a power unit of the drive system, initiating a safety measure depending on the first and second error signals and deactivating the protective circuit after the switching process has been successfully carried out.
- Figure 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a switch arrangement 2 according to the improved concept with a switch 17 and a drive system which is connected to the switch 17 via a drive shaft 16.
- the drive system includes a motor 12 which can drive the drive shaft 16 via a motor shaft 13 and optionally via a gear 15.
- a control device 1 of the servo drive system includes a power section 11 which, for example, contains one or more converters for the controlled or regulated energy supply of the motor 12 and a control unit 10 for controlling the power section 11, for example via a bus 18.
- the switch arrangement 2 can be connected to an electrical device 19, for example a power transformer, or be installed in or on the equipment 19.
- the switch arrangement can be designed as single-phase or multi-phase.
- the power unit 11 can contain a respective converter for each phase.
- the switch arrangement also has a protection circuit 14 which is coupled to a status contact of the motor 12, to one or more status contacts of the power section 11, in particular the converter of the power section 11, and to the control unit 10.
- the switch arrangement 2, in particular the protective circuit 14, can be connected, for example, to a disconnecting device 20, in particular a circuit breaker, which can disconnect the operating means 19 from a power network 21.
- the control unit 10 When the switch arrangement 2 is in operation, the control unit 10 initiates a switching operation of the switch 17, for example a switchover between two winding taps of the operating device 19 or a part of the switchover.
- the control unit 10 can activate the protective circuit 14 before initiating the switching operation, particularly if the switching operation represents a critical operation, such as a load switchover or a preselector actuation of the switch 17.
- control device for example the power unit 11, can deactivate the protective circuit 14.
- the protective circuit 14 detects this via respective error signals on the status contacts or the respective error signals trigger the status contacts of the protective circuit and initiate a safety measure.
- the protective circuit 14 can, for example, output an output signal which can lead to the activation of the isolating device 20, for example by short-circuiting two output contacts of the protective circuit 14. The safety measure is initiated without any further check of a status or position of the switch 17.
- the protective circuit 14 initiates the Safety measure is not implemented.
- the control unit 10 can initiate a safety measure depending on a state or position of the switch 17, for example actively triggering the isolating device 20.
- the deactivation of the protective circuit 14 can then be omitted, for example.
- Figure 2 shows a schematic representation of a protection circuit 14 of an exemplary embodiment of a switch arrangement according to the improved concept, in particular as with respect to Figure 1 described.
- the protective circuit 14 includes a series circuit comprising a bistable switching element 22, for example a bistable relay, a first switch unit 23, a second switch unit 24 and an output element 28, which can be designed as a switch or relay, for example.
- the series circuit is arranged between a supply voltage 29 and a reference voltage.
- the bistable switching element 22 can be actuated by the control device 1. Before initiating the switching process, the control unit 10 can actuate the bistable switching element 22 in order to connect the series circuit to the supply voltage 29 and thus activate the protective circuit 14. Before starting the switching process, both the first switch unit 23 and the second switch unit 24 are open.
- the first switch unit 23 is closed. If a fault occurs in the power section 11, in particular in all converters of the power section 11, or in the motor 12 when the protective circuit 14 is activated, the second switch unit 24 is closed. If both switch units 23, 24 are closed, the output element 28 is connected to the supply voltage 29 and outputs an output signal to initiate the safety measure, for example to the isolating device 20 in order to actuate it.
- the power unit 11 can actuate the bistable switching element 22 in order to disconnect the series connection from the supply voltage 29 and thus deactivate the protective circuit 14.
- Figure 3 shows a schematic representation of a protection circuit 14 of another exemplary embodiment of a switch arrangement according to the improved concept, in particular as with respect to Figure 1 described.
- the second switch unit 24 has several parallel-connected switches 25, 26, 27 , each of which is assigned to a respective converter of the power unit 11.
- Figure 3 parallel switches 25, 26, 27 are shown, each of which is assigned to one of three converters of the power unit 11.
- Each of the switches 25, 26, 27 is closed by the power unit 11 or the associated converter or motor if a fault or error occurs in the corresponding converter during the switching process. Due to the parallel connection, closing one of the switches 25, 26, 27 corresponds to closing the first switch unit 24.
- protection circuit 14 is constructed like that with respect to Figure 2 described. Reference is therefore made to the relevant explanations.
- the improved concept increases the operational reliability of the tap changer arrangement and the equipment.
- the functionality of the protective circuit ensures that the system always operates in a defined, safe manner, even if all components fail during a switching operation.
- This safety circuit is also characterized by the fact that it can be checked cyclically without a circuit breaker being triggered. In a safe position, i.e. when the protective circuit is deactivated, a failure of all components has no effect on the circuit breaker tripping, which ensures availability.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung mit einem Schalter und einem Antriebssystem für den Schalter, ein elektrisches Betriebsmittel mit einer Schalteranordnung und ein Verfahren zum sicheren Betrieb einer Schalteranordnung.
- In Umspannwerken existiert eine Vielzahl an Schaltern für unterschiedliche Aufgaben und mit unterschiedlichen Anforderungen. Für die Betätigung der jeweiligen Schalter müssen diese über ein Antriebssystem angetrieben werden. Bei diesen Schaltern handelt es sich unter anderem um Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter.
- So dienen Laststufenschalter beispielsweise zum unterbrechungsfreien Umschalten zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines elektrischen Betriebsmittels, wie etwa eines Leistungstransformators oder einer regelbaren Drossel. Dadurch können beispielsweise das Übersetzungsverhältnis des Transformators oder die Induktivität der Drossel verändert werden. Doppelwender dienen zum Umpolen von Wicklungen während des Leistungstransformatorbetriebs.
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DE 10 2011 002 685 B3 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern eines Schalterantriebs eines elektrischen Schalters mit einer Steuereinrichtung, die geeignet ist, ein an einem Binäreingang der Vorrichtung eingangsseitig anliegendes, mit einer externen Betriebsspannung erzeugtes Eingangssignal auszuwerten und die Steuerung des Schalterantriebs in Abhängigkeit von dem eingangsseitig anliegenden Eingangssignal vorzunehmen
WO 2009/156635 A1 offenbart eine Steuereinheit für einen Motor. Diese weist eine Hauptsteuereinheit und eine zusätzliche Steuereinheit auf, die untereinander in Dialog stehen. -
WO 2018/054672 A1 offenbart eine Motorvorrichtung mit einem Drehstrommotor und einer elektronischen Steuervorrichtung. Die elektronische Steuervorrichtung ermöglicht die Versorgung der Motorvorrichtung mit verschiedenen Versorgungsspannungen. -
WO 02/23207 A1 -
DE 100 45 651 A1 offenbart ein Sicherheitsschaltgerät zum Ein- und sicheren Ausschalten eines elektrischen Verbrauchers, wobei das Sicherheitsschaltgerät mit weiteren Sicherheitsschaltgeräten verbunden ist. - All diese Schalter stellen eine hochgradig sicherheitsrelevante Komponente des elektrischen Betriebsmittels dar, weil die Umschaltung während das Betriebsmittel im Betrieb ist erfolgt und dementsprechend beispielsweise an ein Energienetz angeschlossen ist. Störungen beim Betrieb können in extremen Fällen gravierende technische und wirtschaftliche Folgen haben.
- Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept zum Antreiben eines Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, anzugeben, durch welches die Sicherheit des Betriebs erhöht wird.
- Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, Störungen einer Steuereinheit, eines Motors und eines Leistungsteils zum Antreiben eines Schalters mit einem Schutzschaltkreis zu erfassen und gegebenenfalls eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten. Störungen des Motors werden dabei indirekt über das Leistungsteil erfasst. Dabei wird der Schutzschaltkreis vor Einleitung eines Schaltvorgangs des Schalters aktiviert und nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs deaktiviert.
- Gemäß der Erfindung wird eine Schalteranordnung mit einem Schalter und einem Antriebssystem für den Schalter angegeben. Das Antriebssystem weist einen Motor zum Antreiben des Schalters, einen Schutzschaltkreis und eine Steuervorrichtung mit einem Leistungsteil zur Energieversorgung des Motors auf. Die Steuervorrichtung weist außerdem eine Steuereinheit zum Einleiten eines Schaltvorgangs des Schalters durch Ansteuerung des Leistungsteils auf. Der Schutzschaltkreis ist dazu eingerichtet, im Falle einer Störung der Steuereinheit ein erstes Fehlersignal über einen Zustandskontakt zu erfassen und im Falle einer Störung des Leistungsteils oder des Motors ein zweites Fehlersignal über einen Zustandskontakt des Leistungsteils zu erfassen. Außerdem ist der Schutzschaltkreis dazu eingerichtet, abhängig von dem ersten und dem zweiten Fehlersignal eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten. Die Steuervorrichtung, insbesondere die Steuereinheit und/oder das Leistungsteil, ist dazu eingerichtet, den Schutzschaltkreis vor der Einleitung des Schaltvorgangs des Schalters zu aktivieren und nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs zu deaktivieren.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schalteranordnungen umfasst der Schaltvorgang eine vollständige Umschaltung des Schalters, bei einem Laststufenschalter also eine vollständige Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines der Schalteranordnung zugeordneten elektrischen Betriebsmittels, wie einem Leistungstransformator oder einer Drossel.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Schalter der Schalteranordnung ein Laststufenschalter oder ein Wähler oder ein Vorwähler oder ein Lastumschalter oder ein Wender oder ein Doppelwender.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Schaltvorgang einen Teil der Umschaltung des Schalters.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schalteranordnungen umfasst der Schaltvorgang eine vollständige Umschaltung eines Laststufenschalters, also eine vollständige Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Laststufenschalters zugeordneten elektrischen Betriebsmittels, wie einem Leistungstransformator oder einer Drossel.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Schaltvorgang einen Teil der Umschaltung des Laststufenschalters, beispielsweise eine Vorwählerschaltung, eine Wählerschaltung oder eine Lastumschaltung oder einen jeweiligen Teil davon.
- Allgemein kann der Schaltvorgang einem kritischen Teil der Umschaltung entsprechen, während dessen ein Fehler des Motors oder des Leistungsteils schwerwiegende Folgen, beispielsweise einen Stufenkurzschluss, haben kann.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfasst der Schutzschaltkreis die Fehlersignale nur im aktivierten Zustand und/oder leitet die Sicherheitsmaßnahme nur im aktivierten Zustand ein.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Schutzschaltkreis separat von dem Leistungsteil, der Steuereinheit und dem Motor ausgebildet.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Teile des Schutzschaltkreises von dem Leistungsteil, der Steuereinheit und/oder dem Motor umfasst.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Einleiten der Sicherheitsmaßnahme die Ausgabe eines Signals an einem Ausgang des Schutzschaltkreises, beispielsweise ein Kurzschließen zweier Ausgangskontakte.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann der Schalter einem elektrischen Betriebsmittel zugeordnet werden oder an oder in dem elektrischen Betriebsmittel verbaut werden. Die Sicherheitsmaßnahme umfasst eine Trennung des Betriebsmittels von einem Energienetz, beispielsweise durch Betätigung eines Leistungsschalters. Ist der Leistungsschalter nicht betätigt, verbindet er das Betriebsmittel mit dem Energienetz.
- Durch die Überwachung der Zustandskontakte, sowohl der Steuereinheit als auch des Leistungsteils (sowie des Motors, der mit dem Leistungsteil verbunden ist) und die entsprechende Einleitung der Sicherheitsmaßnahme durch den aktivierten Schutzschaltkreis kann die Betriebssicherheit der Schalteranordnung oder des Betriebsmittels erhöht werden. Ein Sicherheitsrisiko durch Fehler von bewegungsrelevanten Komponenten wie Motor und Leistungsteil während kritischer Schaltvorgänge wird reduziert. Dies ist insbesondere vorteilhaft für kritische Schaltvorgänge, die nicht mehr oder nicht mehr sicher gestoppt werden können, wenn sie einmal eingeleitet wurden oder für kritische Schaltvorgänge, die nicht gestoppt werden können, da dies in einem unzulässigen Zustand des Schalters resultieren würde.
- Ist der Schutzschaltkreis nicht aktiviert, beispielsweise wenn sich der Schalter in einer sicheren oder unkritischen Position oder einem sicheren oder unkritischen Zustand befindet, wird die Sicherheitsmaßnahme nicht eingeleitet, insbesondere das Betriebsmittel nicht vom Energienetz getrennt. Daher bleibt die Verfügbarkeit des Betriebsmittels trotz erhöhter Sicherheit gewährleistet.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Schutzschaltkreis dazu eingerichtet, die Sicherheitsmaßnahme nur dann einzuleiten, wenn das erste Fehlersignal eine Störung des Leistungsteils (bzw. des Motors) anzeigt und das zweite Fehlersignal eine Störung der Steuereinheit anzeigt. Es ist nicht ausgeschlossen, dass weitere Bedingungen erfüllt sein müssen, damit die Sicherheitsmaßnahme eingeleitet wird.
- In solchen Ausführungsformen kommt es also erst beim Ausfall oder der Störung mehrerer, beispielsweise aller, Komponenten der Schalteranordnung zur Einleitung der Sicherheitsmaßnahme.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schalteranordnung dazu eingerichtet, auf eine Störung oder einen Ausfall einer bewegungsrelevanten Komponente durch Einleiten einer weiteren Sicherheitsmaßnahme zu reagieren.
- In solchen Ausführungsformen kann beispielsweise die Einleitung der weiteren Sicherheitsmaßnahmen von spezifischen Bedingungen abhängen, wie etwa einer Position des Schalters. Der Schutzschaltkreis ist hier zunächst nicht zwingend relevant. Erst wenn mehrere, insbesondere alle, Komponenten Störungen anzeigen, leitet der Schutzschaltkreis, falls aktiviert, die Sicherheitsmaßnahme ein.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Schalter, insbesondere Laststufenschalter eine Speichervorrichtung zur Speicherung mechanischer Energie, beispielsweise einen Federenergiespeicher. Die Speichervorrichtung kann durch das Antriebssystem über eine Antriebswelle geladen werden und bei Erreichen einer bestimmten Position der Antriebswelle die gespeicherte Energie schlagartig abgeben, so dass die Lastumschaltung innerhalb kürzester Zeit erfolgen kann. Dadurch wird sichergestellt, dass eine eingeleitete Lastumschaltung immer zu Ende geführt wird. In solchen Ausführungsformen kann das Antriebssystem als Servoantriebssystem ausgebildet sein, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. In solchen Ausführungsformen kann der Schaltvorgang beispielsweise eine Vorwählerschaltung enthalten.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Schalter als direkt angetriebener Laststufenschalter ausgestaltet. Das bedeutet, er weist keine Speichervorrichtung zur Speicherung mechanischer Energie auf und das Antriebssystem ist als Servoantriebssystem ausgestaltet. In solchen Ausführungsformen muss über andere geeignete Mittel, beispielsweise das Antriebssystem, sichergestellt werden, dass beispielsweise die Lastumschaltung zu Ende geführt wird, wenn sie einmal eingeleitet wurde. In solchen Ausführungsformen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Schaltvorgang die Lastumschaltung enthält.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Schutzschaltkreis vor der Einleitung des Schaltvorgangs zu aktivieren und/oder nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs zu deaktivieren.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, den Schutzschaltkreis vor der Einleitung des Schaltvorgangs zu aktivieren und/oder nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs zu deaktivieren.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Schutzschaltkreis vor der Einleitung des Schaltvorgangs zu aktivieren und das Leistungsteil nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs zu deaktivieren.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, den Schutzschaltkreis vor der Einleitung des Schaltvorgangs zu aktivieren und die Steuereinheit nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs zu deaktivieren.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Schutzschaltkreis ein bistabiles Schaltelement auf, insbesondere ein bistabiles Relais. Die Steuervorrichtung, insbesondere die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, das bistabile Schaltelement zu betätigen, um den Schutzschaltkreis zu aktivieren und/oder zu deaktivieren. Die Steuervorrichtung, insbesondere das Leistungsteil ist dazu eingerichtet, das bistabile Schaltelement zu betätigen, um den Schutzschaltkreis zu aktivieren und/ oder zu deaktivieren.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Schutzschaltkreis eine Reihenschaltung die mit einer ersten Schaltereinheit, einer zweiten Schaltereinheit und dem bistabilen Schaltelement geschaltet sind. Die erste Schaltereinheit ist mit dem Zustandskontakt des Leistungsteils gekoppelt, die zweite Schaltereinheit ist mit dem Zustandskontakt der Steuereinheit gekoppelt.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schaltereinheit einen oder mehrere parallel geschaltete Schalter auf, von denen wenigstens einer geschlossen sein muss, damit der Schutzschaltkreis die Sicherheitsmaßnahme einleiten kann.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zweite Schaltereinheit einen oder mehrere parallel geschaltete Schalter auf, von denen wenigstens einer geschlossen sein muss, damit der Schutzschaltkreis die Sicherheitsmaßnahme einleiten kann.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schaltereinheit einen oder mehrere parallel geschaltete Schalter auf, die jeweils von einem einzelnen Leistungsteil geschlossen werden können. Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Antriebssystem als Servoantriebssystem ausgestaltet. Das Leistungsteil umfasst einen oder mehrere Umrichter, insbesondere Servoumrichter, äquivalente elektronische, insbesondere vollelektronische, Einheiten für Antriebsmaschinen. Insbesondere umfasst das Leistungsteil einen Umrichter pro angetriebener Achse.
- Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Laststufenschalter mehrphasig ausgestaltet, insbesondere für ein mehrphasig ausgestaltetes Betriebsmittel. Das Leistungsteil weist einen Umrichter pro Phase auf.
- Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil als elektromechanische Einheit für Antriebsmaschinen ausgestaltet.
- Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Schalteranordnung eine weitere bewegungsrelevante Komponente auf, insbesondere einen weiteren Motor oder ein weiteres Leistungsteil. Der Schutzschaltkreis weist eine weitere Schaltereinheit auf, die in Reihe zu der ersten und zweiten Schaltereinheit geschaltet ist und mit einem Zustandskontakt der weiteren bewegungsrelevanten Komponente gekoppelt ist. Die weitere Schaltereinheit weist einen oder mehrere parallel geschaltete Schalter auf, von denen wenigstens einer geschlossen sein muss, damit der Schutzschaltkreis die Sicherheitsmaßnahme einleiten kann.
- Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein elektrisches Betriebsmittel angegeben, welches eine Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept umfasst, beispielsweise eine Stufenschalteranordnung. Der Laststufenschalter der Stufenschalteranordnung ist dem elektrischen Betriebsmittel zugeordnet oder an oder in dem elektrischen Betriebsmittel verbaut. Die Sicherheitsmaßnahme umfasst eine Trennung des Betriebsmittels von einem Energienetz.
- Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch eine Betriebsmittelanordnung angegeben. Die Betriebsmittelanordnung umfasst ein elektrisches Betriebsmittel gemäß dem verbesserten Konzept sowie einen Leistungsschalter zur Trennung des Betriebsmittels von dem Energienetz, wobei die Sicherheitsmaßnahme eine Betätigung des Leistungsschalters beinhaltet.
- Gemäß der Erfindung wird auch ein Verfahren zum sicheren Betrieb einer Schalteranordnung angegeben. Das Verfahren umfasst ein Aktivieren eines Schutzschaltkreises, ein Einleiten eines Schaltvorgangs des Schalters durch Ansteuerung des Leistungsteils nachdem der Schutzschaltkreis aktiviert wurde, ein Erfassen eines erstes Fehlersignals über einen Zustandskontakt einer Steuereinheit des Antriebssystems, ein Erfassen eines zweiten Fehlersignals über einen Zustandskontakt eines Leistungsteils des Antriebssystems, ein Einleiten einer Sicherheitsmaßnahme abhängig von dem ersten und dem zweiten Fehlersignal und ein Deaktivieren des Schutzschaltkreises nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs.
- Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum sicheren Betrieb einer Stufenschalteranordnung angegeben. Das Verfahren umfasst ein Aktivieren eines Schutzschaltkreises, ein Einleiten eines Schaltvorgangs des Laststufenschalters durch Ansteuerung des Leistungsteils nachdem der Schutzschaltkreis aktiviert wurde, ein Erfassen eines erstes Fehlersignals über einen Zustandskontakt eines Motors des Antriebssystems, ein Erfassen eines zweiten Fehlersignals über einen Zustandskontakt eines Leistungsteils des Antriebssystems, ein Einleiten einer Sicherheitsmaßnahme abhängig von dem ersten und dem zweiten Fehlersignal und ein Deaktivieren des Schutzschaltkreises nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs.
- Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens, des Betriebsmittels und der Betriebsmittelanordnung ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen der Schalteranordnung und umgekehrt.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
- Es zeigen
- Figur 1
- eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung nach dem verbesserten Konzept;
- Figur 2
- eine schematische Darstellung eines Schutzschaltkreises einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung nach dem verbesserten Konzept; und
- Figur 3
- eine schematische Darstellung eines Schutzschaltkreises einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung nach dem verbesserten Konzept.
-
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung 2 nach dem verbesserten Konzept mit einem Schalter 17 und einem Antriebssystem, welches über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 17 verbunden ist. Das Antriebssystem beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 13 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrichtung 1 des Servoantriebssystems umfasst ein Leistungsteil 11, welches beispielsweise einen oder mehrere Umrichter enthält, zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11, beispielsweise über einen Bus 18. Die Schalteranordnung 2 kann einem elektrischen Betriebsmittel 19, etwa einem Leistungstransformator, zugeordnet sein oder in beziehungsweise an dem Betriebsmittel 19 verbaut sein. - Insbesondere kann die Schalteranordnung einphasig oder mehrphasig ausgelegt sein. Das Leistungsteil 11 kann einen jeweiligen Umrichter für jede Phase enthalten.
- Die Schalteranordnung weist außerdem einen Schutzschaltkreis 14 auf, der mit einem Zustandskontakt des Motors 12, mit einem oder mehreren Zustandskontakten des Leistungsteils 11, insbesondere der Umrichter des Leistungsteils 11, und der Steuereinheit 10 gekoppelt ist.
- Die Schalteranordnung 2, insbesondere der Schutzkreis 14, kann beispielsweise mit einer Trennvorrichtung 20, insbesondere einem Leistungsschalter oder Circuit Breaker, verbunden sein, welche das Betriebsmittel 19 von einem Energienetz 21 trennen kann.
- Die Steuereinheit 10 leitet im Betrieb der Schalteranordnung 2 einen Schaltvorgang des Schalters 17 ein, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen des Betriebsmittels 19 oder einen Teil der Umschaltung. Die Steuereinheit 10 kann, insbesondere, wenn der Schaltvorgang einen kritischen Vorgang darstellt, etwa eine Lastumschaltung oder eine Vorwählerbetätigung des Schalters 17, des Schutzschaltkreis 14 vor der Einleitung des Schaltvorgangs aktivieren.
- Ist der Schaltvorgang erfolgreich, also ohne Fehler oder Störungen, durchgeführt worden, kann die Steuervorrichtung, beispielsweise das Leistungsteil 11 den Schutzschaltkreis 14 deaktivieren.
- Tritt während des Schaltvorgangs eine Störung oder ein Fehler auf derart, dass sowohl Steuerung 10 als auch der Motor 12 und/oder das Leistungsteil 11, insbesondere mindestens ein Umrichter des Leistungsteils 11, ausfallen, so erkennt der Schutzschaltkreis 14 dies über jeweilige Fehlersignale an den Zustandskontakten bzw. triggern die jeweiligen Fehlersignale die Zustandskontakte des Schutzkreises und leiten eine Sicherheitsmaßnahme ein. Dazu kann der Schutzschaltkreis 14 beispielsweise ein Ausgangssignal ausgeben, welches zur Betätigung der Trennvorrichtung 20 führen kann, beispielsweise durch Kurzschluss zweier Ausgangskontakte des Schutzschaltkreises 14. Die Sicherheitsmaßnahme wird dabei eingeleitet, ohne dass eine weitere Überprüfung eines Zustands oder einer Position des Schalters 17 erfolgt.
- Tritt während des Schaltvorgangs eine Störung des Motors 12 oder des Leistungsteils 11, nicht aber von Motor 12 und Leistungsteil 11, auf, so leitet der Schutzschaltkreis 14 die Sicherheitsmaßnahme nicht ein. In einem solchen Fall kann beispielsweise die Steuereinheit 10 abhängig von einem Zustand oder einer Position des Schalters 17 eine Sicherheitsmaßnahme einleiten, beispielsweise aktiv die Trennvorrichtung 20 auslösen. Außerdem kann das Deaktivieren des Schutzschaltkreises 14 dann beispielsweise unterbleiben.
-
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schutzschaltkreises 14 einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung nach dem verbesserten Konzept, insbesondere wie bezüglichFigur 1 beschrieben. - Der Schutzschaltkreis 14 beinhaltet eine Reihenschaltung aus einem bistabilen Schaltelement 22, beispielsweise einem bistabilen Relais, einer ersten Schaltereinheit 23, einer zweiten Schaltereinheit 24 und einem Ausgangselement 28, welches beispielsweise als Schalter oder Relais ausgeführt sein kann. Die Reihenschaltung ist zwischen einer Versorgungsspannung 29 und einer Referenzspannung angeordnet.
- Das bistabile Schaltelement 22 kann von der Steuervorrichtung 1 betätigt werden. Vor Einleitung des Schaltvorgangs kann die Steuereinheit 10 das bistabile Schaltelement 22 betätigen, um die Reihenschaltung mit der Versorgungsspannung 29 zu verbinden und so den Schutzschaltkreis 14 zu aktivieren. Vor Beginn des Schaltvorgangs sind sowohl die erste Schaltereinheit 23 als auch die zweite Schaltereinheit 24 geöffnet.
- Tritt bei aktiviertem Schutzschaltkreis 14 eine Störung der Steuereinheit 10 auf, wird die erste Schaltereinheit 23 geschlossen. Tritt bei aktiviertem Schutzschaltkreis 14 eine Störung des Leistungsteils 11, insbesondere aller Umrichter des Leistungsteils 11, oder des Motors 12 auf, wird die zweite Schaltereinheit 24 geschlossen. Sind beide Schaltereinheiten 23, 24 geschlossen, ist das Ausgangselement 28 mit der Versorgungsspannung 29 verbunden und gibt ein Ausgangssignal zur Einleitung der Sicherheitsmaßnahme aus, beispielsweise an die Trennvorrichtung 20, um diese zu betätigen.
- Wird der Schaltvorgang dagegen erfolgreich beendet, insbesondere ohne Störungen oder Fehler des Motors 12 oder des Leistungsteils 11, so kann das Leistungsteil 11 das bistabile Schaltelement 22 betätigen, um die Reihenschaltung von der Versorgungsspannung 29 zu trennen und so den Schutzschaltkreis 14 zu deaktivieren.
-
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schutzschaltkreises 14 einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung nach dem verbesserten Konzept, insbesondere wie bezüglichFigur 1 beschrieben. - Die zweite Schaltereinheit 24 weist hier mehrere parallel geschaltete Schalter 25, 26, 27 auf, von denen jeder einem jeweiligen Umrichter des Leistungsteils 11 zugeordnet ist. Beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind in
Figur 3 parallele Schalter 25, 26, 27 gezeigt, welche jeweils einem von drei Umrichtern des Leistungsteils 11 zugeordnet sind. - Jeder der Schalter 25, 26, 27 wird von dem Leistungsteil 11 beziehungsweise dem zugeordneten Umrichter oder Motor geschlossen, wenn während des Schaltvorgangs eine Störung oder ein Fehler des entsprechenden Umrichters auftritt. Durch die Parallelschaltung entspricht ein Schließen eines der Schalter 25, 26, 27 einem Schließen der ersten Schaltereinheit 24.
- Darüber hinaus ist der Schutzschaltkreis 14 aufgebaut wie der bezüglich
Figur 2 beschriebene. Auf die entsprechenden Ausführungen wird daher verwiesen. - Durch das verbesserte Konzept wird die Betriebssicherheit der Stufenschalteranordnung und des Betriebsmittels erhöht. Durch die Funktionalität des Schutzschaltkreises wird ein immer definierter, sicherer Betrieb der Anlage, auch bei Ausfall aller Komponenten während eines Schaltvorgangs, erreicht. Diese Sicherheitsschaltung zeichnet sich zusätzlich dadurch aus, dass diese zyklisch geprüft werden kann, ohne dass ein Leistungsschalter ausgelöst wird. In einer sicheren Stellung, also bei deaktiviertem Schutzschaltkreis, hat ein Ausfall aller Komponenten keinen Einfluss auf die Leistungsschalterauslösung, womit die Verfügbarkeit gewährleistet ist.
-
- 1
- Steuervorrichtung
- 2
- Schalteranordnung
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Leistungsteil
- 12
- Motor
- 13
- Motorwelle
- 14
- Schutzkreis
- 15
- Getriebe
- 16
- Antriebswelle
- 17
- Schalter
- 18
- Bus
- 19
- Betriebsmittel
- 20
- Trennvorrichtung
- 21
- Energienetz
- 22
- bistabiles Schaltelement
- 23
- Schaltereinheiten
- 24
- Schalteinheit
- 25, 26, 27
- Schalter
- 28
- Ausgangselement
- 29
- Versorgungsspannung
Claims (13)
- Schalteranordnung umfassend einen Schalter (17) und ein Antriebssystem für den Schalter (17), das Antriebssystem (2) beinhaltend- einen Motor (12) zum Antreiben des Schalters (17);- eine Steuervorrichtung (1) mit einem Leistungsteil (11) zur Energieversorgung des Motors (12) und einer Steuereinheit (10) zum Einleiten eines Schaltvorgangs des Schalters (17) durch Ansteuerung des Leistungsteils (11); und- einen Schutzschaltkreis (14), dazu eingerichtet- im Falle einer Störung der Steuereinheit (10) ein erstes Fehlersignal über einen Zustandskontakt der Steuereinheit (10) zu erfassen; und- im Falle einer Störung des Leistungsteils (11) ein zweites Fehlersignal über einen Zustandskontakt des Leistungsteils (11) zu erfassen;- abhängig von dem ersten und dem zweiten Fehlersignal eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten;- wobei die Steuervorrichtung (1) dazu eingerichtet ist, den Schutzschaltkreis (14) vor der Einleitung des Schaltvorgangs zu aktivieren und nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs zu deaktivieren.
- Schalteranordnung nach Anspruch 1, wobei der Schutzschaltkreis (14) dazu eingerichtet ist, die Sicherheitsmaßnahme nur dann einzuleiten, wenn das erste und das zweite Fehlersignal Störungen der Steuerung (10) und des Leistungsteils (11) anzeigen.
- Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei- der Schutzschaltkreis (14) ein bistabiles Schaltelement (22) aufweist; und- die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, das bistabile Schaltelement (22) zu betätigen um, den Schutzschaltkreis (14) zu aktivieren oder zu deaktivieren.
- Schalteranordnung nach Anspruch 3, wobei das bistabile Schaltelement (22) ein bistabiles Relais aufweist.
- Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Schutzschaltkreis (14)- eine erste Schaltereinheit (23) und eine zweite Schaltereinheit (24) aufweist, die in Reihe zueinander und zu dem bistabilen Schaltelement (22) geschaltet sind;- wobei die erste Schaltereinheit (23) mit dem Zustandskontakt des Motors (12) und die zweite Schaltereinheit (24) mit dem Zustandskontakt des Leistungsteils (11) gekoppelt ist.
- Schalteranordnung nach Anspruch 5, wobei die erste Schaltereinheit (23) einen oder mehrere parallel geschaltete Schalter aufweist, von denen wenigstens einer geschlossen sein muss, damit der Schutzschaltkreis (14) die Sicherheitsmaßnahme einleiten kann.
- Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die zweite Schaltereinheit (24) einen oder mehrere parallel geschaltete Schalter (25, 26, 27) aufweist, von denen wenigstens einer geschlossen sein muss, damit der Schutzschaltkreis (14) die Sicherheitsmaßnahme einleiten kann.
- Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei- die Schalteranordnung eine weitere bewegungsrelevante Komponente aufweist;- der Schutzschaltkreis (14) eine weitere Schaltereinheit aufweist, die in Reihe zu der ersten und zweiten Schaltereinheit (23, 24) geschaltet ist und mit einem Zustandskontakt der weiteren bewegungsrelevanten Komponente gekoppelt ist; und- die weitere Schaltereinheit einen oder mehrere parallel geschaltete Schalter aufweist, von denen wenigstens einer geschlossen sein muss, damit der Schutzschaltkreis (14) die Sicherheitsmaßnahme einleiten kann.
- Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei- der Schalter (17) einem elektrischen Betriebsmittel (19) zugeordnet werden kann oder an oder in dem elektrischen Betriebsmittel (19) verbaut werden kann; und- die Sicherheitsmaßnahme eine Trennung des Betriebsmittels (19) von einem Energienetz (21) umfasst oder auslösen kann.
- Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 9, wobei- der Schalter (17) ein Laststufenschalter oder ein Wähler oder ein Vorwähler oder ein Lastumschalter oder ein Wender oder ein Doppelwender ist.
- Elektrisches Betriebsmittel mit einer Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei- der Schalter (17) dem elektrischen Betriebsmittel (19) zugeordnet oder an oder in dem elektrischen Betriebsmittel (19) verbaut ist; und- die Sicherheitsmaßnahme eine Trennung des Betriebsmittels (19) von einem Energienetz (21) umfasst oder auslösen kann.
- Betriebsmittelanordnung mit einem elektrischen Betriebsmittel (19) gemäß Anspruch 11 und einem Leistungsschalter (20) zur Trennung des Betriebsmittels von dem Energienetz, wobei die Sicherheitsmaßnahme eine Betätigung des Leistungsschalters (20) beinhaltet.
- Verfahren zum sicheren Betrieb einer Schalteranordnung umfassend einen Schalter (17) und ein Antriebssystem für den Schalter (17), das Verfahren beinhaltend- Aktivieren eines Schutzschaltkreises (14);- Einleiten eines Schaltvorgangs des Schalters (17) durch Ansteuerung des Leistungsteils (11) nachdem der Schutzschaltkreis (14) aktiviert wurde;- Erfassen eines ersten Fehlersignals über einen Zustandskontakt einer Steuereinheit (10) des Antriebssystems;- Erfassen eines zweiten Fehlersignals über einen Zustandskontakt eines Leistungsteils (11) des Antriebssystems;- Einleiten einer Sicherheitsmaßnahme abhängig von dem ersten und dem zweiten Fehlersignal; und- Deaktivieren des Schutzschaltkreises (14) nach erfolgreicher Durchführung des Schaltvorgangs.
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