Das Handbuch für den Einsatz von elektrischen Energiezählern

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1 Das Handbuch für den Einsatz von eetrischen Energiezähern Energiemanagement

2 Inhat Einführung... 2 Anschuss der Energiezäher Zweieiter-Wechsestromnetz Dreieiter-Drehstromnetz beiebiger Beastung Viereiter-Drehstromnetz beiebiger Beastung...8 Hinweise zur Zäherinstaation Diretanschuss Messung mit Strom- und / oder Spannungswander Überprüfen der Zäherinstaation Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme des Energiezähers Leistungsaufnahme der seundären Messeitungen Energieberechnungen Binfrequenz, Binperiodendauer der Leuchtdiode Energieanzeige und Impusausgang Diretmessung Messung mit Stromwander Messung mit Strom- und Spannungswander Einstebare Verhätnisse für Strom- und Spannungswander Genauigeit der Energiemessung Frequenz der Energieimpuse Impusfrequenz des Energiemessgerätes Impusonstante des Energiemessgerätes Impusausgang Positive Logi Negative Logi Leitungsängen Appiationen Energiesummierung mit Wanderzäher Messungen mit einem Wechsestromzäher in einem Drehstromsystem Messung mit einem ARON-Zäher bei 2-phasiger Last Messung mit einem ARON-Zäher und einem Stromwander Messung im -Leiter 220 V Netz...9 Wichtiger Hinweis Ausführiche Informationen und Toos zu den Schnittsteen der Energiezäher önnen beim entsprechenden Zähertyp von der Gossen Metrawatt Homepage geaden werden. Weiterführende Informationen zum Einsatz von Energiezähern für die Abrechnungen von Energieosten gegenüber Dritten sind auf der geichen Seite enthaten. Übersicht der Bauartzuassungen Eichpficht bei Energiezähern (Voraussetzung für eine Eichung) (Rechtiche Grundagen) 2

3 Einführung Die Messtechni der eetrischen Energie (Wh) ist nahe verwandt mit der Techni, die bei der Messung der eetrischen Leistung ( W ) zum Einsatz ommt. Für die Leistung in Wechsestromsystemen git: ß ß P = U I oder P = U I cos ϕ Für die Energie in Wechsestromsystemen git: W = P t Für die Leistung in Drehstromsystemen git: ß ß ß ß ß ß P = U I U 2 I 2 U I Für die Leistung in geichbeasteten Drehstromsystemen git: ß ß P = U I () oder P = ( U Stern I ) cos ϕ (2) Für die Energie in Drehstromsystemen git: W = P t Dreiecspannung - Sternspannung: In Drehstromsystemen wird übicherweise mit der Dreiecspannung gerechnet. Die Dreiecspannung ist wiederum über den Fator mit der Sternspannung vernüpft. U Stern = U Dreiec / ()

4 Abeitung des Fators : ausgehend von dem Cosinussatz und den Wineverhätnissen in dem unten gezeigten Spannungsdreiec ergibt sich: a = b = U Stern = ; c = U Dreiec ; ϕ = 20 ; c 2 = a 2 b 2-2 a b cos ϕ U Dreiec = ( cos 20 ) = ( - 2 ( -0,5 ) ) = L U Dreiec U Stern (a) U Dreiec (c) ϕ ϕ U Stern ϕ U Stern (b) U Dreiec Setzt man die Geichung () in die Leistungsgeichung () oder (2) ein, erhät man: P = U Dreiec / I cos ϕ Wei in der Rege davon ausgegangen wird, dass es sich in Drehstromsystemen um die Dreiecspannung oder verettete Spannung U handet, verzichtet man auf den Index. Mit dem Quotienten / = ergibt sich: P = U I cos ϕ Bei der Energiemessung muss die jeweiige Leistung P mit der Zeit t mutipiziert werden. 4

5 Technische Umsetzung der Energiemessung: Gerätetechnisch wird diese Forderung durch einen, dem Leistungsmesstei nachgeschateten Spannungs-Frequenzwander reaisiert. Die einzenen Impuse werden anschießend mit Hife eines eetromechanischen Zähwers summiert und zusätzich as Impusausgang zur Verfügung gestet. In Wechsestromsystemen ommt ein einphasiger Zäher zum Einsatz. Im Viereiter-Drehstromsystem mit Nueiter ( N ) und unsymmetrischer Beastung muss ein Messsystem mit drei Mutipiziersystemen eingesetzt werden. Die Dreiwattmeter-Methode ann auch dann eingesetzt werden, wenn der Neutraeiter feht, aber ein ünsticher Sternpunt vorhanden ist. Diese Methode führt bei Verwendung präziser Wattmeter zu einer sehr genauen Messung. Sehr häufig sind in der Industrie jedoch Dreieiter-Drehstromsysteme anzutreffen. Dort ommt die ARON-Schatung zum Einsatz. Die Vorteie dieser Schatung iegen in dem verminderten Aufwand auf der Wander- und Geräteseite. Mit Hife dieser Messschatung ann mit nur zwei Stromwandern in den Phasen L und L die Leistungs- bzw. Energiemessung durchgeführt werden. Die Messung wird aber nur dann orrete Ergebnisse iefern, wenn die vetoriee Summe aer Ströme in dem zu messenden System 0 ergibt ( I I2 I = 0 ). Diese Voraussetzung ist nur dann gegeben, wenn einerei Ströme ( Lecströme apazitiver, indutiver oder ohmscher Art ) nach Erde abfießen. Die Theorie der ARON-Schatung ässt sich mit fogenden Geichungen darsteen: L I I U L L 2 I 2 Last U L L 2 L I I () P = UL IL U I UL IL (2) IL I IL = 0 () aus (2) I = IL IL () in () P = UL IL U ( IL IL ) UL IL (4) P = IL ( UL U ) IL (UL U) Die Terme ( UL U ) und ( UL U ) steen die Dreiecspannungen dar. UL, U und UL sind die entsprechenden Leiterspannungen gegen Erde oder einen beiebigen virtueen Bezugspunt. Die oben aufgeführten Geichungen sind vetorie aufzufassen 5

6 2 Anschuss der Energiezäher 2. Zweieiter-Wechsestromnetz Diretanschuss Schatungsnummer L N Anschuss mit Stromwander Schatungsnummer L N 6

7 2.2 Dreieiter-Drehstromnetz beiebiger Beastung Anschuss mit Stromwander Schatungsnummer L L Anschuss mit Strom- und Spannungswander Schatungsnummer 620.M u x u x u x L L X U X U X U 7

8 2. Viereiter-Drehstromnetz beiebiger Beastung Diretanschuss Schatungsnummer 4600 L L N Anschuss mit Stromwander Schatungsnummer L L N Anschuss mit Strom- und Spannungswander Schatungsnummer 4620.M u x u x u x L L N X U X U X U 8

9 Hinweise zur Zäherinstaation. Diretanschuss à Vor dem Energiezäher soten ae Phasen mit 6 A Schmezsicherungen ( Zähervorsicherung ) abgesichert werden. Der Spannungspfad ist im Energiezäher diret mit dem Strompfad verbunden und wird nicht getrennt abgesichert. à Bei den Zähertypen U28, U289, U89A müssen die Spannungsemmen 2, 5 und 8 zugedreht sein, damit die Verbindung zwischen Strom- und Spannungsreis hergestet ist..2 Messung mit Strom- und / oder Spannungswander à Vor dem Energiezäher soten ae Phasen mit 6 A Schmezsicherungen ( Zähervorsicherung ) abgesichert werden. Im Seundärreis der Wander dürfen eine Sicherungen enthaten sein. Normaerweise muss ein diret angeschossener Spannungspfad nicht getrennt abgesichert werden. Wird dennoch eine Absicherung gewünscht, dann ist diese gemäß der maxima zuässigen Leistungsaufnahme von 0 VA pro Phase zu dimensionieren. à Die Anschüsse der Wander an den Zähern (, / u,v / u,x siehe Anschussbider ) müssen den Vorschriften entsprechen. à Die Seundärseite der Strom- und Spannungswander sote geerdet sein. à Die Stromwander nie offen betreiben, zuerst urzschießen und dann den Zäher vom Netz trennen. Ereichterung bei Servicemaßnahmen schafft ein separater Kemmenboc zwischen Stromwander und Zäher. à Bei der Messung mit vorgeschateten Wandern muss die angezeigte Energie mit den Übersetzungsverhätnissen mutipiziert werden. Am Zäher sebst ist hierfür eine beschriftbare Leiste vorgesehen ( CT- bzw. VT-Fator ).. Überprüfen der Zäherinstaation Damit der Zäher richtig arbeitet sind fogende Punte zu beachten: à Bint bei den Zähern U28X, U8X die rote Leuchtdiode bzw. bei den Zähern U89X die rote Leuchtdiode mit der Bezeichnung Imp. / Wh? à Sind die Stromwander richtig angeschossen und in Ordnung? Die häufigste Ursache für Fehmessungen ist der fasche Anschuss der Stromwander. Die Zäher U28X, U8X zeigen verpote Stromwander durch Binen des zugehörigen Phasensymboes im Dispay an. Bei den Zähern U89X werden verpote Stromwander durch Leuchten der Reverse-Leuchtdiode angezeigt. à Sind die einzenen Phasen richtig angeschossen und stimmt das Drehfed? Die Zäher U28X, U8X zeigen den Drehfedfeher im Dispay durch Binen der Phasensymboe in der Reihenfoge -2- und den Phasenausfa durch Ausbenden des zugehörigen Phasensymbos an. à Überprüfen Sie die gemessene Leistung. Messen Sie den Strom und berechnen Sie unter Berücsichtigung der aniegenden Spannung die Leistung. Vergeichen Sie den theoretisch gefundenen Wert mit der Leistungsanzeige im Dispay der Zäher U28X, U8X oder bei den Zähern U89X mit der Binfrequenz der Imp. / Wh-Leuchtdiode ( siehe Kapite 5. ). Diese Methode wird aerdings nur dann zu einem brauchbaren Ergebnis führen, wenn der cos ϕ beannt ist und in die Rechnung einbezogen wird. 9

10 4 Leistungsaufnahme Wird einem Zäher ein Stromwander vorgeschatet, dann berechnet sich die Stromwander-Nenneistung aus der Leistungsaufnahme des Energiezähers und der seundären Messeitungen. Es git: S Se S Kabe S Zäher S = Scheineistung (VA) 4. Leistungsaufnahme des Energiezähers à Spannungspfad Die für die Eetroni des Zähers benötigte Leistung wird über den Spannungspfad zugeführt. Sie beträgt beim Zweieiterzäher < 5 VA Drei- und Viereiterzäher < VA pro Phase à Strompfad Die Leistungsaufnahme des Strompfads beträgt: bei Imax < VA bei IB = A bei IB = 5 A bei IB = 0 A < 0,02 VA < 0,5 VA < 0,02 VA 4.2 Leistungsaufnahme der seundären Messeitungen Der fogenden Tabee önnen Richtwerte für die Kabescheineistung ( VA ) as Funtion der Kabeänge und des Querschnitts entnommen werden. Seundärstrom Querschnitt Leitungsänge ( Hin- und Rüceitung ) A mm 2 0,5 m,0 m 2,5 m 5 m 0 m 5 A,5 0, VA 0,6 VA,5 VA 2,9 VA 5,8 VA 5 A 2,5 0,2 VA 0,4 VA 0,9 VA,8 VA,6 VA 5 A 4,0 0,6 VA, VA 2,2 VA A,0 0,02 VA 0,04 VA 0,09 VA 0,8 VA 0,5VA A,5 0,0 VA 0,0 VA 0,06 VA 0,2 VA 0,2 VA A 2,5 0,0 VA 0,02 VA 0,04 VA 0,07 VA 0,4 VA 0

11 5 Energieberechnungen 5. Binfrequenz, Binperiodendauer der Leuchtdiode Bei den Zähern U28X, U8X, U89X ist eine Leuchtdiode vorhanden die in Abhängigeit vom Energiefuss bint und die Läuferscheibenumdrehung eines herömmichen Ferraris-Zähers nachbidet. Die Impusrate ist neben oder unterhab der Leuchtdiode vermert. Um bei gegebener Leistung auf die Binfrequenz zu schießen, ann fogende Geichung verwendet werden: Binfrequenz ( Hz ) = Ps Impusrate / 600 Aus dem Kehrwert der Binfrequenz errechnet sich die Binperiodendauer: Binperiodendauer ( s ) = / Binfrequenz Beispie: Dreieiter-Drehstromsystem mit Stromwander Übersetzungsverhätnis 000 A / 5 A Strom seundär ( I ) 2,4 A Spannung ( U ) 400 V Leistungsfator ( cos ϕ ) 0,8 LED-Impusrate des Zähers Imp. / Wh Berechnung: seundärseitige Leistung Ps: Ps = U I cos ϕ Ps = 400 V 2,4 A 0,8 = 0 W =, W primärseitige Leistung Pp: Pp = Ps Übersetzungsverhätnis Pp =, W 000 A / 5 A = 266 W Binfrequenz =, 0000 / 600 =,7 Hz Binperiodendauer = /,7 Hz = 0,27 s Bei richtigem Anschuss muss die Leuchtdiode ae 0,27 s binen.

12 5.2 Energieanzeige und Impusausgang Die Energie ann sowoh vom Dispay oder Roenzähwer des Zähers abgeesen, as auch mit Hife der vom Zäher geieferten Zähimpuse an einem räumich entfernten Punt integriert und errechnet werden. Das 7-steige Dispay oder eetromechanische Zähwer zeigt die bezogene Energie mit einer Aufösung von 0, Wh bei diretmessenden Typen und mit einer Aufösung von 0,0 Wh bei Wandertypen an. Die Impusonstante für den Impusausgang des Zähers ist auf dem Typenschid vermert Diretmessung Berechnung der verbrauchten Energie: verbrauchte Energie = angezeigte Energie Berechnung der Ausgangsimpuse: Energie pro Impus = / Impusonstante Beispie: Impusonstante des Zähers = 00 Impuse / Wh Energie pro Impus = 0,0 Wh / Impus Messung mit Stromwander Berechnung der verbrauchten Energie: verbrauchte Energie = angezeigte Energie Üi Übersetzungsverhätnis des Stromwanders: Üi = Primärstrom ( Ip ) / Seundärstrom ( Is ) = CT-Fator Beispie: Angezeigte Energie =, Wh Übersetzungsverhätnis Stromwander Üi = 000 A / 5 A Verbrauchte Energie =, Wh 000 A / 5 A = 266 Wh Berechnung der Ausgangsimpuse: Energie pro Impus = Üi / Impusonstante Beispie: Impusonstante des Zähers = 000 Impuse / Wh Energie pro Impus = ( 000 A / 5 A ) / 000 Wh / Impus = 0,2 Wh / Impus 2

13 5.2. Messung mit Strom- und Spannungswander Berechnung der verbrauchten Energie: verbrauchte Energie = angezeigte Energie Üi Üu Übersetzungsverhätnis des Spannungswanders: Üu = Primärspannung ( Up ) / Seundärspannung (Us) = VT-Fator Beispie: Angezeigte Energie =, Wh Übersetzungsverhätnis Stromwander Üi = 000 A / 5 A Übersetzungsverhätnis Spannungswander Üu = 0000 V / 00 V Verbrauchte Energie =, Wh ( 000 A / 5 A ) ( 0000 V / 00 V ) = Wh Berechnung der Ausgangsimpuse: Energie pro Impus = Üi Üu / Impusonstante Beispie: Impusonstante des Zähers = 000 Impuse/Wh Energie pro Impus = (000 A / 5 A) ( 0000 V / 00 V ) / 000 Wh / Impus = 20 Wh / Impus Einstebare Verhätnisse für Strom- und Spannungswander Bei den Energiezähern U8X önnen die Übersetzungsverhätnisse von Strom- und Spannungswandern eingestet oder eingeeicht werden. Das Dispay zeigt dann ohne manuee Umrechnung diret die Primärenergie an. Weitere Informationen zu den Einstemögicheiten und zu den Impusraten des Ausgangsimpuses finden Sie in der Bedienungsaneitung des Zähers.

14 5.2.5 Genauigeit der Energiemessung Die bei der Messung erreichbare Genauigeit ist von der Genauigeitsasse des Energiemessgerätes und den zuässigen Einfusseffeten abhängig. Die Genauigeitsasse gibt den zuässigen Feher bei Betrieb unter Referenzbedingungen, d.h. bei definierten Werten von Leistungsfator, Spannung, Kurvenform und Umgebungstemperatur an. Bei Abweichungen von den Referenzbedingungen sind zusätziche Einfusseffete zuässig. Der Einfusseffet wird für jede Einfussgröße innerhab eines definierten Bereiches ( des Nenngebrauchsbereiches ) im Datenbatt angegeben. As weitere Feherqueen müssen beachtet werden: Ã Vertauschung der Anschüsse. In Drehstromnetzen ann ein vertauschter Anschuss der Spannungs- und Strompfade geringe bis erhebiche Messfeher verursachen. Ã Feher der Messwander. Beim Anschuss des Energiemessgerätes an das Netz über Messwander (Stromwander, Spannungswander) müssen deren Feherbeiwerte beachtet werden. Ã Bei der Energiemessung über urze Zeitspannen ann eine zu niedrige Impusfrequenz ( unzureichende Aufösung ) zu einem nennenswerten Feher führen, wenn am Ende der Energiebezugsdauer die vorhandene Ladungsmenge zur Ausösung des etzten Impuses gerade nicht mehr ausreicht. Maximaer Feher: ( / n ) x 00 % n = Anzah der Impuse 5. Frequenz der Energieimpuse Für die Weitereitung der Impuse ist der optimae Wert der Impusfrequenz von vieen Gegebenheiten der Übertragungsstrece und der Verarbeitungseinrichtung abhängig. Bei der maximaen Impusfrequenz ist zu beachten: Ã Wie hoch so die Aufösung der Messung ( Ws pro Impus ) sein? Ã Weche maximae Impusfrequenz ann verarbeitet werden? Ã Zuässige Schatspiee und Schatfrequenz eines Reais? Ã Abesen des zeitgeichen Zäherstandes mehrerer Zäher nur bei niedriger Pus-Frequenz mögich! Ã Je niedriger die Impusfrequenz und je änger die Impuspause, desto größer ist die Gefahr der Fehmessung durch Störimpuse. 4

15 5.4 Impusfrequenz des Energiemessgerätes Die maximae Impusfrequenz des Energiemessgerätes bei gegebener Impuszah pro Ws ergibt sich zu: fmax = ( K P L ) / ( VT CT ) [ HZ ] K = Konstante des Energiemessgerätes ( Impuszah pro Ws ) P = Nenneistung des Netzes in W L = Lastfator des Netzes ( Überast / Nennast ) VT = Übersetzungsverhätnis Spannungswander ( Up / Us ) CT = Übersetzungsverhätnis Stromwander ( Ip / Is ) Index p = Primärseite des Netzes Index s = Seundärseite des Netzes Werden eine Messwander verwendet, dann wird sowoh Up = Us und damit VT = as auch Ip = Is und damit CT = Beispie: Für die maximae Leistung eines Drehstromnetzes ( 00 V; A ) bei gegebener Konstante des Energiemessgerätes ( K = 000 Impuse / Wh ) so die Impusfrequenz berechnet werden. gegeben: L =,2 ; Us = 00 V; Is = A Pp = Up Ip [W] VT = 00 V / 00 V = 0 CT = 000 A / A = 0 Pp = 00 V A = 0 8 W K = 000 Imp. / Wh = = 000 Imp. / Wh ( / 000 W / W ) ( / 600 h / s ) = = 2, Imp. / Ws fmax = ( 2, Ws W,2 ) / ( 0 0 ) = = 0,0577 Imp. / s =,46 Imp. / min 5.5 Impusonstante des Energiemessgerätes Für die erforderiche Impusonstante des Energiemessgerätes bei gegebenen Daten des Netzes ergibt sich: K ( fmax VT CT ) / ( P L ) [ Imp. / Ws ] Beispie: max. Leistung Pp = 00 V A = 0 8 W Impusfrequenz fmax = Imp. / Min =, Imp. / s K (, ) / ( 0 8,2 ) K 0, Imp. / Ws K 0,28872 Imp. / Wh = 288,72 Imp. / Wh 5

16 6 Impusausgang Der Impusausgang der Zäher ist vom Messreis über Optoopper gavanisch getrennt und muss extern gespeist werden. Impusausgang Schatschema eines Impusausgangs 6. Positive Logi Bei der positiven Logi wird der Auswerteeinheit ein Impus geiefert. Im Ruhezustand ist das Potentia des Impusausgangs geich 0. Externe Spannungsquee U DC Zäher 20 () 2 Auswerteeinheit 6.2 Negative Logi Im Ruhezustand wird der Pege des Impusausgangs über einen Pu up -Widerstand auf hohes Potentia gezogen. Ein generierter Impus steuert das Potentia am Ausgang auf 0. Externe Spannungsquee U DC Zäher 20 () 2 Auswerteeinheit 6. Leitungsängen 6 Der Abstand zwischen dem Zäher und der Auswerteeinheit ann bei Verwendung eines 0,5 mm 2 - Kabes bis zu 500 m betragen. Für Entfernungen von m wird ein Signaabe mit einem Querschnitt von,5 mm 2 eingesetzt. Abgeschirmte Leitungen sind in der Rege nicht erforderich.

17 7 Appiationen 7. Energiesummierung mit Wanderzäher So mit Hife eines einzigen Wanderzähers die Energie mehrerer Verbraucher angezeigt werden, dann sind die den einzenen Linien zugeordneten Stromwander parae zu schaten. Dabei ist zu beachten, dass die Summe aer Ströme 6 A nicht übersteigt. Der Zäher misst die Summe der Energien der Leitung und Leitung 2. Die Art der Beastung (asymmetrisch oder symmetrisch) ist in diesem Fa ohne Bedeutung. L Schatungsnummer 60 L Leitung Leitung 2 7

18 7.2 Messungen mit einem Wechsestromzäher in einem Drehstromsystem Für Messungen in einem geichbeasteten Viereiternetz ann mit einem Wechsestromzäher gearbeitet werden. In einem geichbeasteten Dreieiternetz ann nur dann mit einem Wechsestromzäher gearbeitet werden, wenn man einen ünstichen Sternpunt schafft (Isoierung beachten!). Bei der Dimensionierung der Widerstände ist der Innenwiderstand des Wechsestromzähers zu berücsichtigen! In beiden Fäen müssen die angezeigten Werte mit mutipiziert werden. Schatungsnummer L L 7. Messung mit einem ARON-Zäher bei 2-phasiger Last Die Drehstromzäher U87 sind für den Einsatz zur Messung der Wirenergie in beiebig beasteten -Leiter Drehstromnetzen ausgeegt. Wird ein Verbraucher nur über zwei Phasen betrieben, dann ann der Anschuss des zweiten Stromwanders und der dritten Phase entfaen. Das Roenzähwer zeigt den richtigen Wert an und die Messgenauigeit wird nicht beeinfusst. Schatungsnummer L 8

19 7.4 Messung mit einem ARON-Zäher und einem Stromwander Die Drehstromzäher U87 sind für den Einsatz zur Messung der Wirenergie in beiebig beasteten -Leiter Drehstromnetzen ausgeegt. Für das verwendete ARON-Messprinzip werden zwei Stromwander benötigt. Unter Einsatz der unten aufgeführten Kunstschatung, önnen diese auch mit nur einem Stromwander für geichbeastete Dreieiternetze I = I2 = I verwendet werden. Dabei zeigt das Zähwer, unabhängig von der Phasenverschiebung ( cos ϕ ) den richtigen Wert an. Die Messgenauigeit der Zäher wird nicht beeinfusst. So bei der beschriebenen Schatung anstee der bezogenen Energie, die abgegebene Energie auf dem Roenzähwer erscheinen, so ist die Stromrichtung durch den Zäher umzuehren ( ß, ß 9 ). Schatungsnummer L K L oder L oder L oder oder L L oder oder L Diese Beschatung weicht von der in der Kemmenabdecung des Zähers angegebenen Beschatung ab. Beim Einsatz dieser Kunstschatung sind entsprechende Eräuterungen in die Anagenpäne aufzunehmen und am Zäher diret anzubringen. 7.5 Messung im -Leiter 220 V Netz Der nicht normgerechte Anschuss des Energiezähers U89 U6 beeinträchtigt die mutifuntionae Anzeige. Die Messgrößen I, I, P und Q sowie die Energie ( Wh ) werden richtig angezeigt. Aus U ann die Spannung U2 und aus U die Spannung U2 entnommen werden. Schatungsnummer L L 9

20 GMC-I Messtechni GmbH Südwestpar 5 D Nürnberg Teefon: Teefax: E-Mai: info@gossenmetrawatt.com Gedruct in Deutschand Änderungen vorbehaten 4/