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Schutzvorrichtung für ölgefüllte elektrische Apparate.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung für ölgefüllte elektrische Apparate, z. B. für Transformatoren, Drosselspulen, Schalter, Kondensatoren, Kabelanlagen, die mit flüssigen Kühl-und Isoliermitteln, z. B. mit Isolierölen, Schaltflüssigkeiten oder feuersicheren Isolierflüssigkeiten gefüllt sind. Als feuersichere Isolierflüssigkeiten kommen beispielsweise folgende Kohlenwasserstoffverbindungen in Frage : Diphenyloxyd oder reines Diphenyl, Trichlorbenzol oder Tetrachlordifluoräthan oder andere halogenierte Kohlenwasserstoffe mit oder ohne Ölzusätzen.
Die bekannten Schutzvorrichtungen für ölgefüllte elektrische Apparate oder Maschinen haben vom Öl beeinflusste Steuerorgane, z. B. Schwimmer, die vermöge ihres Auftriebes eine bestimmte Lage im Öl des elektrischen Apparates, z. B. des Transformators, haben. Beim Absinken des Ölspiegels, sei es durch Ölverlust oder durch Verdrängen des Öles infolge Gasentwicklung, sinkt oder kippt der Schwimmer und betätigt hiedurch elektrische Kontakte oder mechanische Signaleinrichtungen. Vorzugsweise werden Schwimmer in die Verbindungsleitung zwischen Transformatorkessel und Ölausgleichsgefäss eingebaut, u. zw. in einem besonderen Sohwimmergehäuse, das gleichzeitig zum Auffangen des in der Leitung mitgeführten Gases dienen kann. An dieser Stelle untergebrachte Schwimmer werden auch vom Ölstrom, d. h. von der Strömungsgeschwindigkeit des Öles, beeinflusst.
Ist der durch den Ölstrom erzeugte Geschwindigkeitsdruck grösser als die Auftriebskräfte des Schwimmers, so wird dieser auch durch die Strömungsgeschwindigkeit betätigt bzw. in die Kipplage gebracht.
Es gibt auch Anordnungen, die, da sie keinen Auftriebskräften unterworfen sind, lediglich auf die Ölströmung ansprechen, z. B. sind im Ölstrom Stauklappen oder-schirme angeordnet, die durch den Geschwindigkeitsdruck des Öles gekippt werden und deren Stellung durch Zeiger äusserlich sichtbar gemacht ist oder die durch ihre Bewegung Steuerstromkreise betätigen. Sie haben den Nachteil, dass sie auf Ölverluste nicht ansprechen. Meistens sind an den Steuerorganen (Schwimmer oder Stauklappen) elektrische Schalterkontakte, z. B. Quecksilberschaltröhren, angebracht, die beim Kippen oder Ansprechen des Steuerorgans elektrische Signalstromkreise schalten oder Steuerstromkreise zum Abschalten des fehlerhaften Transformators oder Schalters betätigen.
Die Gasentwicklung selbst kann durch Lichtbögen infolge von Kurzschlüssen und Überschlägen der Transformatorwicklung entstehen. Drucksteigerungen können sowohl durch starke Ölausdehnung infolge der bei Wicklungsschäden frei werdenden Wärme oder auch durch die Gasentwicklung selbst entstehen. Das Öl wird dann durch die Rohrleitung mit einer grösseren Strömungsgeschwindigkeit in das Ausgleichsgefäss gedrückt.
Ein Nachteil der im Ölstrom liegenden bekannten Schwimmeranordnung beruht auf der Abhängigkeit ihrer Ansprechgrenze von der Viskosität des Öles. Das Ansprechen der Schutzvorrichtung hängt nämlich von der Viskosität der Isolierflüssigkeit in zweifacher Richtung ab ; einerseits ändern sich die tangentialen Reibungskräfte zwischen Isolierflüssigkeit und Schwimmer, anderseits hängt der Strömungsdruck senkrecht zu den getroffenen Flächen in gewissem Masse von ihr ab. Diese beiden Einflüsse sind von verschiedener Grössenordnung. Praktisch wichtig ist nur der erste Einfluss, während der zweite vernachlässigt werden kann.
Zur näheren Erläuterung sei auf die Fig. 1 der Zeichnung Bezug genommen. Dort ist mit 1 ein Schwimmergehäuse oder Gasauffangbehälter bezeichnet, welcher in der das Gehäuse eines Transformators mit seinem Ausgleichsgefäss verbindenden Leitung 2 liegt. In dem Behälter 1 ist der um die Achse 4 drehbare Schwimmer 3 angeordnet. Das in Richtung des Pfeiles 5 strömende Öl sucht durch seinen Geschwindigkeitsdruck Pd den Schwimmer 3 in Richtung des Pfeiles 6 zu senken, d. h. ihn
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in seine Kipplage zu bringen. Der Ges : hwindigkeitsdruck ist zwar, wie erwähnt, von der Viskosität des Öles abhängig, aber diese Abhängigkeit ist so ausserordentlich klein, dass sie praktisch keine Rolle spielt.
In gleicher Richtung wie der Geschwindigkeitsdruck Pd wirkt eine von der Flüssigkeitsreibung herrührende Kraftkomponente Pr, die im wesentlichen durch die zur Strömungsrichtung etwa parallel liegenden Flächenteile 7 des Schwimmers übertragen wird, so dass sich ein Drehmoment um den Drehpunkt 4 ergibt. Im Gegensatz zu dem Geschwindigkeitsdruck Pd ist die Grösse dieser Kraftkomponente von der Viskosität des Öles sehr stark abhängig.
Werden die Kräfte Pr und Pd so gross, dass der Auftrieb des Schwimmers 3 überwunden wird (Ansprechgrenze des Schwimmers), dann kippt der Schwimmer in die gestrichelt gezeichnete Anspreeh- lage 8,'in der Kontakte von Signal-oder Steuerstromkreisen geschaltet werden.
Werden vom Ölstrom 5 Gase mitgeführt, so sammeln sich diese im oberen Teil 9 des Schwimmergefässes 1. Sie drücken das Öl aus diesem Teil heraus und senken den ölspiegels0 ab. Schliesslich taucht der Schwimmer 3 aus dem Öl heraus. Bei weiterem Absinken des Ölspiegels kippt dann der Schwimmer in seine Ansprechlage 8.
Aufgabe der Erfindung ist, eine auf die Gasentwicklung und den Ölverlust des elektrischen Apparates ansprechende Schutzvorrichtung zu schaffen, deren Ansprechgenauigkeit und Ansprechgrenze von der Zähigkeit des Öles weitgehend unabhängig ist.
Gemäss der Erfindung werden diejenigen Flächen des Steuerorgans, z. B. eines Schwimmers, für die sich in bezug auf die Bewegungsachse des Körpers die von der veränderlichen Viskosität des Öles abhängigen Schleppkräfte (Tangentialreibungskräfte) nicht aufheben, also insbesondere die in Richtung der Hauptströmungsrichtung des Öles verlaufenden Oberflächenteile des Steuerkörpers, unterdrückt und/oder gegen die Ölströmung abgeschirmt. Hiezu werden ein oder mehrere Ablenkkörper (Ablenkschirme), die die Richtung der Ölströmung in der Umgebung des Steuerkörpers bestimmen, derart angeordnet, dass dessen zur Strömungsrichtung parallele Oberflächenteile im Strömungsschatten liegen.
Der Schwimmer selbst oder mindestens die zur Ölströmung parallel liegenden Oberflächenteile des Schwimmers können durch Ablenkkörper, z. B. Schirme oder Ablenkblech, gegen den Ölstrom abgeschirmt sein, so dass sie im Stromungss : hatten des Öles liegen. Die Ablenkkörper werden mit der Rohrwand oder mit der Wand des Sehwimmergehäuses verbunden. Soll der Schwimmer auch auf den Geschwindigkeitsdruck der Ölströmung ansprechen, dann sind diese Ablenkkörper mit dem Schwimmer selbst zu verbinden, so dass die auf sie wirkende vom Gesohwindigkeitsdruck herruhrende Kraft auf den Schwimmer einwirken kann. Die Ablenkkörper bewirken auch hier, dass die parallel zur Strömungrichtung des Ölstromes liegenden Flächenteile des Schwimmers im Strömungssehatten liegen.
Unter Umständen genügt es auch, dem Schwimmer selbst parallel zur Strömungsrichtung des Öles eine möglichst kleine Flächenausdehnung zu geben. Der Schwimmer kann z. B. elliptischen Querschnitt haben und so angeordnet sein, dass die kleine Achse des Schwimmers mindestens in der Ruhelage parallel zur Strömungsrichtung liegt.
Dieses Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäss der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Die mit 17 bezeichnete Oberflächenzone des Schwimmers 13 ist verhältnismässig klein, so dass die Kraftkomponente Pr der Reibung gegenüber dem auf den Schwimmer wirkenden Geschwindigkeitsdruck Pd praktisch ohne nennenswerten Einfluss auf die Schwimmerbewegung bleibt. Die kleine Achse 19 des elliptischen Querschnitts liegt in der Ruhestellung des Schwimmers parallel zur Strömungsrichtung 5 des Öles. Der Geschwindigkeitsdruck kann ungehindert auf die senkrecht zur Ölströmung 5 liegende grosse Oberfläche des Schwimmers wirken.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung kann der Schwimmer 23 ebenfalls sowohl auf die Höhe des Ölspiegels 10 als auch auf den Geschwindigkeitsdruck des Öles ansprechen. Die von der Flüssigkeitsreibung herrührende Kraftkomponente wird hiebei jedoch in folgender Weise ausgeglichen :
Mit dem Gehäuse 1 sind Stau-oder Ablenkbleche 20 und 21 fest verbunden, u. zw. so, dass das Öl auf dem durch die Pfeile 22 angedeuteten Weg an der Anordnung vorbeigeführt wird. Wird der Schwimmer durch den Geschwindigkeitsdruck um seinen Drehpunkt 4 gekippt oder gedreht, so wird ein Strömungskanal zwischen. den Ablenkblechen und dem Schwimmer freigegeben, so dass das Öl ausserdem noch in Richtung der Pfeile 24 um die Kante der Ablenkblech herumströmen kann.
Vor den im wesentlichen parallel zur Ölströmungsrichtung liegenden Flächen des Schwimmers, die die Reibungskraft des Ölstromes auf den Schwimmer übertragen würden, treffen die beiden Ölströme 22 und 24 aufeinander und heben sich an dieser Stelle ganz oder zum Teil auf, so dass an dieser Stelle vor der Schwimmeroberfläche keine nennenswerte, parallel zu ihr verlaufende Ölströmung vorhanden ist. Die Flüssigkeitsreibung ist auf diese Weise für den Schwimmer praktisch wirkungslos. Die günstigste Führung der Ölströme 20, 21, 22 kann durch geeignete Bemessung der Strömungskanäle und Lage der ablenkenden Kanten der Bleche 20 und 21 bzw. durch deren Formgebung beeinflusst werden.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit dem Schwimmer 33 das Ablenkblech oder der Schirm 30 fest verbunden. Dieser führt den Ölstrom an den parallel zur Ölströmung liegenden Flächen des Schwimmers vorbei, so dass hier keine nennenswerte Ölströmung parallel zur Schwimmeroberfläche vorhanden ist. Diese Flächen liegen also im Strömungssehatten. Der Geschwindigkeits-
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druck des Öles kommt hingegen auf den Schwimmer voll zur Wirkung und kann je nach der Grösse der Fläche 30 eine mehr oder weniger grosse Kraft auf den Schwimmer ausüben.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Schwimmers kann der Schwimmerkörper prismatisch sein. Bei kreisförmigem Querschnitt ist der Schwimmer also ein Zylinder oder eine Kugel. Der Schwimmerkörper besteht vorteilhaft aus Blech und kann luft-, gasgefüllt oder evakuiert sein oder mit einem festen Stoff gefüllt sein, dessen spezifisches Gewicht geringer als das des Öles ist, so dass sich der erforderliche Auftrieb ergibt. Die Schwimmerwand besteht vorzugsweise aus Leichtmetallblech, z. B. Aluminium. Der Schwimmerkörper braucht jedoch nicht unbedingt hohl zu sein, sondern kann vollständig aus einem Material mit geringerem spezifischem Gewicht als Öl, z. B. aus Kork, bestehen, der gegen Eindringen des Öles mit einem Schutzanstrich versehen ist.
Die beiden Endstellungen des Schwimmers können durch Anschläge begrenzt sein.
Beide Endstellungen des Schwimmers können durch elektrische Kontakte überwacht werden.
Als solche können auch die Endanschläge selbst ausgebildet sein, wie z. B. in Fig. 5 dargestellt ist. Der Schwimmer 43 trägt die zum Schalten der Steuer-oder Signalstromkreise dienende Quecksilberschaltröhre 40, die mit der Schelle 41 am Schwimmer 43 befestigt ist und die die durch das Quecksilber 44 in der Kippstellung zu schaltenden Kontakte 42 enthält. Um die erste Bewegung des Schwimmers 43 erkenntlich zu machen, wird ein besonderes Kontaktpaar 45,46 vorgesehen bzw. wird der Endanschlag, an dem der Schwimmer in seiner Ruhelage anliegt, als Schalter mit den Kontakten 45 und 46 ausgebildet.
Diese Kontakte können nun in folgender Weise zur Ermittlung der Eigenzeit des Schwimmers ausgenutzt werden, d. h. mit ihrer Hilfe kann man die Zeit ermitteln, die von der ersten Bewegung des Schwimmers bis zum Ansprechen des Quecksilberschalters 40 in die Kipplage des Schwimmers verstreicht. Der am Gehäuse 1 befestigte Kontakt 45 und der mit ihm zusammenarbeitende, mit dem Schwimmer 43 verbundene Kontakt 46 liegen über die Leitungen 49 im Stromkreis der Auslösevorrichtung einer Messuhr 47. Wenn der Schwimmer, sei es infolge absinkenden Ölspiegels oder bei Überschreiten einer gewissen Strömungsgeschwindigkeit des Öles, seine Bewegung beginnt, wird gleichzeitig der Stromkreis 45, 46,49 des Auslöseorgans der Messuhr 47 geschaltet. Die Messuhr läuft so lange, bis in der Kippstellung des Schwimmers 43 die Quecksilberkontakte 42 geschaltet werden.
Diese bewirken das Abschalten der Messuhr. Die von der Messuhr nunmehr angegebene Zeit entspricht der Eigenzeit der Schwimmeranordnung. Der Messstromkreis kann von einer beliebigen Stromquelle 48 gespeist werden. Die Ermittlung der Eigenzeit der Schwimmeranordnung ist insofern von Bedeutung, als es darauf ankommt, Fehler des elektrischen Apparates möglichst schnell abzuschalten, und die Schutzvorrichtung so ausgebildet werden muss, dass ihre Eigenzeit gering ist. Ferner gibt sie einen Einblick, inwieweit die Ansprechgenauigkeit des Schwimmers von den Massnahmen abhängt, die zum Beseitigen des Viskositätseinflusses des Öles auf die Ansprechgenauigkeit gemäss der Erfindung getroffen werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Kontaktanordnung gemäss der Erfindung zur Messung der Eigenzeit des Schwimmers ist der am Gehäuse 1 befestigte Kontakt 45 mittels Gewinde und gegebenenfalls unter Einfügen von Isolierbuchsen in die Gehäusewand 1 eingesetzt. Er besteht vorteilhaft aus einem in die Gehäusewand eingeschraubten leitenden Bolzen. Vorteilhaft nimmt man zum Einsetzen des feststehenden Kontaktes 45 die für den Prüfhahn vorgesehene Gehäuse-oder Gehäusedeckel- bohrung. Der feststehende Kontakt muss natürlich gegen das Gehäuse isoliert sein, wenn der Schwimmer selbst mit dem Gehäuse leitend verbunden ist. Vom Einsetzen der Isolierbuchsen in das Gewinde der Gehäusewand kann natürlich abgesehen werden, wenn der feststehende Kontakt mit der Gehäusewand in leitender Verbindung steht.
Dann ist aber der Schwimmer gegen das Gehäuse zu isolieren.
Da die Quecksilberschaltröhre häufig am Schwimmer selbst befestigt wird, liegt sie ebenfalls im Ölstrom. Die Reibungskräfte des strömenden Öles längs der zum Ölstrom parallelen Oberflächen- teile ergeben ebenso, wie es für die entsprechenden Oberflächenteile des Schwimmers oben geschildert wurde, ein zusätzliches Drehmoment um die Schwimmerachse. Man kann nun die Quecksilberschaltröhre dem Ölstrom dadurch vollständig entziehen, dass man sie in das Innere des Schwimmerkörpers einsetzt, wie z. B. in der Fig. 5 dargestellt ist.
Die Grösse des Drehmomentes kann, aber auch dadurch vermindert werden, dass man die Schaltröhre möglichst nahe an die Drehachse des Schwimmers oder der Stauklappe heransetzt, wie es z. B. in Fig. 6 dargestellt ist. Die Schaltröhre 40 ist hiebei unmittelbar auf die Achse 4 der im Ölstrom befindliehen Stauklappe 50 aufgesetzt. Eine noch grössere Verringerung des Drehmomentes ergibt sich, wenn die Achse 4 gekröpft ausgeführt wird und die Schaltröhre derart in die Kröpfung eingesetzt wird, dass die Mittellinie der Achse 4 etwa durch den Schwerpunkt der Schaltröhre hindurchgeht.
Es hat sich nun im Betrieb herausgestellt, dass je nach den Betriebsverhältnissen, z. B. je nach der erforderlichen Belastungshöhe des elektrischen Apparates, oder je nach den Kühlungsverhältnissen des Transformators die Ansprechgrenze derartiger Schutzvorrichtungen einstellbar sein muss. Durch die Erfindung werden hiezu Mittel vorgeschlagen. Die Stauklappe oder der Schwimmer können durch verstellbare Schwimmer oder Blenden oder auswechselbare Stauflansche in ihrer Ansprechgeschwindigkeit beeinflusst werden. Auch kann man die Schwimmer und Stauklappen unter einstellbare Gewichtsoder Federbelastung setzen.
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Wie sich herausgestellt hat, ist auch die Lage des Drehpunktes des in der Ölströmung angeordneten Schwimmers von ausschlaggebender Bedeutung für ein betriebssicheres Ansprechen des Schwimmers im Störungsfalle. Bei ungünstiger Lagerung kommt es vor, dass der Schwimmer im Ölstrom pendelt, ohne die Ansprechlage zu erreichen. Bei richtiger Lage des Drehpunktes hingegen wird der Schwimmer, nachdem er erst einmal die Nullage verlassen hat, mit einem stetig zunehmenden Drehmoment von der Ölströmung in die Ansprechlage gedrückt.
An Hand der Fig. 7-9 sollen diese Verhältnisse näher erläutert werden.
In Fig. 7 ist ein derartiger Schwimmer 111 beispielsweise gezeigt. Er ist in die Zuführungsleitung 112 zwischen einem Transformatorkessel und dem Olausdehnungsgefäss des Transformators eingebaut, u. zw. im Inneren eines Gehäuses 113. Der Ölspiegel selbst ist durch 114 angedeutet. Das Öl strömt in der Richtung des Pfeiles 115. Der Schwimmer ist bei 116 drehbar aufgehängt und hat, wenn keine nennenswerte Ölströmung in der Rohrleitung vorhanden ist bzw. wenn der Ölspiegel 114 hoch genug steht, die ausgezogen gezeichnete Lage. Wenn in dem Gefäss 113 der Ölspiegel sinkt, gelangt der Schwimmer in die Ansprechlage 117.
Diese Lage erreicht der Schwimmer auch, wenn die Ölströmung eine gewisse Geschwindigkeit überschreitet, so dass das von der Ölströmung auf den Schwimmerkörper ausgeübte Geschwindigkeitsdruckmoment das Sehwimmerauftriebsmoment übersteigt. Auf den Schwimmer wirken also zwei Kräfte, deren Wirkungslinien im Punkt 118 angreifend gedacht werden können. Bei dem in Fig. 7 gezeigten zylindrischen Ausführungsbeispiel des Schwimmers ist 118 der Mittelpunkt der Zylinderachse. Die vom Auftrieb herrührende Kraft ist mit A bezeichnet. Das von ihr auf den Schwimmer ausgeübte Drehmoment um die Drehachse 116 hat den Hebelarm b. Der Geschwindigkeitsdruck der Ölströmung übt auf den Schwimmer die ebenfalls in 118 angreifend gedachte Kraft P aus. Diese ergibt ein Drehmoment mit dem Hebelarm a um die Achse 116.
Wenn das Drehmoment der Kraft P das des Auftriebes überwindet, drückt die Ölströmung den Schwimmerkörper in die gestrichelt gezeichnete Ansprechlage 117. Dabei nimmt das Drehmoment der Kraft P ab. Die
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sprechen zu erreichen, überschritten werden muss, tritt infolgedessen ein unruhiges Pendeln des Schwimmers ein. Die Ölgeschwindigkeit hat zwar ausgereicht, den Schwimmer um'ein gewisses Stück zu bewegen, das zum Erreichen der Ansprechlage erforderliche grössere Drehmoment kann jedoch vom Ölstrom nicht vollkommen aufgebracht werden oder wird von ihm nur kurzzeitig aufgebracht, so dass die Schwimmeranordnung sehr unsicher arbeitet und ein ordnungsgemässes Ansprechen der Überwachungseinrichtung in Frage gestellt wird.
Um diese Nachteile zu vermeiden, erhält gemäss der Erfindung der Schwimmerdrehpunkt oder die Schwimmerdrehachse eine derart relative Lage zu den Wirkungslinien der Geschwindigkeitsdruckkraft und der Auftriebskraft des strömenden Isoliermittels, dass der Abstand der Wirkungslinie des Geschwindigkeitsdruckes vom Schwimmerdrehpunkt in der Ansprechlage des Schwimmers grösser ist als in seiner Ruhelage.
In Fig. 8 ist ein Beispiel für die Aufhängung des Schwimmers gemäss der Erfindung gezeigt. Auf den in der Ruhelage befindlichen Schwimmer 121 wirkt die Ölströmung in Richtung des Pfeiles 125 mit der Druckkraft P, während der Auftrieb in Richtung der Linie A wirkt. Beide Kräfte werden wieder im Mittelpunkt 128 des Schwimmerkörpers angreifend gedacht. Der Abstand der beiden Wirkungslinien der Kräfte A und P ist wieder mit a und b bezeichnet. Wenn nun der Ölstrom den Schwimmer in die gestrichelt gezeichnete Ansprechlage 127 drängt, hat die nunmehr auf den Schwimmer wirkende Kraft P'ein wesentlich grösseres Drehmoment um die Drehachse 126, da ihr Hebelarm a sich auf a'vergrössert hat. Das Drehmoment des Auftriebes ist dagegen kleiner geworden, der Verminderung der Hebelarme von b auf b'entsprechend.
Wenn die Ölströmung die kritische Geschwindigkeit überschreitet, wird der Schwimmer unter allen Umständen betriebssicher in seine Ansprechlage 127 gedrängt, ohne dass ein störendes Pendeln eintritt. Durch diese Anordnung hat sich aber auch' die Eigenzeit des Schwimmers wesentlich verringert, d. h. die Zeit, die der Schwimmer zum Durchlaufen des Weges zwischen Ruhe-und Ansprechlage braucht, ist kürzer geworden. Während sich der Schwimmer bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel nur verhältnismässig langsam entsprechend der Abnahme des Drehmoments von P und der Zunahme des Drehmoments von A der Ansprechlage nähert, wird er bei der Anordnung gemäss der Erfindung durch ein stetig wachsendes resultierendes Drehmoment wesentlich schneller in seine Ansprechlage gekippt.
Die genannten Massnahmen können nach Fig. 6 und 9 auch auf die Anordnung von Staukörpern oder Staubleche Anwendung finden. Der Drehpunkt 138 des Staubleche 131 liegt hier ebenfalls so, dass das Drehmoment des Geschwindigkeitsdruckes in der gestrichelt gezeichneten Ansprechlage 137 grösser ist als in der Ruhelage 131 (vgl.
Fig. 9).
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