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Die
Erfindung betrifft einen Schaltwiderstand für ein elektrisches Schaltgerät, bspw.
einen Hochspannungs-Leistungsschalter, welcher ein einen elektrischen
Widerstand aufweisendes Widerstandsmaterial umfasst.
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Elektrische
Schaltgeräte
wie etwa Hochspannungs-Leistungsschalter werden unter anderem zum
Zu- und Abschalten von Hochspannungs-Freileitungen verwendet. Derartige
Leitungen besitzen eine definierte Kapazität pro Kilometer Leitungslänge. In
Hoch- und Höchstspannungsnetzen
werden besonders lange Leitungen realisiert, die aufgrund ihrer
Kapazität
bei einem Schaltvorgang zu einer Spannungs- und/oder Stromüberhöhung führen. Um
die Überhöhungen zu
begrenzen, werden Hochspannungs-Leistungsschalter mit Schaltwiderständen ausgerüstet. Ein
Schaltwiderstand bildet beispielsweise eine Hilfsschaltstrecke,
die geschaltet wird, bevor die eigentliche Hauptschaltstrecke geschaltet wird
und die einen vergleichsweise hohen, einen Einschaltstrom begrenzenden
Widerstandswert aufweist. Ein derartiger Hochspannungs-Leistungsschalter
ist beispielsweise in
DE
29 49 753 A1 beschrieben.
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Die
Schaltwiderstände
von Hochspannungs-Leistungsschaltern werden derzeit durch Reihenschaltungen
von Scheiben aus gesintertem Widerstandmaterial realisiert. Derartige
Scheiben sind teuer und haben eine große Masse.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schaltwiderstand für ein elektrisches
Schaltgerät
zur Verfügung
zu stellen, welcher kostengünstiger herzustellen
ist und/oder eine geringere Masse als die Schaltwiderstände nach
Stand der Technik aufweist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektrisches
Schaltgerät,
insbesondere einen Hochspannungs-Leistungsschalter,
mit einem verbesserten Schaltwiderstand zur Verfügung zu stellen.
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Die
erste Aufgabe wird durch einen Schaltwiderstand nach Anspruch 1,
die zweite Aufgabe durch einen elektrisches Schaltgerät nach Anspruch
14 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein
Schaltwiderstand ist beispielsweise zur Begrenzung einer Stromüberhöhung beziehungsweise
Spannungsüberhöhung bei
einem Einschaltvorgang einsetzbar. Es kann jedoch auch vorgesehen sein,
den Schaltwiderstand zur Begrenzung von Überspannungen und/oder Strömen bei
Ausschaltvorgängen
zu nutzen. Je nach Einsatz werden Schaltwiderstände als Einschaltwiderstand
beziehungsweise Ausschaltwiderstand bezeichnet.
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Ein
erfindungsgemäßer Schaltwiderstand
für ein
elektrisches Schaltgerät
umfasst ein elektrisch leitendes Widerstandsmaterial, welches auf
Kunststoffbasis hergestellt ist. Dabei kann das Widerstandsmaterial
selbst ein elektrisch leitfähiger
Kunststoff, beispielsweise dotiertes Polyacethylen, Polypyrrol,
etc. sein. Vorzugsweise ist das Widerstandsmaterial jedoch ein elektrisch
leitfähig
gefüllter
Kunststoff, da dieser in der Regel kostengünstiger herzustellen ist als
ein leitfähiger
Kunststoff. Unter einem leitfähig
gefüllten
Kunststoff ist hierbei ein elektrisch nicht leitender Kunststoff
zu verstehen, dem ein leitfähiger
Zusatzstoff beigemischt ist. Als leitfähiger Zusatzstoff kann beispielsweise
Graphit, Ruß oder
ein Metallpulver Verwendung finden. Insbesondere Ruß, so genannter
Leitfähigkeitsruß, ist ein
Produkt, das sich leicht als Zusatzstoff verarbeiten lässt. Die
leitfähigen
Zusatzstoffe können
in Form von Nanopartikeln mit Abmessungen im Bereich von 10 nm bis
100 nm oder in Form makroskopischer Strukturen, beispielsweise Metallfasern
mit einer Länge
bis zu einigen Millimetern vorliegen. Als eine weitere Möglich keit
können
auch Fullerene als leitfähiger
Zusatzstoff zur Anwendung kommen, bspw. die kugelförmige Kohlenstoffmodifikation
von C60. Etwa im Fall von Leitfähigkeitsruß als leitfähigen Zusatzstoff
liegen Primärpartikel
im Größenbereich
von 10 nm bis 100 nm vor, die sich zu Agglomeraten zusammenballen. Grundsätzlich können daher
die Partikel geeigneter leitfähiger
Zusatzstoffe Abmessungen im Bereich von wenigen Nanometern bis zu
einigen Millimetern besitzen.
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Widerstandsmaterialien
auf Kunststoffbasis, insbesondere leitfähig gefüllte Kunststoffe, sind preiswerter
und leichter als das bisher eingesetzte Widerstandsmaterial. Sie
sind zudem weniger empfindlich gegen das Eindringen von Wasser und
besitzen über
einen weiten Temperaturbereich gute mechanische Eigenschaften. Insgesamt
kann die Konstruktion des gesamten Bauteils „Schaltwiderstand" vereinfacht werden.
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Insbesondere
bei Hochspannungs-Leistungsschaltern für Hochspannungsleitungen ist
man in der Regel bestrebt, den Widerstandwert eines Einschaltwiderstandes
an den Wellenwiderstandes der zu schaltenden Leitung anzupassen,
der typischerweise einige hundert Ohm, bspw. 450 Ohm beträgt. Ein
derartiger, vergleichsweise geringer spezifischer Widerstand des
Schaltwiderstandes lässt
sich erzielen, wenn der leitfähige
Zusatzstoff mit einem überperkolativen
Füllgrad
im Kunststoff vorliegt. Wenn ein nicht leitender Kunststoff mit
einem leitfähigen
Zusatzstoff vermischt wird, so bildet dieser leitfähige Zusatzstoff
ab einem gewissen kritischen Anteil an der Gesamtstoffmenge des
Gemisches elektrisch leitende Pfade aus, die sich durch das gesamte
Gemisch erstrecken, und das Gemisch wird leitfähig. In der Realität existiert
ein unterperkolativer Bereich, in dem der Anteil an Zusatzstoff
zu klein ist, um sich durch das gesamte Material erstreckende leitfähige Pfade
auszubilden, und ein überperkolativer
Bereich, in dem der Anteil an Zusatzstoff zur Ausbildung einer Vielzahl
elektrisch leitender Strompfade durch das gesamte Material ausreicht.
Zwischen dem unterperkolativen Bereich und dem überperkolativen Bereich existiert
ein Übergangsbereich,
in dem die Erhöhung des
Anteils an Zusatzstoff zu einer raschen Verringerung des spezifischen
Widerstandes, d.h. des Widerstand bezogen auf eine Probe mit Einheitslänge und einer
stromdurchflossene Einheitsfläche,
führt.
Im überperkolativen
Bereich sinkt der spezifische Widerstand des Widerstandsmaterials
dann nicht weiter.
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Durch
Hinzufügen
wenigstens eines makroskopischen Füllstoffes mit einem hohen elektrischen Widerstand
zum Widerstandsmaterial lässt
sich der Widerstandswert des Schaltwiderstandes vergrößern, ohne
dass seine geometrischen Abmessungen geändert werden müssten. Das
Hinzufügen
des makroskopischen Füllstoffes ändert in
der Regel nichts an der überperkolativen
Natur eines Gemisches aus isolierendem Kunststoff und leitfähigem Zusatzstoff. So
beeinflussen die makroskopischen Partikel etwa im Falle von Leitfähigkeitsruß als leitfähigem Zusatzstoff
eines leitfähig
gefüllten
Kunststoffes nicht die überperkolative
mikroskopische Struktur des Widerstandsmaterials. Der makroskopische
Füllstoff
führt jedoch
dazu, dass der Anteil an Widerstandsmaterial an dem Gemisch aus
Füllstoff
und Widerstandsmaterial im Schaltwiderstand geringer ist, als dies
ohne den Füllstoff
der Fall wäre.
Dies hat zur Folge, dass dem Strom für den Fluss durch den Schaltwiderstand eine
geringere effektive Fläche
zur Verfügung
steht als ohne Füllmaterial.
Der Widerstandswert des Schaltwiderstands ergibt sich als das Produkt
des spezifischen Widerstandes mit der Länge des Schaltwiderstandes,
geteilt durch die vom Strom durchflossene Querschnittsfläche des
Schaltwiderstandes. Je geringer die für den Stromfluss nutzbare Querschnittsfläche des
Schaltwiderstandes ist, desto höher
ist dessen Widerstandswert.
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Der
makroskopische Füllstoff
kann in Form von Füllstoffpartikeln,
beispielsweise in Form von Glas- und/oder Kunststoffkugeln mit einem
hohen spezifischen Widerstand, vorliegen, welche Abmessungen zwischen
0,1 mm und 10 mm aufweisen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schaltwiderstandes
umfasst das Widerstandsmaterial einen mechanisch festen Kunststoff.
Wenn der Kunststoff selbst elektrisch leitend ist, kann dieser selbst
als mechanisch fester Kunststoff ausgebildet sein. Wenn der Kunststoff
nicht leitend ist und lediglich als Matrix für einen leitfähigen Zusatz dient,
so ist vorzugsweise der nicht leitende Kunststoff als mechanisch
fester Kunststoff ausgebildet. Die mechanische Festigkeit kann jedoch
ggf. auch erst durch den elektrisch leitfähigen Zusatzstoff herbeigeführt werden.
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Aufgrund
der mechanischen Festigkeit ist eine selbsttragende Konstruktion
des Schaltwiderstandes möglich,
die nur noch mit Schirmen und/oder Rippen zur Sicherung der Fremdschichtbeständigkeit zu
versehen ist. Bisherige so genannte „im-Rohr-Konstruktionen" bei Schaltwiderständen mit gesintertem Widerstandsmaterial
können
dann durch ganz oder teilweise selbsttragende Konstruktionen ersetzt
werden. Das Versehen der selbsttragenden Konstruktion mit Schirmen
oder Rippen kann beispielsweise durch Umspritzen der Konstruktion
in einer Spritzgießform
geschehen.
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Vorteilhafterweise
kann der erfindungsgemäße Schaltwiderstand
als Gussteil realisiert sein. Das Gießen des Schaltwiderstandes
ermöglicht
eine flexible Formgebung, so dass der Schaltwiderstand leicht an
spezifische geometrische Anforderungen anpassbar ist.
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Erfindungsgemäß wird außerdem einelektrisches
Schaltgerät,
insbesondere ein Hochspannungs-Leistungsschalter, mit einem erfindungsgemäßen Schaltwiderstand
zur Verfügung
gestellt.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt
als ein Ausführungsbeispiel
für ein
erfindungsgemäßes elektrisches
Schaltgerät
das Prinzipschaltbild eines Hochspannungs-Leistungsschalters.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Schaltwiderstand
in einer schematischen Schnittansicht.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht des Schaltwiderstandes aus 1 in
einem Schnitt senkrecht zu seiner Längsachse.
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4 zeigt
einen Ausschnitt aus einem alternativen Schaltwiderstand in einer
schematischen Schnittansicht.
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5 zeigt
einen Ausschnitt aus einem weiteren alternativen Schaltwiderstand
in einer schematischen Schnittansicht.
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6 zeigt
einen Ausschnitt aus noch einem weiteren alternativen Schaltwiderstand
in einer schematischen Schnittansicht.
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In 1 ist
ein Hochspannungs-Leistungsschalter als Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektrisches
Schaltgerät
in Form eines Prinzipschaltbildes dargestellt. Der dargestellte Hochspannungs-Leistungsschalter
ist ein Hochspannungs-Leistungsschalter, wie er zum Zuschalten von Hochspannungs-Freileitungen
in Hoch- und Höchstspannungsnetzen
Verwendung findet. Er umfasst eine Hauptschaltstrecke 3 und
eine zur Hauptschaltstrecke 3 parallel geschaltete Hilfsschaltstrecke 5. Die
Hauptschaltstrecke 3 dient dazu, im eingeschalteten Zustand
den Strom zwischen der zugeschalteten Hochspannungsleitung und dem
Hochspannungsnetz zu tragen. Aufgabe der Hilfsschaltstrecke 5 ist
es, beim Zuschalten der Hochspannungsleitung den Einschaltstromstoß zu begrenzen.
Um dies zu bewerkstelligen, weist die Hilfsschaltstrecke 5 einen als
Einschaltwiderstand wirkenden Schaltwiderstand 7 auf.
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Das
Zuschalten einer Hochspannungsleitung an ein Hochspannungsnetz erfolgt
mit dem Hochspannungs-Leistungsschalter 1 aus 1,
indem zuerst die Hilfsschaltstrecke 5 geschlossen wird,
wobei der Einschaltwiderstand 7 den Einschaltstromstoß durch
den Hochspannungs-Leistungsschalter 1 begrenzt. Anschließend wird
die Hauptschaltstrecke 3 geschaltet. Nachdem der Stromkreis über die
Hauptschaltstrecke 3 geschlossen ist, kann die Hilfsschaltstrecke 5 wieder
geöffnet
werden.
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Ein
erfindungsgemäßer Einschaltwiderstand 7 ist
in 2 in einem schematischen Längsschnitt dargestellt. Er
umfasst ein Widerstandmaterial 9, welches von einem Schirm 11, 12 umgeben
zwischen zwei Endarmaturen 13 und 17 angeordnet
ist.
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Die
Endarmatur 13 weist einen Kontaktstift 15 auf,
der zum Schließen
der Hilfsschaltstrecke 5 mit einem nicht dargestellten
Festkontakt zusammenwirkt. Mittels in der Endarmatur 17 vorhandenen Federn 19 wird
der Einschaltwiderstand 7 – und damit der Kontaktstift 15 – in Ausschaltrichtung
federbelastet, so dass der Einschaltwiderstand 7 zum Schalten
der Hilfsschaltstrecke 5 gegen die Federkraft in den Festkontakt
eingeführt
werden muss.
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Das
Widerstandsmaterial 9 des Einschaltwiderstands 7 ist
ein Widerstandsmaterial auf Kunststoffbasis. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
findet ein leitfähig
gefüllter
Kunststoff, also ein Kunststoffmaterial, welches mit einem leitfähigen Material vermengt
ist, Verwendung. Das leitfähige
Material ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel Ruß, so genannter
Leitfähigkeitsruß. Ruß ist aufgrund
seiner einfachen Handhabbarkeit besonders geeignet. Es sind jedoch
auch Metallpulver, Graphit, Fullerene, etc. als leitfähiges Zusatzmaterial
für den
nicht leitenden Kunststoff geeignet.
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Der
Anteil des Rußes
an der Mischung aus nicht leitendem Kunststoffmaterial und Ruß ist so hoch,
dass die Rußpartikel
leitfähige
Pfade im Kunststoff bilden, die sich von einer Endarmatur zur anderen
erstrecken. Ein derartiger Füllgrad
an Ruß wird auch überperkolativer
Füllgrad
bezeichnet.
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Zum
Einstellen eines geeigneten Widerstandswertes, beispielsweise eines
Widerstandswertes im Bereich zwischen 200 und 600 Ohm, insbesondere
400 Ohm, sind makroskopische Glaskügelchen mit Durchmessern im
Bereich von 0,1 mm bis 10 mm im Widerstandsmaterial angeordnet.
Die isolierenden Glaskügelchen 10 reduzieren
die Querschnittsfläche,
die dem Strom für
den Stromfluss durch den Einschaltwiderstand 7 zur Verfügung steht.
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Die
Reduktion der zur Verfügung
stehenden Querschnittsfläche
ist in 3 zu erkennen, welche schematisch einen Schnitt
entlang der in 2 dargestellten Linie A-A zeigt.
In 3 sind das Widerstandsmaterial 9, die
Glaskügelchen 10 und
der Schirm 11 zu erkennen. Die Abmessungen der Glaskügelchen
sind in 3 der besseren Übersichtlichkeit
wegen nicht maßstäblich dargestellt.
Die Glaskügelchen 10 stehen
aufgrund ihrer Isolatoreigenschaften einem Stromfluss entgegen.
Der Strom kann daher nicht durch die von den Glaskügelchen 10 eingenommene
Fläche
fließen.
Ihm stehen deshalb nur die hellen Bereiche in 3 zur
Verfügung.
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Da
sich der Widerstandswert des Einschaltwiderstandes 7 aus
dessen spezifischem Widerstand, der Länge des Einschaltwiderstandes 7 sowie der
dem Stromfluss zur Verfügung
stehenden Querschnittsfläche
ergibt, kann der Widerstandswert des Einschaltwiderstandes 7 durch
die Menge der hinzugefügten
Glaskügelchen 10 eingestellt
werden. Je mehr Glaskügelchen 10 das
Widerstandsmaterial 9 enthält, desto geringer ist die
für den
Stromfluss zur Verfügung
stehende Fläche,
d.h. desto größer ist
der Widerstandswert des Einschaltwiderstandes 7. Statt der
Glaskügelchen 10 können auch
Kügelchen
aus anderen nicht leitenden Materialien, beispielsweise Kunststoff,
Porzellan, etc. Verwendung finden. Auch ist es nicht nötig, dass
Kügel chen
Verwendung finden. Andere geometrische Formen können zu einem gleichguten Ergebnis
führen.
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Das
Widerstandsmaterial 9 auf Kunststoffbasis ist gießbar, so
dass der Einschaltwiderstand 7 in Form gegossen werden
kann. Als Kunststoffmaterial für
den Einschaltwiderstand findet im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein Silikonelastomer Verwendung.
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Wenn
ein mechanisch fester Kunststoff für das Widerstandsmaterial Verwendung
findet, kann der Einschaltwiderstand 7, wie in 2 dargestellt, ganz
oder teilweise als selbsttragende Konstruktion ausgeführt sein,
die nur noch mit dem Schirm 11, 12 zu umgeben
ist. Der Schirm, der eine Ummantelung 11 mit schirmartigen
Vorsprüngen 12 darstellt,
dient dazu, den Widerstand vor Umwelteinflüssen wie etwa Regen, Schmutz,
etc. zu schützen.
Zudem verlängert
er den sog. Kriechweg, also den Strompfad über die äußere Oberfläche des Widerstandes. Anstelle
von schirmartigen Vorsprüngen 12 kann
die Ummantelung 11 auch Rippen 14 aufweisen, wie dies
beispielhaft in 4 dargestellt ist. Nachfolgend soll
der Begriff Schirm der Einfachheit halber auch die Ausführungsvariante
mit Rippen statt mit schirmartigen Vorsprüngen begrifflich mit umfassen.
Das Umgeben des Widerstandsmaterials 9 mit dem Schirm 11, 12 kann
beispielsweise durch Umspritzen des Widerstandsmaterials 9 mit
dem Material des Schirms 11, 12 in einer Spritzgießform erfolgen.
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Wenn
kein mechanisch fester Kunststoff für das Widerstandsmaterial 9 Verwendung
findet, ist der Widerstand mechanisch zu stabilisieren, bspw. durch
ein zwischen dem Umfang des Widerstandsmaterials 9 und
dem Schirm 11a, 12a bzw. 11a, 14a angeordnetes
stabilisierendes Rohr 16 (vgl. 5 und 6).
Das Umgeben des Widerstandsmaterials 9 mit dem Rohr 16 kann
bspw. erfolgen, indem das Widerstandsmaterial 9 in das
Rohr 16 gegossen wird. Es ist aber auch möglich, das
Widerstandsmaterial 9 in Form zu gießen und dieses später durch Montage in
das Rohr 16 einzubringen. Außerdem ist auch möglich, dass
die Schirme 12a bzw. Rippen 14a im Unterschied
den in den 5 und 6 dargestellten
Beispielen als Teil des Rohres 16 ausgebildet sind.
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In
Abweichung zum in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel,
in dem das Widerstandsmaterial 9 ein mit Ruß versetztes
Silikonelastomer ist, kann das Widerstandsmaterial 9 auch
aus einem leitfähigen
Kunststoff, beispielsweise aus dotiertem Polyacethylen, d.h. mit
Fremdstoffen versetztem Polyacethylen, aus Polypyrrol, oder anderen
leitfähigen Kunststoffen
hergestellt sein. Im Unterschied zu leitfähig gefülltem Kunststoffmaterial bilden
die Fremdstoffe in dotiertem Kunststoffmaterial keine leitfähigen Pfade
aus, sondern ändern
die elektrischen Eigenschaften des dotierten Kunststoffmaterials
selbst, so dass dieses leitfähig
wird. Der Anteil an Fremdstoffen liegt in dotiertem Kunststoffmaterial
weit unter dem Anteil an Fremdstoffen in leitfähig gefülltem Kunststoffmaterial, so
dass der Anteil an Fremdstoffen nicht für einen überperkolativen Füllgrad ausreichen
würde.
Mit anderen Worten, die in dotierten Kunststoffmaterialien vorherrschende
Fremdstoffkonzentration würde
nicht ausreichen, leitfähige
Pfade zwischen den beiden Endarmaturen herzustellen.
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- 1
- Hochspannungsschalter
- 3
- Hauptschaltstrecke
- 5
- Hilfsschaltstrecke
- 7
- Einschaltwiderstand
- 9
- Widerstandsmaterial
- 10
- Glaskügelchen
- 11
- Ummantelung
- 11a
- Ummantelung
- 12
- schirmartiger
Vorsprung
- 12a
- schirmartiger
Vorsprung
- 13
- Endarmatur
- 14
- Rippe
- 14a
- Rippe
- 15
- Kontaktstift
- 16
- Rohr
- 17
- Endarmatur
- 19
- Feder