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Die
Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter
mit Käfig-Design,
wie er beispielsweise aus der JP 62-149511 (Anmeldenummer) bekannt ist. Überspannungsableiter
werden bei Stromversorgungssystemen zwischen stromführenden
Leitungen und Masse geschaltet, um im Fall einer Überspannung
in der Leitung diese zur Masse abzuleiten und so andere Bauteile
des Stromnetzes zu schützen.
Ein derartiger Überspannungsableiter
enthält
einen Stapel aus Varistorblöcken,
der zwischen zwei Anschlusselementen bzw. Endarmaturen gehalten
ist. Diese Anordnung wird in einem Gehäuse aufgenommen.
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Um
sicherzustellen, dass auch bei mechanischen Belastungen die Varistorblöcke gut
miteinander kontaktieren, ist es erforderlich, den Stapel unter Druck
zusammenzuhalten. Bei Überspannungsableitern
mit Käfig-Design
erfolgt dies durch Verstärkungselemente,
in der Regel Stäbe
oder Seile, vorzugsweise glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe (GFK-Stäbe), die
an den beiden Endarmaturen unter Zug gehalten sind.
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Ein
Problem bei derartigen Überspannungsableitern
besteht darin, die Verstärkungselemente
sicher an den Endarmaturen zu befestigen, so dass auch bei mechanischen
Beanspruchungen, wie sie bei im Freien montierten Überspannungsableitern auftreten,
die nötige
Festigkeit erhalten wird.
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In
der genannten japanischen Patentanmeldung wird dieses Problem dadurch
gelöst,
dass in den Endarmaturen Nuten in Stapelrichtung der Varistorblöcke vorgesehen
sind, in die die Verstärkungselemente
eingelegt werden, und indem das Ende der Verstärkungselemente mit einem Gewinde
ausgestattet ist, auf das eine Mutter aufgeschraubt wird, die im
Durchmesser größer als
die Nut in der Endarmatur ist, und so das Verstärkungselement – im wesentlichen
durch Formschluss – hält.
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Obwohl
auf diese Art ein Überspannungsableiter
effektiv ausgebildet werden kann, besteht das Problem darin, Gewinde
in die als Verstärkungselemente
dienenden GFK-Stäbe
zu schneiden, ohne diese zu beschädigen. Dies ist sehr aufwendig
und teuer.
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Aus
dem europäischen
Patent
EP 93 915 343.3 sind
weitere Möglichkeiten
bekannt, wie Verstärkungselemente
an den Endarmaturen eines Überspannungsableiters
verankert werden können. Insbesondere
schlägt
diese Druckschrift vor, die Verstärkungselemente durch einen
Stift bzw. eine Schraube festzuhalten, die sich senkrecht zur Längsrichtung
der Verstärkungselemente
erstreckt und durch ein Durchgangsloch durch die Stäbe geführt wird.
Der Stift bzw. die Schraube werden dann in einer entsprechenden
Ausnehmung bzw. einem Gewindeloch in der Armatur gehalten.
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Obwohl
es wesentlich einfacher ist ein Loch in der Richtung senkrecht zur
Ausdehnungsrichtung der als Glasverstärkungselemente dienenden GFK-Stäbe auszubilden
als ein Gewinde in diese zu schneiden, besteht bei dieser Bauweise
die Gefahr, die Verstärkungselemente
im Bereich des Loches derart zu schwächen, dass sie reißen.
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Das
genannte europäische
Patent zeigt darüber
hinaus auch die Möglichkeit
die Verstärkungselemente
mit Keilen in der Endarmatur festzulegen. Hierzu wird ein in Richtung
der Stapelmitte der Varistorblöcke
zulaufender Keil zwischen ein jedes Verstärkungselement und eine entsprechend
geneigte Fläche
der Endarmatur gebracht und beide zusammen durch einen äußeren Teil
der Endarmatur unter radialem Druck zusammengehalten. Bei Zugbeanspruchung
auf die Verstärkungselemente
werden durch Haftreibung die Keile mitgezogen und sorgen dafür, dass
die Verstärkungselemente
reib- bzw. kraftschlüssig
zwischen dem zugehörigen
Keil und der Endarmatur gehalten werden.
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Bei
diesem vorgeschlagenen Überspannungsableiter
sind die Verstärkungselemente
vorzugsweise dünne,
im Querschnitt kreissegmentförmige
Streifen aus glasfaserverstärktem
Kunststoffmaterial, und zwar derart, dass die Krümmung des glasfaserverstärkten Verstärkungselements
dem Krümmungsradius
der Varistorblöcke
entspricht.
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Diese
Bauweise führt
bei der Ausbildung des Isoliergehäuses durch Gießen oder
Umspritzen zu Schwierigkeiten, da zwischen dem glasfaserverstärktem Kunststoffelement
und den Varistorblöcken
leicht Hohlräume
verbleiben. In derartigen Hohlräumen kann
es zu Teilentladungen mit der damit verbundenen Gefahr der Schädigung der
Isolation bei Dauerbeanspruchung durch von der Teilentladungsstelle aus
sich entwickelnden Errosionsdurchschlagskanäle und durch zusätzliche
Erwärmung
kommen.
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Darüber hinaus
sind derart geformte glasfaserverstärkte Verstärkungselemente in der Herstellung
aufwendig und teuer.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Überspannungsableiter mit Käfig-Design
bereitzustellen, der die oben genannten Nachteile vermeidet und
für eine
preiswerte Massenfertigung geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch einen Überspannungsableiter
nach Anspruch 1 oder 2 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
betreffen weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
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Im
folgenden wird die Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
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1 eine
Gesamtansicht eines gattungsgemäßen Überspannungsableiters
mit teilweise weggeschnittenem Außengehäuse;
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2 eine
Aufsicht auf die Endarmatur des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters;
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2;
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4 eine
Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 2 mit eingesetztem
Keil; und
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5 eine
Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 2 mit eingesetztem
Keil gemäß einer zweiten
Ausführungsform.
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Der
in 1 gezeigte Überspannungsableiter
mit Käfig-Design enthält mindestens
einen Varistorblock 1. Als Varistorblöcke 1 können bekannte
Keramikscheiben mit einem spannungsabhängigen Widerstand (variable
resistor) verwendet werden. Bei niedrigen Spannungen arbeiten sie
als nahezu perfekte Isolatoren, während sie bei hoher Spannung eine
gute Leitfähigkeit
haben. Handelsübliche
Varistorblöcke
werden auf Grundlage von Zinkoxid (ZnO) hergestellt. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf derartige Zinkoxid-Überspannungsableiter beschränkt, und auch
andere Metalloxide und auch Siliziumcarbid können beispielsweise für die Varistorblöcke verwendet
werden. Außerdem
können
zusätzlich
zu Varistorblöcken 1 noch
weitere Blöcke,
etwa Metallblöcke oder
Funkenstreckenblöcke
in dem Stapel enthalten sein, um so die Länge des Überspannungsableiters an die
Erfordernisse des jeweiligen Einsatzes anzupassen.
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Gängige Varistorblöcke 1 sind
als Kreiszylinder mit einem Durchmesser von beispielsweise 5 cm und
einer Höhe
von etwa 4 cm ausgebildet. An beiden Seiten der Varistorblöcke 1 sind
nicht detailliert gezeigte Aluminiumelektroden aufgebracht, um eine bessere
Kontaktierung sicherzustellen. Auch ist es üblich, zwischen die Varistorblöcke 1 zur
weiteren Verbesserung der Kontaktierung ebenfalls nicht gezeigte
dünne Aluminiumscheiben
oder auch Federelemente zu legen.
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Ein
durch Aufeinanderstapeln derartiger Varistorblöcke 1 und eventueller
Metallblöcke
gebildeter Stapel ist bei dem in 1 gezeigten Überspannungsableiter
zwischen zwei Endarmaturen 3 gehalten. Die Endarmaturen
sind üblicherweise
aus Aluminium oder Edelstahl gebildet und derart ausgestaltet, dass
sie leicht in bestehende elektrische Installationen bzw. Stromversorgungsnetze
eingebunden werden können,
beispielsweise durch eine aus dem Überspannungs ableiter herausragende
zentrale Schraube 4, die elektrisch mit den Varistorblöcken 1 gut
kontaktiert.
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Zum
Schutz gegenüber
der Umwelt werden diese Überspannungsableiter
mit einem äußeren Gehäuse 5,
oft aus Silikon, umgeben. Das Gehäuse kann durch Spritzen oder
Gießen
gebildet werden.
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Zur
Vergrößerung des
Kriechwegs des Stroms sind an der Außenseite des Gehäuses 5 Schirme 7 ausgebildet.
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Überspannungsableiter
sind, wenn sie in der freien Umgebung verwendet werden, aufgrund
der Kraftübertragung
durch die mit ihnen verbundenen elektrischen Leitungen erheblichen
Biegemomenten ausgesetzt. Es ist daher erforderlich sicherzustellen, dass
auch bei größeren mechanischen
Beanspruchungen die Kontaktierung der Varistorblöcke 1 untereinander
und zu den Endarmaturen beibehalten und ein Kantenbruch der Varistorblöcke durch
ein inneres Verkannter zweier benachbarter Varistorblöcke vermieden
wird. Um dies zu erreichen, werden glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe oder
Seile 9 als Verstärkungselemente
zwischen den beiden Endarmaturen 3 eingespannt. Diese halten
die Varistorblöcke 1 zwischen
den beiden Endarmaturen 3 unter Zugbeanspruchung zusammen.
Des Weiteren werden gelegentlich noch Federelemente in den Stapel
der Varistorblöcke 1 eingefügt, um so
auch bei Temperaturschwankungen oder ähnlichem die Kontaktierung
zu sichern.
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Im
Folgenden werden die Verankerungselemente als Stäbe 9 bezeichnet, ohne
dass hierin eine Beschränkung
der Erfindung zu sehen wäre.
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2 zeigt
eine Aufsicht auf eine Endarmatur eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters.
Die Endarmatur 3 ist im wesentlichen als kreis-zylindrischer
Block ausgebildet, dessen Durchmesser größer als der der Varistorblöcke ist.
In dem radialen Bereich der Endarmatur, der über die Varistorblöcke hinausragt
sind entlang des Umfangs der Endarmatur in Staplerichtung verlaufende
Durchgangslöcher 11 ausgebildet.
In der Mitte der Endarmatur in ein weiteres Durchgangsloch 25 für die zentrale
Schraube 4, vorzugweise mit einem Innengewinde, ausgebildet.
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Die
Durchgangslöcher 11 weichen
zumindest in einem Teilabschnitt im Querschnitt von der Kreisform
ab, vorzugsweise sind sie in Tangenten-Richtung auf der den Varistorblöcken abgewandten
Seite der Endarmatur geweitet.
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In
der gezeigten Ausführungsform
sind acht Durchgangslöcher
gezeigt, aber auch jede andre Anzahl ist möglich, etwa drei oder vier
Durchgangslöcher 11.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch eine Endarmatur 3 entlang der Linie
A-A in 2.
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Eine
Detailansicht eines derartigen Durchgangslochs 11 ist in
einer Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 2 in 4 gezeigt.
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Wie
hier zu erkennen ist, weist das Durchgangsloch 11 einen
ersten konischen Abschnitt 11b und einen zweiten gerade
verlaufenden Abschnitt 11a auf. Die Form des geraden Abschnitts 11a ist
entsprechend dem glasfaserverstärkten
Stab 9 ausgebildet, um diesen passgenau zu umgeben. Vorzugweise
ist das Durchgangsloch im Bereich des zweiten Abschnitts im Querschnitt
kreisförmig.
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Der
erste Abschnitt 11b ist in einer Richtung konisch geweitet.
Als Neigungswinkel der konischen Flächen ist ein Winkel von ca.
5° bevorzugt.
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Wie
in 4 gezeigt ist, wird ein glasfaserverstärkter Kunststoffstab 9 in
der Durchgangsbohrung 11 aufgenommen, und ein Keil 13 wird
in den Stab 9 hineingetrieben, um diesen zu spalten.
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Auf
diese Art werden entlang des Umfangs der Varistorblöcke mehrere
glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe sowohl
an den Endarmatur 3 an beiden Seiten des Varistorblockstapels
mit den Keilen 13 befestigt.
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Um
das Einsetzen der Keile zu erleichtern ist es möglich, die glasfaserverstärkten Stäbe an ihren Endflächen mit
einer Kerbe zu versehen, in die die Keile bei der Herstellung eingetrieben
werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Bauweise
der Endarmaturen 3 mit ihren Durchgangslöchern 11 und dem
konischen Abschnitt 11b in Zusammenwirken mit dem Keil 13 und
den glasfaserverstärkten
Stäben 9 wird
erreicht, dass die beiden Hälften
des glasfaserverstärkten
Stabes 9 im Bereich, in dem dieser gespalten ist, fest
gegen die schräg
verlaufenden Seitenwände
des konischen Abschnitts 11d angepresst werden. Unter Zugbelastung
der glasfaserverstärkten
Kunststoffstäbe 9 zieht
sich diese Keilverbindung immer weiter zu und hält den Glasfaserverstärkten Stab
kraftschlüssig
in dem Durchgangsloch 11 der Endarmatur 3. Versuche
haben gezeigt, dass auf diese Art eine Befestigung der glasfaserverstärkten Stäbe 9 in
den Endarmaturen 3 möglich
ist, die einen sicheren Halt bis zur Zerreißgrenze der glasfaserverstärkten Stäbe 9 gewährleistet.
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Um
die Verbindung zwischen dem Keil 13 und den glasfaserverstärkten Stäben 9 zu
erhöhen
ist es möglich,
auf den Keilflächen
des Keils 13 Schneidkanten senkrecht zur Stabrichtung des
glasfaserverstärkten
Kunststoffstabs 9 auszubilden, die in den glasfaserverstärkten Stab 9 bei
Belastung einschneiden.
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Um
die Keilverbindung und den gesamten Überspannungsableiter vor Feuchtigkeit
zu schützen,
ist es möglich,
das Durchgangsloch 11 nach dem Einsetzen der Stäbe und der
Keile mit Silikonmasse dicht zu verschließen.
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Bei
der Herstellung wird zunächst
eine Endarmatur 3 mit glasfaserverstärkten Stäben 9 versehen und
die Keile 13 eingesetzt. In dem so gebildeten "Käfig" werden von der offenen Seite her die
Varistorblöcke 1 eingesetzt,
wobei darauf zu achten ist, dass die Varistorblöcke zentrisch angeordnet sind
und eine konstanten Abstand zwischen ihren Außenflächen und den glasfaserverstärkten Kunststoffstäben 9 beibehalten
wird. In dem Stapel der Varistorblöcke kann eine oder mehrere
Tellerfedern eingefügt
werden. Ebenso können
Steuerscheiben und Aluminiumblöcke
die Länge
des Stapels entsprechend dem geplanten Einsatz anpassen.
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Nach
dem Einführen
der Varistorscheiben und der Tellerfeder wird die zweite Endarmatur 3 aufgebracht,
wobei die glasfaserverstärkten
Stäbe 9 durch
die entsprechenden Durchgangslöcher 11 geführt werden.
Anschließend
werden, während
der gesamte Stapel mit Kraft von außen zusammengepreßt wird,
die Keile 13 in die Stäbe
getrieben und die Schrauben 4 durch die Endarmaturen 3 zur
Kontaktierung der Varistorblöcke 1 eingebracht.
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Der
so gebildete Käfig
mit darin aufgenommenen Varistorblöcken 1 wird in eine
Form gelegt und mit einem niederviskosen Silikon umgossen bzw. umspritzt,
um das Außengehäuse 5 gegebenenfalls mit
den Schirmen 7 zu bilden. Wie gezeigt, sind die erfindungsgemäßen glasfaserverstärkten Stäbe vorzugsweise
im Querschnitt kreisförmig.
Dies führt
dazu, dass die Stäbe 9 relativ
leicht und vollständig
mit dem niederviskosen Silikon umgeben werden können, und dass das niederviskose
Silikon auch in den Zwischenraum zwischen den glasfaserverstärkten Stäben 9 und
der Außenfläche der
Varistorblocke 1 vollständig
eindringt. Im Vergleich mit dem kreissegmentförmigen Querschnitt des Stands
der Technik bietet der kreisrunde Querschnitt den großen Vorteil, dass
es nur einen sehr kleinen Bereich gibt, in dem der Abstand zwischen
den Stäben 9 und
den Varistorblöcken 1 minimal
ist. Dieser kleine Bereich kann problemlos mit Hilfe der gängigen niederviskosen
Silikone und bekannter Spritz- bzw. Gußtechniken gefüllt werden.
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Glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe 9 mit kreisförmigem Querschnitt
sind handelsüblich
und preiswert in der Herstellung.
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Eine
zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
ist in 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform hat das Durchgangsloch 11 durchgehend einen
ovalen Querschnitt. Die Aufteilung des Durchgangslochs 11 in
einen geraden Abschnitt 11a und einen konischen Abschnitt 11b wird
jedoch beibehalten. Die beiden Abschnitte 11a und 11b des
Durchgangslochs dieser Ausführungsform
unterscheiden sich nur in der Abmessung der längeren Achse des Ovals.
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Gemäß der zweiten
Ausführungsform
werden in jedes Durchgangsloch 11 zwei halbkreisförmige glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe 9 eingesetzt. Zwischen
zwei Stäben 9 eines
Durchgangslochs bleibt über
die gesamte Länge
des Überspannungsableiters
ein Spalt. Die Größe dieses
Spaltes kann etwa 5 mm betragen, wobei auch größere oder kleinere Spaltweiten
möglich
sind.
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Derartige
glasfaserverstärkte
Stäbe 9 mit halbkreisförmigem Querschnitt
können
durch Wahl eines geeigneten Werkzeuges bei der Herstellung der Stäbe durch
Ziehen relativ einfach gebildet werden. Erfindungsgemäß sind bei
dieser Ausführungsform
die Stäbe 9 und
der zugehörige
Keil 13 so angeordnet, dass der Spalt zwischen den beiden
Stäben 9 eines
Durchgangslochs 11 radial in bezug auf den Stapel der Varistorblöcke 1 verläuft.
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Dies
hat den Vorteil, dass beim Ausbilden des Außengehäuses das niederviskose Silikon
besser und effektiver in den Zwischenraum zwischen den Stäben 9 und
den Varistorblöcken 1 eindringen kann.
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Wie
bei der ersten Ausführungsform
ist es möglich,
auch bei dieser Ausführungsform
den Keil 13 mit entsprechenden Schneidkanten zu versehen, um
die Verbindungskraft zwischen dem Keil 13 und den glasfaserverstärkten Stäben 9 zu
erhöhen.
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Tests
haben auch bei dieser Ausführungsform
ergeben, dass die Keilverbindung der glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe 9 mit
der Endarmatur 3 bis zur Zerreißgrenze der glasfaserverstärkten Stäbe 9 hält. Die
Ausbildung in zwei halbkreisförmige
glasfaserverstärkte
Kunststoffstäbe 9 im
Voraus, gegenüber
den Spalten eines einzelnen Stabes 9 mit einem Keil gemäß der ersten
Ausführungsform,
bietet den Vorteil, dass eine Beschädigung der Stäbe 9 vermieden
werden kann.
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Obwohl
die bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung vorangehend beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht
auf diese Ausführungsformen
beschränkt.
Insbesondere besteht keine Notwendigkeit, die glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe 9 in
beiden Endarmaturen 3 auf die gleiche Art und Weise zu
befestigen. Beispielsweise können
anstelle von glasfaserverstärkten
Stäben 9 auch "Seile" verwendet werden,
wobei diese bei einer der Endarmaturen zur Verankerung über eine
Schulter geführt
werden, und nur bei der gegenüberliegenden
Endarmatur mit den erfindungsgemäßen Verankerungselementen
befestigt werden.