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Die
Erfindung betrifft einen Leistungsschalter mit einem Außengehäuse und
mindestens einem im Außengehäuse angeordneten
Kontaktpaar, wobei die Kontakte des Kontaktpaares zum Öffnen und Schließen eines
Stromkreises relativ zueinander beweglich sind.
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Zur
Energieverteilung in Spannungsnetzen angeordnete elektromechanische
Schaltgeräte
begrenzen oder öffnen
den Stromfluss im Netz. Zur Begrenzung des Stromflusses werden die
zu einem Kontaktpaar angeordneten metallischen Kontakte voneinander
getrennt, wobei ein Lichtbogen zwischen den beiden Kontakten erzeugt
wird, der eine Brennspannung in der Größenordnung der treibenden Spannung
im Netz aufweist. Der Lichtbogen bewirkt ein Abschmelzen von Oberflächenpartikeln
von den Kontakten. Die abgeschmolzenen Oberflächenpartikel bilden zusammen
mit erhitzter Luft aus der Umgebung des Lichtbogens eine Schaltgaswolke, deren
Volumen sich durch die Erwärmung
ausbreitet. Durch die Expansion des heißen Schaltgases besteht die
Gefahr der Beschädigung
des Schaltergehäuses
durch Überhöhung des
Innendruckes und bei Abströmung
des heißen
Schaltgases aus dem Gehäuse
die Gefahr der übermäßigen Aufheizung
von in der unmittelbaren Umgebung des Leistungsschalters befindlichen
Anlagen oder der Gesundheitsgefährdung
von sich in der Umgebung des Leistungsschalters aufhaltenden Personen.
Ebenfalls ergibt sich durch den Ionengehalt des Gases die Gefahr
einer Kurzschlussbildung zwischen umgebenden stromführenden
Teilen in einer Schaltanlage.
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Zur
Abkühlung
der Schaltgase und damit zur Deionisierung der Schaltgase werden üblicherweise ein-
oder mehrlagige metallische Gitter aus Drahtgeflechten oder Lochblechen
sowie Stapel aus auf Abstand gehaltenen Blechen eingesetzt. Die
Bleche bestehen dabei meist aus Stahl oder Kupfer beziehungsweise
aus dementsprechenden Legierungen. Durch den Einsatz der verwendeten
Metallbleche oder -geflechte wird erreicht, dass das an den Oberflächen der
Bleche anliegende Gas seine Wärme
an die Bleche abgibt. Zu diesem Zweck müssen die Bleche eine gute Wärmeleitfähigkeit
und einen hohen Schmelzpunkt aufweisen. Kupfer weist eine gute Wärmeleitfähigkeit,
aber einen geringen Schmelzpunkt auf. Stahl weist eine nur geringe
Wärmeleitfähigkeit,
aber dafür
einen hohen Schmelzpunkt auf. Das heißt, keiner der beiden üblicherweise
verwendeten Werkstoffe kann optimal mit dem abzukühlenden
Schaltgas zusammenwirken. Des Weiteren ist es für eine effektive Wärmeübertragung
vom Schaltgas auf die Bleche notwendig, dass die Bleche mit einer großen Oberfläche im Kontakt
mit dem heißen Schaltgas
sind. Der Strömungswiderstand
an beziehungsweise zwischen den Blechen soll dabei zum Zweck einer
zügigen
Gasableitung gering sein.
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Dadurch,
dass dem heißen
Schaltgas Wärmeenergie
durch die Löschbleche
oder metallischen Gitter entzogen wird, sinkt die Temperatur der
Schaltgase ab, wodurch sich die Energie der Teilchen der Schaltgase
verringert und das Schaltgas deionisiert wird.
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Hinsichtlich
der Erläuterung
von aus dem Stand der Technik bereits bekannten Schaltgas-Kühleinrichtungen
wird hiermit ausdrücklich
Bezug genommen auf die
DE
10 2007 028 204 A1 und dort insbesondere auf die
1 und
2 sowie den diese Figuren erläuternden
Text.
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Aus
der
EP 1 229 609 A1 ist
eine Kabel-Steckverbindung bekannt, in die ein metallisches Schaumteil
integriert ist. Das metallische Schaumteil ist dabei in der einen,
aufnehmenden Hälfte
der Steckverbindung in Anlage an ein stromführendes Teil der Steckverbindungshälfte angeordnet.
Bei geschlossener Steckverbindung ist es ebenfalls in Kontakt mit
einem stromführenden
Teil der einzusteckenden Hälfte
der Steckverbindung. Das heißt,
mit dem metallischen Schaumteil wird ein Stromfluss von der einzusteckenden
Hälfte
der Steckverbindung in die aufnehmende Hälfte der Steckverbindung realisiert. Insbesondere
dient das metallische Schaumteil dazu, beim Herausziehen des stromführenden
Teils der einzusteckenden Steckverbindungshälfte aus der aufnehmenden Steckverbindungshälfte so
lange wie möglich
einen Stromfluss zwischen den beiden Steckverbindungshälften zu
realisieren, so dass eine Lichtbogenbildung zwischen den beiden
Steckverbindungshälften
vermieden wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsschalter mit
einem einfachen und kostengünstigen
konstruktiven Aufbau zur Verfügung
zu stellen, mit dem sich zuverlässig
eine Gefahr der Beschädigung
des Leistungsschalters und ihn umgebender Bauteile und die Gefährdung von
Personen vermeiden lässt.
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Die
Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 beanspruchten Leistungsschalter
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Es
wird ein Leistungsschalter mit einem Außengehäuse und mindestens einem im
Außengehäuse angeordneten
Kontaktpaar zur Verfügung
gestellt, wobei die Kontakte des Kontaktpaares zum Öffnen und
Schließen
eines Stromkreises relativ zueinander beweglich sind, wobei zwischen
dem Kontaktpaar und der Innenwandung des Außengehäuses von den Stromführungsteilen
des Leistungsschalters elektrisch isolierter offenporiger Metallschaum
angeordnet ist und das Außengehäuse gasundurchlässig verschlossen
ist.
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Die
Gasundurchlässigkeit
bedeutet dabei, dass das Außengehäuse derart
geschlossen ist, dass im Inneren des Schalters entstandene Schaltgase
nicht in die den Schalter umgebende Atmosphäre gelangen können.
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Die
Kontakte des Kontaktpaares sind dabei vorteilhafterweise derart
angeordnet, dass einer der Kontakte ein Festkontakt ist und der
andere Kontakt ein beweglicher Kontakt ist. Weitere Öffnungen
im Gehäuse
des Leistungsschalters können
zum Beispiel zur Kabeldurchführung
angeordnet sein, wobei sie dann aber gegen den Metallschaum abgedichtet sind.
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Bei
der Öffnung
der Kontakte entsteht zwischen diesen ein Lichtbogen, der das Abschmelzen von
Oberflächenpartikeln
von den Kontakten bewirkt. Die abgeschmolzenen Oberflächenpartikel
bilden zusammen mit erhitzter Luft aus der Umgebung des Lichtbogens
eine Schaltgaswolke, deren Volumen sich durch die Erwärmung ausbreitet.
Der Metallschaum ist offenporig ausgebildet, das heißt, dass einzelne
Poren oder Kapillaren, die sich in den Innenbereich des Schaums
erstrecken, an der Oberfläche des
Schaums offen sind und derart untereinander verbunden sind, dass
ein Volumenstrom durch den Schaum realisiert werden kann. Bei Volumenausbreitung
des erhitzten Schaltgases und damit Druckanstieg im Innenraum des
Schaltergehäuses
wird das Schaltgas durch den offenporigen Metallschaum geleitet.
Das heißt,
das heiße
Schaltgas strömt
durch die untereinander verbundenen Poren beziehungsweise Kapillaren
des Metallschaums. Dadurch, dass der Metallschaum eine sehr große Oberfläche ausbildet,
ist es möglich,
eine große
Oberfläche
mit dem heißen
Schaltgas in Kontakt zu bringen. Dies bewirkt selbst bei dünnwandiger
Ausbildung des offenporigen Metallschaums eine effektive Wärmeübertragung
vom Schaltgas in den Metallschaum. Nach Durchströmung des Metallschaumes weist
das Schaltgas eine derart geminderte Temperatur auf, dass die das
Schaltgas bildenden Teilchen nicht mehr als Ionen, sondern als Atome
vorliegen. Das heißt,
es ist eine wesentliche Abkühlung
des Gases vorgenommen worden, wodurch sich ebenfalls das Volumen
der Gasmenge im Leistungsschalter gemindert hat. Der Leistungsschalter
ist somit nur noch einem wesentlich verringerten Innendruck ausgesetzt. Außerdem ist
durch die Abkühlung
des Gases eine Gefahr der Beschädigung
beziehungsweise Gefährdung
von den Leistungsschalter umgebenden Anlagen oder Personen durch
die Temperaturminderung weitgehend ausgeschlossen. Durch die Deionisierung
des Schaltgases und die Vermeidung des Austritts des Schaltgases
aus dem Leistungsschaltergehäuse
wird ebenfalls eine Kurzschlussbildung durch das Schaltgas an umgebenden
stromführenden Schaltanlagenteilen
verhindert. Das hat zur Folge, dass zwischen einzelnen erfindungsgemäßen Leistungsschaltern
oder zu benachbarten weiteren stromführenden Bauteilen oder Abschnitten
keine Sicherheitsabstände
eingehalten werden müssen,
wodurch das in einer Schaltanlage zur Verfügung stehende Volumen optimal
nutzbar ist.
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Weitere
Vorteile der Anordnung des Metallschaums im Leistungsschalter bestehen
darin, dass eine Anpassung an bestehende Leistungsschalterparameter
beziehungsweise an Lichtbogenparameter in einfacher Weise durch
Variationen der Geometrie, der Dichte und der Zellstruktur des verwendeten Me tallschaums
vorgenommen werden kann. Des Weiteren wird der Montageaufwand gegenüber den mit
einer Vielzahl von Bauelementen realisierten herkömmlichen
Ausführungsformen
durch den Einsatz von Metallschaum beziehungsweise Metallschaumwänden erheblich
gemindert. Derartige Metallschaumwände lassen sich in einfacher
Weise auf ihr Endmaß durch
Sägen oder
andere metallbearbeitungstypische Verfahren bearbeiten.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der Metallschaum das Kontaktpaar allseitig
umgibt. Damit steht mehr Volumen an Metallschaum bei gleichzeitiger Minimierung
der Außenabmaße des Leistungsschalters
zur Verfügung.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist der erfindungsgemäße Leistungsschalter
derart ausgestaltet, dass das Außengehäuse eine Außenkammer des Leistungsschalters
ausbildet und in dieser eine Innenkammer des Leistungsschalters
ausgebildet ist.
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Das
heißt,
es wird ein Leistungsschalter mit einem Außengehäuse und mindestens einem im
Außengehäuse angeordneten
Kontaktpaar zur Verfügung
gestellt, wobei die Kontakte des Kontaktpaares zum Öffnen und
Schließen
eines Stromkreises relativ zueinander beweglich sind, wobei zwischen
dem Kontaktpaar und der Innenwandung des Außengehäuses von den Stromführungsteilen
des Leistungsschalters elektrisch isolierter offenporiger Metallschaum
angeordnet ist und das Außengehäuse gasundurchlässig verschlossen
ist und das Außengehäuse eine
Außenkammer
des Leistungsschalters ausbildet und in dieser eine Innenkammer
des Leistungsschalters ausgebildet ist.
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Insbesondere
in dieser Ausgestaltung ist die Innenkammer durch die Innenseite
der Metallschaumschicht und/oder durch Innenkammerwände mit Öffnungen
realisiert.
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Die
Innenkammer kann durch die Innenseite des Metallschaums ausgebildet
sein oder sie kann zum Beispiel durch Materialplatten realisiert
sein oder es kann eine Kombination aus beiden Ausgestaltungen vorgenommen
sein.
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Das
heißt,
es wird ein Leistungsschalter mit einem Außengehäuse und mindestens einem im
Außengehäuse angeordneten
Kontaktpaar zur Verfügung
gestellt, wobei die Kontakte des Kontaktpaares zum Öffnen und
Schließen
eines Stromkreises relativ zueinander beweglich sind, wobei zwischen
dem Kontaktpaar und der Innenwandung des Außengehäuses von den Stromführungsteilen
des Leistungsschalters elektrisch isolierter offenporiger Metallschaum
angeordnet ist und das Außengehäuse gasundurchlässig verschlossen
ist und das Außengehäuse eine
Außenkammer
des Leistungsschalters ausbildet und in dieser eine Innenkammer
des Leistungsschalters ausgebildet ist, wobei die Innenkammer durch
Innenkammerwände
mit Öffnungen
realisiert ist.
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Bei
Vorliegen von Innenkammerwänden
mit Öffnungen
zum Metallschaum ergibt sich eine zweistufige Abkühlung des
Schaltgases, nämlich
in einer ersten Stufe eine erste Kühlung durch die als Gitter ausgeführte Wand
der Innenkammer von etwa 3500 K auf etwa 800 K, und in einer zweiten
Stufe eine zweite Kühlung
durch das Passieren des Schaltgases durch den Metallschaum von etwa
800 K auf etwa 300 K.
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In
der Ausgestaltung, in der die Innenkammer durch Öffnungen aufweisende Kammerwände ausgebildet
ist, kann ebenfalls vor gesehen sein, dass in der Innenkammer neben
dem Kontaktpaar Löschleitbleche
angeordnet sind und dass die Öffnungen
in der Innenkammer an der Seite der Innenkammer eingebracht sind,
an der sich die Löschleitbleche
befinden.
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Vorzugsweise
ist dabei die Seite der Innenkammer, in die die Öffnungen eingebracht sind,
durch ein Metallgitter realisiert.
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Alternativ
dazu kann aber auch vorgesehen sein, dass die Öffnungen in der Innenkammer über deren
gesamte Fläche
verteilt sind.
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Das
bedeutet natürlich
auch, dass die gesamte Innenkammer durch Kammerwände realisiert ist.
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Zum
Zweck der Absicherung der Vermeidung von austretenden Schaltgasen
im Bereich von Leitungsführungen
ist vorgesehen, dass die mit den Kontakten verbundenen Stromleitungen
derart gekapselt durch den Metallschaum hindurchgeführt sind,
dass sie innerhalb des Außengehäuses nicht mit
Schaltgasen in Kontakt kommen.
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Erfindungsgemäß wird außerdem eine Schalteinheit
mit offenen stromführenden
Bauelementen oder offenen stromführenden
Leitungsabschnitten zur Verfügung
gestellt, die wenigstens einen erfindungsgemäßen Leistungsschalter umfasst.
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Eine
solche Schalteinheit ist zum Beispiel ein Schaltschrank. Offene
Bauelemente oder Leitungsabschnitte sind dabei elektrische leitende
Elemente beziehungsweise Bauteile oder Bereiche von diesen, die
sich an der Atmosphäre
befinden, so dass bei Kontakt mit ionisiertem Schaltgas die Gefahr
der Lichtbogen- und Kurzschlussbildung besteht.
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Die
Schalteinheit kann dabei eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Leistungsschaltern
umfassen, wobei diese Leistungsschalter aneinander anliegend oder
in unmittelbarer Nähe
zueinander in der Schalteinheit angeordnet sein können.
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Durch
die Abgeschlossenheit beziehungsweise Gasundurchlässigkeit
der Leistungsschalter besteht keine Kurzschlussgefahr zu angrenzenden stromführenden
Bauteilen oder Elementen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines offenporigen
Metallschaums als Kühlstruktur
zur Wärmeableitung
aus in einem elektrischen Schaltprozess entstandenen Schaltgasen
in einem ein geschlossenes Außengehäuse umfassenden
Leistungsschalter.
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Hinsichtlich
der Montage des Metallschaums sowie der Möglichkeiten seiner Befestigung
im Leistungsschalter und seines konkreten Materials wird hiermit
ausdrücklich
Bezug genommen auf die
DE
10 2007 028 204 A1 .
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es
zeigt dabei die einzige Figur einen erfindungsgemäßen Leistungsschalter
in Schnittansicht von vorn.
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In
der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßer Leistungsschalter in Schnittansicht
dargestellt. Die Außenkontur
des Leistungsschalters 1 wird durch sein Außengehäuse 10 bestimmt.
In diesem Außengehäuse 10,
welches eine Außenkammer 40 ausbildet,
ist im Inneren eine Innenkammer 50 angeordnet. Zwischen
der Außenkammer 40 und
der Innenkammer 50 ist Me tallschaum 30 angeordnet.
Im Inneren der Innenkammer 50 sind zwei Kontakte 21 und 22 derart
relativ zueinander beweglich angeordnet, dass sie zum Öffnen und
Schließen
eines Stromkreises dienen. In der Figur ist ein beim Öffnen der Kontakte 21 und 22 entstandener
Lichtbogen 23 zwischen diesen Kontakten 21 und 22 dargestellt.
Dieser Lichtbogen 23 entsteht bei Kontaktöffnung und
entsprechend hohen anliegenden Spannungen und Stromstärken. An
die Kontakte 21 und 22 sind weitere Stromleitungen 70 angeschlossen.
Diese führen aus
der Innenkammer 50 sowie der Außenkammer 40 des Leistungsschalters 1 heraus.
Neben den Kontakten 21 und 22 sind Löschleitbleche 60 zur
Löschung
des Lichtbogens 23 angeordnet.
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In
der dargestellten Ausführungsform
wird die Innenkammer 50 durch Innenkammerwände 51 realisiert.
Das heißt,
dass der Metallschaum 30 zwischen der Innenwandung 11 des
Außengehäuses 10 und
den Innenkammerwänden 51 der
Innenkammer 50 angeordnet ist. Vorteilhafterweise liegt
der Metallschaum 30 an der Innenwandung 11 und
an den Innenkammerwänden 51 an.
Im Bereich der Löschleitbleche 60 weisen
die Innenkammerwände 51 Öffnungen 52 zur
Herausleitung der durch den Lichtbogen 23 entstandenen
Schaltgase in den die Innenkammer 50 umgebenden Metallschaum 30 auf.
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Das
heißt,
dass bei Entstehung eines Lichtbogens 23 zwischen den Kontakten 21 und 22 das
in der Innenkammer 50 enthaltene Gas, welches üblicherweise
Luft ist, derart erhitzt wird, dass Gasbestandteile als freibewegliche
Ladungsträger
vorhanden sind. Ein Austritt dieser freibeweglichen Ladungsträger aus
dem Leistungsschalter 1 würde eine Kurzschlussgefahr
zu umliegenden stromführenden Bauteilen
oder Bauelementen bewirken. Mittels des erfindungsgemäßen Leistungsschalters 1 lässt sich effektiv
eine Abkühlung
der Schaltgase erzielen sowie ein Austritt der Schaltgase aus dem
Leistungsschalter 1 vermeiden. Die durch den Lichtbogen 23 erzeugten
Schaltgase treten unter relativem hohen Druck durch die Öffnungen 52 in
den Innenkammerwänden 51 aus
der Innenkammer 50 heraus und in den Metallschaum 30 ein.
Durch die porenartige Struktur des Metallschaums 30 und
die damit zur Verfügung
gestellte große
Oberfläche
wird effektiv eine Abgabe an Wärmeenergie
vom Schaltgas an den Metallschaum realisiert. Das heißt, dass
im Wesentlichen eine zweistufige Abkühlung im Inneren des Leistungsschalters 1 vorgenommen
wird, nämlich
in einer ersten Stufe die Abgabe von Wärmeenergie vom Schaltgas an
die Innenkammerwände 51,
die, soweit sie mit Öffnungen 52 versehen
sind, wie Metallgitter wirken, und in einer zweiten Stufe durch
die Aufnahme von Wärmeenergie
im Metallschaum. Durch die Minderung der Temperatur um einen relativ großen Betrag
wird dementsprechend das Volumen der Schaltgase reduziert.
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Das
heißt,
dass durch die Abkühlung
eine Deionisierung der Schaltgase zum Zweck der Verhinderung der
Kurzschlussgefahr realisiert wird und außerdem aufgrund der temperaturbedingten
Volumenminimierung eine weitere Expansion der Schaltgase verhindert
wird, so dass die Schaltgase innerhalb des Außengehäuses 10 beziehungsweise
der Außenkammer 40 des
Leistungsschalters 1 gehalten werden können.
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Um
eine effiziente Abdichtung der Innenkammer 50 des Leistungsschalters 1 gegenüber der
Atmosphäre
zu erreichen, ist vorgesehen, dass wie in der Figur dargestellt
die Stromleitungen 70 durch Durchführungen 80, die sich
vom Innenraum des Leistungsschalters 1 bis an die äußere Umgebung erstrecken,
geführt
sind. Diese Durchführungen 80 sind
gegenüber
dem Metallschaum 30 gasundurchlässig ausgeführt. Ebenfalls ist eine Abdichtung
der Durchführungen 80 gegenüber der
Innenkammer 50 realisiert, so dass keine Schaltgase aus
dem Innenraum des Leistungsschalters 1 durch die Durchführungen 80 in
die äußere Umgebung
abströmen
können.
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- 1
- Leistungsschalter
- 10
- Außengehäuse
- 11
- Innenwandung
- 21,
22
- Kontakte
- 23
- Lichtbogen
- 30
- Metallschaum
- 40
- Außenkammer
- 50
- Innenkammer
- 51
- Innenkammerwände
- 52
- Öffnungen
- 60
- Löschleitbleche
- 70
- Stromleitungen
- 80
- Durchführungen