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Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einer Schalteinrichtung zum Auslösen einer Abtrenneinrichtung, wobei der Überspannungsableiter einen scheibenförmgien Varistor als Ableitelement und zwei Anschlussplatten mit zu diesen führenden Anschlusselementen aufweist, gemäß Merkmalskombination des Patentanspruchs 1.
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Es ist bekannt, zum Schutz überspannungsempfindlicher Geräte in Netz- und Datenleitungen Überspannungsableiter auf der Basis von Varistoren einzusetzen. Solche üblicherweise scheibenförmigen Varistorableiter besitzen häufig ein begrenztes Ableitvermögen und können bei Überlastung allmählich, aber auch schlagartig zerstört werden.
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Überspannungsableiter auf der Basis von Varistoren umfassen im Niederspannungsbereich im Regelfall eine interne Abtrennvorrichtung. Diese interne Abtrennvorrichtung besteht üblicherweise aus einer Kombination aus einer thermischen Abtrennvorrichtung sowie einer Sollbruchstelle oder Solltrennstelle für hohe Ströme. Eine solche Sollbruchstelle ist als definierte Engstelle des Anschlussquerschnitts des Varistors ausbildbar und besitzt einen bestimmten Schmelzintegralwert (I2t-Wert). Bei hohen abzuleitenden Impulsströmen schmilzt diese Engstelle. Das bewegliche Anschlussstück wird dann getrennt und infolge einer mechanischen Vorspannung vom Varistor entfernt und dadurch vom Netz isoliert.
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Derartige Abtrennvorrichtungen sind beispielsweise in der
DE 42 41 311 A1 oder in der
DE 38 05 889 A1 offenbart. Die thermische Abtrennfunktion wird bei diesen Dokumenten des Standes der Technik häufig von einer Lotverbindung zwischen dem Varistor und einem beweglichen, unter Federvorspannung stehenden Anschlussstück realisiert.
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Die
DE 36 06 287 A1 zeigt einen Überspannungsableiter mit Varistoren, welcher mit seinen zugehörigen Überstrom- bzw. Übertemperaturschutzeinrichtungen in einem gemeinsamen Block aus einem thermisch isolierenden Material vergossen ist.
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Vorstehende Maßnahme dient der Erhöhung der Widerstandsfestigkeit des gesamten Ableiters, insbesondere bei einer Varistorzerstörung infolge einer Beanspruchung oberhalb seiner Belastungsgrenze. Die Vergussmaßnahme soll insbesondere zu einer erhöhten Brandfestigkeit führen. Durch das Eingießen der Schutzeinrichtungen wird das Gesamtgeräte auch bei einer Überlastung dieser Einrichtungen geschützt. Allerdings besitzt der Ableiter nach
DE 36 06 287 A1 keine Abtrennvorrichtung mit einem unter Federvorspannung stehenden beweglichen Anschlussstück, welches bei Überlastung eine Trennstelle realisiert. Der dortige Stand der Technik ist also durch eine rein passive Schutzmaßnahme, welche infolge einer isolierenden Verdammung erzielt wird, gekennzeichnet.
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Die
CH 684 036 A5 zeigt eine Kurzschließeinrichtung für einen Überspannungsableiter, bei der zwischen den potenzialbehafteten Mitteln eines Überspannungsableiters eine isolierende Schicht angeordnet ist, welche im Fall eines Versagens des Überspannungsableiters schmilzt und dabei als Flussmittel für einen Schmelzkörper dient, der dann eine leitende Verbindung zwischen den potenzialbehafteten Mitteln herstellt.
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Aus der
DE 10 2006 052 955 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutz von Varistoren bekannt, bei der durch thermische Überwachung des Überspannungsableiters eine Kurzschließeinrichtung ausgelöst wird, wobei in bestimmten Anwendungen durch diesen Kurzschluss vorgelagerte Schalteinrichtungen ausgelöst werden. In der
EP 0 860 927 A1 wird eine konkrete Ausführungsform einer solchen Schaltung, bei der die Schutzvorrichtung in Form einer Schmelzsicherung im Querstrompfad angeordnet ist, offenbart.
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In Überspannungsableitern mit den bereits erläuterten Abtrenneinrichtungen wird häufig nur der Varistor mit einer entsprechenden isolierenden Masse vergossen. Die Abtrennvorrichtung mit dem beweglichen Anschlussstück befindet sich dann außerhalb des vergossenen Bereichs. Auch besteht die Möglichkeit, den Varistor mit einer isolierenden Lackschicht zu versehen. Ebenfalls ist es bekannt, den Bereich zwischen Varistor und Abtrennvorrichtung durch eine Wand zu trennen. Hier sei beispielsweise auf die
DE 37 34 214 A1 aufmerksam gemacht.
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Weiterhin ist es bekannt, die Erwärmung eines Varistors bei Überlastung in eine mechanische Bewegung umzuwandeln. Eine solche Lösung ist in der
DE 36 32 224 A1 beschrieben. Bei der dortigen Überspannungsschutzeinrichtung muss in der Zuleitung ein Schalter integriert werden, welcher impulsstromfest ausgeführt ist und der keine Verschweißneigung aufweisen darf. Der Hubweg entspricht dabei nur der Ausdehnung des verwendeten Materials. Eine Verlängerung der Trennstrecke ist nur begrenzt möglich und erfolgt außerordentlich langsam, wodurch das Schaltvermögen der Trennstrecke selbst reduziert bleibt. Im Falle eines Überschlags bzw. eines Durchschlags des Varistors ist mit hohen Strömen zu rechnen, so dass ein erhöhtes Schaltvermögen an sich von Vorteil wäre.
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Die indirekte Betätigung des Schalters erfordert einen erheblichen Mehraufwand ebenso wie die vorgeschlagene direkte Durchtrennung eines Sicherungsstreifens. Die Ausdehnung eines an sich festen Stoffes infolge einer Wärmeeinkopplung oder Wärmeeinwirkung erfolgt im Übrigen nur sehr verzögert, wodurch eine im Schadensfall benötigte, an sich schnelle Abtrennung nicht realisierbar ist. Auch ist die in der
DE 36 32 224 A1 erläuterte notwendige bewegliche Lagerung der Varistoren, um den notwendigen Ausdehnungshub zu realisieren, problematisch. Es besteht zudem die Gefahr, dass heißes Gas entweichen kann, wodurch die an sich notwendige Erwärmung des Varistors zum Auslösen der Trennstelle nicht mehr möglich ist oder nur noch eingeschränkt erfolgen kann.
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Nachstehend sei zusammenfassend erläutert, welches Verhalten bei Varistoren gemäß unterschiedlichen Fehlern auftritt.
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Bei einer allmählichen Erwärmung eines Varistors, z. B. durch Alterung oder eine geringe Spannungsüberhöhung, spricht im Regelfall die thermische Abtrennvorrichtung nach mehreren Sekunden an. Das Kernelement einer solchen thermischen Abtrennvorrichtung ist im Regelfall ein Lot, welches schmilzt, wodurch die unter Federkraft stehende Abtrennvorrichtung öffnet. Der Varistor besitzt bei diesem Fehlerfall noch einen sehr hohen Widerstand, wodurch der Strom durch den Varistor stark begrenzt wird. Die Abtrennvorrichtung kann diese Ströme im Allgemeinen problemlos unterbrechen und somit den überlasteten Ableiter vom Netz trennen, ohne dass eine weitere Überstromschutzeinrichtung anspricht oder erforderlich ist. Die Netzversorgung des Verbrauchers wird hierbei nicht unterbrochen oder gestört. Es muss lediglich der defekte Überspannungsableiter bei einer Wartung ausgetauscht werden.
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Wird der Ableiter hingegen durch eine hohe Impulsbelastung überlastet, jedoch nicht zerstört oder überschlagen, kann einerseits die thermische Abtrennvorrichtung, wie erläutert, zu einer verzögerten Abtrennung führen oder es wird der Schmelzintegralwert der Engstelle erreicht, wodurch diese schmilzt und den Ableiter sicher vom Netz trennt.
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Wird der Ableiter durch eine erhöhte netzfrequente Spannung oder einen Stoßstrom innerhalb kürzester Zeit zerstört oder überschlagen, können Fehlerströme auftreten, welche nicht zwangsweise zum Ansprechen der Abtrennstelle führen. Aufgrund der undefinierten Impedanz, welche ein defekter oder überschlagener Varistor besitzt, kann der resultierende Fehlerstrom selbst bei definierten Netzverhältnissen stark schwanken. Da die Abtrennvorrichtung bei diesen Belastungen unter Umständen passiv bleibt, kann dies zu einer erheblichen Schädigung des Ableiters führen, bevor eine externe Schutzvorrichtung anspricht.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Überspannungsableiter mit einer Schalteinrichtung zum Auslösen einer Abtrenneinrichtung anzugeben, wobei insbesondere ein Varistor als Ableitelement anzugeben ist, sodass es ermöglicht wird, nach Schädigung des Varistors definierte Impedanzverhältnisse zu schaffen. Diese definierten Impedanzverhältnisse sollen im Kurzschlussfall gegeben sein, welcher durch den erfindungsgemäßen Überspannungsableiter hergestellt wird, wenn ein Ableitelement innerhalb kürzester Zeit zerstört oder überschlagen wird. Weiterhin soll der Überspannungsableiter mit einer Schalteinrichtung in der Lage sein, den Leistungsumsatz und die Zeitdauer eines Störlichtbogens zu reduzieren, so dass gleichzeitig ein sicheres Ansprechen einer Abtrennvorrichtung bzw. einer internen oder externen Überstromschutzeinrichtung realisierbar ist.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach der Lehre des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Zieles werden im Bereich der erwarteten Zerstörung des Varistors oder vollflächig neben dem Varistor, einseitig oder beidseitig oder aber auch innerhalb einer Durchführung durch den Varistor die Anschlusspotentiale so geführt, dass eine starke Erwärmung bzw. die Wirkung eines Lichtbogens einen Kurzschluss zwischen diesen Anschlusspotential-Zuführungen bewirkt. Hierbei ist mindestens eine Anschlusspotential-Zuführung impedanzbehaftet ausgeführt, so dass der erzeugte Kurzschluss ebenfalls definiert impedanzbehaftet ist.
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Es wird also in einem ersten Schritt eine Begrenzung der Lichtbogenbrenndauer realisiert, d. h. der im Schadensfall entstehende Lichtbogen wird schnellstmöglich gelöscht bzw. es wird seine Lichtbogenspannung auf ein Minimum begrenzt. Hierdurch wird der Leistungsumsatz und die Schadensausbreitung infolge der thermischen Wirkung des Lichtbogens wirksam eingeschränkt.
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Danach wird der Fehlerstrom, ohne eine extreme Schädigung des Überspannungsableiters zu bewirken, so lange geführt, bis eine externe Schutzeinrichtung diesen Fehlerstrom unterbricht. Gegebenenfalls kann hier auch eine interne Schutzeinrichtung vorhanden sein.
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In Niederspannungsnetzen mit hoher Kurzschlussleistung können die Kurzschlussströme bei der Realisierung eines metallischen Kurzschlusses im Bereich von mehreren 10 kA liegen. Die dynamische Beherrschung solcher Ströme ist problematisch und erfordert einen hohen Aufwand hinsichtlich des eigentlichen Kurzschließers und aller stromführenden Teile. Neben diesen erheblichen Mehraufwendungen zur thermischen und dynamischen Beherrschung der Ströme werden zudem Anforderungen an die Schutzeinrichtung gestellt, um diesen Fehlerstrom sicher abzuschalten. Üblicherweise muss eine Abschaltung der erwähnten Ströme mit leistungsfähigen externen oder internen Überstromschutzeinrichtungen erfolgen. Eine solche Abschaltung gefährdet jedoch die Sicherheit der Netzversorgung.
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Durch die Realisierung einer Impedanz im Kurzschlussfall, d. h. im Kurzschlusspfad, können die Anforderungen hinsichtlich der thermischen und dynamischen Belastungen sowie dem Schaltvermögen der internen oder externen Schutzeinrichtungen deutlich reduziert werden.
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Die Höhe der Impedanz ist dabei so bemessen, dass die noch möglichen Fehlerströme kleiner als das Schaltvermögen einer internen Abtrennvorrichtung bzw. einer internen Überstromschutzeinrichtung sind, wodurch bei entsprechender Selektivität die Netzversorgung gewährleistet bleibt. Der Wert bzw. das zeitliche Verhalten der Impedanz ist dabei lediglich so abgestimmt, dass das primäre Ziel der Reduzierung des Leistungsumsatzes des brennenden Lichtbogens auf ein unkritisches Maß erreicht wird.
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Es werden also die Stromzuführungsmittel des Überspannungsableiters an mindestens einer Stelle im, am oder in unmittelbarer Nähe des entsprechenden Ableitelements so geführt, dass im Überlastfall ein Kurzschluss zwischen den Stromzuführungsmitteln ausgelöst wird, wobei mindestens eines der Stromzuführungsmittel widerstandsbehaftet ist. Zwischen den Stromzuführungsmitteln befindet sich eine im Überlastfall zerstörte oder entfernte Isolation.
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Die Position der Stromzuführungsmittel zum Erhalt eines definiert impedanzbehafteten Kurzschlusses im Störungsfall befindet sich an einer Stelle erhöhter Erwärmung und/oder Ausbildung des Störlichtbogens.
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Die Isolation kann aus einem sich bei Erwärmung verformenden oder schmelzenden Material bestehen.
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Erfindungsgemäß sind die Stromzuführungsmittel als gegenpolige Anschlussplatten ausgebildet, welche mindestens abschnittsweise parallel zu den an sich vorhandenen Anschlusskontaktflächen eines scheibenförmigen Varistors als Ableitelement verlaufen.
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In diesem Falle befindet sich zwischen den jeweiligen Anschlusskontaktflächen und der jeweiligen gegenpoligen Anschlussplatte die vorerwähnte Isolation, die im Störungsfall zerstört oder entfernt wird.
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Mindestens eine der gegenpoligen Anschlussplatten oder ein zu dieser führendes Anschlusselement ist widerstandsbehaftet.
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Die potentialbehafteten Stromzuführungsmittel können unter einer mechanischen Vorspannung stehen, um im Störungsfall eine schnelle Relativbewegung zum Auslösen des Kurzschließers zu erzielen.
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Erfindungsgemäß wird die vorgestellte Schalteinrichtung zum Auslösen einer Schutzvorrichtung mit einer an sich bekannten internen Abtrennvorrichtung kombiniert. Diese Abtrennvorrichtung kann ein bewegliches, leitfähiges oder leitfähige Abschnitte aufweisendes Schaltelement umfassen, welches unter mechanischer Vorspannung stehend durch eine Fixiereinrichtung gehalten ist, wobei die Fixiereinrichtung bei Erwärmung das Schaltelement freigibt, so dass dieses mindestens einen Überspannungsableiter-Anschlusskontakt vom Netz trennt.
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Die erwähnte Fixiereinrichtung kann sich im Bereich einer zusätzlichen abbrandfesten und druckstabilen Umhausung des Überspannungsableiters befinden, wobei die Umhausung im Falle eines entstehenden Lichtbogens Temperatur- und/oder Gaswirkungen des Lichtbogens sammelt oder bündelt.
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Es sei an dieser Stelle darauf aufmerksam gemacht, dass der erfindungsgemäße Überspannungsableiter sowohl mit einer bekannten internen thermischen Abtrennvorrichtung des Standes der Technik kombiniert werden kann, aber auch die Möglichkeit besteht, die thermische Abtrennvorrichtung als sehr schnell reagierende Einrichtung auszubilden, und zwar auf der Basis eines thermisch entkoppelten Fixierelements mit temperatursensibler Befestigung.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Figur näher erläutert werden.
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Die Figur zeigt hierbei einen Querschnitt durch einen stilisierten scheibenförmigen Varistor 1, wobei hinter den Anschlussplatten 2'; 3' des Varistors 1 jeweils ein weiteres gegenpoliges Anschlusselement 2''; 3'', z. B. eine Platte mit Gegenpotential zur jeweiligen Anschlussfläche des Varistors 1 befindlich ist.
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Bei besonders engen Platzverhältnissen kann das jeweilige gegenpolige Anschlusselement 2''; 3'' noch durch eine Isolation 4 von der entsprechenden Anschlussfläche des Varistors 1 getrennt sein.
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Bei der Entstehung des Lichtbogens wird die Isolation 4 geschädigt und es erfolgt ein Überschlag zwischen der Varistoranschlussfläche 2'; 3' und dem jeweiligen gegenpoligen Anschlusselement 2'' bzw. 3''. Hierdurch wird der Lichtbogen und die Schadenswirkung stark begrenzt. Die jeweiligen Anschlussplatten können so ausgeführt werden, dass sie im Kurzschlussfall miteinander verschweißen, wodurch der Lichtbogen sicher verlöscht.
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Die Isolation 4 kann so ausgelegt werden, dass sie thermisch bei bestimmten Temperaturen anspricht und z. B. schmilzt.
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Darüber hinaus kann ein am Varistor 1 mittels Lot oder Ähnlichem befestigtes, unter Federvorspannung stehendes Element die Isolationsstrecke überbrücken und so eine mögliche Isolation zerstören.
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Für eine schnelle Verschweißung der gegenpoligen Elemente ist auch das Vorsehen einer Druckkraft günstig.
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Es ist ebenso vorteilhaft, wenn das Isolationsmaterial entweder schnell selbst eine großflächige Kontaktfläche erzeugt, was z. B. durch Schrumpfen oder Verbrennen erfolgen kann oder indem das Isolationsmaterial verdrängt oder mechanisch entfernt wird.
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Bei der vorgeschlagenen Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel kann der Kurzschlussstrom im einfachsten Fall bereits dadurch reduziert werden, dass die gegenpoligen Anschlusselemente 2''; 3'' selbst oder deren Zuführungen aus widerstandsbehafteten Materialien bestehen. Es ist bei der diesbezüglichen Auslegung von Vorteil, wenn die Impedanz des resultierenden Kurzschlusspfads durch geeignete Materialien und Methoden erhöht wird, um den Strom gegenüber dem prospektiven Kurzschlussstrom des Netzes zu begrenzen.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Figur wird von quasi gegenüberliegenden, mindestens abschnittsweise parallel verlaufenden Platten, die ein Gegenpotential führen, ausgegangen.
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Alternativ ist es aber auch möglich, drahtförmige Anschlusszuleitungen über eine Annäherungsstelle unter Zwischenschaltung einer Isolation zu führen, wobei durch thermische Einwirkungen im Störungsfall nach Zerstörung der Isolation es zum gewünschten definierten Kurzschluss kommt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Möglichkeit, dass die Isolationsfolie 4 durch spezielle Hilfsmittel gezielt geschädigt werden kann. Eine Ausführungsform kann z. B. ein auf dem Varistor 1 unter Federvorspannung, z. B. Eigenspannung eines Federblättchens, durch Lot oder Wachs gehaltenes Element mit Dorn umfassen. Bei einer thermischen Aktivierung wird der Dorn freigegeben und mittels einer Durchführung in den direkt auf dem Varistor liegenden Blechen 2'; 3' die Folie 4 geschädigt bzw. durchdrungen. Hierdurch wird schlagartig die Isolation 4 zwischen den Blechen 2' und 3'' bzw. 3' und 2'' beseitigt und es entsteht sehr schnell der gewünschte Kurzschluss. Die sich ausbildende Kontaktfläche zwischen den Elementen 2' und 3'' bzw. 3' und 2'' kann sich nach dem Durchdringen durch Abbrand auf die komplette Fläche der Bleche ausdehnen.
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Der in der Figur dargestellte Varistor 1 kann als lackisolierter Varistor inklusive Anschlussbleche z. B. mit üblichen Blendrahmen ausgeführt sein. Die Anschlussplatten 2' und 3' können das Potential der entsprechenden Varistorseite, auf der sie unmittelbar mit den Varistorblechen verbunden sind, besitzen. Bei dieser Ausführungsform sind die Anschlussplatten 2' und 3' als Stromzuführungsmittel in üblicher Weise nutzbar. Die jeweils gegenüberliegenden Abwinklungen der Anschlusselemente 2'' und 3'', welche durch die Isolationsfolie vom jeweils gegenüberliegenden potentialbehafteten Element 2' und 3' getrennt sind, werden im üblichen Betriebszustand nicht in die Stromzuführung eingebunden, sondern führen Strom ausschließlich im Kurzschlussfall. Insofern können die potentialbehafteten Mittel zwar als Stromzuführungsmittel ausgebildet sein, jedoch ist diese Ausbildung als Stromzuführungsmittel nicht zwingend notwendig.
