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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung für die Energietechnik
zum Anschluss von Stromschienen und/oder Kabeln mit einem elastischen
Isolierkörper
in welchen ein Grundgerüst, umfassend
eine mindestens annährend
zentral angeordnete Befestigungsarmatur, wobei die Befestigungsarmatur
von einer ersten Leiterverbindungsarmatur und einer zweiten Leiterverbindungsarmatur entlang
einer Längsachse
beabstandet angeordnet ist, eingebracht ist, wobei der Isolierkörper einen elektrischen
Innenleiter elektrisch isoliert umschliesst, die Vorrichtung mittels
der mindestens zentral angeordneten Befestigungsarmatur an einer
Gehäuse-
oder Gebäudewand
lösbar
verbindbar befestigbar ist und elektrische Stromschienen und/oder Kabel
beidseitig an einem ersten Anschlusskopf der ersten Leiterverbindungsarmatur
und an einem zweiten Anschlusskopf der zweiten Leiterverbindungsarmatur
kontaktierbar sind.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen
für die
Energietechnik zum Anschluss von Stromschienen und/oder Kabeln,
die Hoch- und Höchstspannungen
führen,
insbesondere für
Freileitungen mit anliegenden Spannungen bis zu einigen hundert
kV, werden in der Elektrotechnik und Energietechnik schon seit langem
verwendet und weisen einen Isolierkörper auf, welcher durch Leiterverbindungsarmaturen
abgeschlossen ist, wobei Leiter an den Leiterverbindungsarmaturen
kontaktiert werden können.
Ein durch den Isolierkörper
verlaufender Innenleiter gewährleistet
ein kurzschlussfreies Durchführen
von Stromschienen und/oder Kabeln durch eine Gebäudewand oder durch eine Gehäusewand
in ein Elektrogerät
hinein.
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Gemäss Stand
der Technik besteht der Isolierkörper
häufig
aus einem geschlossenen Porzellangehäuse, welches eine mechanische
Stabilisierung der Vorrichtung gewährleistet. Diese Ausgestaltung
des Isolierkörpers
führt zu
mechanisch robusten Vorrichtungen zum Anschluss von Hochspannungskabeln,
wobei das Porzellan bekannte Nachteile aufweist. Bekannte Vorrichtungen
weisen Füllungen
aus Isolierflüssigkeiten
auf, welche die Hochspannungsfestigkeit sicherstellen. Die elektrische
Feldsteuerung wird durch ein oder mehrere, elektrisch leitende, separat
platzierte Steuerteile oder Geometrien sichergestellt. Isolierflüssigkeiten,
wie Oel oder Gel dienen aber nur der Verbesserung der elektrotechnischen
Eigenschaften und leisten keinen Beitrag zur mechanischen Stabilität. Aufgrund
von elektrischer Überbeanspruchung
und/oder mechanischen Instabilitäten
kann es zu Brüchen
und Zerstörungen
der aus Keramik hergestellten Vorrichtungen kommen, wobei es durch
herabfallende und herumliegende Bauteile und durch auslaufende Isolierflüssigkeit
zu Umweltbelastungen und weiteren Problemen kommen kann. Nachteilig
ist auch, dass Oel oder Gel bei der Endmontage auf der Baustelle
eingefüllt
werden muss.
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Neuere
Vorrichtungen der Energietechnik verzichten auf Keramikmaterial.
Diese Vorrichtungen weisen ein mechanisch stabiles Grundgerüst aus Glasfaserrohren
auf, welches beispielsweise von Silikon als Beschirmungsmaterial
umschlossen und mit herkömmlichem
Isolierflüssigkeit
gefüllt
wird.
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Neben
der Elastizität
weist Silikon eine hohe Durchschlagfestigkeit und eine sehr gute
Witterungsbeständigkeit
auf und hat wegen der Hydrophobie ein ausgezeichnetes Oberflächenverhalten
hinsichtlich Kriechstromfestigkeit. Der blosse Ausstausch des Porzellans
durch Silikon führt
aber zu einer Verschlechterung der mechanischen Stabilität der Vorrichtung
zur Kontaktierung von Hochspannungskabeln.
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Die
gemäss
Stand der Technik verwendeten Vorrichtungen haben die vorstehend
erwähnten,
bekannten Nachteile, sind aus mehrteiligen, losen Komponenten aufgebaut
und stellen hohe Anforderungen an die Monteure vor Ort.
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Durch
den Einsatz von Silikon konnte zwar eine Gewichtsreduktion erreicht
werden und das hervorragende Fremdschichtverhalten von Silikonkautschuk
genutzt werden, aber die bisher bekannten Grundgerüste zur
mechanischen Stabilisierung entsprechen im Bezug auf die mechanische
Stabilität nicht
den gewünschten
Anforderungen. Bisherige Grundgerüste umfassen Glasfaserrohre
und/oder separat angeordnete ausserhalb der Vorrichtung befindliche
Stützisolatoren,
deren Verwendung teilweise zu sehr grossen unhandlichen und aufwändigen Aufbauten
führen.
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Darstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt eine Vorrichtung
zur Verbindung und Durchleitung von Hoch- und Höchstspannungen führenden
Stromschienen und/oder Kabeln in der Energietechnik zu schaffen,
welche witterungsbeständig, leicht
aber trotzdem mechanisch stabil, kostengünstig herstellbar und einfach
bzw. betriebssicher montierbar, aufgrund fehlender Isolierflüssigkeit
oder fehlendem Gel umweltschonend und in nahezu beliebiger Orientierung
verwendbar ist.
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Diese
Aufgabe und eine einfache Ankopplung von Leitern, eine gewünschte Feldstärkesteuerung,
sowie eine verbesserte Betriebssicherheit erfüllt eine Vorrichtung mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit
den anliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
während
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2 eine
teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform
mit unterschiedlich geformtem ersten und zweiten Teil des Isolierkörpers zeigt.
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3 zeigt
das Grundgerüst
ohne Isolierkörper
in einer Aufsicht, während
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4 einen
Radialschnitt entlang der Linie A-A aus 3 zeigt,
wobei die relativ zueinander versetzt angeordneten ersten und zweiten
Isolierstäbe sichtbar
sind.
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Beschreibung
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Es
wird eine Vorrichtung 1 für die Energietechnik beschrieben,
welche mit Stromschienen und/oder Kabeln verbindbar ist, wodurch
eine elektrisch leitende Verbindung von zwei Leitern durch eine
Gehäuse- oder Gebäudewand
hindurch erreichbar ist.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst ein Grundgerüst 8 mit einer ersten
Leiterverbindungsarmatur 4, welche von einer zweiten Leiterverbindungsarmatur 5 beabstandet
angeordnet ist, wobei ein Innenleiter 6 etwa entlang einer
Längsachse
L zwischen der ersten und der zweiten Leiterverbindungsarmatur 4, 5 verlaufend
angeordnet ist.
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Zwischen
der ersten und zweiten Leiterverbindungsarmatur 4, 5 befindet
sich eine Befestigungsarmatur 3, welche elektrisch isoliert
vom Innenleiter 6 gequert wird, wobei die Befestigungsarmatur 3 relativ
zur Längsachse
L mindestens annähernd zentral
angeordnet ist. Die Befestigungsarmatur 3 umfasst mindestens
einen Befestigungsflansch 30, welcher zur späteren Befestigung
der Vorrichtung an einer Gehäuse-
oder einer Gebäudewand
dient.
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Zur
Stabilisierung der Vorrichtung 1 gegen in alle Richtungen
wirkende Biege-, Druck- und Zugkräfte ist eine Mehrzahl von Isolierstäben vorgesehen,
welche einen Teil des Grundgerüstes 8 bilden.
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Die
Befestigungsarmatur 3 beinhaltet mindestens einen Befestigungsflansch 30,
an welchem eine Mehrzahl von ersten Isolierstäben 71 und/oder eine
Mehrzahl von zweiten Isolierstäben 72 befestigbar
ist. Die ersten Isolierstäbe 71 sind
derart angeordnet, dass sie von der Befestigungsarmatur 3 unter einem
Winkel α in
Richtung der ersten Leiterverbindungsarmatur 4 weisend
an der ersten Leiterverbindungsarmatur 4 befestigt sind.
Entsprechend sind die zweiten Isolierstäbe 72 zwischen Befestigungsarmatur 3 und
der zweiten Leiterverbindungsarmatur 5 unter einem Winkel β vom Befestigungsflansch 30 in Richtung
zweite Leiterverbindungsarmatur 5 ragend befestigt. Die
gewählten
Winkel α und β können gleich
gross oder unterschiedlich gewählt
sein. Diese erfindungsgemässe
Lösung
erlaubt eine einfache Richtungsänderung
der Isolierstäbe 71, 72 von
der gemeinsamen Befestigungsarmatur 3 hin zu den Leiterbefestigungsarmaturen 4, 5.
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Das
Grundgerüst 8 ist
von einem Isolierkörper 2 aus
elastischem Isolierkörpermaterial
teilweise oder vollständig
umgeben und bildet im späteren
Betrieb das Dielektrikum eines Kondensators, wobei die erste und
zweite Leiterverbindungsarmatur 4, 5 auf Hochspannung
liegen und die Befestigungsarmatur 3 auf Erdpotential liegt.
Der Isolierkörper 2 kann
wahlweise einstückig
oder mehrstückig
ausgestaltet sein, wobei die geforderte elektrische Hochspannungsisolation
zwischen der Befestigungsarmatur 3 und der ersten und zweiten
Leiterbefestigungsarmatur 4, 5 gewährleistet
sein muss.
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Der
in 1 dargestellte Isolierkörper 2 weist einen
ersten Teil 21 des Isolierkörpers 2 auf, welcher
in der Darstellung nach oben von der Befestigungsaramtur 3 beabstandet
angeordnet ist und beispielsweise von der Aussenseite eines Gehäuses atmosphärenseitig
wegragt. Ein zweiter Teil 22 des Isolierkörpers 2 ist
unterhalb der Befestigungsarmatur 3 beispielsweise in ein
Gehäuse
hineinragend orientiert. Der erste und der zweite Teil 21, 22 des
Isolierkörpers 2 ist
in 2 zu erkennen, einstückig zusammenhängend ausgeführt.
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Der
erste und der zweite Teil 21, 22 sind jeweils
konisch, sich in Richtung der ersten und der zweiten Leiterverbindungsarmatur 4, 5 verjüngend ausgestaltet,
wie in den 1 und 2 erkennbar. Die äussere Form
des ersten und zweiten Teils 21, 22 des Isolierkörpers 2 könnte aber
zylindrisch oder anders ausgeführt
sein. Die Längen
und die Durchmesser der ersten und der zweiten Leiterverbindungsarmatur 4, 5 müssen auf
den gewünschten
Isolationspegel abgestimmt ausgestaltet werden.
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Der
Isolierkörper 2 kann
beispielsweise aus Silikon gefertigt sein, wobei der erste Teil
des Isolierkörpers 21 und/oder
der zweite Teil des Isolierkörpers 22 angeformte
umlaufende Schirmlippen 10 aufweisen kann. Die umlaufenden
Schirmlippen 10 weisen stetig grösser werdende Schirmdurchmesser
und speziell geformte Schirmradien auf. Im Falle des Betriebes der
Vorrichtung teilweise oder ganz im Freien wird bei einer Benetzung
mit Wasser nicht die gesamte Aussenwand des Isolierkörpers 2 benetzt, sondern
nur ein Teil der benachbart liegenden Schirmlippe 10, wodurch
die Schirmlippen 10 die Benetzung reduzieren. Die Form
der Schirmradien mit zugehörigen
Abreisskanten verhindert, dass die Schirmlippen 10 auf
den, der Befestigungsarmatur 3 zugewandten Seite durch
Adhäsionskraft
oder Kapilarwirkung benetzt werden. Die in 2 dargestellte bevorzugte
Ausführungsform
zeigt einen zweiten Teil des Isolierkörpers 22', welcher konisch
geformt ist und keine Schirmlippen 10 aufweist. Dieser
zweite Teil des Isolierkörpers 22' ist bevorzugt
innerhalb eines Gehäuses
angeordnet, sodass kein Schutz vor Flüssigkeiten benötigt wird.
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Im
Bereich des Befestigungsflansches 3 befindet sich ein in
den Isolierkörper 2 hineinragender Steuerkörper 16,
welchee die Feldsteuerung und die Isolierung des Innenleiters 6 gegen
den Befestigungsflansch 3 gewährleistet. Ein elastischer
elektrisch leitfähiger
Erddeflektor 15 ist, einen Teil des Steuerkörpers 16 bildend,
in den Isolierkörper 2 hineinragend
angeordnet. Der Steuerkörper 16 gewährleistet
in Kombination mit dem am Befestigungsflansch 3 anvulkanisierten
Erddeflektor 15, dass die auftretenden Feldstärken im
zulässigen
Bereich und damit beherrschbar bleiben und die gewünschte Spannungsfestigkeit
erreicht wird.
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Die
Isolierstäbe 7 sind
derart am Befestigungsflansch 30 befestigt, dass die radiale
Ausrichtung der ersten Isolierstäbe 71 im
ersten Teil 21 des Isolierkörpers 2 entlang des
Umfangs des Befestigungsflansches 30 relativ zur Längsachse
L von der radialen Ausrichtung der zweiten Isolierstäbe 72 im zweiten
Teil 22 des Isolierkörpers 2 abweicht.
Diese unterschiedliche radiale orientierte Ausrichtung der ersten
und zweiten Isolierstäbe 71, 72 ist
in 4 erkennbar. In der hier gezeigten Ausführungsform weist
die Befestigungsarmatur 3 einen Befestigungsflansch 30 auf,
in welchem die ersten Isolierstäbe 71 und
die zweiten Isolierstäbe 72 versetzt
voneinander platziert und befestigt sind. Der Befestigungsflansch 30 weist
darüber
hinaus noch Befestigungsmittel auf, mit welchen der Befestigungsflansch 30 am
Steuerkörper 16 befestigt
ist.
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Durch
die dargestellte radial verdrehte versetzte Anordnung der ersten
und zweiten Isolierstäbe 71, 72 in
der Befestigungsarmatur 3 und hier in dem entsprechend
ausgestalteten Befestigungsflansch 30, ist eine geringe
Bauhöhe
des Befestigungsflansches 30 und damit eine kompakte Bauweise
der Befestigungsarmatur 3 möglich. Durch eine möglichst geringe
Dicke der Befestigungsarmatur 3 kann die gesamte Bauhöhe der Vorrichtung 1 minimal
auf die zu führende
Hochspannung angepasst, gehalten werden.
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Da
die bei einem elektrischen Kurzschluss auftretenden Biege-, Zug- oder Druckkräfte auf
den ersten Teil 21 und den zweiten Teil 22 des
Isolierkörpers 2 wirken,
ist die Einbringung von ersten und zweiten Isolierstäben 71, 72 notwendig,
um die Kräfte beidseitig
abzufangen. Die auftretenden Kräfte
werden durch beim Kurzschluss auftretende Magnetfelder erzeugt,
deren Richtungen oberhalb und unterhalb der Befestigungsarmatur 3 im
ersten und zweiten Teil 21, 21 des Isolierkörpers 2 unterschiedlich sein
können.
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In
den beispielhaft gezeigten Ausführungsformen
der erfindungsgemässen
Vorrichtung sind elf erste Isolierstäbe 71 die erste Leiterverbindungsarmatur 4 mit
der Befestigungsarmatur 3 verbindend und entsprechend elf
zweite Isolierstäbe 71 die
zweite Leiterverbindungsarmatur 5 mit der Befestigungsarmatur 3 verbindend
vorgesehen, wobei der Durchmesser jedes Isolierstabes 71, 72 etwa
12 mm beträgt.
Der an der ersten und zweiten Leiterverbindungsarmatur 4, 5 befestiget
Innenleiter 6 ist konzentrisch und isoliert im Isolierkörper 2 eingebettet
durch die Befestigungsarmatur 3 elektrisch isoliert geführt.
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Die
erste Leiterverbindungsarmatur 4 weist einen erste Anschlusskopf 40 auf,
welcher direkt auf dem ersten Teil 21 des Isolierkörpers 2 form- und/oder
kraftschlüssig
verbunden fixiert ist. Am Anschlusskopf 4 ist eine erste
Leiterbefestigung 400 vorgesehen, welche mit einem Hochspannung
führenden
Leiter verbindbar ist. Entsprechend weist die zweite Leiterverbindungsarmatur 5 einen
zweiten Anschlusskopf 50 mit einer zweiten Leiterbefestigung 500 auf.
Neben den hier dargestellten stiftartigen Ausgestaltungen der ersten
und zweiten Leiterbefestigungen 400, 500 sind
auch buchsenartige oder mit Kupplungen versehene Leiterbefestigungen
einsetzbar.
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Die
Mehrzahl von Isolierstäben 71, 72,
welche jeweils zwischen der ersten Leiterverbindungsarmatur 4 und
der Befestigungsarmatur 3 und zwischen der zweiten Leiterverbindungsarmatur 5 und
der Befestigungs 3 aufgespannt sind, sind in den Isolierkörper 2 eingebettet
und jeweils lösbar
oder unlösbar befestigt.
Durch die Isolierstäbe 71, 72 wird
eine Bewehrung oder Armierung des Isolierkörpers 2 geschaffen,
da die Isolierstäbe 71, 72 dem
Isolierkörper 2 eine
gesteigerte Druck- und Zugfestigkeit verleihen. Die Isolierstäbe 71, 72 sind
mit Befestigungsmitteln in der Befestigungsarmatur 3 und
den Leiterverbindungsarmaturen 4, 5 form- und/oder
kraftschlüssig
befestigt.
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Die
Bauform des Grundgerüstes 8 ist
zwischen erster Leiterverbindungsarmatur 4 und Befestigungsarmatur 3,
sowie zwischen zweiter Leiterverbindungsarmatur 5 und Befestigungsarmatur 3 in vorteilhafter
Weise konisch ausgestaltet und zwar in diejenige Richtung, in welche
ein zunehmendes Widerstandsmoment erwünscht ist. Die teilweise konische
Bauform des Grundgerüstes 8 bedingt
eine gewinkelte Stellung der Isolierstäbe 71, 72 mit
einem Winkel α bzw. β kleiner
als 90° zwischen
Isolierstäben 71, 72 und
Befestigungsflansch 30 und einem Winkel grösser als α bzw. β = 90° zwischen
Isolierstäben 71, 72 und
erster bzw. zweiter Leiterverbindungsarmatur 4, 5.
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Die
Vorrichtung 1 bildet durch das vom Isolierkörper 2 teilweise
umschlossene Grundgerüst 8 vor
allem durch die Einbettung der Isolierstäbe 71, 72 eine
stabile armierte Einheit. Bei Biegebeanspruchung werden einige Isolierstäbe 71, 72 auf
Zug beansprucht, andere auf Druck. Die im Isolierkörper 2, beispielsweise
aus Silikon, auf die gesamte Länge aufgespannt
eingebetteten Isolierstäbe 71, 72 können nur
sehr schwerlich auslenken oder gar ausknicken.
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Herstellungsverfahren:
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Zuerst
wird das Grundgerüst 8 erstellt.
Dabei werden erste und zweite Leiterverbindungsarmatur 4, 5 mittels
erster und zweiter Isolierstäbe 71, 72 mit der
Befestigungsarmatur 3 verbunden. Anschliessend wird der
Innenleiter 6 etwa entlang der Längsachse L das Grundgerüst 8 querend
verlaufend angeordnet und mit der ersten und zweiten Leiterverbindungsarmatur 4, 5 verbunden.
Optional wird die Feldsteuerung im Bereich der Befestigungsarmatur 3 in das
Grundgerüst 8 eingebracht.
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Das
Grundgerüst 8 wird
anschliessend in einer geeigneten Form mit dem Isoliermaterial des
Isolierkörpers 2 gefüllt und
alle Komponenten irreversibel vulkanisiert. Das Isoliermaterial
bildet die isolierende Schicht des Isolierkörpers 2, wobei die
Isolierstäbe 71, 72 entsprechend
vom Isoliermaterial umgeben und in den Isolierkörper 2 vollständig eingebettet sind.
Nach der Aushärtung
des Isolierkörpermaterials bildet
das Grundgerüst 8 und
der Isolierkörper 2 ein Verbundsystem,
welches im Betrieb, einerseits Fertigungstoleranzen, thermische
Massänderungen
und zulässige
Biegung im elastischen Bereich kompensiert und damit mechanisch äusserst
stabil ist, wobei eine elektrische Isolation zu jederzeit gegeben
ist.
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- 1
- Vorrichtung
- 10
- Schirmlippen
- 2
- Isolierkörper
- 21
- erster
Teil des Isolierkörpers
- 22
- zweiter
Teil des Isolierkörpers
- 3
- Befestigungsarmatur
- 30
- Befestigungsflansch
- 4
- erste
Leiterverbindungsarmatur
- 40
- erster
Anschlusskopf
- 400
- erste
Leiterbefestigung
- 5
- zweite
Leiterverbindungsarmatur
- 50
- zweiter
Anschlusskopf
- 500
- zweite
Leiterbefestigung
- 6
- Innenleiter
- 71
- erste
Isolierstäbe
- 72
- zweite
Isolierstäbe
- 8
- Grundgerüst
- 15
- Erddeflektor
- 16
- Steuerkörper