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Der Gegenstand betrifft ein elektrisches Verbindungssystem für eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere aus regenerierten Quellen mit einem an einem Ende eines ersten Kabels anordenbaren ersten Verbindungsstück, und einem an einem Ende eines zweiten Kabels anordenbaren zweiten Verbindungsstück.
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Elektrische Energiegewinnungseinrichtungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen, werden heutzutage mit Kupfer- oder Aluminiumkabeln bestückt. Aufgrund des steigenden Kupferpreises setzt sich jedoch die Bestückung mit Aluminiumkabeln immer mehr durch. Insbesondere bei Windkrafträdern, die zwischen 50 m und 200 m hoch sind, werden große Mengen Kabel benötigt, so dass das Einsparpotential bei der Verwendung von Aluminiumkabeln erheblich ist.
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Durch die große Höhe der Windkraftanlagen bedingt ist es jedoch unmöglich, die im Turm der Windkraftanlage angeordneten Generatoren mit einem einzigen Kabel mit dem im Sockel der Anlage angeordneten Umrichter zu verbinden. Daher werden in einzelnen Turmsegmenten jeweils Kabel vormontiert. Um die Kabel der einzelnen Segmente miteinander zu verbinden, müssen diese an den Segmentgrenzen elektrisch leitend verschraubt oder vercrimpt werden. Solange Kupferkabel zum Einsatz kommen, ist ein Vercrimpen oder Verschrauben der Kabel unproblematisch, da sich auf der Kupferoberfläche kein die elektrische Leitfähigkeit negativ beeinflussendes Material ablagert, was während der Dauer des Betriebes der Windkraftanlage zu einer Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung führen kann. Bei der Verwendung von Aluminiumkabeln ist dies jedoch anders. Eine Crimpverbindung muss vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Ferner muss verhindert werden, dass sich an den Übergangsstellen Aluminiumoxid bildet, welches den Übergangswiderstand erheblich erhöht. Bei Kabeln, die mehrere 10 A oder sogar mehreren 100 A tragen, ist ein elektrischer Übergangswiderstand stets mit hoher Verlustleistung verbunden. Daher muss versucht werden, den elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Kabeln an der Verbindungsstelle so gering wie möglich zu gestalten.
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Heutzutage wird aber an den Sektionsgrenzen ein Vercrimpen der Kabel der jeweiligen Sektionen vorgeschlagen. Hierbei wird eine Crimphülse auf die Kabel aufgeschraubt. Hierzu muss der Mechaniker in den Turm klettern, an der Sektionsgrenze die Kabel ablängen und abisolieren. Anschließend muss der Mechaniker die abisolierten Enden der Kabel mit einer Leitpaste bestreichen. Hierdurch soll verhindert werden, dass sich an den Oberflächen der Aluminiumlitzen Aluminiumoxid bildet. Anschließend muss der Mechaniker die Crimphülse auf die freien Kabelenden aufschieben und in einem aufwendigen Prozess mit vielen Schrauben mit den Kabeln verschrauben. Die so geschilderte Montage ist zeit- und kostenintensiv. Außerdem ist die Güte der elektrischen Verbindung nicht stabil, dass heißt, dass über die Zeit der elektrische Übergangswiderstand steigt, da die Leitpaste nicht vollständig die Bildung von Aluminiumoxid verhindern kann.
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Neben der Verschraubung von Kabeln sind auch Pressverbindungen bekannt, wie beispielsweise aus der nachveröffentlichten
DE 20 2009 010 121 U1 . Die demnach miteinander zu verbindenden Elemente sind jedoch nachteilig hinsichtlich ihres Querschnitts.
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Die
US 2,449,660 beschreibt Verbindungselemente für Kabel. Die zu fügenden Bauteile haben deckungsgleiche Querschnitte. Um eine versatzfreie Verbindung zwischen den Kabeln herstellen zu können, sind Querschnittsverjüngungen in den Verbindungselementen notwendig.
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Die
US 5,188,539 zeigt einen Verbinder für Glasfaserkabel und ist somit nicht einschlägig.
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Die
DE 10 2010 045 921 A1 der Anmelderin zeigt einen Verbinder für Kabel. Bei diesem Verbinder wird die Verbindung zwischen den Kabeln durch eine Selbsthemmung des eines Konus in einer Aufnahme erleichtert. Eine Verdrehsicherung ist nicht gegeben.
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Die
DE 26 48 287 A1 zeigt wie die
US 2,449,660 Verbindungselemente für Kabel. Auch hier haben die zu fügenden Bauteile deckungsgleiche Querschnitte. Dies führt zu Querschnittsverjüngungen in den Verbindungselementen.
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Die
JP 2010-268595 A zeigt ein Verbindungskonzept mit zwischen Verbindungselementen angeordneten Bolzen. Dieses ist aufwändig in der Montage.
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Die
US 730,186 zeigt ein Verbindungskonzept, bei dem ein Haken hinter einen Vorsprung verschränkt wird. Auch bie diesem Konzept sind die Querschnitte der Verbindungselemente bauartbedingt in Bereichen verkleinert.
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Aus diesem Grunde lag dem Gegenstand die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Verbindungssystem einer Energiegewinnungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, welches in besonders einfacher Weise montierbar ist.
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Diese Aufgabe wird gegenständlich durch ein Verbindungssystem nach Anspruch 1 gelöst.
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Es ist erkannt worden, dass das Vercrimpen und Verschrauben der Aluminiumkabel fehlerträchtig ist und sich dabei kein genügend kleiner Übergangswiderstand realisieren lässt. Auch ist erkannt worden, dass das bekannte Montageverfahren zu zeitaufwendig ist.
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Das erste Verbindungsstück erstreckt sich in Richtung einer Anschlussfläche für ein Ende des ersten Kabels. In dieser Erstreckungsrichtung bildet das erste Verbindungsstück eine Längsachse aus, die eine erste Längsrichtung bestimmt.
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Das zweite Verbindungsstück erstreckt sich in Richtung einer zweiten Anschlussfläche für ein zweites Ende des ersten Kabels oder ein Ende des zweiten Kabels. In dieser Erstreckungsrichtung bildet das zweite Verbindungsstück ebenfalls eine Längsachse aus, die eine zweite Längsrichtung bestimmt.
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An den Anschlussflächen der jeweiligen Verbindungsstücke können die Kabel vorzugsweise stoffschlüssig angeordnet werden. Insbesondere in einem vorkonfektionierten Zustand können die Kabel an den Anschlussflächen angeschweißt sein. Hierzu eignen sich insbesondere Reibschweißverfahren, wie nachfolgend noch dargestellt werden wird. Andererseits sind jedoch auch Widerstandschweißverfahren geeignet, um Verbindungen zwischen den stirnseitigen Enden der Kabel und den Verbindungsstücken bzw. den Anschlussflächen der Verbindungsstücke herzustellen.
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Das erste Verbindungsstück hat vorzugsweise eine Aufnahme zur Aufnahme eines Vorsprungs. Der Vorsprung ist vorzugsweise an dem zweiten Verbindungsstück gebildet. Durch Ineinanderschieben des Vorsprungs in die Aufnahme ist es möglich, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Verbindungsstücken und somit zwischen den an den Verbindungsstücken angeordneten Kabeln herzustellen.
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Eine besonders leichte Montage ist vorzugsweise dann möglich, wenn eine Längsachse der Aufnahme eine erste, quer zur ersten Längsrichtung verlaufende Querrichtung bestimmt, eine Längsachse des Vorsprungs eine zweite, quer zur zweiten Längsrichtung verlaufende Querrichtung bestimmt, die erste und zweite Querrichtung in einem verbundenen Zustand der beiden Verbindungsstücke kollinear zueinander sind, und die beiden Verbindungsstücke zueinander korrespondierende, in dem verbundenen Zustand ineinandergreifende Verdrehsicherungselemente aufweist, derart, dass die ineinandergreifenden Verdrehsicherungselemente ein Verdrehen der Verbindungsstücke gegeneinander um eine in Querrichtung verlaufende Achse begrenzen.
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Es ist erkannt worden, dass ein elektrisches Verbinden der Verbindungsstücke durch Ineinanderstecken von Vorsprung und Aufnahme dann leicht ist, wenn Vorsprung und Aufnahme quer zu der Längsachse der Verbindungsstücke verlaufen. Insbesondere verlaufen die Längsachsen von Aufnahme und Vorsprung senkrecht zur Längsachse der Verbindungsstücke bzw. zur Längsrichtung. In diesem Fall kann ein Monteur die Kabel an den Sektionsgrenzen besonders einfach miteinander montieren. Es ist lediglich notwendig, die Verbindungsstücke miteinander zu verbinden, wobei dies durch Ineinanderschieben von Vorsprung und Aufnahme geschieht. Dadurch, dass Vorsprung und Aufnahme quer zur Längsachse verlaufen, ergibt sich eine natürliche Zugentlastung an der Verbindungsstelle. Die zum Trennen der Verbindungsstücke notwendige Zugkraft, die auf Vorsprung und Aufnahme wirken muss, verläuft quer zur Gewichtskraft der Kabel. Hierdurch kann ein Selbstlösen der elektrischen Verbindung durch die Gewichtskraft der Kabel verhindert werden.
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Vorzugsweise verlaufen die Längsachsen der Aufnahmen und des Vorsprungs in der jeweiligen Querrichtung, quer zu der Längsachse der jeweiligen Verbindungsstücke.
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Im eingeschobenen Zustand, also wenn der Vorsprung in die Aufnahme gesteckt ist, verlaufen die Längsachsen von Aufnahme und Vorsprung vorzugsweise kollinear zueinander. Um ein Verdrehen der Verbindungsstücke um die jeweiligen Längsachsen von Aufnahme und Vorsprung zueinander zu verhindern, werden die gegenständlichen Verdrehsicherungselemente vorgeschlagen. Die Verdrehsicherungselemente sind so geformt, dass diese ein Drehmoment um die jeweiligen Längsachsen von Aufnahme und Vorsprung aufnehmen können. Ein Begrenzen des Verdrehens der Verbindungsstücke gegeneinander kann in einem Begrenzen des Drehwinkels bestehen. Der Drehwinkel kann dabei auf zwischen 0 bis 90° begrenzt werden. Vorzugsweise ist ein Begrenzen so zu verstehen, dass ein Verdrehen gänzlich verhindert wird und somit ein Drehwinkel von in etwa 0° realisiert ist.
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Das Verhindern des Verdrehens ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn um die Verbindungsstücke herum noch eine Isolationshülse angebracht werden muss. Diese wird in der Regel verschraubt, so dass Drehmomente auf die Längsachsen der Aufnahme und des Vorsprungs wirken. Um ein durch diese Drehmomente bewirktes Verdrehen der Verbindungsstücke gegeneinander zu verhindern, sind die gegenständlichen Verdrehsicherungselemente vorgesehen. Durch die Verdrehsicherungselemente ist sichergestellt, dass die Verbindungsstücke lagerichtig zueinander im verbundenen Zustand verbleiben. Insbesondere wird hierdurch verhindert, dass bei einem Verdrehen die Kontaktfläche zwischen Vorsprung und Aufnahme verkleinert wird. Da im eingeschobenen Zustand vorzugsweise die gesamte Mantelfläche des Vorsprungs an der Mantelfläche der Aufnahme anliegt, ist eine besonders große Übergangsfläche realisiert, die zu einem geringen Übergangswiderstand führt. Würde diese Verbindungsfläche durch ein Verdrehen verkleinert, entstünde ein größerer Übergangswiderstand, der vermieden werden soll.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das an dem ersten Verbindungsstück angeordnete Verdrehsicherungselement eine in die erste Längsrichtung verlaufende, seitlich vorzugsweise quer zur Längs- und Querrichtung begrenzte Vertiefung ist. Insbesondere ist die Vertiefung durch Seitenwände begrenzt. Insbesondere kann die Vertiefung eine nach zwei Seiten offene Nut sein. Die Vertiefung ist in Längsrichtung, von der Anschlussfläche wegweisend, vorzugsweise offen.
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Vorzugsweise ist an dem zweiten Verbindungsstück eine in die zweite Längsrichtung verlaufende Nase vorgesehen. Diese Nase ist vorzugsweise korrespondierend zu der Vertiefung geformt. Im verbundenen Zustand greift die Nase vorzugsweise in die Vertiefung ein. Dadurch, dass die Vertiefung seitlich begrenzt ist, ist die Nase in der Vertiefung gehalten, derart, dass um die Längsachsen von Aufnahme und Vorsprung wirkende Drehmomente durch die Begrenzung der Vertiefung und die Nase aufgenommen werden können und ein Verdrehen der Verbindungsstücke um die Längsachsen von Aufnahme und Vorsprung begrenzt wird.
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Andererseits ist es auch möglich, dass das an dem ersten Verbindungsstück angeordnete Verdrehsicherungselement eine in die erste Längsrichtung verlaufende Nase ist. In diesem Fall ist das an dem zweiten Verbindungsstück angeordnete Verdrehsicherungselement ein in die zweite Längsrichtung verlaufende, seitlich begrenzte Vertiefung.
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Somit ist an jeweils einem Verbindungsstück eine Vertiefung und an dem dazu korrespondierenden anderen Verbindungsstück eine Nase vorgesehen. Die Vertiefung ist jeweils seitlich begrenzt, vorzugsweise eine nach zwei Seiten offene Nut. Die dazu korrespondierende Nase ist so geformt, dass sie vorzugsweise zu der Nut korrespondiert und in diese eingelegt werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Vertiefung eine gleiche Öffnungsrichtung hat, wie die Aufnahme. Vorzugsweise verläuft die Öffnungsrichtung der Aufnahme parallel zur Querrichtung. In diese Richtung weist auch die Öffnung der Vertiefung. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Vertiefung an dem ersten Verbindungsstück gebildet ist. In diesem Fall öffnen sich die Vertiefung und die Aufnahme in die gleiche Richtung an dem ersten Verbindungsstück.
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Für den Fall, dass die Vertiefung an dem zweiten Verbindungsstück gebildet ist, ist bevorzugt, wenn die Öffnung der Vertiefung in Richtung des Vorsprungs weist.
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Insbesondere, wenn die Nase an dem zweiten Verbindungsstück vorgesehen ist, ist diese entlang der Querrichtung an einem dem Ende des Vorsprungs gegenüberliegenden Ende angeordnet. Dabei verläuft die Nase vorzugsweise in Längsrichtung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Nase an dem ersten Verbindungsstück vorgesehen ist, ist dieses vorzugsweise in Längsrichtung an einem der Anschlussflächen für das Kabel gegenüberliegende Ende des ersten Verbindungsstücks vorgesehen. Somit kann sich die Nase an einem distalen Ende zu der Anschlussfläche für das Kabel an dem ersten Verbindungsstück befinden.
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Im Fall, in dem die Nase an dem zweiten Verbindungsstück angeordnet ist, erstreckt sich diese in Längsrichtung über dem Vorsprung hinaus. Hierdurch ist es möglich, dass die Nase in eine Vertiefung des ersten Verbindungsstücks eingreifen kann, wenn der Vorsprung in die Aufnahme gesteckt ist.
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Im Fall, in dem die Nase an dem ersten Verbindungsstück angeordnet ist, erstreckt sich diese vorzugsweise in Längsrichtung über die Aufnahme hinaus. Dies führt dazu, dass die an dem ersten Verbindungsstück angeordnete Nase in die an dem zweiten Verbindungsstück angeordnete Vertiefung eingreifen kann.
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Auch ist es möglich, dass die Verdrehsicherungselemente unmittelbar an Aufnahme und Vorsprung angeordnet sind. In diesem Fall ist bevorzugt, wenn eines der Verdrehsicherungselemente eine in Querrichtung verlaufende, an dem Vorsprung angeordnete Nut ist. Eine hierzu korrespondierende Nase, die vorzugsweise als Wulst gebildet ist, kann dann an der Aufnahme angeordnet sein und ebenfalls in Querrichtung verlaufen. Die Erstreckungsrichtung von Nut und Nase können dabei parallel zueinander verlaufen. Vorzugsweise verlaufen die Erstreckungsrichtungen von Nut und Nase parallel zur Längsachse von Aufnahme und Vorsprung.
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Andererseits ist es auch möglich, dass in der Aufnahme die Nut gebildet ist und die dazu korrespondierende Nase in dem Vorsprung. Beides ermöglicht es, Drehmomente um die Längsachse von Aufnahme und Vorsprung aufzunehmen.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass im verbundenen Zustand die erste Längsrichtung parallel zu der zweiten Längsrichtung ist. Insbesondere kann die Längsachse des ersten Verbindungsstücks kollinear zur Längsachse des zweiten Verbindungsstücks sein. Insbesondere können die Mittelachsen in Längsrichtung von den beiden Verbindungsstücken kollinear zueinander sein.
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Ein besonders einfaches Ineinanderstecken von Aufnahme und Vorsprung ist dann möglich, wenn die Querrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung verläuft.
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Das erste Verbindungsstück (18) ist gegenständlich S-förmig. Dieser S-förmige Längsschnitt bildet sich vorzugsweise in einem Schnitt entlang der durch Längsrichtung und Querrichtung aufgespannten Ebene.
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Das zweite Verbindungsstück ist L-förmig. Dieser L-förmige Längsschnitt bildet sich vorzugsweise in einem Schnitt entlang der durch Längs- und Querrichtung aufgespannten Ebene.
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Bereiche der Verbindungsstücke sind S- bzw. L-förmig. Der S-förmige Längsschnitt bildet sich bei dem ersten Verbindungsstück vorzugsweise zwischen einer Anschlussfläche für das Kabel und der Aufnahme. Der L-förmige Längsschnitt des zweiten Verbindungsstücks ist vorzugsweise zumindest teilweise auch durch den Vorsprung gebildet.
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Um die Verbindung der Verbindungsstücke zu sichern, wird vorzugsweise eine Isolationshülse um die Verbindungsstücke gelegt. Um der Isolationshülse zu ermöglichen, Zugkräfte in Längsrichtung aufzunehmen, muss diese an den Verbindungsstücken anliegen. Aus diesem Grunde weisen die Verbindungsstücke gemäß einem Ausführungsbeispiel parallel zur Querrichtung verlaufende, zumindest teilweise um die Verbindungsstücke umlaufende Flansche auf. An diesen Flanschen können Ringschultern von Isolationshülsen anliegen.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass eine Isolationshülse an den Flanschen angreift und die Verbindungsstücke in Längsrichtung aneinander hält.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Isolationshülse zweiteilig ist, wobei ein erster Teil an dem Flansch des ersten Verbindungsstücks angeordnet ist und ein zweiter Teil an dem Flansch des zweiten Verbindungsstücks angeordnet ist und wobei die Teile verliersicher miteinander mechanisch verbindbar sind, derart, dass im verbundenen Zustand eine durch die Teile auf die Verbindungsstücke parallel zur Längsrichtung ausgeübte Kraft die Verbindungsstücke in Längsrichtung aufeinander zu drückt. Hierdurch entsteht eine weitere Zugentlastung in Längsrichtung.
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Die Teile der Isolationshülse lassen sich beispielsweise miteinander verschrauben oder sind als Bajonettverschluss gebildet, so dass ein Teil in dem anderen Teil verrastet.
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Zum Befestigen der Isolationshülse bzw. der Teile miteinander müssen diese, wie beschrieben, vorzugsweise miteinander verschraubt werden. Um dieses Verschrauben zu erleichtern, ist an zumindest einem Teil eine Nutmutter zur Aufnahme eines Hakenschlüssels angeordnet, wobei mittels der Nutmutter das erste Teil mit dem zweiten Teil verschraubbar ist.
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Beim Einschieben des Vorsprungs in die Aufnahme kann am Grund der Aufnahme ein Überdruck entstehen, insbesondere wenn Leitpaste verwendet wird. Um diesen Überdruck ausgleichen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Aufnahme vorzugsweise an ihrem Boden eine Entlüftungsöffnung bzw. eine Entlüftungsbohrung aufweist.
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Der Vorsprung kann als Bolzen gebildet sein. Andererseits ist es auch möglich, dass der Vorsprung hohlzylindrisch ist. Auch ist es möglich, dass der Vorsprung aus einem L- oder U-förmig gebogenen Blech gebildet ist. Wenn nachfolgend von Bolzen die Rede ist, sind diese Varianten ebenfalls mit gemeint. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird auch vorgeschlagen, dass der Vorsprung des zweiten Verbindungsstücks ein in der Aufnahme selbstgehemmter Konus ist, wobei insbesondere die Aufnahme in Einschubrichtung des Konus sich verjüngt. Der Konus ist vorzugsweise ein zylindrischer Konus, dessen Neigungswinkel so gestaltet ist, dass er selbsthemmend in der Aufnahme angeordnet ist. Die Aufnahme ist vorzugsweise ein zu dem Konus komplementärer Zylinder.
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Selbsthemmung kann dahingehend verstanden werden, dass die Haftreibung des Bolzens in der Aufnahme einen Widerstand gegen ein axiales Verrutschen oder ein Verdrehen des Bolzens in der Aufnahme bewirkt. Hierbei wird der Neigungswinkel als auch die Oberflächenrauhigkeit des Bolzens als auch der Aufnahme so variiert, dass die Selbsthemmung so groß ist, dass die axial wirkende Zugkraft der Kabel aufgenommen wird. Insbesondere bei Windkraftanlagen kann eine Verbindung zwischen Kabeln an einer Sektionsgrenze erfolgen. Ein in einer Sektion vorkonfektioniertes Kabel kann so gestaltet sein, dass es an der Sektionsgrenze mit dem gegenständlichen ersten Verbindungsstück versehen ist und ein gegenüberliegendes Kabel der anderen Sektion mit der gegenständlichen zweiten Verbindungsstück.
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Der Mechaniker muss dann lediglich den Bolzen in die Aufnahme schieben, so dass die Kabel elektrisch als auch mechanisch miteinander verbunden sind. Die Selbsthemmung des Bolzens in der Aufnahme bewirkt, dass die ineinander gesteckten Kabel aufgrund ihrer eigenen Gewichtskraft nicht mehr voneinander getrennt werden.
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Auch ist es möglich, dass die vorkonfektionierten Kabel in den jeweiligen Sektionen kurz vor der Sektionsgrenze abgelängt und mit einem der Verbindungsstücke versehen sind. Dann kann die Sektionsgrenze mit einem Verbindungskabel überbrückt werden, welches jeweils zu dem an den Sektionsgrenzen vorkonfektionierten Kabel komplementäre Verbindungsstücke aufweist. Der Mechaniker muss dann lediglich das Verbindungskabel in die Aufnahme oder den Vorsprung der jeweiligen Kabelenden der vorkonfektionierten Kabel einschieben und erhält somit eine mechanische und elektrische Verbindung der Kabel untereinander.
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Der Durchmesser der Verbindungsstücke kann in etwa dem Kabeldurchmesser entsprechen. Es ist jedoch auch möglich, dass bei einem mehrphasigen Verbindungssystem jede Phase mit Verbindungsstücken mit unterschiedlichen Durchmessern oder unterschiedlichen Formen ausgestattet ist. So kann beispielsweise bei einem 3-Phasensystem jeder Phase ein Vorsprung-Aufnahme Paar mit unterschiedlichen Durchmessern zugewiesen sein. Insbesondere bei Windkraftanlagen werden pro Phase drei bis sieben Kabel verwendet, so dass neun bis 21 Kabel pro Sektion vorkonfektioniert sind. Diese Kabel müssen phasenrichtig mit den jeweiligen Kabeln der anderen Sektionen verbunden werden. Um eine Fehlverbindung zu vermeiden, kann jede Phase mit einem eigenen Paar aus Verbindungsstücken ausgestattet sein, wobei die Verbindungsstücke der einzelnen Phasen untereinander nicht komplementär sind und nicht zueinander passen. Der Mechaniker kann dann die Montage durchführen, ohne zu befürchten, dass er eine phasenunrichtige Verbindung herstellt. Es ist sichergestellt, dass die zueinander gehörenden Kabel auch elektrisch miteinander kontaktiert werden.
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Bei der Verwendung von Aluminiumkabeln ist zu bevorzugen, dass die Verbindungsstücke ebenfalls aus Aluminium gebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass keine Übergangswiderstände oder Kontaktkorrosionen an den Übergängen zwischen den Kabeln und den Verbindungsstücken entstehen. Um zu verhindern, dass sich auf der Oberfläche der Verbindungsstücke Aluminiumoxid bildet, wird vorgeschlagen, dass die Oberfläche der Verbindungsstücke verzinnt ist. Auch ist es möglich, dass die Oberfläche zunächst vernickelt und anschließend verzinnt ist. Durch die Unternickelung wird eine dauerhafte Beschichtung erreicht und die Verzinnung ermöglicht die Erzielung eines geringen Kontaktwiderstandes.
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Um die Verbindungsstücke sicher mit den Kabeln zu verbinden, wird vorgeschlagen, dass ein abisoliertes Kabelende in einer Hülse angeordnet ist. Insbesondere wenn die Verbindungsstücke aus Kupfer und die Kabel aus Aluminium gebildet sind, ist eine sichere Verbindungstechnik notwendig. Die Hülse kann so um die Kabelenden gepresst sein, dass die einzelnen Litzen oder Drähte des abisolierten Kabels fest verpresst sind. Anschließend kann das stirnseitige Ende der Hülse abgeschnitten oder überfräßt werden, so dass die Kabelenden an den stirnseitigen Enden der Hülse enden und frei von Aluminiumoxid sind. Anschließend kann das Verbindungsstück, welches eine dem Kabelende zugewandte Stirnfläche aufweisen kann, mit der Hülse und dem Kabelende entlang der Stirnfläche verschweißt werden.
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Hierbei kann beispielsweise ein Reibschweißen, insbesondere ein Rotationsreibschweißen angewandt werden. Auch ist es möglich, dass ein Ultraschallschweißen oder ein Widerstandsschweißen verwendet wird, um die Verbindungsstücke mit der Hülse und den Kabelenden zu verschweißen.
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Auch wird vorgeschlagen, dass die Hülse aus Aluminium gebildet ist. Hierbei kann auch die Hülse verzinnt und/oder vernickelt sein, wie zuvor beschrieben wurde.
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Eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit wird bei der Verwendung von Aluminiumkabeln erreicht, wenn diese eine hohe Reinheit aufweisen. Insbesondere die Verwendung von Al 99,5 hat sich als vorteilhaft erwiesen. Jedoch ist auch die Verwendung von höher- oder geringerwertigem Aluminium möglich.
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Um die Montage zu erleichtern, sollten die Aluminiumkabel, die einen großen Kabelquerschnitt aufweisen, möglichst flexibel sein. Aus diesem Grunde wird auch vorgeschlagen, dass die Aluminiumkabel aus weichgeglühtem Aluminium hergestellt werden. Hierdurch lassen sich die Kabel, insbesondere die an den Kabelenden angeordneten Verbindungsstücke, besonders leicht bewegen und somit miteinander verbinden und zusammenschieben.
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Um zu verhindern, dass die mechanische Verbindung zwischen den Kabeln gelöst wird, wird vorgeschlagen, dass eine Isolationshülse die Verbindungsstücke umgibt. Die Isolationshülse verhindert, dass auf die elektrische Verbindung an den Verbindungsstücken Umwelteinflüsse wirken. Die Isolationshülse kann so ausgestaltet sein, dass sie die elektrische Verbindung an den Verbindungsstücken abdichtet, so dass Feuchtigkeit nicht an die elektrische Verbindung heranlangen kann. Hierzu ist es beispielsweise möglich, dass die Isolationshülse feuchtigkeitsdicht an der Isolation des Kabels im Bereich des Kabelendes anliegt. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung eines O-Rings realisiert werden. Auch ist es möglich, dass ein Schrumpfschlauch um die Isolationshülse gelegt wird und an die Isolation des Kabels angeschrumpft wird.
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Besonders vorteilhaft ist die Isolationshülse zweiteilig geformt. In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, dass ein erster Teil der Isolationshülse auf das erste Kabel aufgeschoben wird und anschließend das erste Verbindungsstück an dem ersten Kabel angeordnet wird. Ein zweiter Teil der Isolationshülse kann an dem zweiten Kabel angeordnet werden und anschließend kann an dem zweiten Kabel ebenfalls das Verbindungsstück angeordnet werden. Anschließend können die beiden Teile verliersicher miteinander mechanisch verbunden werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die beiden Teile übereinander geschoben werden und dann mechanisch miteinander verrastet oder verschraubt werden. Dies kann beispielsweise durch ein gegeneinander Verdrehen der beiden Teile erfolgen.
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Wenn die beiden Teile mechanisch miteinander verbunden werden, ist es möglich, dass diese eine axiale Druckkraft auf die Verbindungsstücke ausüben, derart, dass die Verbindungsstücke axial aufeinander zu gedrückt werden. Eine solche Kraft kann beispielsweise durch eine in der Isolationshülse vorgesehene Ringschulter ausgeübt werden. Die Ringschulter kann so geformt sein, dass sie beim Verbinden der Teile gegen an den Verbindungsstücken angeordnete Flansche drückt. Beim mechanischen miteinander verbinden der beiden Teile können diese beispielsweise axial aufeinander zu bewegt werden, was dazu führt, dass die Ringschultern gegen die Flansche drücken und die Verbindungsstücke zusammendrücken. Dies bewirkt eine mechanische Befestigung der Verbindungsstücke miteinander über die Selbsthemmung hinaus.
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Sind die beiden Teile der Isolationshülse miteinander verbunden, sind auch die Kabel verliersicher miteinander verbunden. Selbst eine Zugkraft, die auf die Kabel ausgeübt wird, führt nicht zu einem mechanischen Lösen der Verbindungsstücke voneinander. Die Zugkraft würde durch die Isolationshülse, insbesondere über die Kragen und die Ringschultern aufgenommen werden und wirkte nicht auf die Verbindung der Verbindungsstücke.
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Wie eingangs bereits erläutert, ist bisher die Montage der einzelnen Kabel an den Sektionsgrenzen zeitaufwendig und kompliziert. Um ein besonders einfaches Montieren zu ermöglichen, muss der Mechaniker mit einem möglicht geringen Werkzeugaufwand die Montage vollziehen können. Um dies zu erreichen, wird auch vorgeschlagen, dass an zumindest einem Teil eine Nutmutter zur Aufnahme eines Hakenschlüssels angeordnet ist, wobei mittels der Nutmutter das erste Teil mit dem zweiten Teil verschraubbar ist. Das erste Teil kann mit einem Außengewinde versehen sein und das zweite Teil mit einem an einer Nutmutter angeordneten Innengewinde. Die Nutmutter kann um die Längsachse drehbar an dem zweiten Teil angeordnet sein und mittels des Hakenschlüssels gedreht werden.
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Zum Verschrauben der Teile der Isolationshülse miteinander wird die Nutmutter auf das Außengewinde geschoben und verschraubt. Um beim Verschrauben ein ausreichend hohes Anzugsmoment zu erreichen, können die letzen Umdrehungen mittels des Hakenschlüssels ausgeführt werden. Die Nutmutter kann mittels eines O-Rings drehbar in dem Teil gelagert sein, so dass verhindert wird, dass Feuchtigkeit über die Nutmutter in das Innere der Isolationshülse gelangt.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Kabel Teil eines Energieleitungsstrangs einer Windkraftanlage sind. Insbesondere eignet sich das elektrische Verbindungssystem beim Verbinden von Kabeln über Sektionsgrenzen hinweg. Auch eignet sich das elektrische Verbindungssystem zum Vorkonfektionieren von in den jeweiligen Sektionen angeordneten Kabeln.
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Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer ein Ausführungsbeispiel zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein Windkraftrad mit gegenständlichen Verbindungen;
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2a eine Schnittansicht eines ersten Verbindungsstücks mit einer Aufnahme nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2b eine Schnittansicht eines zweiten Verbindungsstücks mit einem Vorsprung nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2c eine Schnittansicht einer Verbindung der Verbindungsstücke nach den 2a und 2b;
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3a eine Schnittansicht eines ersten Verbindungsstücks mit einer Aufnahme nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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3b eine Schnittansicht eines zweiten Verbindungsstücks mit einem Vorsprung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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3c eine Schnittansicht einer Verbindung der Verbindungsstücke nach den 3a und 3b;
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4a eine Schnittansicht eines ersten Verbindungsstücks mit einer Aufnahme nach einem dritten Ausführungsbeispiel;
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4b eine Schnittansicht ein zweiten Verbindungsstücks mit einem Vorsprung nach einem dritten Ausführungsbeispiel;
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4c eine Schnittansicht einer Verbindung der Verbindungsstücke nach den 4a und 4b;
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5a eine Ansicht des ersten Verbindungsstücks nach dem ersten Ausführungsbeispiel
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5b eine Ansicht des zweiten Verbindungsstücks nach dem ersten Ausführungsbeispiel
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1 zeigt eine Windkraftanlage 2 mit einer Gondel 2a und einem Windrad 6. Die Gondel 2a ist drehbar auf einem aus Sektionen 8a, 8b, 8c gebildeten Turm 2b gelagert. In jeder Sektion 8a–c sind Kabelstränge 10 angeordnet, über die die elektrische Energie von dem in der Gondel 2a angeordneten Generator (nicht gezeigt) zum dem im Sockel des Turms 2 angeordneten Umrichter 5 geleitet wird.
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Die Kabelstränge 10 sind beispielhaft dargestellt. So ist in der Sektion 8a beispielsweise ein Kabelstrang 10a und ein Kabelstrang 10c angeordnet. Pro Phase können mehrere Kabelstränge 10 vorgesehen sein, so dass es durchaus vorkommen kann, dass in einer Sektion 8a pro Phase jeweils drei Kabelstränge 10a vorgesehen sein können. Auch in einer Sektion 8b sind die jeweiligen Kabel 10b, 10d vorgesehen. In der Sektion 8c sind weitere Kabelstränge 10 vorgesehen.
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Für die Montage einer Windkraftanlage 2 werden die Sektionen 8 vorkonfektioniert mit Kabeln 10 geliefert. Die Kabel 10 sind in den Sektionen 8 bereits zu Beginn der Montage enthalten und müssen an den Sektionsgrenzen 12 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden. Die Verbindung der Kabel 10 miteinander wird über die Verbindungssysteme 14 realisiert, wie sie nachfolgend noch näher beschrieben werden.
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Einerseits ist es möglich, dass vor der Sektionsgrenze 12 die Kabel 10a, 10b abgelängt sind und jeweils mit einem Verbindungsstück verbunden sind. Ein Überbrückungskabel 16 kann die Kabel 10a, 10b über die Sektionsgrenze 12 hinweg verbinden. Das Überbrückungskabel 16 kann zu den jeweils an den Kabelenden angeordneten Verbindungsstücken komplementäre Verbindungsstücke aufweist.
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Andererseits ist es möglich, dass ein erstes Kabel 10c ein erstes Verbindungsstück aufweist und ein zweites Kabel 10d ein hierzu komplementäres zweites Verbindungsstück. Die Kabel 10c, 10d können so konfektioniert sein, dass sie über die Sektionsgrenze 12 hinaus ragen. Bei der Montage kann das Verbindungssystem 14 an der Sektionsgrenze 12 zusammengesteckt werden, so dass die Kabel 10c und 10d unmittelbar mechanisch und elektrisch miteinander verbunden werden.
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Die Verbindungssysteme 14 kann aus zwei Verbindungsstücken, die komplementär zueinander geformt sind, gebildet sein. Ein erstes Verbindungsstück 18 ist in den 2a, 3a und 4a dargestellt. Ein zweites Verbindungsstück 28 ist in den 2b, 3b und 4b dargestellt. Gleiche Bezugszeichen stellen gleiche Elemente dar.
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In der 2a ist ein Kabelende eines Kabels 10a zu erkennen, welches ein abisoliertes Ende 20 aufweist. Um das abisolierte Ende 20 ist eine Hülse 22 gelegt. Das Kabel 10a ist vorzugsweise aus Aluminiumlitzen oder -drähten gebildet, welche durch die ebenfalls aus Aluminium gebildete Hülse 22 verpresst werden. Hierzu kann die Hülse 22 auf die Litzen aufgepresst werden. Anschließend kann die Hülse 22 zusammen mit den Litzen 20 stirnseitig abgeschliffen, abgefräst oder abgeschnitten werden. Die so gebildete Stirnseite 24 kann dann im Anschluss mit der Stirnseite des Verbindungsstücks 18 mittels Schweißen, vorzugsweise Rotationsreibschweißen, stoffschlüssig verbunden werden. Die Stirnseite 24 kann eine Anschlussfläche für das Kabel 10a bilden.
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Das Verbindungsstück 18 ist vorzugsweise aus Aluminium gebildet. Die Hülse 22 als auch das Verbindungsstück 18 können unternickelt und verzinnt sein. Beim Verschweißen des Verbindungsstücks 18 mit der Hülse 22 und den freien Enden der Litzen 20 werden die Oberflächenbeschichtungen aufgebrochen. Ein Aluminiumoxid, welches sich gegebenenfalls auf den Oberflächen gebildet haben kann, wird ebenfalls beim Schweißen aufgebrochen. Es entsteht eine sortenreine Verbindung zwischen den Litzen 20 und dem Verbindungsstück 18.
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Eine entsprechende Verbindung ist auch an dem Verbindungsstück 28 möglich.
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In der 2a ist zu erkennen, dass ausgehend von der Stirnseite 24 sich das erste Verbindungsstück 18 entlang einer Längsachse 19 in Längsrichtung erstreckt. Ausgehend von der Stirnfläche 24 ist an dem ersten Verbindungsstück 18 in Richtung der Längsachse 19 ein Flansch 21 angeordnet.
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Ausgehend von dem Flansch 21 erstreckt sich das erste Verbindungsstück 18 weiter entlang der Längsachse 19 mit einem S-förmigen Längsschnitt in die Aufnahme 23. Die Längsachse 25 der Aufnahme 23 verläuft senkrecht zur Längsachse 19. Zu erkennen ist, dass die Aufnahme 23 durch einen U-förmigen Längsschnitt des ersten Verbindungsstücks 18 gebildet ist. Am Boden der Aufnahme 23 ist eine Entlüftungsöffnung 23a vorgesehen.
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Ferner ist zu erkennen, dass das Knie zwischen dem Flansch 21 und der Aufnahme 23 die Vertiefung 27 aufweist. Die Vertiefung 27 ist seitlich durch Begrenzungswände 27a begrenzt. Die Vertiefung 27 ist eine zweiseitig offene Nut, deren Öffnung in die gleiche Richtung wie die Öffnung der Aufnahme 23 weist.
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2b zeigt das zweite Verbindungsstück 28. Auch hier ist zu erkennen, dass ausgehend von der Stirnfläche 24 sich das zweite Verbindungsstück 28 in einer Längsrichtung parallel zur Längsachse 29 erstreckt. Ausgehend von der Stirnfläche 24 schließt sich ein Flansch 31 an das zweite Verbindungsstück 28 an. Im Anschluss daran erstreckt sich das zweite Verbindungsstück 28 in einem L-förmigen Längsschnitt in den Vorsprung 33. Die Längsachse 35 des Vorsprungs 33 verläuft senkrecht zur Längsachse 29. Dies ist die Querrichtung.
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Ferner ist an dem zweiten Verbindungsstück 28 zu erkennen, dass sich über den Vorsprung hinaus entlang der Längsachse 29 die Nase 37 erstreckt. Die Nase 37 liegt vorzugsweise außerhalb einer Projektionsfläche des Vorsprungs 33 entlang der Längsachse 35.
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Ferner, wie in der 2a zu erkennen ist, liegt die Aufnahme 23 vorzugsweise teilweise außerhalb einer Projektionsfläche der Stirnfläche 24 in Richtung der Längsachse 19. Zumindest liegen Teile der Aufnahme 23 außerhalb dieser Projektionsfläche.
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Wie in den 2a und b zu erkennen ist, sind Aufnahme 23 und Vorsprung 33 komplementär zueinander geformt. Die Aufnahme 23 ist vorzugsweise konisch verjüngend mit einem Verjüngungswinkel, der dazu führt, dass der Vorsprung 33 selbsthemmend in der Aufnahme 23 verrastet. Ein Verdrehen der Verbindungsstücke 18, 28 um die Längsachsen 25, 35 wird durch Anordnen der Nase 37 in der Vertiefung 27 begrenzt.
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3a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines ersten Verbindungsstücks 18. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist an dem ersten Verbindungsstück 18 keine Vertiefung 27 vorgesehen, sondern in der Aufnahme 23 ist eine Nase 37 vorgesehen. Korrespondierend zu dieser Nase 37 ist, wie in 3b zu erkennen ist, an dem Vorsprung 33 eine Vertiefung 27 vorgesehen. Wenn der Vorsprung 33 in die Aufnahme 23 eingesteckt ist, greift die Nase 37 in die Vertiefung 27 und ein Verdrehen um die Längsachsen 25, 35 ist verhindert.
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In den 4a und 4b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der ersten und zweiten Verbindungsstücke 18, 20 gezeigt. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß der 2 und 3 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 4a, 4b die Nase 37 an dem ersten Verbindungsstück angeordnet und befindet sich an einem zu der Stirnfläche 24 distalen Ende des ersten Verbindungsstücks 18. Die zu der Nase 37 entsprechende Vertiefung 27 ist bei diesem Ausführungsbeispiel, wie in 4b gezeigt, an dem zweiten Verbindungsstück 28 vorgesehen. Wie zu erkennen ist, ist die Vertiefung 27 in Richtung des Vorsprungs 33 vorgesehen, das heißt, die Öffnung der Vertiefung 27 weist in Richtung des Vorsprungs 33. Auch diese Vertiefung 27 hat seitliche Begrenzungswände 27a, so dass nachdem die Nase 37 in die Vertiefung 27 eingegriffen hat, Drehmoment um die Längsachsen 25, 35 aufgenommen werden können. Auch hierdurch wird ein Verdrehen der Verbindungsstücke 18, 28 im verbundenen Zustand verhindert.
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2c zeigt die Verbindungsstücke 18, 28 gemäß der 2a, 2b im verbundenen Zustand. Zu erkennen ist, dass die Nase 37 in die Vertiefung 27 eingreift. Im verbundenen Zustand wird eine Isolationshülse 40, die aus einem ersten Teil 40a und einem zweiten Teil 40b gebildet ist, um die Verbindungsstücke 18, 28 gelegt. In der 2c ist gezeigt, dass das erste Teil 40a bis über die Isolation des Kabels 10a geschoben ist und beispielsweise mittels O-Ringen an der Isolation des Kabels 10a isoliert ist. Ferner ist zu erkennen, dass das erste Teil 40a eine Ringschulter 42 aufweist. Die Ringschulter 42 liegt an dem Flansch 21 an. Über ein Gewinde 44a ist das erste Teil 40a mit einem Gewinde 44b des zweiten Teils 40b verschraubt. Das zweite Teil 40b weist ebenfalls eine Ringschulter 46 auf, welche an dem Flansch 31 anliegt. Auch das zweite Teil 40b ist bis über die Isolation des Kabels 10b geschoben und beispielsweise durch O-Ringe an der Isolation des Kabels 10b isoliert. Durch die O-Ringe wird verhindert, dass Feuchtigkeit in das Innere der Isolationshülse 40 eindringt.
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Bei dem Verschrauben des ersten Teils 40a mit dem zweiten Teil 40b werden die Ringschultern 42, 46 aufeinander zu bewegt, so dass diese in Richtung des Vorsprungs 33 und der Aufnahme 23 wirkende Kräfte auf die Flansche 21, 31 ausüben. Hierdurch werden die Verbindungsstücke 18, 28 fest miteinander verbunden.
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3c zeigt die in den 3a und b gezeigten Verbindungsstücke 18, 28 ebenfalls im verbundenen Zustand. Ferner ist ebenfalls eine Isolationshülse 40 vorgesehen, die aus einem ersten Teil 40a und einem zweiten Teil 40b gebildet ist. Die Verbindung der Teile 40a, 40b ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3c jedoch nicht eine Verschraubung, sondern ein Bajonettverschluss. Auch hierdurch wird erreicht, dass die Ringschultern 42, 46 Kräfte auf die Flansche 21, 31 ausüben.
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4c zeigt die Verbindungsstücke 18, 28 gemäß der 4a und 4b im zusammengesteckten Zustand. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Isolationshülse 40 im Wesentlichen wie in 2c gebildet. Jedoch enden die Teile 40a, 40b bereits im Bereich der Verbindungsstücke 18, 28, so dass diese unmittelbar an den Flanschen 21, 31 anliegen. Über die Kabelenden der Kabel 10a, 10b sind Isolationsschläuche 48 geschoben, um die Verbindung zwischen den Stirnflächen 24 und den Kabelenden der Kabel 10a, 10b zu isolieren.
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5a zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Verbindungsstücks 18 gemäß der 2a. Hier ist besser zu erkennen, dass die Vertiefung 27 durch seitliche Begrenzungswände 27a begrenzt ist. Ferner ist zu erkennen, dass die Flansche 21 um das Verbindungsstück 18 umlaufen.
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5b zeigt eine perspektivische Ansicht eines Verbindungsstücks 28 gemäß 2b. Hier ist zu erkennen, dass sich die Nase 37 entlang der Längsachse 29 an einem zu der Stirnfläche 24 distalen Ende des Verbindungsstücks 28 befindet.
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Mit Hilfe des gezeigten Verbindungssystems ist es möglich, aus Aluminium geformte Kabel in Windkraftanlagen in besonders einfacher Weise miteinander zu verbinden. Der Montageaufwand wird erheblich verringert. Der Übergangswiderstand zwischen den Kabeln wird klein gehalten, so dass elektrische Verluste minimiert werden. Zur Wartung können die Kabel in besonders einfacher Weise voneinander getrennt werden und eine Dauerhaftigkeit der Verbindung ist gewährleistet.
