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Die Erfindung betrifft eine Blitzableitvorrichtung für eine Windturbine. Die Windturbine umfasst dabei einen Turm, ein auf dem Turm drehbar gelagertes Maschinenhaus, einen in dem Maschinenhaus angeordneten Triebstrang und einen den Triebstrang antreibenden Rotor. Der Rotor umfasst seinerseits eine Nabe und mindestens ein drehbar an der Nabe angeordnetes Rotorblatt, wobei das Rotorblatt mindestens einen Rezeptor zum Einleiten eines Blitzstromes aufweist.
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Windenergieanlagen sind aufgrund ihrer Größe und Lage einer großen Gefahr ausgesetzt, von Blitzen getroffen zu werden. Da die exponiertesten Komponenten wie Rotorblätter oder Maschinenhaus heutzutage zumeist aus Faserverbundstoffen hergestellt werden, müssen diese gegen direkte Blitzeinschläge geschützt werden. Dies wird durch eine geeignete Fangeinrichtung sowie ein Ableit- und Erdungssystem sichergestellt. Der Blitzstrom soll über die gesamte Blitzableitvorrichtung sicher zur Erde geführt werden, ohne dass Beschädigungen oder Beeinträchtigungen von anderen Komponenten auftreten.
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Typische Blitzschutzvorrichtungen moderner Rotorblätter bestehen aus einem oder mehreren Rezeptoren als Fangeinrichtung, sowie einem Ableiter, der den Blitzstrom zur Rotorblattwurzel führt. Wenn durch einen Blitzschlag das Ableitsystem beschädigt oder zerstört wird, wird das in der Regel nicht bemerkt, sofern keine großen Schäden am Rotorblatt entstehen.
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Es gibt Ausführungen, in welche ein Prüfleiter mit in das Rotorblatt einlaminiert wird, um zum Beispiel durch eine einfache Widerstandsmessung eine Beschädigung der Blitzschutzvorrichtung festzustellen. Eine derartige Blitzschutzvorrichtung wird in der
DE 10 2005 017 865 offenbart. Die Blitzschutzvorrichtung umfasst Rezeptoren an exponierten Stellen der Windenergieanlage, insbesondere an den Rotorblattspitzen und im Bereich des Daches des Maschinenhauses. Die Rezeptoren sind über ein Blitzschutzkabel und/oder ein Erdungskabel mit einem in das Erdreich eingelassenen Erdungsanker verbunden. Das Blitzschutzkabel wird entlang der Vorder- oder der Hinterkante des Rotorblattes zu der Rotorblattwurzel geführt. Um sicherzustellen, dass die Blitzableitvorrichtung korrekt funktioniert und bei einem Blitzeinschlag den Blitzstrom wirksam ableiten kann, ist das an der Rotorblattspitze befestigte Ende des Blitzschutzkabels mit einem Wartungskabel verbunden. Das Wartungskabel wird dabei entlang der dem Blitzschutzkabel gegenüberliegende Kante des Rotorblatts zu der Rotorblattwurzel geführt. In der Rotorblattwurzel ist das Wartungskabel mit dem Blitzschutzkabel verbunden und bildet somit einen geschlossenen Stromkreis. Der Blitzstrom kann dabei sowohl über das Blitzschutzkabel als auch über das Wartungskabel abgeleitet werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Blitzschutzvorrichtung anzugeben, welche unter anderem die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll dabei der Montage- und Wartungsaufwand der Windturbine reduziert werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst, wobei die Blitzableitvorrichtung zwei Leiter umfasst und die Leiter redundant ausgebildet sind. Durch die redundante Ausbildung der Blitzableitvorrichtung kann der gesamte Blitzstrom, bei Ausfall eines der Leiter, über den anderen Leiter übertragen werden. Somit wird sichergestellt, dass die Windturbine auch bei Beschädigung des einen Leiters einen vollständigen Blitzschutz aufweist und in vollem Umfang weiterbetrieben werden kann. Die beiden Leiter sind dabei derart ausgebildet, sodass sie beide eine ausreichende Strombelastbarkeit aufweisen, um jeweils eine sichere Übertragung des gesamten Blitzstroms zu gewährleisten.
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Vorteilhafterweise weisen beide Leiter dieselbe Strombelastbarkeit auf. Die Leiter können zum Beispiel als Rundkabel oder als Flachband ausgebildet sein.
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Durch intensive Untersuchungen hat sich jedoch herausgestellt, dass eine parallele Anordnung der Leiter, wie in der
DE 10 2005 017 865 beschrieben, bei einem Blitzeinschlag zu sehr hohen elektromagnetischen bzw. elektrodynamischen Kräften zwischen den Leitern führen kann. Auch bei den im Stand der Technik beschriebenen Mindestabständen zwischen Wartungs- und Blitzableitkabel sind die bei einem Blitzeinschlag auftretenden Kräfte groß genug, um Beschädigungen an der Befestigung des Leiters oder sogar an dem Rotorblatt zu verursachen. Aufgrund von begrenzten Platzverhältnissen im Rotorblatt lässt sich der Abstand zwischen den Kabeln auch nur bedingt vergrößern. Somit ist bei einer parallelen Anordnung der Leiter immer ein Beschädigungsrisiko, durch zwischen den Leitern auftretende Kräfte, vorhanden. Eine Beschädigung des Rotorblatts kann zu einem Auseinanderbrechen der gesamten Windkraftanlage führen, was im schlimmsten Fall Sach- und/oder Personenschäden zur Folge haben kann.
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Zur Vermeidung dieses Beschädigungsrisikos werden die Leiter in der erfindungsgemäßen Blitzableitvorrichtung koaxial zueinander als Ableitkabel ausgebildet, so dass der Innenleiter im Inneren des Außenleiters verläuft. Durch diese Anordnung werden elektrodynamische Kräfte zwischen den beiden Leitern vermieden.
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Um ein gleichzeitiges Durchbrennen beider Leitungen zu verhindern, werden diese mittels einer isolierenden Schicht, z.B. Kunststoff, von einander getrennt. Das Ableitkabel kann als Freileitung ausgebildet sein, wobei der äußere Leiter keine äußere Isolierung aufweist. Zum Schutz von naheliegenden elektrischen Komponenten und/oder um Überschläge auf andere metallische Komponenten und/oder Leitungen zu verhindern, kann das Ableitkabel aber auch außen mit einer Isolierung versehen sein. Diese äußere Isolierung verhindert, dass die elektrischen Komponenten durch in dem Ableitkabel auftretenden elektrischen Störungen beschädigt werden.
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Die Leiter können aus jedem leitenden Material bestehen, vorteilhafterweise werden die Leiter jedoch aus Kupfer, Aluminium oder Stahl gefertigt. Im Normalfall werden beide Leiter aus demselben Material und meistens, wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit, aus Kupfer gefertigt. Das Material kann aber abhängig von den Umgebungsbedingungen ausgewählt werden. Wenn zum Beispiel ein geringes Gewicht gefragt, gleichzeitig aber viel Bauraum vorhanden ist, wird vorteilhafterweise Aluminium als Material ausgewählt. Aluminium ist leichter und günstiger als Kupfer, hat aber eine geringere elektrische Leitfähigkeit, sodass eine Aluminiumleitung bei gleicher Länge und Widerstand einen größeren Querschnitt als eine Kupferleitung aufweisen muss. Die benötigte Dimension der Leiter, um eine sichere Stromübertragung zu gewährleisten, ist abhängig von dem gewählten Material und ergibt sich aus der IEC 62305.
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In einer weiteren Ausführungsform können Innenleiter und Außenleiter aus verschiedenen Materialien bestehen, sodass der Innenleiter zum Beispiel aus Kupfer und der Außenleiter aus Aluminium gefertigt ist. Dabei muss über die jeweiligen nationalen oder internationalen Blitzschutznormen, wie z.B. die IEC 62305, die Dimension der jeweiligen Leiter so angepasst werden, dass beide Leiter jeweils den gesamten Blitzstrom übertragen können.
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Die beiden Leiter des Ableitkabels werden an einem Ende des Ableitkabels mit einem Rezeptor verbunden. Der Rezeptor ist dabei an einer exponierten Stelle der Windturbine angeordnet, welche zum Beispiel eine Rotorblattspitze oder eine Maschinenhausverkleidung sein kann. Durch das Verbinden der beiden Leiter mit dem Rezeptor werden die Leiter kurzgeschlossen. Somit teilt sich der von dem Rezeptor aufgefangene Blitzstrom auf beide Leiter auf und wird gleichzeitig über beide Leiter abgeleitet. Dies hat den Vorteil, dass ein geringerer Strom durch jeden Leiter fließt, was das Risiko einer Beschädigung der Leiter zusätzlich reduziert.
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Falls einer der beiden Leiter bei einem Blitzeinschlag dennoch durchbrennt, kann der zweite noch intakte Leiter die Blitzstromableitung vollständig übernehmen. Somit wird auch bei Ausfall des einen Leiters ein vollwertiger Blitzschutz der Windturbine gewährleistet und die Windturbine kann bis zum Austausch des beschädigten Ableitkabels weiterbetrieben werden.
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Ein weiterer Vorteil mit dieser Anordnung ist die einfachere Montage und Wartung der Blitzableitvorrichtung. Durch die koaxiale Ausbildung der Leiter wird bei der erfindungsgemäßen Blitzableitvorrichtung bei einem Defekt das komplette Ableitkabel ausgetauscht. Somit entfallen weitere Messungen, die zum Feststellen des defekten Kabels bei der aus dem Stand der Technik bekannten Windturbine notwendig sind, was die Stillstandszeit und die damit verbundenen Kosten reduziert.
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Das andere Ende der beiden Leiter wird an einem Verbindungspunkt angeschlossen, sodass der Blitzstrom von dem Rezeptor an den Verbindungspunkt weitergeleitet wird. Der Verbindungspunkt kann an der Rotorblattwurzel oder im Maschinenhaus angeordnet sein. Vom Verbindungspunkt aus wird der Blitzstrom in den Erdboden weitergeleitet
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Die Funktion der Blitzableitvorrichtung kann z.B. durch Anschließen eines Widerstandsmessgeräts zwischen Innenleiter und Außenleiter an einem Ende des Ableitkabels, sodass ein geschlossener Stromkreis gebildet wird, überprüft werden kann. Ein zu hoher Widerstand deutet dabei auf einen Kabelbruch hin.
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Die Funktion der Blitzableitvorrichtung kann aber auch mittels Zeitbereichsreflektrometrie geprüft werden. Hierbei wird eine Folge von Impulsen durch den Leiter geleitet. Durch Analyse der von dem Leiterende reflektierten Impulse, kann festgestellt werden ob eine Beschädigung der Leiter vorhanden ist. Zusätzlich lässt sich auch die Art und Position der Beschädigung bestimmen.
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Die Funktionsüberprüfung kann entweder durch einen Servicetechniker durchgeführt werden oder aber auch durch Fernwartung. Bei der Fernwartung kann zum Beispiel über die Windturbinensteuerung eine Funktionsüberprüfung der Blitzableitvorrichtung beauftragt werden. Die Turbinensteuerung kann das Ergebnis der Messung an einen entfernten Kontrollraum zurückschicken. Wird ein Fehler entdeckt, wird Servicepersonal zum Ersetzen des defekten Teiles, in diesem Fall das Ableitkabel, zu der Windturbine geschickt. Durch die Fernwartung kann zum Beispiel nach einem Unwetter im Bereich des Windparks eine Überprüfung der Blitzableitvorrichtungen der Windturbinen auf bequeme Weise durchgeführt werden.
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Durch die redundante Ausbildung des Ableitkabels kann die Windturbine bei Feststellung einer Beschädigung des einen Leiters dennoch weiterbetrieben werden. Abhängig von dem Restrisiko für einen erneuten Blitzeinschlag wird entschieden ob ein Austausch des Ableitkabels notwendig ist oder ob die Windturbine mit dem noch intakten Leiter weiterbetrieben werden kann. Das Restrisiko lässt sich aus verschiedenen Risikofaktoren berechen, diese sind unter anderem die örtliche Lage der Windturbine, die Bauart und die Höhe der Windturbine und die Folgen eines Ausfalls. Ein vollwertiger Blitzschutz wird von dem noch intakten Leiter sichergestellt. Dies verringert die Stillstands- und Wartungszeit der Windturbine und erhöht somit die Verfügbarkeit, was Kosten für den Betreiber spart. Durch das effektivere Blitzschutzsystem ergeben sich auch bessere Versicherungskonditionen, die zusätzlich Kosten sparen.
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Bei Windturbinen mit einem geringen Restrisiko vom Blitz getroffen zu werden, sodass kein Austausch des Blitzschutzkabels notwendig ist, kann das erfindungsgemäße Ableitkabel natürlich auch in dem Rotorblatt einlaminiert werden.
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Die erfindungsgemäße Blitzableitvorrichtung kann sowohl in dem Rotorblatt, dem Maschinenhaus als auch im Turm der Windturbine angeordnet sein. Aufgrund des kompakten Aufbaus und der einfachen Montage und Wartung der Blitzableitvorrichtung, wird diese aber besonders vorteilhaft in dem schwer zugänglichen und einen begrenzten Bauraum aufweisenden Rotorblatt angeordnet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.
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In den Zeichnungen zeigt
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1 eine Windturbine,
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2 ein Rotorblatt mit einer Blitzableitvorrichtung in einer ersten Montageposition,
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3 ein Rotorblatt mit einer Blitzableitvorrichtung in einer zweiten Montageposition,
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4 eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Blitzableitvorrichtung,
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5 eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Blitzableitvorrichtung.
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In 1 ist eine Windturbine 2 mit einem Turm 3, einem auf dem Turm 3 gelagerten Maschinenhaus 4 und einen Rotor 5 dargestellt. Der Rotor 5 umfasst eine Nabe 6 und drei drehbar an der Nabe 6 gelagerten Rotorblätter 7. Die Windturbine 2 umfasst auch eine Blitzableitvorrichtung 1 zum Schutz der Windturbine 2 vor Überspannungen durch Blitzeinschläge. Bei einem Blitzeinschlag wird der Blitzstrom von einem Rezeptor 11, der an besonders exponierten Stellen, wie zum Beispiel in der Rotorblattspitze 8 oder an dem Maschinenhaus 4, angeordnet sein kann. Von dem Rezeptor wird der Blitzstrom über ein Ableitkabel 10 zur Rotorblattwurzel 9 geführt und von dort aus über die Nabe 6, das Maschinenhaus 4 und den Turm 3 an einem in das Erdreich eingelassenen Erdungsanker weitergeleitet.
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2 zeigt ein Rotorblatt 7 mit einer erfindungsgemäßen Blitzableitvorrichtung 1. Die Blitzableitvorrichtung 1 umfasst einen in der Blattspitze 8 des Rotorblatts 7 angeordneten Rezeptor 11, der zum Auffangen eines Blitzstromes dient, und ein mit dem Rezeptor 11 verbundenes Ableitkabel 10 zum Ableiten des Blitzstroms von dem Rezeptor 11 zu einem in das Erdreich eingelassenen Erdungsanker. Das Ableitkabel 10 wird in dieser Ausführung zentral in dem Rotorblatt 7 geführt. Durch die Integration der beiden Leiter 12 in einem Ableitkabel 10 und die Anordnung des Ableitkabels 10 im Innenraum des Rotorblattes 7 lässt sich ein Austausch eines defekten Ableitkabels 10 in einfacher Weise durchführen, was bei in dem Rotorblatt einlaminierten und somit integrierten Blitzableitern nicht der Fall ist. Beim Austausch werden die beiden Leiter 12 des Ableitkabels 10 einfach von dem Rezeptor 11 gelöst und das ganze Ableitkabel 10 aus dem Rotorblatt 7 gezogen. Das neue Ableitkabel 10 kann danach in das Rotorblatt 7 eingeführt, und der Innenleiter 12a und der Außenleiter 12b an den Rezeptor 11 angeschlossen, werden.
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In 3 wird das Ableitkabel 10 entlang einer Innenwand des Rotorblatts 7 geführt und mittels Befestigungsmittel 15 lösbar befestigt an dem Rotorblatt 7 fixiert. Durch die Fixierung wird verhindert, dass sich das Ableitkabel 10 während einer Umdrehung des Rotors 5 in dem Rotorblatt 7 hin- und herbewegt. Somit wird ein mögliches Beschädigungsrisiko von Ableitkabel 10 und Rotorblatt 7 zusätzlich reduziert. Die Befestigungsmittel 14 können zum Beispiel als Klammer, Kabelbinder, Klettverschluss oder Clip ausgebildet sein.
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4 zeigt das erfindungsgemäße Ableitkabel 10. Das Ableitkabel 10 besteht aus einem Innenleiter 12a, einem Außenleiter 12b und einer zwischen Innenleiter 12a und Außenleiter 12b angeordneten Isolierung 14. Die Isolierung 14 dient dabei im Wesentlichen zur galvanischen Trennung der beiden Leiter 12 voneinander. Durch die Trennung wird verhindert, dass ein Durchbrennen des einen Leiters 12 den zweiten Leiter 12 beschädigt, sodass stets ein funktionstüchtiger Leiter 12 zum Ableiten des Blitzstromes vorhanden ist. Die beiden Leiter 12 sind an der Rotorblattspitze 8 mit dem Rezeptor 11 verbunden, so dass sowohl der erste Innenleiter 12a als auch der Außenleiter 12b mit dem Rezeptor in elektrischem Kontakt steht. An dem anderen Ende des Ableitkabels 10 werden die Enden des Innenleiters 12a und des Außenleiters 12b auch trennbar mit einander elektrisch verbunden. Somit kann ein Blitzstrom sowohl über den Innenleiter 12a als auch über den Außenleiter 12b abgeleitet werden.
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Durch trennen der einen elektrischen Verbindung zwischen Innenleiter 12a und Außenleiter 12b, Anschließen eines Widerstandsmessgeräts zwischen den freigewordenen Enden des Innenleiters 12a und des Außenleiters 12b und Messen des Widerstandes in der somit entstandenen Schleife, kann das Ableitkabel 10 auf Beschädigungen geprüft werden. Wird ein Fehler entdeckt, kann Wartungspersonal zum Austausch des defekten Ableitkabels 10 zu der Windturbine 2 geschickt werden. Alternativ kann auch Zeitbereichsreflektrometrie zur Prüfung von Beschädigungen verwendet werden. Durch den redundanten Aufbau des Ableitkabels 10 kann die Windturbine 2 jedoch bis zum Austausch des defekten Ableitkabels 10 in vollem Umfang weiterbetrieben werden, da ein vollwertiger Blitzschutz durch den noch intakten Leiter 12 gewährleistet ist.
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Um eine sichere Übertragung des Blitzstromes gewährleisten zu können, weisen die beiden Leiter 12 eine ausreichende Stromübertragungsfähigkeit auf, so dass jeder Leiter 12 jeweils den gesamten Blitzstrom ableiten kann. Die Stromübertragungsfähigkeit wird durch Verändern des Leiterquerschnitts angepasst. Der Mindestquerschnitt ist dabei von der Materialwahl abhängig und ergibt sich aus IEC 62305-3.
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In 5 wird eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Ableitkabels gezeigt. In dieser Ausführung wird das Ableitkabel mit einer äußeren Isolierung 13 versehen. Die äußere Isolierung schützt naheliegende elektrische Komponenten vor elektrischen Störungen, die bei einem Blitzeinschlag in dem Ableitkabel entstehen können.
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Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen sollen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blitzableitvorrichtung
- 2
- Windturbine
- 3
- Turm
- 4
- Maschinenhaus
- 5
- Rotor
- 6
- Nabe
- 7
- Rotorblatt
- 8
- Rotorblattspitze
- 9
- Rotorblattwurzel
- 10
- Ableitkabel
- 11
- Rezeptor
- 12
- Leiter
- 12a
- Innenleiter
- 12b
- Außenleiter
- 13
- Isolierung
- 14
- Befestigungsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005017865 [0004, 0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 62305 [0011]
- IEC 62305 [0012]
- IEC 62305-3 [0035]
