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Die Erfindung betrifft ein Steckelement sowie ein damit zusammensteckbares Stecksystem, insbesondere zur Herstellung von Zylinderkondensatoren.
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Zur Förderung von Schwerstölen oder Bitumen aus Ölsand- oder Ölschiefervorkommen mittels Rohrsystemen, welche durch Bohrungen darin eingebracht werden, muss die Fließfähigkeit der Öle erheblich erhöht werden. Dies kann durch Temperaturerhöhung des Vorkommens (Reservoirs) erreicht werden, beispielsweise durch ein Steam Assisted Gravity Drainage(SAGD)-Verfahren.
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Beim SAGD-Verfahren wird Wasserdampf – dem Lösungsmittel zugesetzt sein können – unter hohem Druck durch ein innerhalb des Reservoirs horizontal verlaufendes Rohr eingepresst. Das aufgeheizte, geschmolzene und vom Sand oder Gestein abgelöste Bitumen sickert zu einem zweiten etwa 5 m tiefer gelegenem Rohr, durch das die Förderung des verflüssigten Bitumens erfolgt. Der Wasserdampf hat dabei mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen, nämlich die Einbringung der Heizenergie zur Verflüssigung, das Ablösen vom Sand sowie den Druckaufbau im Reservoir herzustellen, um einerseits das Reservoir geomechanisch für einen Bitumentransport durchlässig zu machen (Permeabilität) und andererseits die Förderung des Bitumens ohne zusätzliche Pumpen zu ermöglichen.
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Zusätzlich zu dem SAGD-Verfahren oder an dessen statt kann eine induktive Heizung zur Unterstützung oder Förderung von Schwerstölen oder Bitumen verwendet werden.
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Dabei besteht die elektromagnetisch induktive Heizung aus einer Leiterschleife, die im Reservoir verlegt ist und bei Bestromung im umliegenden Erdreich Wirbelströme induziert, die dieses erhitzen. Um die gewünschten Heizleistungsdichten von typisch 1–10 kW je Meter Induktorlänge zu erreichen, ist es – je nach Leitfähigkeit des Reservoirs – erforderlich Stromstärken von einigen 100 Ampere bei Frequenzen von typisch 20–100 kHz einzuprägen. Zur Kompensation eines induktiven Spannungsabfalls entlang der Leiterschleife werden Kapazitäten zwischengeschaltet, wodurch ein Serienresonanzkreis entsteht, der bei seiner Resonanzfrequenz betrieben wird und an den Klemmen eine rein ohmsche Last darstellt. Ohne diese Serienkondensatoren würde sich der induktive Spannungsabfall der bis zu einigen 100 Meter langen Leiterschleifen auf einige 10 kV bis über 100 kV an den Anschlussklemmen aufsummieren, was u. a. bezüglich der Isolation gegen das Erdreich kaum handhabbar ist. Weiterhin müsste eine Kompensation der Blindleistung am oder im Generator (Oszillator) erfolgen.
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Das Problem von kapazitiv kompensierten Induktoren mit kunststoffbasierten Isolier- bzw. Dielektrikums-Systemen besteht im nach oben eingeschränkten Betriebstemperaturbereich. Die Spannungs- und Teilentladungsfestigkeit reduziert sich erheblich, wenn Temperaturen von ca. 150°C erreicht oder überschritten werden. Während bei Schwerölreservoiren eine Temperaturerhöhung von beispielsweise bis zu 50°C ausreichend sein kann, um die Förderung erheblich zu beschleunigen, sind bei Bitumen-(Ölsand)-Reservoiren in der Regel höhere Temperaturen (> 100°C) notwendig. Bei Hybridverfahren – SAGD unterstützt durch induktives Heizen, EM-SAGD – muss zudem damit gerechnet werden, dass Dampf von einem Injektor bzw. eine wachsende Dampfkammer den Induktor erreicht, so dass Temperaturen oberhalb 200°C am Induktor vorliegen können. Dadurch kann es zu Spannungsdurchbrüchen oder Teilentladungen kommen
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Kapazitiv kompensierten Induktoren mit konzentrierten, keramikbasierten Kondensatoren für erhöhte Temperaturbeständigkeit zur induktiven Heizung von Schweröl- und Ölsandlagerstätten wird ein Induktor mit mechanischen steifen konzentrierten Kapazitäten, die durch biegsame außenisolierte Rohre verbunden sind, sind bereits bekannt. Durch die Verwendung keramikbasierter Kondensatoren soll die erforderliche Temperaturbeständigkeit erreicht werden. Die gleiche Anforderung an die elektrische Isolierfähigkeit wird jedoch auch an die Außenisolation der Rohre gestellt. Da die Außenisolation jedoch nicht gleichzeitig die Funktion eines Dielektrikums hat, kann die Schichtdicke erhöht werden. Es bleibt jedoch die Anforderung bzgl. Temperaturbeständigkeit und Biegsamkeit.
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Darüber hinaus sind verteilte Kapazitäten basierend auf koaxialen Leitungsstrukturen bekannt. Dabei werden Resonanzlängen um oder größer 10m und Kondensatorabschnitte mit 1–2m Länge gebildet. Dazu ist eine separate Außenisolation erforderlich.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung mit geeigneter Konzeption zur elektrischen bzw. elektromagnetischen Heizung eines Reservoirs einer Ölsand-Lagerstätte zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Steckelements gelöst, das in Richtung seiner Längsausdehnung drei Abschnitte umfasst, wobei ein erster Abschnitt an einem Ende des Steckelements eine verjüngte Form aufweist, die komplementär zu einer Form eines dritten Abschnitts an dem von dem ersten Abschnitt abgewandten Ende des Steckelements ist, und wobei ein zweiter Abschnitt zwischen dem ersten und dem dritten Abschnitt angeordnet ist, welcher den ersten und den dritten Abschnitt miteinander verbindet. Mittels des Steckelements lassen sich – bei einem Zusammenfügung mehrerer gleichartiger Steckelemente – einzelne Bauteile modular aufbauen. Unter Vorgriff auf die folgenden Ausführungen lassen sich dabei besonders vorteilhaft elektrische Bauteile, z.B. Kondensatoren mit variabler räumlicher Größe und Kapazität „zusammenstecken“.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Steckelement in Richtung seiner Längsausdehnung, von dem Ende des ersten Abschnitts zum davon abgewandeten Ende des dritten Abschnitts, eine Durchgangsöffnung auf. Dadurch lasen sich auf einfache Weise „hohle“ Bauteile, z.B. Rohre, anfertigen.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Steckelement rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Auf diese Weise sind Formen und Bauteile herstellbar, bei denen beispielsweise in radialer Richtung gleiche physikalische Eigenschaften eingeprägt werden können, wie dies bei vielen Bauteilen vonnöten ist.
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Zweckentsprechend weisen einzelne Abschnitte des Steckelements mehrere koaxial zueinander angeordnete Schichten verschiedenartigen Materials auf, die sich in ihrer Anzahl abschnittsweise unterscheiden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, ergänzen sich die koaxial angeordnete Schichten des ersten Abschnitts und die koaxial angeordnete Schichten des dritten Abschnitts einander zu den jeweiligen koaxial zueinander angeordnete Schichten des zweiten Abschnitts des Steckelements – in Schichtfolge und Stärke des ausgewählten Materials. So können beispielsweise zylinderförmige Kondensatoren – je nach Anordnung und Materialwahl der koaxialen Schichten – zu einem „großen“ Bauteil zusammengesteckt werden.
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Bei einer geeigneten Ausführungsform des Steckelements sind im zweiten Abschnitt des Steckelements radiale Bohrungen vorsehbar. Da der zweite Abschnitt im Allgemeinen in seiner „Wand“-Stärke dicker ausgebildet ist als die beiden anderen Abschnitte des Steckelements, ist dieser auch mechanisch stabiler. Dadurch ist der zweite, auch mittlere Abschnitt geeignet, um Bohrungen oder Ausnehmungen an ihm vorzunehmen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind im zweiten Abschnitt des Steckelements radiale Nuten vorgesehen, die mit einem bestimmten Material, z.B. mit einem Kunststoff verfüllbar sind. Die Nuten können innerhalb oder außerhalb seines Querschnitts vorgesehen werden. Durch eine gezielte „Schwächung“ des radialen Querschnitts können z.B. die mechanischen Eigenschaften des Steckelements verändert werden. Das Steckelement wird durch die vorgesehenen Nuten im zweiten Abschnitt elastischer. Die Nuten können zusätzlich mit Kunststoff verfüllt sein wodurch eine mögliche Bewegungsfreiheit begrenzt werden kann.
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Ein weitere Aspekt der Erfindung betrifft ein Stecksystem aus mehreren Steckelementen, bei dem zumindest zwei Steckelemente zu einem Stecksystem zusammensteckbar sind, indem jeweils ein erster Abschnitt eines Steckelements in einen dritten Abschnitt eines weiteren Steckelements einsteckbar ist, usw. Je nach Bedarf lassen sich so Bauteile variabler Größe und Eigenschaften „zusammenstecken“.
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Besonders geeignet sind solche Steckelemente, zu einem Kondensator variabler Größe und Kapazität zusammensteckbar sind, wobei die einzelnen koaxial zueinander angeordneten Schichten des mittels der Steckelemente gebildeten Stecksystems zumindest zwei Schichten elektrisch leitfähigen Materials umfassen, zwischen denen jeweils eine Schicht dielektrischen Materials angeordnet ist. Dadurch können Kondensatoren fast beliebiger „Größe“ hergestellt werden, insbesondere solche, die für eine Kompensation von Induktivitäten geeignet sind, die bei Stromstärken von einigen 100 A bei Frequenzen von etwa 20-100 kHz auftreten, wie zum Beispiel in dem vorhergehend beschriebenen Verfahren zum Heizen von Öl-Reservoiren.
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Schließlich muss bei der Auslegung kapazitiv kompensierter Induktoren mit Kunstoffisoliersystemen die erheblich verminderte Spannungs- und Teilentladungsfestigkeit bei höheren Temperaturen berücksichtigt werden. Dies kann geschehen, indem die über den Kapazitäten auftretenden Spannungen entsprechend reduziert werden. Dazu ist es notwendig, die Zahl der in Serie geschalteten Kapazitäten derart zu erhöhen, dass der gesamte induktive Spannungsabfall auf so viele Kondensatoren verteilt wird, dass die aufgrund der erhöhten Temperatur verminderte Spannungsgrenze eingehalten wird. Die Serienschaltung von mehr Kondensatoren vermindert jedoch die Gesamtkapazität, was durch erhöhte Kapazität des Einzelkondensators auszugleichen ist, wenn die Betriebfrequenz (=Resonanzfrequenz) konstant gehalten werden soll.
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Bei verteilten Kondensatoren, die den Kapazitätsbelag zwischen Leitergruppen ausnutzen, führt dies zu einem erhöhten Querschnitt der Leitung mit entsprechend erhöhten Materialeinsatz. Weiterhin erhöht sich die Zahl der Unterbrechungen aufgrund von verkürzten Resonanzlängen, was mit weiter erhöhtem Produktionsaufwand verbunden ist.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bilden mehrere Steckelemente, die zu einem Kondensator variabler Größe und Kapazität zusammensteckbar sind, gleichzeitig eine Leitungsstruktur eines Induktors. Dadurch ist ein lässt sich ein durchgängiges Konzept zur Realisierung einer elektrischen bzw. elektromagnetischen Heizung eines Reservoirs einer Ölsand-Lagerstätte schaffen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
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1 anhand eines Schnitts parallel zur Rotationsachse einen Aufbau eines Steckelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 anhand eines Schnitts parallel zur Rotationsachse den Aufbau bzw. Zusammenbau eines Stecksystems mittels Steckelementen gemäß der Ausführungsform aus 1;
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3 eine perspektivische Ansicht eines Schnitts parallel zu der Rotationsachse eines Steckelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4 anhand eines Schnitts parallel zur Rotationsachse einen Aufbau eines Steckelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Gleiche oder gleich wirkende Einheiten sind in den Figuren mit gleichen oder sich entsprechenden Bezugszeichen versehen.
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1 veranschaulicht in einer zur Rotationsachse symmetrischen Schnittansicht den Aufbau eines Steckelementes 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Steckelement 10 handelt es sich um ein Steckelement 10, mittels dem ein Zylinderkondensator C „zusammensteckbar“ ist. Dabei gliedert sich das Steckelement 10 in drei Abschnitte 1, 2, 3, wobei der erste Abschnitt 1 eine zu dem dritten Abschnitt 3 komplementäre zylinderförmige Form aufweist, wodurch der erste Abschnitt 1 in einem dritten Abschnitt 3 eines weiteren Steckelements 10, vgl. 2, vollständig aufnehmbar ist.
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Der erste Abschnitt 1 weist eine zylindrische Form auf, wobei eine erste elektrisch leitfähige Schicht L1 einen ersten Leiter L1 bildet, und eine dazu koaxial angeordnete Dielektritizätsschicht D1. Der dritte Abschnitt 3 wiederum setzt sich auch aus mehreren koaxial zueinander angeordneten Schichten zusammen, wobei auf eine Dielektrizitätsschicht D3 eine zweite elektrisch leitfähige Schicht L3 folgt, die einen zweiten Leiter bildet. Die den zweiten Leiter bildende Schicht L3 grenzt an eine Ummantelungsschicht U, die über den gesamten Umfang des Steckelements 10 den dritten und zweiten Abschnitt 3, 2 nach außen hin isoliert.
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Die Dielektrizitätsschicht D1 des ersten Abschnitts 1 sowie die Dielektrizitätsschicht D3 des dritten Abschnitts eines weiteren Steckelements 10 bilden beim Zusammenstecken zweier Steckelemente 10 die Dielektrizitätsschicht D (: = D1 + D3) eines Zylinderkondensators C, dessen Aufbau eine erste elektrisch leitfähige Schicht L1 eines ersten Leiters umfasst, eine gemeinsamen Dielektrizitätsschicht D1 + D3 sowie eine zweiten elektrisch leitfähige Schicht L3 eines zweiten Leiters umfasst.
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Der mittlere Abschnitt des Steckelements 10 wird durch den Abschnitt 2 gebildet. Der zweite Abschnitt 2 verbindet den ersten Abschnitt 1 mit dem dritten Abschnitt 3 und ist derart gestaltet, dass sein Schichtaufbau D2, L2, D2, U einen homogenen Schichtübergang beim Zusammenstecken mehrerer Steckelemente 10 zu einem Stecksystem 100 ermöglicht, so dass sich ein einziger zylinderförmiger Kondensator C ausbildet, mit Schichten gleichen Materials und gleicher Stärke.
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Mittels des Steckelements 10 lassen sich demnach Zylinderkondensatoren konstruieren bzw. zusammenstecken, deren Zylinderhöhe der Länge des ersten Abschnitts 1 eines ersten Steckelements 10 und dem zweiten Abschnitts 2 eines weiteren Steckelements 10 entspricht.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die drei Leitungsabschnitte L1, L2 und L3 gleichzeitig eine Leitungsstruktur eines Induktors – wobei der Aufbau des Stecksystems 100 abschnittsweise einem Aufbau eines Koaxialleiters entspricht.
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In 2 wird ein zusammengesteckter Aufbau mehrerer Steckelemente 10 zu einem Stecksystem 100 in einer Schnittansicht parallel zu der gemeinsamen Rotationsachse gezeigt. Dabei wird ein Stecksystem 100 welches vier Steckelemente 10 umfasst, zu einer Serienschaltung von drei Zylinderkondensatoren C zusammengesteckt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Koaxialstruktur des Kondensators C einen Außendurchmesser zwischen 10 bis 50 cm mit einem bevorzugt keramischen Dielektrikum D auf, beispielsweise AL2O3 mit Schichtdicken 10–50µm, wobei eine Rohrwandstärke der elektrischen Schichten bzw. Leiter L1, L3 5 bis 20 mm aufweist. Daraus ergeben sich hohe Kapazitätsbeträge im Bereich von 0,5 bis 10 µF/m Aufgrund der hohen Kapazitätsbeläge ergeben sich kurze Resonanzlängen, zwischen 0,5 bis 2 m. Demnach führt die Serienresonanzfrequenz aus der Induktivität eines kurzen 0,5 bis 2 m Abschnitts eines Hin- bzw. Rückleiters der Induktionsschleife und des obigen Zylinderkondensatoren C zu einer gewünschten Resonanzfrequenz im Bereich von 10 bis 200 kHz. Damit verbunden ist ein vergleichsweise geringer induktiver Spannungsabfall zwischen 100 und 300 Volt. Dieser Spannung muss sowohl das Dielektrikum D(: = D1 + D3) des Zylinderkondensators als auch die Außenisolation bzw. Ummantelung U gegen das umliegende Erdreich standhalten. Insbesondere AL2O3 weist eine erforderliche hohe elektrische Durchbruchfeldstärke von 20 bis 30 KV pro Millimeter auf, aber auch spezielle Glasfolien können als Dielektrikum D geeignet sein.
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Der zylindrische Aufbau von Innen- und Außenelektrode bzw. der elektrisch leitenden Schichten L1 des ersten Abschnitts und L3 des dritten Abschnitts mit dem verbindenden Abschnitt 2 ergeben dabei den Kondensator C, der eine koaxiale Abschnitt der der Leitungsstruktur entspricht.
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In 3 wird eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Steckelements 10 in einer perspektivischen Schnittansicht parallel zu der Rotationsachse veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform des Steckelements 10 weist der zweite Abschnitt 2 radiale Bohrungen B auf. Diese Radialbohrungen B ermöglichen einen Fluiddurchlass wobei ein Fluidtransport vom Reservoir ins Innere einer Durchgangsöffnung R hier ein Rohrinneres, insbesondere zur Öl- und Bitumenumenförderung, oder aus dem Rohrinneren R ins Reservoir, Gas-, Wasser- und/oder Soleinjektion, erfolgt. Ein Gas- oder Flüssigkeitstransport im Rohrinneren R kann ebenso zu einer Kühlung des Induktors dienen.
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4 zeigt anhand eines Schnitts parallel zur Rotationsachse einen Aufbau eines Steckelements 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Dabei weist der mittlere zweite Abschnitt 2 Nuten N auf zum Rohrinneren R hin angeordnet.
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Durch die Nuten N kann die Steifigkeit des einzelnen Steckelements 10 bzw. des ganzen Stecksystems 100 beeinflusst werden, wodurch Biegungen, beispielsweise mit Biegeradien von 150 m, entlang von gekrümmten Bohrkurven überwindbar sind. Gleichzeitig werden die mechanischen Spannungen des Dielektrikums in dem Kondensatorabschnitt verringert. Darüber hinaus bleibt jedoch die gewünschte elektrische Spannungsfestigkeit erhalten. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Nuten N mit weichem Kunststoff verfüllt. Weicher Kunststoff behindert dabei die Biegung nicht, führt jedoch zu glatten Innen- bzw. Außenflächen was vorteilhaft beim Einziehen des Induktors bzw. Fluidtransport durch den Induktor ist – hier nicht gezeigt.
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Es ist zu erwarten, dass beim Zusammenstecken einzelner Steckelemente 10 aufgrund von Oberflächenrauhigkeit und/oder fertigungstechnischer Toleranzen kleine (bis winzige) luftgefüllte Zwischenräume zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten L1 und L3 verbleiben, in denen Teilentladungen auftreten könnten. Durch eine spezielle Beschichtung bzw. Belegung können die Hohlräume an der Oberfläche des Dielektrikums D1, D3, D vermieden werden. Es entsteht eine Zwischenelektrode – hier nicht gezeigt, bei der Lufteinschlüsse keine negativen Folgen haben. Eine ideale Situation, bei der sich Gesamtschichtdicke des Dielektrikums D (: = D1 + D3) aus den beiden Schichten der Elektroden zusammensetzt und vollkommen glatt ist, so dass keine Lufteinschlüssen entstehen. Dazu könnte eine Beschichtung mit Graphit zudem als Gleitschicht beim Zusammenstecken der Steckelemente 10 des Stecksystems 100 dienen.
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Eine Ummantelung U aus Kunststoff z.B. PE, PVC des Steckelements 10 bzw. Stecksystems 100 dient als mechanischer Schutz bei der Installation, hat jedoch keine elektrischen Anforderungen zu erfüllen und kann sich während des Betriebs abbauen.
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Weiter wesentliche Vorteile einer Anordnung mittels des Stecksystems 100 sind, dass der Induktor auch beim Kurzschluss einzelner Kondensatoren C weiterhin bei minimal verringerter Resonanzfrequenz betriebsfähig bleibt. Des Weiteren ermöglichen beispielsweise durch PEO (Plasma Electrolytic Oxidation) bzw. MAO (Micro-Arc Oxidation) aufgebrachte, keramische und hochfeste Al203-Schichten aufgrund einer hervorragenden Haftung eine Biegung zumindest mit großen Radien, wie sie in genannten Fällen bei der Öl- und Bitumenförderung vorliegen.
