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Die Erfindung betrifft eine Kurzschließereinrichtung, insbesondere für den Störlichtbogenschutz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen, bestehend aus einem mehrteiligen Gehäuse, welches eine feste und eine bewegliche Elektrode aufnimmt, wobei die Elektroden durch ein Opferelement auf Abstand zueinander im Gehäuse gehalten sind, einem mechanischen Vorspannelement, welches auf die bewegliche Elektrode einwirkt und einen Kraftvektor in Richtung der festen Elektrode bereitstellt und welche sich innerhalb eines Kopfteils des Gehäuses befindet, mindestens einem Entlüftungs- und Druckausgleichskanal sowie Mitteln zum Aktivieren des Opferelements derart, dass die Elektroden in elektrischen Kontakt zueinander gelangen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2005 048 003 B4 ist eine Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz vorbekannt.
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Diese Kurzschließeinrichtung umfasst ein Schaltelement, welches vom Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbar ist. Weiterhin sind zwei sich gegenüberliegende Kontaktelektroden mit Mitteln zur Stromzuführung vorhanden, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind. Die Kontaktelektroden stehen unter mechanischer Vorspannung derart, dass im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Relativbewegung der Elektroden zueinander ausführbar ist.
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Ein Opferelement wirkt als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden. Es besteht darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen dem Opferelement und dem Schaltelement einerseits und einer der Kontaktelektroden anderseits, um eine stromflussbedingte thermische Zerstörung des Opferelements gezielt herbeizuführen. Gemäß der
DE 10 2005 048 003 B4 ist das Opferelement ein dünnwandiger Hohlzylinder mit einem Verhältnis zwischen Durchmesser und Wandstärke des Hohlzylinders > 10:1, wobei das Material des Hohlzylinders hochschmelzend ausgeführt ist.
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Der bekannte Kurzschließer wird in Anlagen zum Personenschutz eingesetzt, die in der Lage sind, auf der Basis einer Störlichtbogenerkennung ein Schaltelement auszulösen. Eine derartige Lehre zeigt die
DE 10 2013 001 612 A1 , wobei dort die Energie zum Auslösen des Schaltelements ausschließlich aus der Energie des auftretenden Störlichtbogens gewonnen wird.
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Bei bekannten Kurzschließern werden die Kontaktflächen der Elektroden durch die Restfederkraft der Vorspannfeder im ausgelösten Zustand zusammengepresst.
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Aufgrund der auftretenden hohen Stromdichte an einzelnen Kontaktstellen besteht die Gefahr, dass die Oberfläche der Elektroden partiell aufschmilzt.
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Durch den dabei entstehenden Druck zwischen den Kontaktflächen kann die Vorspannfederkraft überwunden und die bewegliche der Elektroden zurückgeschoben werden. Dies wiederum führt zu einem erheblichen Elektrodenabbrand und es ist die Dauer der Stromtragfähigkeit gemindert.
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Bekannte Kurzschließer verfügen darüber hinaus nicht über die Möglichkeit der Zustandserkennung, so dass messtechnische Mittel erforderlich sind, um eine Bewertung des betreffenden Bauelements vornehmen zu können.
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Ein weiteres Problem bekannter Kurzschließer besteht darin, dass aufgrund notwendiger Druckausgleichskanäle Abbrand und Schmelze nach außen gelangen, war im Regelfall die Notwendigkeit einer Umhausung zur Bildung eines Auffangraums für derartige Partikel nach sich zieht. Hierdurch vergrößert sich der erforderliche Bauraum eines derart ertüchtigten Kurzschließers.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Kurzschließereinrichtung, insbesondere für den Störlichtbogenschutz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen anzugeben, welcher eine volle Stromtragfähigkeit über einen längeren Zeitraum ermöglicht, der darüber hinaus mit einer integrierten Zustandsanzeige versehen ist und welcher über eine solche mechanische Stabilität verfügt, dass eine Beschädigung des empfindlichen Opferelements als Abstandshalter bei Transport, Lagerung und Montagearbeiten ausgeschlossen werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Es wird demnach von einer Kurzschließereinrichtung, insbesondere für den Störlichtbogenschutz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen ausgegangen, welche aus einem mehrteiligen Gehäuse besteht. Das Gehäuse nimmt sowohl eine feste als auch eine bewegliche Elektrode auf, wobei die Elektroden durch ein Opferelement auf Abstand zueinander im Gehäuse gehalten sind. Weiterhin ist eine mechanische Vorspanneinrichtung, insbesondere ein Vorspannelement bzw. eine Vorspannfeder vorhanden, welche auf die bewegliche Elektrode einwirkt und einen Kraftvektor in Richtung der festen Elektrode bereitstellt.
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Bei einer Alternative besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, beide Elektroden beweglich auszuführen mit dem Ziel, im Kurzschlussauslösefall miteinander in Kontakt zu kommen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich das mechanische Vorspannelement innerhalb eines Kopfteils des Gehäuses. Weiterhin sind Entlüftungs- und Druckausgleichskanäle sowie Mittel zum Aktivieren des Opferelements derart vorhanden, dass die Elektroden in elektrischen Kontakt zueinander gelangen.
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Das Opferelement ist bevorzugt als Schmelzelement, insbesondere als schmelzfähiges Röhrchen ausgebildet und steht mit einem elektrischen Außenkontakt in Verbindung. Ein Auslösen des Opferelements erfolgt über eine Schalteinrichtung mit der Folge, dass durch das Opferelement ein Strom fließt, der dieses in einen solchen Zustand überführt, dass die Wirkung des Opferelements als Abstandshalter aufgehoben wird.
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Gemäß einem ersten Erfindungsaspekt ist im Kopf des Gehäuses eine Verriegelungsanordnung ausgebildet, welche nach dem Aktivieren des Opferelements und Inkontaktgelangen der Elektroden ein Zurückfahren der beweglichen Elektrode verhindert, indem unmittelbar die bewegliche Elektrode oder mittelbar ein der Bewegung der beweglichen Elektrode folgender Schieber durch einen federvorgespannten Bolzen oder ein ähnliches Mittel blockierbar ist.
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Wenn also die bewegliche Elektrode ihre Ausgangsposition verlassen hat, wird der federvorgespannte Bolzen freigegeben und verhindert ein Zurückfahren bzw. Zurückbewegen der beweglichen Elektrode, so dass deren Position bezüglich der festen Elektrode arretiert wird und unveränderbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der federvorgespannte Bolzen in einer diesbezüglich komplementären Ausnehmung im Kopf des Gehäuses gelagert, wobei die Bewegungsrichtung des Bolzens im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der beweglichen Elektrode bzw. eines mit der Elektrode verbundenen Schiebers ist.
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Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Gedanken steht die vorerwähnte Ausnehmung mit einem Sichtfenster im Gehäuse in Verbindung, um die Lage des Bolzens und damit den Zustand der Kurzschließereinrichtung zu visualisieren. Beispielsweise kann hier der Bolzen farbig ausgeführt sein oder farbige Abschnitte besitzen. Bei der Ausgangsposition des Bolzens ist im Sichtfenster beispielsweise eine grüne Markierung erkennbar. Im Kurzschluss-, d. h. im Auslösefall der Einrichtung verändert sich die Markierung im Fenster z. B. hin zum Roten.
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Um eine sichere Arretierung der Position der beweglichen Elektrode im Auslösefall zu bewerkstelligen, besitzen sowohl das mit dem Schieber in Kontakt kommende Bolzenende als auch der Schieber an seiner Bolzenkontaktfläche eine Keilform. Die erforderliche Selbsthemmung wird durch den Neigungswinkel der Keilflächen sowie durch die Wahl der Werkstoffe von Bolzen, Schieber und Bolzenführung optimiert.
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Im unausgelösten Zustand liegt der Bolzen stirnseitig am Schieber an, wodurch keine zusätzliche, nachteilige Druckkraft auf das Opferelement wirkt.
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Wie bereits erwähnt, kann das Opferelement als Schmelzabstandshalter ausgebildet sein, wobei ausgehend von einem Fußteil des Gehäuses eine, den Schmelzabstandshalter umgreifende ringförmige Wand oder ein entsprechend ringförmiger Wall ausgebildet ist, um ein Eindringen von Schmelzmasse in den Elektrodenzwischenraum zu verhindern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung führen die im Gehäuse befindlichen Entlüftungs- und Druckausgleichskanäle zu einem in mindestens einem Gehäuseteil ausgebildeten Abbrandauffangraum oder einer entsprechenden Abbrandauffangkammer, wobei der diesbezügliche Raum oder die Kammer eine Verbindung zur Umgebungsatmosphäre besitzt.
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In erfindungsgemäßer Weise nimmt der Querschnitt der Entlüftungs- und Druckausgleichskanäle vom Inneren der Einrichtung nach außen hin kontinuierlich oder diskontinuierlich zu.
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Durch die Ausführung der Entlüftungskanäle wie vorbeschrieben, ist ein schneller Druckausgleich möglich, indem der Strömungswiderstand gering gehalten ist. Der Abbrandaustritt wird begrenzt, da ein Teil des im Kurzschlussfall schmelzenden Elektrodenmaterials bereits in den Entlüftungskanälen mit der dortigen Oberfläche, insbesondere im Fall einer metallischen Oberfläche, verschmilzt. Ein weiterer Teil des Abbrands wird durch den Luftstrom in den betreffenden Abbrandauffangraum oder die entsprechende Kammer befördert und dort aufgefangen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abbrandauffangraum oder die Abbrandauffangkammer als eine oder mehrere Sacklochbohrungen ausgeführt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kopfteil des Gehäuses aus einem leitfähigen Material, z. B. Kupfermaterial bzw. einer Kupferlegierung, und weist eine elektrische Anschlusslasche auf, wobei die bewegliche Elektrode im Inneren des Kopfteils angeordnet und seitlich vom Kopfteilmaterial umgriffen und geführt ist.
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Zwischen dem Kopfteil des Gehäuses und einem Gehäusefußteil ist gemäß einem ergänzenden Erfindungsaspekt ein stabilisierender und kraftaufnehmender Ring verspannt derart, dass unerwünschte mechanische Krafteinwirkungen auf das Opferelement vermeidbar sind.
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Bei bekannten Kurzschließern wird das als Schmelzelement oder Schmelzrohr ausgebildete Opferelement bereits bei einem Sturz aus geringer Fallhöhe auf die Anschlusslaschen gestaucht. Die gewünschte Spannungsfestigkeit ist dann nicht mehr gegeben. Besonders problematisch ist die Tatsache, dass diese Beschädigung äußerlich nicht festgestellt werden kann. Weiterhin können auch durch oder nach dem Einbau mechanische Kräfte von außen her direkt auf das Opferelement einwirken, was ebenfalls nachteilig ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Lehre sind deutlich größere Belastungen, auch größere zulässige Fallhöhen möglich. Insbesondere werden äußere Kräfte von den Anschlusslaschen respektive Stromschienen durch den erfindungsgemäßen kraftaufnehmenden Ring abgeleitet und wirken nicht auf das sensible Opferelement.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kurzschließereinrichtung mit zweiteiligem Gehäuse und Verriegelungsanordnung im nicht ausgelösten Zustand;
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2 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 1, jedoch im ausgelösten Zustand und
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3 eine Detaildarstellung der Ausbildung von Entlüftungskanälen nebst Abbrandauffangraum.
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Die Kurzschließereinrichtung gemäß Ausführungsbeispiel geht von einem mehrteiligen Gehäuse aus. Insbesondere ist ein Gehäusekopfteil 1, z. B. bestehend aus Kupfer, sowie ein Gehäusefußteil 2, z. B. bestehend aus einem Isolationsmaterial ausgebildet.
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Innerhalb des Kopfteils 1 befindet sich eine bewegliche Elektrode 3.
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Im Fußteil 2 ist eine feste Elektrode 4 angeordnet.
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Die Elektroden 3 und 4 werden durch ein Opferelement 5, welches z. B. als Schmelzelement ausgeführt ist, auf Abstand zueinander im zweiteiligen Gehäuse gehalten.
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Darüber hinaus ist ein mechanisches Vorspannelement, insbesondere eine Feder 6 vorhanden, welches auf die bewegliche Elektrode 3 einwirkt und einen Kraftvektor in Richtung der festen Elektrode 4 bereitstellt.
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Die Feder 6 befindet sich innerhalb des Kopfteils 1 und stützt sich quasi zwischen Kopfteil 1 und beweglicher Elektrode 3 ab.
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Weiterhin sind Entlüftungs- und Druckausgleichskanäle 7 vorhanden sowie Mittel zum Aktivieren des Opferelements 5 ausgebildet. Bei diesen Mitteln handelt es sich insbesondere um eine Stromzuführung 8. Wenn das Opferelement 5 durch entsprechenden Stromfluss aktiviert wird, verliert es seinen mechanischen Halt respektive seine Steifigkeit, so dass sich die bewegliche Elektrode 3 in Richtung feste Elektrode 4 bewegt und mit letzterer in Kontakt kommt, so dass der gewünschte Kurzschluss zwischen den Anschlusslaschen 9; 10 entsteht.
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Im Kopfteil 1 der Kurzschließereinrichtung ist eine Verriegelungsanordnung ausgebildet, welche nach dem Aktivieren des Opferelements 5 und Inkontaktgelangen der Elektroden 3; 4 ein Zurückfahren der beweglichen Elektrode 3 verhindert.
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Diesbezüglich ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Schieber 11 so angeordnet, dass dieser der Bewegung der beweglichen Elektrode folgt.
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Ein federvorgespannter Bolzen 12 kann dann, wenn sich der Schieber in Richtung, wie in 2 gezeigt, absenkt, in den verbleibenden Freiraum eindringen und ein Zurückfahren des Schiebers 11 respektive der Elektrode 3 verhindern.
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Der federvorgespannte Bolzen 12 ist in einer diesbezüglichen Ausnehmung im Kopfteil 1 des Gehäuses gelagert, wobei die Bewegungsrichtung des Bolzens 12 im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der beweglichen Elektrode 3 orientiert ist.
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Die 2 zeigt den ausgelösten Zustand der Kurzschließereinrichtung mit der deutlich sichtbaren Blockierfunktion durch die vorbeschriebene Verriegelungsanordnung. Es ist auch ersichtlich, dass der Bolzen 12 mit der Bolzenfeder 13 kraftbeaufschlagt ist.
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Die vorerwähnte Ausnehmung steht mit einem Sichtfenster 14 in Verbindung, um eine Statusanzeige 15 zu realisieren. Es ist hierdurch die Lage des Bolzens 12 über das Sichtfenster 14 von außen visualisier- und erkennbar.
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Der Schieber 11 ist, wie in 1 und 2 ersichtlich, von einer Isolierhülse 16 aufgenommen und mit der beweglichen Elektrode 3 verbunden.
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Die Detaildarstellung nach 3 macht weiterhin deutlich, dass sowohl das mit dem Schieber 11 in Kontakt kommende Bolzenende 12 als auch der Schieber 11 an seiner Bolzenkontaktfläche eine Keilform aufweisen, um die notwendige Selbsthemmung zu bewirken.
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Das Opferelement 5 ist als Schmelzabstandshalter ausgebildet, wobei sich ausgehend vom Fußteil 2 des Gehäuses eine, den Schmelzabstandshalter umgreifende Wand oder ein ringförmiger Wall 20 ausgebildet ist, um ein Eindringen von Schmelzmasse in den Elektrodenzwischenraum zu verhindern.
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Die im Gehäuse befindlichen Entlüftungs- und Druckausgleichskanäle 7 führen zu einem in mindestens einem Gehäuseteil ausgebildeten Abbrandauffangraum oder einer dementsprechenden Kammer 21. Der Abbrandauffangraum bzw. Abbrandauffangkammer 21 ist bevorzugt als Sacklochbohrung ausbildbar.
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Der Abbrandauffangraum bzw. die Abbrandauffangkammer 21 besitzt weiterhin eine Verbindung 22 zur Umgebungsatmosphäre, die als Ringnut bei einer entsprechenden rotationssymmetrischen Ausbildung der Kurzschließereinrichtung ausgestaltet werden kann.
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Es ist insbesondere aus der 3 ersichtlich, dass sich die Entlüftungs- und Druckausgleichskanäle 7 bis hin zum Abbrandauffangraum bzw. zur Abbrandauffangkammer 21 querschnittsseitig von innen nach außen vergrößern.
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Zwischen dem Kopfteil 1 des Gehäuses und dem Gehäusefußteil 2 befindet sich, wie in den Figuren erkennbar, ein stabilisierender und kraftaufnehmender Ring 23. Der Ring 23 ist zwischen Kopfteil 1 und Gehäusefußteil 2 verspannt derart, dass unerwünschte mechanische Krafteinwirkungen auf das Opferelement 5 vermieden werden können.
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Gemäß dem erläuterten Ausführungsbeispiel wird durch den Verriegelungsmechanismus eine Verschiebung der beweglichen Elektrode 3 im ausgelösten Zustand einseitig spielfrei blockiert. Die Verfahrzeit des federvorgespannten Verriegelungsbolzens 12 ist über die Auslegung der Bolzenfeder 13 und die entsprechenden Massen so eingestellt, dass der Bolzen noch vor kurzschlussbedingter Druckentstehung am Schieber 11 anliegt. Mit Auslösung wird der Bolzen 12 gemäß Ausführungsbeispiel so verfahren, dass eine visuelle Änderung über die Sichtfensteröffnung 14 feststellbar ist. Es wird also die Statusanzeige 15 so weit verfahren, dass diese nicht mehr im Sichtfenster 14 erkennbar ist.
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Die Integration des oder der Abbrandauffangräume oder Abbrandauffangkammern im Gehäusebauteil ermöglicht einen schnellen Druckausgleich bei gleichzeitig geringem Abbrandaustritt. Weiterhin wird das gesamte Bauvolumen der Kurzschließereinrichtung reduziert.
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Bedingt durch die Lösung der Stabilisierung der Gesamtanordnung unter Rückgriff auf den kraftaufnehmenden Ring 23 übersteht die erfindungsgemäße Einrichtung Fallhöhen ≤ 1 m. Eine Stauchung des Opferelements ist auch bei größeren Fallhöhen deutlich begrenzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005048003 B4 [0002, 0004]
- DE 102013001612 A1 [0005]
