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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Sicherstellung eines Mischverhältnisses eines Isoliergasgemisches für ein gasisoliertes elektrisches Hochspannungsgerät.
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Unter einem gasisolierten elektrischen Hochspannungsgerät wird insbesondere verstanden eine im Hochspannungsbereich oberhalb von 50 kV arbeitende gasisolierte Schaltanlage (GIS) oder ein gasisolierter Transformator (GIT). Bei diesen Hochspannungsgeräten wird ein Isoliergas anstelle von Luft verwendet, um die Abstände zwischen den spannungsführenden Teilen und damit den benötigten Bauraum verringern zu können. In gasisolierten elektrischen Hochspannungsgeräten wird heute im Allgemeinen Schwefelhexafluorid (SF6) als Isoliergas eingesetzt. Aufgrund seiner unerwünschten Wirkung als Treibhausgas gibt es jedoch Bestrebungen, SF6 durch alternative Isolierstoffe zu ersetzen. So ist es kürzlich gelungen, ein deutlich umweltschonenderes Gasgemisch zu finden, welches ähnliche Isolationseigenschaften aufweist wie das bisher genutzte SF6.
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In dem Artikel „Investigation of the insulation performance of a new gas mixture with extremely low GWP”, von J. D. Mantilla et al, veröffentlicht auf der 2014 Electrical Insulation Conference, Philadelphia, Pennsylvania, USA, 8. bis 11. Juni 2014, wird ein Gasgemisch beschrieben, welches perfluorierte Ketone enthält sowie technische Luft oder CO2 als Trägergas. Das Gasgemisch weist eine zu SF6 vergleichbare Durchschlagsfestigkeit auf, sowohl bei 50 Hz Wechselspannungsbeanspruchung als auch bei Blitzstoßspannung. Unter dem Begriff „technische Luft“ wird dabei ein Gasgemisch vordefinierter Zusammensetzung verstanden, welches im Wesentlichen Sauerstoff und Stickstoff enthält. Ein Trägergas wird benötigt, da die perfluorierten Ketone, im Folgenden Fluorketone genannt, bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegen.
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Eine Alternative zu obigem Gasgemisch wird beschrieben in dem auf www.think-grid.org erschienen Artikel „In search of an SF6 replacement“. Das dortige Gasgemisch basiert auf einem Fluornitril.
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Im Folgenden wird deshalb von einem Isoliergasgemisch ausgegangen, welches ein so genanntes Isolierfluid sowie ein Trägergas enthält. Das Isolierfluid stellt den für die resultierenden dielektrischen Eigenschaften das Gasgemisches bedeutenden Anteil dar. Bevorzugt ist das Isolierfluid ein Fluorketon oder ein Fluornitril.
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Will man eines der beschriebenen Gasgemische bei gasisolierten elektrischen Hochspannungsgeräten, insbesondere Schaltanlagen, einsetzen, muss ein Weg gefunden werden, wie das Hochspannungsgerät am Produktionsstandort bzw. am Ort seiner Inbetriebnahme möglichst schnell und präzise mit dem Gasgemisch befüllt werden kann. Da das Gasgemisch nicht in großen Mengen industriell vorgefertigt und lagerfertig zur Verfügung steht und da es vorteilhafterweise an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden sollte, wird es direkt vor Ort durch entsprechendes Mischen seiner Einzelkomponenten hergestellt.
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Aus der
WO 2014/037031 A1 sind ein Verfahren und eine Anlage zum Befüllen eines Hochspannungsgerätes mit Isoliergas bekannt. Die Anlage enthält einen Mischer zum geregelten Mischen von wenigstens zwei Fluiden, wobei deren Mischverhältnis sensorisch bestimmt wird und der Mischvorgang anhand des bestimmten Mischverhältnisses so geregelt wird, dass die Kondensationstemperatur der zu mischenden Fluide unterhalb der Temperatur beim Befüllen der Anlage ist.
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Auf diese Weise wird vermieden, dass eines oder mehrere der wenigstens zwei Fluide beim Befüllen der GIS auskondensieren, was zu einer unerwünschten Änderung des Mischverhältnisses führen würde. Die
WO 2014/037031 A1 befasst sich grundsätzlich nicht mit dem laufenden Betrieb der befüllten Anlage.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, mit der sichergestellt werden kann, dass das gewünschte Mischverhältnis der Fluide auch bei laufendem Betrieb des befüllten Hochspannungsgerätes aufrechterhalten werden kann.
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Dieses Ziel wird mit einem System sowie einem Verfahren zur Sicherstellung des gewünschten Mischverhältnisses in dem Isoliergasgemisch des gasisolierten elektrischen Hochspannungsgerätes nach den unabhängigen Ansprüchen erreicht.
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Grundlage der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass das Gasgemisch aus Isolierfluid und Trägergas eine sich von SF
6 wesentlich unterscheidende Eigenschaft aufweist, die bei Verwendung des Gasgemisches als Isoliergas von Bedeutung ist: nach einer Ionisierung infolge eines bei einem Schaltvorgang entstandenen Lichtbogens rekombiniert das Gasgemisch nicht wieder in seinen Ausgangszustand. Demzufolge ist im laufenden Betrieb einer GIS in Abhängigkeit von den Schaltleistungen ein allmählicher Verbrauch des in dem Gasgemisch enthaltenen Isolierfluidszu erwarten. Mit der aus der
WO 2014/037031 A1 bekannten Anlage zum Befüllen einer GIS kann jedoch das verbrauchte Isolierfluidnicht wieder nachgefüllt werden, da zum einen kein Befüllen mit reinem Isolierfluidvorgesehen ist und zum anderen die Anlage für deutlich größere Füllmengen ausgelegt ist.
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Grundsätzlich enthält das hier vorgestellte System einige Elemente, die auch aus der
WO 2014/037031 A1 bekannt sind, nämlich einen in einem Gasraum des Hochspannungsgerätes angeordneten Sensor zum Erfassen des Anteils an Isolierfluid in dem Isoliergasgemisch, eine Pumpe zum Befördern von flüssigem Isolierfluid aus einem Vorratsbehälter, sowie ein Steuergerät zum Ansteuern der Pumpe.
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Jedoch weist das System gemäß der Erfindung folgende Unterschiede auf: die Pumpe ist eine Dosierpumpe, deren Förderrate im Bereich von weniger als einem Standardliter bzw. Normliter pro Stunde (< 1 Nl/h) liegt; es wird kein Verdampfer benötigt; in dem System wird nicht das Isoliergasgemisch als solches sondern ausschließlich das verdampfte Isolierfluid durch die Gasleitung befördert und dem Hochspannungsgerät zugeführt; und das Steuergerät steuert die Dosierpumpe solange an, bis der vom Sensor erfasste Anteil an Isolierfluid innerhalb eines voreingestellten Wertebereiches liegt.
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Der Vorteil, auf einen Verdampfer verzichten zu können, liegt darin begründet, dass bei den von der Dosierpumpe erzeugten kleinen Flüssen, d.h. bei langsamem Einfüllen des Isolierfluids in den Gasraum des Hochspannungsgerätes, der im Gasraum vorhandene geringe Partialdruck des Isolierfluids dazu führt, dass das neu hinzukommende Isolierfluid auch ohne weitere Hilfsmittel verdampft.
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Das hier vorgestellte und von dem erfindungsgemäßen System ausgeübte Verfahren enthält dementsprechend folgende Merkmale: Erfassen des Anteils an Isolierfluid in dem Isoliergasgemisch in einem Gasraum des Hochspannungsgerätes; Befördern des flüssigen Isolierfluids von einem Vorratsbehälter in Richtung Gasraum mittels einer Dosierpumpe mit einer Förderrate im Bereich von weniger als einem Normliter pro Stunde, wobei die Dosierpumpe solange angesteuert wird, bis der erfasste Anteil an Isolierfluid innerhalb eines voreingestellten Wertebereiches liegt, Zuführen des verdampften Isolierfluids dem Gasraum des Hochspannungsgerätes.
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Mit der Erfindung wird es möglich, den im Laufe des Betriebs des Hochspannungsgerätes verbrauchten Anteil an Isolierfluid hochgenau nachzufüllen, wobei von einem beliebigen Istzustand ausgegangen und ein beliebiger, in dem Steuergerät voreingestellter Sollzustand erreicht werden kann. Dabei bedarf es keinerlei Eingriffs durch Bedien- oder Servicepersonal, d.h. die hochgenaue Anpassung der Konzentrationen der Mischgas-Bestandteile erfolgt automatisch, was insbesondere in der Serienanwendung des Hochspannungsgerätes von Vorteil ist und auch das Servicegeschäft vereinfacht.
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Mittels des Sensors wird also eine Gasprobe aus dem Gasraum des Hochspannungsgerätes entnommen, analysiert und anschließend automatisch die gewünschte Soll-Gasmischung, ausgehend von dem festgestellten, beliebigen Ist-Ausgangszustand wiederhergestellt. Dabei wird im Unterschied zur bekannten Befüllanlage lediglich ein kleinvolumiges System verwendet, welches einen kleinvolumigen Kreisprozess realisiert, der sich ausschließlich auf das für die Isolationseigenschaften des Gasgemisches wesentliche Isolierfluid konzentriert. Mit anderen Worten wird also das Isolierfluid direkt dem Gasraum des Hochspannungsgerätes zugeführt, ohne zusätzliches Beimischen des Trägergases. Dementsprechend kann auf sämtliche Komponenten verzichtet werden, die für das Mischen des Isolierfluids mit dem Trägergas erforderlich sind. Darüber hinaus wird aufgrund der lediglich kleinen bewegten Volumen ein Überfüllen der Anlage verhindert.
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Das Steuergerät kann dazu ausgelegt sein, die Fördergeschwindigkeit des Isolierfluids in Abhängigkeit von der Größe einer Abweichung zwischen einem gewünschten und dem gemessenem Anteil an Isolierfluid im Gasraum und ausgehend von einer anfänglichen Fördergeschwindigkeit zu variieren, indem das Steuergerät die Fördergeschwindigkeit mit geringer werdender Abweichung reduziert. Auf diese Weise wird der gewünschte Zielwert vergleichsweise langsam und damit im Temperaturgleichgewicht angefahren.
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Das Steuergerät kann dabei insbesondere dazu ausgelegt sein, eine benötigte Menge an nachzufüllendem Isolierfluid zu ermitteln, in Abhängigkeit davon die anfängliche Fördergeschwindigkeit festzulegen, und dabei die benötigte Menge anhand einer anfänglichen Abweichung des gemessenen Anteils vom gewünschten Anteil an Isolierfluid im Gasraum sowie unter Hinzuziehung des Volumens des Gasraums zu bestimmen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das System zusätzlich eine Verdampfungseinrichtung mit einer Gasmischkammer. Die Verdampfungseinrichtung ist zwischen der Dosierpumpe und dem Gasraum angeordnet. Eine Gasleitung verbindet die Gasmischkammer der Verdampfungseinrichtung mit dem Gasraum derart, dass ein Gasaustausch zwischen dem Isoliergasgemisch des Gasraums und dem von der Dosierpumpe der Gasmischkammer zugeführten Isolierfluid stattfindet.
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Weiterhin kann eine zusätzliche Wärmezuführeinrichtung zur Erwärmung des dem Gasraum zuzuführenden Isolierfluids vorgesehen sein, um Kondensationsbildung zu vermeiden und die Prozesssicherheit zu erhöhen. Da auf diese Weise überhitzter Dampf erzeugt wird, wird es in der Folge möglich, die Fördergeschwindigkeit der Dosierpumpe anzuheben und trotzdem ein vollständiges Verdampfen des Isolierfluids – auch bei fehlender Verdampfungseinrichtung – sicherzustellen.
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Die Erfindung und eine mögliche Ausgestaltung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figur erläutert, wobei die Figur zeigt:
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1 ein System zur Sicherstellung eines gewünschten Mischverhältnisses in einem Isoliergasgemisch eines gasisolierten elektrischen Hochspannungsgerätes;
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In 1 ist ein Gasraum 1 zu sehen, der zu einem gasisolierten elektrischen Hochspannungsgerät, insbesondere einer gasisolierten Schaltanlage (GIS) oder einem gasisolierten Transformator (GIT), gehört.
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In dem Gasraum
1 befinden sich spannungsführende Teile
2, und der Gasraum
1 ist über eine zum Zweck des Befüllvorgangs angeschlossene Leitung B mit einem Isoliergasgemisch
3 gefüllt worden, welches ein Isolierfluid, insbesondere Fluorketon oder Fluornitril, sowie ein Trägergas, insbesondere CO
2, O
2 oder Luft, enthält. Die Befüllanlage könnte beispielsweise die aus der
WO 2014/037031 A1 bekannte Anlage sein. Nach dem Befüllen wird sie vom Gasraum getrennt, weshalb die Leitung B nur gestrichelt dargestellt ist.
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Da erkannt worden ist, dass sich das Isolierfluid im Gasraum 1 im Laufe des Betriebes des Hochspannungsgerätes verbraucht, ist das dargestellte System zum kontinuierlichen Nachfüllen des Isolierfluids vorgesehen. Das System umfasst einen im Gasraum 1 des Hochspannungsgerätes angeordneten Sensor 4 zum Erfassen des Anteils an Isolierfluid in dem Isoliergasgemisch 3, eine Gasleitung N zum Einbringen des nachzufüllenden Isolierfluids in den Gasraum 1 des Hochspannungsgerätes, eine Dosierpumpe 6 zum Befördern von flüssigem Isolierfluid 7 von einem Vorratsbehälter 8 zur Gasleitung N und über die Gasleitung N weiter zum Gasraum 1, sowie ein Steuergerät 9 zum Ansteuern der Dosierpumpe 6. Das Steuergerät 9 kann dabei eine in die Dosierpumpe 6 integrierte Einheit darstellen, oder es fungiert als eigenständiges Gerät. Der Sensor 4 ist über eine drahtlose bzw. drahtgebundene Datenverbindung D mit dem Steuergerät 9 verbunden, und das Steuergerät 9 gibt seine Steuerbefehle per Steuerleitung S an die Dosierpumpe 6 weiter. Die Dosierpumpe 6 wiederum ist über eine Gasleitung mit dem Vorratsbehälter 8, beispielsweise einem Tank oder einer Flasche verbunden. Ihre Aufgabe ist es neben der reinen Beförderung des Isolierfluids vom Vorratsbehälter 8 in Richtung Gasraum 1, das Isolierfluid auf den im Gasraum 1 herrschenden Arbeitsdruck zu bringen. Der Arbeitsdruck kann dabei in einem Bereich zwischen 1 und 10 bar liegen.
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Gemäß der Erfindung ist die Pumpe eine Dosierpumpe, deren Förderrate im Bereich von weniger als einem Normliter pro Stunde liegt. Bevorzugt beträgt die Förderrate zwischen 0,1 und 1 Normliter pro Stunde. Ein Wert von 0,1 Normliter pro Stunde entspricht dabei ungefähr einem Massenstrom von 100 Gramm pro Stunde. In dem in 1 dargestellten System wird ausschließlich das Isolierfluid durch die Gasleitung N in Richtung des Gasraums 1 befördert, d.h. es kommt kein Trägergas hinzu, und das Steuergerät 9 steuert die Dosierpumpe 6 solange an, bis der mittels des Sensors 4 erfasste Anteil an Isolierfluid in dem Isoliergasgemisch 3 innerhalb eines in dem Steuergerät 9 voreingestellten Wertebereiches liegt.
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Der Sensor 4 kann dabei beispielsweise den Partialdruck des Isolierfluids oder die Konzentration des Isolierfluids im Isoliergasgemisch 3 erfassen. Anhand der Abweichung des gemessenen vom benötigten Wertes und zusammen mit der Kenntnis des Volumens des Gasraums 1 könnte dann ermittelt werden, wie groß die benötigte Menge des Isolierfluids ist, die nachgefüllt werden muss. Dann könnte der Nachfüllvorgang gesteuert erfolgen, d.h. es würde die benötigte Menge abgemessen und in den Gasraum 1 eingefüllt, ohne dass es einer Nachprüfung mittels des Sensors 4 bedarf. Da jedoch das Volumen des Gasraums im Allgemeinen nicht mit genügend großer Genauigkeit bekannt ist, wird vorliegend ein geregeltes und damit ausreichend präzises Nachfüllen vorgeschlagen, bei dem über den Sensor 4 eine Rückmeldung darüber erfolgt, wieviel Isolierfluid bereits nachgefüllt wurde. Erst wenn ein Zielwert erreicht bzw. überschritten ist, wird der Nachfüllprozess gestoppt. Demgemäß fungiert also das Steuergerät 9 als Regler.
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Die Fördergeschwindigkeit des Isolierfluids kann in Abhängigkeit von der Größe der Abweichung zwischen gewünschtem (Sollwert) und gemessenem (Istwert) Anteil an Isolierfluid in dem Isoliergasgemisch 1 variiert werden, wobei bevorzugt die anfängliche Fördergeschwindigkeit anhand der oben beschriebenen Abschätzung der benötigten Menge an Isolierfluid gewählt und anschließend die Fördergeschwindigkeit mit geringer werdender Abweichung des Sollwertes vom Istwert reduziert wird. Auf diese Weise wird der gewünschte Zielwert vergleichsweise langsam und damit im Temperaturgleichgewicht angefahren.
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Das System nach 1 kann permanent an dem Gasraum 1 angebracht sein. Alternativ kann es auch in einem Servicefall temporär an dem Gasraum 1 befestigt und anschließend wieder abgetrennt werden. Da es aus nur wenigen und insbesondere kleinvolumigen Teilen besteht, ist seine einfache Handhabung durch das Servicepersonal gewährleistet.
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Mit dem System nach 1 lässt sich ein Verfahren mit nachfolgenden Schritten kontinuierlich oder eben auch nur im Bedarfsfall ausführen:
- 1) Erfassen des Anteils an Isolierfluid in dem Isoliergasgemisch 3 in Gasraum 1;
- 2) Übermitteln dieses Wertes an das Steuergerät 9 über die Datenverbindung D;
- 3) Prüfen, ob der Wert innerhalb des voreingestellten Wertebereiches liegt;
- 4) wenn ja, Abbruch des Verfahrens und Meldung an einen Benutzer;
- 5) wenn nicht, Ansteuern der Dosierpumpe 6, eine vorgegebene Menge des flüssigen Isolierfluids 7 von dem Vorratsbehälter 8 entweder direkt zum Gasraum 1 oder zunächst zu der Verdampfungseinrichtung 5 zu befördern,
- 6) Verdampfen des flüssigen Isolierfluids 7, entweder in der Verdampfungseinrichtung 5 oder – wenn keine Verdampfungseinrichtung vorhanden ist – beim Durchtritt durch die Wärmezufuhreinrichtung infolge der Erwärmung bzw. beim Eintritt in den Gasraum 1 infolge des geringen Partialdrucks des Isolierfluids in dem Isoliergasgemisch,
- 7) Zuführen des gasförmigen Isolierfluids dem Gasraum 1,
- 8) Fortsetzen mit Schritt 1).
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Optional kann in dem System nach 1 eine zusätzliche Verdampfungseinrichtung 5 vorgesehen sein, die eine Gasmischkammer enthält. Die Verdampfungseinrichtung 5 ist zwischen der Dosierpumpe und dem Gasraum angeordnet, so dass die Gasleitung N die Gasmischkammer der Verdampfungseinrichtung 5 mit dem Gasraum 1 verbindet. Mittels Verdampfungseinrichtung 5 und angepasster Dimensionierung der Gasleitung N wird erreicht, dass ein Gasaustausch zwischen dem Isoliergasgemisch 3 des Gasraums 1 und dem von der Dosierpumpe 6 der Gasmischkammer zugeführten Isolierfluid stattfindet. Der Gasaustausch basiert auf dem Konzentrationsgefälle zwischen der Gasmischkammer 5 und dem Gasraum 1. Als Dimensionierung der Gasleitung N wird bei einem Metern Länge eine Nennweite von 10 mm vorgeschlagen.
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In einer Weiterbildung kann die Verdampfungseinrichtung 5 über eine zusätzliche Wärmezuführeinrichtung beheizt sein. Alternativ kann eine Wärmezuführeinrichtung ohne die Verdampfungseinrichtung 5 vorgesehen sein. Sinn und Zweck der damit erzielten Erwärmung des über die Gasleitung N dem Gasraum 1 zugeführten Isolierfluids ist es, eine unerwünschte Kondensation zu vermeiden. Mittels der Wärmezuführeinrichtung wird somit überhitzter Dampf erzeugt, um auf diese Weise die Prozesssicherheit zu erhöhen. Das erlaubt wiederum, die Fördergeschwindigkeit der Dosierpumpe 6 anzuheben.
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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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- WO 2014/037031 A1 [0007, 0008, 0011, 0012, 0025]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. D. Mantilla et al, veröffentlicht auf der 2014 Electrical Insulation Conference, Philadelphia, Pennsylvania, USA, 8. bis 11. Juni 2014 [0003]
