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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung für Signal- und Steuerleitungen, insbesondere für eine signaltechnische Einrichtung, zur Anordnung zwischen einer Außenanlage und einer Innenanlage, mit mindestens einer Klemmenanordnung, wobei jede Klemmenanordnung umfasst: zwei Reihenklemmen, die jeweils Teil eines Signalpfads sind, wobei die Reihenklemmen Anschlusskontakte zum Anschluss an die Innen- und Außenanlage aufweisen, einer Basisklemme mit einem Anschluss für eine Ableitung zur Erde, und mindestens einem mit den Reihenklemmen elektrisch verbundenen Überspannungsschutzgerät, wobei ein Steckergehäuse vorgesehen ist, in dem das Überspannungsschutzgerät eingebaut ist. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der Überspannungsschutzeinrichtung bei signaltechnischen Einrichtungen im Bahnbetrieb.
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Eine derartige Überspannungsschutzeinrichtung ist beispielsweise aus Phoenix Contact „Netz & Signal-Qualität TRABTECH PLUGTRAB PT-IQ Intelligenter Überspannungsschutz mit System”, 2013 bekannt.
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Bahntechnische Anlagen umfassen eine Vielzahl an strombetriebenen Elementen von Außenanlagen, z. B. Bahnsingale oder Weichen, welche über Leitungen (Signalpfade) mit einer Innenanlage (z. B. einem Stellwerk, beziehungsweise der Steuerungselektronik des Stellwerks) verbunden sind. Die Körper der Außenanlagen sind zwar i. A. geerdet, dennoch kann es bspw. durch induktive Einkopplung oder Potentialdifferenzen durch Spannungstrichter, verursacht beispielsweise durch Blitzferneinschlag, zu einem Überspannungseintrag in die Steuer- und Schaltelemente (z. B. Stellwerksinnenanlage) kommen, was zu Schäden und Betriebsausfällen führen kann.
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Um Schäden und Funktionsausfälle in Stellwerken zu vermeiden, ist es bekannt, zusätzliche Überspannungsschutzeinrichtungen zu verwenden. Die Wirkung des Überspannungsschutzes beruht auf der Ableitung auftretender Überspannungen gegen Erde.
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Es ist bekannt, Überspannungsschutzgeräte auf Basissockel zu montieren, die über Kabelverbindungen mit Trennmessreihenklemmen verbunden sind, wie es beispielsweise von Thales Deutschland GmbH unter Verwendung von PLUGTRAB Elementen von Phoenix Contact realisiert wird.
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Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die Überspannungsschutzeinrichtung zusätzlich zur Trennmessreihenklemme viel Platz einnimmt und die Ableitung über eine relativ lange Strecke erfolgt, was mit hohen Ableitinduktivitäten verbunden ist, so dass beim Ableiten große Störfelder induziert werden und eine höhere Spannung an der Ableitung gegen Erde im Falle einer auftretenden Überspannung besteht.
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Zudem ist es nicht möglich thermische Überlastungen der Überspannungsschutzgeräte zu erkennen.
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DE 195 45 505 C1 offenbart einen Überspannungsableiter mit einem spannungsabhängigen Widerstand und thermischen Abschaltvorrichtungen, die aus einem Sicherungsstreifen und einer Thermoauslösung mit eutektischer Schmelzlegierung bestehen, wobei mit Auftrennen des Sicherungsstreifens oder der Thermoauslösung durch Federkraft ein Schadensanzeiger betätigt und damit sichtbar gemacht wird. Um sowohl im Falle eines durch Alterung entstehenden unzulässigen Leckstromes des Varistors, als auch im Falle eines zu hohen, einen Kurzschluss im Varistor erzeugenden Stoßstromes, wobei der Kurzschluss von Sicherungsstreifen unterbrochen wird, für eine Anzeige des eingetretenen Fehlers zu sorgen, ist ein Sicherungsgehäuse vorgesehen, in dem sich ein stoßstromfester Sicherungsstreifen befindet.
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US 2012/0081827 A1 offenbart eine Klemmleiste für Überspannungsschutz, bei der ein Gehäuse auf eine Reihenklemme aufgesteckt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Überspannungsschutzeinrichtung vorzuschlagen, mit der die oben genannten Nachteile sowie Rückwirkungen der signaltechnischen Einrichtungen im Betrieb vermieden werden können.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Überspannungsschutzeinrichtung gemäß Anspruch 1, einem Überspannungsschutzgerät gemäß Anspruch 7 und einer Verwendung der Überspannungsschutzeinrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
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Erfindungsgemäß weisen die Reihenklemmen und die Basisklemme jeweils einen Steckplatz zum Aufstecken des Steckergehäuses des Überspannungsschutzgerätes auf, wobei die Reihenklemmen jeweils ein unverlierbares Trennmesser (z. B. schwenkbar) zur temporären Auftrennung der Signalpfade aufweisen.
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Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung sind die Trennmessreihenklemmen (Reihenklemmen mit Trennmesser) mit einem Steckplatz ausgestattet, auf dem das Überspannungsschutzgerät aufgesteckt werden kann. Erfindungsgemäß wird also der Überspannungsschutz durch direktes Aufstecken der Überspannungsschutzgeräte auf die Trennmessreihen- und Basisklemmen realisiert. Dabei werden die Anschlüsse für Einzeladern der signaltechnischen Einrichtung mit den Reihenklemmen und die Erdanschlüsse mit den Basisklemmen verbunden. Die Basisklemmen sind vorzugsweise mit Ableitfüßen ausgerüstet, die einen gasdichten und stromtragfähigen Kontakt zu einer Montageschiene, z. B. DIN-Rail Montageschiene TS 35, ermöglichen, auf der die Reihenklemmen montiert werden können.
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Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung werden also Trennmessreihenklemmen als Bindeglied, z. B. zwischen Innen- und Außenanlagenverkabelung, eingesetzt. Die für die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung zu verwendenden Reihenklemmen müssen daher so dimensioniert sein, dass das Überspannungsschutzgerät aufgesteckt werden kann, ohne die Anschlusskontakte zum Anschluss an die Innen- und Außenanlage zu verdecken. Darüber hinaus müssen Steckergehäuse und Steckplatz so ausgestaltet sein, dass das Überspannungsschutzgeräte stoß- und vibrationsfest gemäß EN 50125-3 verbunden werden können, dies gilt insbesondere für den gemäß EN 50125-3 definierten Bereich außerhalb der Gleise (Abstand 1–3 m vom Gleis).
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Erfindungsgemäß umfasst das Überspannungsschutzgerät mindestens zwei Ableitpfade, wobei jeder Ableitpfad eine Reihenschaltung eines Überspannungsableiters und eines Varistors umfasst. Die Erfindung sieht also unabhängige Ableitelemente vor. Als Überspannungsableiter kann beispielsweise ein Gasableiter dienen. Mittels der Kombination von Varistor und Überspannungsableiter kann gewährleistet werden, dass es im Betrieb nicht zu Rückwirkungen der signaltechnischen Einrichtungen kommt. Darüber hinaus wird im Regelbetrieb durch das Unterbinden von Leckströmen die Alterung der Bauelemente minimiert. Insbesondere können Signalstromkreise sowie Ein-/Ausgänge, die AC- oder DC-Spannungen führen, geschützt werden. Die Kombination von Varistor und Überspannungsableiter in Reihenschaltung gewährleistet eine Unterbindung des Folgestromes.
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Bei den Anschlusskontakten der Reihenklemmen handelt es sich um Anschlüsse für Einzeladern. Auf der Seite der Außenanlage können zwar vieldrähtige Kabel verwendet werden, diese werden dann jedoch als Einzelader angeschlossen. Das erfindungsgemäße Konzept berücksichtigt, dass Adern verschiedener Stromkreise an dem gleichen Überspannungsschutzgerät angeschaltet werden können. Dies ist insbesondere für signaltechnische Anlagen wichtig, da durch diese besondere Eigenschaft die Rückwirkungsfreiheit auf die sicherheitsrelevanten Elemente der Signaltechnik erhalten bleibt.
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Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung bei signaltechnischen Einrichtungen im Bahnbetrieb müssen die verwendeten Installationskomponenten (Reihenklemme, Basisklemme) und die Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Anlagen der Leit- und Sicherungstechnik zugelassen sein.
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Mit der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung können Schäden und Funktionsausfälle in Stellwerken vermieden werden, die z. B. durch Überspannungen in den Verkabelungen zu den Außenanlagen, bedingt durch Blitzferneinschläge, entstehen können. Gleichzeitig kann die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung platzsparend montiert werden. Vorteilhaft ist auch, dass durch die erfindungsgemäße Steckverbindung zwischen Reihenklemme und Überspannungsschutzgerät die Ableitung und die Signaldurchführung am selben Ort erfolgen, also ohne Leitungsverbindung zwischen Reihen- bzw. Basisklemme und Überspannungsschutzgerät, so dass die abzuleitende Überspannung bei geringstmöglicher Ableitinduktivität zur Erde abgeleitet werden kann. Aufgrund der kurzen Ableitwege ergeben sich geringere Beeinflussungen insbesondere durch magnetische Felder auf umgebende Komponenten.
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Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung kann auch bei anderen als bahntechnischen Anlagen zum Einsatz kommen, insbesondere bei nicht geerdeten Anlagen, da die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung isoliert aufgebaut ist und die enthaltenen aktiven Teile nicht berührbar sind. Vorzugsweise entspricht die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung mindestens den Anforderungen für die Schutzart IP 20. Ebenso ist die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung besonders zum Schutz für Stromkreise geeignet, bei denen die Rückwirkungsfreiheit für den Betrieb zwingend erforderlich ist.
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Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung ermöglicht einen zeitversetzten Einbau verschiedener Überspannungsschutzgeräte. Dadurch können Reihen- und Basisklemmen vorinstalliert werden, so dass die Anlage auch erst einmal ohne Überspannungsschutz in Betrieb genommen werden kann und eine spätere Nachrüstung möglich ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Die Reihenklemmen weisen vorzugsweise jeweils an den Anschlüssen für die Eingangs- und Ausgangsleitungen eine Prüfbuchse zur Kontaktierung an den Signalpfad auf, insbesondere für Mess- und Prüfzwecke. Die Prüfbuchsen sind vorzugsweise zu beiden Seiten (zu Innen- und Außenanlage) z. B. zur dauerhaften Kontaktierung einer Messeinrichtung vorgesehen sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Klemmenanordnungen vorhanden, die jeweils ein Überspannungsschutzgerät mit einem Steckergehäuse aufweisen, und jede Klemmenanordnung weist einen Steckplatz zum Aufstecken der Steckergehäuse mit den Überspannungsschutzgeräten auf. Somit können mehrere Feldelemente mit der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung geschützt werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ist zwischen den Ableitpfaden eine Barriereeinrichtung angeordnet. Die Barriereeinrichtung soll vermeiden, dass sich die die Ableitpfade berühren können, und bewirkt somit eine unverlierbare Trennung zwischen beiden Ableitpfaden. Dadurch wird die Anschaltung verschiedener Stromkreise an ein Überspannungsschutzgerät ermöglicht, wobei die Rückwirkungsfreiheit auf den Betrieb, sowie die signaltechnische Sicherheit der Anlage sichergestellt wird und gleichzeitig der Abstand zwischen den Ableitpfaden gering gehalten werden kann. Die Barriereeinrichtung verhindert die unbeabsichtigte Berührung der Komponenten der Ableitpfade und ist vorzugsweise in Form einer Isolierplatte aus einem geeigneten elektrisch isolierenden Material ausgebildet. Vorzugsweise liegt die Durchschlagfestigkeit der Barriereeinrichtung bei > 10 kV/mm nach Alterung. Die gemäß EN 50124-1 erforderliche Spannungsfestigkeit zwischen beiden Ableitpfaden wird durch entsprechende Dimensionierung der Luft- und Kriechstrecken sichergestellt. Durch das Vorsehen der Barriereeinrichtung können mehrere Feldelemente über dasselbe Überspannungsschutzgerät angeschlossen werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn dreiadrige Feldelemente (z. B. eine Doppelfadenlampe) mit Überspannungsschutzgeräten verbunden werden sollen, die jeweils zwei Ableitpfade aufweisen, da der verbleibende Ableitpfad dann nicht frei bleiben muss, wie dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtung der Fall ist, sondern für ein anderes Feldelement verwendet werden kann. Darüber hinaus kann der Planungs- und Prüfaufwand reduziert werden.
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Vorzugsweise ist das Steckergehäuse zumindest teilweise transparent ausgebildet, insbesondere im Bereich des Varistors. Auf diese Weise können die Überspannungsschutzgeräte mittels Sichtprüfung kontrolliert werden. Thermische Überlastungen können erkannt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Überwachungseinrichtung, insbesondere eine optische Detektionseinrichtung, zum Detektieren von Überspannungsereignissen innerhalb der Überspannungsschutzeinrichtung vorgesehen. Die Überwachung mittels der Überwachungseinrichtung ermöglicht eine gezielte Wartung und verbessert dadurch die Verfügbarkeit der Vorrichtung. Vorzugsweise ist die Überspannungsschutzeinrichtung fernüberwachbar. Die Überwachungseinrichtung kann mit einem Speicher ausgestattet sein, der mehrere Überspannungsableitungsereignisse speichern kann. Es kann auch für jedes Überspannungsschutzgerät eine separate Überwachungseinrichtung vorgesehen sein. Eine Überwachung der Überspannungsschutzgeräte ist besonders für dezentrale signaltechnische Einrichtungen vorteilhaft.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
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1 zeigt eine bahntechnische Anlage, die mit einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung abgesichert ist;
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2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung;
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung; und
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4 zeigt ein Überspannungsschutzgerät einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung.
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1 zeigt eine bahntechnische Anlage mit einem Stellwerk 1 (Innenanlage) und einem Bahnsignal 2 (Außenanlage), welches über eine Steuerungselektronik 3 des Stellwerks 1 gesteuert wird. Das Stellwerk 1 ist mit einem äußeren Blitzschutz 4 ausgestattet, der über einen Fundament-Ringerder 5 geerdet ist. Ein Hauptpotentialausgleich 6 sowie innere Überspanungsschutzeinrichtungen 7 dienen zum Schutz des Stellwerks 1 vor direktem Blitzeinschlag.
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Um den Eintrag einer Überspannung über Komponenten der Außenanlage 2 in die Steuerungselektronik 3 (bspw. durch Blitzferneinschlag in der Umgebung des Signals 2 oder in der Umgebung der Zuleitungen 8 zwischen Signal 3 und Stellwerk 1) zu vermeiden, ist das Stellwerk 1 mit einer zusätzlichen Überspannungsschutzeinrichtung 9 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet.
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2 zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung 9. Zur Verbindung der Außenanlage 2 mit der Innenanlage 1 dienen zwei Reihenklemmen 10a, 10b und eine Basisklemme 11, wobei die Reihenklemmen 10a, 10b jeweils einen Teil eines Signalpfads 12a, 12b bilden. Die Reihenfolge, in der die Klemmen (10a, 10b, 11) angeordnet sind, ist beliebig. Die Reihenklemmen 10a, 10b sind mit Anschlusskontakten 13a, 13b, 14a, 14b (Einzeladeranschlüsse) zum Anschluss an die Innen- bzw. Außenanlage 1, 2 ausgestattet. Für die Erdableitung weist die Basisklemme 11 einen Ableitfuß 15 auf.
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Über Steckkontakte ist ein Überspannungsschutzgerät 17 mit den Reihenklemmen 10a, 10b und der Basisklemme 11 verbunden. Dazu weisen die Klemmen 10a, 10b, 11 Steckplätze 16 auf. Das Überspannungsschutzgerät 17 ist in einem Steckergehäuse 23 angeordnet, welches über die Steckplätze 16 auf die Klemmen 10a, 10b, 11 aufgesteckt und somit mit diesen elektrisch und mechanisch kontaktiert werden kann. Über das Überspannungsschutzgerät wird jeder Signalpfad 12a, 12b gegen Erde beschaltet. Die Reihenklemmen 10a, 10b weisen jeweils ein, vorzugsweise schwenkbares, Trennmesser 19a, 19b zur temporären Auftrennung der Signalpfade auf.
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In der Nähe der Anschlusskontakte 13a, 13b, 14a, 14b für die Eingangs- und Ausgangsleitungen sind Prüfbuchsen 24 vorgesehen, mittels derer ein Prüfgerät oder Messeinrichtung mit den Signalpfaden 12a, 12b kontaktiert werden kann.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung 9 mit zwei aufgesteckten Überspannungsschutzgeräten 17. Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung 9 kann eine Vielzahl von Überspannungsschutzgeräten 17 umfassen. Die Überspannungsschutzgeräten 17 sind auf einer Montageschiene 22 angeordnet, welche insbesondere bei Anwendung in nicht geerdeten Bereichen wiederum auf einer isolierenden Grundplatte (Leiterführungsplatte – nicht gezeigt) aufgesetzt ist. Über die Montageschiene 22 kann der Erdkontakt realisiert werden. Zum Anzeigen von Ableitereignissen kann z. B. am unteren Ende der Montageschiene ein Anzeigemodul vorgesehen sein.
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Die grundlegende Struktur des Überspannungsschutzgerätes 17 ist in 4 dargestellt. Das Überspannungsschutzgerät 17 umfasst zwei Ableitpfade 18a, 18b, die über Anschlüsse 21a, 21b mit den Signalpfaden 12a, 12b verbunden werden können. Die beiden Anschlüsse 21a, 21b weisen einen Abstand d1 voneinander auf, wobei der Abstand d1 die einzuhaltende Kriech- und Luftstrecke zwischen den Anschlüssen 21a, 21b der beiden Ableitpfaden 18a, 18b des Überspannungsschutzgeräts 17 bezeichnet. In den Ableitpfaden 18a, 18b sind jeweils ein Überspannungsableiter 19 und ein Varistor 20 in Serie geschalten. Die Reihenfolge, in der Varistor 19 und Überspannungsableiter 20 angeordnet sind, ist beliebig, sie liegen jedoch immer in Serie. Zwischen den beiden Ableitpfaden 18a, 18b ist eine Barriereeinrichtung 21 angeordnet, so dass die Ableitpfade 18a, 18b voneinander elektrisch isoliert sind.
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Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung sieht vor, dass die Überspannungsschutzgeräte direkt auf einer Trennmessreihenklemme aufgesteckt sind, wodurch eine platzsparende, einfach zu bedienende und störungsarme Überspannungsschutzeinrichtung realisiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellwerk/Innenanlage
- 2
- Bahnsignal/Außenanlage
- 3
- Steuerungselektronik
- 4
- äußerer Blitzschutz
- 5
- Fundament-Ringerder
- 6
- Hauptpotentialausgleich
- 7
- innere Überspanungsschutzeinrichtungen
- 8
- Zuleitungen
- 9
- Überspanungsschutzeinrichtungen
- 10a, 10b
- Reihenklemmen
- 11
- Basisklemme
- 12a, 12b
- Signalpfads
- 13a, 13b
- Anschlusskontakte zur Außenanlage
- 14a, 14b
- Anschlusskontakte zur Innenanlage
- 15
- Ableitfuß
- 16
- Steckplätze
- 17
- Überspannungsschutzgerät
- 18a, 18b
- Ableitpfade
- 19
- Überspannungsableiter
- 20
- Varistor
- 21
- Barriereeinrichtung
- 22
- Montageschiene
- 23
- Steckergehäuse
- 24
- Prüfbuchse
