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Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 sowie ein Herstellungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Überspannungsableiter werden im Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich eingesetzt, um sog. Überspannungen, also Spannungen weit oberhalb der im Betrieb vorgesehenen Nennspannungen, sicher zu Erde abzuleiten. Hierdurch werden Schäden an Betriebsmitteln wie z.B. Transformatoren vermieden. Beispielsweise kann ein Überspannungsableiter für Hochspannung an einer Freileitung angeordnet werden und bei Blitzeinschlag oder Kurzschluss unzulässig hohe Ströme zur Erde hin ableiten.
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Überspannungsableiter enthalten i.d.R. sog. Varistoren, d.h. elektrische Widerstände, deren elektrischer Widerstandswert bis zu einer bauartbedingten Schwellenspannung sehr hoch und oberhalb der Schwellenspannung stark vermindert ist, so dass der Überspannungsableiter zu einem guten elektrischen Leiter wird. Es werden z.B. Metalloxidwiderstände in Scheibenform übereinander in einem Gehäuse angeordnet und an den jeweiligen Enden des Gehäuses mit dem Hochspannungspotential und dem Erdpotential verbunden. Dabei ist der Überspannungsableiter im Regelbetrieb kaum leitend, so dass nur ein geringer Leckstrom zur Erde fließt. Im Fehlerfall dagegen fließt ein hoher Ableitstrom. Für den Hochspannungseinsatz werden häufig sog. gekapselte Überspannungsableiter eingesetzt, die ein geerdetes und fluiddichtes Gehäuse aufweisen, das mit einem elektrisch isolierenden Schutzgas wie beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF6) befüllt ist. Es kann bei einer starken elektrischen Beanspruchung des Überspannungsableiters zu Schäden mit starker Gasausdehnung im Inneren des Gehäuses kommen. Um eine Gefährdung von Mensch und Maschine in der Umgebung des Überspannungsableiters durch unkontrolliertes Platzen des Ableiters zu vermeiden, sind Druckentlastungsvorrichtungen vorgesehen.
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Aus der Druckschrift
WO 2013/167445 A1 ist ein mit einem Schutzgas befüllter Überspannungsableiter für Hochspannung bekannt, der für den Fehlerfall mit einer Druckentlastungsanordnung ausgestattet ist. Dabei kann ein Überdruck im Inneren des Gehäuses des Ableiters durch ein Reißen einer Membran aus Metall abgebaut werden. Der austretende Gasstrom trifft auf einen Hohlraum zwischen der Membran und einem Umlenkdeckel, der das Gas in Bezug auf eine Längsachse durch den Ableiter seitlich abführt. An dem Umlenkdeckel angeordnet ist eine Ausblaschute, die ein kontrolliertes Ausströmen des Gasstromes in die Umgebung sicher stellt. Weiterhin ist der Umlenkdeckel derart zur Membran hin gewölbt, dass er im Fehlerfall leicht nachgeben und durch plastische Verformung von der Membran weg einen Teil der kinetischen Energie des ausströmenden Gases aufnehmen kann. Es ergibt sich eine gewisse Pufferwirkung. Die Membran ist durch einen Klemmring auf einem Flansch des Überspannungsableiters festgelegt und mit zahlreichen Schrauben verschraubt.
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Ausgehend von dem bekannten Überspannungsableiter stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, einen Überspannungsableiter anzugeben, der vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1.
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Die Montage von Schraubverbindungen zum Festlegen der Membran bei bisherigen Überspannungsableitern erfolgt manuell durch einen Montagearbeiter, weil derzeitige Montagemaschinen wie z.B. Fertigungsroboter nicht in der Lage sind, die zahlreichen vergleichsweise kleinen Schrauben korrekt am jeweiligen Gewinde anzusetzen und bestimmungsgemäß in den Flansch einzuschrauben. Es ist ein großer Vorteil der Erfindung, dass gänzlich auf diese Schraubverbindungen verzichtet werden kann. Vielmehr kann erfindungsgemäß durch eine einzige Drehbewegung sowohl die Membran als auch der Deckel bzw. Verschlusstopf festgelegt werden. Dieser Schritt kann ohne Weiteres schnell und sicher durch eine Montagemaschine durchgeführt werden, was Zeit und Personal in der Fertigung einspart und dadurch besonders kostensparend ist. Es werden deutlich weniger Bauteile für die Montage benötigt als bei bisherigen Überspannungsableitern, was einfach und kostensparend ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist der einrastbare Drehverschluss mehrere Einrastvorsprünge auf, die durch Drehen in komplementären Ausnehmungen des Gehäuses festgelegt sind. Beispielsweise können mindestens drei Einrastvorsprünge mit jeweils gleichem Winkelabstand zueinander auf einer Außenkontur der Druckentlastungsanordnung angeordnet werden. Z.B. können besonders bevorzugt drei Einrastvorsprünge vorgesehen sein, die jeweils als ein streifenartig ausgebildeter Vorsprung ausgebildet sind und ca. 60 ° der Außenkontur entlang verlaufen. Dabei bleiben jeweils ca. 60° der Außenkontur durch die Einrastvorsprünge unbelegt, so dass in diese unbelegten Bereiche die komplementären Bereiche des Gehäuses eingreifen können. Durch Drehen des Drehverschlusses kommen die komplementären Bereiche derart auf den Einrastvorsprüngen zu liegen, dass die Druckentlastungsanordnung an das Gehäuse gepresst wird. Wird jeweils ein Einrastvorsprung verwendet, der durch einen komplementären Bereich des Gehäuses hintergriffen und angepresst wird, wird für diese Variante in der Technik der Begriff einfacher Bajonettverschluss verwendet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters werden jeweils zwei Einrastvorsprünge paarweise derart angeordnet, dass ein Zweifach-Bajonettverschluss ausgebildet wird. Dies ist ein Vorteil, weil die Anpresswirkung hierdurch gegenüber einem Einfach-Bajonettverschluss gesteigert wird. Auch eine Ausbildung des Drehverschlusses mit Einrastvorsprüngen, die gruppenweise, d.h. mit mehr als zwei Einrastvorsprüngen pro Gruppe, angeordnet werden, ist vorteilhaft.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist die Druckentlastungsanordnung ein im Wesentlichen topfförmig ausgebildetes Einrastmittel mit einem Boden und einer Seitenwand auf. Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, weil der Topf besonders gut zum Auffangen und Umlenken austretenden Gases geeignet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters wird im Wesentlichen eine gesamte Höhe der Seitenwand des Einrastmittels mit Einrastvorsprüngen versehen. Dies ist ein Vorteil, weil durch das Ineinandergreifen der zahlreichen Einrastvorsprünge mit den komplementären Bereichen des Gehäuses eine besonders starke Anpresskraft ausgeübt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist das Einrastmittel mehrere Stützrippen auf, die entlang der dem Topfinneren zugewandten Innenseite der Seitenwand angeordnet sind. Die Stützrippen verlaufen dabei von der Seitenwand des Topfes zum Boden. Dies ist ein Vorteil, weil die Stützrippen am topfförmigen Einrastmittel die mechanische Stabilität der Druckentlastungsvorrichtung auch bei vergleichsweisen geringen Wandstärken für die Seitenwand und den Boden gewährleisten. Außerdem gewährleisten die Stützrippen eine stabile Auflage für ein zweites Anpressmittel, so dass eine ausreichend große (z.B. ringförmige) Fläche zum Anpressen einer Membran bereit gestellt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist die Seitenwand eine erste Ausströmöffnung auf, die ausgebildet ist, im montierten Zustand fluidleitend mit einer zweiten Ausströmöffnung im Gehäuse verbunden zu sein, so das bei Ausströmen eines Fluids aus dem Inneren des Gehäuses eine Umlenkung des Fluidstromes aus dem topfförmigen Einrastmittel durch beide Ausströmöffnungen erfolgt. Dies ist ein Vorteil, weil eine effiziente Umlenkung eines austretenden Gasstromes aus Richtung einer Längsachse durch den Überspannungsableiter in eine seitliche Richtung möglich wird. Das topfförmige Einrastmittel nimmt z.B. beim Einreißen einer Membran Gas aus dem Inneren auf und kann so einen ersten Überdruck etwas abmindern, bevor das Gas durch die beiden Ausstromöffnungen beispielsweise in eine bei Überspannungsableitern übliche Ausblaschute einströmt. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, weil eine das Einrastmittel einerseits eine Umlenk-Funktion für ausströmendes Gas und anderseits ein Verschlusssystem bereit stellt. Durch die Kombination dieser beiden Funktionen in einen Bauteil wird die Montage besonders vereinfacht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters sind mindestens drei Einrastvorsprünge vorgesehen, die entlang der dem Topfinneren abgewandten Außenseite der Seitenwand angeordnet sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist der Boden zum Topfinneren hin aufgewölbt. Dies ist ein Vorteil, weil durch die Aufwölbung des Bodens eine im Querschnitt im Wesentlichen bogenförmige Kontur entsteht. Ein solches Gewölbe mit bogenförmigem Querschnitt kann einwirkende Kräfte leichter absorbieren und ist daher stabiler als ein flacher Boden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist die Druckentlastungsanordnung an einem Ende des Überspannungsableiters angeordnet und weist eine Membran auf, die ausgebildet ist, bei Überschreiten des Schwellenwertes für den Gasdruck einzureißen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist die Membran überspannungsableiterseitig auf ein erstes Anpressmittel aufgelegt und auf der dem Überspannungsableiter abgewandten Seite durch ein zweites Anpressmittel festgelegt. Dies ist ein Vorteil, weil die reißempfindliche Membran auf diese Weise festgeklemmt werden kann. Beispielsweise können beide Anpressmittel als Metallscheiben mit dem gleichen Durchmesser wie die Membran ausgebildet sein, wobei die Metallscheiben jeweils mindestens eine Öffnung aufweisen. Durch die Öffnungen kann der Druck auf die Membran aufgebracht werden bzw. bei Einreißen der Membran das Gas strömen. Die Öffnungen sind bevorzugt als jeweils eine große kreisförmige Öffnung vorgesehen, so dass das jeweilige Anpressmittel im Wesentlichen als Ring aus einem Metallblech ausgebildet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist die Druckentlastungsvorrichtung an der dem Topfinneren abgewandten Seite des Bodens einen Montagevorsprung zur Übertragung einer Drehbewegung auf. Der Montagevorsprung dient dazu, bei einer automatisierten Montage mit einer Maschine an dem Montagevorsprung anzugreifen und das Einrastmittel bzw. den Topf zu drehen. Es können auch mehrere Montagevorsprünge bzw. „Verschlussnasen“ am Boden des Topfes vorgesehen werden.
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Ferner stellt sich ausgehend von manuellen Herstellungsverfahren für bekannte Überspannungsableiter an die Erfindung die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für einen Überspannungsableiter anzugeben, das vergleichsweise einfach und kostengünstig durchführbar ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 11. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 12 und 13 beschrieben. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für den erfindungsgemäßen Überspannungsableiter erläutert.
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Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden eine bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes Einrastmittel,
- 2 einen Querschnitt durch einen Überspannungsableiter mit einer erfindungsgemäßen Druckentlastungsanordnung und
- 3 einen weiteren Querschnitt durch den Überspannungsableiter mit der erfindungsgemäßen Druckentlastungsanordnung.
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Die 1 zeigt ein Einrastmittel 1, das im Wesentlichen topfförmig ausgebildet ist. Eine zylindermantelförmige Seitenwand 7 weist eine Außenseite 55 und eine Innenseite 56 auf. Ein Boden 60 weist eine Bodeninnenseite 2 auf, die zum Topfinneren ausgerichtet ist. Im Zentrum des Bodens 60 befindet sich eine Testöffnung 3. Die Testöffnung 3 dient zu Testzwecken, um im montierten Zustand am Überspannungsableiter eine Fluiddichtigkeit zu überprüfen. Vor Einsatz des Überspannungsableiters wird die Testöffnung 3 durch einen Stopfen (nicht dargestellt) verschlossen. Der Boden 60 ist zum Topfinneren gewölbt und bildet hierdurch drei Bereiche 31, 32, 33 auf, die jeweils ringförmig ausgebildet sind und die Breiten 4, 5, 6 aufweisen. Im Topfinneren sind Stützrippen 18 vorgesehen, die einerseits an der Seitenwand 7 und andererseits am Boden 60 angebracht sind. Die Stützrippen 18 bilden an der offenen Seite des Topfes zusammen mit einem oberen Rand 57 der Seitenwand 7 einen scheibenartigen Abschluss, der geeignet ist, durch Auflegen eines (nicht dargestellten) Anpressmittels auf die obere Seitenwand 57 auch die Stützrippen 18 zu kontaktieren. Auf diese Weise übertragen die Stützrippen 18 ebenso wie die obere Seitenwand 57 als Kontaktbereiche mechanische Kräfte zum Topfboden 60, was die Seitenwand 7 entlastet. Die Stützrippen 18 erhöhen somit die mechanische Stabilität des Einrastmittels 1.
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Das Einrastmittel 1 weist an der Außenseite 55 der Seitenwand 7 Einrastvorsprünge 8, 9, 10, 11, 12, 13 auf. Die Einrastvorsprünge 8-13 bilden einen zweifachen Bajonett-Verschluss aus, der durch Drehen in komplementäre Ausnehmungen eines (nicht dargestellten) Gehäuses festlegbar ist. Die Einrastvorsprünge 8-13 sind paarweise derart angeordnet, dass an der Außenseite 55 der Seitenwand 7 jeweils ca. 60° der Außenwand, also ca. 1/6 des Umfangs der Seitenwand, frei von den Einrastvorsprüngen bleibt. Durch diese freien Bereiche kann das Einrastmittel 1 in ein Gehäuse eingeschoben und durch Drehen festgelegt werden. Die paarweise angeordneten Einrastmittel weisen jeweils ein Einrastmittel 9, 10, 13 auf, das direkt am oberen Rand 57 der Seitenwand 7 angeordnet ist. Hierdurch verbreitern die Einrastmittel 9, 10, 13 zusätzlich den oberen Rand 57 der Seitenwand 7 und bieten ebenso wie die Kühlrippen 18 eine größere Auflagefläche für ein (nicht dargestelltes) Anpressmittel aus. Auch hierdurch wird die mechanische Stabilität verbessert.
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In der Seitenwand 7 sind zwei Öffnungen 52,53 vorgesehen, die zusammen eine erste Ausströmöffnung 52,53 des Einrastmittels 1 ausbilden. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität der Ausströmöffnungen 52, 53 ist der obere Rand 57 der Seitenwand 7 im Bereich der Ausströmöffnungen 52, 53 als verbreiteter Rand 16 ausgebildet. Der verbreiterte Rand 16 weist zum Topfinneren hin zwei Ausbuchtungen 19, 20 auf. Die Ausbuchtungen 19, 20 dienen ähnlich zu den Stützrippen 18 der Verbesserung der mechanischen Stabilität bei Auflegen eines (nicht dargestellten) Anpressmittels.
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Der verbreiterte obere Rand 16 ist über ein Verbindungsstück 15 auf einem verbreiterten Bodenstück 14 abgestützt. Das verbreiterte Bodenstück 14 ragt dabei in gleicher Weise wie die Einrastvorsprünge 8-13 etwas über die Außenwand 55 der Seitenwand 7 hinaus, um in einem Gehäuse (nicht dargestellt) eingerastet zu werden.
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Die 2 zeigt im Querschnitt wie das Einrastmittel 1 zusammen mit einem ersten Anpressmittel 25, einer Membran 22, 23 und einem zweiten Anpressmittel 21 eine Druckentlastungsanordnung 1, 21, 22, 23, 25 ausbildet, die durch Drehung in einem Gehäuse 24 festgelegt ist. Es ist erkennbar, dass das Innere des Topfes nach links in Richtung einer zweiten Ausströmrichtung 51 im Gehäuse hin offen ist, da die erste Ausströmöffnung 52, 53 und die zweite Ausströmöffnung 51 zur Deckung gebracht sind. Zur maschinellen Ausführung einer Drehbewegung sind zwei Montagevorsprünge 35, 36 an der Unterseite des Bodens 60 vorgesehen. Auf die Stützrippen 18 und die Einrastmittel 9, 10 sowie den verbreiteten oberen Rand 16 und die obere Seitenwand 57 ist ein ringförmig ausgebildetes zweites Anpressmittel 21 aufgelegt, das durch die genannten Elemente 18, 9, 10, 16 mechanisch gestützt wird. Auf dem zweiten Anpressmittel 21 liegt eine als dünnes Metallblech ausgebildete Membran 22 auf, die einen zylindermantelförmigen Außenrand 23 aufweist. Der Außenrand 23 ist zum Inneren des Gehäuses 24 hin und damit auf der dem zweiten Anpressmittel 21 abgewandten der Membran 22 angebracht. Somit ist die Membran 22 über einem Großteil des Hohlraums, den das Einrastmittel 21 durch seine topfförmige Ausbildung bereitstellt, nicht abgestützt. Auf dem zweiten Anpressmittel 21 und die Membran 22 umfassend ist ein Dichtungsring 62 angeordnet. Der Dichtungsring 62, die Membran 22 und der zylindermantelförmige Membranabschnitt 23 bilden eine ringförmige umlaufende Ausnehmung aus, in die eine ebenfalls ringförmig umlaufende Ausbuchtung 61 des Gehäuses 24 eingreift. Diese Konstruktion ist geeignet, bei Festlegen des Einrastmittels 1 mittels der Einrastvorsprünge 8, 9, 10, 11 über das zweite Anpressmittel 21 die Membran 22, 23 und den Dichtring 62 gegen das Gehäuse zu pressen und fluiddicht festzulegen. Auf der Membran 22 und eingefasst durch den zylinderförmig umlaufenden Membrananteil 23 ist ein erstes Anpressmittel 25 vorgesehen.
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Die 3 zeigt eine andere Querschnittsansicht des Gehäuses mit der Druckentlastungsanordnung. Es ist zu erkennen, dass der Boden 60 eine Dicke 34 aufweist. Durch die Aufwölbung des Bodens ergeben sich drei Bereiche 31, 32, 33. Der erste Bodenbereich 31 ist als konzentrischer Ring um die Testöffnung 3 angeordnet und im Wesentlichen parallel zur Membranfläche 22 angeordnet. In einem angeschrägten Bodenbereich 32 wird die Wölbung hergestellt. In einem dritten Bodenbereich 33 wiederum wird der Boden durch die Stützrippen 18 abgestützt und an die Seitenwand angeschlossen. Der erste Bodenbereich 31 hat eine Breite 4. Der zweite Bodenbereich 32 hat eine Breite 5. Der dritte Bodenbereich 33 hat eine Breite 6. Angedeutet durch einen Pfeil 50 ist der Weg, den ein Fluid beim Ausströmen aus dem Topfinneren nach außen hin in Richtung einer Ausblaschute nimmt, wenn die Membran 22, 23 reißt.
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Das erste Anpressmittel 25 ist im Wesentlichen kreuzförmig ausgebildet und weist vier Flügelabschnitte auf, von denen drei Flügelabschnitte 41, 42, 43 erkennbar sind. Zwischen den Flügelabschnitten 41, 42, 43 befinden sich offene Bereiche 43, 44, in denen das Innere des Gehäuses beziehungsweise der fluiddichte Gasraum direkt auf die Membran 22 trifft. Dies ist vorteilhaft, weil bei Entstehen eines Überdrucks im Inneren des Überspannungsableiters beziehungsweise des Gehäuses 24, der Gasdruck auf die Bereiche 43, 44 die Membran 22 zum Inneren des topfförmigen Einrastmittels 1 wölben und schließlich einreißen lassen kann. Reißt die Membran, so kann das Gas in den Hohlraum des Topfes einströmen, wodurch ein erster Überdruck leicht vermindert wird. Die Wölbung des Bodens 60 bewirkt eine verbesserte mechanische Stabilität. Schließlich wird der Gasstrom seitlich umgelenkt und in Richtung des Pfeils 50 durch die erste und die zweite Ausströmöffnung 51, 52, 53 zu einer (nicht dargestellten) Ausblaschute des Überspannungsableiters abgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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