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Die Erfindung betrifft ein Vakuumschaltgerät für Mittel- oder Hochspannungsanwendungen nach Patentanspruch 1.
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In Mittel- und Hochspannungsschaltgeräten wird zum Schließen und Öffnen des Stromkreises ein Kontaktsystem verwendet, das zwei sich gegenüberliegende Kontakte umfasst, wobei einer der beiden Kontakte in der Regel ein feststehender Kontakt (Festkontakt) ist und der andere Kontakt ein Bewegkontakt ist. Zum Schließen des Schaltgerätes wird der bewegliche Kontakt von einem Antrieb auf den festen Kontakt zu bewegt. Dieser Schaltvorgang darf nicht beliebig langsam ablaufen, da kurz vor dem Aufeinandertreffen der Kontakte ein Lichtbogen entsteht, dem sogenannten „Making“. Dies kann zu einem Aufschmelzen der Kontaktoberflächen führen. Anschließend treffen die Kontakte mechanisch aufeinander und die restliche Bewegungsenergie wird im Wesentlichen durch eine Umformung der Kontakte und durch Prellen abgebaut. Nach dem mechanischen Schließen der aufgeschmolzenen Kontakte können diese miteinander verschweißen, da kurz vor dem Aufeinandertreffen ein leichtes Aufschmelzen an den Kontaktoberflächen stattgefunden hat. Bei einem Wiederöffnen der Kontakte können diese dann durch einen sogenannten Trennschlag beschädigt werden.
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Die Schließbewegung kann im Grenzfall als ballistische Bewegung beschrieben werden, bei der der Bewegkontakt durch eine starke Antriebsfeder zunächst stark beschleunigt wird und sich dann im Wesentlichen aufgrund der Massenträgheit auf die Gegenseite zu bewegt. Tatsächlich übt der Federantrieb auch während der Bewegung eine gewisse Antriebskraft F Antrieb auf den Kontakt aus. Während der Bewegung nimmt die Beschleunigung dabei dennoch ab und kann gegen null gehen.
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Für die elektrische Isolation zwischen den geöffneten Kontakten im Kontaktsystem gibt es grundsätzlich unterschiedliche Ansätze, die sich mit dem sogenannten Paschen-Gesetz erklären lassen. Das Paschen-Gesetz besagt, dass in einem homogenen Feld die Durchschlagsspannung eine Funktion des Produktes aus Gasdruck und Elektrodenabstand ist. Das heißt, dass die Kontakte mit einem Gas oder einem Gasgemisch bei einem hohen Druck bei einem möglichst geringen Kontaktabstand gut isoliert werden können. Die zweite Möglichkeit ist ein sehr geringer Gasdruck, einem technischen Vakuum bei ca. 10-6 bar (abs). Dementsprechend werden die Schalter als Gasschalter bzw. als Vakuumschalter bezeichnet.
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In Vakuumschaltern werden Vakuumröhren mit den Schaltkontakten in einem die Vakuumröhre umschließenden Gasraum zur elektrischen Isolation gegenüber dem Schaltergehäuse bzw. der elektrischen Anschlüsse der Vakuumröhre eingesetzt. Vakuumröhren besitzen gegenüber den Gasschaltern den Vorteil, dass sie eine sehr hohe Ausschaltfähigkeit und einen vergleichsweise geringen Kontaktabstand besitzen. Außerdem beeinträchtigen Zersetzungs- und Schmelzprodukte bei Schalthandlungen nicht die umgebende Isolation, durch die Vakuumkapselung. Die Kontakte der Vakuumröhre werden insbesondere am Bewegkontakt üblicherweise über ein flexibles Stromband kontaktiert.
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Ein Nachteil von Vakuumröhren sind die Kontaktoberflächen, die sich parallel gegenüberstehen. Prellt der Bewegkontakt zu schnell bzw. mit einer zu hohen kinematischen Energie auf den Festkontakt, kann es wie beschrieben zu einer Beschädigung der Vakuumschaltröhre kommen. Außerdem können sie bei einer zu hohen Aufprallgeschwindigkeit nach dem Schließen verschweißen. Bei einem zu langsamen Schließen kann es zu Verbrennungen an den Kontaktoberflächen kommen.
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Ein weiterer Nachteil einer Vakuumisolationsstrecke ist das unvermeidliche Vorkommen von sogenannten Non-Sustained-Disruptive-Discharges (NSDD). Diese Entladungen haben unterschiedliche Ursachen, die sich bei herkömmlicher Bauart schwer vermeiden lassen. Dies liegt unter anderem an der mittleren freien Weglänge im Vakuum. Da sich bei einem Druck von 10 auf -6 Bar praktisch keine Moleküle oder Teilchen zwischen den Kontakten befinden, die eine Ladungsabschwächung von einem Kontakt zum anderen bremsen oder gar die Ladung absorbieren könnten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die beiden genannten Nachteile der Vakuumröhre, nämlich zum einen das Auftreten von NSDD und zum anderen ein mögliches, durch einen Lichtbogen auftretendes Verschweißen der Schaltkontakte zu verhindern bzw. zu reduzieren.
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Die Lösung der Aufgabe liegt in einem Vakuumschaltgerät für Mittel- oder Hochspannungsanwendungen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Vakuumschaltgerät für Mittel- oder Hochspannung weist zwei Kontakte auf, von denen mindestens einer über eine Antriebsstange mechanisch bewegbar gelagert ist und dabei mit der Antriebsstange elektrisch in Verbindung steht. Ferner weist das Vakuumschaltgerät einen Vakuumraum auf, in dem die Kontakte angeordnet sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Vakuumschaltgerät einen Federkontakt aufweist, der außerhalb des Vakuumraums angeordnet ist und die Antriebsstange in einen geschlossenen Zustand der Kontakte über den Federkontakt elektrisch mit einer Stromleitung verbunden ist. Ferner ist der Federkontakt in einem geöffneten Zustand der Kontakte von der Antriebsstange elektrisch isoliert.
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Die beschriebene Merkmalskombination bewirkt zum einen, dass durch den an der Antriebsstange anliegenden Federkontakt eine gezielte Reibung zwischen dem Federkontakt und der Antriebsstange eingestellt werden kann, sodass ein entsprechender Widerstand bei der Bewegung der Antriebsstange auftritt, und ein Prellen der Kontakte bei ihrem Aufeinandertreffen minimiert werden kann. Zum anderen ist in einer geöffneten Stellung der Kontakte der Strompfad doppelt unterbrochen. Einmal zwischen den beiden Kontakten und ein weiteres Mal zwischen dem Federkontakt und der Antriebsstange, da diese im geöffneten Zustand voneinander elektrisch isoliert sind. Auf diese Weise kann die sogenannte Non-Sustained-Disruptive-Discharges-Problematik statistisch auf nahezu null reduziert werden.
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Zur Steuerung und zur Einstellung eines gezielten mechanischen Widerstandes zwischen dem Federkontakt und der Antriebsstange bei einer Schließbewegung der Kontakte ist es zweckmäßig, dass die Antriebsstange entlang einer Schaltachse eine veränderte Querschnittskontur aufweist. So erhöht sich beispielsweise der Widerstand für die translatorische Bewegung der Antriebsstange, wenn der Querschnitt sich entlang der Bewegungsrichtung erhöht, sodass der Federkontakt zusammengedrückt wird.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn entlang einer Schaltachse die Antriebsstange einen elektrisch isolierenden und einen elektrisch leitenden Bereich aufweist. Im geöffneten Zustand der Kontakte liegt dann der Federkontakt an dem elektrisch isolierenden Bereich der Antriebsstange an, im geschlossenen Zustand am elektrisch leitenden. Auf diese Weise kann bei einem Schließvorgang der Federkontakt in einer einfachen Schleifbewegung entlang der Antriebsstange verfahren.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Federkontakt im geöffneten Zustand der Kontakte bezüglich der Antriebsstange berührungsfrei angeordnet. Das heißt, dass zwischen dem Federkontakt und der Antriebsstange eine Isolierung in Form eines Isoliergases vorliegt, da der Federkontakt außerhalb des Vakuumraumes angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, dass sich die Querschnittskontur der Antriebsstange in der Art verstärkt, dass es bei einer Schließbewegung der Antriebsstange entlang der Schaltachse zu einer elektrischen Kontaktierung zwischen der Antriebsstange und dem Federkontakt kommt. Diese Verstärkung der Querschnittskontur erfolgt in einem sich verstärkenden Bereich der Antriebsstange, was dazu dient, dass der Federkontakt zusammengedrückt wird und somit über die Reibung eine Verlangsamung der Schließbewegung erfolgt. Dies ist insbesondere so ausgestaltet, dass diese Verstärkung mit dem Federkontakt in Eingriff steht, kurz bevor die beiden Kontakte aufeinandertreffen. Dabei ist es wiederum zweckmäßig, dass sich der Federkontakt bei der elektrischen Kontaktierung einer elastischen Verformung unterzieht, da durch die elastische Verformung reversibel Reibungsenergie in die Bewegung der Antriebsstange eingebracht werden kann, was die Abbremsbewegung positiv beeinflusst.
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Ferner ist es zweckmäßig, dass sich der Querschnitt bzw. die Querschnittskontur der Antriebsstange entlang der Schaltachse in einer vom Kontakt abgewandten Seite nach einer maximalen Verstärkung wieder verjüngt. Das bewirkt, dass der Federkontakt nach der maximalen Verstärkung und der maximalen Abbremsung so an der Antriebsstange anliegt, dass er sie dauerhaft andrückt und somit eine Anpresskraft auf die geschlossenen Kontakte wirkt. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn der Federkontakt am sich verjüngenden Bereich des Querschnittes bzw. der Querschnittskontur der Antriebsstange in einem elastisch verformten Zustand anliegt.
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Die sich verändernde Querschnittskontur der Antriebsstange ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgestaltet, es können jedoch auch andere nicht symmetrische Querschnittsveränderungen auftreten, die zu einem Eingriff der Antriebsstange mit dem Federkontakt führen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, dass ein elektrisch leitender Bereich der Antriebsstange über eine Potenzialsteuerung an der Antriebsstange ein definiertes Potenzial einstellbar ist.
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Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Dabei handelt es sich um schematische, rein exemplarische Beispiele, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Vakuumschaltröhre im geöffneten Zustand der Kontakte und eine elektrische Gasisolierung zwischen der Antriebsstange und einem Federkontakt,
- 2 die Vakuumschaltröhre gemäß 1 in halbgeschlossenem Zustand der Kontakte und anliegendem Federkontakt,
- 3 die Vakuumschaltröhre gemäß 1 und 2 in geschlossenem Zustand der Kontakte,
- 4 ein Schnitt durch die sich verändernde Querschnittskontur der Antriebsstange mit den jeweilig anliegenden Querschnitten,
- 5 bis 7 analoge Darstellung der 1 bis 3 mit einer Festkörperisolierung zwischen der elektrisch leitenden Antriebsstange und dem Federkontakt in den drei verschiedenen Zustandsformen wie in den 1 bis 3,
- 8 eine schematische Darstellung einer alternativen Darstellung des Federkontaktes und der Veränderung der Querschnittskontur der Antriebsstange,
- 9 eine Vakuumschaltröhre nach dem Stand der Technik mit entsprechender Kontaktierung der Antriebsstange nach dem Stand der Technik.
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In 1 ist ein Vakuumschaltgerät 20 abgebildet, das einen Vakuumraum 28 aufweist, in dem zwei Kontakte, ein Bewegkontakt 22 und ein Festkontakt 24 angeordnet sind. Der Bewegkontakt 22 ist dabei mit einer Antriebsstange 26 verbunden, über die der Kontakt 22 auch elektrisch kontaktiert ist. Die Antriebsstange 26 des Bewegkontaktes 22 steht wiederum im mechanischen Wirkeingriff mit einem hier nicht dargestellten Antrieb. Das Vakuumschaltgerät 20 weist ferner ein Gehäuse 60 auf, an dem Dampfschilde 62 angeordnet sind, ferner weist der Vakuumraum 28 Isolierungen 64 auf, die in der Regel in Form von rotationssymmetrischen keramischen Bauteilen dargestellt sind. Ferner dient zur Abdichtung der Antriebsstange 26 gegenüber dem außerhalb des Vakuumraums 28 liegenden Gasraum 30 ein Vakuumbalg 66. Der Gasraum 30 ist dabei entweder auch wieder ein abgeschlossener Raum, in dem ein spezifiziertes Isoliergas vorliegt, wobei das Isoliergas beispielsweise reine Luft oder ein zusätzlich dielektrisch wirkendes Isoliergas wie beispielsweise ein Fluorketon oder ein Fluornitril sein kann. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass der Vakuumraum 28 des Vakuumschaltgerätes 20 in freier Umgebung steht, weshalb die Außenatmosphäre, in der sich das Vakuumschaltgerät befindet, als Gasraum 30 angesehen werden kann.
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Insoweit ist das beschriebene Vakuumschaltgerät 20 gemäß 1 analog zu einer beispielhaft in 9 dargestellten Vakuumschaltgerät nach dem Stand der Technik ausgestaltet. Das Vakuumschaltgerät gemäß 9 weist dabei ein Stromband 70 auf, das direkt mit der Antriebsstange 26 in Verbindung steht und diese damit dauerhaft elektrisch kontaktiert.
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Im Unterschied zu dieser Ausgestaltungsform gemäß 9 und dem Stand der Technik dient zur elektrischen Kontaktierung der Antriebsstange 26 ein in 1 schematisch dargestellter Federkontakt 32, der wiederum mit einem weiteren elektrischen Leiter, beispielsweise dem bereits beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Strombandes 70 elektrisch verbunden ist. In 1 ist dabei ein geöffneter Zustand 34 der Kontakte 22 und 24 dargestellt, wobei in diesem Zustand der Federkontakt 32, der sich außerhalb des Vakuumraums 28 im Gasraum 32 befindet, von der Antriebsstange 26 beabstandet angeordnet ist. Der Abstand des Federkontaktes 32 von der Antriebsstange 26 ist so groß, dass keine elektrische Kontaktierung in diesem Zustand 34 auftritt. Zwischen dem Federkontakt 32 und der Antriebsstange 26 liegt dabei ein Isoliergas, beispielsweise synthetische Luft, vor.
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Auf einer den Kontakten 22 und 24 abgewandten Seite des Federkontaktes liegt eine Veränderung der Querschnittskontur 38 der Antriebsstange 26 vor. Wenn, wie in 2 dargestellt ist, eine Bewegung entlang des Pfeiles Fa erfolgt, kommt es zu einem mechanischen Eingriff des Federkontaktes 32 mit der Antriebsstange 26 bzw. deren sich verstärkenden Querschnittskontur 38-I. Somit wird der Federkontakt 32 elastisch verformt, was durch die Federkraft Fs ausgedrückt wird. Ferner tritt hierdurch eine weitere Kraft Fb auf, die als Bremskraft bezeichnet werden kann und die einer Schließbewegung 46 entlang einer Schaltachse 36 entgegenwirkt.
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Die durch den beschriebenen Eingriff auftretende Bremskraft Fb verhindert ein zu starkes Aufschlagen des Bewegkontaktes 22 auf den Festkontakt 24, was ein aus dem Stand der Technik bekanntes und unerwünschtes Prellen der beiden Kontakte 22 und 24 erheblich verringert.
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Ferner ist in 3 ein geschlossener Zustand 44 der Kontakte 22 und 24 dargestellt, wobei sich die Querschnittskontur 38 nach einem Bereich der maximalen Verstärkung 50 ( 4) in der Art wieder verjüngt, sodass der Federkontakt 32 in der Art an der Antriebsstange 26 anliegt, dass das Kontaktsystem mit den Kontakten 22 und 24 zugedrückt wird, was wiederum in geschlossenem Zustand ein Prellen verhindert, da durch die Anpresskraft Fb ein sich wieder Öffnen der Kontakte 22 und 24 unterbunden wird.
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In 4 ist eine vergrößerte schematische Darstellung der Antriebsstange 26 und deren Querschnittskontur 38 I bis IV gegeben, was die einzelnen Stationen aus den 1 bis 3 näher erläutert. Hierbei steht der in 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Federkontakt im geöffneten Zustand 34 der Kontakte 22 und 24, wie er in 1 dargestellt ist, in etwa auf der Höhe der Querschnittskontur 38-I. Hierbei besteht auch eine elektrische Isolierung zwischen dem Federkontakt 32 und der Antriebsstange 26. Im Weiteren bewegt sich die Antriebsstange 26 entlang der Schaltachse 36 in der Darstellung gemäß 4 nach oben, wodurch es in der Querschnittskontur 38-11 zu einer Berührung des Federkontaktes 32 mit der Antriebsstange 26 kommt. Dabei vollzieht die Antriebsstange 26 eine Schließbewegung in Richtung des Pfeiles 46. In diesem Stadium kommt es zum Abbremsen der Antriebsstange 26 aufgrund der elastischen Verformung und des Anpressens des Federkontaktes 32 im Bereich 38-II. Im Bereich 38-II erfolgt entlang der Schließbewegung 46 ein Bereich 38-III, der eine maximale Querschnittskontur der Antriebsstange 26 darstellt. Hier liegt der Bereich der maximalen Verstärkung 50 vor. Der Federkontakt 32 gleitet bei fortlaufender Schließbewegung 46 über den Bereich 50 hinweg und kommt in einen Bereich 52, der wiederum eine sich verjüngende Querschnittsstruktur aufweist, die mit dem Bezugszeichen 38-IV versehen ist. In diesem Bereich 52 liegt der Federkontakt 32 immer noch elastisch verformt an der Antriebsstange 26 an und bewirkt eine Zuhaltekraft auf die Kontakte 22 und 24.
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Das in den 1 bis 4 beschriebene Vakuumschaltgerät 20 weist gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile auf. Zum einen ist der Strompfad doppelt unterbrochen, nämlich einmal zwischen den Kontakten 22 und 24 und zwischen der Antriebsstange 26 und dem Federkontakt 32. Dies lässt die NSDD statistisch gesehen nahezu ausschließen. Zum anderen wird durch die spezielle Konstruktion der Antriebsstange und ihrem Eingriff in den Federkontakt 32 in der beschriebenen Form ein Prellen der Kontakte 22 und 24 bei Aufeinandertreffen so stark reduziert, dass Verschweißungen und Schäden an Kontaktflächen 58 der Kontakte 22 und 24 erheblich reduziert werden.
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In den 5, 6 und 7 wird eine analoge Bewegung der Kontakte 22 und 24 zueinander beschrieben, wie dies bereits zu den 1 bis 3 ausführlich erläutert wurde. Der Unterschied zu den 1 bis 3 besteht in den 5 bis 7 darin, dass die elektrische Isolierung zwischen dem Federkontakt 32 und der Antriebsstange 26 im geöffneten Zustand 34 der Kontakte 22 und 24 durch eine Feststoffisolation, beispielsweise durch Polytetrafluorethylen erfolgt. Der elektrisch isolierende Bereich 40 an der Antriebsstange 26 ist somit beispielsweise durch eine Hülse aus diesem Feststoffisolationsmaterial umgeben und der Federkontakt 32 liegt dort isolierend an. Bei der Bewegung der Antriebsstange 26, bewegt sich dabei der Federkontakt analog zu 2 aus dem elektrisch isolierten Bereich 40 in einen elektrisch leitenden Bereich 42 heraus. Somit wird die Antriebsstange 26 mit dem elektrischen Strompfad kontaktiert.
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In den 5 bis 7 ist eine ähnliche Querschnittsveränderung 38-I bis 38-IV dargestellt, wie dies in den 1 bis 3 der Fall ist. Grundsätzlich ist dies nicht unbedingt notwendig, um eine Bremswirkung der Antriebsstange 26 und des Kontaktes 24 vor dem Auftreffen auf den Kontakt 22 zu erzielen. Hierzu würden auch andere Maßnahmen dienen, beispielsweise eine Erhöhung der Kraft Fs., an der der Federkontakt 32 an die Antriebsstange 26 angepresst wird.
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Eine weitere alternative Ausgestaltung ist in 8 sehr schematisch dargestellt, in 8 sind lediglich die Kontakte 22 und 24 sowie die Antriebsstange 26 und der Federkontakt 32 des hier nicht im Ganzen dargestellten Vakuumschaltgerätes 20 aufgezeigt. Bei Auftreten der Schließbewegung in Richtung des Pfeils 46 wird dabei der in Form einer flachen Feder ausgestaltete Federkontakt 32 gegen eine auf der Antriebsstange 26 aufgebrachten Scheibe gedrückt, wobei auch diese Konstruktion eine Veränderung der Querschnittskontur 38-I bis 38-IV aufweist. Der sich dabei verjüngende Bereich 52 und der sich verstärkende Bereich 54 können dabei entlang der Schaltachse sehr kurz ausgestaltet sein und bis auf null reduziert sein. Wichtig ist, dass der Federkontakt 32 so ausgestaltet ist, dass ein gezieltes Abbremsen der Antriebsstange 26 und des Kontaktes 22 erfolgen kann.
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Grundsätzliches ist noch anzumerken, dass im geöffneten Zustand 34 der Kontakte ein definiertes Potenzial, das sich aus der Netzumgebung ergibt, an die Antriebsstange angelegt werden sollte. Außerdem ist anzumerken, dass die Bauweise der Kontakte, die in den 1 bis 9 beschrieben sind, rein exemplarisch sind, grundsätzlich können auch Topfkontakte oder Stift-Tulpen-Kontakte für die beschriebene technologische Umsetzung eingesetzt werden.
