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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Lastschaltgerät für eine gasisolierte Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage und eine gasisolierte Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage mit einem solchen Lastschaltgerät.
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Technischer Hintergrund
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Im Gebiet der gasisolierten Schaltanlagen, die meist im Mittelspannungsbereich (1 kV bis 52 kV), aber auch im Hochspannungsbereich (oberhalb von 52 kV), zum Einsatz kommen, werden Leistungen in einem Isoliergas geschaltet, das das Entstehen eines Lichtbogens aufgrund dessen potentiell zerstörerischen Wirkung möglichst weitgehend unterdrücken soll. Ein Gas mit für diesen Zweck hervorragenden Eigenschaften stellt Schwefelhexafluorid (SF6) dar, das jedoch neben einer sehr hohen chemischen Stabilität eine sehr starke Treibhauswirkung aufweist und somit den Klimawandel begünstigt. Aus diesem Grund besteht der Wunsch nach Verwendung von alternativen Isoliergasen, die jedoch bislang durchgängig schlechtere technische Eigenschaften besitzen. Dies führt dazu, dass für eine gegebene zu schaltende Spannung oder Leistung größere Gasvolumina benötigt werden, um das Entstehen eines Lichtbogens zu unterdrücken. Dem gegenüber steht der Wunsch, Schaltanlagen weiterhin anschlusskompatibel und in zu den Vorgängermodellen identischen maximalen Abmessungen zur Verfügung zu stellen. Ein Lösungsansatz sieht den Einsatz von Blaskolbenschaltern vor, bei denen der Lichtbogen durch einen Gasfluss konvektiv gekühlt und der Ionenkanal des Lichtbogens unterbrochen wird, so dass der Lichtbogen bereits bei einer kürzeren Schaltstrecke und somit bei gleichbleibender Relativgeschwindigkeit des Bewegtkontaktes früher abreißt, als dies ohne den Gasfluss möglich wäre. Hierdurch wird die Gesamtenergie des Lichtbogenereignisses vorteilhaft reduziert. Dabei entsteht jedoch das Folgeproblem, dass der zusätzliche konstruktive Aufwand für den Blaskolbenschalter ebenfalls mit einem vergrößerten Bedarf an Bauraum einhergeht.
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Bei Schaltanlagen hat sich aus Sicherheitsgründen das Dreistellungsprinzip durchgesetzt. Das heißt, dass ein Lastschalter von der geschlossenen Betriebsstellung in eine offene Stellung geführt wird, um den Stromfluss durch den Lastschalter zu unterbrechen (erste Stellung). Anschließend wird der Lastschalter in eine Trennstellung geführt (zweite Stellung), in der eine so große Trennstrecke vorhanden ist, dass es auch bei ungünstigen Bedingungen nicht mehr zu einem Spannungsüberschlag zwischen den Kontakten des Lastschalters kommen kann. Zum Schutz gegen u.a. elektrostatische Spannungen, die sich in dem geschalteten Leiter beispielsweise aus Raumladungen aufbauen können, oder versehentliche Reaktivierung wird der Lastschalter anschließend in eine Erdungsstellung geführt (dritte Stellung), in der der abgetrennte Leiter mit Erdpotential verbunden wird. Da ein Erden eines nicht geöffneten und abgetrennten Lastschalter und auch das Trennen eines nicht geöffneten Lastschalters die Schaltanlage beschädigen oder gar zerstören und etwaiges Wartungs- oder Bedienpersonal verletzen können, wird üblicherweise durch zusätzliche Maßnahmen eine sogenannte kinematische Kette erzwungen, die ein Trennen des Lastschalters nur nach dessen Öffnen und ein Erden nur nach dessen Trennen erlaubt. Beispielsweise kann dies durch mechanische Blockaden erreicht werden, die erst durch den jeweils vorhergehenden notwendigen Schritt freigegeben werden, so dass der Lastschalter immer nur von einer Stellung in die jeweils folgende Stellung überführt werden kann und umgekehrt.
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Bei einem Blaskolbenschalter kann die Schaltstrecke, also der für das Abreißen eines Lichtbogens notwendige Abstand zwischen den beiden Schalterkontakten, eine Teilstrecke der für ein sicheres Abtrennen benötigten Trennstrecke darstellen, so dass die Schalt- und Trennfunktionen in einem gemeinsamen Bauraum verwirklicht werden können. Für die Erdungsfunktion ist hingegen ein verhältnismäßig größerer zusätzlicher Aufwand zu betreiben, so dass die räumliche Anordnung aller benötigten Funktionen bei gleichbleibenden Abmessungen der Schaltanlage und gleichbleibenden zu schaltenden Leistungen und Spannungen eine technische Herausforderung darstellt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung löst die obengenannte Herausforderung durch ein verbessertes Lastschaltgerät für eine gasisolierte Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage. Das Lastschaltgerät besitzt wenigstens einen in einem Gasraum angeordneten Blaskolbenschalter, der einen entlang einer Bewegungsrichtung zwischen einer ersten Endposition, in der der Blaskolbenschalter geschlossen ist, und einer zweiten Endposition, in der der Blaskolbenschalter geöffnet und getrennt ist, beweglichen Bewegtkontakt umfasst. Erfindungsgemäß ist außerdem ein mit einem Erdpotential verbundener und entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Bewegtkontakt angeordneter Gegenkontakt vorgesehen, der ausgebildet ist, einen mit dem Bewegtkontakt elektrisch leitend und kraftübertragend verbundenen und mit dem Bewegtkontakt gemeinsam beweglichen Erdungskontakt lösbar zu kontaktieren, wenn sich der Bewegtkontakt in der zweiten Endposition befindet.
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Die Erfindung ermöglicht eine raumsparende Gesamtanordnung, indem die gewünschte Erdung bei Erreichen einer Endposition des Bewegtkontaktes des Blaskolbenschalters durchgeführt wird. Hierfür muss die Strecke, über die der Bewegtkontakt verfahren wird, geringfügig oder sogar überhaupt nicht verlängert werden, so dass die Erdungsfunktion vorgesehen werden kann, ohne die Abmessungen der Gesamtanordnung trotz des Einsatzes eines alternativen Gases in inakzeptablen Maß vergrößern zu müssen.
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Ebenfalls platzsparend wirkt sich aus, wenn die Schaltstrecke eine Teilstrecke der Trennstrecke darstellt. In einem solchen Fall wird der Bewegtkontakt nach dem Öffnen in gleichbleibender Richtung weiterbewegt, bis der Bewegtkontakt um die längerer Trennstrecke von dem korrespondierenden Kontakt des Blaskolbenschalters entfernt ist. Alternativ kann eine zweite, elektrisch zu der Schaltstrecke in Reihe geschaltete, mechanisch öffenbare Trennstrecke vorgesehen sein, dies wird jedoch regelmäßig mit einem erhöhten Raumbedarf der Gesamtanordnung verbunden sein.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lastschaltgerätes werden - wie fachüblich - drei Blaskolbenschalter, also jeweils einer für jede Phase eines Drehstromnetzes, vorgesehen.
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Der Gegenkontakt ist vorzugsweise ortsfest angeordnet. Beispielsweise kann der Gegenkontakt an einer Gehäusewandung oder einem Träger, der zur Stabilisierung des Lastschalters, der Schaltanlage oder des Gehäuses dient, angeordnet werden. Die ortsfeste Anordnung ist im Gegensatz zu beispielsweise schwenkenden oder andersartig beweglichen Anordnungen besonders einfach zu verwirklichen.
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Besonders bevorzugt ist der Erdungskontakt außerdem mechanisch fest mit dem Bewegtkontakt verbunden. Insbesondere kann der Erdungskontakt einen integral gefertigten Teil des Bewegtkontaktes oder eines Schaftes des Bewegtkontaktes darstellen. Als „mechanisch fest“ wird hier eine Verbindung verstanden, die im Regelbetrieb keine oder keine nennenswerte, insbesondere keine dauerhafte, Verformung erfährt und auch nicht gelöst wird.
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Vorzugsweise ist der Gegenkontakt in einer Mittelachse des Bewegtkontaktes und/oder des Erdungskontaktes angeordnet. Bei dieser axial ausgerichteten Anordnung kann die für eine sichere Erdung notwendige Anpress- oder Einführkraft zwischen Erdungskontakt und Gegenkontakt besonders gut aufgebaut werden.
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Der Bewegtkontakt und der Erdungskontakt können eine gemeinsame Mittelachse besitzen. Insbesondere können Bewegtkontakt und Erdungskontakt an entgegengesetzten Enden eines Schaftes angeordnet sein. Eine solche Anordnung ist besonders einfach zu fertigen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lastschalters liegen Bewegtkontakt, Erdungskontakt und Gegenkontakt in allen drei Stellungen des Lastschalters auf einer geraden Strecke, wobei sich über die drei Stellungen hinweg lediglich deren Länge verändert. Alternativ kann aber auch eine versetzte Anordnung vorgesehen werden, wenn beispielsweise räumliche Begebenheiten eine andersartige Anordnung der genannten Kontakte erfordert.
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Das Lastschaltgerät kann mit einem Antrieb für den Bewegtkontakt ausgestattet sein, welcher ausgebildet ist, den Bewegtkontakt entlang der Bewegungsrichtung zu bewegen, bis der Erdungskontakt lösbar den Gegenkontakt kontaktiert. Hierfür kommen insbesondere mechanische Antriebe wie Federmechanismen und elektromagnetische Antriebe in Betracht. Besonders bevorzugt ist der Antrieb dabei dazu ausgebildet, den Bewegtkontakt entlang einer geraden Strecke zu bewegen. Die Bewegung entlang einer geraden Strecke ist im Gegensatz zu einer Bewegung entlang einer gekrümmten Strecke besonders für Kontaktsysteme geeignet, bei denen entweder der Erdungskontakt oder der Gegenkontakt in den jeweils anderen eingeführt wird, um die lösbare Kontaktierung herzustellen. Beispiele für solche Kontaktsysteme werden im Zusammenhang mit den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung genannt.
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Der Gegenkontakt ist bevorzugt als Kontaktaufnahme ausgeführt, obgleich stattdessen auch der Erdungskontakt als Kontaktaufnahme ausgeführt sein kann. Insbesondere kann der Gegenkontakt eine Kontakttulpe, ein Fingerkontakt oder ein Lamellenkontakt sein. Solche Kontaktsysteme ermöglichen eine zuverlässige Kontaktierung über viele Kontaktzyklen bei gegenüber einem Anpresskontakt vergleichsweise großer Kontaktfläche.
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Der Gegenkontakt und der Erdungskontakt können außerhalb des Gasraumes angeordnet sein. Dabei ist der Erdungskontakt durch eine gasisolierte Durchführung mit dem in dem Gasraum angeordneten Bewegtkontakt kraftübertragend verbunden. Hierbei kann einer Umsetzung einer linearen Bewegung in eine rotatorische und der rotatorischen zurück in eine lineare Bewegung vorgesehen sein, da sich eine Durchführung einer rotatorischen Bewegung einfacher gasdicht gestalten lässt als eine solche einer linearen Bewegung. Alternativ können der Erdungskontakt und der Gegenkontakt innerhalb des Gasraumes angeordnet sein, so dass ein Gehäuse oder ein Teil der Wandung des Gasraumes als elektrischer Leiter das Erdpotential von außerhalb des Gasraumes nach innerhalb des Gasraumes übertragen können. Ist der Erdungskontakt außerhalb des Gasraumes angeordnet, kann der Kontaktzustand von Erdungskontakt und Gegenkontakt (geschlossen oder offen) in einfacher Weise für Wartungs- oder Bedienpersonal durch Augenscheineinnahme sichtbar gestaltet werden. Im einfachsten Fall genügt hierzu ein Sichtfenster, um festzustellen, ob der Lastschalter in Erdungsstellung geschaltet ist und somit gefahrlos auf diesen zugegriffen werden kann.
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Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft eine gasisolierte Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage mit einem erfindungsgemä-ßen Lastschaltgerät.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lastschaltgerätes in einer geschlossenen Betriebsstellung;
- 2 das Ausführungsbeispiel der 1 in einer offenen Stellung;
- 3 das Ausführungsbeispiel der 1 in einer Trennstellung;
- 4 das Ausführungsbeispiel der 1 in einer Erdungsstellung;
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lastschaltgerätes; und
- 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lastschaltgerätes.
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Ausführliche Figurenbeschreibung
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lastschaltgerätes 1 in einer geschlossenen Betriebsstellung. Das Lastschaltgerät 1 besitzt einen Gasraum 2, der mit einem technischen Gas gefüllt ist, das die für das Schalten erforderlichen Eigenschaften zur Unterdrückung von Lichtbögen besitzt und im Rahmen der Erfindung ein Ersatzgas für das klimaschädliche SF6 ist. Der Gasraum 2 ist wie im technischen Gebiet der gasisolierten Schaltanlagen möglichst weitgehend gegen ein Entweichen des technischen Gases abgedichtet. In dem Gasraum 2 ist wenigstens ein Blaskolbenschalter 3 angeordnet. Während bei den vorliegend illustrierten Ausführungsbeispielen der Erfindung durchgängig nur ein Blaskolbenschalter 3 dargestellt wird, weisen gängige Ausführungsformen drei solche Blaskolbenschalter 3 für ein dreiphasiges Drehstromnetz auf. Für die Blaskolbenschalter 3 gelten die eingangs gemachten Aussagen hinsichtlich ihrer Funktion.
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In der geschlossenen Betriebsstellung steht ein entlang einer Bewegungsrichtung 4 beweglichen Bewegtkontakt 5 in elektrisch leitender Verbindung zu einem Blaskolbengegenkontakt 14, der meist als Festkontakt ausgeführt wird, aber auch zur Erhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bewegtkontakt 5 und dem Blaskolbengegenkontakt 14 während des Schaltens als ein weiterer Bewegtkontakt ausgeführt sein kann. Der Bewegtkontakt 5 ist über eine flexible Kontaktbrücke 9 mit einer Sammelschiene 10 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktbrücke 9 kann beispielsweise als Litze oder als Stapel gegeneinander verschiebbarer Lamellen ausgeführt sein. Die Sammelschiene 10 wird in dem gezeigten Beispiel durch einen Isolator 11 elektrisch von der Wandung des Gasraumes 2 isoliert gasdicht in die Umgebung geführt.
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Der Bewegtkontakt des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels ist stabförmig und gerade ausgebildet und weist an einem vom Blaskolbenschalter 3 entfernten Ende einen Erdungskontakt 7 auf. Der Erdungskontakt 7 kann ein Endabschnitt des Bewegtkontaktes 5 sein, so dass die Unterteilung in Bewegtkontakt 5 und Erdungskontakt 7 rein logischer Natur ist.
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Dem Erdungskontakt 7 gegenüberliegend ist ein Gegenkontakt 6 vorgesehen, der mit einem Erdpotential verbunden ist. Lediglich beispielhaft ist bei dem Ausführungsbeispiel von 1 vorgesehen, dass die Wandung des Gasraumes 2 elektrisch leitend ausgeführt und auf Erdpotential gelegt ist, so dass der Gegenkontakt 6 mittelbar über die Wandung des Gasraumes 2 mit dem Erdpotential verbunden ist. Alternativ kann auch eine elektrische Durchführung durch eine aus einem elektrisch isolierenden Material ausgeführte Wandung des Gasraumes 2 zur Kontaktierung des Gegenkontaktes 6 mit Erdpotential vorgesehen werden.
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Das erfindungsgemäße Lastschaltgerät 1 des Ausführungsbeispiels von 1 verfügt ferner über einen Antrieb 8, der hier außerhalb des Gasraumes 2 angeordnet ist. In dem gezeigten Beispiel stellt der Antrieb 8 einen Rotationsantrieb dar, der Rotationsenergie über eine durch eine gasdichte Durchführung 12 in den Gasraum 2 überträgt. Der Antrieb 8 ist dabei über eine Welle mit einer Umsetzung 15 verbunden, die die Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umsetzt und auf den Bewegtkontakt 5 überträgt. Beispielsweise kann die Umsetzung 15 als Pleuel ausgeführt sein. Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt in der höheren Gasdichtigkeit, mit der sich eine Durchführung durch die Wandung des Gasraumes 2 für Rotationsbewegungen gegenüber Linearbewegungen umsetzen lässt. Es ist jedoch auch möglich, den Antrieb 8 unmittelbar als Linearantrieb umzusetzen.
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2 zeigt das Ausführungsbeispiel der 1 in einer offenen Stellung. In der offenen Stellung ist der Bewegtkontakt 5 elektrisch und räumlich von dem Blaskolbengegenkontakt 14 getrennt, so dass ein Stromfluss durch den Bewegtkontakt 5 unterbunden ist. Ein während des Bewegens des Bewegtkontakt 5 von der geschlossenen Betriebsstellung in die offene Stellung gegebenenfalls entstandener Lichtbogen wurde durch das technische Gas in dem Gasraum 2 gedämpft und durch den Blaskolbenmechanismus gelöscht. Es kann in dieser offenen Stellung unter ungünstigen Umständen zu Überschlägen zwischen dem Bewegtkontakt 5 und dem Blaskolbengegenkontakt 14 kommen, weshalb der Bewegtkontakt 5 - je nach Ausführungsform auch ohne Unterbrechung der Bewegung - weiter in eine in 3 gezeigte Trennstellung geführt wird. In der Trennstellung ist die Strecke zwischen dem Bewegtkontakt 5 und dem Blaskolbengegenkontakt 14 so groß, dass es unter den zu erwartenden technischen Umständen zu keinem Spannungsüberschlag zwischen dem Bewegtkontakt 5 und dem Blaskolbengegenkontakt 14 mehr kommen kann. Die abgetrennte elektrische Teilstrecke ist damit spannungsfrei geschaltet. Um ein sicheres Arbeiten an der abgetrennten elektrischen Teilstrecke zu ermöglichen, muss diese jedoch zusätzlich geerdet werden.
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4 zeigt das Ausführungsbeispiel der 1 in einer Erdungsstellung, in der die zuvor abgetrennte elektrische Teilstrecke geerdet ist. Zu diesem Zweck ist der Bewegtkontakt 7 in der Erdungsstellung elektrisch leitend mit dem Gegenkontakt 6 verbunden. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Bewegtkontakt 5 dabei in den ortsfesten und als Einfahrtulpe ausgeführten Gegenkontakt 6 eingeführt, es könnte aber auch, wie weiter oben beschrieben, eine andere Art der Kontaktierung verwendet werden.
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Indem der Bewegtkontakt 5 entlang der Bewegungsrichtung 4 von der geschlossenen Betriebsstellung über die offene Stellung und die getrennte Stellung in die Erdungsstellung geführt wird, wird die gewünschte sogenannte kinematische Kette erzwungen.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lastschaltgerätes 1, bei dem der Bewegtkontakt 5 mit einem seitlichen Versatz ausgeführt ist. Hierzu korrespondierend ist auch der Gegenkontakt 6 versetzt angeordnet. Eine solche Anordnung kann nach den Umständen des Einzelfalls vorteilhaft sein, wenn durch weitere Komponenten und Einrichtungen der gasisolierten Schaltanlage entsprechende räumliche Vorgaben an das Lastschaltgerät 1 definiert werden. Dementsprechend sind auch geometrisch andersartige Umsetzungen der Erfindung möglich, ohne von der Grundidee einer (linearen) Bewegung entlang der Bewegungsrichtung 4 abzuweichen.
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6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lastschaltgerätes 1, das sich von den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, dass der Gegenkontakt 6 außerhalb des Gasraumes 2 angeordnet ist. Um den Gegenkontakt 6 dennoch für die erwünschte Erdungsfunktion kontaktieren zu können, ist hier eine isolierende Durchführung 13 vorgesehen, durch die der Bewegtkontakt 5 und der an seinem einen Ende angeordnete Erdungskontakt 7 aus dem Gasraum 2 herausgeführt werden. Das dritte Ausführungsbeispiel kann frei mit dem zweiten Ausführungsbeispiel kombiniert werden, indem der Bewegtkontakt 5 erneut mit einem seitlichen Versatz ausgeführt wird.
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Die Erfindung wurde anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele dienen jedoch lediglich der Anschauung und sollen den Schutzbereich der Erfindung, der ausschließlich durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, nicht beschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lastschaltgerät
- 2
- Gasraum
- 3
- Blaskolbenschalter
- 4
- Bewegungsrichtung
- 5
- Bewegtkontakt
- 6
- Gegenkontakt
- 7
- Erdungskontakt
- 8
- Antrieb
- 9
- Kontaktbrücke
- 10
- Sammelschiene
- 11
- Isolator
- 12
- Durchführung
- 13
- isolierende Durchführung
- 14
- Blaskolbengegenkontakt
- 15
- Umsetzung
