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Die Erfindung betrifft eine Kurzschluss-Schalteinrichtung zum Kurzschließen von Leitungselementen, insbesondere von Leitungselementen einer Hochspannungsgleichstromübertragungsanlage, mit einem ersten Kontaktstück und einem diesem ersten Kontaktstück in einer Grundposition beabstandet gegenüberliegend angeordneten zweiten Kontaktstück, das bezüglich einer die beiden Kontaktstücke verbindenden Achse verschiebbar gelagert ist und mit einer Antriebseinrichtung zum Kurzschließen per Kraftbeaufschlagung des zweiten Kontaktstücks entlang dieser Achse in Richtung des ersten Kontaktstücks.
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Der weltweit steigende Bedarf an elektrischer Energie benötigt flexible, verlustarme und kostengünstige Energieübertragungssysteme. Durch den Zuwachs erneuerbarer Energien steigen die Anforderungen an Regelbarkeit und Verlustarmut sowie der Bedarf an neuen Lösungen, die immer schnellere Schalthandlungen benötigen. Um diese Herausforderungen zu erfüllen, werden ultraschnelle Schaltgeräte benötigt.
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Insbesondere auch für die Hochspannung-Gleichstromübertragung HGÜ werden ultraschnelle Schutzschalter als Bypass-Schalter benötigt, die redundant parallel zum Überspannungsableiter angeordnet werden und diesen zum Teil überbrücken können, um den Widerstand des Überspannungsableiters zu reduzieren.
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Die Schalter sind mit einem Terminal mit der Erde verbunden. Im normalen Betrieb ist der Schalter offen und es steht dauerhaft die volle Spannung an. Für diesen Anwendungsfall wurde eine maximale Einschaltzeit von 7 ms (ms: Millisekunde) ab dem Auslösesignal am Schalter spezifiziert. Heute vorhandene Schaltgeräte haben deutlich längere Einschaltzeiten in der Größenordnung von mindestens 30 ms.
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Die Druckschrift
WO 2018/019384 A1 zeigt eine Kurzschluss-Schalteinrichtung zum Kurzschließen von Leitungselementen eines Moduls eines Mehrstufenumrichters, mit einem ersten Kontaktstück und einem diesem ersten Kontaktstück in einer Grundposition beabstandet gegenüberliegend angeordneten zweiten Kontaktstück, das bezüglich einer Verbindungsachse zwischen den beiden Kontaktstücken beweglich gelagert ist und mit einer Antriebseinrichtung zum Kurzschließen per Kraftbeaufschlagung des zweiten Kontaktstücks entlang dieser Achse in Richtung des ersten Kontaktstücks. Die Antriebseinrichtung ist ein Federantrieb mit einer Druckfeder, die unmittelbar auf das zweite Kontaktstück wirkt. Dazu ist sie ebenfalls auf der Verbindungsachse angeordnet. Die Schaltzeit zum Schließen wird mit einigen Millisekunden angegeben. Die Kurzschluss-Schalteinrichtung ist offensichtlich nicht für den mehrfachen Gebrauch gedacht, da ein sich bei einem Grundzustand, bei dem sich das zweite Kontaktstück in der Grundposition befindet, zwischen den Kontaktstücken angeordneter Abstandshalter beim Kurzschließen - beispielsweise durch einen auftretenden Lichtbogen - zerstört wird, sodass der Federantrieb das zweite Kontaktstück bis zum ersten Kontaktstück verschiebt. Die Kurzschluss-Schalteinrichtung wird in diesem Dokument auch als Bypass-Schalter bezeichnet. Ein solcher Bypass-Schalter kann selbstverständlich auch bei Hochspannungsgleichstromübertragungsanlagen verwendet werden.
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Es gibt auch Kurzschluss-Schalteinrichtungen, die die Möglichkeit zum Rückstellen in eine geöffnete Schaltstellung bieten, bei der sich das zweite Kontaktstück wieder in der Grundposition befindet. Die Schaltzeit zum Schließen ist bei diesen Kurzschluss-Schalteinrichtungen jedoch deutlich höher.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Kurzschluss-Schalteinrichtung anzugeben, die hinreichend schnell kurzschließt und eine Möglichkeit zum einfachen Rückstellen in eine geöffnete Schaltstellung bietet, bei der sich das zweite Kontaktstück wieder in der Grundposition befindet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Kurzschluss-Schalteinrichtung zum Kurzschließen von Leitungselementen, insbesondere von Leitungselementen einer Hochspannungsgleichstromübertragungsanlage, mit einem ersten Kontaktstück und einem diesem ersten Kontaktstück in einer Grundposition beabstandet gegenüberliegend angeordneten zweiten Kontaktstück, das bezüglich einer die beiden Kontaktstücke verbindenden Achse verschiebbar gelagert ist, und mit einer Antriebseinrichtung zum Kurzschließen per Kraftbeaufschlagung des zweiten Kontaktstücks entlang dieser Achse in Richtung des ersten Kontaktstücks, ist vorgesehen, dass die Kurzschluss-Schalteinrichtung weiterhin eine Rückstelleinrichtung zum Rückstellen des zweiten Kontaktstücks in die Grundposition mittels eines Mitnehmers aufweist, der an einer Struktur des zweiten Kontaktstücks oder eines mit dem zweiten Kontaktstück verbundenen Bauteils angreift, wobei der Mitnehmer derart ausgestaltet und/oder beim Kurzschließen angeordnet ist, dass es beim Kurzschließen keinen Kraftfluss von der Antriebseinrichtung zum Mitnehmer gibt. Dadurch, dass ein Mitnehmer zum Rückstellen verwendet wird, der beim Kurzschließen keinen Wirkkontakt mit dem zweiten Kontaktstück oder einem mit dem zweiten Kontaktstück verbundenen Bauteil hat, kann eine ähnlich geringe Schaltzeit zum Schließen erreicht werden, wie bei einer Kurzschluss-Schalteinrichtung ganz ohne Rückstelleinrichtung, also von einigen Millisekunden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Rückstellen des zweiten Kontaktstücks in die Grundposition durch die Rückstelleinrichtung per Formschluss zwischen Mitnehmer und Struktur erfolgt. Dabei kann das Rückstellen durch Drücken und/oder Ziehen erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Rückstellen des zweiten Kontaktstücks in die Grundposition mittels einer Zugbewegung, bei der der Mitnehmer an der Struktur zieht.
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Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Mitnehmer eine Ausnehmung mit einer Längserstreckung L bezüglich der Achse aufweist, wobei
zum Rückstellen des zweiten Kontaktstücks der Mitnehmer über einen Rand der Ausnehmung am Ende dieser Längserstreckung L an der Struktur zieht und
beim Kurzschließen die Struktur zumindest einen Teil der Ausnehmung entlang der Längserstreckung L kraftübertragungsfrei durchquert. Auf diese Weise wird der besagte Kraftfluss vermieden und die gewünschte geringe Schaltzeit erreicht.
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Bevorzugt weist die Kurzschluss-Schalteinrichtung eine den Mitnehmer auf der besagten Achse verschiebbar lagernde Führung auf. Der Mitnehmer kann sich entlang der Achse bewegen und das zweite Kontaktstück über die mit dem zweiten Kontaktstück verbundene Struktur entlang dieser Achse in die Grundposition mitnehmen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Rückstelleinrichtung ein Umlenkgetriebe auf, welches insbesondere zwischen Mitnehmer und einer Antriebsvorrichtung der Rückstelleinrichtung zwischengeschaltet ist. So können Antriebseinrichtung (zum Kurzschließen) und Rückstelleinrichtung in der Kurzschluss-Schalteinrichtung räumlich getrennt angeordnet sein.
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Weiterhin ist dabei mit Vorteil vorgesehen, dass das mit dem zweiten Kontaktstück verbundene Bauteil ein Schubelement zum Verschieben des zweiten Kontaktstücks durch die Antriebseinrichtung ist. Die Antriebseinrichtung ist dabei bevorzugt hinter dem zweiten Kontaktstück zentral auf der Achse platziert.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinrichtung als Federspeicherantrieb ausgebildet. Ein Federspeicherantrieb als Antriebseinrichtung ist einfach und robust und hat sich in der Praxis bewährt.
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Bevorzugt weist die Kurzschluss-Schalteinrichtung weiterhin eine Auslöseeinheit zum Auslösen der Antriebseinrichtung auf. Die Auslöseeinheit weit insbesondere eine lösbare Verklinkung auf, die bevorzugt einen Energiespeicher der Antriebseinrichtung lösbar arretiert.
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Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das erste Kontaktstück in der Kurzschluss-Schalteinrichtung fest bzw. feststehend installiert ist. Eine solche Kontaktstück-Anordnung mit nur einem beweglichen Kontaktstück ist einfach und robust und hat sich in der Praxis bewährt.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine Kurzschluss-Schalteinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Kurzschluss-Position,
- 2 die Kurzschluss-Schalteinrichtung der 1 beim Rückstellen in einen Grundzustand, bei dem sich ein bewegliches Kontaktstück in einer Grundstellung befindet und
- 3 die Kurzschluss-Schalteinrichtung der 1 im Grundzustand, bei dem sich das bewegliche Kontaktstück in der Grundstellung befindet,
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Die 1 zeigt eine Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 zum Kurzschließen von (nicht gezeigten) Leitungselementen. Herzstück dieser Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 ist der eigentliche Schalter 12, der hier in den Figuren durch seine Kontaktstücke 14, 16 repräsentiert wird. Das erste dieser Kontaktstücke 14 ist schalteinrichtungsfest angeordnet und das zweite Kontaktstück 16 ist diesem ersten Kontaktstück 14 in einer in 3 gezeigten Grundposition (die dem geöffneten Zustand des Schalters 12 entspricht) beabstandet gegenüberliegend angeordnet und bezüglich einer die beiden Kontaktstücke zentral verbindenden Achse 18 verschiebbar gelagert. Das erste Kontaktstück 14 hat einen hülsenartigen Kopf, in den das stiftförmig ausgestaltete zweite Kontaktstück 16 in der hier in 1 gezeigten Kurzschlussposition der Kontaktstücke 14, 16 (die dem geschlossenen Zustand des Schalters 12 entspricht) zumindest teilweise eingefahren ist. Die Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 beziehungsweise deren Schalter 12 wird häufig als Bypass-Schalter verwendet.
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Die Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 weist weiterhin eine Antriebseinrichtung 20 zum Kurzschließen des Schalters 12 per Kraftbeaufschlagung des zweiten Kontaktstücks 16 entlang der Achse 18 in Richtung des ersten Kontaktstücks 14 auf. Die Antriebseinrichtung 20 ist nicht direkt mit dem zweiten Kontaktstück 16 verbunden, sondern wirkt über ein Schubelement 22 auf das zweite Kontaktstück 16, das zwischen der Antriebseinrichtung 20 und dem zweiten Kontaktstück 16 zwischengeschaltet ist. Das Schubelement 22 ist hier im gezeigten Beispiel eine Schubstange. Weiterhin weist die Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 eine Auslöseeinheit 24 für die Antriebseinrichtung 20 auf. Die Antriebseinrichtung 20 ist ein Federspeicherantrieb 26. Zentrales Element ist dabei ein Energiespeicher, der als Federspeicher mit mindestens einem Federelement 28 ausgebildet ist. Die Auslöseeinheit 24 weist als Auslösemechanismus eine Verklinkung 30 auf, die den Energiespeichen bzw. Federspeicher wahlweise blockieren oder freigeben kann, sodass die Antriebseinrichtung 20 im Fall der Freigabe das zweite Kontaktstück 16 aus der (in 3 gezeigten) mit der Blockierung verbundenen Grundposition heraus in die in 1 gezeigte Kurzschlussposition durch verschieben überführt.
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Des Weiteren weist die Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 eine Rückstelleinrichtung 32 zum Rückstellen des zweiten Kontaktstücks 16 in die Grundposition auf. Dieses Rückstellen erfolgt mittels eines Mitnehmers 34, der an einer Struktur 36 eines mit dem zweiten Kontaktstück verbundenen Bauteils 38, nämlich des Schubelements 22 formschlüssig angreift.
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Unter einem Mitnehmer 34 versteht man im Allgemeinen ein Maschinenteil, das bei Bewegung ein anderes Teil ebenfalls in Bewegung versetzt, also „mitnimmt“. Dabei ergibt sich ein derartiger Kraftfluss, bei dem zumindest ein Teil dieses Kraftflusses vom Maschinenteil zum anderen Teil verläuft.
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Im vorliegenden Fall ist der Mitnehmer 34 nun derart ausgestaltet und/oder beim Kurzschließen angeordnet, dass es bei diesem Kurzschließen keinen Kraftfluss gibt, der sich von der Antriebseinrichtung 20 über den Mitnehmer 34 erstreckt. In diesem Zusammenhang schließt der Begriff Ausgestaltung (des Mitnehmers 34) die Formgebung und Materialwahl des Mitnehmers 34 selbst sowie der Begriff Anordnung (des Mitnehmers 34) dessen Positionierung und Halterung/Lagerung in der Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 ein.
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Die Struktur 36 ist im vorliegenden Fall eine Stiftstruktur 38 am Schubelement 22 und der Mitnehmer 34 weist im vorliegenden Fall eine langlochartig ausgestaltete Ausnehmung 40 mit einer Längserstreckung der Länge L auf, in der die Stiftstruktur 38 angeordnet ist. Der Mitnehmer 34 wird über eine Linearführung 42 auf der Verbindungsachse 18 verschieblich geführt. Dabei verläuft die Längserstreckung entlang der Achse 18.
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Die Rückstelleinrichtung 32 weist eine Antriebsvorrichtung 44 auf, die - ähnlich wie die Antriebseinrichtung 20 - als Federspeicherantrieb 46 mit mindestens einem Federelement 28 ausgebildet ist. Der Antrieb des Mitnehmers 34 durch die Antriebsvorrichtung 44 erfolgt über ein Umlenkgetriebe 48 und zusätzlicher Koppelglieder 50.
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Die 2 zeigt die Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 beim Rückstellen in einen Grundzustand, bei dem sich das bewegliche zweite Kontaktstück 16 in einer Grundstellung befindet.
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Ausgehend von der Situation, wie sie in 1 gezeigt ist, zieht die Rückstelleinrichtung 32 mittels des Mitnehmers 34 die Struktur 36 und somit auch das damit verbundene zweite Kontaktstück 16 aus der Kurzschlussposition der 1 bis in die in 3 dargestellte Grundposition. Die entsprechenden Bewegungen der diversen Bauteile, insbesondere des Umlenkgetriebes 48 und des Mitnehmers 34, sind durch Pfeile 52 angedeutet.
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Die 3 zeigt schließlich die Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 im Grundzustand, bei dem sich das bewegliche zweite Kontaktstück 16 in der Grundstellung befindet. Dabei ist die Rückstelleinrichtung 32 und insbesondere deren Mitnehmer 34 durch die Antriebsvorrichtung 44 wieder in ihre Ausgangsposition verfahren, wie sie auch schon in 1 gezeigt ist. Der Abstand von Grundposition und Kurzschlussposition des zweiten Kontaktstücks 16 ist kleiner als oder maximal gleich groß wie die Länge L der Längsausdehnung der Ausnehmung 40.
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Wird nun die Verklinkung 30 der Auslöseeinheit 24 gelöst, treibt die Antriebseinrichtung das zweite Kontaktstück 16 von der in
3 gezeigten Grundposition in die in
1 gezeigte Kurzschlussposition. Dabei durchquert die Struktur 36 zumindest einen Teil der Ausnehmung 40 entlang der Längserstreckung L kraftübertragungsfrei. Auf diese Weise gibt es keine Kraftübertragung auf Komponenten der Rückstelleinrichtung 32 und so kann eine ähnlich geringe Schaltzeit zum Schließen erreicht werden, wie bei einer Kurzschluss-Schalteinrichtung 10 ganz ohne Rückstelleinrichtung (wie sie beispielsweise in der eingangs erwähnten Druckschrift
WO 2018/019384 A1 beschrieben ist), also von einigen Millisekunden.
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Im Folgenden sollen wichtige Aspekte der Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben werden.
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Mit der Rückstelleinrichtung 32 zum Ausschalten kann der Schalter 12 über das Umlenkgetriebe 48 und den Mitnehmer 34 ausgeschaltet werden (2). Dabei wird gleichzeitig die starr gekoppelte Einschaltfeder der Antriebseinrichtung 20 gespannt und mit der Verklinkung 30 arretiert. Die Antriebsvorrichtung 44 zum Ausschalten kann z.B. ein herkömmlicher Federspeicherantrieb 46 sein, bei dem die Ausschaltfeder 28 von einem Motor über ein Getriebe gespannt wird. Die Ausschaltfeder ist dabei an eine Spannwelle gekoppelt, die zum Ausschalten verdreht wird und über ein Kurvengetriebe die Schaltwelle des Antriebes verdreht um damit über das Gestänge die Ausschaltbewegung an das Umlenkgetriebe 48 zu vollziehen. Es wäre aber zum Beispiel auch denkbar, dass die Spannwelle nicht von der Kraft der Ausschaltfeder verdreht wird, sondern von einem Motor, direkt oder über ein Getriebe.
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In der Antriebsvorrichtung 44 soll vorteilhafterweise eine zweite kleinere starr gekoppelte Feder vorhanden sein, die beim Ausschalten gespannt wird. Diese kann nach dem Verklinken der Einschaltfeder 28 (des Federspeicherantriebs 26) durch die Verklinkung 30 die Antriebsvorrichtung 44 für die Ausschaltung, das Umlenkgetriebe 48 sowie den Mitnehmer 34 wieder in die Ausgangslage der eingeschalteten Stellung bringen, ohne dabei das Kontaktsystem zu bewegen, das in ausgeschalteter Stellung verbleibt.
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Im jetzt ausgeschalteten Zustand ist die Einschaltfeder 28 (des Federspeicherantriebs 26 gespannt und von der Verklinkung 30 arretiert, die Kontaktstücke 14, 16 im Kontaktsystem sind getrennt und gleichzeitig befinden sich der Mitnehmer 34 sowie die Antriebsvorrichtung 44 für die Ausschaltung schon in der Stellung, die sie im eingeschalteten Zustand einnehmen werden (3).
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Dadurch wird erreicht, dass bei einer nun möglichen Einschaltung neben dem zweiten Kontaktstück 16 und dem Schubelement 22 nur noch die Einschaltfeder 28 der Antriebseinrichtung 20 beschleunigt werden muss. Die Einschaltfeder ist direkt und starr an das zweite Kontaktstück gekoppelt, sodass bei einer Einschaltung keine Getriebeteile mitbeschleunigt werden müssen und der Einschaltfederhub genauso groß wie der Kontakthub ist. Auch die Verklinkung 30 für die Einschaltfeder (den Federspeicherantrieb 26) ist direkt angeordnet und nicht über ein Getriebe gekoppelt.
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Alternativ zu der in den Figuren dargestellten einseitig ausgeführten Verklinkung 30 kann die Verklinkung 30 auch symmetrisch zur Schubelement 22 (der Schaltstange) ausgeführt sein, um Seitenkräfte zu vermeiden, da sich diese paarweise kompensieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kurzschluss-Schalteinrichtung
- 12
- eigentlicher Schalter
- 14
- erstes Kontaktstück
- 16
- zweites Kontaktstück
- 18
- Verbindungsachse
- 20
- Antriebseinrichtung
- 22
- Schubelement
- 24
- Auslöseeinheit
- 26
- Federspeicherantrieb
- 28
- Federelement
- 30
- Verklinkung
- 32
- Rückstelleinrichtung
- 34
- Mitnehmer
- 36
- Struktur
- 38
- Stiftstruktur
- 40
- Ausnehmung
- 42
- Linearführung
- 44
- Antriebsvorrichtung
- 46
- Federspeicherantrieb
- 48
- Umlenkgetriebe
- 50
- Koppelglied
- 52
- Pfeil
- L
- Längserstreckung (Ausnehmung)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/019384 A1 [0005, 0030]
