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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltgerät mit einem Faltenbalg aus einer niedriggekohlten Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung sowie auf eine Verwendung eines solchen Faltenbalgs in einem Schaltgerät.
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Vakuumschaltröhren kommen in Nieder, Mittel- und Hochspannungs-Schaltgeräten zur Anwendung. Bei einer Vakuumschaltröhre (= VSR) wird typischerweise der Übergang vom bewegten Kontaktstab zum feststehenden Gehäuse der Vakuumschaltröhre durch einen Metall-Faltenbalg vakuumdicht bzw. gasdicht abgedichtet. Das eine Ende des metallischen Faltenbalgs ist dabei am Flansch der Vakuumschaltröhre und das andere Ende am bewegten Kontaktstab angelötet. Zum Beispiel ist in
3 der
DE 10 2017 222 413 A1 (Siemens AG) 2019.06.13 ein solcher Faltenbalg 80 gezeichnet.
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Ein Faltenbalg ist in der Regel für mehrere 1.000 bis einige 1.000.000 Schaltspiele der VSR ausgelegt. Die Lebensdauer des Faltenbalgs beeinflusst somit die Lebensdauer der Vakuumschaltröhre. Ein solcher Metall-Faltenbalg altert durch die Schaltzyklen der VSR, d. h. das fortwährend wechselnde Öffnen und Schließen der Kontakte, was ein wechselndes Stauchen und Strecken des Faltenbalgs bedeutet. Die höchste Belastung des Faltenbalgs bei einem Lastwechsel tritt dabei insbesondere an den Enden bzw. den letzten Wellen des Faltenbalgs auf.
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Querkräfte auf den Faltenbalg, hervorgerufen z. B. durch eine mangelhafte Führung des Kontaktstabs, die Erdanziehungskraft bei einer horizontalen Einbaulage und das Betreiben der Vakuumschaltröhre bei einem erhöhten Umgebungsdruck (> 1 bar bis zu mehreren Bar), führen zu einer transversalen Auslenkung des Faltenbalgs, welche die Lebensdauer des Faltenbalgs weiter reduziert.
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Eine Möglichkeit, die Lebensdauer des Faltenbalgs zu erhöhen, ist eine mechanische Verstärkung des Faltenbalgs durch eine Verwendung von dickerem Material. Eine Verwendung von dickerem Balgmaterial ist aber nur begrenzt möglich, da sie die notwendige Flexibilität des Faltenbalgs verringert. Zwar kann eine verringerte Flexibilität des Faltenbalges aufgrund des Einsatzes von dickerem Material durch eine erhöhte Anzahl von Wellen zumindest teilweise kompensiert werden, allerdings führt ein längerer Faltenbalg zu einer größeren Baulänge der VSR, was unerwünscht ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Schaltgerät mit einem Faltenbalg bereitzustellen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Das Schaltgerät weist mindestens einen Faltenbalg aus einer niedriggekohlten Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung auf. Das Schaltgerät kann dabei insbesondere ein Mittel- oder Hochspannungs-Schaltgerät sein. Das Schaltgerät kann ein Live-Tank-Schaltgerät, ein Dead-Tank-Schaltgerät oder auch eine Gasisolierte Schaltanlage (= GIS), insbesondere eine 1- oder 3-phasige GIS, sein.
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Eine weitere Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 6 realisiert. Dabei wird ein Faltenbalg aus einer niedriggekohlten Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung in einem Schaltgerät verwendet. Das Schaltgerät kann dabei insbesondere ein Mittel- oder Hochspannungs-Schaltgerät sein.
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Durch den Einsatz einer niedriggekohlten Nickel-Chrom-Molybdän-Niob Legierung, vorzugsweise Werkstoffnummer 2.4856 / EN Werkstoffbezeichnung NiCr22Mo9Nb / UNS N06625 / Alloy 625, als Balgmaterial in einem Schaltgerät lässt sich die „Knicksteifigkeit“, d. h. der Widerstand gegen eine transversale Auslenkung, und die mechanische Lebensdauer des Faltenbalgs erhöhen. Infolgedessen können im Falle einer vakuum- bzw. gasdichten Anwendung in einem Schaltgerät, z. B. einer vakuum- bzw. gasdichten Deckeldurchführung eines Bewegtkontaktstabs, Faltenbälge eingesetzt werden, welche die Länge herkömmlicher Faltenbälge nicht überschreiten.
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Die sonst typischerweise angewendeten Designparameter, z. B. die Anzahl der Wellen, die Wellenform, der gesamte Wellendurchmesser, die Wellungstiefe (Differenz der Durchmesser, gemessen im Wellenberg und im Wellental), das verwendete Material, die Wanddicke des Materials, die Führung des Faltenbalgs oder die Länge des Faltenbalgs, können bei der Verwendung dieses Materials ebenso genutzt werden; hierbei kann die Wirksamkeit der einzelnen Designparameter anders gewichtet / ausgeprägt sein.
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Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, als Material eines Schaltgerät-Faltenbalgs eine niedriggekohlte Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung einzusetzen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dafür die Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung mit der Werkstoffnummer 2.4856 / EN-Werkstoffbezeichnung NiCr22Mo9Nb / UNS N06625 / Alloy 625 verwendet, wobei sich die Werkstoffnummer 2.4856 zusammensetzt wie folgt: 2 = Werkstoff-Hauptgruppe „Nichteisen-Schwermetall“; 48 = Sorten-Nummer; 56 = Zähler-Nummer (EN = Europäische Norm; UNS = Unified Numbering System for Metals and Alloys). Eine niedriggekohlte Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung mit der Werkstoffnummer 2.4856 wird z. B. unter dem Markennamen Inconel® vermarktet.
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Eine niedriggekohlte Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung weist eine signifikant größere Ermüdungsfestigkeit auf als ein herkömmlich für Schaltgeräte verwendetes Balgmaterial. Damit weicht die Erfindung grundsätzlich von den herkömmlich für Schaltgeräte verwendeten Balgmaterialien, heute in der Regel Edelstahl, insbesondere Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4404, ab. Dieses herkömmlich verwendete Edelstahl-Material liegt in der Werkstoff-Hauptgruppe 1 „Stähle“, wohingegen das nun erfindungsgemäß vorgeschlagene Material nun in der Werkstoff-Hauptgruppe 2 „Nichteisen-Schwermetalle“ liegt.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt im Einsatz eines besonderen Balgmaterials zur Erreichung einer hohen mechanischen Lebensdauer bei einer möglichst kurzen Länge des Faltenbalges bzw. eines damit ausgestatteten Schaltgeräts. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei einem erhöhtem Umgebungsdruck (> 1 bar) zum Tragen, wobei der Faltenbalg aus der niedriggekohlte Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung bei allen Betriebsdrücken anwendbar ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine niedriggekohlte Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung in einem Schaltgerät, z. B. in einer Vakuumschaltröhre und/oder in einem Kapselungsgehäuse, zu verwenden.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass eine niedriggekohlte Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung aufgrund ihrer besonderen mechanischen Eigenschaften sehr gut für Vakuumanwendungen, insbesondere auch für Vakuumanwendungen mit hohen Druckdifferenzen, geeignet ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch entsprechend den abhängigen Verwendungsansprüchen weitergebildet sein, und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltgeräts ist die Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung die Legierung mit der Werkstoffnummer 2.4856.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltgeräts weist das Schaltgerät eine Vakuumschaltröhre mit einem Faltenbalg aus einer niedriggekohlten Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung auf, wobei der Faltenbalg zur Abdichtung eines Vakuums der Vakuumschaltröhre gegenüber einem Umgebungsdruck der Vakuumschaltröhre verwendet wird. Dabei kann der Faltenbalg sowohl in die Schaltkammer der Vakuumschaltröhre hineinragen als auch vom Gehäuse der Vakuumschaltröhre nach außen ragen. Beispielsweise kann im Inneren der Schaltkammer der Vakuumschaltröhre und somit auf einer ersten Seite des Faltenbalgs ein Vakuum von ca. 10-7 bar und außerhalb der Schaltkammer und somit auf einer anderen Seite des Faltenbalgs ein Fluid (z. B. Luft oder ein Schutzgas wie Schwefelhexafluorid) unter Atmosphärendruck oder - zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit - unter Überdruck befinden; dabei kann der Überdruck 3 bis 4 bar oder sogar bis zu 10 bar betragen. Ein Faltenbalg aus einer niedriggekohlten Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung weist selbst unter diesen extremen Bedingungen eine wesentlich längere Lebensdauer als herkömmlich verwendete Materialen auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltgeräts weist das Schaltgerät ein Kapselungsgehäuse mit einem Faltenbalg aus einer niedriggekohlten Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung auf, wobei der Faltenbalg zur Abdichtung eines Fluids in dem Kapselungsgehäuse gegen Außenluft unter Atmosphärendruck verwendet wird. Das Fluid in dem Kapselungsgehäuse kann z. B. Luft oder Schutzgas wie Schwefelhexafluorid sein. Dabei kann der Faltenbalg sowohl in das Innere des Kapselungsgehäuses hineinragen als auch vom Kapselungsgehäuse nach außen ragen. Beispielsweise kann sich im Inneren des Kapselungsgehäuses und somit auf einer ersten Seite des Faltenbalgs ein Fluid unter Atmosphärendruck oder unter einem Überdruck von bis zu 10 bar befinden und außerhalb des Kapselungsgehäuses und somit auf einer anderen Seite des Faltenbalgs Atmosphärendruck herrschen.
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Dabei ist es möglich, dass das Kapselungsgehäuse eine oder mehrere Vakuumschaltröhren umschließt. Dabei können sowohl am Kapselungsgehäuse als auch an den ein oder mehreren Vakuumschaltröhren Faltenbälge aus einer niedriggekohlten Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung angebracht sein. Es ist eine Ausgestaltung möglich, bei der das Kapselungsgehäuse eine einzige VSR umschließt, wobei das Kapselungsgehäuse wie auch die VSR jeweils eine einzige Durchführung mit einem Faltenbalg aufweisen. Es ist eine andere Ausgestaltung möglich, bei der das Kapselungsgehäuse eine Anzahl von N VSR (N ist eine natürliche Zahl), insbesondere drei VSR umschließt, wobei das Kapselungsgehäuse N Durchführungen mit einem Faltenbalg und die VSR jeweils eine einzige Durchführung mit einem Faltenbalg aufweisen. Es ist eine weitere Ausgestaltung möglich, bei der das Kapselungsgehäuse eine Anzahl von N VSR (N ist eine natürliche Zahl), insbesondere drei VSR umschließt, wobei das Kapselungsgehäuse eine einzige Durchführung mit einem Faltenbalg aufweist und die Bewegung mittels einer Traverse innerhalb des Kapselungsgehäuses auf N Bewegtkontaktstäbe übertragen wird, wobei die VSR jeweils eine einzige Durchführung mit einem Faltenbalg aufweisen. In allen Fällen ist es möglich, dass die Faltenbälge am Ort der Durchführung durch das Kapselungsgehäuse und/oder das Gehäuse der VSR vom Gehäuse nach Außen ragen, d. h. mit dem jeweiligen Außendruck auf der Außenseite des Faltenbalgs und dem jeweiligen Innendruck auf der Innenseite des Faltenbalgs, oder in das Innere des Gehäuses ragen, d. h. mit dem Außendruck auf der Innenseite des Faltenbalgs und dem Innendruck auf der Außenseite des Faltenbalgs.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verwendung wird ein Faltenbalg aus einer Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung zur Abdichtung eines Vakuums einer Vakuumschaltröhre des Schaltgeräts gegenüber einem Umgebungsdruck der Vakuumschaltröhre verwendet. Dabei ist es möglich, dass der Faltenbalg an einem Bewegtkontaktstab der Vakuumschaltröhre verwendet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verwendung wird ein Faltenbalg aus einer Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung zur Abdichtung eines Fluids, z. B. Luft oder Schutzgas, in einem Kapselungsgehäuse des Schaltgeräts gegen Außenluft unter Atmosphärendruck verwendet. Dabei ist es möglich, dass der Faltenbalg an einem Bewegtkontaktstab des Schaltgeräts verwendet wird; beispielsweise kann das Kapselungsgehäuse eine Lagerstelle eines Bewegtkontaktstabs aufweisen, an der das Öffnen und Schließen der Kontakte des Schaltgeräts zu einer Bewegung führt, die mittels des Faltenbalgs gasdicht abzudichten ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung die Legierung mit der Werkstoffnummer 2.4856.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung erläutert. Es zeigt jeweils schematisch und nicht maßstabsgetreu
- 1 einen Schnitt einer VSR eines Schaltgerätes; und
- 2 einen Schnitt eines Schaltgerätes mit einer VSR und einem Kapselungsgehäuse.
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1 zeigt eine Vakuumschaltröhre 1 mit einer von einem Gehäuse 5 umschlossenen Schaltkammer 2, in welcher ein Festkontakt 3 und ein Bewegtkontakt 4 angeordnet sind. Der Festkontakt 3 sitzt an einem Ende eines Festkontaktstabs 10, der durch einen ersten metallischen Deckel 7 vakuumdicht, z. B. durch Verlöten von Festkontaktstab 10 und Deckel 7, aus der Vakuumschaltröhre 1 herausgeführt ist. Der Bewegtkontakt 4 sitzt an einem Ende eines Bewegtkontaktstabs 9, welcher mittels eines Lagers 13, welches an einem zweiten Deckel 8 fixiert ist, verschieblich und verdrehsicher geführt und durch den zweiten Deckel 8 aus der Vakuumschaltröhre 1 herausgeführt ist. Mittels des Bewegtkontaktstabs 9 kann der Bewegtkontakt 4 in einem Schließvorgang in Kontakt mit dem Festkontakt 3 und in einem Öffnungsvorgang in einen Abstand von dem Festkontakt 3 gebracht werden. Die Deckel 7, 8 zusammen mit einem zwischen ihnen angeordneten Isolierstoffzylinder 6, welcher aus Keramikmaterial gefertigt sein kann, bilden das vakuumdichte Gehäuse 5 der Vakuumschaltröhre 1.
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Die Durchführung des Bewegtkontaktstabs 9 durch den zweiten Deckel 8 wird mittels eines metallischen Faltenbalgs 12 aus einer niedriggekohlte Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung (Werkstoffnummer 2.4856) vakuumdicht gehalten, dessen erstes Ende an einen Innenumfang einer kreisrunden Durchstecköffnung 17, die in einem Deckelboden 16 des zweiten Deckels 8 angeordnet ist, und dessen zweites Ende an eine als Balgkappe bezeichnete Auskragung 11 des Bewegtkontaktstabs 9 angebunden ist, z. B. durch Lötverbindungen. Das Lager 13 umfasst einen lochscheibenförmigen Lagerflansch 14 und ein rohrförmiges Führungsteil 15, welches konzentrisch an den Lagerflansch 14 angesetzt und mit ihm verbunden ist; dabei kann das Lager 13 aus einem Stück gefertigt sein. Das Lager 13 kann aus Kunststoff bestehen. Der Lagerflansch 14 ist an dem Deckelboden 16 zentriert und fixiert, z. B. mithilfe einer Schraubverbindung oder mithilfe einer Lagerkappe.
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Die Durchführung des Bewegtkontaktstabs 9 durch den zweiten Deckel 8 ist so ausgestaltet, dass der Faltenbalg 12 am Ort der Durchführung durch das Gehäuse 5 der VSR 1 in das Innere des Gehäuses 5 ragt, d. h. mit dem Außendruck der VSR 1 auf der Innenseite des Faltenbalgs 12 und dem Innendruck der VSR (Vakuum) auf der Außenseite des Faltenbalgs. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung möglich, bei der der Faltenbalg 12 am Ort der Durchführung durch das Gehäuse 5 der VSR 1 vom Gehäuse 5 nach Außen weg ragt.
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2 zeigt ein Schaltgerät 100 in sogenannter Dead-Tank-Ausführung. Eine Vakuumschaltröhre 1 gemäß 1 ist elektrisch isoliert gegenüber einem Kapselungsgehäuse 30 angeordnet, welches als ein metallischer Körper ausgeführt sein kann. Eine durch einen Antrieb betätigbare Antriebsstange 24 beaufschlagt den Bewegtkontaktstab 9 über ein Abschlussplatte 26.
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Im Inneren der Vakuumschaltröhre 1, der Schaltkammer 2, herrscht Vakuum. Das Innere des Kapselungsgehäuses 30, d. h. der Zwischenraum 20, welcher außerhalb der Vakuumschaltröhre 1 und innerhalb des Kapselungsgehäuses 30 liegt, ist mit einem elektrisch isolierenden Fluid, z. B. Luft oder Schwefelhexafluorid, befüllt; das Fluid im Zwischenraum 20 kann unter Atmosphärendruck stehen, oder unter Überdruck, so dass die Isolationsfestigkeit des elektrisch isolierenden Fluids zusätzlich verbessert wird. Im Außenraum 200 außerhalb des Kapselungsgehäuses 30 befindet sich Umgebungsluft, d. h. dort herrscht Atmosphärendruck.
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Zur gasdichten Abdichtung der evakuierten Schaltkammer 2 gegenüber dem vorzugsweise unter Überdruck stehenden Zwischenraum 20 des Kapselungsgehäuses 30 ist ein erster Faltenbalg 12 zwischen dem Bewegtkontaktstab 9 und dem Gehäuse 5 der Vakuumschaltröhre 1 angeordnet. Zur gasdichten Abdichtung des vorzugsweise unter Überdruck stehenden Zwischenraums 20 des Kapselungsgehäuses 30 gegenüber dem Außenraum 200 unter Atmosphärendruck ist ein zweiter Faltenbalg 22 zwischen dem Bewegtkontaktstab 9 und dem Kapselungsgehäuse 30 angeordnet. Dabei sind beide metallische Faltenbälge 12 und 22 erfindungsgemäß aus einer niedriggekohlte Nickel-Chrom-Molybdän-Niob-Legierung (Werkstoffnummer 2.4856).
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Die Durchführung des Bewegtkontaktstabs 9 durch das Gehäuse 5 der VSR 1 ist so ausgestaltet, dass der erste Faltenbalg 12 am Ort der Durchführung durch das Gehäuse 5 der VSR 1 in den Innenraum 2 des Gehäuses 5, d. h. in die Schaltkammer 2, ragt, d. h. mit dem Außendruck der VSR 1 (= Druck im Zwischenraum 20) auf der Innenseite des ersten Faltenbalgs 12 und dem Innendruck der VSR (= Vakuum in der Schaltkammer 2) auf der Außenseite des ersten Faltenbalgs 12. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung möglich, bei der der erste Faltenbalg 12 am Ort der Durchführung durch das Gehäuse 5 der VSR 1 vom Gehäuse 5 nach Außen weg, d. h. in den Zwischenraum 20, ragt.
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Die Anbindung des Bewegtkontaktstabs 9 an das Abschlussstück 26 und somit die Durchführung der Bewegung der Antriebsstange 24 durch das Kapselungsgehäuse 30 ist so ausgestaltet, dass der zweite Faltenbalg 22 am Ort der Durchführung durch das Kapselungsgehäuse 30 vom Kapselungsgehäuse 30 nach Außen weg, d. h. in den Außenraum 200, ragt, d. h. mit dem Außendruck des Kapselungsgehäuses 30 (= Umgebungsluft unter Atmosphärendruck) auf der Außenseite des zweiten Faltenbalgs 22 und dem Innendruck des Kapselungsgehäuses 30 (= Druck im Zwischenraum 20) auf der Innenseite des zweiten Faltenbalgs 22. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung möglich, bei der der zweite Faltenbalg 22 am Ort der Durchführung durch das Kapselungsgehäuse 30 in den Innenraum des Kapselungsgehäuses 30 ragt.
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2 ist fokussiert auf die Darstellung der Anordnung der Federbälge 12 und 22 und verzichtet auf Details zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktstücke 3 und 4 und zur Befestigung der Vakuumschaltröhre 1 in dem Kapselungsgehäuse 30, da die elektrische Ausgestaltung eines elektrischen Schaltgeräts in Dead-Tank-Ausführung dem Fachmann bekannt ist; hierzu sei beispielsweise verwiesen auf die einschlägigen Erläuterungen in
WO2019/197109A1 (Siemens AG) 17.10.2019.
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In weiteren Ausgestaltungen können metallische Faltenbälge 12 und 22 in analoger Art und Weise wie bei einem Schaltgerät in Dead-Tank-Ausführung auch bei Schaltgeräten in Live-Tank-Ausführung oder bei einer GIS verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017222413 A1 [0002]
- WO 2019197109 A1 [0033]
