DE1908644U - Elektrisches geraet, insbesondere elektrischer schalter, mit einer festen islolierschicht zwischen teilen unterschiedlichen potentials. - Google Patents

Description

insbesondere elektrischer Schalter Elektrisches Gerät7mit einer festen Isolierschicht

zwischen Teilen unterschiedlichen Potentials

Für diece Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden USA-Anmeldung Serial No. 286 141 von 7. 6. 1963 beansprucht»

Die Neuerung bezieht sich auf elektrische Geräte mit einer Isolierung, die lichtbogen- und kriechspurfest sein sollo

Organische harzimprägnierte Isolierstoffe besitzen häufig nur eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen Lichtbogeneinwirkungen und Kriechspuren, oder sie haben andere Eigenschaften, die ihrer Verwendung entgegenstehen, falls ihre Lichtbogen- und Kriechspurfestigkeit gut ist. Eine schlechte Lichtbogen- und

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Kriechspurbeständigkeit kann auf die Neigung organischen Isoliermaterials zurückzuführen sein, sich zu kohlenstoffhaltigen Aschen zu zersetzen, wenn sie der Hitze eines elektrischen Lichtbogens ausgesetzt sind» Die Unterschiede in der Lichtbogenbeständigkeit der verschiedenen organischen Formmassen können der relativen Leichtigkeit der Kohlenstoffbildung züge- ' schrieben werden, d.h» dem Charakter der Asche, die sich bei Kohlenstoffbildung ergibt, und der relativen Flüchtigkeit pyrolytischer Produkte, die den Grad der Kohlenstoffbildung beeinflussen kann, 2.B. dadurch, daß die Ableitung von Wärme beschleunigt wird, oder durch eine Lichtbogerlöschwirkung. Manchmal kann die Lichtbogen- und Kriechspurbeständigkeit durch einen Füllstoff verbessert werden, der so wirkt, daß der Mechanismus des Versagens umgangen wird. Jedoch gibt es hierfür keine v/irksame Voraussage, da die wirklüien Gründe, die die Lichtbogen- und Kriechspurbeständigkeit begrenzen, nicht,vollständig bekannt sind.

Es ist deshalb ein Hauptziel der vorliegenden Neuerung, ein elektrisches Gerät mit einer Isolierung zu schaffen, die ein besonderes .synthetisches Material enthält, wodurch dieser Isolierung eine hohe Lichtbogen- und Kriochspurbeständigkeit verliehen wird«

Andere Ziele der Neuerung, gehen aus der folgenden ins einzelne gehenden Beschreibung und der Zeichnung hervor, die in Figo eine Vorderansicht eines elektrischen Gerätes zeigt, das als

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Schalter oder dergl. dienen kann und eine Isolierung gemäß der .Neuerung aufweist. Pig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II der Pig. 1.

An elektrischen Geräten tritt häufig eine lichtbogenbildung zwischen Leitern auf, insbesondere wenn diese Strom führen und voneinander getrennt werden. Dabei kann es zu einem elektrischen Durchschlag oder Überschlag in organischer Isolation oder organischen Klebemitteln kommen, die in Verbindung mit solchen

elektrischen Geräten verwendet werden, wenn die Leiter voneinander durch diese Isolation getrennt sind und verschiedenes Potential aufweisen. V/enn die Leiter außerhalb des Gerätes entlangführen, 2.B. durch das Gehäuse, und sie einer Verschmutzung durch Peuchtigkeit, SaIa oder dergl. ausgesetzt sind, kann durch lang anhaltende Einwirkung kleiner elektrischer Entladungen längs der Oberfläche der Isolation ein Durchschlag hervorgerufen werden, so daß über einen ausgedehnten Zeitraum gesehen die Isolation fortschreitend zu kohlenstoffhaltiger Asche zersetzt wird»

Das in der Zeichnung dargestellte Gerät ist lediglich zur Darstellung der Bauweise gezeigt, bei der diese Art Isolationszusammenbruch auftreten kann. Es-ist jedoch festzuhalten, daß dio im folgenden beschriebene Neuerung ι- auch bei anderen Geräten, z.B. bei Transformatoren, Lichtbogenlöscheinrichtungen und dergl= verwendet werden kann.

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In der Zeichnung ist ein Isolierstoffkörper 10 dargestellt, der aus zv/ei Teilen zusammengesetzt ist. Bin Grundkörper 12 trägt die ganze Einrichtung. Von diesem erstreckt sich ein Isolierstoff teil 14 nach oben. Der gezeigte Schalter besitzt zwei Paare Kontaktbacken 16 und 18. Diese sind an der Oberseite der •Grundplatte 12 befestigt. Die Kontaktteile 16a und 18a des Schalters erstrecken sich nach oben in den Isolierstoffteil 14· Sie sind von diesem vollständig umgeben. In e±er Öffnung 21 am oberen Bnde des aufrechtstehenden Isolierstoffteiles 14 ist ein Leiter 20 gleitbar angeordnet, der zwischen die Backen 16a dec Schalters geschoben werden kann. Bin ähnlicher zweiter elektrischer Leiter 22 liegt oberhalb der federnden Kontaktbacken 18a. Br kann mit diesen ebenfalls in elektrische Berührung gebracht v/erden.

Wie zu sehen ist, umgibt der Isolierstoffteil 14 sowohl die federnden Kontaktbacken als auch die zugehörigen beweglichen elektrischen Kontakte. Wenn z.B. der Kontakt- 20 aus den Kontaktbacken 16a gezogen wird, kann ein Lichtbogen entstehen und auf die Wand des Isolierstoffteiles 14 einwirken. Geschieht dies wiederholt, so kann die Isolierung zerstört v/erden. In ähnlicher Weise kann auch die Isolierstofflache, die mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet ist und zwischen den elektrisch leitenden Seilen 20 und 22 liegt, unter der Wirkung von Poten- , tialdifferenzen an diesen beiden ieilen_überschlagen. Zum Beispiel können sich kleine leitende Pfade in der Isolierung

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"bilden und diese au Kohlenstoff zersetzen, besonders dann, wenn evtl. Verunreinigungen zur Bildung leitender Oberflächen-Pfade beitragen»

Gemäß der vorliegenden Neuerung wird die Zerstörung durch Lichtbögen und Kriechspuren vermieden und das elektrische Gerät dadurch lichtbogen- und kriechspurbeständig gemacht, daß der organische Isolierteil bestimmte Zusätze erhält. Neuerungsgemäß werden in übliche organische Isoliermaterialien feinverteilte synthetische Magnesiumcarbonat-Magnesiumhydroxyd-Komplexe eingelagert. Dadurch erhält man eine- Isolation, die erstaunlich widerstandsfähig gegen Lichtbögen und Kriechspuren ist« Dieses Ergebnis kann erreicht v/erden, ohne daß die bisher üblichen Techniken und Herstellungsverfahren aufgegeben werden müssen»

Mischungen gemäß der Neuerung, die lichtbogen- und kriechspurbeständig sind, umfassen - auf das Gewicht bezogen - etwa 10 bis 60 ⁰Jo eines speziellen synthetischen Magnesiumcarbonat-Magnesiumhydroxyd-Komplexes, der spater noch näher definiert wird, ungefähr 45 bis 15 $ eines anorganischen Füllstoffes, wie z.B. Asbestflocken, Calciumsilikat, Calciumcarbonat und dergl., und der Rest, mindestens jedoch 25 $, besteht aus organischen Harzmischungen von synthetischem Kautschuk, Epoxydharzen, Phenolharzen, Polyesterharzen, acryl-modifizierten Polyesterharzen oder andeiei organischen Bindemitteln» Innerhalb des Rahmens dieser Mischungen erhält man eine Isolation, die ent-

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sprechend den üblichen Techniken hergestellt werden kann, jedoch mit verbesserten Lichtbogen- und Kriechspurbeständigkeiten. Die Mischungen können z.B. gepreßt, gegossen odör anderweitig in Formen gebracht werden, wie sie im Zusammenhang mit dem oben dargestellten Schalter,mit Transformatoren, leistungsschaltern und dergl. verwendet werden. Die Mischungen enthalten vorzugsweise 15 bis 45 $ des genannten Komplexes, 40 bis 20' °/o anorganischen Füllstoffes ,der Rest ist ein Harz.

Der verwendete Magnesiumcarbonat-Magnesiumhydroxyd-Komplex ist ein synthetischer Komplex von Magnesiumcarbonat und Magnesiumhydroxyd zusammen mit chemisch gebundenem Wasser. Sin typischer synthetischer Komplex dieser Art ist im Handel erhältlich» Er wird aus Seewasser hergestellt. Das Magnesiumhydroxyd, das aus Seewasser in üblicher Technik gewonnen wird, wird durch das Hindurchleiten von Kohlendioxyd carbonisiert und der erhaltene Magnesiumcarbonat-Magnesiumhydroxyd-Komplex zurückgewonnen. ObJ-eich die physikalischen Eigenschaften der auf diese Weise erzeugten Komplexe sehwanken können, zeigen sie in typischer V/eise eine große Herabsetzung der Zündfähigkeit in der Größenordnung von 50 bis 60 °/o, eine Zersetzungstemperatur von oberhalb 300 C und eine sehr kleine Partikelgröße, die üblicherweise unterhalb von "etwa -325 Maschen (nach Tyler) beträgt und bis zu einem Mikron oder kleiner als Durchschnittswert he ra br eichen kann.. Die Komplexe besitzen einen hohen Prozentsatz chemisch gebundenen Wassers, z.B. bis zu 5 Moleküle. Ein

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spezielles Material, das bei der Neuerung verwendet wird, hat die chemische Formel (MgCQ-),.Mg(OH)₂.5HpO, ein* spezifisches Volumen in der Größenordnung von 3,12 Mo 4,36 cci^/g und ein spezifisches Gewicht in der Größenordnung von 352 bis 2,3· Ss zersetzt sich zu Magnesiumoxyd, Kohlendioxyd und Wasser bei ungefähr 35O⁰G. Ändere geeignete synthetische hydrierte Komplexe des Hydroxyds und Carbonats haben die Formel (MgCQ-,) ■ .Mg(OH)₀-YH₉O. Dabei ist χ und Ϊ mindestens 1.

Das organische Harzmaterial, das gemäß der !Teuerung verwendet wird, umfaßt, wie erwähnt, übliche Polyesterherzmischungen, die gegenwärtig als Imprägnier- ,Gieß- oder Preßmaterial für elektrische Geräte verarbeitet werden. Diese Materialien bestehen aus den Reaktionsprodukten eines polyhydrischen Alkohols und einer mehrbasigen Säure, wobei eine dieser Komponenten ungesättigt ist. Das Reaktionsprodukt wird dann mit einer Yinylkomponento, z.B. Styrolvinylacetat oder dergl., zusammengebracht. In der Patentliteratur und in technischen Schriften sind spezielle Informationen über geeignete Polyesterharze dieser allgemeinen Art enthalten, worauf hingewiesen wird". Diese Polyesterharze können durch Einschluß verschiedener Acrylate, z.B. Methacrylate, Methy!methacrylate, Äthy!methacrylate und ähnlicher Komponenten in Mengen von im allgemeinen ungefähr bis 30 Gewichtsprozent modifiziert werden.

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Von gummiähnlichen Isolierstoffen, die bei der Verwirklichung der Neuerung verwendet werden können, wird Butylkautschuk bevorzugt ο Dies ist in plastischer Form das Polymerisationsprodukt von 60 bis 99 Gewichtsprozent eines Monoolefins, z.B. des Isobutylens, 2-Äthylbuten-1 und dergl., mit ungefähr 1 bis 40 Gewichtsprozent eines konjugierten Diolefins, wie z.B. des Biitadiens-1 , 3, Isoprens, Cyclopentadiens, Pentadiens-1, 3 und dergl.. Vorzugsweise wird der im Handel erhältliche Butylkautschuk verwendet, der von der Enjay Company geliefert wird und der ein Copolymer von ungefähr 98 Gewichtsteilen Isobutylen und 2 Teilen Isopren ist» Hierbei wird natürlich ein übliches Härtersyxtem verwendet»

Bei der organischen Isolierung gemäß der Neuerung können auch Epoxydharze verwendet werden. Diese Hazre sind ebenfalls im Handel erhältlich, und ihre Eigenschaften und Herstellungsverfahren sind in der greifbaren technischen Literatur weit verbreitet» Sie werden im allgemeinen durch Reaktion eines polyhydrischen Phenols und eines Epihalohydrins hergestellt<> Zum Beispiel kann Bisphenol A mit einem Überschuß von Epichlorhydrin behandelt werden, um ein flüssiges Harz zu erhalten. Dabei wird gewöhnlich ein wässriges alkalisches Reaktionsmittel verA^endet. Man erhält ein herzförmiges polymeres Spoxyd mit einer oder mehreren Hydroxylgruppen pro Molekül und einem Durchschnitt von mehr als einer, aber nicht mehr als zwei Epoxydgruppen pro Molekül» Die Reaktion wird normalerweise

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bei einer Temperatur in der Größenordnung von 50 bis 100 C während einer oder mehrerer Stunden ausgeführt. Andere Möglichkeiten, durch die Epoxydharze hergestellt werden können, sind in der technischen Literatur, s.B. dem Buch "Epoxy Resins" von Skeist (1958), Reinhold Co., offenbart. Die Glycidylpolyäther oder Epoxydharze, die bei der vorliegenden Neuerung verwendet werden, haben ein Epoxydäquivalentgewicht von ungefähr 180 bis 2000 und ein durchschnittliches Molekulargewicht von ungefähr 350 bio 3000. Anhydride oder andere gebräuchliche Härter werden zum Härten beigefügt.

Die für die Verwendung bei der Neuerung bevorzugten Phenolharze sind diejenigen, die gegenwärtig als Formmassen, insbesondere als Kaltpreßmassen verwendet werden. Sie sind typische Reaktionsprodukte einer Phenolkomponente und eines Formaldehyds bei verschiedenen Ge\/ichtsverhältnissen. Ein typisches Harzprodukt erhält man bei einem Formaldehydverhältnis von ungefähr 1 bis 1,5· Anstelle von Phenol können Kresol und Xylenol verwendet v/erden, wie bekannt ist. Andere geeignete Produkte erhält man durch Kondensation von Phenol, Furfurol und Formaldehyd. Viele solche Phenolharze, ihre Herstellungsweise und ihre Eigenschaften sind in der technischen Literatur offenbart, z.B. in dem Buch "Polymers and Resins" von Golding (1959), D.van Nostrand Co.. Die Isolation nach der Neuerung wird in gleicher Weise wie andere organische Isolationen, die nicht die Komplexe gemäß der Neuerung enthalten, hergestellt und verwendet, d.h., der

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Komplex wird zusammen mit anderen Füllstoffen, Härtern, Formmitteln, Schmiermitteln, Plastifikatoren und dergl. vqrgemischt und dann durch Gießen, Pressen oder dergl. bei dem entsprechenden elektrischen Gerät angewendet. Me Erzeugnisse werden dann in üblicher Weise gehärtet, unter Druck ader Hitze oder beiden, um den festen Zustand zu erhalten.

Die Neuerung wird im folgenden im Zusammenhang mit einigen Beispielen weiter beschrieben, wobei die Einzelheiten als Erläuterung anzusehen sind und nicht als Beschränkung.

Eine Harzmischung wurde durch Reaktion von 22 Gewichtsprozent Phenolharz (S-4078, Borden Co.),7 Gewichtsprozent Furfurol, 2 Gewichtsprozent Neutralöl, 2 Gewichtsprozent Äthylalkohol, 20 Gewichtsprozent Calciumsilikat und 47 Gewichtsprozent Asbestflocken hergestellt.

Unter Verwendung der gleichen Grundmischung wurden andere Proben hergesMlt, die bei einer ersten Abwandlung 30 Gewichtsprozent eines Magnesiumcarbonat-Magnesiumhydroxyd-Komplexes (Merck Nr. 690) enthielten, während das Calciumsilikat vollständig und 10 Gewichtsprozent der Asbestflocken weggelassen wurden. In einem dritten Falle wurden 40 Gewichtsprozent des Komplexes anstatt des gesamten Calciumsilikats und 20 Gewichtsprozent der Asbestflocken verwendet.

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Zur Bewertung dor Produkte wurde ein Gerät zur experimentellen Ermittlung der linearen Kohlenstoff-Kriechspurbeständigkeit verwendet. Nähere Einzelheiten der Versuche sind in der Zeitschrift "Insulation", von Mai 1960, Seiten 19 bis 23» angegeben« Bei diesen Gerät ergibt die ursprüngliche Masse ohne Magnesiumcarbonat gemäß der Neuerung ein lineare Kriechspur von etwa 7 cm Die abgewandelte Form, die 30 tfo Magnesiumcarbonat anstelle des Calciumsilikats und der 10 $ Asbestflocken enthält, ergab eine durchschnittliche Kriechspur von 5?85 cm. Die dritte Ausführungsform ergab eine durchschnittliche Kriechspurlänge von 2,8 cm. Die drei Proben wurden außerdem in bezug auf Beständigkeit gegen Leistungslichtbögen untersucht. Die übliche Mischung schlug nach zvfQx Überschlägen durch, würend die anderen Proben 42 und 73 Entladungen vor dem Durchschlag überstanden« Diese Ergebnisse zeigen in bemerkenswerter V/eise die Vorteile, die durch die technische Lehre der Neuerung erhalten werden.

Andere Beispiele der Neuerung wurden λ'/ie folgt präpariert:

Ein Polyesterharz wurde aus 30 $ eines Veresterungsproduktes von Hexachlorendomethylon und einem Glykol, wie beispielsweise Äthylen- oder Propylenglykol, hergestellt, wobei eine Viskosität von 14 poises bei 25°C und eine Gardner-Holdt-Viskosität bei 27⁰C von X-Y erreicht wurde. Dieser Masse wurden 35 f° Calciumcarbonat und 35 $> Asbestflocken sowie ein Härter (Benzoylperoxyd-Tricresylphosphat) in einer Menge von 1 fo bezogen auf das Veresterungsprodukt zugefügt. Probestangen der Mischung zeigten

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Kriechspuren von 8,4 cn Länge. Dann wurde bei einer dieser Mischungen anstelle der gesamten Menge Calciumcarbonat der Magnesiumcarbonat-Komplex (Merck Nr. 690) verwendet. Die so erhaltenen Teststangen zeigten eine durchschnittliche Kriechspur von 5,2 cm. Dies bedeutet eine erhebliche Verbesserung' gegenüber dem Üblichen.

Eine weitere Isolierung wurde aus 25 Gewichtsprozent eines wärmehärtenden Acrylharzes mit einer Brookfield Viskosität von 1600 cps bei 70⁰C und einen Säure wert von 7 (ITy pol- 46-4001·;; Freeman Chemical Co..") j sowie 5 Gewichtsprozent Styrol, 15 Gewichtsprozent Glasfasern von 6 mm Länge, 25 Gewichtsprozent Aluminiumsilikatton und 28,7 Gewichtsprozent wiedergewonnenen Calciumcarbonats gemischt, wobei 0,3 $ teitläres Hydroperoxyd und 1 °/o Zinkstearat als Schmiermittel zugesetzt wurden.

-Aue dieser Mischung wurden Scheiben geformt und durch Versuche mit Leistungslichtbögen geprüft. Die Scheiben fielen im allgemeinen nach 3 Leistungslichtbögen-Beanspruchungen aus» Dann wurde die Zusammensetzung dadurch geändert, daß der Aluminiumsilikatton und 5 $ des Calciumcarbonats weggelassen wurden und stattdessen 30 des Magnesiumcarbonat-Komplexes verwendet wurden. Scheiben dieses Materials wurden wiederum im Leistungslichtbogen untersucht. Sie hielten 27 bis 32 Schüsse aus, bevor sie versagten.

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Andere B_Gispiele der Neuerung umfassen Mischungen von Butylkautschuk mit Füllstoffen, einem Härtesystem und den synthetischen Magnesiumcarbonat-Magnesiumhydroxyd-Komplexe. Ferner können Epoxydharze, beispielsweise aus Harz Spon 828 (Shell-Chemical Co.), ein flüssiges aromatisches Epoxydharz mit einem Epoxydäquivalentgewicht von ungefähr 175 bis 210, ein Härter, Glasfasern und Ausbestfüllstoffe und der genannte Komplex gemischt und geformt werden, z.B. zum Aufbau von Laminaten, um eine lichtbogen- und kriechspurbeständige Isolierung zu erhalten»

Bei anderen Beispielen enthielt die lischung 25 Gewichtsprozent eines ungesättigten Polyesterharzes mit monomerem Methylmethacrylat (75 i=> Polyester), wobei die Säurezahl unter 38 und die Gardner-Holdt Viskosität bei 25°C zwischen Z bis ZI lag, sowie 5 Gewichtsprozent Styrol, 2 Gewichtsprozent Benzoylperoxyd-Tricresylphojphat als Härter, 2 Gewichtsprozent Zinkstearat, 15 Gewichtsprozent Glasfasern von 6 nun Länge, 21 Gewichtsprozent Calciumcarbonat und 30 Gewichtsprozent des Magnesiumcarbonat-Magne siumhydroxyd-Komplexe s»

Bei Verwendung der gleichen Leistungen wie zuvor hielt die Mischung 28 Entladungen des Leistungslichtbogens stand, bevor ein Überschlag erfolgt.

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Die angegebenen Werte zeigen die sprunghafte Verbesserung der Lichtbogen- und .Kriechspurfestigkeit üblicher organischer Isoliermaterialbn, die durch die Neuerung erreicht v/erden kann. Aufgrund dieser Ergebnisse können elektrische Geräte mit Leitern, die unterschiedliches Potential aufweisen und mit Abstand voneinander zu halten sind, mit einer Isolierung versehen v/erden, mit der sie über längere Zeiten als bisher betrieben werden können, bevor ein Durchschlag erfolgte

2 Figuren

7 Schutzansprüche

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Claims (7)

Meue Schutzansprüche

1. Elektrisches Gerät, insbesondere elektrischer Schalter, bei dem zwischen Metallteilen verschiedener Spannung, z.B. den Schaltstücken (i6a, 18a, 20, 22), ein fester Isolierstoffkörper wie ein Isolierstoffgehäuse (10) oder dergl. liegt, der aus einem organischen Kunstharz mit e inem Zusatzstoff zur Verbesserung der Kriechspurfestigkeit besteht, dadurch gekennzeichnet,

S daß der Isolierstoffkörper (10) zwischen den Metallteilen ein Kunstharzblock (12 bzw. 14) ist, der einen synthetischen Magnesiumkarbonat-Magnesiumhydroxyd-Komplex als Zusatzstoff enthält.

2. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffkörper (10) den Magnesiumkarbonat-Magnesiumhydroxyd-Komplex in Gewichtsanteilen von 10 bis 60 <fa enthält.

3· Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffkörper (10) einen Zusatz anorganischer Füllstoffe in Mengen von 15 bis 45 Gewichtsprozent enthält.

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si-ri- ..^-!,,.Vh- ,i Uw-Λ^ -anbohren[iei eingesehen werden. Auf Anl.-cg Aordon hiervon cjc _U tfen übltohen Pilsen geliefert. OeMlsches Polenlomt. Ge

4. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffkörper (10) aus einem Polyesterharz als organischem Kunstharz aufgebaut ist.

5» Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der IsolierstoffkSrper (10) aus einem Epoxydharz als organischem Kunstharz aufgetaut ist.

6. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffkörper (1O) aus einem Phenolharz als organischem Kunstharz aufgebaut ist.

7. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffkörper aus einem synthetischen Kautschuk, insbesondere Butylkautschuk, aufgebaut ist.

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