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Die
Erfindung beschreibt eine Anordnung einer Verkabelung von Solarmodulen,
die über Stringkabel miteinander elektrisch verbunden und
auf einem Trägersystem, das aus waagerechten Pfetten und
senkrechten Profilträgern zusammengefügt ist, befestigt
sind.
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Die
Solarzellen in den Photovoltaikmodulen nehmen die einfallende Sonnenstrahlung
auf und wandeln diese in elektrischen Gleichstrom um. Die Solarzellen
werden in einem Solarmodul zusammengefasst und in Sandwichtechnik
eingekapselt. Die Solarmodule werden meistens zu sogenannten Strings
zusammengefasst und über Stringleitungen elektrisch miteinander
in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhen. Jedes
Solarmodul ist dazu mit einer Anschlussbox ausgestattet. Ein String
besteht somit aus mehreren Solarmodulen.
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Der
von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom wird über die
Stringleitungen zum Wechselrichter geliefert, der den Gleichstrom
in einen netzkonformen Wechselstrom umwandelt, so dass er über
einen Einspeisezähler in das Stromnetz eines Netzbetreibers
eingespeist werden kann. Das öffentliche Stromnetz dient
so als Speicher für die Photovoltaikanlage. Grundsätzlich
gibt es auch Wechselrichter die so klein sind, dass sie sich hinter
jedem Modul befinden, so dass die Stringleitungen als Wechselrichterleiter
ausgelegt sind.
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Ein
verschattetes oder defektes Solarmodul produziert keinen Strom mehr,
sondern wirkt in der Reihenschaltung mit anderen Modulen als Widerstand
im Stromkreis. Der Strom, der durch das Modul hindurch geleitet
werden sollte, wird in Wärme umgewandelt und es besteht
die Gefahr, dass das Modul sich überhitzt und durchbrennt,
was als Hot-Spot-Effekt bekannt ist. Um das zu verhindern, wird
der maximale Strom, der durch die Module fließen kann,
begrenzt, indem in die Anschlussboxen Bypassdioden installiert sind.
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Die
Stringkabel für die Verkabelung der Module sind heute als
Gummi- oder Kunststoffisolierte Leitungen ausgeführt. Dadurch
kommt es nachweislich immer wieder zu Kurzschlüssen und
Zerstörung der Leitungen durch Wildtier-Verbiss, Vandalismus und Überspannungen,
die durch Blitzeinschläge oder durch atmosphärische
Spannungsentladungen ausgelöst werden.
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Von
den Anschlussboxen führen heute Kabel mit montierten Steckverbindern
den Strom weiter. Mehrere Module lassen sich so auf der Baustelle
in Reihe verschalten. In der Praxis (ihren diese Steckverbindungen
immer wieder zu Problemen, da sie aufgrund der ungünstigen
Montagebedingungen auf der Baustelle nicht richtig versteckt worden
sind, so dass eindringende Feuchtigkeit zur Oxydation der elektrischen
Kontakte innerhalb des Steckers und somit zu einem Leitungsverlust
führt. Die Ursache dafür ist, dass solche Steckverbindungen
nicht Industriestandard sind, sondern Handwerkerstandard. Es sind Solarparks
bekannt, bei denen bis zu 30% der Steckverbindungen nicht richtig
montiert worden sind.
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Darüber
hinaus können solche Steckverbindungen leicht durch unbefugte
Personen getrennt werden. Wegen der hohen Systemspannung in Photovoltaikanlagen
bis zu 1000 V bei 20 A Gleichstrom, besteht beim Trennen unter Last
Lebensgefahr durch Lichtbogenentladung.
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Hinzu
kommt, dass die Witterungsbeständigkeit der Steckverbindungen
durch Eindringen von Feuchtigkeit häufig nicht erreicht
wird, wodurch die geforderte Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren für
die Photovoltaikanlage nicht erreicht wird.
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Die
Solarmodule werden heute überwiegend mit einer Anschlussbox
aus Kunststoff ausgeliefert, in der die Bypassdioden im Innenbereich
integriert sind. Die Radialdioden sind freistehend installiert ohne
zusätzliche Kühlungsmaßnahmen. Die Praxis
hat gezeigt, dass die Dioden wegen der thermischen Belastung durch
die Verlustleistung sehr stark erhitzen, im Einzelfall durchbrennen
und zu einem Gebäudebrand führen können.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
40 07 376 A1 ist ein laminiertes Solarmodul mit zwei räumlich getrennten
elektrischen Anschlüssen bekannt, wobei das Anschlusskabel
an einem Lötpunkt im Inneren der Anschlussbox angeschlossen
ist. Das Gehäuse der Anschlussbox wird im Inneren mit Silikon
vergossen, und auch am Übergang zum Solarmodul ist Silikon
angebracht. Nachteilig an dieser Anordnung ist die Ausstattung des
Anschlusskabels mit einer Steckverbindung, die außerhalb
des Solarmoduls legt, wodurch eine Verkabelung der Solarmodule untereinander
erst ermöglicht wird.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung eine Anordnung einer Verkabelung von Solarmodulen
zur Verfügung zu stellen, die die oben geschilderten Nachteile
vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruch 1 erfüllt.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht davon aus, dass die Solarmodule auf einem Profilträger
vormontiert geliefert werden. Dabei wird eine bestimmte Anzahl von
Solarmodulen zu einem String zusammengefasst und in Reihe geschaltet.
Die Anordnung von aneinandergrenzenden Solarmodulen erfolgt bevorzugt
auf einem Verbinder. Dabei werden die Solarmodule zu beiden Seiten
des Verbinders montiert. Die Verbinder sind auf einem gemeinsamen
Profilträger angeschweißt oder angeschraubt, der
aus Doppel-T- oder U-Stahlträgern gebildet wird. Die Profilträger
wiederum sind auf den waagerechten Pfetten des Trägersystems
angeschweißt oder angeschraubt. Diese Konstruktion ermöglicht
den Verbund von mehreren Solarmodulen an beiden Seiten von gemeinsamen Verbindern,
die auf einem gemeinsamen Profilträger zu einem String
befestigt sind. Durch eine Vorfertigung in der Fabrik bzw. Halle
werden die Kosten gesenkt und die Qualität der Montage
erhöht. Das bedeutet, es werden so viele Arbeitsschritte
wie möglich von der Baustelle weg in die Fabrikhalle verlegt.
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Die
erfinderische Anordnung der Stringkabel sieht eine Führung
der Stringleitung derart vor, dass die Stringkabel zwischen den
Solarmodulen in dem Profilträger des Strings verlegt und
durch jeweilige Bohrungen bzw. Aussparungen im Profilträger
zu den Anschlussboxen geführt werden. Der Profilträger bildet
somit gleichzeitig die Kabelbühne, so dass zusätzliches
Material für diese Funktion eingespart wird.
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Hierdurch
wird ein Hängen der Kabel vermieden und folglich entstehen
keine Zugkräfte auf die Anschlussbox. Auch die Verkabelung
des Strings erfolgt in der Fabrik bzw. Halle, wodurch eine deutlich höhere
Qualität erzielt wird, als bei einer Verkabelung auf der
Baustelle und Absicherung der Kabel mit Kabelbindern.
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Bei
der heutigen Art der Montage der Module ragen die Anschlussleitungen
aus den Anschlussboxen, diese werden nicht zwangsgeführt
und einfach hängen gelassen bzw. mit einfachen Kabelbindern abgesichert,
die in der Regel nicht UV-beständig sind. Dadurch kommt
es an den Dichtungen der Anschlussbox zu Druck- und Zugbelastungen,
durch die bereits mittelfristig nach zwei bis drei Jahren Undichtigkeiten
entstehen können. Durch diese Undichtigkeiten kann Feuchtigkeit
in die Anschlussbox gelangen und so zu Oxydation und zu einem Leistungsabfall
führen.
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Besonders
vorteilhaft ist die Reihenschaltung der Solarmodule im String ohne
eine Steckverbindung. Wird die Leistung von nur einem Modul beeinträchtigt,
geht die Leistung des gesamten Strings in gleicher Höhe
zurück. Insofern vervielfacht sich die Problematik, und
eine defekte Dichtung bzw. ein nicht richtig zusammen gefügter
Stecker kann zu einem erheblichen Leistungseinbruch führen.
Aufgrund dieses Dominoeffektes ist in allen Produkteinheiten höchste
Zuverlässigkeit abverlangt, die auf der Baustelle nach
Handwerkernormen nicht oder nur bedingt erreicht werden kann.
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Es
werden herkömmliche Stringkabel mit Gummi- oder Kunststoffisolierten
Leitungen eingesetzt, die bevorzugt mit einem Geflecht aus Edelstahl-
oder Kupferdrähten ummantelt sind. Durch dieses Geflecht
ergibt sich einen höhere Belastbarkeit und Verbissfestigkeit
sowie ein besserer Schutz vor Vandalismus.
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Durch
Blitzschlag und Überspannungen sind in den letzten Jahren
die Schäden an Photovoltaikanlagen gestiegen. Einen wirksamen Überspannungsschutz
vor Blitzeinschlägen und atmosphärischen Spannungsentladungen
bietet hierbei die Metallummantelung der Stringkabel. Ohne diesen
Schutz wird ein Teil der Blitzenergie kapazitiv oder galvanisch
in die elektronische Anlage gekoppelt und diese kann zerstört
werden.
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Noch
wichtiger ist der Potentialausgleich zwischen den einzelnen Teilen
der Photovoltaikanlage, wo die auf Überspannung empfindlichen
Solarzellen und elektrischen Einrichtungen installiert sind. Durch
die Metallummantelung besitzen die Stringkabel einen genügend
großen Kabelschirm, der mindestens beidseitig geerdet ist,
so dass sie vorteilhaft auch als Potentialausgleich dienen. Die
Metallummantelungen der Stringkabel sind an jeder Anschlussbox miteinander
verbunden.
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Heutige
Stringkabel sind anfällig für Blitzschlag, da
sie keine Schirme an den Leitungen besitzen, und darüber
hinaus mit unvorteilhaften Längen und Schleifen installiert
sind. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der
Solarmodule sind die Stringkabel zwischen den Modulen kurz gehalten
und ohne Schleifenbildung im Profilträger geführt.
Durch diese Anordnung der Stringkabel wird die Induktionsfläche aller
Leitungsschleifen so gering wie möglich gehalten, um Überspannungen
durch Blitzeinschläge zu verringern, und die Überspannungen
werden über den Potentialausgleich ohne Umweg abgeleitet,
wodurch eine gefährliche Ableitung in die Photovoltaikanlage
vermieden wird.
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Damit
entspricht die Anordnung den Normen DIN VDE 0100-444, Abschnitt
444.3.10 von 1999-10 zum Schutz gegen elektromagnetische
Störungen (EMI) in Anlagen von Gebäuden, und DIN
VDE 0100-712, Abschnitt 712.444.4.4 von 2006-06 zum Errichten
von Solar-Photovoltaik-Stromversorgungssysteme.
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Vorteilhaft
erfolgt die elektrische Verkabelung der Solarmodule untereinander
steckerlos. Die Module sind mittels der Stringkabel mit weiteren
Modulen so zusammengeschlossen, dass das Stringkabel ohne Einsatz
einer Steckverbindung direkt in den jeweiligen Anschlussboxen angeklemmt
ist. Gegenüber einer Verbindung mit Steckern ist eine lebensgefährliche
Trennung dieser steckerlosen Verbindung unter Last durch unbefugte
Personen oder ein unbeabsichtigtes Ziehen somit ausgeschlossen.
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Im
Profilträger sind an jedem Modul eine Langlochbohrung oder
zwei Einzelbohrungen eingebracht. Durch diese werden die Stringleitungen
zur Anschlussbox derart geführt, dass die Anschlussleitungen
zwangsgeführt sind. Die Kabelführung ist somit
vorgegeben, wodurch zunächst vermieden wird, dass der für
jeden Kabeltyp vorgegebene maximale Biegeradius unterschritten wird
und es dadurch langfristig zum Kabelbruch kommen kann. Darüber
hinaus wird dadurch vermieden, dass die Anschlussleitungen unmittelbar
vor der Anschlussbox geknickt werden und es so zu Undichtigkeiten
in der Kabeleinführung der Modul-Anschlussdose kommt.
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Der
Einsatz dieser Verbindung ist über viele Jahre auch unter
extremen klimatischen Bedingungen problemlos, da Beschädigungen
der Kabelummantelung, Undichtigkeiten am Steckverbinder und der
Anschlussbox ausgeschlossen sind.
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Die
ummantelten Stringkabel sind im geschützten Innenbereich
des Doppel-T-Profils der Profilträger geführt,
und mit Kabelklemmen in dem Profil befestigt. Durch Bohrungen oder
Aussparungen jeweiligen Schenkel des Doppel-T-Profils werden die Stringkabel
zu den jeweiligen Anschlussboxen geführt. Die abgedichteten
Anschlussboxen sind mit abgedichteten Kabeldurchführungen
ausgestattet, durch die die Stringkabel ins Innere geführt
sind und dort angeklemmt sind.
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Die
Gehäuse der Anschlussboxen werden bevorzugt aus Aluminium
hergestellt. Die Anbringung der Bypassdioden erfolgt direkt an der
Innenwand der Aluminiumbox, wobei sich die Dioden in Silikon-Gummi-Schläuchen
befinden. Somit ergibt sich eine gute Wärmeleitung zum
Gehäuse bei 10.000 V Durchschlagsfestigkeit. Daraus resultiert
eine niedrigere thermische Belastung und höhere Stromfestigkeit
der Dioden. Die Stringkabel werden in eine innere Box für
den Kabelanschluss geführt, wo die stromführenden
Leitungen angeklemmt sind, wobei diese zur Verhinderung eines elektrischen
Schlages die Schutzklasse II gewährleistet. Die Anschlussboxen sind
als flache Gehäuse entweder mit Selbstklebe-Pads oder für
die Montage mit Klebestoff gefertigt.
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Eine
Ausführungsform der Erfindung ist beispielhaft in den Figuren
dargestellt.
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1 zeigt
die Anordnung der Stringkabel in einen String in seitlicher Sicht
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2 zeigt
die Anordnung der Strings in der Photovoltaikanlage in rückwärtiger
Ansicht
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3 zeigt
die Führung der Stringkabel mittels Aussparung und Kabelklemmen
in seitlicher Sicht
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4 zeigt
die Anschlussbox als Querschnitt in Draufsicht
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In 1 ist
die Anordnung der Stringkabel 7 in einem String in seitlicher
Sicht dargestellt.
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In
dieser Figur sind insgesamt 32 Solarmodule 2 zu einem String
zusammengefasst und in einer Fabrikhalle vormontiert worden. Dabei
werden jeweils 4 benachbarte Solarmodule 2 auf einen Verbinder 4 montiert,
der dann auf einem gemeinsamen Profilträger 3 befestigt
ist. An den beiden Enden des Strings sind jeweils 2 benachbarte
Solarmodule 2 auf einem Verbinder 4 angeordnet.
Der Profilträger 3 ist als Doppel-T-Stahlträger
ausgeführt.
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Jedes
Solarmodul 2 ist mit einer Anschlussbox 8 ausgestattet, über
die die Solarmodule 2 mittels der Stringkabel 7 zusammengeschaltet
werden. Die Stringkabel 7 werden im Doppel-T-Profil des
Profilträgers 3 so geführt, dass eine
Zwangsführung der Stringleitung 7 erfolgt, ohne
dass es zu einem Hängen der Kabel 7 kommen kann,
und somit keine Zugkräfte auf die Anschlussbox 8 entstehen.
Der Profilträger 3 übernimmt durch diese
Anordnung gleichzeitig die Funktion einer Kabelbühne.
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In 2 ist
die Anordnung der Strings in der Photovoltaikanlage 1 in
rückwärtiger Ansicht dargestellt.
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In
dieser Figur sind die Solarmodule 2 der Photovoltaikanlage 1 in
insgesamt 8 vorgefertigte Strings mit jeweils einem Profilträger 3 zusammengesetzt,
wie in 1 beschrieben. Die Strings werden dann auf der
Baustelle auf das Trägersystem der Photovoltaikanlage 1 montiert,
und über die beiden waagerechten Pfetten miteinander verbunden
Jedes Solarmodul 2 ist mit einer Anschlussbox 8 ausgestattet, über
die die Solarmodule 2 mittels der Stringkabel zusammengeschaltet
werden.
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In 3 ist
die Führung der Stringkabel 7 mittels Aussparung 5 und
Kabelklemmen 6 in seitlicher Sicht dargestellt.
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Ausgehend
von der Anschlussbox 8, die an der Rückseite des
Solarmoduls 2 montiert ist, werden die Stringkabel 7 durch
eine Aussparung 5 im oberen Schenkel des Profilträgers 3 in
den Innenbereich des Profils des Profilträgers 3 geführt.
Die Aussparung 5 ist derart geformt, dass einerseits bei
der Montage ein leichtes Einführen des Stringkabels 7 in
den Innenbereich des Profils 3 möglich ist, ohne
dass dafür die elektrischen Anschlüsse in den
benachbarten Anschlussboxen 8 gelöst werden müssen,
und andererseits eine sichere Zwangsführung des Stringkabels 7 zur
Anschlussbox 8 gewährleistet ist.
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Die
Stringkabel 7 sind in dem Profil der Profilträger 3 ordentlich
verlegt und werden mit Kabelklemmen 6 dort gehalten. Durch
die Aussparung 5 werden die Stringkabel 7 zwangsgeführt
und es entsteht ein idealer Biegeradius, welcher fixiert ist und sich
auch bei Wind und Wetter langfristig nicht verändert. Hierdurch
werden Kabelbrüche und Belastungen in der Kabeldurchführung
zur Anschlussbox 8 vermieden.
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In 4 ist
die Anschlussbox 8 als Querschnitt in Draufsicht dargestellt.
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Das
Gehäuse der Anschlussbox 8 ist aus Aluminium hergestellt
und mit Kühlrippen zur Abfuhr der Wärme versehen. Über
die abgedichteten Kabeldurchführungen 9 werden
die Stringkabel 7 in die innere Box für den Kabelanschluss 11 geführt.
An den Kabeldurchführungen 9 besteht die Gefahr
der Undichtigkeit, wenn das Stringkabel 7 bei der Montage zu
stark gebogen wird, was z. B. bei waagerechter Montage der Module
passiert. Wenn das Stringkabel 7 an dieser Stelle hängen
würde, würde oben eine Zugbelastung und unten
eine Druckbelastung auf die Kabeldurchführung 9 entstehen.
Der Dichtungsring in der Kabeldurchführung 9 altert,
wird brüchig und lässt somit Feuchtigkeit in den
Innenraum der Anschlussbox 8 eindringen.
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Die
Bypass-Dioden 10 befinden sich in Silikon-Gummischläuchen
und sind direkt an der Innenwand der Aluminiumbox 8 angebracht,
wodurch eine gute Wärmeleitung garantiert ist. Darüber
hinaus haben die Dioden 10 keinen direkten Kontakt zum Kunststoff
der inneren Box für den Kabelanschluss 11, so
dass es nicht zu einem Brand kommen kann. Das hat auch den Vorteil,
dass die aufgrund von Temperaturwechsel der Dioden 10 entstehende
Kondensfeuchtigkeit nicht in den Bereich der elektrischen Anschlüsse
im Kabelanschluss 11 gerät und somit eine Oxydation
vermieden wird.
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Die
Stringkabel 7 bestehen aus stromführenden Leitungen 13,
die mit einem Edelstahl- oder Kupfergeflecht 12 ummantelt
sind.
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- 1
- Photovoltaikanlage
- 2
- Solarmodul
- 3
- Profilträger
- 4
- Verbinder
- 5
- Bohrung/Aussparung
- 6
- Kabelklemme
- 7
- Stringkabel
- 8
- Anschlussbox
- 9
- Kabeldurchführung
- 10
- Diode
- 11
- Kabelanschluss
- 12
- Metallgeflecht
- 13
- Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN VDE 0100-444,
Abschnitt 444.3.10 von 1999-10 [0022]
- - DIN VDE 0100-712, Abschnitt 712.444.4.4 von 2006-06 [0022]