DE2028593A1 - Strombegrenzer - Google Patents

Description

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha in Tokyo / Japan

Strombegrenzer

Die vorliegende Erfindung beziehtsich auf einen Strorabegrenzer.

Sich selbst zurückstellende Strombegrenzer sind sehr vorteilhaft, weil dadurch die Größe des zulässigen Überlastungsstromes vergrößert werden kann. Damit jedoch

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ein Strombegrenzungsvorgang mit guter Reproduzierbarkeit stattfinden kann, muß die Verdampfung des strombegrenzenden Materials sehr gleichmäßig sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es$ einen Strombegrenzer zu schaffen, der diese Eigenschaften aufweist«

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,, daß eine erste metallische Elektrode, eine dieser Elektrode gegenüberliegende zweite metallische Elektrode und eine zwischen den beiden Elektroden vorhandene elektrische Isolierung vorgesehen ist, ferner daS ©ine sich durch die beiden Elektroden und die elektrische Isolierung erstreckende längsbohrung vorgesehen ist, welche mit einem strombegrenzendens, bei Raumtemperatur festem oder flüssigen Material gefüllt ist„ so daß die beiden Elektroden im Mormalsaetand im wesentlichen elektrisch miteinander verbiißöea sinöp während feeiss Auftreten eines Überstromes eine eins Strorabegrensrassg herwurrufenü® Yer·= dämpfung eintritt;, wobei wenigste es <äer das Ste©ia~ begrenzungsmaterial umgebende Teil eier elektrischen Is©·= lierung eine thermische .Leitfähigkeit aufweist_p die" wenigstens so groB ist wie die des SteoEElsegrenzungsraate= rials. ' -

Vorzugsweise sollte di© Längsteturang elaea Be·="' reich mit verringertes Querschnitt aiifweisefio

Im folgenden soll die Erfindtaag anhand von führungsbö!spielen näher erläutert nnä beschrieben wer

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den, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird· Es zeigern

Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Strombegrenzers nach der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht des in Fig. 1 dargestellten Strombegrenzers;

Fig. 3 eine längsschnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten Strombegrenzers i und

Fig. 4 und 5 schematische Längsschnittansichten verschiedener Abwandlungen des Strombegrenzers von Fig.

Im folgenden soll auf die Zeichnung, insbesondere Fig. 1 Bezug genommen werden, in welcher ein Strombegrenzer gemäß der Erfindungaargeste11t ist. Dieser Strombegrenzer weist eine erste metallische Elektrode 10 und eine die erste Elektrode 10 teilweise umgebende zweite metallische Elektrode 12 auf, wobei ein Spalt auftritt, der mit einer elektrischen Isolierung 14 gefüllt ist, durch welche die beiden Elektroden 10, 12 in räumlicher Zuordnung zueinander gehalten und elektrisch isoliert sind. Zur Lagerung der zweiten Elektrode 12 und der Isolierung 14 ist ein äußeres metallisches, zylindrisches Element 16 vorgesehen. Zwischen der ersten Elektrode 10 und dem äußeren zylindrischen Element 16

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ist ferner eine aas elektrischem Isoliermaterial bestehende Scheibe 18 vorgesehen* durch welche beide Elemente 10, 16 voneinander isoliert sind«. Die zweite Elektrode 12 ist an dem der ersten Elektrode 10 abgewandten Ende mit einer Ausnehmung versehen, in welche eine in Form eines Behälters ausgebildete Elektrode eingesetzt ist. Zwischen der Elektrode 20 und der Elektrode' 12 ist eine Überschlagsschwelle 22 vorgesehen, in welcher eine zentrale Öffnung angeordnet ist« In dem hohlen Teil der Elektrode 20 ist ein Kolben Zk verschiebbar gelagert, wodurch sich sswei getrennte Kammern ergeben.

Wie dies in PIg₉ 1 dargestellt ist? erstreckt sich eine Längsbohrung 26 durch die erste Elektrode 10, die Isolierung Ik und die zweite Elektrode 12 und führt durch eine zentrale Öffnung innerhalb der Über» schlagsschwelle 22 bis in die der ersten Elektrode 10 zugekehrte Kammer der Elektrode 20. Die längsbohrung ist auf der einen Seite ia Bereich der ersten Elektrode 10 mit einem Ventil 28 versehen, dessen Bedeutung im folgenden noch beschrieben sein soll» Die äußere Kammer 30 der Elektrode 20 ist mit Druckgas gefüllt, sodaß diese Anordnung als Druckauegleiohselement' dient. In einer Ringnut des Kolbens 2^ ist ein O-Ring 32 vorgesehen, so daB gewährleistet ist, daß beide Kammern her·* »©tisch gegeneinander abgedichtet sind.

Durch das Ventil 28 wird In die längsbohrung 26 ein geeignetes Strombegrenzungsmaterial eingegossen, bis die Längsbohrung 26 und die damit in Verbindung stehende

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Kammer innerhalb der Elektrode 20 gefüllt sind. Daraufhin wird das Ventil 28 in seine geschlossene Position gebracht. Das Strombegrenzungsmaterial ist dabei durch dasselbe Bezugszeichen 26 bezeichnet wie die längsbohrung 26.

Wie dies bekannt ist, ist das Strombegrenzungsmaterial 26 bei Raumtemperatur fest oder flüssig und wird aufgrund eines Kurzschlußstromes verdampft, wobei hohe Dampfdrücke auftreten. Das verdampfte Material weist einen elektrischen Widerstand auf, der wesentlich hoher als die Kurzschlußimpedanz des dazugehörigen Schaltkreises ist, so daß der Kurzschlußstrom auf einen vorgegebenen Wert gebracht wird, wodurch die erste Elektrode 10 im wesentlichen von der zweiten Elektrode 12 isoliert wird. Nachdem beide Elektroden 10,"12 für einen vorgegebenen Zeitraum elektrisch voneinander iso-' liert worden sind, kühlt sich das verdampfte Material sehr rasch ab, so daß es sich wieder verfestigt bzw. verflüssigt, so daß der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt wird, in welchem beide Elektroden 10 und elektrisch gut miteinander verbunden sind. Demzufolge kann der Strombegrenzer einen neuen Strombegrenzungsvorgang durchführen. Das Strombegrenzungsmaterial besteht vorzugsweise aus Natrium (Na), Kalium (K), darauf aufgebauten Legierungen (NaKJt Gallium (Ga) usw.

Beim Verdampfen des Strombegrenzungsmaterials treten innerhalb der Längsbohrung 26 und der innerhalb der Elektrode 20 vorhandenen Kammer sehr hohe Drücke auf. Diese Drücke bewegen den Kolben Zk gemäß Fig. 1 nach

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rechts, wodurch das Druekgas in der gedrückt wird» Demauf©Ige ergibt sich eine Verringerung des Druckes, so daß der Strombegrenaer "war Schäden §©= schützt ist«

Beim Verdampfen des StrombsgrenaungsRiaterials wird das darum angeordnete Material sehr hohen Terape= raturen ausgesetsto Demzufolge muß die elektrische Iso= lierung 14, in welcher die Längsbohrung 2β angeordnet ist, aus einem Material bestehen, das wenigstens 100O⁰K aushält. Geeignete Isoliermaterialien sind demzufolge Aluminiumoxyd (Ai _Ρ0~), Beryllium (BeO), -Lucalox (Warenzeichenjusw® Die Isolierung 14 kann ebenfalls aus einem wärmewiderstandsfähigen Keramikstoff - beispielsweise Magnesiumoxyd (MgO), Glas, Glimmer usw. - bestehen, wobei Hochdruckgußverfahren verwendet werden. Derartige keramische Stoffe können ebenfalls metallische Salsa enthalten. Wärmewiderstandsfähige keramische Stoffe sind kommerziell unter den Warenbezeichnungen Hishilex und My ca« lex bekannt.

Eine der Eigenschaften eines Strombegrenzers besteht darin, überströme in der Größenordnung von 1,25 bis 20-mal des Nennstromes für einen bestimmten Zeitraum in Abhängigkeit der bestimmten Größe des Überstromes leiten zu können, ohne daß das Material verdampfte Um zu verhindern, daß jener Teil des Strombegrenzere zwischen der ersten und zweiten Elektrode 10 und 12 in seinen isolierten Zustand gebracht wird_f was dureh Verdampfung des strombegrenzenden Materials 26 eintritt;.

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darf das «wischen den Elektroden 10 und 12 vorhandene Material nicht durch Joule*sehe Wärme und Wirbe1-etröme verdampft werden. Diese Anforderung an das Strombegrenzungsmaterial soll nun mathematisch unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht, gemäß welcher das strombegrenzende Material 26 durch die elektrische Isolierung 14 geführt ist. Wie dies anhand von Fig. 2 erkennbar ist, soll angenommen werden» daß sowohl die Isolierung als auch das strombegrenzende Element zylindrisch und koaxial zueinander angeordnet sind. Es sei ferner angenommen, daß das strombegrenzende Element 26 aufgrund des fließenden Überstromes gleichmäßig erwärmt ist. Unter diesen Bedingungen ergibt sich die folgende Differentialgleichung!

(D

wobei

Y der Laplasse-Operator,

T die Temperatur des Strombegrenzungselementes 26,

K der Wärmeemissionsfaktor des Strombegrenzungselementes 26,

t die Zeit,

5 der spezifische Widerstand des Begrenzungselementes 26, ■

I der durch das Strombegrenzungselement fließende Strom, und

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die thermische Leitfähigkeit d@e gteombegrensungs« elementes ist_e

Bei Verwendung eines zylindrischen Koordinatensystems (r, *f 9 z)₉ bei welchem die-z-Achse mit der gemeinsamen Längsachse der Zylinder 26 und 2k zusammen·» fällt , kann Gleichung (1) unter der Voraussetzung, daß alle ^ -Komponenten vernachläesigbar sind* wie folgt geschrieben Werdens

₊ 1

J ^lr· ^J K t >

J_Z2 - r Jr **· j;' "Kjt >

Unter der Voraussetzung; daß das elektrisch leitfähige Material der Isolierung Ik ein© genügend hohe thermische Leitfähigkeit hat, und demzufolge das Strombegrenzungsmaterial eine gleiche Temperatur wie das Isoliermaterial aufweist, ergibt sich durch Multi· plizierung durch ZHr und Integrierung in bezug auf r über den Bereich von 0 bis R gemäß Fig. 2 folgende GIeichungt

R ² r

2 // r · % ■ * · dr + / 2H r · Λ

dr 4 2*r ) Jo

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Cp die spezifische Wärme an einem vorgegebenen Punkt r, und

r das spezifische Gewicht an einem vorgegebenen Punkt r unter der Voraussetzung ist, daß K = y /Gpr.

Da das Strombegrenzungselement und die Isolierung gemäß Fig. 2 Radien von r und R aufweisen, kann G chung (3) wie folgt geschrieben werden?

^{2 K} /* W

₌ z^{2 K}e

(Cpr) ^e

ti I

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In den obtn erwähnten Gleichungen (5) bezeichnen die Indices 1 und 2 das Strombegren&ungselament die Isolierung« }- ^ foeseiehnet beispielsweise thermische Leitfähigkeit des Strombegrenaungsmaterials und rg das spezifische Gewicht des Isoliermaterials®

Durch Auflösung von Gleichung (4) ergibt sichs

cos

e ^e pi*/ ^sin -|- (2n -

(6)

wobei i die axiale Länge des Strombegrensungselementes und demzufolge der Isolierung ist und pi die thermische Zeitkonstante, welche durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann.

- D ² Xe

^ /2 Cpr

wobei η eine beliebige ganze Zahl ist,

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Wie dies in Flg. 2 dargestellt ist, ist jedes Ende des Zylinders mit + -4t" ^bzw· - ~"2~* bezeichnet, so daß das zylindrische Koordinatensystem seinen Ursprung im Mittelpunkt der Länge der gemeinsamen Achse des Zylinders hat· Aus Gleichung (6) ergibt sich, daß ein Ansteigen der Temperatur eine Funktion von X₆, / , I und ? _β 1st. Unter diesen Parametern kann nur X _β und i willkürlich gewählt werden. Die Länge X ist jedoch im Hinblick auf die Menge der innerhalb des Strombegrenzungsmaterials erzeugten Wärme im Vergleich zu dem Nennstrom und der thermischen Beanspruchung, welche das Isoliermaterial beim Verdampfen des Strombegrenzungsmaterials ausgesetzt ist, gewissen Begrenzungen unterworfen. Demzufolge kann einzig und alleinΧ_Λ wirklich frei gewählt werden, was in den darauffolgenden mathematischen Erörterungen berücksichtigt ist.

Zuerst soll eine der Gleichungen (5) in folgende Gleichung umgewandelt werden:

Aus dieser Gleichung (8) ergibt sich, daß - um X unabhängig des Verhältnisses r_o/R so groß wie möglich zu machen - es notwendig ist, λ.., ungefähr gleich \ ₂ zu machen (X ^ c^ X^)₉ während ^ ₂ S^roß is-t. Daraus ergibt sich, daß bei einem kleinen r_o/R-Verhältnis eine weitere Zunahme von χ _e notwendig ist, damit X ₁ << X₂ ist.

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Bekannte Strombegrenzungeinaterialiejri wie Natrium! Kalium und ihre Legierungen haben eine thermische Leitfähigkeit λ j in. der Größenordnung von 0,1 Cal/sec. cm ⁰G. Auf der anderen Seite weist ©in elektrisches Isoliermaterial - wie Beryllium (BeO) eine thermische Leitfähigkeit X ₂ ^¥0Λ w«g©fähr 0,5 Cal/sec. cm. ⁰C auf. Demzufolge ergibt eine Kombination von irgendeinem der oben erwähnten Stromb@grenzungs~ materialien mit Beryllium ungefähr jene Beziehung

1 << I 2*

Während ein Isoliermaterial - wi® Beryllium eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, um im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden, kann das Isolier-tmaterial ebenfalls durch ein beliebiges Hochdruckgußmaterial aus der Gruppe der Stoffe - wie Glimmer, Glas oder Metalloxyd - mit daruntergemischtetn pulverisierten Metall hoher Leitfähigkeit mit zufriedenstellendem Resultat verwendet wer den. Beispielsweise können Materialien wie Hishilex und Mycalex zusammen mit pulverisiertem Kupfer verwendet und zur Erzielung einer gewünschten Größe thermische Leitfähigkeit bzw« elektrischen Widerstandes geformt werden, wie dies in der oben beschriebenen US-Pateniachrift beschrieben ist.

In Fig. 3 bezeichnen gleiche Bezugszeiehen gleiche oder ähnliche Elemente. Die in Fig_e 3 dargestellte Ausführungsform ist von der in Fig-, 1 dargestellten Ausführungsform insoweit verschieden, als

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die elektrische Isolierung einen Teil 14" aufweist, der einzig und allein eine hohe thermische Leitfähigkeit im Bereich des Strombegrenzungsmaterials 26 aufweist, während der verbleibende Teil 14 aus Isoliermaterial hoher Wärmewiderstandsfähigkeit und hoher thermischer Leitfähigkeit besteht. Beispielsweise kann der Teil 14· aus einem der bereits beschriebenen Materialien bestehen, während der Isolierteil 14 aus Berylliumoxyd (BeO)oder Aluminiumoxyd (At₂^) besteht.

In Fig. 4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente der Ausführungsform von Fig. 1. In Fig. 4 ist die erste Elektrode 10 mittels einer elektrisch isolierenden Verbindung mit der Elektrode 20 verbunden, so daß die zweite Elektrode durch die elektrische Isolierung 14 gegeben ist. Das Strombegrenzungsmaterial^ dient zur elektri-

i sehen Verbindung der Elektroden 10 und 20. Wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, weist das Endstück 26' des Strombegrenzungsmaterials im Bereich der ersten Elektrode 10 einen kleineren Querschnitt auf als der verbleibende Teil 2$. Demzufolge ist die Bohrung 26 innerhalb der Isolierung 14 komplementär zur Konfiguration des Strombegrenzurigsmaterials 26, 26·..

Bei der dargestellten Anordnung erkennt man sofort, daß beim Auftreten eines Überstroraes der verjüngte Teil 26' des Strombegrenzungsmaterials zuerst verdampft wird, worauf die Verdampfung in Richtung

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des verbleibenden Teiles 26 fortschreitet j, was %ur Folge hat, daß die Verdampfung gleichmäßig in Richtung des Pfeiles 36 verläuft«,

Innerhalb der Elektrode 22 arbeitet der Kolben 24 in Verbindung mit deta gusammendrückbaren Medi« JO₉ so daß die Verdampfung innerhalb des verjüngten Teilstückes 26' rasch in Richtung des Pfeiles JG fortschreitet. Das verjüngte Teilstück 26° des grenzungsmaterials wird somit suerst verdampft^ sich ein sehr hoher Druck ergibt, der das zusammendrückbare Medium 30 zusammendrückt, wobei der Kolben 24 sich in Richtung des Pfeiles 36 bewegt. Es hat sich herausgestellt, daß diese Arbeitsweise des ssuaammen» drückbaren Mediums 30 zusammen mit dem Kolben 24 sehr wirksam ist, um die Verdampfung am verjüngten Teil 26* in Richtung des Pfeiles 36 auszulösen, wodurch sich ein sehr zufriedenstellender Betriebsablauf ergibt» Demzufolge ergibt die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform eine Folge von einzelnen Strombegrenzungsvorgängen mit guter Reproduzierbarkeit. Es hat sich ferner herausgestellt, daß das Vorsehen eines verjüngten Teil» stückes 26* im Bereich der ersten Elektrode 10 auch sehr gut zur Wegleitung und Absorbierung von Wärme von normalen Strömen geeignet ist.

Fig« 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsfoni der Erfindung, bei welcher entsprechende Elemente mit

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gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 bezeichnet sind· Die Ausführungeform ist der in Fig· 3 dargestellten Ausführungsform identisch mit der Ausnahme, daß das verjüngte Teilstück 26· des Strombegrenzungsmaterials mit einem Mantel 38 umgeben ist, der aus einem geeigneten metallischen Material mit hoher elektrischer Widerstandsfähigkeit und guter Lichtbogenbeständigkeit - wie z.B. Nickel oder Molybdänlegierungen « besteht· Der Mantel 38 verhindert, daß die Isolierung 14 innerhalb des strombegrenzenden Bereiches 26' bei der Ausbildung eines Lichtbogens beschädigt wird. Es ist ferner festgestellt worden, daß der Mantel 38 vorzugsweise aus Monel-Metall oder Hastelloy (Warenzeichen) besteht, deren spezifischer Widerstand in der Größenordnung von 170 Megohm-cm liegt.

Zusammenfassend ergibt eieh die vorliegende Erfindung einen sich selbst wiederaufbauenden Strombegrenzer mit einem Strombegrenzungsmaterial, das sich durcjh eine elektrische Isolierung erstreckt, welche wenigstens eine gleiche thermische Leitfähigkeit wie das Strombegrenzungsmaterial aufweist. Dies ermöglicht; daß die in dem Strombegrenzungsmaterial erzeugte Wärme sehr wirksam abgeleitet wird, so daß das Strombegrenzungsmaterial in seinem guten, elektrisch leitfähigen Zustand gehalten wird, in welchem keine Verdampfung eintritt, solange kein Strom fließt, der über einem gewissen Schwellwert liegt.

Um den Verdampfungsprozeß innerhalb des Strombegrenzungsmaterials gleichmäßig zu machen, so daß

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der Strombegrenzungsvorgang mit guter Reproduzierbarkeit ablaufen kann, kann das Strombegrenzungsmaterial einen zum Teil verringerten Qie?schnittsbereich aufweisen· Gegenüber diesem verjüngten Bereich kann ferner ein Druckausgleichselement vorgesehen sein, wodurch die Verdampfung des Strombegrenzungsmaterials ausgenutzt wird· Der verjüngte Bereich des Strombegrenzungsmaterials kann mit einem Mantel umgeben sein, der aus einem Material hoher Leitfähigkeit und guter Lichtbogenbeständigkeit besteht, so daß sich ein Strombegrenzer ergibt, der eine stabile Arbeitsweise und eine erhöhte Lebensdauer aufweist· Schließlich sei erwäht, daß anstelle des Druckgases 30 eine Druckfeder vorgesehen sein kann.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1·) Strombegrenzer, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste metallische Elektrode (10), eine dieser Elektrode (10) gegenüberliegende zweite metallische Elektrode (20) und eine zwischen den beiden Elektroden (10, 12) vorhandene elektrische Isolierung (1*l·) vorgesehen ist, ferner daß eine sich durch die beiden Elektroden (10, 12) und die elektrische Isolierung (1*l·) erstreckende Längsbohrung (26) vorgesehen ist, welche mit einem strombegrenzenden, bei Raumtemperatur festem oder flüssigen Material gefüllt ist, so daß die beiden Elektroden (10, 12) im Normalzustand im wesentlichen elektrisch miteinander verbunden sind, während beim Auftreten eines Überstromes eine eine Strombegrenzung hervorrufende Verdampfung eintritt^/wobei wenigstens der das Strombegrenungsmaterial (26) umgebende Teil der elektrischen Isolierung eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die wenigstens so groß ist wie die des Strombegrenzungsmaterials.

   2β Strorabegrenzer nach Anspruch 1, dadurch g e -

   kennzeichnet , daß eine Druckausgleichseinrichtung (20, 30, 2*0 vorgesehen ist, durchweiche der innerhalb der Iängsbohrung (26) beim Verdampfen des Strombegrenzungsmaterials auftretende Druck begrenzt ist. ,

   3» Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

   ge k e η η ζ eic h η e t , daß die Iängsbohrung einen Bereich (26·) mit verringertem Querschnitt aufweist.

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   4. Strombegrenzer nach Anspruch 3, dadurch g e kennzeichnet „ daß der verjüngte Bereich (26·) der längsbohrung(26) gegenübercter Druckausgleichseinrichtung (20, 30, 2*0. angeordnet ist.

   5. Strombegrenzer nach Anspruch *l·, dadureh g e °> kennzeichnet , daß der verjüngte Bereich (26·) der Sigsbohrung (26) von einem Mantel (38) umgeben ist, der aus einem Material mit höherem spezifischen Widerstand als der des Isoliermaterial besteht»

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