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Starkstromkabel und Verfahren zu seiner Herstellung.
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Die Erfindung betrifft ein kunststoffisoliertes Starkstromkabel oder
Garnituren bzw. Zubehör dafür sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Sie betrifft insbesondere ein Starkstromkabel mit einer elektrischen
Isolierung, die teilweise oder vollständig aus Kunststoff besteht, sowie Zubehör
oder Garnituren dafür, die nicht an einer Verschlechterung der Isolation leiden,
die durch ein Phänomen verursacht wird, das als "Wasserdendrit" oder "Wasserbäumchen"
(water tree) bezeichnet wird, und betrifft insbesondere ein
Verfahren,
mit dem die Verschlechterung der Isolationseigenschaften der elektrischen Kunststoffisolierung
verhindert wird, die für Starkstromkabel und Zubehör dafür verwendet wird. Die Erfindung
ist auf Starkstromkabel anwendbar, die sich von Niederspannungsstarkstromkabeln
der Klasse zwischen 3 und 22 kV bis zu Hochspannungsstarkstromkabeln der Klasse
zwischen 66 und 154 kV erstrecken.
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Es ist gut bekannt, daß kunststoffisolierte Starkstromkabel, für die
mit vernetztem Polyäthylen isolierte Starkstromkabel typisch sind, viele Vorteile
aufweisen. Aufgrund dieser Vorteile finden die kunststoffisolierten Starkstromkabel
eine weit verbreitete Anwendung. Nach langen Betriebsdauern tritt jedoch ein als
die Bildung von "Wasserdendriten" bezeichnetes Phänomen auf, bei dem Wasser von
außen in die Isolierung eindringt und dort diffundiert und kondensiert. Hierdurch
wird das Isoliermaterial des Kabels verschlechtert, was zu einem dielektrischen
Durchschlag führen kann. Um dies zu verhindern, wird im allgemeinen eine Metallhülle
aus Blei, Aluminium oder dergleichen auf der Isolierungsschicht aufgebracht.
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Das mit einer Metallhülle als Wasserabschirmschicht versehene Kabel
ist in der Lage, die Bildung von"Wasserdendriten" zu verhindern. Kabel dieser Art
sind jedoch nicht nur sehr kostspielig, sondern wegen des aufgrund der zusätzlichen
Metallschicht erhöhten Gewichts auch schwierig bei den Anschlußarbeiten handzuhaben
und somit von Nachteil.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein von solchen Nachteilen
freies Starkstromkabel zu schaffen und eine Methode anzugeben, mit der die Bildung
von "Wasserdendriten" in der Isolationsschicht des Kabels verhindert werden kann.
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Der Mechanismus der Bildung und der Entwicklung des Wasser dendriten"-Phänomens
ist bislang nicht bekannt geworden. Es wurde nunmehr der Mechanismus mit Erfolg
geklärt und im Rahmen des geklärten Mechanismus eine erfindungsgemäße Methode zur
Verhinderung der Bildung von "Wasserdendriten" (water tree) geschaffen.
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Der "Wasserdendrit" bildet sich an Stellen, an denen das elektrische
Feld stark ist und eine Masse von sehr kleinen, mit Wasser gefüllten Hohlräumen
bildet. Die Masse dieser Hohlräume wird gebildet, wenn das chemische Potential w
des in den winzigen Hohlräumen enthaltenen Wassers durch ein elektrisches Feld vermindert
wird. Dies kann durch die folgende Formel I
wiedergegeben werden.
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In der obigen Formel I stehen p0 für das chemische Potential des Wassers
in den winzigen Hohlräumen bei Nichtvorhandensein eines elektrischen Feldes; &
für die spezifische Dielektrizitätskonstante des Wassers; #0 für die Dielektrizitätskonstante
des Vakuums; p für die Dichte des Wassers; E1 für das elektrische Feld in einer
Masse aus kleinen, mit Wasser gefüllten Hohlräumen; und T für die Temperatur.
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In der obigen Formel I ist (e)T >° T Daher ist µw < µ0, so daß
das Wasser, das in Bereichen vorliegt, in denen kein elektrisches Feld vorhanden
ist, insbesondere das umgebende Wasser, in die winzigen oder sehr kleinen Hohlräume
eindringt und eindiffundiert. Als Ergebnis davon vergrößern sich die winzigen Hohlräume
und bilden den "Wasserdendriten" <water tree).
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Wenn man animmt, daß die winzigen Hohlräume sphärisch geformt sind
und das elektrische Feld in der Isolierung des Kabels Eo beträgt, so kann der Wert
von E1 mit Hilfe der folgenden Formel errechnet werden: E1 - 3E E 2*+2C1 0 (11)
wobei 82* = &-i C/w£o (komplexe spezifische Dielektrizitätskonstante) .... (III)
= = Leitfähigkeit des Wassers w = Winkelfrequenz Wie aus der obigen Formel I zu
ersehen ist, ist die Wachstumsgeschwindigkeit des "Wasserdendriten" umso niedriger,
je geringer der Wert von E1 ist. Demzufolge kann die Bildung der "Wasserdendriten"
dadurch verhindert werden, daß man den Wert von E1 kleiner macht.
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Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung des Isolators ein Elektrolyt,
der sich in Wasser löst und die elektrische Leitfähigkeit des Wassers erhöht, in
das Isoliermaterial eingearbeitet, so daß der Wert von E1 erniedrigt wird und die
Bildung der "Wasserdendriten" verhindert wird. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß
das Prinzip angewandt, daß der Wert von E1 in der Formel II kleiner wird, wenn der
Wert r in der Formel III größer wird. Die folgende Beschreibung dient der weiteren
Erläuterung der Erfindung.
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Als Elektrolyt kann man irgendein anorganisches oder organisches Material
verwenden, das sich in Wasser löst und die elektrische Leitfähigkeit des Wassers
erhöht. Die erfindungsgemäß bevorzugten Elektrolyten schließen starke Elektrolyten
ein, wie
Natriumchlorid, Natriumsulfat, Kaliumchlorid, Kaliumsulfat,
andere Alkalimetallsalze, Erdalkalimetallsalze, Ammoniumchlorid, andere Ammoniumsalze,
Kupfer(II)-sulfat, andere Metallsalze, Natriumacetat, andere Salze von anderen Carbonsäuren,
Salze von organischen Sulfonsäuren etc., wobei Natriumsulfat zur Verhinderung der
Bildung der "Wasserdendriten" am bevorzugtesten ist. Diese Elektrolyten wandern
weder in der Isolierung noch dringen sie in sie ein.
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Die Menge, in der der Elektrolyt zugesetzt wird, beträgt mindestens
10 Gew.-%, bezogen auf das Isoliermaterial. Die Zugabe dieses Elektrolyten in übermäßigen
Mengen führt zu nachteiligen-Wirkungen hinsichtlich der Isoliereigenschaften und
des Einwandern des Wassers aufgrund des osmotischen Drucks.
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Um dies zu vermeiden sollte die zugegebene Menge weniger als 1 Gew.-%,
bezogen auf das Isoliermaterial, betragen.
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Um eine angemessene Wirkung der Verhinderung der Bildung der "Wasserdendriten"
sicherzustellen, ist es bevorzugt, den Elektrolyt in Form von Mikroteilchen mit
einer Teilchengröße von weniger als einigen pm so gleichmäßig wie möglich in der
Kunststoffverbindung oder dem Kunststoff zu dispergieren, der zur Bildung der Kunststoffisolierung
verwendet wird. Die besten Ergebnisse kann man erzielen, wenn man die Kunststoffisolierung
mit einem Kunststoff bildet, der so hergestellt ist, daß die Mikroteilchen des Elektrolyten
gleichmäßig darin dispergiert sind.
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Als Verfahren zum gleichmäßigen Dispergieren der feinen Teilchen des
Elektrolyten, die eine Teilchengröße von weniger als einigen pm aufweisen, kann
man die folgenden Verfahren anwenden:
1. Vermischen dieser Mikroteilchen
des Elektrolyten mit einem Isoliermaterial mit Hilfe einer Mischstrangpresse, die
unter der Bezeichnung Brabender plastograph" bekannt ist, Mischwalzen etc.
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2. Auflösen der Elektrolytteilchen in Wasser, Alkohol etc. und Vermischen
der in dieser Weise gebildeten Lösung mit einem Isoliermaterial, in das man es mit
Hilfe geeigneter Mischeinrichtungen, wie Walzen, einer Mischstrangpresse, die unter
der Bezeichnung "Brabender plastograph" bekannt ist, etc.
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einarbeitet.
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3. Eintauchen des in die Form von Pellets gebrachten Isoliermaterials
in die oben angegebene Lösung, Verdampfen des Lösungsmittels, so daß die Mikroteilchen
an der Oberfläche der Pellets anhaften, und Verformen des Isoliermaterials mit Hilfe
üblicher Verfahrensweisen unter Verwendung einer Strangpresse oder dergleichen.
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4. Zugabe der oben angegebenen Elektrolytteilchen zu einem Additiv,
das üblicherweise für Isoliermaterialien verwendet wird und Anwendung der Mischung
zum Formen der Isolierung.
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Das Elektrolytmaterial kann mit Hilfe irgendeines dieser Verfahren
eingearbeitet werden. Weiterhin kann im Fall von Isolierungen, die mit Hilfe anderer
Verfahren als das Strangpressen geformt werden, beispielsweise Formverbindungen
etc., das Elektrolytmaterial zuvor in das Kunststoffband, das als Formmaterial verwendet
wird, eingearbeitet werden oder man kann die Mikroteilchen des Elektrolyten zuvor
an der Bandoberfläche anhaften lassen. In dieser Weise kann die Bildung von ''Wasserdendritenl'
als Folge von irgendwelchen Fehlern in den Klebstoffschichten in wirksamer Weise
verhindert werden.
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Weitere Vorteile, Gegenstände und Ausführungsformen der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der auf die beigefügte Zeichnung
Bezug genommen ist.
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Die Bezugsziffer 1 dieser Zeichnung steht für einen Leiterkern, während
die Bezugsziffer 3 für eine Kunststoffisolierschicht steht. Normalerweise ist zwischen
dem Leiterkern 1 und der Kunststoffisolierschicht 3 eine halbleitende Schicht 2
vorgesehen.
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Auf dem äußeren Umfang der Isolierschicht 3 ist auf einer weiteren
halbleitenden Schicht 4 und einer Abschirmschicht 5 aus einem Kupferband eine Kunststoffhülle
6 angeordnet, die beispielsweise aus Polyvinylchlorid besteht.
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Wenn die erfindungsgemäße Lehre auf das in der Zeichnung wiedergegebene
kunststoffisolierte Starkstromkabel angewandt wird, ist die Abschirmschicht 5 nicht
länger erforderlich und kann fortgelassen werden. Dann kann der Aufbau des Kabels
in der Weise vereinfacht werden, daß er eine mit dem Elektrolyt vermischte Kunststoffisolierschicht
3 umfaßt, die.um den Leiter 1 herum angeordnet ist.
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Die Vorteile, die man erzielt, wenn man ein kunststoffisoliertes Starkstromkabel
in der erfindungsgemäßen Weise aufbaut, sind die folgenden: 1. Die Anwendung einer
Metallhülle, mit der das Eindringen des Wassers verhindert wird, ist nicht länger
erforderlich.
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2. Die Bildung von "Wasserdendriten" kann verhindert werden, selbst
wenn Fremdmaterialien und Hohlräume in der Isolierschicht oder gewisse Fehler an
den Oberflächen der Isolierschicht und der halbleitenden Schicht vorhanden sind,
wie Vorsprünge etc.
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3. Da der Elektrolyt, der zur Verhinderung der Bildung von "Wasserdendriten'l
zugesetzt wird, mit geringen Kosten erhältlich ist, führt die Anwendung dieses Materials
nur zu einer
vernachlässigbaren Steigerung der Materialkosten. Diese
Zunahme der Materialkosten beträgt beispielsweise lediglich etwa 1% der Kosten des
mit vernetztem Polyäthylen isolierten Starkstromkabels, während die Metallhülle,
die bei herkömmlichen Methoden zur Verhinderung der Bildung von "Wasser dendriten
verwendet wird, eine Kostensteigerung um 100% verursacht.
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4. Die Zugabe des Elektrolyten verursacht keine Gewichtszunahme und
keine Schwierigkeiten bei der Bildung der Anschlüsse.
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5. Die elektrischen Eigenschaften des Starkstromkabels werden durch
die Zugabe des Elektrolyten nicht beeinflußt.
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Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
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Beispiel 1 Man vermischt Mikroteilchen (mit einer Korngröße von nicht
mehr als 1 pm) von Natriumchlorid, Natriumsulfat, Ammoniumchlorid, Kupfersulfat
oder Natriumacetat in den in der folgenden Tabelle I angegebenen Mengenverhältnissen
mit Dicumylperoxid (DCP), das als Vernetzungsmittel für Polyäthylen verwendet wird.
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Unter Verwendung dieser Mischung wird ein mit vernetztem Polyäthylen
isoliertes Starkstromkabel der Klasse 6 kV in üblicher Weise hergestellt. Jede der
in dieser Weise gebildeten Starkstromkabelproben wird einem Test unterworfen, bei
dem das Kabel in Wasser eingetaucht und während einer Zeitdauer von 180 Tagen einer
Hochspannung von 8 kV ausgesetzt wird. Nach dem Test werden die Proben auf die Bildung
von "Wasserdendriten" untersucht, Es ist festzustellen, daß keine der Proben Wasser
dendriten" aufweist, während eine Probe eines Starkstromkabels, das ohne die Zugabe
der oben beschriebenen Elektrolyten hergestellt worden ist und als Vergleichsbeispiel
dient, das Auftreten dieses Phänomens erkennen läßt, wie es in der folgenden Tabelle
I angegeben ist.
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Tabelle I Zugesetzter Elektrolyt Zu Dicumylperoxid zugesetzte "Wasserdendriten"
Menge (Gew.-%) NaCl 0,01 keine NaCl 0,1 keine NaCl 1 keine Na2S04 0,05 keine Na2S°4
0,1 keine NH4Cl 0,1 keine cUS04 0,2 keine Natriumacetat 0,5 keine keiner --- ja
Beispiel 2 Man vermischt Natriumsulfat-Mikroteilchen mit einer Korngröße von nicht
mehr als 1 Am in einem Verhältnis von 0,01% unter Verwendung eines Brabender Platographen"
mit Polyäthylen. Unter Verwendung dieses Polyäthylens bereitet man ein mit vernetztem
Polyäthylen isoliertes Starkstromkabel der Klasse 6 kV, das ähnlich dem in Beispiel
1 beschriebenen ist. Das Kabel wird in Wasser eingetaucht und in gleicher Weise,
wie in Beispiel 1 beschrieben, einer Hochspannung von 8 kV während 180 Tagen ausgesetzt.
Bei diesem Test ist jedoch das Auftreten von Wasser dendriten" nicht festzustellen.
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Beispiel 3 Man bereitet eine wässrige Lösung von Natriumsulfat. Dann
taucht man Polyäthylenpellets in die wässrige Lösung ein und entnimmt sie wieder
aus der Lösung. Die an den Oberflächen dieser Pellets anhaftende wässrige Lösung
wird schnell mit heißer Luft getrocknet. Die Menge des auf der Oberfläche der Pellets
abgeschiedenen und anhaftenden Natriumsulfats in Bezug auf das Polyäthylen beträgt
0,02 Gew.-%. Unter Verwendung dieser Polyäthylenpellets wird ein Starkstromkabel,
ähnlich dem in Beispiel 1 beschriebenen, hergestellt. Das Starkstromkabel zeigt,
nach der Durchführung des in Beispiel 1 beschriebenen Tests, keine Bildung von "Wasserdendriten".
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Beispiel 4 Man bereitet eine wässrige Lösung von Natriumsulfat. Man
tropft diese Lösung auf Polyäthylen, das mit Hilfe von Walzen vermischt wird. Die
Lösung wird bei diesem Mischvorgang verdampft und das Natriumsulfat wird mit dem
Polyäthylen vermischt.
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Die in dieser Weise erhaltene Polyäthylenmasse wird zur Herstellung
eines Starkstromkabels verwendet, das dem in Beispiel 1 beschriebenen Test unterworfen
wird. Bei diesem Test ist jedoch die Bildung von "Wasserdendriten" nicht festzustellen.
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Beispiel 5 Nach der in Beispiel 3 beschriebenen Methode bringt man
Natriumchlorid oder Natriumsulfat auf die Oberflächen von Polyäthylenpellets auf.
Dann bereitet man unter Verwendung dieser Pellets vernetzbare Polyäthylenbänder
zur Bildung von Formverbindungen. Dann werden mit Hilfe dieser Bänder Formverbindungen
aus vernetztem Polyäthylen der Klasse 20 kV hergestellt. Jede in dieser Weise erhaltene
Verbindungsprobe wird einem Test unterzogen, der während 12 Monaten durchgeführt
wird und bei dem die Proben in Wasser eingebracht und unter
eine
Spannung von 8 kV gesetzt werden. Die folgende Tabelle II zeigt die Testergebnisse
dieser Proben im Vergleich mit einer Probe, die ohne die Zugabe dieser Additive
hergestellt ist.
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Die Tabelle II zeigt ferner eine Probe, die durch Aufbringen des Natriumsulfats
auf die Oberfläche des Bandes hergestellt worden ist.
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Tabelle II Additive Additivmenge, bezogen auf Polyäthylen "Wasserdendriten"
(Gew. -%) Nacl 0,05 keine Nacl 0,1 keine Na2S04 0,05 keine Na2S°4 0,1 keine Kein
Additiv --- ja Na2S04 nur auf 0,01 keine der Bandoberfläche Wie aus den obigen Beispielen
1 bis 5 zu ersehen ist, kann die Bildung von "wasserdendriten" in den Kunststoff
isolierungen von Starkstromkabeln und Garnituren bzw. Zubehör dafür in wirksamer
Weise mit Hilfe der Erfindung verhindert werden. Da die in blicher Weise verwendete
Wasserabschirmschicht, beispielsweise eine Metallschicht, nicht länger erforderlich
ist, um die Bildung von "Wasserdendriten" zu verhindern, wird erfindungsgemäß eine
erhebliche Kosteneinsparung erzielt.
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Beispiele 6 bis 9 und Vergleichsbeispiele 1 und 2 Mit Hilfe von Massen,
die man durch Vermischen von 0,002 Gewichtsteilen (Beispiel 6), 0,02 Gewichtsteilen
(Beispiel 7), 0,2 Gewichtsteilen (Beispiel 8) und 0,5 Gewichtsteilen (Beispiel 9)
Natriumsulfat mit 100 Gewichtsteilen Polyäthylen erhält, bereitet man vernetzbare
Polyäthylenbänder. Unter Verwendung der nicht-vernetzten Polyäthylenbänder wird
ein Verbindungsstück eines mit vernetztem Polyäthylen isolierten Starkstromkabels
für 20 kV hergestellt.
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Weiterhin werden solche Verbindungsstücke zu Vergleichszwecken hergestellt,
die in einem Fall aus einem vernetzbaren Polyäthylenband (Vergleichsbeispiel 1)
und im anderen Fall aus einem vernetzbaren Polyäthylenband, das pro 100 Gewichtsteile
Polyäthylen ein Vernetzungsmittel und 0,5 Gewichtsteile Talkum enthält (Vergleichsbeispiel
2)gebildet werden. Diese Vergleichsproben von Verbindungsstücken für mit vernetztem
Poyläthylen isolierte Starkstromkabel für 20 kV werden in gleicher Weise wie die
anderen Proben hergestellt.
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Insgesamt werden 6 verschiedene Verbindungsstücke für mit vernetztem
Polyäthylen isolierte Starkstromkabel für 20 kV in der oben beschriebenen Weise
hergestellt und einem Test unterzogen, bei dem sie während 18 Monaten in Wasser
eingetaucht und einer Hochspannung von 8 kV ausgesetzt werden. Nach der Durchführung
des Tests wird jedes Verbindungsstück auf die Anwesenheit oder die Abwesenheit von
"Wasserdendriten" und auf die Durchschlagfestigkeit untersucht, Die erhaltenen Testergebnisse
sind in der folgenden Tabelle III zusammengestellt.
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Tabelle III Art der Verbindungs- "Wasserdendriten" Durchschlagfestigkeit
stücke in der Isolier-(Wechselstrom vor dem Test nach dem Test schicht Probe von
Beispiel 6 keine mehr als 180 kV 190 kV Probe von Beispiel 7 keine mehr als 180
kV 200 kV Probe von Bei.spiel 8 keine mehr als 180 kV 180 kV Probe von Beispiel
9 keine mehr als 180 kV 200 kV Vergleichsbeispiel 1 ja mehr als 180 kV 80 kV Vergleichsbeispiel
2 ja mehr als 180 kV 70 kV