DE2831754A1 - Hochspannungstrennschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstrennschalter mit Einrichtungen zur Löschung eines Lichtbogens mit einem verflüssigten Gas, das beim Öffnen der Kontakte des Trennschalters mit hohem Druck in die Lichtbogenzone getrieben wird und den Lichtbogen beim Stromnulldurchgang löscht.

Hochspannungstrennschalter, die verflüssigtes Gas zum Unterbrechen eines Lichtbogens verwenden, sind bekannt (US-PS 3 150 245). Dabei findet als verflüssigtes Gas Schwefelhexafluorid Verwendung, das mit Hilfe von Pumpvorrichtungen unter hohem Druck in die Lichtbogenzone getrieben wird, wenn die Kontakte des Trennschalters geöffnet werden. Für einen solchen Trennschalter ist es schwierig, einen ausreichend hohen Druck, insbesondere während des Betriebs bei niederen Temperaturen, aufrecht zu erhalten, um den Lichtbogen sicher löschen zu können. Um

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einen solchen

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einen solchen Löschdruck aufrecht erhalten zu können, werden drei Verfahrensmaßnahmen vorgeschlagen, und zwar:

1. die Verwendung von mechanischen Vorrichtungen, um Druckimpulse auszulösen;

2. die Verwendung von Energiespeichern, z. B. mit Stickstoff in einem Volumenraum, und von Schwefelhexafluorid im anderen Volumenraum; und

3. die Verwendung von Schwefelhexafluorid, das mit Hilfe eines Heizgerätes auf einer ausreichend hohenTemperatur gehalten wird.

Eine Schwierigkeit, die sich bei derartigen Trennschaltern ergibt, sind die in letzter Zeit außerordentlich strenggewordenen Anforderungen für die Fehlerstromunterbrechnung. So werden für die Unterbre-

2 chung eines Stroms von etwa 50 000 A Drücke von unter etwa 70 kp/cm erforderlich, wogegen für Ströme der Größenordnung von 120 000 A

2
Drücke bis zu etwa 140 kp/cm gefordert werden können. Bei diesen hohen Drücken ergeben sich zwei eklatante Schwierigkeiten. Wenn sich beim Trennen der Schalter ein Lichtbogen ausbildet, unterbricht dieser das Ausströmen des zur Löschung des Lichtbogens auströmenden Gases und bewirkt ein sich aufbauendes Druckmaximum. Dieser Druck kann sehr viel größer sein, als derjenige Druck, der zum Löschen des Lichtbogens erforderlich ist und wirkt sich daher als besonders ernst zu nehmende mechanische Beanspruchung des gesamten Hochspannungstrennschalters aus. Die zweite Schwierigkeit ergibt sich dadurch, daß beim Nulldurchgang des Stromes der Lichtbogen einen reduzierten Durchmesser hat und damit das Ausströmen des verflüssigten Gases durch den Düsenquerschnitt, bzw. die Düseneinschnürung mit erhöhter Geschwindigkeit zuläßt. Dadurch ergibt sich eine Druckverringerung unter ein Druckniveau, das üblicherweise akzeptiert werden kann, so daß die Gefahr einer erneuten Lichtbogenbildung besteht. In anderen

Worten ergibt

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Worten ergibt sich ein Druckminimum durch das rasche Vergrößern des Ausströmungsquerschnittes, da die Pumpe nicht rasch genug auf die sich ändernden Bedingungen ansprechen kann.

Es ist bereits eine Lösungbekannt (US-PS 3 406 269), die unter Ver-

Wendung eines Energiespeichers eine Aufrechterhaltung des Druckes bezwecken soll. Bei diesem System ergibt sich jedoch kein Druckaufbau auf ein Druckminimum, da das System geschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungstrennschalter zu schaffen, der verhältnismäßig hohe Fehlerströme zu handhaben in der Lage ist und mit dem es möglich ist, Druckänderungen während des Löschens des Lichtbogens auf ein Minimum zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Trennschalter einen Festkontakt in einem teilweise geschlossenen Gehäuse und einen darin verschiebbaren Schaltkontakt umfaßt, daß Einrichtungen vorhanden sind, welche das verflüssigte Gas in das Gehäuse mit einem vorgegebenen hohen Anfangsdruck einleiten und für eine vorgegebene Zeitdauer auf diesemDruck halten und daß ein Energiespeicher vorhanden ist, der auf den hohen Druck in dem flüssigen Gas anspricht und Druckänderungen durch Verringern der Druckmaxima und VergrÖs sern der Druckminima ausgleicht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Durch die Maßnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Druckänderungen, die sich aus dem Druckmaximum beim Aufbau des Lichbogens infolge des verringerten Strömungsquerschnittes und aus dem Druckminimum infolge des durch das Löschen des Lichtbogens vergrößerten Strömungsquerschnittes für das flüssige Gas ergeben,

verringert werden

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verringert werden, indem der Druck in den Druckmaxima verkleinert und in den Druckminima vergrößert wird. Dabei sind Strömungswege vorzugsweise in einander entgegengesetzen Richtungen vorgesehen, die durch Düseneinschnürungen verlaufen. Das verflüssigte Gas wird dem'teilweise geschlossenen Gehäuse, das den Festkontakt und den Schaltkontakt des Trennschalters aufnimmt, mit einem bestimmten Anfangs druck zugegeführt, wobei sich die während der Stromscheitelwerte ergebenden Druckmaxima und die beim Erlöschen des Lichtbogens im Bereich des Stromnulldurchganges ergebenden Druckminima durch einen Energiespeicher ausgleichen, der die Druckunterschiede aufnimmt und aufgrund einer den Druckänderungen angepassten Zeitkonstante ausgleicht.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Trennschalters;

Fig. 2 ein Diagramm,anhand dessen die Arbeitsweise des Trennschalters gemäß Fig. 1 und dessen Vorteile im Vergleich zu bekannten Trennschaltern gezeigt wird;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Anforderungen bezüglich des Verlaufes für den Trennschalter zeigt;

Fig. 4 das Schnittbild einer schematisiert dargestellten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 ein Schnittbild durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Der in

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Der in Fig. 1 schematisch angedeutete Trennschalter 10 umfaßt einen Festkontakt 11 und einen verschiebbaren Schaltkontakt 12. Diese Kontakte sind in zumindest einem teilweise geschlossenen Gehäuse angeordnet, wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch im einzelnen hervorgeht. 'Dies Gehäuse hat zwei Strömungswege 15a und 15b,, die freigegeben werden, wenn der Schaltkontakt 12 vom Festkontakt 11 getrennt wird, wodurch eine Düse entsteht, durch welche die beiden Strömungswege in entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Der Kontaktbereich ist über eine Eintritts öffnung 13 mit einem Versorgungsvolumen 14 verbunden, in dem sich ein flüssiges Isoliermittel, z.B. Schwefelhexafluorid (SF ) befindet. Auf dieses Versorgungsvolumen und das darin befindliche flüssige Isoliermittel arbeitet eine luftbetriebene Pumpvorrichtung 16, die mit Druckluft aus einem Reservoir 17 über ein Luftventil 18 betrieben wird. Diese Pumpvorrichtung 16 umfaßt einen Zylinder 19, in dem ein Kolben 20 verschiebbar ist, der einen auf das Versorgungsvolumen wirkenden Pumpkolben 21 hat. Durch diese An-Ordnung kann in dem Versorgungsvolumen- 14 ein Druck von z. B. 175 kp/cm aufgebaut werden.

Das Luftventil 18 wird betätigt, bzw. geöffnet, wenn sich der verschiebbare Schaltkontakt 12 des Trennschalters von dem Festkontakt 11 trennt.

Zwischen der Eintritts öffnung 13 und dem Ver s or gungs volumen 14 ist ferner im Trennschalter ein Energiespeicher 23 vorgesehen. Dieser Energiespeicher umfaßt einen freischwimmenden Kolben 24 und einen unter hohem Druck stehenden Stickstoff-Vorratsbehälter 26. Der freischwimmende Kolben 24 hat eine viel geringere Masse als der Kolben Der Druck im Stickstoff-Vorratsbehälter 26 kann in der Größenordnung

2
von etwa 118 bis 140 kp/cm liegen. Der Energiespeicher 23 wirkt sich als Schutz gegen einen Druckschwall aus. Er tendiert jeglicher Druckänderung im System einen Widerstand entgegenzusetzen. Dies

wird dureii

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wird durch das Speichern einer Druckenergie im Energiespeicher 23 bei ansteigendem Druck - wenn z. B. der Lichtbogen das Ausströmen der Flüssigkeit blockiert, bzw. behindert - und durch die Abgabe von Energie aus dem System bei abfallendem Druck, bewirkt - wenn z. B. der Lichtbogen klein ist und der Strömungs querschnitt während der Öffnung des Trennschalters zunimmt, so daß Flüssigkeit oder Gas über die Strömungswege 15a und 15b aus dem Trennschalter austreten kann - .

Durch den Energiespeicher 23 werden somit die Druckmaxima verringert und die Druckminima angehoben. Diese Wirkungsweise des Ausgleichs geht auch aus Fig. 2 hervor, in der die Kurve 27 den Druckverlauf, z.B. für einen Lichtbogen von 100 kA beim Vorhandensein eines Energiespeichers zeigt, wobei sich eine Druckvariation von etwa 21 kp/cm ergibt, wogegen die Kurve 28 die Verhältnisse beim Fehlen eines Energiespeichers zeigt und erkennen läßt, daß bei einem gleichartigen Lichtbogen

2 sich eine Druckänderung von in der Größenordnung 210 kp/cm ergibt.

In Fig. 2 ist die Wirkungsweise des Trennschalters für ein Zeitintervall von drei Pumpstößen des Pumpkolbens 21 auf das Vers orgungs volumen

2 dargestellt. Für einen Druck von z.B. größenordnungsmäßig 105 kp/cm ergeben'sich Strömungs spitz en, die intervallmäßig auftreten und durch das gepumpte Vers orgungs volumen ausgelöst sind.

Wie bereits erwähnt, wird durch das Trennen des Schaltkontaktes 12 vom Festkontakt 11 auch das Luftventil 18 geöffnet. Dadurch wirkt die Druckluft im Luftreservoir 17 über die Pumpvorrichtung 16 auf das Versorgungsvolumen 14, und über dieses auf den Energiespeicher 23, der aus dem freischwimmenden Kolben 24 und einem zugeordneten Stickstoff-Vorratsbehälter 26 besteht. Der Druck in dem Stickstoff-Vorratsbehälter kann in der

2 Größenordnung von z. B, etwa 118 bis 140 kp/cm liegen, d.h. erliegt über dem Druck des Luftreservoirs, der auf den Kolben 20 und damit auf das Vers orgungs volumen wirkt. Dieser Kolben 20 hat eine wesentlich größere Masse als der freischwimmende Kolben 24.

809 885/0984 Bei diesem

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Bei diesem Aufbau hat der Energiespeicher 23 den Effekt einer hydraulischen Schwungmasse, die dazu neigt,jeder Druckänderung im System entgegenzuwirken. Das ergibt sich dadurch, daß einerseits bei ansteigendem Druck eine Energiespeicherung erfolgt, und andererseits bei abfallendem Druck Energie freigegeben wird. Ein Drucksteigerung kann sieh einstellen, wenn durch den Lichtbogen eine Blockierung der Gas- oder Flüssigkeitsströmung erfolgt, wogegen sich eine Druckminderung ergibt, wenn der Lichtbogen erlöscht und die auseinandergezogenen Kontakte das Austreten von Flüssigkeit oder Gas., z. B. durch über den Strömungsweg 15b bzw. 15a oder beide Strömungswege möglich machen.

Der Energiespeicher 23 reduziert damit Druckspitzen und vergrößert Druckminimas. Bei der in Fig. 2 dargestellten Erläuterung wird die Wirkungsweise an einem Trennschalter während eines Zeitintervalls dargestellt, das drei Stromnulldurchgänge erfaßt. Diese Nulldurchgänge ergeben sich in Intervallen von etwa 8 1/3 .msek, wenn man von einer Frequenz von 60 Hz ausgeht und annimmt, daß ein symmetrischer Stromfluß gegeben ist. Zum Zeitpunkt 29 wird der Schaltkontakt 12 vom Festkontakt abgelöst, wobei die durch die Kurve 28 dargestellte Schwingung durch die Blockierung des ausströmenden Isoliermediums durch den Lichtbogen und die hohe Trägheit des Pumpkolbens 21 gemäß Fig. 1 ausgelöst wird. Eine Verbesserung durch die vorliegende Erfindung stellt die Vergößerung des Druckes beim zweiten Nulldurchgang von etwa 48 kp/cm

2
auf etwa 120 k /cm dar. Gleichzeitig wurde jedoch auch die Druckspitze

2 2

verringert, und zwar von etwa 258 kp/cm auf etwa 154 kp/cm . Daraus ergeben sich,wie bereits erwähnt, zwei Vorteile, und zwar die Erhöhung des Druckes beim Nulldurchgang des Stromes, wenn die Unterbrechung erfolgt, durch eine Verbesserung der Unterbrechung und ferner durch eine Verringerung der Druckspitzen zwischen den Nulldurchgängen des Stromes, wodurch die mechanische Beanspruchung des Trennschalters und der Trennschalterhalterung verringert wird.

In-Fig. 3

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Seite: 3r%* JQ Unser Zeichen: WSl 34P-178

In Fig» 3 sind in einem Diagramm der Verlauf 31 der Druckaufnahm efähigkeit des Energiespeichers für das Schwefelhexafluorid und der Verlauf 32 für die Druckanforderungen des Trennschalters über verschiedenen Verhältnissen aus dem Wirkstrom und demNennwert bei der Unterbrechung dargestellt. Entsprechend dieser Angaben sollte die Druckaufnahmefähigkeit des Energiespeichers, d. h. der Druck beim Nulldurchgang der Kurve 27 gemäß Fig. 2, und zwar in Abhängigkeit von dem zu unterbrechenden Strom ausgelegt sein.

Ferner sollte der Energiespeicher für jeden Nennstrom bei der Unterbrechung optimiert werden, indem der Druck des Stickstoffs im Vorratsbehälter 26 entsprechend variiert wird. Wenn eine solche Optimierung des Drucks im Energiespeicher nicht erfolgt, besteht die Gefahr, daß der freischwimmende Kolben 24 entweder zu schnell oder zu langsam anspricht. In beiden Situationen kann der Druck des isolierenden Mediums, bzw. der isolierenden Flüssigkeit, unter den Maximaldruck beim Nulldurchgang absinken. Eine Gegenüberstellung einer vorteilhaften Zuordnung der Ströme bei der Unterbrechung zum Druck im Stickstoff-Vorratsbehälter wird in der nachfolgenden Tabelle gegeben:

Strom bei Unterbrechung Druck im Energiespeicher

. 2 140 kp/cm

133 kp/cm^ 126 kp/cm 119 kp/cm

Der Energiespeicher 23 gemäß Fig. 1 kann in seinem Aufbau so ausgestaltet sein, daß z.B. eine Feder anstelle des Stickstoff Volumens im Vorratsbehälter 26 verwendet wird, um die Energie zu speichern. Es ist auch zusätzlich möglich, einen Gummiballon oder eine metallene Druckdose anstelle eines freischwimmenden Kolbens zu verwenden. Schließlich ist sogar eine Anordnung möglich, bei der das flüssige Schwefelhexafluo-

rid direkt

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120	kA
100	kA
80	kA
63	kA

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rid direkt auf ein Stickstoffvolumen wirkt, ohne daß eine Trennschicht dazwischen angeordnet ist.

Obwohl als isolierendes Medium Schwefelhexafluorid bevorzugt verwendet wird, können auch andere isolierende Flüssigkeiten Verwendung finden.

Die auf das Versorgungs volumen 14 wirkende Pumpvorrichtung 16 muß eine verhältnismäßig große Masse haben, damit sie in der Lage ist, die notwendigen hohen Druckkräfte aufzubauen, die für die Lichtbogenunterbrechung notwendig sind. Bei einer solchen hohen Masse spricht die Pumpvorrichtung natürlicherweise verhältnismäßig langsam an, verglichen mit dem Energiespeicher 23, dessen freischwimmender Kolben beispielsweise ein Gewicht von nur etwa 1 kg haben kann. Da seine effektive Masse typischerweise l/lO der Masse der Pumpvorrichtung, bzw. des Pumpsystems hat und gegebenenfalls noch weniger, spricht dieser Kolben auf Änderungen in den Strömungsverhältnissen sehr viel rascher an und hat somit einen minimalisier enden Effekt auf den Schwingungshub des Druckes. Daraus ergibt sich, daß im allgemeinen der Energiespeicher 23 einen freischwingenden Kolben 24 haben muß, dessen effektive Masse wesentlich geringer als die Masse des auf das flüssige Isolationsmedium einwirkende System hat, das aus dem Kolben 20, dem Pumpenkolben 21 und dem. Versorgungs volume η 14 besteht. Dieses auf das flüssige Isolationsmedium einwirkende System muß Leistungen für Zeitintervalle von etwa 20 .msek erbringen können, die etwa eine Größenordnung von bis zu 150 000 kW erreichen können.

In Fig. 4 ist eine praktische Verwirklichung des schematischen Aufbaus gemäß Fig. 1 dargestellt. In einer aus einem isolierenden Material hergestellten Düse 33 ist ein Schaltkontakt 34 verschiebbar, wobei er mit Metallfingern 35, die den Festkontakt darstellen, in Eingriff gebracht werden kann. Die Eintritts Öffnung 13 mündet'von der Seite in die Düse 33, von

deren Zentrum

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deren Zentrum aus sich ein erster Strömungsweg 15a nach der einen Seite und ein zweiter Strömungsweg 15b nach der anderen Seite erstreckt, wenn der Schaltkontakt 34 aus der Düse gezogen ist. Auf diese Weise wird das isolierende Medium, bzw. die isolierende Flüssigkeit, in unmittelbarer Nähe zum Kontaktbereich zugeführt. Wenn der Schaltkontakt 34 aus der Düse 33 herausgezogen ist, fließt das isolierende Medium sowohl nach der einen Seite 15a durch eine Düseneinschnürung 37 als auch nach der anderen Seite 15b durch eine Düseneinschnürung 36 aus. Dabei wird der Lichtbogen unterbrochen und gelöscht. An die Eintritt öffnung 30 schließt ein zylindrischer Raum an, der von einem isolierenden Zylinder 39 gebildet wird, in dem ein Pumpkolben 40 längs verschiebbar ist. Dieser Zylinder 39 ist über eine Leitung 42 mit einem Vorratsbehälter 41 für das flüssige Schwefelhexafluorid verbunden. Der Vorratsbehälter 42 ist mit Kühlschlangen 43 zum Kühlen des Schwefelhexafluorids versehen.

An den Zylinder 39 schließt über eine Durchlaß öffnung 44 der obere Teil des Energiespeichers 23 an, der aus einem Speichervolumen für den Stickstoff und einem freischwimmenden Kolben 24 besteht.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Anordnung des Festkontaktes 45 und des Schaltkontaktes 46 bezüglich des Löschraumes für den Lichtbogen anders gestaltet ist. In eine Düse 47, vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen greift der Schaltkontakt 46 von der einen Seite her ein und verrastet in dem Festkontakt in einem Innenraum der Düse 47, in welchem der Festkontakt von einem Montageteil aus ragt. Um den Festkontakt herum verläuft ein Ringraum 48, der auf der einen Seite mit dem Pumpsystem 49 für das flüssige Isolationsmittel und auf der anderen Seite mit dem Energiespeicher 23 verbunden ist. Der Gesamtaufbau ist in einem Rohr 51 untergebracht, das einen hohen Druck aufnehmen kann. Der Energiespeicher-23 besitzt ebenfalls einen freischwimmenden Kolben 24. Die Strömungswege 15a und 15b sind in der Darstellung durch Pfeile gekennzeichnet. Das

Flüssigkeitsniveau

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Flüssigkeitsniveau des Schwefelhexafluorids erstreckt sich bei dieser Äusführungsform bis zur Düseneinschnürung an der Düse 47, so lange der Trennschalter geschlossen ist. Der Hingraum 48 kann für spezielle Anwendungsfälle mit einem weiteren Energiespeicher und einem weiteren Pumpkolben versehen sein.

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Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Hochspannungstrennschalter mit Einrichtungen zur Löschung eines Lichtbogens mit einem verflüssigten Gas, das beim Öffnen der Kontakte des Trennschalters mit hohem Druck in die Lichtbogenzone getrieben wird und den Lichtbogen beim Stromnull durch gang löscht, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Trennschalter(10) einen Festkontakt (11, 45) in einem teilweise geschlossenen Gehäuse und einen darin verschiebbaren Schaltkontakt (12, 46) umfaßt, daß Einrichtungen (16, 13, 14; 49, 48) vorhanden sind, welche das verflüssigte Gas in das Gehäuse mit einem vorgegebenen hohen Anfangsdruck einleiten, und für eine vorgegebene Zeitdauer auf diesem Druck halten, und daß ein Energiespeicher (23) vorhanden ist, der auf den hohen Druck in dem flüssigen Gas anspricht und Druckänderungen durch Verringern der Druckmaxima und \7~ergrößern der Druckminima ausgleicht.
2. 2. Hochspannungstrennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Energiespeicher (23) einen freischwimmenden Kolben (24) umfaßt, der in einem mit Gas gefüllten Zylinder verschiebbar ist.

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3. 3. Hochspannungstrennschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das verflüssigte Gas Schwefelhexafluorid (SF„) ist.
4. 4. Hochspannungstrennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Masse des Energiespeichers wesentlich kleiner als die Masse der Einrichtungen ist (16, 13, 14; 49, 48), welche den Druck im verflüssigten Gas aufbaut.
5. 5. Hochspannungstrennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das teilweise geschlossene Gehäuse einen ersten Strömungsweg (15a) durch eine Düseneinschnürung (37) freigibt, wenn der Schaltkontakt (12) vom Festkontakt (11) getrennt wird, und daß ein zweiter Strömungsweg (15b) vorhanden ist, der zumindest teilweise von dem Festkontakt (12) gebildet wird.
6. 6. Hochspannungstrennschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strömungwege (15a, 15b) in entgegengesetzten Richtungen verlaufen.

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