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Elektrisches Isoliermittel Die Erfindung betrifft eine als Isoliermittel
oder Dielektrikum zu benutzende Masse, insbesondere eine solche für elektrische
Hochspannungskabiel.
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In der Kabelfabrikation war es bisher üblich, die Papierisolation
von Kabeln mit Mischungen zu imprägnieren, welche z. B. ;aus Mineralöl, fettigen
Ölen, gallertartigem Petroleum und Harz bestanden. Anfänglich wurde Harz =gesetzt,
lediglich. um der dielektrische,n Masse die gewünschten mechanischen: Eigenschaften
zu erteilen..
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Mit dem Beginn der Hochspannungstechnik und dem hiermit verbundenen
Fortschritt 2,n der Herstellung von Hochspannungskabeln trat das Bestreben ein,
die elektrischen Eigenschaften ,der dielektrischen Massen. zu verbessern. So bat
man z. B. gefunden, @daß die in der Raffinade von Mineralölen gemachten Fortschritte
auch ähnliche Fortschritte ,in der dielektriscben Masse für Kabel mit sich brachten,
wobei z. B. die Papierisolation mit dem Öl imprägniert wurde. Unglücklicherweise
gehen. aber die .bei Mineralöl erzielten Fortschritte wieder verloren, wenn das
Öl mit Harz zusammengebracht wird. In diesem Fall kann zwar das Öl gute elektrische
Eigenschaften besitzen, indessen waren die bisher benutzten, aus Harz und derartigen
Ölen zusammengesetzten: Massen,durchweg schlecht oder minderwertig. Es ist demnach
nicht Überraschend, daß zur Beseitigung,dieser Schwierigkeit versucht wurde, überhaupt
kein Harz zu benutzen. Die in dieser Richtung unternommenen Versuche
haben
indessen zu keinem Erfolg geführt, was hauptsächlich seinen 'Grund darin hatte,
daß natürliches Harz infolge seiner chemischen Zusammensetzung und seiner in verhältnismäßig
hohemGrald fehlenden Sättigung bei starker elektrischer Beanspruchung unterstützend
auf die Verhinderung einer Gasbildung imölwirkt. Fernerwird dieWanderting der dielektrischen
Masse im Kabel @durch Verwendung von natürlichem Harz dadurch verhindert, daß die
Viskosieät der gesamten Masse erheblich größer ist als. ,die des Mineralöles.
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Normalerweise ist das zur Zeit in als Dielektrikum zu benutzenden
Massen verwendete Harz (Gummiharz) nicht naffiniert, d. h. es. befindet sich im
Zustand, wie eis von den Bäumen kommt, wobei nur das Terpentin entfernt wind. Da
verschiedene Proben des Harzes verschiedene Güte aufweisen, muß man dafür Sorge
tragen, daß nur Harz hoher Güte verwendet wird. Es ist den Erfindern bekannt, dhß
Versuche gemiacht wurden, Harz, welches unterschiedlich von dem gewöhnlichen aus
lebenden Bäumen gewonnenen Gummiharz aus Baumstümpfen, also gewissermaßen totem
Baummaterial, gewonnen wird und unerwünscht rot gefärbt ist, einer Reinigung zu
unterziehen. Im allgemeinen, beruhen die-hauptsächlich zur Beseitigung der roten
Farbe dienenden Reinigungsverfiahren sauf einer Behandlung ides rohen Harzes mit
einem Ldsungsm:ittel oder mit einer reduzierend oder oxydierend wirkenden Substanz.
Diese auf Oxydation oder Reduktion beruhenden Verfahren ergaben aber in elektriischer
Hinsicht keine wesentlichen Fortschritte und können bestenfalls zur Verbesserung
der Farbe benutzt werden. Andererseits sind die auf Lösung beruheniden Verfahren
zur Erzeugung reiner Abietinsäure oder ihrer Isomere mit dem erheblichen Nachteil
verbunden, däß diese Säuren in Mineralöl verhältnismäßig unlöslich sind. Praktisch
zeigt sich dieser Nachteil darin, d:aß die durch Lösungsmittel raffinierten Harze
leicht aus der Lösung des Mineralöles: auskristallisieren.; in der Tat kristallisierten
einige Proben unmittelbar nach Kühlung aus der Lösung aus. Diese Eigentümlichkeit
allein genügt :aber, um derartige Harze z. B. zur Imprägnierung der Papierisolation
von Kabeln gänzlich unbrauchbar zu machen.
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Das Patent 646 275 beschreibt die Entfernung flüchtiger Verunreinigungen,
z. B. von Polyterpenen, aus dem Harz und die Verwendung des Rückstandes für die
Herstellung eines Dielektrikums aus einer Harz-Öl-Mas'se.
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Erfindungsgemäß werden zur Herstellung derartiger Massen unreine Harze
einer Destillation unter verringertem Druck :unterworfen. Hierdurch wird ein Rückstand
abgesondert, der Metallkomponenten und Oxydationsprodukte enthält, die in der Auswirkung
wesentliclh ,s,chädlicher sind als .die nach idem Verfahren ides Patents 6¢6 275
lediglich entfernb-aren flüchtigen Verunreinigungen. Im Ansehluß an den Destillationsprozeß
würden die flüchtigen Venunreini.gungen von dem Harz durch fraktionierte Kon@denisation
entfernt. Das raffinierte Harz als Teil des Destillates wird sodann mit einem Mineralöl
zu einer dielektrischen Tränkmasse vermengt.
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Die vorliegende Erfindung ist .begründet auf der Verwirklichung der
Tatsache, daß jeder Versuch zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von
Harz zwecks Verwendung in Kohlenwasserstofföl enthaltenden dielektrischen Masgen,
bei dem eineReiniggun.gsbehandlung stattfindet, so beschaffen ,sein muß, daß nicht
nur unerwünsohte Bestandteile aus !dem handelsüblichen Harz entfernt werden, sondern
@daßauch die öllöslichkeit des Ausgangsstoffes nicht beeinträchtig wird,.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Isoliermittel für elektrische
Anlagen ein Mineralöl, das in Lösung ein ggsreini@gtes Harz enthält, welches durch
Behandlung eines unreinen Harzes mittels Schnelldestillation runter verringertem
Druck behandelt worden isst, so daß eine f_Tberhitzung und Zersetzung das Destilliergutes
vermieden wird. Es ist ein wesentliches Merkmal dies gemäß der Erfindung verwendeten
gereinigten Harzes, daß dieses eine hohe Löslichkeit in Kohlenw asserstoffölen,
insbesondere aus rohen naphthenischenGrundstoffen gewonnenen Ölen, besitzt und daß
dieses eine optische Aktivität aufweist, die im wesentlichen gleich derjenigen des
rohen Harzes ist.
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Unter dem Ausdruck Schnelldestillation wird! eine Destillation verstanden,
wie sie in einem Schichtverdampfer ad. dg1. erhalten wird, so z. B. wie im nachstehenden
beschrieben, bei der die Wirkung @derhydrastatis chen1Hitze im Destälationsapparat
beseitigt ist. In einer derartigen Apparatur wird das Harz bei Erreichung des Siedepunktes
innerhalb äußerst kurzer Zeitdauer, so z. B. innerhalb weniger Sekunden, in Dampf
verwandelt.
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Beider Herstellung eines gereinigten Harzes aus handelsüblichem Naturharz
für idie Zwecke der Erfindung soll .die Destillation ides Naturharzes so ausgeführt
werden, d"a.ß sie bei oder geringstmöglichen Temperatur beendet isst. (Diese Temperatur
hängt natürlich ab von,dem verringerten Druck, der in dem Destxllationssystem aufrechterhalten
wird, wobei idieser Druck so gering sein soll, wie dieses in der Praxis wirtschaftlich
idurchführbar ist.) Es wurde nunc. gefunden, daß das so gereinigte Harz praktisch
vollkommen frei von. Rück staudsterpenen, die als leichte Kondensate entfernt werden"
und frei von Harzoxyden ist, die einen Teil :des: Rückstanides in (dem Destillationsapparat
bilden. Der Gehalt :der Terpene im Produkt beträgt dann nicht mehr als etwa a Gewichtsprozent
Das gereinigte Harz liefert bei -der Einverleibung in ein gereinigtes Mineralöl
eine dielektri@sche Masse, idie sichdurch (dielektrische Eigenschaften auszeichnet,
wie sie bisher bei keiner anderen (Harz-:Mineralöl-M-asse erhalten worden sind.
Der dielektrische Verlust in oder neuen Masse beträgt nur ungefähr ein Zehntel des-
dielektrischen Verlustes in. den hisher benutzten, aus Harz und Mineralöl bestehenden
Massen.
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Vorzugsweise wird "idas einem; Bestandteil der als Dieletrikum zu
benutzenden Masse bildende Mineralöl aus einem Rohöl auf Naphthenhasis abgeleitet,
und seine Viskosität beträgt vorzugsweise
Zoo Sekunden Redwood bei
So' C oder höherer Temperatur. Hochgesättigte Paraffinöle sind schlechte Lösungsmittel
für Harz unrd ebentfalls für je-gliche Harzoxyde, welche durch Oxydation des Harzes
in der öielektrischen Masse während des Betriebes entstehen können. Andererseits
oxydieren aromatische Kohlenwasserstoffe zu leicht und haben sieh auch in anderer
Beziehung als ungeeignet erwiesen. Die aus den sogenannten Naphthenrohölen abgeleiteten
Naphthenöle werden als Ideale-Lösungsmittel für dien vorliegenrden Zweck betrachtet.
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Im nachstehenden wird-einbevorzugtes Verfahren sowie die Mittel zur
Herstellung des erfindungsgemäß zu benutzenden Harzesbeschrieben.
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Die zur Destillation dienende Anlage besteht aus einer Destillierblase,
einer Schaumkammer oberhalb der Blaise, zwei Kondensatoren in Reihe mit den zugehörigen
Pumpen für das Kondensat, einer hochwi-rksamen Vakuumpumpe oder besser einer Reihe
von durch eine wasserumflutete Vakuumpumpe betätigten Dampfstrahlen und einem Kocher
oder einer ähnlichen Heizvorrichtung zur Zuführung von Wärme in die umlaufende Flüssigkeit.
Es hat seich als wichtig gezeigt, daß dieAnlage aus einem Metall hergestellt wird,
das durch Harz nicht wesentlich angegriffen wird. Eisen und Stahl können als Material
für die Anlage wohl benutzt werden, für dessen sind Materialien, wie rostfreier
Stahl, emailliertes Eisen oder emaillierter Stahl oder Aluminium, vorzuziehen.
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Die Destillierblase besteht aus einem BünrCel von. senkrechten, an
jedem Ende flüseigkeitsdicht in einer Platte eingelassenen Rohren, welche zusammen
mit ,den Plattem in einem beiderseits geschlossenen rohzförmigenBehälter untergebracht
sind.DieErhitzung der Rohre kann z. B. durch sauf diesen sich kondensierenden Dampf
oder idurch eine um die. Rohre herumfließende Flüssigkeit erfolgen. Unmittelbar
unterhalb des unteren Endfes des ROhrbündiels ist eine mechanisch angetriebene Pumpe
od. dg4. mit passend angeordneten Leitflächen. vorgesehen, um die Flüssigkeit aufvväTts
durch die Rohre zu treiben und abwärts durch die äußeren Rohre abzuziehen. Der Behälter
dehnt sich oberhalb der Rohre aus und ist von genügender Länge, um den während der
Destillation entstehenden Schaum aufzunehmen. Am Auslaßende:,der Schaumkammer ist
ein Spritzfänger od. dgl. angebracht, um zu verhindern, daß das Rohmateriral in
das zur Kondensation dienende System hinüberfließt. Die gesamten Leitungen zwischen
der Destillationblase und der Vakuumpumpe sind reichlich bemessen und frei von Verengungen,
welche eine unerwünschte Erhöhung des zwischen der Blase und der Pumpe herrschenden
absoluten Druckes zur Folge haben könnten.
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Das Betriebsverfahren ist wie folgt: rdie Heizflüssigkeit, welche
im vorliegenden Fall ein Diphenyloxy:d ist, wird unter einem konstanten, vorbestimmten
Druck entsprechend einer Temperatur ungefähr zwischen 3oo und 400'C im Kocher gekocht
und (der außerhalb (der Rohre befindliche Dampf kondensiert. Die kondensierte umlaudende
Flüssigkeit wird in-den Kocher zurückgeführt und wieder erhitzt. Die Anlage wird
mittels einer Vakuumpumpe unter Vakuum gehalten und die Charge aus .geschmolzenem
natürlichem Harz bei einer Temperatur von ungefähr z6oP C in die Destillation@sblase
eingesaugt. Das einfließende geschmolzene Harz wird in schraubenförmigem Wege nach
einemechrägen Trog geleitet, was durch einen scbrawbenfö:rmigen Leitgang an den
Wänden der Schaumkammer erreicht wird. Das Harz fließt längs (dieses Leitganges
in einem dünnen Film nach dem Destillationsapparat und wird @dabei in wirkungsvoller
Weise entgast. Die anfängliche Charge genügt gerade, um idie Enden der Rohre zu
überdecken. Der Flüssigkeitsspiegel wind während (der Destillation durch periodische
Zugabe von frischer Charge: im wesentlichen konstant gehalten.
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Nach Eingabe der Charge in den Destill;ationsapparat wird die Flüssigkeitspumpe
angelassen und das geschmolzene Harz kontinuierlich durch :die Rohre hindurchgeführt,
wobei aus dem Diphenyloxyddampf, welcher außen an -dIen Rohren kondensiert sitzt,
Wärme absorbiert und nach dem Kocher zurückgeleitet wird. Die Geschwindigkeit, mit
welcher (das Harz (durch die Rohre fließt, beträgt ungefähr 1,5, m je Sekunde,
keinesfalls aber weniger als z m je Sekunde.
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Um ein Spalten des Materials zu vermeiden, sollen die Temperaturen
im .Destillatio:nsapparat nicht über 300° C, vorzugsweise ungefähr 225 bis
235' C, betragen. Eine solche Temperatur genügt zur Destillation, falls ein
Druck von 3 mm Quecksilbersäule aufrechterhalten werden kann.
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Sobaild dias Material in dem Destillations'apparat im wesentlichem
nur noch. Rückstandsmaterial ist, wird: die Destillation und die Zufuhr von neuer
Charge zeitweise eingestellt und wiederaufgenommen, sobald der Rückstand. in einen
vorher evakuierten Behälter ausgelaufen ist.
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Aus dem Desti.llationsapparat verlaufen die Dämpfe @senkrecht nach
unten durch den -ersten Kondensator, woselbst sie kondensiert und auf eine Temperatur
von ungefähr &o° C abgekühlt werden; von hier werden die verbliebenen Dämpfe-,
die die Terpene -und andere derartige leichte Verunreinigungen enthalten, in den
zweiten Kondensator geführt, in: welchem sie auf ungefähr 20° C abgekühlt werden.
Das Kondensat wird über die Kondensatpumpen abgeführt. Der von Brom ersten Kondenser
abgeführte Anteil stellt .das gereinigte Harz gemäß (der Erfindung dar. Noch verbleibende
Dämpfe werden zur Vakuumpumpe geleitet, mittels welcher ein Druck von ungefähr 5
mm Quecksilbersäule in der ganzen Anlage aufrechterhalten wird. Dieser Druck soll
so niedrig als möglich sein und keinesfalls mehr als qo mm, vorzugsweise nicht mehr
als zo mm Qu ecksil@bersäule betragen.
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Im nachstehenden ist ein Beispiel einer erfin-,dungsgemäß hergestellten,
als. Dielektrikum zu benutzenden: Masse beschrieben.
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Kolophonium, welches mittels des oben beschriebenen bevorzugten Verfahrens
erhalten wurde, wird vermischt mit einem raffinierten Mineralöl mit einer Viskosität
von ungefähr 2do Sekunden Redwood
bei 8o° C und aus dem vorgenannten
Näphthenöl abgeleitet, um eine Lösung zu bilden. Die Masse kann ungefähr 5 bis 45
Gewichtsprozent des- raffinierten Harzes enthalten.
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Das. Mineralöl kann vorteilhafterweise mittels eines Adsorptionsmittels
behandelt wenden, z. B. mit aktiviertem Ton o(cler aktivierter Kohle, - unmittelbar
bevor es mit dem Harz -in Verbindung gebracht wird. Hierdurch erhält man eine erhebliche
Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Öles, was bei Abwesenheit des raffinierten
Harzes nicht der Fall wäre. Offenbar übt das erfirvd`ungsgemäß benutzte raffinierte
Harz eine stabilisierem:de Wirkung auf das behandelte Mineralöl aus. .
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Bei der Bildung einer Lösung des Harzes und ides Mineralöls werden
vorzugsweise diese Stoffe zusammen nicht weniger als 3@o Minuten lang bei. einer
Temperatur von ungefähr 120 bis 115o° C- erhitzt und die Mischung umgerührt, um
eine Stabilisierung fder Lösung herbeizuführen. Diese Vorsichtsmaßnahme ist zwar
wünschenswert, aber nicht wesentlich, auch kann das Verfahren je nach :der Artdes
Öles abgeändert werden..
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Das besichriebene Verfahren ist indessen zu empfehlen, vorausgesetzt,
daß das Öl selbst nicht derart ist, daß es ;während .der-Behandlüng eine erhebliche
Oxydation erfährt.
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Die auf diese Weise hergestellte die lektrische Masse zeichnet sich
durch einen sehr geringen d'ielektrischen Verlust, eine. sehr- hohe spezifische
dielektrisehe Widerstandsfähigkeit und hohe Widerstandskraft gegen Oxydation sowie
gegen Bildung von Gas bei elektrischer Beanspruchung aus, ferner zeigt die Masse
eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegen die Bildung von Kohlen-,vasser@stoffpolymeren
mit hohem Molekulärgewicht, welches im Handel als Verbindung X oder sog. Käse bekannt
ist.
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Die Anwendung der diele'ktrischen. Masse hängt natürlich von der besonderen
Art der elektrischen Einrichtung ab, mit welcher sie benutzt werden soll. So kann
z. B. im Fall eines ellektrischen-Hochspannungskabels jeder normale Vorgang befolgt
werden; z. B. kann man Papier in- Streifen oider Plattenform erst um den Leiter
herumwickeln und dann. mit ider oberbeschriebenen Masse vor der An.-bringung des
üblichen Bleimantels' imprägnieren. Das auf diese Weise präparierte Dielektrikum
hat eine sehr hohe thermische Stabilität, sehr geringe Leistungsverluste und auch
eine :bessere Churakteristnk bezüglich des Alterns alls die bisher bekannten D ielektrika.
-Die- Benutzung oder erfindungsgemäß hergestellten dielektrischen Masse verringert
Iden Leistungsverlust im Dielektriküm des Kabels und damit auch wesentlich die Gefahr
einer Zerstörung des Kabels; gleichzeitig aber-wind idie Herstellung von Kabeln
für höhere Spannungen, als: es -bisher üblich war, ermöglicht; und weiterhin ergibt
sich auch eine Verringerung -des Volumens der leitenden Teile des Kabels für eine
gegebene-Belasturng: Auf
diese-Weise wurden wesentliche Vorteile sowohl bezüglich
des Sicherheitsfaktors als auch bezüglich ,der Wirtschaftlichkeit erreicht.
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Die erfindungsgemäß erreichten wesentlichen Vorteile sind aus der
nachstehenden Tabelle ersichtlich, welche aus Vergleichsversuchen mit der neuen
elektrischen- Masse und bekannten, gewöhnliches Harz enthaltenden Massen zur Feststellung
des Leistungsfaktors und des spezifischen Isolationswiderstandes bei verschiedenen
Temperaturen zusammengestellt wurde.
| Leistungsfaktor Spezifischer |
| C I ° C I Isolationswiderstand |
| A 8o 00153 ` 80 16,2 X 1o6 Ohm per cm3 |
| 6o 00048 6o 52,3 x 10o - - - |
| 20 00008 20- 1070 X 106 - - - |
| B 8o 00004 8o 6.7,0 X 06. |
| - - - |
| 6o 00012 6o 290,0 x 106 - - - |
| 20 00003 20 2675_X I06 - - - |
| C 80 00043 80 56;2 X 1o6 |
| 6o . 0001q. 6o ' 233,o x 106 - - - |
| 20 00030 20 2675 x 1o6 |
| D 8o 0o371 80 4,1 X 106 - - - |
| 6o ooo76 6o 2o,oX=os -- - - |
| 20 - 00071 1_ 20 107 0 X I06__- - - |
In der vorstehenden Tabelle bedeutet A das benutzte, bereits gut raffinierte Öl,
B das Öl Unmittelbar nach der Behandlung mittels eines zusätzlichen Raffinardeverfährens,
wiej oben beschrieben wurde. In diesem Zustand bleibt das Öl nicht stabil und verwandelt
sich innerhalb weniger Stunden in das Öl A. C ist das gleiche Ö1 wie B, unter Zugabe
von a0 % des neuen raffinierten Harzes. Das Harz hat jetzt die Wirkung; @daß die
Verbindung stabilisiert wird. 'Die Eigenschaften dieses Öles bleiben unbestimmte
Zeit hindurch die gleichen, wie Versuche ergeben haben. D ist das gleiche Öl wie
B unter Zugabe von 2@o@% gewöhnlichem, nicht raffiniertem Harz erstklassiger Güte.
Das benutzte Harz soll ungefähr das beste im Handel erhältliche sein.
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Aus (der Tatsache, d:aß der Leistungsfaktor ein Maß der Verlustenergie
im Dielektrikum ist, ergibt sich, daß :das Ö.1 C zweifellos -erheblich besser ist
als die bekannte Masse.D. Während bei ider Masse C der LeicGtungsfaktor im wesentlichen
von- der gleichen Größenordnung im Temperaturbereich zwischen 2o und 8o° C ist,
zeigte das Öl D einen fünffachen Zuwachs bezüglich des Leistungsfaktors, gegenüber
ideenselben Temperaturbereich, und außerdem war selbst bei 2o° C der Leistungsfaktor
bei der Masse D fast doppelt so groß -als der der Masse-C bei- 8o° C. In ähnlicher
Weise, aber im umgekehrten Sinn, verhalten sich die spezifischen Isolationswiderstände
zugunsten der Masse-C.