ES2331933T3 - Estructura de travesia electrica para elemento supraconductor. - Google Patents
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Abstract
Estructura de travesía eléctrica (10) del tipo que comprende: - un conductor central (19) en el que uno (26) de sus dos extremos está destinado a conectarse a un elemento supraconductor situado en un recinto a temperatura criogénica (11) y el otro extremo (25) a un objeto a temperatura ambiente, y - una funda eléctricamente aislante (20) que rodea el conductor en sensiblemente toda la longitud del conductor, - un tubo metálico (24) que rodea el conductor en sensiblemente toda su longitud y se interpone entre la funda aislante (20) y el conductor (19), estando el tubo fijado mecánicamente al conductor cerca de uno de los extremos (25, 26) del conductor, denominado primer extremo, y no estando fijado mecánicamente al conductor cerca del otro de los extremos del conductor, denominado segundo extremo, - un espacio entre dicho conductor y dicho tubo que contiene un gas, cuya estructura se caracteriza porque el tubo está en contacto eléctrico con dicho segundo extremo del conductor.
Description
Estructura de travesía eléctrica para elemento
supraconductor.
La presente invención concierne a una estructura
de travesía eléctrica para un elemento supraconductor, tal como un
cable que transporta corriente eléctrica de tensión media o alta.
Esta estructura permite unir el extremo del elemento supraconductor
a temperatura criogénica a un objeto, por ejemplo a un cable no
supraconductor o a un equipo a temperatura ambiente, habitualmente
al aire libre.
Debido a la diferencia importante de temperatura
entre el elemento supraconductor y el objeto a unir a este
elemento, por una parte, la temperatura criogénica que puede ser del
orden de -200ºC y, por otra parte, la temperatura ambiente, es
necesario intercalar una estructura de conexión entre el elemento
supraconductor y el objeto a fin de efectuar la transición de
temperatura limitando al máximo las pérdidas térmicas, a la vez que
se respetan las restricciones eléctricas debidas, por ejemplo, a la
alta tensión en el caso de un cable. Esta estructura comprende una
travesía eléctrica compuesta principalmente por un conductor central
rodeado de una funda aislante para transportar la corriente
eléctrica del cable supraconductor hasta una conexión de salida de
temperatura ambiente. Esta estructura, sobre una longitud razonable,
debe efectuar la transición de temperatura mientras asegura que las
pérdidas por conducción térmica a lo largo de la travesía eléctrica
son escasas, con el fin de evitar la ebullición del líquido
criogénico que refrigera el cable.
Otro problema técnico a resolver es controlar la
distribución del campo eléctrico creado por la tensión media o alta
del conductor central de la travesía eléctrica con el fin de evitar
arcos eléctricos o "restallidos".
El conductor central de la travesía está
constituido por un conductor metálico cilíndrico de diámetro
suficientemente grande para permitir el transporte de corrientes
eléctricas de intensidad importante. Por ejemplo, para corrientes
del orden de varios miles de amperios, el diámetro del conductor
central puede ser del orden de 50 a 70 mm. Al ser también la
tensión eléctrica habitualmente elevada, por ejemplo de 100.000
voltios, la funda que rodea el conductor central debe ser
perfectamente aislante con el fin de evitar la formación de
restallidos y esto sobre toda la longitud de la estructura de
travesía, que puede alcanzar varios metros de longitud.
Las diferencias de temperatura todo a lo largo
de la travesía plantean un problema de conservación del buen
aislamiento eléctrico de la funda que rodea el conductor central. En
efecto, los materiales que constituyen el conductor (por ejemplo,
aluminio o cobre) y la funda (por ejemplo, epoxi) tienen
conductividades térmicas diferentes, lo que puede generar tensiones
en la interfaz entre el conductor y la funda. Así, un flujo térmico
importante que se propague en la travesía puede conducir localmente
a un gradiente de temperatura elevada entre la funda y el
conductor, lo que puede fisurar la funda y destruir en gran parte su
poder de aislamiento. Además, la diferencia de coeficiente de
dilatación térmica de los materiales que constituyen el conductor y
la funda puede ser la causa de tensiones mecánicos entre la funda y
el conductor y, por tanto, la causa de fisuras en la funda.
A fin de evitar la formación de estas fisuras,
una solución conocida consiste en elegir los materiales que
constituyen la funda y el conductor central de tal modo que sus
coeficientes de dilatación térmica sean sensiblemente idénticos.
Por ejemplo, ciertas composiciones específicas de aleaciones de
aluminio y de resinas epoxi tienen coeficientes de dilatación
térmica muy próximos, cuya diferencia puede ser del orden de
5x10^{-6} por grado Kelvin. Esta solución permite limitar el
riesgo de formación de fisuras, pero no lo elimina completamente,
ya que es muy difícil, o incluso también prácticamente imposible,
encontrar un material buen conductor de la electricidad, por un
parte, y un material aislante, por otra parte, que tengan el mismo
comportamiento térmico, en particular el mismo coeficiente de
dilatación térmica y la misma conductividad térmica. Además, los
dos materiales deben poder soportar sin deteriorarse variaciones de
temperatura del orden de -200ºC hasta las temperaturas ambiente.
La solicitud de patente EP 1 283 576 A1 describe
el preámbulo de la reivindicación 1 según una estructura de
travesía eléctrica del tipo que comprende:
- -
- un conductor central en el que uno de los sus extremos está destinado a conectarse a un elemento supraconductor situado en un recinto a temperatura criogénica y el otro extremo a un objeto a temperatura ambiente,
- -
- una funda eléctricamente aislante que rodea el conductor sobre sensiblemente toda la longitud del conductor, y
- -
- un tubo metálico que rodea el conductor sobre sensiblemente toda su longitud y se interpone entre la funda aislante y el conductor, estando el tubo fijado mecánicamente al conductor cerca del extremo del conductor conectado al elemento supraconductor y no estando fijado mecánicamente al conductor cerca del extremo del conductor conectado a dicho objeto a temperatura ambiente.
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No obstante, el tubo es de acero inoxidable, que
es un mal conductor y no tiene función eléctrica, puesto que no
está unido a uno de los extremos. La totalidad de la corriente
transportada del elemento supraconductor al objeto a temperatura
ambiente se transmite por el conductor.
Resultan de esto una pérdida de sección eficaz
para el transporte de corriente a lo largo de la travesía y un
riesgo importante de calentamiento y de pérdidas al nivel de esta
travesía.
La invención resuelve este problema y propone
una estructura de travesía eléctrica del tipo que comprende:
- -
- un conductor central en el que uno de los sus extremos está destinado a conectarse a un elemento supraconductor situado en un recinto a temperatura criogénica y el otro extremo a un objeto a temperatura ambiente, y
- -
- una funda eléctricamente aislante que rodea el conductor sobre sensiblemente toda la longitud del conductor,
- -
- un tubo metálico que rodea el conductor sobre sensiblemente toda su longitud e interpuesto entre la funda aislante y el conductor, estando el tubo fijado mecánicamente al conductor cerca de uno de los extremos del conductor, denominado primer extremo, y no estando fijado mecánicamente al conductor cerca del otro de los extremos del conductor, denominado segundo extremo,
- -
- un espacio entre dicho conductor y dicho tubo que contiene un gas, cuya estructura se caracteriza porque el tubo está en contacto eléctrico con dicho segundo extremo del conductor.
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La presente invención propone así una estructura
mejorada de la travesía eléctrica que, al mismo tiempo, resuelva
los problemas ligados a las diferencias de coeficientes de
dilatación y de conductibilidad térmicas entre los materiales que
constituyen la funda y el conductor central y mejore la capacidad de
transporte de corriente de la travesía y limite los problemas de
estanqueidad del espacio entre el conductor y el tubo.
Según un modo de realización preferido, dicho
segundo extremo es su extremo destinado a conectarse al elemento
supraconductor.
Dicho gas es un gas no controlado, de
preferencia aire o nitrógeno.
Según el documento de la técnica anterior ya
citado, la estructura de travesía puede comprender un conductor
central rodeado de un espacio en el cual se ha creado un vacío o el
cual se ha llenado de helio, que no se licúa a temperatura
criogénica. El espacio bajo vacío o lleno de helio se extiende desde
la parte a temperatura criogénica hasta la parte a temperatura
ambiente. El inconveniente de esta solución reside en la necesidad
de una buena estanqueidad de la estructura de travesía, lo que
conduce a restricciones de realización difíciles y costosos. En
efecto, no debe existir comunicación entre el espacio que rodea el
conductor central y las otras partes de la travesía:
- -
- en la parte superior a fin de conservar el vacío o el helio en este espacio, rompiendo una fuga en la parte alta con el medio a temperatura ambiente esta atmósfera controlada;
- -
- en la parte inferior a fin de evitar una penetración eventual del fluido criogénico en este espacio que rompa igualmente esta atmósfera controlada.
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De preferencia, la fijación mecánica entre dicho
conductor y dicho tubo al nivel de dicho primer extremo del
conductor está recubierta por dicha funda aislante. Este
recubrimiento se realiza durante la fabricación de la travesía y
asegura una estanqueidad perfecta de dicho espacio a este nivel.
El tubo se realiza en un material buen conductor
eléctrico y de preferencia en aleación de aluminio o en cobre,
excelente conductor eléctrico.
Ventajosamente, la funda aislante se realiza en
resina epoxi.
De preferencia, el coeficiente de dilación
térmica del metal que constituye el tubo está próximo al coeficiente
de dilatación térmica del material que constituye la funda
aislante.
Unas laminas metálicas pueden interponerse entre
el tubo y el conductor cerca del extremo del tubo no fijado
mecánicamente al conductor (de preferencia cerca del extremo del
conductor destinado a fijarse a dicho objeto a temperatura
ambiente), asegurando las láminas un contacto eléctrico entre el
tubo y el conductor.
Según un modo de realización ventajoso, la
estructura comprende además una pantalla eléctricamente conductora
que rodea la funda aislante, en contacto con ésta, sobre al menos
una parte de la funda que se extiende desde el extremo de la
travesía en contacto con el recinto a temperatura criogénica hasta
un lugar de la funda cuya temperatura es intermedia entre las
temperaturas criogénica y ambiente. Cuando un cono de tensión rodea
la funda, la pantalla se extiende de preferencia hasta este
cono.
\newpage
Otras ventajas y características de la invención
aparecerán en el curso de la descripción que sigue de un modo de
realización de la invención, dado a título de ejemplo no limitativo,
con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:
- la figura 1 ilustra esquemáticamente un modo
de realización de la invención; y
- las figuras 2 a 5 muestran en sección
longitudinal y en sección recta unos elementos de la estructura
representada en la figura 1.
En la figura 1, la estructura de conexión a un
elemento supraconductor (no representado), tal como un cable,
comprende una travesía eléctrica 10 conectada al elemento
supraconductor por su extremo inferior situado en un recinto 11 a
temperatura criogénica. Un recinto intermedio 12 adyacente al
recinto criogénico 11 está lleno de preferencia de un material
sólido de poca conductividad térmica. Este material puede estar, por
ejemplo, en forma de espuma, tal como una espuma de poliuretano o
una espuma de vidrio celular. La travesía eléctrica 10 atraviesa la
pared inferior del recinto intermedio 11 por una brida de fijación
estanca 13 y la pared superior por una brida de fijación estanca
14. La travesía eléctrica 10 se prolonga, saliendo del recinto
interior 12, en el interior de un recinto a temperatura ambiente 15
que se termina por unos medios 16 de conexión eléctrica de la
travesía y, por tanto, del elemento supraconductor a un objeto,
equipo o dispositivo apropiado. Por tanto, el recinto intermedio se
encuentra a una temperatura comprendida entre la temperatura del
fluido criogénico y la temperatura ambiente. Las paredes 17 y 18
del recinto 11 a temperatura criogénica y del recinto intermedio
12, respectivamente, forman paredes de criostato para un buen
aislamiento térmico. El recinto intermedio, que es estanco, está
equipado de preferencia con una válvula de seguridad (no
representada) a fin de paliar cualquier sobrepresión que pudiera
sobrevenir en caso de fuga al nivel de la brida 13.
La travesía eléctrica 10 se compone de un
conductor central metálico 19, de preferencia en aleación de
aluminio o de cobre y de forma cilíndrica maciza. Está rodeado,
sensiblemente en toda su longitud, por una funda eléctricamente
aislante 20 realizada, por ejemplo, en epoxi. La funda aislante 20
se termina en su extremo inferior por un bulbo 21 que comprende un
collarín de fijación 22. La parte del bulbo situado por encima del
collarín 22 tiene de preferencia una forma ensanchada, estando la
parte más ensanchada al nivel del collarín. Esta forma ensanchada
permite aumentar la línea de fuga de corriente entre tierra y alta
tensión y disminuir así los riesgos de un restallido eléctrico al
nivel del extremo inferior de la travesía. El bulbo 21 está fijado
de forma estanca por la brida 13 sobre la pared interna del recinto
11 a temperatura criogénica.
Una pantalla eléctricamente conductora 23, de
preferencia metálica, aprisiona la funda aislante sobre al menos
una sección de funda, es decir, sobre una cierta longitud. La
presencia de esta pantalla es útil, pero no necesaria. Por ejemplo,
se realiza por metalización de la funda aislante sobre dicha
sección, la cual se extiende desde la parte del recinto intermedio
en contacto con la temperatura criogénica hasta al menos la brida
14, es decir, la unión del recinto intermedio 12 con el recinto a
temperatura ambiente 15. La pantalla 23 está conectada
eléctricamente a un potencial fijo, de preferencia al potencial de
tierra. Tiene como función confinar el campo eléctrico a lo largo
del conductor en la travesía eléctrica únicamente y, con más
precisión, entre el conductor central y la pantalla.
Un cono de tensión 24A situado en el recinto 15
a temperatura ambiente rodea la funda 20 de la travesía eléctrica
10. La parte conductora del cono de tensión está unida
eléctricamente a la pantalla 23, así como a la brida de fijación
estanca 14 eléctricamente conductora. La pantalla 23 puede detenerse
al nivel de la brida de fijación 14 y conectarse eléctricamente a
la parte conductora del cono de tensión, por ejemplo con ayuda de
una cinta semiconductora enrollada alrededor de la funda 20.
Alternativamente, la pantalla puede prolongarse directamente hasta
la parte conductora del cono de tensión. La función de este cono de
tensión es desviar o ensanchar las líneas de campo eléctrico al
nivel de la detención de la metalización con el fin de evitar una
discontinuidad que pudiera conducir a un restallido eléctrico.
La travesía eléctrica 10 se termina en el
extremo del recinto a temperatura ambiente 15 por un borne de
conexión para alimentar el cable supraconductor con corriente
eléctrica a media o alta tensión o para alimentar un equipo a
temperatura ambiente con corriente eléctrica a media o alta tensión
procedente del cable supraconductor.
Según la invención, un tubo metálico 24 de poco
espesor está insertado entre el conductor central 19 y la funda
aislante 20, sobre prácticamente toda la longitud del conductor
central, con un espacio entre el conductor y el tubo que contiene
un gas no controlado, de preferencia aire o nitrógeno. El tubo
metálico 24 está fijado al conductor central a un solo nivel del
conductor cerca de uno de los dos extremos 25 y 26 del conductor
central 19 (siendo el extremo 25 el que está próximo a la
temperatura ambiente y siendo el extremo 26 el que está próximo a
la temperatura criogénica). De preferencia, el tubo 24 está fijado
al conductor 19 al nivel del extremo 26 próximo a la temperatura
criogénica y la fijación mecánica entre el conductor y el tubo al
nivel de este extremo del conductor está recubierta por dicha funda
aislante. Esta fijación mecánica puede hacerse, por ejemplo, por
soldadura.
Las figuras 2 y 5 muestran la estructura de la
travesía, respectivamente en sección longitudinal y en sección
recta según el plano AA de la figura 2, con, sucesivamente partiendo
del centro, el conductor central 19, el tubo delgado 24, la funda
eléctricamente aislante 20, en la que uno de sus dos extremos forma
el bulbo 21, y la pantalla 23. El tubo metálico delgado 24 está
compuesto de preferencia del mismo metal que el conductor central,
por ejemplo cobre o una aleación de aluminio. Por supuesto, los
materiales que constituyen la funda y el tubo delgado son elegidos
de tal modo que sus coeficientes de dilatación térmica estén
próximos uno a otro. El conductor central, el tubo metálico, la
funda aislante y la pantalla son concéntricos, estando el conductor
en contacto con el tubo, el cual está en contacto con la funda y la
cual está en contacto con la pantalla. Para la fabricación de la
travesía, el tubo delgado 24 se fija primero al conductor central 19
y después se moldea la funda aislante 20 alrededor del tubo, lo que
permite una estanqueidad perfecta con el fluido criogénico. A
título de ejemplo, el diámetro del conductor central puede ser del
orden de 50 a 70 mm, mientras que el espesor del tubo delgado 24
puede estar comprendido entre 0,5 y 3 mm, de preferencia entre 1 y
2 mm, y el espacio entre el conductor y el tubo puede ser del orden
del milímetro. La sección relativamente importante del conductor
central permite evitar pérdidas demasiado importantes y flujos
térmicos por efecto Joule. El espesor de la funda aislante es mucho
más grande que el del tubo delgado, por ejemplo comprendido entre
20 y 50 mm para la parte cilíndrica de la funda que no comprende el
bulbo 21.
En el modo de realización representado, la
sección del conductor central en el extremo 26 situado del lado del
recinto criogénico, al nivel del bulbo 21, es ligeramente inferior a
la sección uniforme del conductor central con el fin de limitar el
flujo térmico a lo largo del conductor. En la figura 3, el extremo
26 del conductor 19 se compone de una parte 30 en forma de conector
hembra que permite unir el elemento supraconductor al conductor
central, y una parte 31 de forma troncocónica con un diámetro
decreciente al remontar hacia arriba de la travesía a temperatura
ambiente, seguida de una parte troncocónica 32 con un diámetro
creciente hasta alcanzar el diámetro constante del conductor. Por
supuesto, en otro modo de realización, el conductor central 19
podría tener un diámetro constante en toda su longitud. El tubo
delgado 24 está soldado al conductor central al nivel del conector
30.
La figura 4 representa en sección longitudinal
el extremo 25 de la travesía situado a temperatura ambiente. El
conductor central 19 y el tubo delgado 24 no son solidarios y, por
tanto, pueden dilatarse o contraerse independientemente uno de
otro. No obstante, el tubo y el conductor están unidos
eléctricamente por unos medios de contacto eléctrico móvil situados
entre el tubo y el conductor. A este fin, unas láminas flexibles
eléctricamente conductoras 40 están intercaladas entre el tubo y el
conductor, en contacto con el tubo y el conductor. De forma
general, estos medios de contacto eléctrico están situados en el
extremo del tubo delgado no fijado al conductor. No obstante, al
estar la fijación del tubo al conductor central de preferencia en el
extremo 26 de la travesía, los medios de contacto eléctrico están
ubicados de preferencia en el extremo 25 situado a temperatura
ambiente.
El tubo delgado metálico 24 permite obtener un
buen equilibrio térmico en la interfaz entre el tubo 24 y la funda
aislante 20 debido al poco espesor del tubo y, por tanto, debido a
la escasa cantidad de material conductor en contacto con la
cantidad mucho más grande de material aislante de la funda. Por
tanto, el gradiente térmico en la interfaz tubo/funda es mucho más
pequeño que en los dispositivos de la técnica anterior. Además,
incluso con un enfriamiento o un calentamiento rápido de la
travesía, el flujo térmico circula principalmente en el conductor
central, pero muy poco en el tubo. Por tanto, se disminuye la
sensibilidad de la estructura de la travesía a las variaciones
rápidas de temperatura. Asimismo, la dilatación (positiva o
negativa) debida a las variaciones de temperatura afecta
principalmente al conductor central debido a su masa. Al no estar
fijado mecánicamente el tubo al conductor más que en un solo lugar,
las tensiones mecánicas en la interfaz tubo/funda se reducen,
puesto que no hay acoplamiento térmico entre el tubo y el conductor
central. No obstante, al estar eléctricamente conectados el
conductor central 19 y el tubo 24 y, por tanto, al mismo potencial
eléctrico, no hay disparidades de campo eléctrico y las líneas de
campo eléctrico permanecen canalizadas entre la funda y el conjunto
tubo/conductor central.
Otros modos de realización que el descrito y
representado pueden ser concebidos por el experto sin salirse del
marco de la presente invención.
Claims (14)
1. Estructura de travesía eléctrica (10) del
tipo que comprende:
- -
- un conductor central (19) en el que uno (26) de sus dos extremos está destinado a conectarse a un elemento supraconductor situado en un recinto a temperatura criogénica (11) y el otro extremo (25) a un objeto a temperatura ambiente, y
- -
- una funda eléctricamente aislante (20) que rodea el conductor en sensiblemente toda la longitud del conductor,
- -
- un tubo metálico (24) que rodea el conductor en sensiblemente toda su longitud y se interpone entre la funda aislante (20) y el conductor (19), estando el tubo fijado mecánicamente al conductor cerca de uno de los extremos (25, 26) del conductor, denominado primer extremo, y no estando fijado mecánicamente al conductor cerca del otro de los extremos del conductor, denominado segundo extremo,
- -
- un espacio entre dicho conductor y dicho tubo que contiene un gas, cuya estructura se caracteriza porque el tubo está en contacto eléctrico con dicho segundo extremo del conductor.
2. Estructura de travesía eléctrica según la
reivindicación 1, caracterizada porque dicho primer extremo
del conductor es su extremo (26) destinado a conectarse al elemento
supraconductor.
3. Estructura según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicho gas
es aire o nitrógeno.
4. Estructura de travesía eléctrica según la
reivindicación 2, caracterizada porque la fijación mecánica
entre dicho conductor (19) y dicho tubo (24) al nivel de dicho
primer extremo del conductor (19) está recubierta por dicha funda
aislante (20).
5. Estructura de travesía eléctrica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque el tubo (24) está realizado en una aleación de aluminio o en
cobre.
6. Estructura de travesía eléctrica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque la funda aislante (20) está realizada en resina epoxi.
7. Estructura de travesía eléctrica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque el coeficiente de dilatación térmica del metal que
constituye el tubo (24) está próximo al coeficiente de dilatación
térmica del material que constituye la funda aislante (20).
8. Estructura de travesía eléctrica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque unas láminas metálicas flexibles (40) están interpuestas
entre el tubo y el conductor cerca del extremo del tubo (24) no
fijado mecánicamente al conductor, asegurando las láminas (40) un
contacto eléctrico entre el tubo (24) y el
conductor (19).
conductor (19).
9. Estructura de travesía eléctrica según las
reivindicaciones 2 y 6, caracterizada porque las láminas
metálicas (40) están interpuestas entre el tubo (24) y el conductor
(19) cerca del extremo (25) del conductor destinado a conectarse a
dicho objeto.
10. Estructura de travesía eléctrica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque el espesor del tubo (24) está comprendido entre 0,5 y 3 mm
y, más particularmente, entre 1 y 2 mm.
11. Estructura de travesía eléctrica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque una pantalla eléctricamente conductora (23) rodea la funda
aislante (20), en contacto con ella, en al menos una parte de la
funda que se extiende desde el extremo (26) de la travesía en
contacto con el recinto a temperatura criogénica (11) hasta un
lugar de la funda cuya temperatura es intermedia entre las
temperaturas criogénica y ambiente.
12. Estructura de travesía eléctrica según la
reivindicación 9, caracterizada porque un cono de tensión
(24A) está fijado alrededor de la funda (20), extendiéndose la
pantalla conductora (23) desde el extremo (26) de la travesía en
contacto con el recinto a temperatura criogénica hasta el cono de
tensión.
13. Estructura de travesía eléctrica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque el conductor central (19) tiene una sección sensiblemente
uniforme con excepción de la sección de la parte (32) del conductor
central (19) situada cerca del recinto criogénico (11), siendo la
sección de dicha parte (32) más pequeña que dicha sección
sensiblemente uniforme.
14. Estructura de travesía eléctrica según la
reivindicación 11, caracterizada porque dicha parte (32) del
conductor central tiene una forma sensiblemente troncocónica.
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