WO2008080722A1 - Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische hochleistungsfunkenstrecke - Google Patents

Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische hochleistungsfunkenstrecke Download PDF

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recess
outer housing
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    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
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    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel

Definitions

  • the invention relates to an encapsulated, pressure-resistant executed, non-hermetically sealed, rotationally symmetrical high-performance spark gap with two opposing main electrodes, a cylindrical metallic outer housing, optionally a trigger electrode and electrical connection contacts for the main electrodes according to the preamble of patent claim 1.
  • surge arresters on the basis of spark gaps according to the prior art, these are designed to be encapsulated in applications in the low-voltage range in order to avoid the environment-threatening blowing out of hot or even ionized gases.
  • the arresters are provided with additional triggering devices.
  • a trigger device requires isolation of the additional, generally loaded with high voltage further electrode.
  • the additional expenditure of space and the additional insulation materials also lead to a further limitation of the performance of such realized arrester.
  • the potential of the ignition electrode is likewise supplied via the pressure-resistant metallic sheath to the spark gap.
  • the local pressure-resistant jacket is made of one piece and it is used for the preparation of a simple forming process.
  • the waiver of an insulated implementation of the ignition potential leads in this variant, however, to an additional burden of insulation in the interior of the spark gap, since both electrodes must be isolated not only against each other, but also with respect to the entire housing.
  • the complex and voltage-resistant insulation in particular, the heat output from the spark gap This leads to an increased thermal load on the insulating parts, to long cooling times and to an enormous limitation of the space available for the spark gap. All of these disadvantages ultimately limit the performance of the spark gap.
  • the cylindrical outer housing is provided with at least one radially oriented opening in the form of a bore or recess, through which an electrical access to at least one of the electrodes located in the interior is provided. This may be at least one of the main electrodes and / or an access for a possibly necessary or intended trigger or ignition electrode.
  • an electrically insulated contact element In the bore or recess then an electrically insulated contact element, the respective opening sealing, insertable.
  • the electrically insulated contact element is therefore in non-conductive connection to the preferably metallic outer housing.
  • the spark gap can be mounted with the rotationally symmetrical parts and the metallic outer casing is kept tight and mechanically stable by crimping.
  • This tapping then ends either at the respective electrode or at a ausgestaltend provided conductive or semiconductive annular support member.
  • This supporting element can, for the purpose of contacting with a trigger electrode in connection, be realized, and is arranged in the interior of the outer housing, wherein the annular support member is in the space between the main electrodes, embedded in an insulating material.
  • the outer wall of the annular support member is substantially parallel to the housing wall running.
  • the opening is performed as a bore at least to the surface of the outer wall of the annular support member.
  • the annular support member increases the compressive strength of the overall arrangement in the region of the radially oriented opening or bore and at least compensates for the resulting weakening of the outer housing.
  • the metallic outer housing is formed in two parts screwed, wherein in at least one of the outer housing halves, the recess for electrical contacting is. This recess accommodates an insulating insert and the necessary electrical contact element.
  • a conductive annular support member standing in connection with the trigger electrode, arranged inside the outer housing, wherein the annular support member in the space between the main electrodes, embedded in an insulating material, and the recess is the desired Ensures access to the outer wall of the annular support member.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the encapsulated, flameproof, non-hermetically sealed, rotationally symmetric high-performance spark gap with one-piece outer casing and radially oriented opening in the form of a bore for contacting a trigger electrode and
  • Fig. 2 is a view similar to that of FIG. 1, but starting from a two-piece, bolted metallic outer housing.
  • the spark gap shown in the schematic diagram in section according to FIG. 1 has a rotationally symmetrical structure, wherein after the assembly of the spark gap, the cylindrical outer housing 1 is drilled radially laterally with a defined drilling depth. This tapping ends at an annular support member 12 which is electrically connected to the trigger electrode 6.
  • the annular support member 12 is isolated from the main electrodes 2 and 3 and the outer casing 1 of the spark gap.
  • the insulation on the metallic contact 13 can additionally be glued if necessary and sealed in this way.
  • the hole can also be made before mounting in the outer housing 1, but here increases due to the positional dependence of the assembly effort.
  • the adjacent insulating parts then have in this embodiment to the inner metallic contact an opening which z. B. in axially symmetric parts as a circumferential gap or in an asymmetrical isolation part as a bore executable (not shown).
  • the main electrodes 2 and 3 are held in the embodiment of FIGS. 1 and 2 via insulating bushings 4 and 5 and have a protruding, outwardly oriented extension for electrical contacting.
  • the outer housing has a one-sided completely closed bottom, wherein one of the main insulated electrodes located on the bottom inside and can be electrically connected by a lateral, radially oriented opening instead of the usual frontal contact-.
  • FIG. 2 According to the illustration of FIG. 2 is assumed by a two-part outer casing 1.1 and 1.2, which is indirectly connected by a suitable thread directly or with the aid of a cap sleeve by screwing.
  • a recess 15 is introduced, which is placed so that the insulated electrical contact 13 can be carried out, which in turn is connected to the annular support member 12 and via this support member 12 with the trigger electrode 6 in connection.
  • the insulation for the electrical contact element 13 may be embodied here as a two-part insulating piece, which at the same time fixes the support element 12 and the trigger electrode 6.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem zylinderförmigen metallischen Außengehäuse, gegebenenfalls einer Triggerelektrode sowie elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden. Erfindungsgemäß weist das zylinderförmige Außengehäuse mindestens eine radial orientierte Öffnung in Form einer Bohrung oder Ausnehmung auf, durch welche ein elektrischer Zugang zu mindestens einer der im Inneren befindlichen Elektroden geschaffen ist, wobei in die Bohrung oder Ausnehmung ein elektrisch isoliertes Kontaktelement, die jeweilige Öffnung abdichtend, einführbar ist.

Description

Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem zylinderförmigen metallischen Außengehäuse, gegebenenfalls einer Triggerelektrode sowie elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Überspannungsableitern auf der Basis von Funkenstrecken gemäß dem Stand der Technik werden diese bei Anwendungen im Niederspannungsbereich gekapselt ausgeführt, um das die Umgebung gefährdende Ausblasen von heißen oder noch ionisierten Gasen zu vermeiden.
Bei zum älteren Stand der Technik gehörenden ausblasenden Ableitern wird der größte Teil des Energieumsatzes bis ca. 90% in Form von heißem Gas an die Umgebung abgegeben. Es ist offensichtlich, dass durch das Vermeiden des Ausblasens bei modernen Funkenstrecken sowohl die thermische als auch die dynamische Belastung ansteigt. Diese steigenden Belastungen erschweren bei gekapselten Ableitern die notwendige Beherrschung hoher Impuls- und Folgeströme bei möglichst geringer Baugröße.
Zur Realisierung niedriger Schutzpegel im Bereich weniger kV werden die Ableiter mit zusätzlichen Triggereinrichtungen versehen. Eine solche Triggereinrichtung erfordert eine Isolation der zusätzlichen, im allgemeinen mit Hochspannung belasteten weiteren Elektrode. Der Mehraufwand an Bauraum und die zusätzlichen Isolationsmaterialien führen ebenfalls zu einer weiteren Einschränkung der Leistungsfähigkeit derartig realisierter Ableiter.
Gemäß der DE 100 08 764 Al und der dort gezeigten gekapselten Funkenstrecke, ist es bekannt, das Triggerpotential über die metallische Gehäuse- ummantelung der Funkenstrecke zuzuführen. Die dort vorgesehenen Haupt- elektroden werden isoliert gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse in die Funkenstrecke eingebracht. Aufgrund der geringen Lichtbogenlänge und der nur einfachen Aufteilung des Lichtbogens kann mit dieser Lösung des Standes der Technik jedoch nur eine geringe Folgestrombegrenzung erreicht werden.
Bei dem gekapselten Ableiter nach DE 100 18 012 Al wird das Potential der Zündelektrode ebenfalls über den druckfesten metallischen Mantel der Funkenstrecke zugeführt. Der dortige druckfeste Mantel ist aus einem Stück gefertigt und es wird zur Herstellung auf ein einfaches Umformverfahren zurückgegriffen. Der Verzicht auf eine isolierte Durchführung des Zündpotentials führt bei dieser Variante jedoch zu einem Mehraufwand an Isolation im Inneren der Funkenstrecke, da beide Elektroden nicht nur gegeneinander, sondern auch gegenüber dem gesamten Gehäuse isoliert sein müssen. Neben dem höheren Platzbedarf wird durch die aufwendige und spannungsfeste Isolation insbesondere auch die Wärmeabgabe aus der Funkenstrecke behindert. Dies führt zu einer erhöhten thermischen Belastung der Isolationsteile, zu langen Abkühlzeiten und zu einer enormen Einschränkung des für die Funkenstrecke zur Verfügung stehenden Raums. Alle diese Nachteile begrenzen letztendlich die Leistungsfähigkeit der Funkenstrecke.
Dann, wenn zur Verbesserung bestimmter Parameter einer Funkenstrecke eine zusätzliche Abgabe von Hartgas erfolgt, entsteht ein hoher Energieumsatz, der neben der thermischen Belastung zu einer weiteren Erhöhung bzw. einer dynamischen Druckbelastung sowohl bei Impuls- als auch bei Folgeströmen führt.
In der DE 101 64 025 Al ist eine gekapselte triggerbare Funkenstrecke gezeigt, welche nach dem Radax-Flow-Prinzip arbeitet. Bei dieser Lösung des Standes der Technik wird das vorhandene quaderförmige Gehäuse der Funkenstrecke zur Kühlung der heißen Gase verwendet. Die Zuführung zur Triggerelektrode erfolgt durch die Isolationsteile der zweiten, gegenüber dem Gehäuse isolierten Hauptelektrode. Eine derartige Variante ist aufgrund der geometrischen Ausführungsform des Gehäuses sehr aufwendig und schränkt den Platz des aktiven Lichtbogenbereichs gegenüber dem Bereich zur Abkühlung der Gase erheblich ein.
Die vorstehend kurz gewürdigten Lösungen des Standes der Technik umfassen blitzstromtragfähige Niederspannungs-Luftfunkenstrecken, welche aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus eine an sich hohe Druckfestigkeit besitzen.
In der EP 0 305 077 Al wird eine Funkenstrecke geringerer Leistungsfähigkeit vorgestellt, bei welcher eine Triggerelektrode durch den aus Isolationsmaterial bestehenden Außenmantel einer Funkenstrecke hindurchgeführt wird. Diese, nicht blitzstromtragfähige Funkenstrecke besitzt geringe Haupt- elektrodenabstände und keine Mittel zur Erhöhung der Lichtbogenspannung. Der Leistungsumsatz und damit die einhergehende thermische und dynamische Belastung dieser Funkenstrecke des Standes der Technik ist unzureichend. Für den Einsatz in Niederspannungsnetzen ist eine derartige Funkenstrecke ungeeignet. Die dynamische Belastbarkeit des dortigen Gehäuses und der Durchführung der Triggerelektrode ist ebenfalls gering.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte, gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem zylinderförmigen metallischen Außengehäuse, gegebenenfalls einer Triggerelektrode sowie elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden anzugeben, wobei die Funkenstrecke im Vergleich zum Bekannten eine hohe Stoßstromtragfähigkeit bei einer dennoch einfachen, technologisch beherrschbaren Konstruktion gewährleisten soll.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Funkenstrecke gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. Erfindungsgemäß wird das zylinderförmige Außengehäuse mit mindestens einer radial orientierten Öffnung in Form einer Bohrung oder Ausnehmung versehen, durch welche ein elektrischer Zugang zu mindestens einer der im Inneren befindlichen Elektroden geschaffen ist. Hierbei kann es sich um mindestens eine der Hauptelektroden und/oder einen Zugang für eine möglicherweise notwendige oder vorgesehene Trigger- oder Zündelektrode handeln.
In die Bohrung oder Ausnehmung ist dann ein elektrisch isoliertes Kontaktelement, die jeweilige Öffnung abdichtend, einführbar. Das elektrisch isolierte Kontaktelement befindet sich demnach in nichtleitender Verbindung zum bevorzugt metallischen Außengehäuse.
Bei dieser ersten Ausführungsform gemäß dem Grundgedanken der Erfindung ist die Funkenstrecke mit den rotationssymmetrischen Teilen montierbar und es wird das metallische Außengehäuse durch Umbördeln dicht und mechanisch stabil gehalten. Nach dieser Montage erfolgt dann das Ausbilden der Öffnung z. B. durch Anbohrung. Diese Anbohrung endet dann entweder an der jeweiligen Elektrode oder an einem ausgestaltend vorgesehenen leitfähigen oder halbleitenden ringförmigen Stützelement. Dieses Stützelement kann, zum Zweck der Kontaktierung mit einer Triggerelektrode in Verbindung stehend, realisiert werden und ist im Inneren des Außengehäuses angeordnet, wobei sich das ringförmige Stützelement im Abstandsraum zwischen den Hauptelektroden, eingebettet in ein Isolationsmaterial, befindet. Zum optimalen Erreichen der Anbohrung mit vorgegebener Bohrtiefe ist die Außenwandung des ringförmigen Stützelements im Wesentlichen parallel zur Gehäusewandung verlaufend . Wie dargelegt, ist bei dieser Variante die Öffnung als Anbohrung mindestens bis zum Oberfläche der Außenwandung des ringförmigen Stützelements geführt.
Das ringförmige Stützelement erhöht die Druckfestigkeit der Gesamtanordnung im Bereich der radial orientierten Öffnung bzw. Bohrung und gleicht die hierdurch entstandene Schwächung des Außengehäuses mindestens aus. Bei einer weiteren Ausführungsvariante ist das metallische Außengehäuse zweiteilig verschraubt ausgebildet, wobei sich in mindestens einer der Außengehäusehälften die Ausnehmung zur elektrischen Kontaktierung befindet. Diese Ausnehmung nimmt einen Isolationseinsatz sowie das notwendige elektrische Kontaktelement auf.
Auch bei dieser Ausführungsvariante ist im Falle einer vorgesehenen Triggerelektrode ein leitfähiges ringförmiges Stützelement, mit der Triggerelektrode in Verbindung stehend, im Inneren des Außengehäuses angeordnet, wobei sich das ringförmige Stützelement im Abstandsraum zwischen den Hauptelektroden, eingebettet in ein Isolationsmaterial, befindet und die Ausnehmung den gewünschten Zugang zur Außenwandung des ringförmigen Stützelements gewährleistet.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen :
Fig. 1 eine Ausführungsform der gekapselten, druckfest ausgeführten, nicht hermetisch dichten, rotationssymmetrischen Hochleistungsfunkenstrecke mit einteiligem Außengehäuse und radial orientierter Öffnung in Form einer Bohrung zur Kontaktierung einer Triggerelektrode und
Fig. 2 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig . 1, jedoch ausgehend von einem zweiteiligen, verschraubten metallischen Außengehäuse.
Die in der Prinzipdarstellung im Schnitt gemäß Fig. 1 gezeigte Funkenstrecke weist einen rotationssymmetrischen Aufbau auf, wobei nach der Montage der Funkenstrecke das zylinderförmige Außengehäuse 1 radial seitlich mit einer definierten Bohrtiefe angebohrt wird . Diese Anbohrung endet an einem ringförmigen Stützelement 12, welches mit der Triggerelektrode 6 elektrisch verbunden ist. Das ringförmige Stützelement 12 ist gegenüber den Hauptelektroden 2 und 3 und dem Außengehäuse 1 der Funkenstrecke isoliert.
In die so ausgebildete Öffnung wird ein isolierter metallischer Kontakt 13 eingebracht.
Die Realisierung der Druckfestigkeit insbesondere im Bereich der Anbohrung wird durch den Stützring und die Isolation des metallischen Kontakts 13 erreicht sowie durch die notwendige Passung der Teile, insbesondere des isolierten elektrischen Kontakts 13 bezogen auf das Maß der Bohrung im Außengehäuse 1.
Durch eine mäanderförmige Umlenkung oder Verrastung, dargestellt mit dem Bezugszeichen 14 der Stapelteile im Entladungsbereich 7 sowie die entsprechend mäanderförmige Gestaltung der Triggerelektrode wird ein seitliches Ausgasen vermieden. Durch die vorstehenden Maßnahmen ergibt sich eine hohe Druckfestigkeit ohne Ausgasgefahr selbst bei hohen Impulsbelastungen.
Die Isolation am metallischen Kontakt 13 kann bei Bedarf zusätzlich verklebt und auf diese Weise abgedichtet werden.
Prinzipiell kann die Bohrung auch vor Montage im Außengehäuse 1 eingebracht werden, wobei sich hier allerdings bedingt durch die Lageabhängigkeit der Montageaufwand erhöht. Die angrenzenden Isolationsteile besitzen dann bei dieser Ausführungsform bis zum inneren metallischen Kontakt eine Öffnung, welche z. B. bei axialsymmetrischen Teilen als umlaufender Spalt bzw. bei einem unsymmetrischen Isolationsteil auch als Bohrung ausführbar ist (nicht dargestellt).
Die Hauptelektroden 2 und 3 sind bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 über isolierende Durchführungen 4 und 5 gehalten und besitzen einen überstehenden, nach außen orientierten Fortsatz zur elektrischen Kontaktierung . Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, dass das Außengehäuse einen einseitig vollständig geschlossenen Boden aufweist, wobei eine der Haupt- elektroden isoliert sich auf der Bodeninnenseite befindet und durch eine seitliche, radial orientierte Öffnung anstelle der üblichen stirnseitigen Kon- taktierung elektrisch anschließbar ist.
Gemäß der Darstellung nach Fig . 2 wird von einem zweiteiligen Außengehäuse 1.1 und 1.2 ausgegangen, das durch ein geeignetes Gewinde unmittelbar oder mit H ilfe einer Überwurfhülse mittelbar durch Verschrauben verbindbar ist.
In mindestens einer der Gehäusehälften 1.1 ist eine Ausnehmung 15 eingebracht, welche so platziert ist, dass der isolierte elektrische Kontakt 13 durchführbar ist, der wiederum mit dem ringförmigen Stützelement 12 und über dieses Stützelement 12 mit der Triggerelektrode 6 in Verbindung steht.
Die Isolation für das elektrische Kontaktelement 13 kann hier als zweiteiliges Isolationsstück ausgeführt sein, welches gleichzeitig das Stützelement 12 und die Triggerelektrode 6 fixiert.
Alles in allem gelingt es mit der vorgestellten Erfindung, in besonders einfacher Weise einen elektrischen Anschluss mindestens einer Triggerelektrode und/oder einer der Hauptelektroden bei gekapselten Funkenstrecken zu realisieren, ohne dass es hierbei zu einem unvertretbar hohen Montageaufwand bei der Fertigung in den notwendigen und angestrebten hohen Stückzahlen kommt.

Claims

Patentansprüche
1. Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem zylinderförmigen metallischen Außengehäuse, gegebenenfalls einer Triggerelektrode sowie elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass das zylinderförmige Außengehäuse (1) mindestens eine radial orientierte Öffnung in Form einer Bohrung oder Ausnehmung aufweist, durch welche ein elektrischer Zugang zu mindestens einer der im Inneren befindlichen Elektroden geschaffen ist, wobei in die Bohrung oder Ausnehmung ein elektrisch isoliertes Kontaktelement (13), die jeweilige Öffnung abdichtend, einführbar ist.
2. Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer vorgesehenen Triggerelektrode (6) ein leitfähiges ringförmiges Stützelement (12), mit der Triggerelektrode (6) in Verbindung stehend, im Inneren des Außengehäuses (1) angeordnet ist, wobei sich das ringförmige Stützelement (12) im Abstandsraum zwischen den Hauptelektroden (2; 3), eingebettet in ein Isolationsmaterial, befindet und die Außenwandung des ringförmigen Stützelements (12) im Wesentlichen parallel zur Gehäusewandung verläuft sowie die Öffnung als Anbohrung mindestens bis zur Oberfläche der Außenwandung des ringförmigen Stützelements (12) geführt ist.
3. Funkenstrecke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Stützelement (12) die Druckfestigkeit der Gesamtanordnung im Bereich der radial orientierten Öffnung erhöht.
4. Funkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Hauptelektroden (2; 3) durch eine radial orientierte Öffnung unmittelbar kontaktiert ist.
5. Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse zweiteilig, verschraubt ausgebildet ist und in mindestens einer Gehäusehälfte die Ausnehmung (15) befindlich ist.
6. Funkenstrecke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (15) einen Isolationseinsatz sowie das elektrische Kontaktelement (13) aufnimmt.
7. Funkenstrecke nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer vorgesehenen Triggerelektrode (6) ein leitfähiges ringförmiges Stützelement (12), mit der Triggerelektrode (6) in Verbindung stehend, im Inneren des Außengehäuse (1.1 / 1.2) angeordnet ist, wobei sich das ringförmige Stützelement (12) im Abstandsraum zwischen den Hauptelektroden (2; 3), eingebettet in ein Isolationsmaterial, befindet und die Ausnehmung (15) einen Zugang zur Außenwandung des ringförmigen Stützelements (12) gewährleistet.
8. Funkenstrecke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerelektrode (6) im Bereich zwischen dem Stützelement (12) und dem Lichtbogenraum (7) in mäanderförmig verrasteten Isolierteilen (14) befindlich ist und ebenfalls eine Mäanderform aufweist.
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