DE29502452U1 - Anordnung zur raumselektiven Erfassung von Störlichtbögen in Schaltanlagen - Google Patents
Anordnung zur raumselektiven Erfassung von Störlichtbögen in SchaltanlagenInfo
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Description
0 432 GM
Anordnung zur raumselektiven Erfassung von Störlichtbögen in Schaltanlagen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Störlichtbögen entstehen z.B. in Niederspannungs-Schaltanlagen, wenn eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Leitern
oder zwischen Leiter und Erde hergestellt wird, ohne daß ein metallischer Kurzschluß vorliegt, z.B. wenn die Isolation
durchbrochen wird oder durch Fehlbedienungen. Dabei werden die spannungsführenden Teile unterschiedlichen Potentials durch eine
Plasmasäule überbrückt.
Durch die sehr hohe Plasma temperatur erwärmt sich die Umgebung
des Lichtbogens derart schnell und stark, daß es in der Schaltanlage zum Druckaufbau kommt, der schon nach 15 bis 20 ms
sein Maximum erreicht. Häufig ist die Druckbeanspruchung größer als die mechanische Festigkeit der Türen und Trennwände der
Schaltschränke. Diese Teile werden dann abgesprengt und mit hoher Geschwindigkeit bewegt.
Bei Anwesenheit von Personen kann es durch die heißen Gase und durch glühende Teilchen zu erheblichen Verbrennungen kommen.
Außerdem kann die von der Plasmasäule ausgehende Strahlung zur Verblitzung der führen.
Auch in Mittelspannungs-Schaltanlagen können Störlichtbogen
entstehen, die mit Sensoren in bekannter Weise detektiert werden können.
Aus der CH 676 174 ist eine Lichtbogendetektor einrichtung bekannt geworden, die unter Verwendung eines Lichtwellenleiter-Sensors
einen Lichtbogen in einer Schaltanlage detektiert. Der Lichtbogendetektor erstreckt sich hierbei durch mehrere
Schaltzellen. Bei dieser Einrichtung wird unabhängig vom Entstehungsort des Störlichtbogens eine Fehlermeldung
weitergegeben.
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Aus der Zeitschrift Elektrotechnik 1982, Heft 6, S23-27, insbesondere Bild 5 ist ein Schnellkurz schließer bekannt, der in
weniger als 5ms einen Störlichtbogen löschen soll. In Bild 6 der
o.g. Zeitschrift ist ein Netz mit einer Reserveeinspeisung dargestellt, in der die Verwendung des Kurzschließers
beschrieben ist. Jedes Feld ist mit einem Lichtbogensensor ausgestattet, was eine selektive Erfassung prinzipiell
ermöglicht. Besondere Maßnahmen zur Fremdlichteinkopplung sind dort jedoch nicht beschrieben.
Bekannt ist auch die Verwendung eines Lichtwellenleiters, der am Ende einen Sensorkopf aufweist, bestehend aus einer Fisheye-Linse.
Der Sensor spricht bereits in der Entwicklungsphase des Lichtbogens an, beispielsweise mit einer Reaktionszeit von 1 bis
2 ms. Er spricht aber auch wegen seiner hohen Lichtempfindlichkeit auf anderes starkes Licht an.
Ein derartiger Sensor ist in dem ABB-Firmendruck "ABB-Technik 5/90" und "elektro-anzeiger 43.Jg. Nr 11 vom 15.11.1990, Knutson, Ulf; Lars-Erik" beschrieben.
Ein derartiger Sensor ist in dem ABB-Firmendruck "ABB-Technik 5/90" und "elektro-anzeiger 43.Jg. Nr 11 vom 15.11.1990, Knutson, Ulf; Lars-Erik" beschrieben.
Eine Kombination von elektromagnetisch- und lichtempfindlichen
Sensoren bzw. Detektoren, insbesondere für Niederspannungs-Schaltanlagen, ist aus der EP 0 57 5 932 Al bekannt.
Bei dieser Kombination werden spezielle Hallsensoren mit Lichtwellenleitern, die eine gefärbte Ummantelung aufweisen, kombiniert. Durch die blaue oder grüne Ummantelung, in die das Licht des Störlichtbogens eingekoppelt wird, erreicht man eine Verbesserung der Auslösesicherheit.
Bei dieser Kombination werden spezielle Hallsensoren mit Lichtwellenleitern, die eine gefärbte Ummantelung aufweisen, kombiniert. Durch die blaue oder grüne Ummantelung, in die das Licht des Störlichtbogens eingekoppelt wird, erreicht man eine Verbesserung der Auslösesicherheit.
Mit einer derartigen Kombination lassen sich Detektionszeiten deutlich kleiner 5 ms, z.B. im Bereich 1 ms realisieren.
Die Färbung allein reicht jedoch nicht aus, um andere Lichtquellen mit starken spektralen Anteilen im Blau- oder Grünbereich sicher auszugrenzen.
Die Färbung allein reicht jedoch nicht aus, um andere Lichtquellen mit starken spektralen Anteilen im Blau- oder Grünbereich sicher auszugrenzen.
Ein UV-Sensor zur Lichtbogenerfassung ist aus der DD 254 278 bekannt. Dieser besteht aus einer Fotodiode, einem
Lichtwellenleiter, einer Linse, einem UV-Filter und einer
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optisch aktiven Substanz. Das Licht wird stirnseitig in den Lichtwellenleiter eingekoppelt. Zur selektiven Erfassung sind
derartige Sensoren, die relativ kostenintensive Filtersysteme aufweisen, nicht geeignet, da eine Vielzahl von Sensoren
erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu finden, die kostengünstig ist
ohne die optischen Eigenschaften der Sensoren wesentlich zu verändern.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, während in den Unteransprüchen
besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß eine Minimierung der Anzahl von kostenintensiven Filtern, wie
spezielle Schmalbandfiltern, bei einer raumselektiven
Störlichtbogenerfassung realisiert werden kann.
Um eine funktionsraumselektive Störlichtbogenerfassung ohne die
Erfindung realisieren zu können, müßte je Funktionsraum z.B. ein Schmalbandfilterelement eingesetzt werden. Bei der Anzahl der
notwendigen Filterelemente je Schaltzelle sowie der Gesamtgröße einer Schaltanlage wäre eine unvertretbar hohe Vielzahl von
Filterelementen erforderlich, was als äußerst kostenintensiv zu bewerten ist. Optische Empfangsdioden, Komparatoren,
Schwellwertschalter und ähnliche Bauelemente sind im Vergleich zu den Filterelementen signifikant kostengünstiger, so daß sich
durch die Erfindung die Kosten einer selektiven Bewertung in einem vertretbaren Rahmen bewegen.
Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, sollen die Erfindung, weitere Ausgestaltungen
• . · . 0 4
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und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher beschrieben und erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Anordnung zur raumselektiven Erfassung unter Verwendung einer optischen Weiche,
Fig. 2 eine Anordnung zur raumselektiven Erfassung unter Verwendung jeweils zweier Lichtwellenleiter,
Fig. 3 eine Darstellung des Filtersystems und
Fig. 4 eine typische Messung der spektralen Transmissionskurve der Gesamtanordnung eines einzelnen
Lichtbogensensors.
Innerhalb jeden Funktionsraumes einer Schaltanlage wird ein System 1 zur Festlegung des optischen Empfangsbereiches so
positioniert, daß ein in diesem Funktionsraum entstehender Störlichtbogen innerhalb kürzester Zeit detektiert werden kann.
Hierbei ist zu beachten, daß der Abstand von dem möglichen Entstehungsort zu dem System 1 möglichst gering ist. Bei dem
System 1 handelt es sich hier um ein auf die Stirnfläche eines Lichtwellenleiters 3 aufgesetztes optisches Teil. Das System 1
besteht aus Linsen, wobei diese verschiedene optischen Charakteristika aufweisen können. Die Linsen sitzen in einer an
die Lichtwellenleitergeometrie angepaßten Hülse.
Das optische Teil koppelt je nach Empfangscharakteristik der Linsen optische Storlichtbogenstrahlung in die Stirnfläche des angeschlossenen Lichtwellenleiters 3 ein. Auf die Hülse integrierte optische Dämpfungsglieder, z.B. Schwarzglas, nehmen eine erste quantitative Bewertung der Storlichtbogenstrahlung hinsichtlich Störsicherheit vor. In jedem Funktionsraum einer Schaltanlage wird ein solches System positioniert.
Das optische Teil koppelt je nach Empfangscharakteristik der Linsen optische Storlichtbogenstrahlung in die Stirnfläche des angeschlossenen Lichtwellenleiters 3 ein. Auf die Hülse integrierte optische Dämpfungsglieder, z.B. Schwarzglas, nehmen eine erste quantitative Bewertung der Storlichtbogenstrahlung hinsichtlich Störsicherheit vor. In jedem Funktionsraum einer Schaltanlage wird ein solches System positioniert.
Ein Funktionsraum ist hierbei ein Teilbereich eines Verteilerfeldes. Die einzelnen Verteilerfelder, die
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Schaltschrankgröße aufweisen, bilden die Schaltanlage.
Die einzelnen Funktionsräume weisen ferner eine unabhängig von anderen Funktionsräumen zu öffnende Schaltschranktür und sind
über- und nebeneinander angeordnet.
Ein Funktionsraum kann aber auch hier ein Einschub sein.
Die empfangene optische Storlichtbogenstrahlung wird von einem
Lichtwellenleiter 3 zur spektral selektiv arbeitenden Empfangseinrichtung 4 transportiert und dort spektral bewertet
und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Empfangseinrichtung 4 wird später näher erläutern. Überschreitet
dieses elektrische Signal nach seiner Verstärkung einen Schwellwert in einem ersten Verarbeitungsteil 5 wird ein den
Störlichtbogen repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal generiert, daß einem Logikteil 6 zugeführt wird.
In dem ersten Verarbeitungsteil 5 sowie einem zweiten Verarbeitungsteil 8 werden die von Empfangsdioden erzeugten
elektrischen Signale mittels Operationsverstärker verstärkt und einem Schwellwertschalter zugeführt. Nach Überschreiten eines
eingeschalteten Schwellwertes wird ein digitales Ausgangssignal erzeugt.
In dem Logikteil 6 erfolgt eine logische UND-Verknüpfung zwischen dem aus dem spektral bewerteten Anteil der
Storlichtbogenstrahlung resultierenden Spannungssignal mit einem funktionsraumselektiv erzeugten Spannungssignal, wobei der
spektral bewertete Anteil aus der Empfangseinrichtung 4 und den Verarbeitungsteil 5 resultiert.
Durch Aufsplittung der durch das System 1 empfangenen optischen Storlichtbogenstrahlung mittels einer optischen Weiche 2, wie in
Fig. 1 gezeigt ist, oder durch optische Ankopplung zweier Lichtwellenleiter direkt an das System 1, wie in der Fig. 2
gezeigt ist, wird einem optischen Entpfangsmodul 7 mit getrennten
Empfangselementen 9 optische Storlichtbogenstrahlung zugeführt.
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In dem Empfangsmodul 7 sind entsprechend der Anzahl der Funktionsräume optische Empfangsdioden integriert, die
unabhängig voneinander die je Funktionsraum empfangene optische Störlichtbogenstrahlung auswerten. In diesem Funktionselement
wird letz lieh die funktionsraumselektive Bewertung der
Störlichtbogenstrahlung vorgenommen. D.h. je nach störlichtbogenbehaftetem Funktionsraum generiert einer der
optischen Empfänger in dem Empfangsmodul 7 ein elektrisches Signal, das in dem zweiten Verarbeitungsteil 8 verstärkt wird.
Überschreitet dieses elektrische Signal einen in dem zweiten Verarbeitungsteil 8 festgelegten Schwellwert, wird ein den
Stör lichtbogen repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal von dem zweiten Verarbeitungsteil 8 generiert und dem Logikteil 6
zugeführt.
In dem Logikteil 6 erfolgt die bereits erläuterte UND-Verknüpfung beider elektrischen Signale zu einem Summensignal,
daß ein entsprechendes Schaltgerät zur Ausschaltung des Störlichtbogens anregen kann. Das Schaltgerät kann ein
Leistungsschalter oder ein Kurzschließer oder beides sein.
In dem Logikteil kann eine getrennte UND-Verknüpfung und eine Anzeige bestehend aus Leuchtdioden vorhanden sein, die den Entstehungsort des Störlichtbogens, d.h. den Funktionsraum, anzeigt.
In dem Logikteil kann eine getrennte UND-Verknüpfung und eine Anzeige bestehend aus Leuchtdioden vorhanden sein, die den Entstehungsort des Störlichtbogens, d.h. den Funktionsraum, anzeigt.
Eine von dem Existenzort eines Störlichtbogens abhängige
Ansteuerung von mehreren Schaltgeräten ist möglich, wenn eine getrennte UND-Verknüpfung der aus beiden Verarbeitungsteilen 5,
8 gewonnenen Signale erfolgt, wobei dann das Logikteil 6 mit mehreren getrennten Ausgängen versehen ist, die mit getrennten
Anschlußklemmen verbunden sind.
Die Fig. 3 zeigt eine detaillierte Darstellung der Empfangseinrichtung 4, die aus einem Filtersystem und einer
Photodiode besteht.
Das Filtersystem besteht aus vier Komponenten 7a, 5',6',7b, die
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mit zwischenliegenden Schwächungsschichten Sl bis S4 zur Lichtabschwächung und Kittschichten Kl bis K4 versehen sind.
Als oben aufliegende erste Komponente 7a ist ein Blauglas mit einer ersten auf gedämpf ten Schwächungsschicht Sl vorhanden, die
mit einer zweiten Komponente 51 -bestehend aus einem Grauglas
mit einem aufgedämften Interferenzfilter I- durch eine erste
Kittschicht Kl verbunden ist. Anschließend folgt eine zweite Kittschicht K2, ein optisches Glas (BK7) mit einer zweiten
auf gedämpf ten S chwächungs schicht S2, die hier als dritte Komponente 61 bezeichnet wird. Danach folgt eine dritte
Kittschicht K3, eine auf einem Blauglas aufgedämpfte dritte
Schwächungsschicht S3, eine vierte Schwächungsschicht S4 hinter
dem Blauglas, eine aufgedämpfte SiO2-Schutzschicht und eine
vierte Kittschicht K4 zur Verbindung mit der Photodiode D.
Bei einem Störlichtbogen z.B. in einer Niederspannungs-Schaltanlage
an Kupfersammeischienen entsteht eine besonders markante Spektrallinie bei der Wellenlänge 522 nm. Weitere
Spektral linien liegen im sichtbaren sowie UV-Bereich. Bei den
hier verwendeten Schmalbandfiltern handelt es sich um Filter für
den sichtbaren Spektralbereich des Lichts.
Die Transmissionskurve des Schmalbandfilters ist in der Fig. 4
dargestellt. Das Empfindlichkeitsmaximum des Filtersystems (Fig. 4) stimmt im wesentlichen mit der typischen Spektralkennlinien
von 522 nm überein. Die Transmission dieses eigentlichen Filters beträgt etwa 50% im Maximum und fällt zu größeren und kleineren
Wellenlängen stark ab.
Obwohl das gesamte Filtersystem insgesamt eine Transmission bei 522 nm von nur 0,3% aufweist, ist eine sichere Detektion von
Störlichtbögen, insbesondere in Niederspannungs-Schaltanlagen möglich.
Die Auslöseschwelle sollte derart hoch sein, daß die Detektionszeit kleiner 3 ms ist. Das Störsignal darf dabei max.
2 0% vom Lichtbogenlichtsignal betragen.
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Die Empfangseinrichtung 4 kann auch aus anderen Filtern mit anderen Wellenlängenbereichen, z.B. 410 nm oder im UV-Bereich.
Wichtig ist, daß die optische Eigenstrahlung eines Störlichtbogens unabhängig von dessen Entstehungsort in einem
abgeschotteten Raum, z.B Funktionsraum, in die Stirnfläche eines
in diesem Raum positionierten Lichtwellenleiters 3 eingekoppelt und einer gemeinsamen spektral selektiv arbeitenden
Empfangseinrichtung 4, bestehend aus einem optischen Filterelement, zur Ja-Nein-Bewertung der Störlichtbogenexistenz
in einem beliebigen abgeschotteten Raum der Schaltanlage zugeführt wird und mit Hilfe eines jeden Raum, d.h.
Funktionsraum, speziell zugeordneten nicht spektral selektiv arbeitenden optischen Empfangsmoduls 7 mittels Lichtwellenleiter
3 die Lichtbogenstrahlung zugeführt wird.
Für die funktionsraumselektive von Störlichtbögen speziell in
Niederspannungs-Schaltanlagen ist es wichtig, daß mit Hilfe eines spektral selektiv arbeitenden optischen Filterelements ein
Stör lichtbogen innerhalb von 3 ms detektiert wird und mit Hilfe eines nicht spektral arbeitenden optischen Empfängers die
Storlichtbogenstrahlung einzelnen Funktionsräumen der Schaltanlage zugeordnet werden kann.
Claims (1)
- SchutzansprücheAnordnung zur raumselektiven Erfassung von Störlichtbogen in Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie, bestehend aus Lichtbogendetektoren mit Lichtwellenleitern, in die die optische Eigenstrahlung eines Störlichtbogens eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus mindestens einer spektral selektiv arbeitenden Empfangseinrichtung (4), aus mindestens einem nicht spektral selektiv arbeitenden optischen Empfangsmodul (7) und einem Logikteil (6) zur logischen Verknüpfung der Signale der Empfangseinrichtung (4) und des Empfangsmoduls (7) besteht, wobei die Empfangsflächen der Lichtwellenleiter (3) in abgeschotteten Räumen der Schaltanlage angeordnet sind, und daß die einzelnen den Räumen zugeordneten Lichtwellenleitern (3) getrennten Empfangselementen (9) des Empfangsmoduls (7) zugeordnet sind, während ein aus den einzelnen Räumen abgeleitetes Summensignal der Empfangseinrichtung (4) zugeführt wird.Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenstrahlung eines Störlichtbogens an den Stirnflächen der Lichtwellenleiter eingekoppelt wird.3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschotteten Räume Funktionsräume sind.4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektral selektiv arbeitenden Empfangseinrichtung (4) aus mindestens einem optischen Filterelement besteht.5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektral selektiv arbeitenden Empfangseinrichtung (4) aus mindestens einem Interferenzfilter besteht.Klöckner-Moeller GmbH09.11.94 0 432 GM6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektral selektiv arbeitenden Empfangseinrichtung (4) aus mindestens einem optischen Filter mit einem Empfindlichkeitsmaximum bei einer Wellenlänge von etwa 522 nm besteht.7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb jeden Funktionsraumes einer Schaltanlage ein mit den einzelnen Lichtwellenleiter (3) wirkendes System (1) zur Festlegung des optischen Empfangsbereiches so positioniert wird, daß ein in diesem Funktionsraum entstehender Störlichtbogen innerhalb von 3 ms detektiert werden kann.8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein System (1) vorhanden ist, daß aus einem auf die Stirnfläche eines Lichtwellenleiters (3) aufgesetzten optischen Teil besteht, das Linsen aufweist, wobei die Linsen verschiedene optischen Charakteristika aufweisen und in einer an die Lichtwellenleitergeometrie angepaßten Hülse sitzen können.9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse mit integrierten optischen Dämpfungsgliedern vorhanden ist, wobei die optischen Dämpfungsglieder eine erste quantitative Bewertung der Störlichtbogenstrahlung hinsichtlich Störsicherheit vornehmen.10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verarbeitungsteil (5) sowie einem zweiten Verarbeitungsteil (8) die von Empfangsdioden erzeugten elektrischen Signale mittels Operationsverstärker verstärkt und einem Schwellwertschalter zugeführt werden, wobei nach Überschreiten eines eingeschalteten Schwellwertes ein digitales Ausgangssignal erzeugt wird.KlöcJcner-Moeller GmbH09.11.94 0 432 GM11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Logikteil (6) eine logische UND-Verknüpfung zwischen dem aus dem spektral bewerteten Anteil der Störlichtbogenstrahlung resultierenden Spannungssignal mit einem funktionsraumselektiv erzeugten Spannungssignal erfolgt, wobei der spektral bewertete Anteil aus der Empfangseinrichtung (4) und den Verarbeitungsteil (5) resultiert.12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Auf splittung der durch ein System (1) empfangenen optischen Störlichtbogenstrahlung mittels einer optischen Weiche (2) einem optischen Empfangsmodul (7) optische Störlichtbogenstrahlung zugeführt wird.13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufsplittung der durch ein System (1) empfangenen optischen Störlichtbogenstrahlung mittels optischer Ankopplung zweier Lichtwellenleiter (3) direkt an das System (1) einem optischen Empfangsmodul (7) optische Störlichtbogenstrahlung zugeführt wird (Fig. 2).14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Empfangsmodul (7) entsprechend der Anzahl der Funktionsräume einer Schaltanlage optische Empfangsdioden integriert sind, die unabhängig voneinander die je Funktionsraum empfangene optische Störlichtbogenstrahlung auswerten.15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Logikteil mindestens ein Schaltgerät ansteuert, daß ein Leistungsschalter oder ein Kurzschließer oder beides ist.* 4Klöckner-Moeller GmbH-12-09.11.94 0 432 GM16. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschotteten Räume Funktionsräume einer Niederspannungs-Schaltanlage sind.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29502452U DE29502452U1 (de) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | Anordnung zur raumselektiven Erfassung von Störlichtbögen in Schaltanlagen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29502452U DE29502452U1 (de) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | Anordnung zur raumselektiven Erfassung von Störlichtbögen in Schaltanlagen |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE29502452U1 true DE29502452U1 (de) | 1996-06-13 |
Family
ID=8003922
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE29502452U Expired - Lifetime DE29502452U1 (de) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | Anordnung zur raumselektiven Erfassung von Störlichtbögen in Schaltanlagen |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| DE (1) | DE29502452U1 (de) |
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