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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung, die ein Gehäuse mit einem Gehäusegasraum, der mit einem Gas befüllt ist, und eine in dem Gehäuse angeordnete Unterbrechereinheit aufweist.
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Die Schalteinrichtung ist beispielsweise ein Leistungsschalter. Ein Leistungsschalter ist eingerichtet, hohe Überlastströme und Kurzschlussströme schnell und sicher auszuschalten. Das Gas in dem Gehäusegasraum ist typischerweise ein unter Überdruck stehendes Isoliergas zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit, beispielsweise gereinigte und entfeuchtete Luft oder Schwefelhexafluorid. Eine derartige Schalteinrichtung weist elektrische Leiter auf, die in dem Gehäuse angeordnet sind. Ein Hochspannungsleistungsschalter ist insbesondere eingerichtet, hohe Ströme bei hohen Spannungen zu schalten. Daher ist ein Hochspannungsleistungsschalter auch eingerichtet, hohe Spannungen zu isolieren.
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Ein in einem elektrischen Leiter fließender elektrischer Strom erwärmt den Leiter und verursacht eine mit der Erwärmung des Leiters einhergehende so genannte ohmsche Verlustleistung. Geltende Normen schreiben eine maximal zulässige Erwärmung des Leiters einer Schalteinrichtung vor, wodurch der maximal zulässige elektrische Strom in dem Leiter begrenzt wird. Daher müssen technische beziehungsweise konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, um die maximale Erwärmung des Leiters zu begrenzen. Gleichzeitig ist es Ziel dieser Maßnahmen, den Strom in dem Leiter zu maximieren, das heißt diesen Strom dem zulässigen elektrischen Strom möglichst weit anzunähern.
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Um die Erwärmung eines Leiters einer Schalteinrichtung und die ohmsche Verlustleistung zu begrenzen, können beispielsweise ein großer Leiterquerschnitt des Leiters und/oder ein geeignetes Leitermaterial mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden. Diese Maßnahmen erhöhen die Kosten für einen Leiter aufgrund der Menge und/oder der Auswahl des Materials für den Leiter.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schalteinrichtung mit den oben genannten Eigenschaften anzugeben, die insbesondere hinsichtlich der Begrenzung der Erwärmung eines elektrischen Leiters der Schalteinrichtung verbessert ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Schalteinrichtung umfasst
- - ein Gehäuse mit einem Gehäusegasraum, der mit einem Gas befüllt ist,
- - eine in dem Gehäuse angeordnete Unterbrechereinheit mit einem elektrischen Kontaktelement und
- - einen in dem Gehäuse angeordneten, die Unterbrechereinheit stützenden Sockel, der elektrisch mit dem Kontaktelement der Unterbrechereinheit verbunden ist und einen Sockelgasraum aufweist, wobei
- - der Sockel mehrere Sockelöffnungen aufweist, durch die der Sockelgasraum mit dem Gehäusegasraum verbunden ist.
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Die Formulierung, dass die Schalteinrichtung einen Sockel mit den genannten Eigenschaften aufweist, schließt nicht aus, dass die Schalteinrichtung mehrere, insbesondere zwei, derartige Sockel aufweist. Die Formulierung ist daher so zu verstehen, dass die Schalteinrichtung wenigstens einen Sockel mit den genannten Eigenschaften aufweist.
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Die Formulierung, dass die Unterbrechereinheit ein elektrisches Kontaktelement aufweist, ist so zu verstehen, dass die Unterbrechereinheit wenigstens ein elektrisches Kontaktelement aufweist. Dabei muss nicht jedes elektrische Kontaktelement der Unterbrechereinheit elektrisch mit dem Sockel verbunden sein, sondern nur wenigstens eines.
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Wenn in dem Sockel ein elektrischer Strom fließt, erwärmt sich der Sockel. Dadurch erwärmt sich auch das Gas in dem Sockelgasraum des Sockels. Erfindungsgemäß weist der Sockel mehrere Sockelöffnungen auf, durch die der Sockelgasraum mit dem Gehäusegasraum verbunden ist. Die Erfindung zielt darauf, Wärme aus dem Sockel abzuführen, indem erwärmtes Gas aus dem Sockelgasraum durch wenigstens eine Sockelöffnung abgeführt wird und gleichzeitig kühleres Gas aus dem Gehäusegasraum durch wenigstens eine Sockelöffnung in den Sockelgasraum strömt, um den Sockel zu kühlen und seinen elektrischen Widerstand zu reduzieren. Es stellt sich eine Gasströmung in und aus dem Sockel ein, die einen Wärmetransport durch Konvektion begünstigt. Die Sockelöffnungen bewirken somit eine effektive Kühlung des Sockels, wodurch der maximal zulässige elektrische Strom in dem Sockel zunimmt oder beispielsweise ein kleinerer Leiterquerschnitt des Sockels den gleichen Strom tragen kann, ohne die maximal zulässige Temperatur des Sockels zu überschreiten. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Sockelöffnungen kann ferner die sich im Sockel ausbildende Gasströmung beziehungsweise die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit des Gases beeinflusst werden, wobei eine höhere Strömungsgeschwindigkeit den Wärmetransport durch Konvektion begünstigt und somit die Stromtragfähigkeit des Sockels erhöht. Ferner werden beispielsweise Sockelöffnungen gezielt in Bereichen eingebracht, welche durch besonders hohe Sockeltemperaturen auffallen, wodurch die Sockeltemperatur dieser Bereiche reduziert werden kann.
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Bei einer Ausgestaltung der Schalteinrichtung sind die Sockelöffnungen in Bereichen des Sockels mit geringen elektrischen Feldstärken angeordnet. Die Sockelöffnungen werden also entsprechend der Feldstärkeverteilung in der Schalteinrichtung angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass die Sockelöffnungen keine kritischen elektrischen Feldstärken in der Schalteinrichtung verursachen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Schalteinrichtung ein Hochspannungsleistungsschalter ist, um hohe elektrische Feldstärken in der Schalteinrichtung zu beherrschen.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Schalteinrichtung sind erste Sockelöffnungen ringartig um einen Endbereich der Unterbrechereinheit herum verteilt angeordnet. Dieser Bereich eignet sich für die Anordnung von Sockelöffnungen, da der Endbereich der Unterbrechereinheit in der Regel elektrisch abgeschirmt ist und somit in diesem Bereich geringe Feldstärken auftreten.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Schalteinrichtung werden die ersten Sockelöffnungen durch eine Ringstruktur des Sockels gebildet, die um den Endbereich der Unterbrechereinheit herum verläuft, an dem Endbereich der Unterbrechereinheit anliegende Teilbereiche aufweist und zwischen diesen Teilbereichen die ersten Sockelöffnungen ausbildet, indem sie zwischen den Teilbereichen von dem Endbereich der Unterbrechereinheit beabstandet ist. Beispielsweise ist die Ringstruktur aus einem Kunststoff gefertigt. Ferner sind die ersten Sockelöffnungen beispielsweise entlang der Ringstruktur gleichmäßig verteilt. Insbesondere kann der Sockel beispielsweise drei erste Sockelöffnungen aufweisen. Die ersten Sockelöffnungen werden also bei diesen Ausgestaltungen der Schalteinrichtung durch eine Ringstruktur ausgebildet, die in Teilbereichen an dem Endbereich der Unterbrechereinheit anliegt und zwischen diesen Teilbereichen von dem Endbereich der Unterbrechereinheit beabstandet ist. Durch die Ringstruktur kann daher gleichzeitig der Endbereich der Unterbrechereinheit an dem Sockel gehalten werden. Eine gleichmäßige Verteilung der ersten Sockelöffnungen entlang der Ringstruktur, beispielsweise mit drei ersten Sockelöffnungen, ermöglicht eine gleichmäßige Stützung des Endbereichs der Unterbrechereinheit durch die an ihm anliegenden Teilbereiche der Ringstruktur.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Schalteinrichtung ist wenigstens eine zweite Sockelöffnung in einem Endbereich des Sockels angeordnet, der einem Endbereich der Unterbrechereinheit zugewandt ist. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Schalteinrichtung ist wenigstens eine zweite Sockelöffnung in einem Bereich des Sockels angeordnet, der sich trichterartig zu einem Endbereich der Unterbrechereinheit weitet. Diese Anordnung zweiter Sockelöffnungen eignet sich, weil die zweiten Sockelöffnungen durch die Weitung des Sockels zu dem Endbereich der Unterbrechereinheit in Bereichen geringer elektrischer Feldstärken liegen.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Schalteinrichtung ist wenigstens eine zweite Sockelöffnung in einem Bereich des Sockels angeordnet, in dem der Sockel mit einem elektrischen Leiter einer Gehäusedurchführung verbunden ist. Diese Anordnung einer zweiten Sockelöffnung eignet sich, weil die zweite Sockelöffnung im „Feldschatten“ der Verbindung des Sockels mit dem elektrischen Leiter und damit in einem Bereich geringer elektrischer Feldstärken angeordnet ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Schalteinrichtung sind alle Ränder jeder zweiten Sockelöffnung verrundet. Dadurch werden hohe elektrische Feldstärken durch scharfe Kanten der zweiten Sockelöffnungen vermieden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Schalteinrichtung sind mehrere zweite Sockelöffnungen entlang eines Umfangs des Sockels verteilt angeordnet. Beispielsweise weist der Sockel drei zweite Sockelöffnungen auf. Dadurch kann insbesondere eine Gasströmung zwischen dem Gehäusegasraum und dem Sockelgasraum begünstigt werden, beispielsweise indem eine zweite Sockelöffnung an einer Oberseite des Sockels und wenigstens eine zweite Sockelöffnung seitlich am Sockel angeordnet ist.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Abschnitts eines Ausführungsbeispiels einer Schalteinrichtung,
- 2 eine erste perspektivische Schnittdarstellung von Endbereichen eines Sockels und einer Unterbrecheinheit einer Schalteinrichtung,
- 3 eine zweite perspektivische Schnittdarstellung der in 2 gezeigten Endbereiche des Sockels und der Unterbrecheinheit,
- 4 eine Sicht auf die in den 2 und 3 gezeigten Endbereiche des Sockels und der Unterbrecheinheit von dem Inneren der Unterbrecheinheit,
- 5 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Sockels einer Schalteinrichtung,
- 6 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Sockels einer Schalteinrichtung,
- 7 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Sockels einer Schalteinrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 (1) zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Abschnitts eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 1. Die in 1 dargestellten Komponenten der Schalteinrichtung 1 sind ein Gehäuse 3, eine Unterbrechereinheit 5, ein Sockel 7, eine Halterung 9 und eine Gehäusedurchführung 11. Die Unterbrechereinheit 5, der Sockel 7 und die Halterung 9 sind in dem Gehäuse 3 angeordnet.
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Das Gehäuse 3 ist beispielsweise aus Metall gefertigt und geerdet, das heißt auf ein Erdpotential gelegt. Das Gehäuse 3 umgibt einen Gehäusegasraum 13, der mit einem Gas befüllt ist. Das Gas ist ein unter Überdruck stehendes Isoliergas, beispielsweise gereinigte und entfeuchtete Luft oder Schwefelhexafluorid.
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Die Unterbrechereinheit 5 weist zwei Schaltelemente 40 (siehe die 2 bis 4, wobei nur ein Abschnitt eines Schaltelements dargestellt ist) auf, die in einer ersten Schaltstellung aneinander anliegen und in einer zweiten Schaltstellung voneinander getrennt sind. Beispielsweise weist die Unterbrechereinheit 5 eine Vakuumschaltröhre auf, in der die Schaltelemente angeordnet sind. Die Art und Ausbildung der Unterbrechereinheit 5 ist jedoch für die Erfindung nicht relevant.
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Der Sockel 7 stützt die Unterbrechereinheit 5 und ist überwiegend aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere aus Metall, gefertigt. Der Sockel 7 ist elektrisch mit einem (nicht dargestellten) elektrischen Kontaktelement der Unterbrechereinheit 5 verbunden. Der Sockel 7 weist einen Sockelgasraum 15 auf, der durch eine erste Sockelöffnung 17 und eine zweite Sockelöffnung 19 des Sockels 7 mit dem Gehäusegasraum 13 verbunden ist, so dass Gas durch die Sockelöffnungen 17, 19 zwischen dem Gehäusegasraum 13 und dem Sockelgasraum 15 strömen kann.
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Ferner ist der Sockel 7 über die Halterung 9 an dem Gehäuse 3 befestigt. Die Halterung 9 ist aus elektrisch isolierendem Material gefertigt, so dass der Sockel 7 gegenüber dem Gehäuse 3 elektrisch isoliert ist.
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Die Gehäusedurchführung 11 umfasst einen Isolator 23, einen elektrischen Leiter 25 und einen Deckel 27. Der Isolator 23 ist aus elektrisch isolierendem Material gefertigt und umgibt einen Durchführungsgasraum 29. Der Isolator 23 und der Leiter 25 sind jeweils gerade ausgebildet. Der Leiter 25 ist als ein Hohlleiter ausgebildet.
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Der Isolator 23 steht von dem Gehäuse 3 schräg nach oben gerichtet ab. Der Durchführungsgasraum 29 ist mit dem Gehäusegasraum 13 verbunden, so dass Gas zwischen dem Gehäusegasraum 13 und dem Durchführungsgasraum 29 strömen kann.
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Der Deckel 27 verschließt den Isolator 23 an dessen von dem Gehäuse 3 abgewandten Ende und ist aus elektrisch leitendem Material, insbesondere aus Metall, gefertigt. An dem Deckel 27 ist auf dessen von dem Durchführungsgasraum 29 abgewandter Seite eine elektrisch leitende Anschlussfahne 33 zum elektrischen Kontaktieren der Schalteinrichtung 1 angeordnet.
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Der Leiter 25 verbindet den Sockel 7 und den Deckel 27 elektrisch miteinander und ist von dem Isolator 23 beabstandet durch den Durchführungsgasraum 29 geführt. Der Leiter 25 weist ein offenes erstes Leiterende 35 auf, über das der Leiter 25 elektrisch mit dem Sockel 7 verbunden ist. Außerdem weist der Leiter 25 ein mit dem Deckel 27 elektrisch verbundenes und von dem Deckel 27 verschlossenes zweites Leiterende 39 auf.
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Der Sockel 7 und der Leiter 25 bilden daher einen elektrischen Strompfad zwischen der Unterbrechereinheit 5 und der Anschlussfahne 33. Wenn in diesem Strompfad ein elektrischer Strom fließt, erwärmt sich der Sockel 7. Dadurch wird Gas in dem Sockelgasraum 15 erwärmt. Zumindest ein Teil dieses Gases strömt durch die zweite Sockelöffnung 19 aus dem Sockelgasraum 15 in den Gehäusegasraum 13. Gleichzeitig strömt kühleres Gas durch die erste Sockelöffnung 17 aus dem Gehäusegasraum 13 in den Sockelgasraum 15. Dieses Gas kühlt den Sockel 7, reduziert dadurch den elektrischen Widerstand des Sockels 7 und erhöht die Stromtragfähigkeit des Sockels 7. Die Strömung des Gases ist in 1 durch Pfeile dargestellt.
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Die 2 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 1 mit ersten Sockelöffnungen 17, die im Bereich angeordnet sind, in dem die Unterbrecheinheit 5 der Schalteinrichtung 1 von dem Sockel 7 gestützt wird. Dabei sind jeweils nur ein Endbereich 41 des Sockels 7 und ein Endbereich 43 der Unterbrecheinheit 5 dargestellt. 2 (2) und 3 (3) zeigen jeweils eine perspektivische Schnittdarstellung der Endbereiche 41, 43 des Sockels 7 und der Unterbrecheinheit 5, 4 (4) zeigt eine Sicht auf die Endbereiche 41, 43 des Sockels 7 und der Unterbrecheinheit 5 von dem Inneren der Unterbrecheinheit 5.
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Der Endbereich 41 des Sockels 7 umfasst eine metallische Struktur, die den Endbereich 43 der Unterbrecheinheit 5 glockenartig umgibt, wobei das Ende dieser metallischen Struktur aber zu dem Endbereich 43 der Unterbrecheinheit 5 hin gekrümmt und verrundet ausgebildet ist, um die elektrischen Feldstärken in diesem Bereich zu reduzieren. In die metallische Struktur des Endbereichs 41 des Sockels 7 ist in einer innenseitig in dieser Struktur verlaufenden Nut 45 eine Ringstruktur 47 eingelegt, die aus einem Kunststoff gefertigt ist und um den Endbereich 43 der Unterbrecheinheit 5 herum verläuft. Durch die Ringstruktur 47 wird der Endbereich 43 der Unterbrecheinheit 5 in dem Endbereich 41 des Sockels 7 gehalten. Zu diesem Zweck weist die Ringstruktur 47 an dem Endbereich 43 der Unterbrechereinheit 5 anliegende Teilbereiche 49 auf. Gleichzeitig bildet die Ringstruktur 47 die ersten Sockelöffnungen 17 des Sockels 7 aus, indem sie zwischen den Teilbereichen 49 von dem Endbereich 43 der Unterbrechereinheit 5 beabstandet ist. Diese Lage der ersten Sockelöffnungen 17 ist vorteilhaft, da die ersten Sockelöffnungen 17 im Bereich kleiner elektrischer Feldstärken liegen, denn die metallische Struktur des Endbereichs 41 des Sockels 7 schirmt elektrische Felder im Bereich der ersten Sockelöffnungen 17 ab.
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Die 5 bis 7 zeigen perspektivische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele eines Sockels 7 mit jeweils wenigstens einer zweiten Sockelöffnung 19.
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5 (5) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sockels 7 mit zwei zweiten Sockelöffnungen 19, die jeweils in einem Bereich des Sockels 7 angeordnet sind, in dem der Sockel 7 mit dem elektrischen Leiter 25 einer Gehäusedurchführung 11 verbunden ist. Dabei ist eine Leiteröffnung 51 in dem Sockel 7 für den Leiter 25 gezeigt. Die zweiten Sockelöffnungen 19 sind unterhalb der Leiteröffnung 51 für den Leiter 25 angeordnet, wobei in 5 nur eine der zweiten Sockelöffnungen 19 sichtbar ist (die andere ist auf der gegenüberliegenden des Sockels 7 angeordnet).
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6 (6) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sockels 7 mit einer zweiten Sockelöffnung 19, die in einem Endbereich 41 des Sockels 7 angeordnet ist, der einem (nicht dargestellten) Endbereich 43 der Unterbrechereinheit 5 zugewandt ist. Die zweite Sockelöffnung 19 ist dabei oberseitig in einem Bereich des Sockels 7 angeordnet, der sich trichterartig zu einem (nicht dargestellten) Endbereich 43 der Unterbrechereinheit 5 weitet.
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7 (7) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sockels 7 mit drei zweiten Sockelöffnungen 19, die in einem Endbereich 41 des Sockels 7 angeordnet sind, der einem (nicht dargestellten) Endbereich 43 der Unterbrechereinheit 5 zugewandt ist. Eine zweite Sockelöffnung 19 ist dabei analog zu 6 oberseitig in einem Bereich des Sockels 7 angeordnet, der sich trichterartig zu dem Endbereich 43 der Unterbrechereinheit 5 weitet. Die anderen beiden zweiten Sockelöffnungen 19 sind seitlich in demselben Bereich des Sockels 7 angeordnet, wobei in 7 nur eine dieser seitlichen Sockelöffnungen 19 sichtbar ist.
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Bei allen in den 5 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Positionen der zweiten Sockelöffnungen 19 so gewählt, dass an diesen Positionen geringe elektrische Feldstärken herrschen. Beispielsweise liegen die zweiten Sockelöffnungen 19 bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel im „Feldschatten“ der Leiteröffnung 51. Bei den in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen werden elektrische Felder im Bereich der zweiten Sockelöffnungen 19 jeweils durch den sich zu dem Endbereich 41 weitenden Querschnitt des Sockels 7 reduziert. Außerdem sind bei allen in den 5 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen alle Ränder jeder zweiten Sockelöffnung 19 verrundet, um hohe elektrische Feldstärken durch scharfe Kanten der zweiten Sockelöffnungen 19 zu vermeiden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.