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Motorstarter für USA und Kanada www.eaton.com/moellerproducts M 3 ~ Fachaufsatz Dipl.-Ing. Wolfgang Esser 2-Komponenten-Motorstarter für den Einsatz in Nordamerika

2-Komponenten-Motorstarter für den Einsatz in Nordamerika

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Page 1: 2-Komponenten-Motorstarter für den Einsatz in Nordamerika

Motorstarter für USA und Kanada www.eaton.com/moellerproducts

M3 ~

Fachaufsatz

Dipl.-Ing. Wolfgang Esser

2-Komponenten-Motorstarter für

den Einsatz in Nordamerika

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Page 2: 2-Komponenten-Motorstarter für den Einsatz in Nordamerika

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Unterschiedlicher Aufbau von

Motorstartern

Motoren sind wohl die wichtigsten elek-trischen Betriebsmittel im Maschinen- und Anlagenbau. Dieser Aufsatz beschäf-tigt sich mit dem Schalten und Schützen der Drehstrom-Asynchronmotoren bzw. der Drehstrom-Käfigläufermotoren, die am häufigsten eingesetzt werden. Grundsätzlich gibt es zwei Lösungen um diese Motoren mit einer Drehrichtung und ohne Drehmoment- oder Drehzahl-änderung zu schalten und zu schützen. Die erste Lösung setzt Schmelzsicherun-gen, Schütze und Motorschutzrelais ein und die zweite, schmelzsicherungslose Lösung, verwendet in der IEC-Welt Motorschutzschalter oder Leistungs-schalter, meistens in Verbindung mit einem Schütz. Die schmelzsicherungslo-sen Lösungen machen unabhängig von regional üblichen Schmelzsicherungs-arten und das Schutzorgan ermöglicht ein rasches Wiedereinschalten nach der Beseitigung einer Störungsursache. Zusatznutzen sind das allpolige Schalten und geräteabhängig die Möglichkeit, die Schalter abzuschließen. Durch eine ent-sprechende Koordinierung der Kompo-nenten Motorschutz-/Leistungsschalter und der eingesetzten Schütze lassen sich unterschiedliche Zuordnungsarten nach IEC/EN 60 947 bzw. nach der noch neuen UL 60 947 realisieren. Die Zuord-nungsarten machen Aussagen darüber, wie stark das Schütz im Störungsfall verschweißen darf oder ob es nicht ver-schweißen darf.

Darüber, ob Motorschutz- oder Leis-tungsschalter zum Einsatz kommen, entscheidet der Nennstrom des Motors. In Nordamerika ist die Grenze zwischen diesen Gerätearten durch die Zuord-nung zu unterschiedlichen Normen (UL 508 bzw. UL 489, oder CSA-C22.2 No.14 bzw. CSA-C22.2 No. 5-09), noch deutlicher als in der IEC-Welt und die Einsatzmöglichkeiten beider Gerätearten sind in Nordamerika unterschiedlich. Die Unterschiede ergeben sich durch

verschiedene, typische Luft- und Kriech-strecken1. Verschiedene Wettbewerber unterscheiden nicht zwischen Motor-schutz- und Leistungsschaltern. Sie spre-chen ausschließlich von Leistungsschal-tern. Die Motorschutzschalter bilden eine besonders wichtige und besonders stückzahlstarke Produktgruppe bei Eaton. Im kleinen Strombereich, bis etwa 65 A, verwendet Eaton bei Moeller series den Begriff „Motorschutzschalter“, weil diese äußerst kompakten Geräte speziell für den Motorschutz optimiert wurden. Diese Geräte besitzen grundsätzlich einen verbesserten Motorschutz durch eine Phasenausfallempfindlichkeit nach IEC/EN 60 947. Bei der Entwicklung der Motorschutzschalter hat Eaton, ehemals Moeller, Pionierleistungen vollbracht. Der Produktname PKZM ist heute das oft genutzte Synonym für diese Geräte-Kategorie.

Leistungsschalter berücksichtigen nach der zuständigen Gerätenorm IEC/EN 60 947 Teil 2 keine Anforderungen für den Motorschutz. Erst die Kombination der Gerätenormen IEC/EN 60 947-2 und der IEC/EN 60 947-4-1, für Schütze und Motorschutzrelais, machen aus den Leis-tungsschaltern die erforderlichen „Leis-tungsschalter für den Motorschutz“, also große Motorschutzschalter. Ähnlich sieht es so auch in Nordamerika aus, wo die Produktstandards für „Circuit Breakers und Molded Case Switches“, die UL 489 für die USA oder die CSA-C22.2 No. 5-09 für Kanada, ebenfalls den Motor-schutz nicht berücksichtigen. Um einen Leistungsschalter für den Motorschutz nach amerikanischen Standards zu entwi-ckeln, muss man die Anforderungen des Leistungsschalterstandards UL 489 um weitere Anforderungen und Prüfungen

1 Motorschutzschalter sind in Amerika Manual Motor Controllers, ohne Trenn- und Kurzschluss-schutzfunktionen. Als Motorstarter müssen statt-dessen UL 508 Type E Manual Self-Protected Combination Starter oder Type F Combination Starter verwendet werden [2].

aus dem Produktstandard für Indus-trieschaltgeräte, der UL 508, ergänzen [1]. In Kanada sind Ergänzungen nach der CSA-C22.2 No.14 erforderlich. Weltweit erfolgt also die Kalibrierung von Leis-tungsschaltern für den Motorschutz nach den Standards für Motorschutzrelais und Motorstarter.

Um die Motoren aus der Ferne, automa-tisch oder mit einer höheren Schalthäu-figkeit und elektrischen Lebensdauer schalten zu können, setzt man in der IEC-Welt und in Nordamerika zusätzlich je ein Leistungsschütz für die Funktion „betriebsmäßiges Schalten“ ein. In der IEC-Welt besteht dieser fernsteuerbare Motorstarter aus 2 Komponenten, dem Motorschutzschalter oder dem Leis-tungsschalter für den Kurzschluss- und den Überlastschutz und einem Schütz für das betriebsmäßige Schalten. In Nord-amerika werden Motorstarter heute noch überwiegend aufwendiger aufgebaut.

Motorstarter bestehen in Nordamerika

aus 3 Komponenten

Während man im Geltungsbereich der Standards der IEC den Leistungsschal-ter um die Zusatzfunktionen für den Motorschutz ertüchtigt, kombiniert man in Nordamerika die Leistungsschalter heute noch mit einem zusätzlichen Motorschutzrelais nach UL 508 bzw. CSA-C22.2 No.14. Dadurch besteht in den USA und in Kanada der klassische Motorstarter aus 3 Komponenten. Also so, wie man ihn auch von der noch sehr häufig eingesetzten Kombination aus Schmelzsicherungen, Schütz und Motor-schutzrelais kennt. In beiden Kombinati-onen bilden der Leistungsschalter bzw. die Schmelzsicherungen das Branch Circuit Protective Device (BCPD), das Schutzorgan für den Lastabzweig. Der Motorschutzschalter, z.B. PKZM0, wird in Nordamerika als Motor Protective Switch oder Manual Motor Controller bezeich-net. Als Geräte nach der UL 508 bzw. CSA-C22.2 No.14 dürfen Motorschutz-schalter (Motor Protective Switches)

2-Komponenten-Motorstarter für den Einsatz

in Nordamerika– schmelzsicherungslose Motorstarter ohne Motorschutzrelais –

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b

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NZM..-ME..-NA

nicht als Branch Circuit Protective Device (BCPD) eingesetzt werden. In Nordame-rika müssen die Motorschutzschalter durch vorgeschaltete Sicherungen oder Leistungsschalter geschützt werden oder sie müssen zunächst mit Zusatz-klemmen auf der Schaltereingangsseite ergänzt werden, die die Luft- und Kriech-strecken an den Anschlussklemmen vergrößern. Diese Motorschutzschalter mit Zusatzklemmen müssen als UL 508 Type E-, oder ergänzt mit einem Schütz, als UL508 Type F- Self-Protected Contol-lers geprüft und zugelassen sein. Dann können sie als BCPD für einzelne Motor-abgänge eingesetzt werden [2].

Für schmelzsicherungslose Motorstarter, bestehend aus den 3 Komponenten Leis-tungsschalter, Schütz und Motorschutz-relais, sind in Nordamerika 2 Versionen von Leistungsschaltern gebräuchlich. Erstens, die im Industriebereich meis-tens eingesetzte Version mit einem Leistungsschalter ohne Überlastaus-

löser (Instantaneous Trip Circuit Breaker) oder zweitens, die Kombination mit einem Leistungsschalter mit meistens

festeingestellten Überlastauslösern. Letztere Schalter sind eine Sonder-form der normalerweise einstellbaren Inverse Time Circuit Breakers (Bild 1). Leistungsschalter mit fest eingestell-ten Überlastauslösern werden im IEC- Bereich nur sehr selten (in Asien und in der Gebäudeausrüstung) eingesetzt. Außerhalb der Motorstarteranwendung lassen sich durch den Einsatz von Leis-tungsschaltern mit fest eingestellten Überstromauslösern, in Anwendungen mit großen Strömen und langen Leitun-gen, die Kupferkosten dadurch senken, dass die Kabel nur nach dem fest ein-gestellten Strom dimensioniert werden müssen. Im Gegensatz dazu müsste die Dimensionierung der Leitungen bei ein-stellbaren Schaltern nach dem maximal einstellbaren Strom erfolgen. Die Schal-ter ohne Überlastauslöser werden im IEC-Bereich gelegentlich für Motoren mit Schweranlauf eingesetzt, in Verbindung mit einem elektronischen Motorschutzre-lais, bei dem man längere Auslösezeiten wählen kann. Leistungsschalter ohne Überlastauslöser lassen sich lediglich als Recognized Components approbieren.

Das ist eine eingeschränkte Approba-tion. Die Einschränkung besteht darin, dass sie immer durch ein Schütz und ein Motorschutzrelais zu einem Motorstarter vervollständigt werden müssen.

Nachteile der 3-Komponenten-Motorstar-ter sind der Platz- und Montageaufwand für drei Komponenten und die Tatsache, dass bei Kombinationen mit Überlast-auslösern im Leistungsschalter und mit einem Motorschutzrelais zweimal die stromabhängige Verlustwärme entsteht. Dieses Argument ist für individuelle Motorstarter besonders bedeutsam, die in den in Nordamerika sehr populären Motor Control Centers (MCC) eingesetzt werden. Das sind Schubladenverteiler, bei denen der optimierte Platzbedarf und die Verlustleistung eine große Rolle spielen. In diesen Schubladen bevorzugt man, wegen der geringeren Erwärmung, die Instantaneous Only Trip Circuit Breakers. Daher kommt deren hoher Stückzahlanteil. Schließlich sind noch die Kosten für 3, statt 2 Komponenten zu berücksichtigen.

Bild 1: Für größere Leistungen werden in Nordamerika noch überwiegend Motorstarter eingesetzt, die aus 3 Komponenten bestehen.

Der neue NZM..2-ME..-NA ermöglicht es, auch in Nordamerika Motorstarter aus einem Leistungsschalter und einem Schütz aufzubauen.

Inverse Time Circuit Breaker, mit einstellbarem oder häufig mit fest eingestelltem Überlastauslöser (UL 508 Table 76.2, Construction Type C)

Inverse Time Circuit Breaker, mit einstellba-rem Überlastauslöser, mit UL 508 Kalibrie-

rung, ohne zusätzliches Motorschutzrelais

Instantaneous Trip

only Circuit Breaker, ohne Überlastauslöser (UL 508 Table 76.2, Construction Type D)

neu!

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Vorteilhafte 2-Komponenten-

Motorstarter

Im Strombereich bis 52 A sind 2-Kompo-nenten-Motorstarter der Eaton Moeller series durch die UL 508 Type F-Starters schon stark vertreten und man wendet bei diesen Startern auch bereits gerne die platzsparende Montage auf Sammel-schienenadaptern an (Bild 2) [2, 3]. Für den Strombereich von 45 bis 200 A hat Eaton nun den neuen Leistungsschalter NZM..2-ME...-NA mit Motorschutzfunk-tion (Motor Protective Circuit Breaker) entwickelt und approbiert, während parallel dazu die nordamerikanischen Standards und Prüfbedingungen entstan-den. Diese Schalter sind „UL-Listed“ und „CSA-Certified“. Es handelt sich um Leistungsschalter der Baugröße 2, mit elektronischen Auslösern. Die „großen Motorschutzschalter“ NZM..2-ME…-NA verfügen über weite, überlappende Ein-stellbereiche (Bild 3). Mit nur 3 Varianten wird der weite Strombereich von 45 bis 200 A (Full Load Current Setting Range) abgedeckt (Tabelle 1). Diese Stromstär-ken entsprechen den amerikanischen Motorgrößen von 60 bis 150 HP bei 460/480 V. Die Kurzschlussauslöser kön-nen im weiten Bereich von 2 ... 14 x In eingestellt werden, um nicht unnötig auf Einschaltspitzenströme der Moto-ren zu reagieren. Eine Besonderheit ist das 100 % Rating dieser Schalter. Her-kömmliche Leistungsschalter besitzen in Nordamerika ein Rating von 80 %. Das

bedeutet, dass sie nur bis zu 80 % des Nennstromes belastet werden dürfen. „100 % rated Circuit Breakers“ können bis zu ihrem maximalen Nennstrom ein-gesetzt werden. Dieser Nennstrom darf im Fall des Motor Protective Circuit Brea-ker dem maximalen Motornennstrom (Motor Full Load Current, FLC) entspre-chen. 100 % rated Circuit Breakers müs-sen als Sonderlösungen auf den Leis-tungsschildern der Schalter mit „100 % rated“ gekennzeichnet werden, während die „80 % rated“ Schalter als Normalfall nicht gekennzeichnet werden. Die Schal-ter stellen eine wesentliche Verbesse-rung des Sortiments von Eaton für den nordamerikanischen Markt dar. Sie sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Weltmarkt-Schaltschrank, mit einem weltweit einheitlichen Layout. Die Schalter können die Motoren auch alleine schalten und schützen. Üblich ist allerdings die Kombination mit einem Schütz zum fernsteuerbaren Motorstar-ter mit hoher elektrischer Lebensdauer. Natürlich lassen sich mit 2 Schützen auch Wendestarter realisieren. Damit sind jetzt 2-Komponenten-Motorstarter für die große Masse der Motoren, für alle Motornennströme bis 200 A realisierbar. Die Kombinationen mit den Schützen wurden als „Combination Motor Star-ters“ mit 2 unterschiedlich hohen Short Circuit Current Ratings (SCCR) geplant, um sich an die Anforderungen in unter-schiedlichen Industrial Control Panels anpassen zu können. Für die deutlich geringere Anzahl der Motoren mit Strö-men oberhalb von 200 A werden weiter 3-Komponenten-Motorstarter eingesetzt. Die neuen Schalter sind zusätzlich mit IEC-Leistungsdaten und mit dem in Europa wichtigen CE-Zeichen versehen. Durch vorhandene Approbationen für weitere Länder können diese Schalter auch in Schaltanlagen nach IEC weltweit eingesetzt werden. Unter IEC-Bedingun-gen stehen zusätzlich sogar Leistungs-schalter für den Motorschutz bis 1400 A zur Verfügung.

Danksagung:

Der Aufsatz entstand mit freundlicher Unterstützung von:

Andre R. Fortin, BA Phys International Corporate AdvisorCodes & Standards, Power ProductsHouston, TX, USA

und

Herrn Dipl.-Ing. Dieter Reiß, Certifications,Institute for International Product Safety GmbH, Bonn

Bild 2: Typische, moderne 2-Komponenten-Motorstarter für den nordamerikanischen

Markt: UL 508 Type F - Motor Starters, bestehend aus einem Motorschutzschalter PKZM0

mit Zusatzklemme (rot eingekreist) zur Vergrößerung der Luft- und Kriechstrecken, sowie

einem Schütz DILM, hier auf Sammelschienenadaptern und Sammelschienen.

Bild 3: Motorschutz-Leistungsschal-

ter NZM2-ME-NA, nach UL 489 und

CSA-C22.2 No. 5-09, mit zusätzlicher

Motorschutz-Charakteristik nach UL 508

und CSA-C22.2 No. 14. Zusätzlich zum

Überlast- und Kurzschlussauslöser lässt

sich der Trägheitsgrad, wie bei hochwer-

tigen Motorschutzrelais einstellen.

Bemerkung: Knebel der Schalter müssen abschließbar sein.

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Page 5: 2-Komponenten-Motorstarter für den Einsatz in Nordamerika

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Literatur:

[1] „Schaltgeräte und Schaltanlagen für den Weltmarkt und für den Export nach Nordamerika“VKF0211-563D, Article No. 110188

„Components and Systems suitable for World Markets and Export to North America“VKF0211-563GB, Article No. 110189Eaton GmbH, Bonn, 2007

[2] Wolfgang Esser„Besondere Bedingungen für den Einsatz von Motorschutzschaltern und Motorstartern in Nordamerika“VER1210+1280-928D, Article No. 267951

„Special considerations governing the application of Manual Motor Controllers and Motor Starters in North America“VER1210+1280-928GB, Article No. 267952Eaton GmbH, Bonn, 2003

Motorschutz-Leistungsschalter für Nordamerika (Inverse Time Circuit Breakers)Motor Protective Circuit Breakers

Leistungsschalter mit einstellbaren elektronischen Kurzschluss- und Überlastauslösern, Trägheitsgradeinstellung

für Überlastauslöser approbiert nach UL 489 und CSA-C22.2 No. 5-09 zusätzlich Motorschutzcharakteristik (Kalibrierung) nach UL 508 und CSA-C22.2 No.14

Die Überlastkennlinie kann zur Trägheitsgradeinstellung in Schritten verschoben werden, zwischen 2 und 20 sec bei 6 x Ir.Besonderheit: 100 % rated Circuit Breakers

In = Iu [A]

Einstellbereich Motorleistung passendes Leistungs-schütz

Schalter mit Normalem SchaltvermögenTyp

Schalter mit Hohem Schalt-vermögenTyp

Überlast-auslöser

Ir [A]

unverzögerter Kurzschluss -aus löser SCCR SCCR

Ii [A] Ii

230 V 240 V

HP

460 V 480 V

HP

ohne Schütz

85 kA 240 V35 kA 480 V

mit Schütz bis65 kA / 240 V35 kA / 480 V

ohne Schütz

150 kA 240 V100 kA 480 V

mit Schütz bis65 kA / 240 V65 kA / 480 V

90 45-90 90-1260

2 ... 14 x In 20–

2530

405060

DILM50 DILM65DILM80DILM80

NZMN2-ME90-NA NZMH2-ME90-NA

140 70-140 140-1960

2 ... 14 x In 4050

75100

DILM95 DILM115

NZMN2-ME140-NA NZMH2-ME140-NA

200 100-200

200-2800

2 ... 14 x In –6075

125–

150

DILM150 DILM185DILM225

NZMN2-ME200-NA NZMH2-ME200-NA

Verbindlich sind nur Daten der gültigen Hauptpreisliste!

Tabelle 1: Die Leistungsschalter sind nach UL 489 mit Kurzschluss- und Überlastauslöser und mit Motorschutzcharakteristik nach

UL 508 und CSA-C22.2 No.14 approbiert. Sie sollen auch in Nordamerika die großen „Motorschutzschalter“ werden. Die Schalter sind

100 % rated, d.h. der gesamte Einstellbereich der Schalter kann genutzt werden. Für „Motorstarter aus 2 Komponenten“ sind leistungs-

bezogen mindestens die angegebenen Schütze einzusetzen.

[3] Wolfgang Esser„Sammelschienenadapter für die rationelle Motorstartermontage – jetzt auch für Nordamerika –“, VER4300-960D, Article No. 110774

„Busbar Component Adapters for modern industrial control panels“VER4300-960GB, Article No. 110775Eaton GmbH, Bonn, 2007

[4] Wolfgang Esser„Leistungsschalter für den Einsatz in Nordamerika“VER1230-939D,Article No. 285780

“Molded Case Circuit Breakers, for applications in North America”VER1230-939GB, Article No. 285781Eaton GmbH, Bonn, 04/2008

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Eaton’s Electrical Sector ist weltweitführend in den Bereichen Energievertei-lung, unterbrechungsfreie Stromversor-gung, Schalten, Schützen, Automati-sieren und Visualisieren von industriellenProzessen. Durch die Kombination derbreiten Produktpalette und unseren Inge-nieur-Dienstleistungen liefern wir welt-weit Energiemanagement-Lösungen zurRealisierung höchster Anforderungen imMaschinenbau, in Industrieanlagen,öffentlichen Einrichtungen, Zweck- undWohnbauten, Rechenzentren, der IT, derEnergieversorgung sowie im Handeloder bei alternativen Energien.

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Eaton Electric GmbHKunden-Service-CenterPostfach 188053105 Bonn AuftragsbearbeitungKaufmännische AbwicklungDirektbezugTel. 0228 602-3702Fax 0228 602-69402E-Mail: [email protected] Kaufmännische AbwicklungElektrogroßhandelTel. 0228 602-3701Fax 0228 602-69401E-Mail: [email protected] TechnikTechnische Auskünfte / ProduktberatungTel. 0228 602-3704Fax 0228 602-69404E-Mail: [email protected] Anfragen / AngebotserstellungTel. 0228 602-3703Fax 0228 602-69403E-Mail: [email protected] Qualitätssicherung / ReklamationenTel. 0228 602-3705Fax 0228 602-69405E-Mail: [email protected] ZentraleTel. 0228 602-5600Fax 0228 602-5601

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Die Informationen, Empfehlungen, Beschreibungen und Sicherheitshinweise in diesem Dokument basieren auf den Erfahrungen und Einschätzungen der Eaton Corporation („Eaton“) und berücksichtigen möglicherweise nicht alle Eventualitäten. Wenn Sie weitere Informationen benötigen, wenden Sie sich bitte an ein Verkaufsbüro von Eaton. Der Verkauf der in diesen Unterlagen dargestellten Produkte erfolgt zu den Bedingungen und Konditionen, die in den entsprechenden Verkaufsrichtlinien von Eaton oder sonstigen vertraglichen Vereinbarungen zwischen Eaton und dem Käufer enthalten sind. Es existieren keine Abreden, Vereinbarungen, Gewährleistungen ausdrücklicher oder stillschweigender Art, einschließlich einer Gewährleistung der Eignung für einen bestimmten Zweck oder der Marktgängigkeit, außer soweit in einem bestehenden Vertrag zwischen den Parteien ausdrücklich vereinbart. Jeder solche Vertrag stellt die Verpflichtungen von Eaton abschließend dar. Der Inhalt dieses Doku-mentes wird weder Bestandteil eines Vertrages zwischen den Parteien noch führt er zu dessen Änderung. Eaton übernimmt gegenüber dem Käufer oder Nutzer in keinem Fall eine vertragliche, delikti-sche (einschließlich Fahrlässigkeit), verschuldensun-abhängige oder sonstige Haftung für außergewöhn-liche, indirekte oder mittelbare Schäden, Folge-schäden bzw. -verluste irgendeiner Art – unter anderem einschließlich, aber nicht beschränkt auf Schäden an bzw. Nutzungsausfälle von Geräten, Anlagen oder Stromanlagen, von Vermögens-schäden, Stromausfällen, Zusatzkosten in Verbin-dung mit der Nutzung bestehender Stromanlagen, oder Schadensersatzforderungen gegenüber dem Käufer oder Nutzer durch deren Kunden – infolge der Verwendung der hierin enthaltenen Informationen, Empfehlungen und Beschreibungen. Wir behalten uns Änderungen der in diesem Handbuch enthal-tenen Informationen vor. Fotos und Abbildungen dienen lediglich als Hinweis und begründen keine Verpflichtung oder Haftung seitens Eaton.

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Herausgeber:Eaton CorporationElectrical Sector – EMEA

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