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Elektrische Energieverteilung und Betriebstechnik – Kurzschluss und Überlast unterscheiden

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Elektrische Energieverteilung und Betriebstechnik – Kurzschluss und Überlast unterscheiden

Einleitung

Zielgruppe: Elektrotechnische Berufsausbildung

Lernzeit: ca. 60–75 Minuten zuzüglich Projektarbeit

Kurzbeschreibung: Fehlerart und Schutzanforderung.

Lernziel: Du unterscheidest Überlast und Kurzschluss, liest vereinfachte Stromlauf- und Signaldiagramme und begründest, welche Schutzfunktion erforderlich ist.

Merksatz: Überlast bedeutet zu viel Strom auf einem vorgesehenen Stromweg. Bei einem Kurzschluss entsteht ein unbeabsichtigter niederohmiger Stromweg.

Stromkreis mit Sicherung, Verbraucher und Messgeräten.

Sicherheit: Alle Fehlerzustände werden ausschließlich digital simuliert oder anhand ausdrücklich freigegebener, berührungssicherer, strombegrenzter und kurzschlussfester Schulungsmodelle untersucht. Keine realen Kurzschlussversuche, keine Überbrückung von Schutzeinrichtungen und keine Arbeiten an Netzspannung durch Lernende. Reale Elektroarbeiten erfolgen ausschließlich durch entsprechend qualifizierte und beauftragte Personen im zulässigen Aufgabenbereich. Ein Quizresultat ist niemals eine Arbeits- oder Schaltfreigabe.

Lerneinheit 1: Fehlerarten erkennen

Dauer: 8 Minuten

Überlast

Bei einer Überlast fließt ein zu hoher Strom über den vorgesehenen Stromweg. Eine mögliche Ursache sind zusätzliche gleichzeitig betriebene Verbraucher. Die thermische Beanspruchung der Leitung steigt.

Kurzschluss

Ein Kurzschluss entsteht durch eine unbeabsichtigte leitende Verbindung zwischen Punkten unterschiedlicher Spannung, beispielsweise zwischen Außenleiter und Neutralleiter. Der Fehlerstrom fließt über einen meist niederohmigen Weg.

Ein idealisierter Kurzschluss lässt sich als Verbindung mit verschwindend kleinem Widerstand darstellen.

Merkmal	Überlast	Kurzschluss
Stromweg	Vorgesehen	Unbeabsichtigter Fehlpfad
Ursache	Zu hohe Belastung	Fehlerhafte leitende Verbindung
Strom	Über dem zulässigen Betriebswert	Häufig sehr hoch, abhängig von der Fehlerstromkreisimpedanz
Schutzanforderung	Rechtzeitiger Überlastschutz	Sicheres Abschalten des möglichen Kurzschlussstroms

Lernvideo

Max Oevermann: Leitungsschutzschalter – Überlast und Kurzschluss.

Basisfrage: Warum ist nicht jeder Überstrom automatisch ein Kurzschluss?

Feedback: Ein Überstrom kann auch durch zusätzliche Verbraucher oder kurzzeitige Anlaufströme entstehen. Erst der Stromweg und die Fehlerursache ermöglichen die fachliche Einordnung.

Lerneinheit 2: Stromlaufbilder lesen

Dauer: 8 Minuten

Fall A: Zusätzlicher Verbraucher

Virtuelles Gleichstrommodell:

 +12 V ── F1 ── S1 ──┬── R1 24 Ω ──┬── 0 V
                     │             │
                     └── R2 24 Ω ──┘

F1 = symbolische Schutzstelle
S1 = Schalter
R1 = erster Verbraucher
R2 = zusätzlicher Verbraucher

Ohne R2 gilt:

I = U / R = 12 V / 24 Ω = 0,5 A

Mit R2 parallel zu R1 gilt:

I = 0,5 A + 0,5 A = 1,0 A

Die didaktisch festgelegte Betriebsgrenze des Modells beträgt 0,75 A. Damit liegt Überlast vor.

Fall B: Niederohmiger Fehlpfad

Nur als digitale Simulation:

 +12 V ── F1 ── S1 ──┬── R1 24 Ω ───┬── 0 V
                     │              │
                     └── RF 0,6 Ω ──┘

RF = modellierter Fehlerpfad

Bei ideal konstanten 12 V ergibt sich rechnerisch:

I = 0,5 A + 20 A = 20,5 A

Dieser niederohmige Fehlerpfad modelliert einen kurzschlussähnlichen Zustand. Tatsächliche Fehlerströme hängen unter anderem von Innenwiderstand, Leitungs- und Fehlerimpedanz sowie Strombegrenzung ab.

Wichtig: Die Schaltbilder sind didaktische Prinzipskizzen, keine normgerechten Installationspläne. Die symbolische Schutzstelle F1 stellt noch keine nachgewiesene Schutzfunktion dar. Die Modellzahlen dürfen nicht zur Auswahl realer Schutzgeräte verwendet werden.

Schaltzeichen einer allgemeinen Sicherung.

Kurzschluss-Ersatzschaltbild mit dem Innenwiderstand der Quelle.

Lerneinheit 3: Signaldiagramme auswerten

Dauer: 8 Minuten

Im Signaldiagramm erkennst Du, wie sich ein Strom zeitlich verändert.

Überlast – schematischer Signalverlauf

Strom
       ┌────────────────────────┐
       │                        │
───────┘                        └──────
       Fehlerbeginn             Abschaltung

       Erhöhter Strom über eine
       vergleichsweise längere Zeit


Kurzschluss – schematischer Signalverlauf

Strom
       ┌───┐
       │   │
───────┘   └──────────────────────────
       Fehlerbeginn
           Abschaltung

       Hoher Strom, bei wirksamer
       Schnellauslösung kurze Dauer

Qualitative Darstellungen ohne maßstäbliche Zeit- und Stromachse. Die tatsächliche Abschaltzeit hängt von Schutzeinrichtung und Stromkreis ab.

Beobachtungsfrage: Welcher Verlauf passt eher zu einer thermischen Überlastauslösung?

Feedback: Der länger andauernde erhöhte Strom passt eher zu einer Überlast. Allein aus einem schematischen Stromsignal lässt sich die Fehlerursache aber nicht sicher beweisen.

Lerneinheit 4: Schutzanforderungen verstehen

Dauer: 10 Minuten

Ein thermisch-magnetischer Leitungsschutzschalter besitzt zwei unterschiedliche Auslöseprinzipien.

Geöffneter Leitungsschutzschalter: Position 5 zeigt das Bimetall, Position 7 die Magnetspule.

Auslöser	Wirkung	Typische Aufgabe
Thermischer Auslöser mit Bimetall	Zeitabhängige Erwärmung und Auslösung	Überlast
Elektromagnetischer Auslöser	Schnelle Auslösung bei ausreichend hohem Strom	Kurzschluss

Typische Zeit-Strom-Kennlinie eines thermisch-magnetischen Schutzschalters.

Je größer der Überlaststrom, desto kürzer ist typischerweise die thermische Auslösezeit. Der magnetische Bereich reagiert auf hohe Ströme besonders schnell.

Kennlinien B und C im Vergleich.

Bei üblichen Leitungsschutzschaltern nach DIN EN 60898-1 liegt der elektromagnetische Ansprechbereich für Wechselstrom bei Charakteristik B im Bereich des 3- bis 5-Fachen und bei C im Bereich des 5- bis 10-Fachen des Bemessungsstroms. Diese Angaben allein erlauben noch keine Auswahl für eine bestimmte Anlage.

Achtung: Ein Fehlerstrom-Schutzschalter ohne integrierten Überstromschutz ersetzt keinen Leitungsschutzschalter. Bei einer Schmelzsicherung hängen Überlast- und Kurzschlussschutz vom Sicherungstyp und seiner Kennlinie ab.

Lernvideo: Auslösecharakteristik

Sven Stemmler: Auslösecharakteristik B, C und D.

Vertiefung: Schaltzeichen

Beispiel eines zweipoligen Motorschutzschalters mit thermischen und magnetischen Auslösern. Der Motorschutz ist gesondert zu betrachten.

Lerneinheit 5: Berührungssichere Simulation

Dauer: 12 Minuten

Nutze den digitalen Falstad Circuit Simulator. Eine Einführung in das Verhalten paralleler Widerstände findest Du im Widerstandsbeispiel.

Simulationsauftrag:

Basis: Simuliere eine ideale 12-V-Gleichspannungsquelle und einen Widerstand mit 24 Ω. Notiere den Strom.
Anwendung: Füge einen zweiten Widerstand mit 24 Ω parallel hinzu. Vergleiche den Gesamtstrom mit der Modellgrenze von 0,75 A.
Transfer: Untersuche ausschließlich virtuell einen zusätzlichen niederohmigen Fehlerpfad von 0,6 Ω. Begründe, weshalb das reale Verhalten abweichen kann.
Auswertung: Stelle die drei berechneten Stromwerte gegenüber und beschreibe die jeweils erforderliche Schutzfunktion.

Erwartete Ergebnisse: 0,5 A im Ausgangsfall; 1,0 A bei zusätzlicher Last; idealisiert 20,5 A beim niederohmigen Fehlpfad.

Grenzen der Simulation: Falstad zeigt elektrische Stromkreise und Messgrößen. Die Schutzwirkung eines realen Leitungsschutzschalters wird dadurch nicht automatisch normgerecht nachgebildet oder bestätigt.

Alternative: Ein geeignetes, geschlossenes und strombegrenztes Schulungsmodell darf nur unter fachlicher Anleitung im ausdrücklich freigegebenen Funktionsumfang benutzt werden. Reale Kurzschlüsse werden nicht erzeugt. Auch Kleinspannung kann durch hohe Ströme zu Erwärmung und Brand führen.

Ausbildungsfall: Fehler am Werkstatt-Prüfplatz

Dauer: 8 Minuten

In der Ausbildungswerkstatt wird eine virtuelle 12-V-Prüfschaltung überwacht. Die normale Stromaufnahme beträgt 0,5 A.

Der Modellgrenzwert liegt bei 0,75 A.

Protokoll A: Nach Zuschalten eines zweiten Verbrauchers steigt der Strom auf 1,0 A.

Protokoll B: Ein unbeabsichtigter niederohmiger Fehlpfad bewirkt in der idealisierten Rechnung 20,5 A.

Diagnose	Protokoll A	Protokoll B
Fehlerart	Überlast	Kurzschlussähnlicher Fehlpfad
Begründung	Zusätzlicher Strom auf vorgesehenen Lastzweigen	Zusätzlicher niederohmiger Stromweg
Schutzanforderung	Überlastschutz	Geeigneter Kurzschlussschutz
Betriebliche Entscheidung	Ursache durch befugtes Personal beurteilen lassen	Fehlerzustand sichern und durch befugtes Personal klären lassen

Arbeitsauftrag: Erstelle eine kurze digitale Störungsmeldung mit Beobachtung, möglicher Ursache, Schutzanforderung und offener Prüfentscheidung.

Keine Wiedereinschaltung allein aufgrund einer Vermutung oder eines bestandenen Tests.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Erkennen: Frage Dich, ob der zusätzliche Strom noch durch die vorgesehenen Verbraucher fließt.

Hilfe 2 – Vergleichen: Betrachte Stromlaufbild, zeitlichen Verlauf und Ursache gemeinsam.

Hilfe 3 – Berechnen: Nutze I = U / R. Berücksichtige bei parallelen Zweigen die Summe der Teilströme.

Begründetes Feedback zur Fallarbeit

Basis: 0,5 A ist richtig, weil 12 V geteilt durch 24 Ω genau 0,5 A ergibt.

Anwendung: 1,0 A beschreibt Überlast im Modell, weil zwei zulässige Lastzweige gemeinsam die festgelegte Betriebsgrenze überschreiten.

Transfer: 20,5 A ist nur unter der Annahme ideal konstanter Spannung korrekt. In realen Stromkreisen begrenzen Impedanzen und Quellen den Fehlerstrom. Für die tatsächliche Schutzbewertung sind weitere Daten und qualifiziertes Personal erforderlich.

Beobachtungsvideo: Schutzgeräte

Freunde des Stroms: Aufbau und Funktion von Leitungsschutzschaltern.

Sicherheitshinweis: Die im Video gezeigten elektrischen Versuche sind ausschließlich zur Beobachtung gedacht. Nicht nachstellen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was kennzeichnet eine Überlast? (Zu hoher Strom im vorgesehenen Betriebsstromweg) (!Unterbrechung aller elektrischen Verbindungen) (!Verbindung zwischen zwei Leitern durch einen Fehler) (!Vollständig fehlende Versorgungsspannung)

Wodurch entsteht ein Kurzschluss? (Durch einen unbeabsichtigten niederohmigen Stromweg) (!Durch jeden bestimmungsgemäßen Motoranlauf) (!Durch die normale Erwärmung einer Leuchte) (!Durch die planmäßige Abschaltung eines Stromkreises)

Welcher Bestandteil eines thermisch-magnetischen Leitungsschutzschalters dient der zeitabhängigen Überlastauslösung? (Bimetallauslöser) (!Schalthebel) (!Lichtbogenlöschkammer) (!Gehäuseabdeckung)

Welcher Bestandteil ermöglicht die schnelle Auslösung bei ausreichend hohem Kurzschlussstrom? (Elektromagnetischer Auslöser) (!Reiner Messwiderstand) (!Schutzleiterisolierung) (!Mechanische Beschriftung)

Welcher Strom fließt im idealen Modell bei 12 V und 24 Ohm? (0,5 Ampere) (!2 Ampere) (!12 Ampere) (!24 Ampere)

Wie groß ist der Gesamtstrom bei zwei parallelen Widerständen mit jeweils 24 Ohm an 12 V? (1 Ampere) (!0,25 Ampere) (!0,5 Ampere) (!24 Ampere)

Welcher Bereich kennzeichnet die magnetische Auslösung eines üblichen B Leitungsschutzschalters bei Wechselstrom? (3 bis 5 mal Bemessungsstrom) (!Genau beim einfachen Bemessungsstrom) (!Stets erst nach einer Stunde) (!Ausschließlich bei Fehlerstrom gegen Erde)

Welche Aufgabe hat ein gewöhnlicher FI Schutzschalter ohne integrierten Überstromschutz? (Erkennung und Abschaltung bei geeignetem Differenzstrom) (!Thermischer Leitungsschutz bei jeder Überlast) (!Begrenzung jeder Kurzschlussspitze) (!Erhöhung des zulässigen Leiterstroms)

Wie wird ein niederohmiger Fehlerpfad in diesem Lernkurs sicher untersucht? (Durch digitale Simulation ohne reale Kurzschlussversuche) (!Durch Überbrücken eines echten Schutzschalters) (!Durch Kurzschließen einer Netzsteckdose) (!Durch wiederholtes Einschalten eines fehlerhaften Stromkreises)

Welche Bedeutung hat ein erfolgreich absolviertes Quiz? (Es dokumentiert Lernfortschritt ohne Arbeitsfreigabe) (!Es berechtigt zum Arbeiten unter Spannung) (!Es ersetzt die fachliche Beauftragung) (!Es bestätigt die Sicherheit jeder Anlage)

Memory

Finde die passenden Begriffspaare.

Überlast	Zu hoher Strom im vorgesehenen Stromweg
Kurzschluss	Unbeabsichtigter niederohmiger Stromweg
Bimetall	Zeitabhängige thermische Auslösung
Magnetspule	Schnellauslösung bei hohem Strom
Leitungsschutzschalter	Überstromschutz für Leitungen
Fehlerstromschutzschalter	Erfassung von Differenzstrom
Netzimpedanz	Begrenzender Widerstand des Fehlerstromkreises

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Diagnosemerkmal
Überlast	Vorgesehener Stromweg mit unzulässig hoher Belastung
Kurzschluss	Unbeabsichtigter niederohmiger Fehlpfad
Thermischer Auslöser	Zeitabhängige Reaktion auf Überstrom
Magnetischer Auslöser	Schnelle Reaktion bei ausreichend hohem Strom
Stromlaufbild	Darstellung der elektrischen Verbindungen
Signaldiagramm	Darstellung des zeitlichen Stromverlaufs
Fachliche Freigabe	Entscheidung entsprechend qualifizierter und beauftragter Personen

Kreuzworträtsel

Bimetall	Welches Bauteil dient bei vielen Leitungsschutzschaltern als thermischer Auslöser?
Kurzschluss	Wie heißt ein unbeabsichtigter niederohmiger Stromweg?
Überlast	Wie heißt die Überschreitung einer zulässigen betrieblichen Strombelastung?
Magnetspule	Welches Bauteil erzeugt die elektromagnetische Kraft zur Schnellauslösung?
Stromkreis	Wie heißt eine geschlossene elektrische Verbindung aus Quelle und Verbraucher?
Kennlinie	Wie heißt die grafische Darstellung des Auslöseverhaltens?

LearningApps

Themensuche nach weiteren Lernübungen. Einzelne Suchergebnisse sind nicht Bestandteil der geprüften Kursmedien.

Lückentext

Wenn der Strom im vorgesehenen Betriebsstromweg die zulässige Belastung überschreitet, liegt eine

vor.

Ein unbeabsichtigter niederohmiger elektrischer Stromweg wird als

bezeichnet.

Der thermische Auslöser eines typischen Leitungsschutzschalters enthält ein

.

Die schnelle magnetische Auslösung kann durch eine

erfolgen.

Der Leitungsschutzschalter schützt geeignete

vor den Folgen von Überströmen.

Ein gewöhnlicher FI Schutzschalter reagiert auf einen geeigneten

.

Zwei Widerstände in einer

bilden getrennte Stromzweige.

Die vereinfachte Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand beschreibt das

Gesetz.

Eine digitale

ermöglicht die Untersuchung gefährlicher Fehlerzustände ohne einen realen Kurzschlussversuch.

Die Beurteilung und Durchführung realer Elektroarbeiten ist entsprechend qualifizierten und beauftragten

vorbehalten.

Offene Aufgaben

Leicht

Basisaufgaben

Stromkreis skizzieren: Zeichne einen einfachen virtuellen Stromkreis mit Quelle, Verbraucher und symbolischer Schutzstelle.
Fehler erkennen: Erstelle zwei Bildkarten, die Überlast und Kurzschluss gegenüberstellen.
Strom berechnen: Ermittle den Strom eines Widerstands mit 24 Ω an 12 V.
Schutzfunktion erklären: Beschrifte in einer Abbildung den thermischen und den magnetischen Auslöser.

Begründetes Feedback: Die Basisergebnisse sind schlüssig, wenn Du den Stromweg korrekt dargestellt hast und die Rechnung 0,5 A ergibt. Die Auslöser unterscheiden sich in ihrem physikalischen Wirkprinzip und Zeitverhalten.

Standard

Anwendungsaufgaben

Laständerung untersuchen: Vergleiche in einer Simulation einen Verbraucher mit zwei parallel angeschlossenen Verbrauchern.
Signalverläufe erstellen: Zeichne je einen qualitativen Stromverlauf für Überlast und Kurzschluss.
Störungsmeldung verfassen: Analysiere Protokoll A des Ausbildungsfalls und verfasse eine begründete Fehlermeldung.
Kennlinien vergleichen: Erläutere anhand einer Kennlinie, warum die thermische Auslösezeit vom Strom abhängt.

Begründetes Feedback: Eine überzeugende Anwendung verbindet Ursache, Strompfad, Stromhöhe und passende Schutzfunktion. Ein höherer Strom allein beweist noch keinen bestimmten Fehler oder eine erfolgreiche Abschaltung.

Schwer

Transferaufgaben

Schutzkonzept entwickeln: Erstelle ein digitales Schutzkonzept für einen neuen Stromkreis und benenne die Angaben, die eine Elektrofachkraft zur Dimensionierung benötigt.
Modellgrenzen bewerten: Untersuche, wie eine Strombegrenzung oder höhere Fehlerstromkreisimpedanz den virtuellen Kurzschlussstrom verändert.
Fehlerbericht beurteilen: Vergleiche Protokoll A und B und entwickle einen sicheren betrieblichen Entscheidungsweg ohne eigenständige Wiedereinschaltung.
Lernvideo gestalten: Produziere ein Erklärvideo mit Simulationen oder Zeichnungen, das Fehlerursache, Schutzanforderung und Berechtigungsgrenzen vermittelt.

Begründetes Feedback: Eine fachlich belastbare Transferlösung berücksichtigt die Grenzen vereinfachter Modelle. Für eine reale Schutzbewertung sind unter anderem Leitungsdaten, Verlegebedingungen, Netzimpedanz, Schutzgerätekennlinie, Ausschaltvermögen und zutreffende Schutzanforderungen zu prüfen. Darüber entscheiden qualifizierte und beauftragte Personen.

Lernkontrolle

Bearbeite die Aufgaben schriftlich und begründe Deine Entscheidungen.

Zusammenhang analysieren: Erkläre anhand von zwei Stromlaufbildern, weshalb ein Überstrom verschiedene Ursachen haben kann.
Modell übertragen: Begründe, weshalb ein reales Kurzschlussstromsignal vom idealisierten 12-V-Modell abweichen kann.
Schutzfunktion bewerten: Erläutere, warum thermischer und magnetischer Auslöser unterschiedliche Schutzaufgaben erfüllen.
Grenzen beurteilen: Erkläre, weshalb die Angabe B oder C allein nicht belegt, dass ein konkreter Stromkreis ausreichend geschützt ist.
Betriebsfall bearbeiten: Entwickle einen schriftlichen Diagnose- und Meldeweg nach dem Auslösen einer Schutzeinrichtung, ohne selbst an der Anlage zu arbeiten.
Sicherheitsentscheidung treffen: Begründe, warum eine fehlerfreie Simulation und ein bestandenes Quiz keine Freigabe für reale Elektroarbeiten darstellen.

Rückmeldekriterien: Eine gute Lösung ist fachlich nachvollziehbar, benutzt Schaltbilder und Stromsignale als Belege, erkennt Unsicherheiten und respektiert die Grenzen der eigenen Qualifikation.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis dokumentierst Du:

Eine eindeutige Unterscheidung zwischen Überlast und Kurzschluss anhand von Stromweg und Fehlerursache.
Zwei beschriftete Stromlaufbilder und die dazugehörigen Berechnungen.
Zwei interpretierte qualitative Signaldiagramme.
Eine Simulation mit nachvollziehbarer Ergebnistabelle.
Die Zuordnung von Schutzanforderung, thermischem und magnetischem Auslöseprinzip.
Eine begründete Störungsmeldung zum Ausbildungsfall.
Eine Reflexion über Grenzen der Simulation und die elektrischen Sicherheitsregeln.

Hinweis: Der Lernnachweis dokumentiert fachlichen Lernfortschritt. Er ersetzt weder die berufliche Qualifikation noch Unterweisung, Beauftragung, Gefährdungsbeurteilung, Prüfung oder Freigabe für Elektroarbeiten.

OERs zum Thema

Wikipedia: Leitungsschutzschalter

Weitere freie Grundlagen:

Geprüfte Fachquellen

Planungskompendium Energieverteilung – Überlast- und Kurzschlussströme: Fachliche Definitionen und Unterscheidung.
Planungskompendium Energieverteilung – Mindestkurzschlussstrom: Anforderungen an die sichere Auslösung.
Schneider Electric – Interpretation von Auslösekurven: Thermische und magnetische Auslösung.
DGUV Information 203-002 – Elektrofachkräfte: Qualifikation und sicheres Arbeiten.
Falstad Circuit Simulator: Digitale Schaltungssimulation.

Normenhinweis: Die einschlägigen DIN-VDE-Regelwerke, insbesondere zum Überstromschutz und zum sicheren Betrieb elektrischer Anlagen, sind bei realen Aufgaben in ihrer jeweils gültigen Fassung heranzuziehen. Dieser Kurs ersetzt keine Normenprüfung.

Mediennachweise und Nutzungsrechte

Wikimedia-Commons-Abbildungen:

SimpleCircuit.SVG – Christopher Pritchard, Public Domain.
Short Circuit Equivalents.svg – inductiveload, Public Domain.
Symbol Fuse.svg – MovGP0, gemeinfreie einfache Schaltgrafik.
Short circuit-diagram.svg – Masur, Public Domain.
Circuitbreaker.jpg – Ali@gwc.org.uk, CC BY-SA 2.5.
Standard Trip Characteristic of a Thermomagnetic Circuit Breaker.svg – Biezl, Public Domain.
Courbe déclenchement disjoncteur B et C.svg – Crochet.david, CC BY-SA 3.0.
Motorschutzschalter 2-polig mitGehäuse (Schaltzeichen).svg – SweetWood, CC0 1.0.

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