高压直流输电中的若干热点问题

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江 西 电力 第 3 3卷

文 章编 号 :0 6 3 8 2 0 0 — 0 4 0 10 — 4 X( 0 9)4 0 2 — 4

20 0 9年

第 4 期

高压直 流输 电中的若 干热点 问题

郝 会 峰 , 妍 田

( 、 头 供 电公 司 , 东 汕头 5 5 0 ; 、 汉 大学 电气 T程 学 院 , 北 武 汉 4 0 7 ) 1汕 广 10O 2 武 湖 30 2

摘

要 : 压 直 流输 电 技 术近 年 来发 展 迅 速 , 中 的诸 多 技术 问题 在 最新 的研究 中都 取 得 了突 破 性进 展 。文 章 针对 高 其

目前 高 压 直 流输 电 系统 研 究 中 的若 干 热 点 问题 进 行 探 讨 , 中包 括 了线 路 的 电晕 问 题 , 秽 外 绝缘 问题 , 流偏 磁 其 污 直 问题 以及直 流 输 电 系统 的 稳定 性 问 题 。 探 讨 过 程 中 , 章 通 过调 研 国 内外 相 关 资 料 , 在 文 结合 正 在 开展 的实 际项 目, 阐 述 以上 问 题 的产 生 机 理 , 估 它 们 对 系统 的影 响 情况 , 证 这 些 问题 的 解 决 方 案 , 期 能 为我 国高 压 直 流输 电研 究 评 论 以 人 员 提供 参 考 。 关键字: 电晕 环 境 ; 子 流 ; 秽外 绝 缘 ; 流偏 磁 ; 电稳定 性 离 污 直 输

A s at Fehah vm nshv enm d nh ot ed et urn as i i .mpr n mbe si h h bt c: r ci e e t aebe a ei 培hvI g i c cr trnms o I o【 p lm 唔 r s e a r e t sn a n

v l g i c u ℃n I n mis n w r ic s e n te p p r u h a o 0 a o lt d e t ma n ua in d lc is o t e d r tc n tt s s i e e ds u s d i h a e,s c sc r n ,p l e x e lis lt , i tb a a l e l a o u o ℃ a d s b l y o i c u r n n t n miso ie Ree r g i fr t n h me a d a Jd o ui n 0 n t i t fd r tc re ti r s sin l . fri n 0 ma i 0 n h ( ,S l t s fr山e e p kms a i e a n n o ra o s mb we ep e c o d n e s t s0 r e t I c s . r mv d a c r i g t t t u f 0 csi p e s oh a p n

Ke y wOr s o n n i( m e t o u r n ; lue x e a ns l t0 d :c

m a e v 1 r n n;i n c re t p0l td e t m li u ain;d a ;ta miso tbii c bis rns si n sa lt y

0 引 言

近 几年来 , 国的高 压直流输 电技术发 展迅 速 , 我 诸如云 广± o V等 多项工 程 已经 开始 逐步投 入 生 8 0k 产 运营 阶段 并运行稳 定 。在近几年对 我 国高压直 流

输 电系统 的研 究 中 ,输 电线路 的 电晕 特性研究 占据 了很 重要 的一 部分 . 无线 电干扰 、 对 电晕 损失等 物理

高压输 电线导致 空气 电离 后 ,各 种粒子将 围绕输 电 线路做往 返运动 , 一般不 会影响 到地面 。 而直流输 电

则不同, 因其 只有 一个极性 , 故粒 子将会在 持续 的作

用 力下被 推至地 面及线路 周围 的空间 中去 ,产生 一

定 电磁作用 或干扰 ,这是在 直流输 电尤其是 电压 等

级很 高的特 高压直 流输 电中非 常重要 的问题 。

在研 究特 高压 直 流输 电线 路 的 电晕特 性 中 , 我

们 比较 关 注 的 物 理 量 有 无 线 电 干 扰 , 、可 听 噪 声

量 的测量 、 计算 及分析 精确度愈 来愈高 , 中较 为复 其 杂 的离 子流场 计算也有 突破性进 展 。而 直流输 电系 统污秽外 绝缘及 直流偏磁 现象是 在任何一 条高压 直 流输 电线路 中都会 遇到 的常见课题 ,在 近几 年 的研 究 中也逐 步取得 了一些较 为理想 的实验结果 及分 析 方法, 为进一 步探索 奠定 了基础 。此外 , 分析 高压直

流输 电系统稳 定性 可有助 于直 流输 电工程 的实 际应

A 电 晕损 耗 、 面合 成 电场 E Ⅳ、 地 s以及 地 面合 成 离子流 密度 。 究 以上 主要 的物 理量在 高压直 流 研 输 电线路 全段全年 的概率 分布规律 、频谱 以及横 向

分 布显得尤 为重要 。 1 无线 电干扰 , 具 有脉动性 质 的电晕放 电过 ) 。

程将在 全线路 上产生脉 冲形式 的 电流 和 电压 ,频率

用 ,也是我 国在推广 高压直流 输 电系 统的过程 中需

要深 入探讨 的课 题 。本 文就高压 直流输 电 中的一些

被 限制 在兆赫 范 围。 因此 , 流线路 四周产生 的带 电 直

粒子会 对线路周 围无线 电正常 接收产生 干扰 。无线

电干扰 的强度计 算一般 采用 国际无线 电干扰特 别委 员 会fIP 1 CS R推荐 公式如下 :

, ’n

研究 热点问题做 如下论 述 。

1 线路 电晕环 境

直 流输 电不 同于交流输 电 ,因为交流输 电波形

呈 正弦变化 , 在一个 周期 内将 产生正 负两个极 性 , 故

收稿 日期 :o 9 o 一

1 2 o 一 4 O

峭 8 1 +. 6

4 + 6g 卜l肿 △E I3 g + 】 1 )4 l卜5g — l 3 △E l()

上 ,

式 中 : 为 无 线 电 干 扰 电 d (V m ; E B / )

为 导 线

作者 简 介 : 郝会 峰 (9 8 , , 17 一) 男 工程 师 , 事 配 电 网技 术及 高压 直 流输 电 方面 工 作 。 从

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表 面最 大 场强 k /m; 为 子 导线 半 径 c n为分 裂 Vc r m:

广 一一 — n 一 ) ( g d r 方 程求解 的边界条 件 为 :

=

导 线 数 : 为 距 正 极 性 导 线 的 距 离 f 用 于 D< D 适 l0 )△ w为气象 修正 项 ; 为干 扰频率 修 正项 。 Om ; △ 2 可听 噪声 4Ⅳ。直 流 电晕 产生 伴 随 着一 定 程 )

0

=

,

地 面 和 接 地 线

=

l , , s

1 …, , s

输 电线

正极 附近 负 极附近

度 的的 可 听噪声 , 强 随着 电压 等级 的的 提 高而 提 声

高 。当 噪声声 强 到 一定 程度 后 , 会 对 输 电线 路所 将 经地 区 居 民生活 带来 影 响 。通 过 交 、 流线 路 大量 直 试 验研 究 , 已经查 明交 、 直流 线路 电晕放 电 时产生 的

可听噪 声主要 来 自正极 性流 注放 电【

P

i=

,

p √ s 1 , + 一 = s s +

式 中 为电势 ( ;+ 分别 为正 、 空问 电荷 V)p 一 负

密 度 (/ Cm ) 、 、 分 别 为 正 、 、 一 负 总离 子 电 流 密

度 ,Am ) 、一 ( / ; 分别 为 正 、负 离子 迁 移率 ( W s ; m )

W 为风 速 (1 )o I s 8 为空 气介 电常 数 ( . 4 1 / ; I / 88 × O Fm) 5 e

Ⅳ计 算 一 般美 国 电力 科 学 研 究 院( P I 荐 E R1 推

公式 :

为 电子 电量 (.0 × 0 C)尺 为离子 复合 系数 , 1 2 1 6 ; 为

节点 序数 。

A_7+4告 l 郴l b ( Ⅳ 5 1l -. 2 4 g g 者 g 1 争 )

式 中: E为导 线表 面 起晕 电场强 度 k / m: V c d为

3 线路 污 秽 外 绝 缘

污闪是 所有 高 电压 等级输 电线 路所 面临 的共 同 问题 , 高压 直流输 电也 不例 外 。 对线 路外绝 缘进 特 在 行 配置 的时候 ,外绝 缘 的污秽 等级 应根 据各地 的污

子导 线直 径 c n为 和分 裂根 数有 关 的 匾数 , ≥3 m; 凡

时 , = := n 0 n 2时 , : .;= 时 , n 75 Kn 26 n l K = .。

3 电晕损

耗 C 。 流 电晕 的产生必 然要 消耗 电 ) 直 能 , 而增加 线路 的年 运行 费用 。从经 济角度 考虑 , 从

在实 际设 计 线路 时要 尽 可 能 的降 低 电晕 损 耗 . 省 节 运行 维护 的费用 。 电晕 损耗计 算 可采用 皮 克法 :

湿 特征 、运行 经验并 结合 其表 面 污秽物 质的等 值附

盐 密 度f 称盐 密 ) 简 三个 因素 综 合 考 虑 划 分 , 当三 者

不 一致 时 , 依据运 行经 验 , 应 即现有 运行设 备外 绝缘

、 {2.7 } H ) 的 防污措 施等 【。 / 90 1 手 -_ n 1 ( 84 2

式中 : P为母 条线 路每 k 的 电晕损 失 k k m W/ m:

(为 导 线 对地 电压 k S为 极 间距 离 e r 为 电晕 , V: m: 国标规 定 :

的污闪跳 闸 和事故记 录 、 地理 和气象 特点 、 决定 采用

1新 建 高压 架 空线 路 和 发 电厂 、 电所 时 应 考 ) 变 虑邻 近 已有 线路 和厂 、 的运行情 况 , 所 参考该 地 区的 污秽度 和气 象条 件 , 以及城 市 、 工业 区发展规 划进 行

绝 缘设 计选 择 。 2 对处 于污 秽环 境 中用 于 中性点 绝缘 和经消 弧 )

效应 等效 半径 c 单 根导 线可 用实 际导 线 的半 径 。 m, 4 地 面合 成 电场 E 及 合成 离 子 流 密度 。直 ) s 流输 电线路 四周 的空 间 电场 由标 称 电场 ( 由导线 仅 位置决 定 ) 与空 间电荷 电场 叠加形成 合成 电场 。合成 电场 的测量 采用 旋转 电场仪 ,离 子 电流密 度 的测 量

可通过测 量对地绝 缘 的金属 板截获 的 电流来 获得 【。 引

线 圈接 地 系统 的电力设 备 .其外 绝缘 水平一 般可按

高一级 选取 。

2 线 路 离 子流 场 计 算

直 流 输 电线 路 四周 离 子 流 场 的 经 典 的 求 法 是 T k ma 人 在 假设 导 线 表 面 电荷 密 度 已知 的前 提 au 等 下对 单 线 一 结 构 的 直 流 离 子 流 场 进行 的求 解 , 板 现

将一 种改进 的方法 介 绍如下 【: 6 】

3 划分 污级 的盐密 值应 是 以 1 3a的连续 积污 ) ~ 盐 密 为准 。 5 Ok 对 0 v线路 以 3a积污盐 密值确 定 污

级。

4 线 路 和发 电厂 、 电所 的盐 密均 指 由普 通悬 ) 变

式 绝 缘 子 X 一 0型f 一 . P7 X 45型1 X 一 6 及 P 10型 所组 成 的悬垂 串上 测得值 ,其 他瓷 件应按 实 际积污量 加 以

修 正 。变 电设 备取 样应 逐步 过渡 到 以支 柱绝缘 子为

主。

计算 中使 用 了如 下 假设 : 有参 量 是 非 时变 二 所

维 的( 电场 、 子流 、 速 只有在

线 路横 切 面 上 的 x 离 风 、 y分量 ) 。只考 虑均 匀 的 电晕 放 电。离 子扩 散效应 与 漂移 相 比很 小 . 以忽 略 。正 负 离子 迁 移 率是 与 场 予 强无关 的常 数 。离 子层 厚度 可忽 略 。 需 要求 解 的方 程组 为 :

c ga =p— ) 0 f rd (— / 8

.

5 线路 和发 电厂 、 电所 设备 外 绝缘 各 污秽 等 ) 变

级 和 对 应 的 盐 密

目前 , 国 、 美 日本 、 国 、 拿 大 、 国等 采 用污 法 加 英 耐 压法 进行 污秽外 绝缘设 计 , 其设计 过程 大致 为 : 先

确 定 S S现场 污秽 等级)然后 考虑 污 秽类 型上 的差 P( .

() 3

j ( r + ) . + 一’c =

别 、 同型式绝 缘子 积污 特性 的校正 、 不 布置 方式 。将

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S S校 正 到 试 验 盐 密 S D,随后 确定 单 片绝 缘 子 P D

补偿 , 阻断直 流的通路 。

U 0曲线 的确定 。 5 根据 耐压 曲线 , 求取对 应 S S下绝 P 缘子 的单 片 m x 再 确定 污秽设 计 目标 电压 , 取 a, 求

绝缘 子 串片数 Ⅳ。在 确定参 照 盘形绝 缘 子 的 U C SD

5 输 电 系统 的稳 定 性

我 国 的特 高压直 流输 电阶段 还 尚未进 入大规模

的基础上 , 通过 对预选 绝缘 子爬 电距离有 效 系数 , 进行 修 正确 定 预选 绝 缘 子 串 的结 构 高度 和 爬 电距

离。

应用 阶段 ,在将 特高压直 流输 电引入实 际应用的过

程 中, 电系统 的稳定性 是很关键 的指标 。 输 目前 国内

主要是通 过评估 输 电系统 引起 的强迫停运 概率作 为 评估输 电系统稳 定性 的重 要依据 。

国际大 电网会议 fI R ) CG E 建议将 引起 强迫停 运

4 直 流偏 磁 问题

1 直 流偏 磁 问题 : 流 站尤 其是 其 中 的换 流 变 ) 换 压 器处 于交 流系统 与直 流系 统变 换 的核 心地位 , 两

的设备或 原因分 为以下 6类 :①交 流及其辅 助设 备

②换流器③控制及保护设备④直流一次设备⑤直流

线路⑥ 其他 包括人 为的误操作 和不 明原 因引起 的高

压 直流输 电系统 强迫停运 。

个 系统 不 同的运 行特点 会使得有 些直流输 电系统 在

换 流变压 器 中引人 直流 电流 分量 , 是变 压器 的 一 这

种非正 常运行状 态 . 被称 为直流 偏磁 。

2 直流偏磁 产生原 因 : ) 由于换 流变压 器连接交 、 直流 两个 系统 . 其运 行特 点决 定会 在 变压器 励 磁 电 流 中引入 直流分量 。 而对于换流变压器而言 , 直

流偏磁主要原 因有 【: 8 】

影 响 直 流输 电系 统 可 靠性 指 标 的原 因多 种 多

样, 在分 析强 迫停运 的主要原 因的基础 上 ,进一 步

提 高特高压输 电 系统稳 定性 的措施 为 : 1 加强 可靠性管理 , ) 并加 强监督 。 建信息化 的 构

管理平 台 , 实现 管理信息 的资源 全系统共 享 。 加大 对 运行 管理 人员 的培 训力 度, 求运 行人 员进 一步 熟 要 悉掌握 运行规程 ,并要 对可能 引起事故 的因素进 行 分析 。

统一 阀桥 中触发 角不 平衡 ; 流站 地 电位 的升高 会 换

在换流 变压 器 的阀侧绕 组 中引 入一 个直 流 电流 ; 直

流输 电线与交 流输 电线 相邻 , 在直 流 线路 中感 应 会 工频 电流 ; 流 阀的循 环导通 与关断 ; 极大地 返 回 换 单 运行期 间 因电流注入接 地极 引起 换流站 电位升 高。 3 直流 偏磁 危 害 【: ) 9 由于变压 器 的原 边 等 效 阻 】

抗对 直流分 量 只呈 现 电阻特性 , 原 边绕 组 内阻很 且

2 加 强技术 维护 。系统大修依 然是造成 能量可 ) 用 率下 降的最主 要因素 ,研 究和 发展可靠性 为 中心 的备用 及维 修策 略, 学合 理地 选择 不 同的维 修方 科 式, 以减 少计 划能 量不 可用 率 和提高 系统 能量 可用 率。 3 加强对 系统薄 弱环节 的在线运行 监视 。在运 ) 行实 践 中制定设 备 缺 陷管理 办法。以便 及时 发现 问

题, 时修 复, 及 使缺 陷得 到有效 控制, 可显著 地 降低 系统停运 时间 。

小. 因此 , 很小 的直流分量 就会在绕 组 中形 成很大 的

直流激 磁磁 势 . 该直 流磁 势与 交流 磁势 一起 作 用于 变压器 原边 . 成变压 器铁 心 的工 作磁 化 曲线发 生 造 偏移, 出现关 于原点不 对称 。 对设 备 的影 响具 体 就是 变压 器铁 心 中饱 和 , 铁

心 的高度饱和将 会产 生以下 3个 主要危 害 : ( ) 励磁 电流 中产 生 大量 谐波 。谐 波 的存 在 1在

6 结 束 语

国 内高压输 电线路 电晕 特性 在 计算 、测量 以及

分析 上研究成 果 已经 有重 大进展 ,采用有 限元法计 算离 子流场精 度进一 步提高 , 更好 的符 合实 际。 对于 高压直 流输 电系统污秽 外绝缘 的配置 应依据输 电线 路 所 经 地 区 的 污秽 等 级 (P ) 按 照 国标 规 定 进 行 SS ,

使 得 系统 电压波 形 畸 变 、 波器 过 载 、 电保 护误 滤 继

动 、 空载长线 时产生持续 过 电压 、 相重合 闸过程 合 单

中潜供 电流增加 和断路器恢 复 电压增 高 。

() 2 变压 器 的无 功消耗将 增加 , 响系

统 正常运 影

行。

() 3 漏磁 增加 , 引起 金属 结构 件 和油 箱过 热 , 局

设 置 , 各种绝缘 设备 的制造 . 但 尤其是 其耐污 闪的能 力 还需进 一步研 究 。 流偏 磁 问题 始终存 在 , 目前 直 但

的抑 制措施 经研究 表 明都 未取得理 想效果 ,或者抑 制效 果不理 想 , 或者 不经济 实用 。所 以 , 电系统稳 输

部 过热将 加速 绝缘 老化 及变 压器 油 的分解 , 坏 变 损

压器 或 降低使 用寿命 , 变压 器 的正 常运 行产 生严 对 重影 响。

4 抑制措施 。 目前 常用 的抑制 直流偏磁 的措施 )

定性 问题研究 目前体 系还不 完善 ,我们所做 的 只是 在尽 可能降低 强迫停 运率 , 不能实 现经济 、 还 可控 的 稳定 评估体 系。 ( 下转第 4 9页)

主要有 : ①设置消磁圈。 产生补偿电流② 中性点串电 阻, 直接 限制直 流电流 的大 小 ; ⑧绕 组 出线上 串 电容

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电缆 只能传送 一路 信号 ,而且 模 拟信号 在传 输过 程 中很容 易被 其他信 号或 环境 噪声 所干扰 ,传 输精 度 不高 , 往往使得 控制 效果 不太 理想 。 现场 总线 系统 而

了总体性 能优 越 的 P m胁 u— P现场 总线 技术 : sD 其次

在 硬 件方 面 使用 了西 门子 原 装 的 P m胁 u — P数 据 sD

线和 D P接 口共 同来 提 高通 讯 的可靠 性 ;第 三我 们

采用 P m u — P双现 场 总线 组成 主辅 双 网 的形式 . sD

采用完 全 的数 字信 号传 输 。传 输 过程 中采用 数字 信

号 的检错 、 纠错机 制 , 其具 有 较 高 的抗 干 扰 能力 , 使

主辅 网独 立运 行 , 时从 主 网获 取数 据 , 平 主网通 讯故 障 时 自动 切换 到辅 网获取 数据 ; 最后 , 于部分特 别 对

传 输精 度也得 到显 著提 高 。全 数字 通信使 得 多参 数

传 输得 以实现 。 场设备 的测 量 、 现 控制信 息 以及其 他 非 控制信 息如 设备类 型 和参数 、 整定 值 、 备运 行状 设 态 等都 可 以通 过一 对传输 线送 到现 场总线 网络上 的

重要 的设 备 , 我们保 留 了 D S 硬接 线” 通过这 些方 C“ 。

式, 极大 的提 高了系统 通讯 的稳 定性 和可靠 性 . 障 保

了配 电系统 的安全 。

任 何智 能设备 。 而消 除 了模 拟信 号传输 的瓶 颈 。 从 2 通 过现 场 总线 , ) 现场 设 备 的管 理 信息 大 大增

加 , 些 信息 包括 功 能模 块 组态 、 这 参数 状 况 、 断 和 诊

验证 数据 等 。操作人 员在 布置 于控 制室里 的上 位机

3

结 束 语

充分 发挥 智能 型 电动机控 制器 的作用 .将 改变 过 去 只 有 重要 电气 量 才 进 低 压 智 能 配 电系 统 的情

就 可 以对这些 信息 进行 维护 和管理 ,对 现场设 备进 行参 数整 定 , 实 时地进行 性能 维护 。当设备参 数 、 并 状 态发生 变化 时 .操 作人 员能 提前 对该设 备进 行 预

况 。通过 现场 总线通 讯方 式对 电动机设 备 进行监 视

和控 制 , 消 了变送 器 , 省 了大量 2次 电缆 和 I 取 节 / O

设备 等 的用量 , 便于分 步调 试和 投运 , 有利 于系统 的 科 学 运行维 护 , 在降低 了整 个系 统造 价的基 础上 , 提 高 了系统 的可靠 性 。该技 术 的应 用 已经在许 多 电厂 中取 得 了成功 的经验 ,相 信智 能型 电动机 控制 器 的

技术 还将有 更广 泛 的应用 和深远 的发展 。

参 考 文 献

处理 , 可减 少事 故 发生 ; 障发 生后 , 警机 制 会立 故 报

刻告 知操 作人 员故 障发生 的部位 和设 备 .从而 提 高

了系统 的可靠 性和 可维 护性 。 3 电流 、 ) 电压 等信号在 现场就 进行高 精度 的 A D /

变换 , 以数字 量 的形 式送 入 系统 中 , 而省 略 了变 再 从

送器 等 中间变换 环节 ,使 系统采 集 的信号 精度 大大 提高 , 节省 了投 资 。 4 针对 现 场环 境对 通 讯 的影 响 , ) 首先 我 们 采用

.

[ ]冯 冬 芹 等 .现 场 总 线 技 术 发 展 回顾 [. 自动 化 博 览 , 1 J ]

2 0 3 ( ) 3 — 7 o 3, 6 增 : 5 3 .

址

( 接第 2 上 6页 )

【 考文献 】 参

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Cai m i: R .9 7 l 0 aEP I1 7 . f

f ] ac lt n o n F 0 il s 0 C lu a i f o lw F e d fHVDC T a s s i n L n 5 o I r n miso ie

b eFnt e n to 『 . E Ia sVo.A 一1 0 vt ii Elme tMeh dR1EE ’ n . 1 S o , h e I r , P

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绝 缘 子 选 型 f . 电压 技 术

,0 6 3 (2 :2 一 l 4 J高 】 2 o ,2 1 ) l 0 2 . [] 8 肖琴 . 高 压 直 流 输 电 引起 的 直 流偏 磁 现 象 的 研 究 f . 特 J 江 1 西 电力 职 业 技术 学 院学 报 ,0 8 2 ( : 3 2 0 , 14 1 . )—

[ ] V C T as si Ln R f ec B o R .aimi 2 H D r mi o n sn i e e rne ok[] l0 a e C f :

EPRI1 3. .99

[] P I e 0t L 2 5 o d c r eeomet ] aimi 3 E R p rE 一 2 7C n u t vlp n[ . l0 a R oD RC f :

E RI1 8 . P . 9 2

[] nshw kjG e ^ii l n Slt nf l tc 4 W J i e sy, glFn eEe t o i r e r a c a t me u o 0 E c i Fe s f o aigD r s si ie【】E ETa s id mnt C Ta mi o Ln s . E rn. l oC n n sn RI ,

Vo. AS 9 . _. 7 . 1 P 一 8NO 3 1 9 9

[ ] 为 民. 流变 压 器 中直 流 偏 磁 电 流计 算 [. 电压 技 术 , 9马 换 J高 ]

2 o 3 ( 1: 8 4 . o 4, O1 )4 — 9

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