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文檔簡介

1、電力變壓器繞組變形的測試方法及對比分析十九冶電裝分公司 任兆興內(nèi)容摘要:本文從變壓器繞組變形的測試原理、測試接線方法、變形的判斷方法、現(xiàn)場檢測要點等幾個方面,分別介紹了低壓電抗法和頻率響應法在變壓器繞組變形現(xiàn)場測試中的應用方法,并對比分析了低壓電抗法和頻率響應法之間的優(yōu)點與不足。關(guān)鍵詞:變壓器繞組變形、低壓電抗法、頻率響應法、現(xiàn)場檢測要點、對比分析。一、前言:電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一,直接關(guān)系著電網(wǎng)的安全運行。據(jù)國家電網(wǎng)公司不完全統(tǒng)計,變壓器繞組變形引起的事故占變壓器事故的1/4以上。因此,目前世界各國都在積極開展電力變壓器繞組變形診斷測試,國家電網(wǎng)公司在防止電力生產(chǎn)重大事故的二

2、十五項重點要求中,已明確把繞組變形試驗列入變壓器出廠、交接和發(fā)生短路事故后的必試項目。變壓器繞組變形是指電力變壓器繞組在機械力或電動力作用下發(fā)生的軸向或徑向尺寸變化,通常表現(xiàn)為繞組局部扭曲、鼓包或移位等特征。變壓器在遭受短路電流沖擊或在運輸過程中遭受沖撞時,均有可能發(fā)生繞組變形現(xiàn)象1。變壓器繞組發(fā)生變形后,其內(nèi)部的電感、電容分布參數(shù)必然發(fā)生相對變化。用常規(guī)方法(如測量變比、直阻和電容)判斷變壓器繞組是否發(fā)生變形是很困難的,一般只能通過變壓器吊罩檢查來驗證,但吊罩檢查不僅要花費大量的人力物力,而且對變壓器本身也有一定的危害性。因此能在現(xiàn)場不吊罩檢查情況下快速判斷變壓器繞組有無變形的試驗方法和儀器

3、出現(xiàn)后,很快便得到了廣泛的運用。二、變壓器繞組變形測試方法介紹:1、短路阻抗法:變壓器繞組變形測試最早使用的方法是由前蘇聯(lián)提出的短路阻抗法。其原理是通過測量變壓器繞組在50Hz工頻電壓下變壓器繞組的短路阻抗或漏抗,由阻抗或漏抗值的變化來判斷變壓器繞組是否發(fā)生了危及運行的變形,如匝間短路、開路、線圈位移等。短路阻抗法主要用測量變壓器繞組的短路阻抗等集中參數(shù)的變化來判斷繞組是否發(fā)生變形。但對變形不是特別嚴重的繞組或者缺陷僅在繞組的個別部位,集中參數(shù)的變化將不明顯,使用一般檢測短路阻抗的方法,很難獲得必要的檢測靈敏度,所以測量效果不是很好。短路阻抗法雖一度曾被低壓脈沖法和頻率響應法所替代,但因短路阻

4、抗法實施簡單,又有標準2可循,尤其是對大量的中、低壓等級的變壓器現(xiàn)場試驗非常適用,一直仍不失為一種檢測手段。近年來,隨著試驗設(shè)備技術(shù)的不斷革新,相應的專用儀器的不斷完善,短路阻抗法測試技術(shù)又重新得到了業(yè)內(nèi)人士的重視。為規(guī)范短路阻抗法的現(xiàn)場檢測與繞組變形判斷,國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會于2006年11月1日發(fā)布實施國家電力行業(yè)標準電力變壓器繞組變形的低電壓電抗法檢測判斷導則(DL/T10932008),此標準是現(xiàn)行有關(guān)變壓器繞組變形檢測試驗最新標準。2、低壓脈沖法3:當頻率超過1kHZ時,變壓器鐵芯基本上不起作用,每個繞組均可視為一個由線性電阻、電感和電容等分布參數(shù)組成的無源線性二端口網(wǎng)絡(luò),低壓脈沖法就

5、是利用等值電路中各個小單元內(nèi)分布參數(shù)的微小變化造成波形上的變化來反映繞組結(jié)構(gòu)(匝間、餅間相對位置)上的變化。當外施脈沖波具有足夠的陡度,并使用有足夠頻率響應的示波器,就能把這些變化清楚地反映出來。其測試原理如圖1所示,在變壓器繞組的一端對地加入標準脈沖電壓信號,利用數(shù)字化記錄設(shè)備同時測量繞組兩端的對地電壓信號Vo(t)和Vi(t),并進行相應的處理,最終得到該變壓器繞組的傳遞函數(shù)h(t)或H(j),即:h(t)=Vo(t)/Vi(t) h(j)=Vo(j)/Vi(j)然后根據(jù)波形變化來判斷變壓器繞組變形。圖1:低壓脈沖法的測試原理圖低壓脈沖法(LVI)是波蘭的W·李奇(Lech)和L

6、·塔米斯基(Tyminski)于1966年提出的,此后英國和美國又對其進行了改進,其主要用途是確定變壓器是否通過短路試驗,曾被列入IEC及許多國家的電力變壓器短路試驗導則和測試標準中。低壓脈沖法克服了短路阻抗法靈敏度不高的缺點,能靈敏、準確地檢則出繞組軸向和徑向的變形故障。但由于低壓脈沖法采用的是時域脈沖分析技術(shù),在現(xiàn)場容易受到外界的干擾和靈敏度校正過程的影響,往往需要一個特殊結(jié)構(gòu)和精細調(diào)整的測試系統(tǒng),用以消除脈沖傳遞過程中折返射和脈沖信號源的不穩(wěn)定問題,故現(xiàn)場很難保證測試結(jié)果的重復性。因此,近年來現(xiàn)場測試中已很少采用低壓脈沖法來測量變壓器繞組變形。3、頻率響應法為了克服低壓脈沖法的

7、一些缺陷,1978年加拿大的E.P.迪克(Dick)和C.C.伊爾溫(Erven)提出了頻率響應法(FRA)。頻率響應法測試原理與低壓脈沖法基本相同,都是通過測量變壓器繞組的傳遞函數(shù)的變化來診斷變壓器繞組變形的。低壓脈沖法和頻率響應法實際上是從時域和頻域兩個方面對同一事物的兩個不同側(cè)面的描述。從數(shù)學上講,這兩個方法是有聯(lián)系的、是等價的。但是這兩個方法從實際實施方法來說,在技術(shù)上是有很大差異,與低壓脈沖法相比,由于頻率響應法采用的是掃頻測量技術(shù),所測量的均是幅值較高、頻率預先已知且低于1MHz的正弦波信號,便于用數(shù)字處理技術(shù)消除干擾信號的影響,信號傳播過程中的折反射問題也容易得到解決,故具有較強

8、的抗干擾能力,測量結(jié)果的重復性也易于得到保證。頻率響應法的測試原理如圖2所示。在繞組的一端輸入掃頻電壓信號Vs(依次輸入不同頻率的正弦波電壓信號),通過數(shù)字化記錄設(shè)備同時檢測不同掃描頻率下繞組兩端的對地電壓信號Vi(n)和Vo(n),并進行相應的處理,最終得到被測變壓器繞組的傳遞函數(shù)H(n):H(n)=20logVo(n)/Vi(n)并將頻率響應根據(jù)頻率描繪成曲線來判斷變壓器繞組變形。圖2:頻率響應法的測試原理圖用頻率響應分析法檢測變壓器繞組變形,具有檢測靈敏度高、現(xiàn)場使用方便等優(yōu)點,現(xiàn)在電力行業(yè)廣泛應用。三、低壓電抗法在現(xiàn)場測試中的應用方法1、低壓電抗法判斷變壓器繞組變形的測試原理4:(1)

9、變壓器的每一對繞組的漏電感Lk是這兩個繞組相對距離(同心圓的兩個繞組的半徑R之差)的增函數(shù),而且Lk與這兩個繞組的高度的算術(shù)平均值近似成反比。即漏電感Lk是這對繞組相對位置的函數(shù),Lk=f(R、H)。這繞組對中任何一個繞組的變形必定會引起Lk的變化。由于繞組對的短路電抗Xk和短路阻抗Zke、Zk都是Lk的函數(shù),因此,該繞組對中任一繞組的變形都會引起Zke、Zk、Xk發(fā)生相應的變化。(2)在漏磁通回路中油、紙、銅等非鐵磁性材料占磁路主要部分。非鐵磁性材料的磁阻是線性的,且磁導率僅為硅鋼片的萬分之五左右,亦即磁壓的99.9%以上降落在線性的非磁性材料上。把漏電感Lk看作線性,在本檢測中所引起的偏差

10、小于千分之一。Lk在電流從0到短路電流的范圍內(nèi)都可以認為是線性的。因此,測量Lk可以用較低的電流、電壓而不會影響其復驗性(包括與額定電流下的測試結(jié)果相比)不大于2的要求。由于Xk、Zke、Zk都未涉及與電壓或電流相關(guān)的非線性因素,因此均可在不同的電流(電壓)下測量上述參數(shù),而不影響其互比性。上述兩點就是低電壓電抗法判斷繞組有無變形的物理基礎(chǔ)。2、低壓電抗法現(xiàn)場測試接線方法:(1)YN接變壓器現(xiàn)場測試接線。1)三相四線法:短接對側(cè)繞組的所有端子(非被測繞組開路)后,按下圖3所示接入三相電源。圖3:YN接變壓器三相法測試接線示意圖2)單相電源法:短接對側(cè)繞組的所有端子(非被測繞組開路)后,將單相電

11、源電壓逐次加在A-0、B-0、C-0的端子上, 測取各相繞組參數(shù)。下圖4所示為僅對應于測B相繞組參數(shù)的接線示意圖。圖4:YN接變壓器單相法測試接線示意圖(2)Y(或)接變壓器現(xiàn)場測試接線。1)三相三線法:短接對側(cè)繞組的所有端子(非被測繞組開路)后,按下圖5所示用三相三線法接入三相電源。圖5:Y(或D)接變壓器三相法測試接線示意圖2)Y接變壓器單相電源法:短接對側(cè)繞組的所有端子(非被測繞組開路)后,將單相電源電壓逐次加在A-B、B-C、C-A的端子上,測取每兩相繞組的復合參數(shù)。下圖6所示為僅對應于測試BC兩相繞組復合參數(shù)的接線示意圖。圖6:Y接變壓器單相法測試接線示意圖3)D接變壓器單相電源法:

12、單相電源法一:短接對側(cè)繞組的所有端子(非被測繞組開路)后,還需逐次短接本側(cè)繞組的B-C、C-A、A-B端子,然后相對應地將單相電源電壓逐次加在A-B、B-C、C-A端子上,測取每兩相繞組的復合參數(shù)。下圖7所示僅對應于測BC或AB兩相繞組復合參數(shù)的接線圖。圖7:D接變壓器單相法一測試接線示意圖單相電源法二:逐次短接對側(cè)繞組相應的a-o、b-o、c-o,然后相對應地將單相電源電壓逐次加在C-A、A-B、B-C端子上,測取各相繞組參數(shù)。下圖8所示僅對應于測量C相繞組參數(shù)的接線圖。圖8:D接變壓器單相法二測試接線示意圖3、低壓電抗法對變壓器繞組變形的判斷:(1)首次低電壓電抗法檢測后,可將測取的短路阻

13、抗ZKe或Zk與銘牌(或出廠試驗報告)上的同繞組對、同分接位置的短路阻抗ZKee或Zk相比。(2)分析同一參數(shù)的三個單相值的互差(橫比)和同一參數(shù)值與原始數(shù)據(jù)和上一次測試數(shù)據(jù)的相比之差(縱比)。判斷差值是否超過了注意值。注意值4:1)縱比:容量100MVA及以下且電壓220kV以下的電力變壓器繞組參數(shù)的相對變化不應大于±2.0%;容量100MVA以上或電壓220kV及以上的電力變壓器繞組參數(shù)的相對變化不應大于±1.6%;2)橫比:容量100MVA及以下且電壓220kV以下的電力變壓器繞組三個單相參數(shù)的最大相對互差不應大于2.5%;容量100MVA以上或電壓220kV及以上的

14、電力變壓器繞組三個單相參數(shù)的最大相對互差不應大于2.0%。4、低壓電抗法現(xiàn)場檢測要點(1)被試變壓器分接位置的要求:1)測試時,被加壓繞組和被短接繞組均應置于最高分接位置。2)外部短路故障后的檢測可增加短路時繞組所在分接位置的檢測。3)首次電抗法檢測,應在該變壓器銘牌上標有短路阻抗值(或出廠試驗報告上有實測值)的分接位置測量短路阻抗ZK()或ZKe(%)。(2)測試接線要求:1)測試時,先將被測繞組對的不加壓側(cè)所有接線端全部短接。短接線及其接觸電阻的總阻抗不得大于被測繞組對短路側(cè)等值阻抗的0.1。2)對加壓側(cè)繞組為D接線的三相變壓器,用單相法測試時,應做好相應的短接。3)對加壓側(cè)繞組為YN接線

15、的三相變壓器,用三相法測試時,變壓器被加壓繞組的中性點()、測試系統(tǒng)的中性點和測試電源的中性點應良好連接。4)測100MVA以上容量變壓器的繞組參數(shù)時,測試系統(tǒng)引向被試變壓器的電流線和電壓線應分開。(3)現(xiàn)場試驗電源要求:在試驗前,應核對現(xiàn)場電源的額定容量SH和額定電流IH。應保證SH2SS,IH2IS。否則,應使用調(diào)壓器降低試驗電壓UKS以限制試驗電流IS。試驗電流和視在功率計算公式如下: 1)試驗電流:2)視在功率:三相法測試時:單相法測試時:式中:IS試驗電流估算值,A;SS視在功率,kVA;UKS試驗電壓V,通常三相測試用380V左右,單相測試用220V左右;Ur變壓器被加壓繞組在測試

16、分接位置時,對應的標稱電壓,kV;Ir變壓器被加壓繞組在測試分接位置時,對應的標稱電流,A;ZKe變壓器被測繞組對在測試分接位置時,對應的短路阻抗百分值四、頻率響應法在現(xiàn)場測試中的應用方法1、頻率響應法判斷變壓器繞組變形的測試原理1:在較高頻率的電壓作用下,變壓器的每個繞組均可視為一個由線性電阻、電感(互感)、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性雙口網(wǎng)絡(luò),如圖9所示。其內(nèi)部特性可通過傳遞函數(shù)H(j)描述,若繞組發(fā)生變形,繞組內(nèi)部的分布電感、電容等參數(shù)必然改變,導致其等效網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)H(j)的零點和極點發(fā)生變化,使網(wǎng)絡(luò)的頻率響應特性發(fā)生變化。用頻率響應分析法檢測變壓器繞組變形,是通過檢測變壓器各個繞組的

17、幅頻響應特性,并對檢測結(jié)果進行縱向或橫向比較,根據(jù)幅頻響應特性的差異,判斷變壓器可能發(fā)生的繞組變形。 圖9:頻率響應法的基本檢測回路圖2、頻率響應法現(xiàn)場測試接線:(1)頻率響應法測試儀組成:變壓器繞組變形測試儀采用的是頻率響應法工作原理,其系統(tǒng)的基本組成如下圖10所示。通過計算機的管理和控制,掃頻信號發(fā)生器依次把輸出的不同頻率的正弦波電壓信號Vs(t)加到變壓器繞組的末端,高速采集系統(tǒng)同時記錄該端子及繞組對應首端上的電壓信號Vi(t)和Vo(t)的波形,并進行相應的數(shù)字化處理,得到其在不同掃描頻率下的幅值和相位,然后根據(jù)公式求得被測繞組的幅頻響應特性或相頻響應特性,繪制出頻率響應波形。圖10:

18、繞組變形測試儀的基本組成 頻率響應測試的掃頻信號從繞組的末端注入,首端輸出。根據(jù)變壓器的不同接線組別,繞組變形測試的接線方式也不同。(2)YN接變壓器測試接線:掃頻信號輸入阻抗接于中性點O,輸出測量阻抗分別接在A、B、C上。這種測量方法,可以將非測量相上接收到的干擾信號由信號發(fā)生器上的低阻抗來吸收。測試接線示意圖如圖11所示。圖11:YN接變壓器測試接線示意圖(3)Y接變壓器測試接線:由于中性點未引出,應按下圖12所示方式接線。圖12:Y接變壓器測試接線示意圖:(4)D接變壓器測試接線:對于D接變壓器,如果有可能將線圈解開測量則是最好,如無法解開則應以下圖13所示方式接線。圖13:D接變壓器測

19、試接線示意圖由于接線非測量的兩個繞組串聯(lián)后并聯(lián)在回路中,理論上說對測試過程是有影響的。但如果衰減超過10dB后,則可以認為非測量線圈的影響可以忽略。(5)有平衡繞組的變壓器測試接線:對于有平衡繞組的變壓器,測試時必須解開接地。如圖14所示圖14:平衡繞組接線3、頻率響應法對變壓器繞組變形的判斷:(1)以低壓繞組為主,高、中壓繞組為輔。實際中,低壓繞組發(fā)生短路故障的幾率要比高、中壓繞組高的多。因此,對于大型變壓器而言,低壓繞組的頻譜是判斷變形的重要特征圖譜。無論是相與相之間的橫向比較,還是與上次(或原始值)的縱向比較,低壓繞組的特征頻譜是主要依據(jù)。在分析高、中壓繞組的頻譜時,應仔細判斷頻峰的特征

20、。值得指出的是,各繞組之間的變形會相互影響,這是因為線圈的壓縮或膨脹會明顯的改變另一側(cè)線圈的電氣分布參數(shù),甚至連帶變形。所以,需綜合各側(cè)線圈的頻譜變化,作出全面的分析和判斷。 (2)以橫向比較為主,縱向比較為輔 由于橫向比較的曲線測試條件、接線方式基本一致,因此應優(yōu)先考慮進行相與相之間的橫向比較,再進行與原始數(shù)據(jù)或上次數(shù)據(jù)的縱向比較。另外,應優(yōu)先考慮與原始數(shù)據(jù)的縱向比較。在沒有原始數(shù)據(jù)的情況下,橫向比較時有時需要考慮特殊結(jié)構(gòu)對頻響特性曲線影響。例如對于那些帶有平衡繞組的變壓器,受平衡繞組的不對稱性(通常位于低壓繞組的內(nèi)側(cè),且以開口三角形的方式聯(lián)接)的影響,測得的三相繞組的頻響特性往往有較大的差

21、異。因此,在沒有原始測試數(shù)據(jù)結(jié)果,單純根據(jù)三相繞組間頻響特性的差異來判斷特殊結(jié)構(gòu)變壓器的繞組變形時,往往具有一定的局限性。如果測得的頻響特性三相一致性較好,通??傻贸鲚^為明確的診斷結(jié)果,即可以認為變壓器繞組沒有發(fā)生明顯的變形現(xiàn)象。但如果測得的頻響特性一致性較差,或者僅有其中兩相的頻響特性較為一致,則有可能得出錯誤的診斷結(jié)果,即把正常的變壓器繞組判斷為變形。(3)以低頻段為主,中、高頻段為輔1)幅頻響應特性曲線低頻段(1kHz-100kHz)的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化,通常預示著繞組的電感改變,可能存在匝間或餅間短路的情況。因為頻率較低時,繞組的對地電容及餅間電容所形成的容抗較大,而感抗較小,

22、如果繞組的電感發(fā)生變化,會導致其頻響特性曲線低頻部分的波峰或波谷位置發(fā)生明顯移動。對于絕大多數(shù)變壓器,其三相繞組低頻段的響應特性曲線應非常相似,如果存在差異則應及時查明原因。2)幅頻響應特性曲線中頻段(100kHz-600kHz)的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化,通常預示著繞組發(fā)生扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象。因為在該頻率范圍內(nèi)的幅頻響應特性曲線具有較多的波峰和波谷,能夠靈敏地反映出繞組分布電感、電容的變化。3)幅頻響應特性曲線高頻段(>600kHz)的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化,通常預示著繞組的對地電容改變,可能存在線圈整體移位或引線位移等情況。因為頻率較高時,繞組的感抗較大,容抗較小,由于繞

23、組的餅間電容遠大于對地電容,波峰和波谷分布位置主要以對地電容的影響為主。(4)以波形觀察為主,相關(guān)系數(shù)判斷為輔。通過相關(guān)系數(shù)可以定量描述出兩條波形曲線之間的相似程度,通??勺鳛檩o助手段用于分析變壓器的繞組變形情況。下表1是變壓器相關(guān)系數(shù)與變壓器繞組變形程度的關(guān)系。表1:相關(guān)系數(shù)與變壓器繞組變形程度的關(guān)系1繞組變形程度相關(guān)系數(shù)R嚴重變形RLF0.6明顯變形1.0RLF0.6 或RMF0.6輕度變形2.0RLF1.0或0.6RMF1.0正常RLF2.0和RMF1.0和RHF0.6注:RLF為曲線在低頻段(1kHz-100kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù);RMF為曲線在中頻段(100kHz-600kHz)內(nèi)的相

24、關(guān)系數(shù);RHF為曲線在高頻段(600kHz-1000kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù)。4、頻率響應法現(xiàn)場檢測要點(1)被試變壓器分接位置的要求:變壓器繞組的頻率響應特性與分接開關(guān)位置有關(guān),分接開關(guān)的位置不同時,頻譜圖有較大的區(qū)別。測試時必須正確記錄分接開關(guān)的位置。特別對有載調(diào)壓變壓器,應盡可能將被試變壓器的分接開關(guān)放置在第一分接,以獲取較全面的繞組信息。對于無載調(diào)壓變壓器,應保證每次測量在同一分接位置,便于比較。(2)接地要求 測量過程中接地非常重要,它除了保護儀器設(shè)備外,主要是使高頻電流的流向必須正確,否則測量結(jié)果將無法一致。變壓器鐵心必須與外殼可靠接地。測量系統(tǒng)應共一點接地,即測試儀外殼、變壓器鐵心及

25、變壓器外殼共一點可靠接地。如果接觸不良,頻率響應曲線有可能出現(xiàn)毛刺等異?,F(xiàn)象。(3)測試引線、周圍接地體和金屬懸浮物的要求 繞組變形測試應在解開變壓器所有引線(包括架空線、封閉母線和電纜)的前提下進行。變壓器引線的對地雜散電容往往是不固定的,三相之間也不會完全平衡,引線雜散電容將改變頻響特性曲線。為保證測試結(jié)果的重復性,得出精確的診斷結(jié)果,應拆除所有與被試變壓器套管連接的引線,并使這些引線盡可能的遠離變壓器套管(周圍接地體和金屬懸浮物需離開變壓器套管20cm以上),以減少雜散電容的影響。(4)對測試環(huán)境的要求 如果變壓器繞組中存在靜電電荷,一方面將對頻率響應特性產(chǎn)生影響,有時甚至無法保證前后兩

26、次測試結(jié)果的重復性;另一方面可能損壞測試儀器。因此,試驗前應將被試變壓器線端充分放電。并最好在所有直流試驗項目(如繞組直流電阻試驗、泄漏電流試驗)之前進行繞組變形測試工作。五、低壓電抗法與頻率響應法對比分析:1、從相關(guān)標準規(guī)定方面比較頻率響應法相關(guān)標準有:電力行業(yè)標準DL/T 911-2004 電力變壓器繞組變形的頻率響應法,該標準給出了用頻率響應法檢測變壓器繞組變形的基本要求,列舉出典型幅頻特性曲線,推薦通過相關(guān)系數(shù)作為輔助手段。但該標準不足之處是沒有給出明確的判據(jù),判據(jù)的量化有待成熟和規(guī)范,在現(xiàn)場實際工作中,試驗人員判斷很為難,需要經(jīng)驗豐富的專業(yè)技術(shù)人員才能決斷。低壓電抗法相關(guān)標準有:國家電力行業(yè)標準DL/T1093-2008電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導則,該標準規(guī)定了低壓電抗法(不高于500V的交流工頻電壓)判斷變壓器繞組變形的檢測項目、檢測要求、檢測時機、判斷方法和判斷依據(jù),以變壓器繞組參數(shù)(短路阻抗ZKe和ZK、短路電抗XK、漏電感LK)的相對變化和三相不對稱程度作為判斷變壓器繞組有無變形的依據(jù)。因其判據(jù)進行

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