畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于MATLAB的變壓器勵(lì)磁涌流抑制控制研究_第1頁(yè)
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1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文) 變壓器勵(lì)磁涌流抑制控制器設(shè)計(jì)系別:機(jī)電信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng):電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師姓名、職稱(chēng):完成日期 2011 年 12 月 8 日論文題目:變壓器勵(lì)磁涌流抑制控制器設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化本科生: 文 晨 (簽名) 指導(dǎo)教師:李 忠 (簽名) 摘 要 當(dāng)變壓器空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí),由于鐵芯飽和會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流,在最不利的情形下,可達(dá)到到正常勵(lì)磁電流的上百倍,或者說(shuō)可達(dá)到變壓器額定電流的5一7倍。這一大大超過(guò)正常勵(lì)磁電流的空載合閘電流稱(chēng)為勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流的大小和衰減時(shí)間與外加電壓的相位、鐵芯中剩磁的大小和方向、電源容量的大小

2、、回路的阻抗、變壓器容量的大小和鐵芯飽和程度軼芯的剩磁以及合閘時(shí)的相角等因素有關(guān)。同時(shí),在變壓器空載合閘這一瞬變過(guò)程中,電流、電壓的波形也會(huì)發(fā)生畸變,產(chǎn)生諧波;在一定的條件下,還可能會(huì)引起電力系統(tǒng)諧振,產(chǎn)生過(guò)電壓。變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確率長(zhǎng)期偏低的一個(gè)主要原因是勵(lì)磁涌流的存在。而識(shí)別勵(lì)磁涌流有很多方法,由于受變壓器鐵芯材料磁飽和點(diǎn)的降低、TA暫態(tài)飽和等諸多因素的影響,其可靠性可能大幅降低。因此有待研究一種可靠性更高的識(shí)別,抑制勵(lì)磁涌流的新方法。本文利用MATLAB軟件的仿真平臺(tái),在變壓器各種運(yùn)行情況下進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,并對(duì)所產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)進(jìn)行分析?;谶@些仿真分析,提出抑制變壓器勵(lì)磁涌流的方

3、法,并且對(duì)于這些方法進(jìn)行仿真分析,確實(shí)這些方確實(shí)簡(jiǎn)單易行。關(guān)鍵詞:變壓器;勵(lì)磁涌流;勵(lì)磁涌流抑制;差動(dòng)保護(hù) :Transformer inrush current suppression controller design :Electrical system and automation Name: wen chen (signature) Instructor:li zhong (signature) When closing or external transformer no-load voltage recovery after fault clearing ,As the core

4、 saturation will have a huge inrush current ,In the worst case, can reach to a hundred times the normal excitation current, or up to the rated current of the transformer 5 to 7 times .This greatly exceeds the normal no-load excitation current is called inrush current closing .Inrush current size and

5、 decay time and the applied voltage, phase, iron core in the size anddirection of the remanence, the power capacity of the size of the loop impedance, the transformer core saturation capacity of the size and extent of Yi and closing at the core of theremanence the phase angle and other factors .Mean

6、while, the transient in the transformer no-load closing process, the current and voltage waveform distortion can occur, resulting in harmonic ;In certain conditions, may also cause power system resonance, resulting in over-voltage . Transformer differential protection accuracy is a major cause of lo

7、ng-term low inrush currentexists .And there are many ways to identify the magnetizing inrush current, the magnetic material due to transformer core saturation point lower, TA transient saturated and many other factors, maysignificantly reduce the reliability .So to be studying a more reliable identi

8、fication, the new method of magnetizing inrush currentsuppression. This simulation platform using MATLAB software, the operation of the transformer under a variety of computer simulation, and the resulting analysis of the characteristics of magnetizing inrush current. Based on these simulation analy

9、sis, the method of magnetizing inrush currentsuppression, and simulation analysis for these methods, does the party really simple .Keywords: transformer; inrush current; inrush current suppression; differential protection 目 錄內(nèi)容摘要IIABSTRACTIII第1章 緒 論11.1研究的背景及意義11.2勵(lì)磁涌流的危害性11.3 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)21.3.2 三相變

10、壓器勵(lì)磁涌流的特征51.3.3 外部故障切除后變壓器恢復(fù)性涌流特點(diǎn)71.3.4 變壓器空載勵(lì)磁涌流與恢復(fù)性涌流的區(qū)別91.4 本章小結(jié)10第2章 防止勵(lì)磁涌流引起的誤動(dòng)方法112.1勵(lì)磁涌流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響112.2電流辨別勵(lì)磁涌流的方法122.2.1 二次諧波制動(dòng)的方法122.2.2 間斷角原理132.2.3 波形對(duì)稱(chēng)原理142.2.4 基于采樣值差動(dòng)的勵(lì)磁涌流鑒別方法152.2.5 虛擬三次諧波式涌流制動(dòng)方法162.2.6 小波變換識(shí)別方法162.2.7 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)提取涌流的方法172.3基于電流電壓識(shí)別勵(lì)磁涌流的方法172.3.1 磁通特性判別方法182.3.2 等值電路參數(shù)鑒別方法

11、192.3.3 基于變壓器模型的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法212.3.4 利用瞬時(shí)電感判據(jù)識(shí)別法222.3.5 多條件制動(dòng)判據(jù)方法232.3.6功率判別方法242.4 新型技術(shù)在勵(lì)磁涌流識(shí)別方面的應(yīng)用252.4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在勵(lì)磁涌流識(shí)別中的應(yīng)用252.4.2 小波理論在涌流識(shí)別方面的應(yīng)用252.4.3 模糊方法在勵(lì)磁涌流識(shí)別方面的應(yīng)用262.5 本章小結(jié)27第3章 變壓器仿真計(jì)算模型研究283.1 MATLAB軟件介紹283.2 仿真模型303.2.1 變壓器空載模型303.2.2 變壓器短路模型313.3 仿真結(jié)果分析313.3.1 勵(lì)磁涌流仿真示波器結(jié)果313.3.2 仿真分析343.4 本章小結(jié)

12、35第4章 幾種抑制變壓器勵(lì)磁涌流的方法364.1控制三相合閘時(shí)間法364.1.1 快速合閘策略364.1.2 延時(shí)合閘法384.2中性點(diǎn)串電阻法404.2.1 涌流峰值表達(dá)式404.2.2 仿真說(shuō)明424.3回路串聯(lián)電阻延遲合閘綜合抑制法434.3.1 回路串聯(lián)電阻延遲合閘綜合抑制法原理介紹434.3.2 模型建立444.3.3 仿真說(shuō)明454.4 性能評(píng)價(jià)464.4.1 控制三相開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間法性能464.4.2 中性點(diǎn)串聯(lián)電阻法性能464.4.3 回路串聯(lián)電阻延遲合閘綜合抑制法464.5 本章小結(jié)46第5章 結(jié) 論475.1主要結(jié)論475.2 總結(jié)與展望47附錄1 仿真模型中各個(gè)元件的參

13、數(shù)設(shè)置48參考文獻(xiàn)52致 謝54第1章 緒 論1.2勵(lì)磁涌流的危害性(1) 引發(fā)變壓器的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng),使變壓器的投運(yùn)頻頻失?。?(2) 變壓器出線短路故障切除時(shí)所產(chǎn)生的電壓突增,誘發(fā)變壓器保護(hù)誤動(dòng),使變壓器各側(cè)負(fù)荷全部停電;(3) A電站一臺(tái)變壓器空載接入電源產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流,誘發(fā)鄰近其他B電站、C電站等正在運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生“和應(yīng)涌流”(sympathetic inrush)而誤跳閘,造成大面積停電;(4) 數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流會(huì)導(dǎo)致變壓器及斷路器因電動(dòng)力過(guò)大受損; (5) 誘發(fā)操作過(guò)電壓,損壞電氣設(shè)備;(6) 勵(lì)磁涌流中的直流分量導(dǎo)致電流互感器磁路被過(guò)度磁化而大幅降低測(cè)量精度和繼電保護(hù)裝置的

14、正確動(dòng)作率;(7) 勵(lì)磁涌流中的大量諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的污染。(8) 造成電網(wǎng)電壓驟升或驟降,影響其它電氣設(shè)備正常工作。 數(shù)十年來(lái)人們對(duì)勵(lì)磁涌流采取的對(duì)策是“躲”,但由于勵(lì)磁涌流形態(tài)及特征的多樣性,通過(guò)數(shù)學(xué)或物理方法對(duì)其特征識(shí)別的準(zhǔn)確性難以提高,以致在這一領(lǐng)域里勵(lì)磁涌流已成為歷史性難題。1.3 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)抑制器的重要特點(diǎn)是對(duì)勵(lì)磁涌流采取的策略不是“躲避”,而是“抑制”。理論及實(shí)踐證明勵(lì)磁涌流是可以抑制乃至消滅的,因產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的根源是在變壓器任一側(cè)繞組感受到外施電壓驟增時(shí),基于磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ?,該繞組在磁路中將產(chǎn)生單極性的偏磁,如偏磁極性恰好和變壓器原來(lái)的剩磁極性相同時(shí),就可

15、能因偏磁與剩磁和穩(wěn)態(tài)磁通疊加而導(dǎo)致磁路飽和,從而大幅度降低變壓器繞組的勵(lì)磁電抗,進(jìn)而誘發(fā)數(shù)值可觀的勵(lì)磁涌流。由于偏磁的極性及數(shù)值是可以通過(guò)選擇外施電壓合閘相位角進(jìn)行控制的,因此,如果能掌握變壓器上次斷電時(shí)磁路中的剩磁極性,就完全可以通過(guò)控制變壓器空投時(shí)的電源電壓相位角,實(shí)現(xiàn)讓偏磁與剩磁極性相反,從而消除產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的土壤磁路飽和,實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制。長(zhǎng)期以來(lái),人們認(rèn)為無(wú)法測(cè)量變壓器的剩磁極性及數(shù)值,因而不得不放棄利用偏磁抵消剩磁的想法。從而在應(yīng)對(duì)勵(lì)磁涌流的策略上出現(xiàn)了兩條并不暢通的道路,一條路是通過(guò)控制變壓器空投電源時(shí)的電壓合閘相位角,使其不產(chǎn)生偏磁,從而避免空投電源時(shí)磁路出現(xiàn)飽和。另一條路

16、是利用物理的或數(shù)學(xué)的方法針對(duì)勵(lì)磁涌流的特征進(jìn)行識(shí)別,以期在變壓器空投電源時(shí)閉鎖繼電保護(hù)裝置,即前述“躲避”的策略。這兩條路都有其致命的問(wèn)題,捕捉不產(chǎn)生偏磁的電源電壓合閘角只有兩個(gè),即正弦電壓的兩個(gè)峰值點(diǎn)(90°或270°),如果偏離了這兩點(diǎn),偏磁就會(huì)出現(xiàn),這就要求控制合閘環(huán)節(jié)的所有機(jī)構(gòu)(包括斷路器)要有精確、穩(wěn)定的動(dòng)作時(shí)間,因?yàn)槿鐒?dòng)作時(shí)間漂移1毫秒,合閘相位角就將產(chǎn)生18°的誤差。此外,由于三相電壓的峰值并不是同時(shí)到來(lái),而是相互相差120°,為了完全消除三相勵(lì)磁涌流,必須斷路器三相分時(shí)分相合閘才能實(shí)現(xiàn),而當(dāng)前的電力操作規(guī)程禁止這種會(huì)導(dǎo)致非全相運(yùn)行的分時(shí)分

17、相操作,何況有些斷路器在結(jié)構(gòu)上根本無(wú)法分相操作。用物理和數(shù)學(xué)方法識(shí)別勵(lì)磁涌流的難度相當(dāng)大,因?yàn)閯?lì)磁涌流的特征和很多因素有關(guān),例如合閘相位角、變壓器的電磁參數(shù)等。大量學(xué)者和工程技術(shù)人員通過(guò)幾十年的不懈努力仍不能找到有效的方法,因其具有很高的難度,也就是說(shuō)“躲避”的策略困難重重,這一策略的另一致命弱點(diǎn)是容忍勵(lì)磁涌流出現(xiàn),它對(duì)電網(wǎng)的污染及電器設(shè)備的破壞性依舊存在。 單相變壓器勵(lì)磁涌流的特征 電力系統(tǒng)中的電力變壓器都是三相的,但為了清晰地說(shuō)明勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因,先以一臺(tái)單相變壓器空載合閘為例分析勵(lì)磁涌流形成的物理過(guò)程及其特點(diǎn),然后進(jìn)一步分析三相變壓器勵(lì)磁涌流的特性。為了方便表達(dá),一變壓器的額定電壓的幅

18、值和額定磁通的幅值為基值的標(biāo)幺值來(lái)表示電壓u和磁通。變壓器的額定磁通是指變壓器運(yùn)行電壓等于額定電壓時(shí),鐵芯中產(chǎn)生的磁通。用表壓值表示時(shí),電壓和磁通之間的關(guān)系為u=d/dt (1.1)設(shè)變壓器在t=0時(shí)刻空載時(shí),加在變壓器上的電壓為u=Umsin(t+)。與(1.1)式聯(lián)合解得=cos(t+)+(0) (1.2)式中cos(t+)為磁通分量,其中m=Um/;(0)為自由分量,如考慮變壓器的損耗,(0)應(yīng)該是衰減的分周期分量,這里不考慮損耗,所以是直流分量。由于鐵芯的磁通不變,可求得(0)=mcos()+r (1.3)式中r是變壓器鐵芯剩磁,其大小方向與變壓器切除時(shí)刻的電壓(磁通)有關(guān)。電力變壓器

19、的飽和磁通一般為sat=1.151.4,而變壓器運(yùn)行電壓一般不會(huì)超過(guò)額定電壓的10,相應(yīng)的磁通不會(huì)嘗過(guò)磁通sat。所以在變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),鐵芯是不會(huì)造成飽和的。但在變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)程中,由于(0)的作用使可能會(huì)大于sat,造成鐵芯飽和。若鐵芯的剩磁r0.cos0, 合閘半個(gè)周期(t=)后達(dá)到最大值,即=2m+r,遠(yuǎn)大于飽和磁通sat,造成變壓器的嚴(yán)重飽和。此時(shí)(=0)合閘,最大值為2m+r,遠(yuǎn)大于飽和的磁通sat,造成變壓器的嚴(yán)重飽和。此時(shí)的波形如圖1-1所示用=t+來(lái)代替時(shí)間,這樣的波形是以2為周期變化的。在(0,2)周期內(nèi),121時(shí)發(fā)生飽和,而=事飽和最嚴(yán)重。令=sat,由于圖

20、1-1可得1=arccos(mcos+rsat/m,01 (1.4) 變壓器暫態(tài)磁通1-1如下圖1-2所示是變壓器的近似磁化曲線,鐵芯不飽和時(shí),磁化曲線的斜率很大,勵(lì)磁電流i近似為零;鐵芯飽和后,磁化曲線的斜率L很小,i大大增加,形成勵(lì)磁涌流。其中波形與sat只相差一個(gè)L,故在(0,2)周期內(nèi)有i=0, 01或21i=Im(cos1cos),12 (1.5) 變壓器近似磁化曲線1-21.6) 勵(lì)磁涌流波形1-3間斷角以及鐵芯剩磁=0,sat=1.15。時(shí)飽和最嚴(yán)重,里兩次涌流達(dá)到最大;而在計(jì)算1時(shí),式(1.4)sat前應(yīng)加“”號(hào),而r則取0.7,2。勵(lì)磁涌流中除了基波分量外,還有大量的非周期分

21、量和諧波分量。由于勵(lì)磁涌流是周期函數(shù),可以展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù) (1.7) (1.8) 勵(lì)磁涌流中各次諧波分量的幅值可以根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)和bn確定:非周期(直流)分量為=b0 /2,基波分量為,高次諧波分量為,n=2,3,4.將式(1.5)帶入式(1.8),就可以計(jì)算出非周期分量和各次諧波分量。通常關(guān)心的是勵(lì)磁涌流中非周期分量和高次諧波分量的含量(即她們與基波分量的相對(duì)大?。?。顯現(xiàn)在上述簡(jiǎn)化的飽和特想的前提下,它們至于間斷角有段,與勵(lì)磁涌流的幅值無(wú)關(guān)綜上所述,單相變壓器勵(lì)磁涌流有以下特點(diǎn)。兩個(gè)勵(lì)磁涌流相減后,涌流的時(shí)域特征和頻域特征都有所變化:,;三相剩磁,;A相的合閘角。由于三相電壓時(shí)對(duì)稱(chēng)的

22、,故,。經(jīng)計(jì)算的波形如圖1-4(a)所示,的波形分別如圖1-4(b),(c),(d)所示。在圖1-4(a)中,要注意最大值出現(xiàn)時(shí)刻:是正向涌流,在時(shí)達(dá)到最大值;是反向涌流,因此在(即)時(shí)達(dá)到最大值;也是反向涌流,最大值發(fā)生在處。的間斷角和二次諧波分別在78.6o,49.60,78.60,和,37.6%,14.8%。1 (1.9)(1.10) (1.11) (1.12) 由以上的幾個(gè)式子整理可得到 (1.13) 變壓器有載合閘電路模型圖1-5假定勵(lì)磁電抗為常數(shù),并且負(fù)載阻抗非常的小,可以忽略不計(jì),同時(shí)忽略變壓器漏磁的影響。設(shè)系統(tǒng)原邊電源電壓為采用平均電感后,Lm與的關(guān)系為:,則有: (1.14)

23、其中: 合并整理式(1.14)可以得到 (1.15)其中: 從式子(1.15)可以看出穩(wěn)態(tài)分量外,還有兩個(gè)自由分量,均按各自的時(shí)間常數(shù)衰減。1 變壓器空載勵(lì)磁涌流與恢復(fù)性涌流的區(qū)別 (1)產(chǎn)生的機(jī)理不同: 1)空載勵(lì)磁涌流就是電力變壓器在空載合閘投入電網(wǎng),在變壓器線圈內(nèi)所引起的沖擊電流電力變壓器空載合閘瞬間鐵芯磁通處于瞬變過(guò)程,會(huì)產(chǎn)生三相不對(duì)稱(chēng)磁通,導(dǎo)致電力變壓器繞組線圈迅速達(dá)到飽和,不過(guò)這種電流主要是非周期性變化的直流分量,它能導(dǎo)致鐵芯嚴(yán)重飽和,在最壞的情況下合閘主磁通可以突變到穩(wěn)定磁通的3倍,而勵(lì)磁涌流有可能達(dá)到額定電流的8- 10倍當(dāng)整定一臺(tái)斷路器控制一臺(tái)變壓器時(shí),其速斷可按變壓器勵(lì)磁電

24、流來(lái)整定。 2)恢復(fù)性涌流是外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí),任何一側(cè)發(fā)生電壓驟增,基于磁鏈?zhǔn)睾愣梢鸬乃沧冞^(guò)程產(chǎn)生偏磁導(dǎo)致鐵芯過(guò)度飽和,使勵(lì)磁電流很大,可達(dá)到額定電流的6- 8倍。 (2)涌流特征不同: 1)變壓器空載時(shí)勵(lì)磁涌流特征涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量(主要是二次和二次諧波),其變化曲線為尖頂波勵(lì)磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)飽和越深,電抗越小,衰減越快含有較大的非周期分量,且波形存在間斷角勵(lì)磁涌流的數(shù)值很大,最大可達(dá)額定電流的8一10倍。 2)變壓器外部故障切除后恢復(fù)性涌流特征峰值較小與空載合閘涌流相比,難以達(dá)到差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù);二次諧波含量高,即使恢復(fù)性涌流能夠滿(mǎn)足差動(dòng)保護(hù)的

25、啟動(dòng)條件。二次諧波制動(dòng)判據(jù)也能夠正確閉鎖差動(dòng)保護(hù)。 (3)對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響不同: 1)電力變壓器在空載合閘投人電網(wǎng)時(shí),由于變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特性,會(huì)產(chǎn)生幅值相當(dāng)大的勵(lì)磁涌流,而勵(lì)磁涌流僅流經(jīng)變壓器的合閘電源側(cè),通過(guò)電流互感器反應(yīng)到差動(dòng)回路中不能被平衡,由此可導(dǎo)致變壓器差動(dòng)僅護(hù)誤動(dòng)作。 2)雖.然變壓器外部故障切除后的恢復(fù)性涌流的二次諧波含量較高,大于50 ,但其恢復(fù)性涌流的幅值較小,還達(dá)不到差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)條件,說(shuō)明變壓器外部故障切除后恢復(fù)性涌流本身不會(huì)引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。 (4)對(duì)涌流的影響因素不同 1)影響變壓器空載勵(lì)磁涌流的因素:勵(lì)磁涌流的大小與電壓合閘初相角、剩磁

26、大小和極性、鐵芯磁化曲線有關(guān)同時(shí)其大小和衰減快慢取決于非周期衰減分量,衰減快慢與時(shí)間常數(shù)有關(guān);而勵(lì)磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān),飽和越深,電抗越小,衰減越快。 2)影響變壓器恢復(fù)性涌流的因素:變壓器能否出現(xiàn)恢復(fù)性涌流以及出現(xiàn)恢復(fù)性涌流的大小與變壓器外部故障發(fā)生時(shí)刻的電勢(shì)相角、故障嚴(yán)重程度h,故障切除時(shí)刻以及故障回路的時(shí)間常數(shù)這四個(gè)參數(shù)有關(guān)。21.4 本章小結(jié) 本章從變壓器勵(lì)磁涌流的危害入手,較為詳細(xì)的講述了變壓器勵(lì)磁涌流的特征,簡(jiǎn)要分析了其產(chǎn)生原因,對(duì)變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流和電力系統(tǒng)故障切除的恢復(fù)性涌流做了詳細(xì)對(duì)比。 勵(lì)磁特性曲線圖2-1 關(guān)系曲線圖2-2 (a) (b) 變壓器

27、導(dǎo)納型等值電路型圖2-3 空載運(yùn)行 PSB中的Powergui中的FFT Analysis對(duì)空載變壓器A相得勵(lì)磁涌流波形進(jìn)行傅里葉變換(FFT)分析,結(jié)果如圖2-7所示。對(duì)空載合閘及短路切除恢復(fù)性涌流進(jìn)行FFT分析,所得變壓器各相電流頻率分布分別如下各表 A相各次諧波含量分布圖2-7表2-1變壓器空載合閘A相各次頻率含量成分對(duì)應(yīng)圖2-6 相位 諧波大小050100150200A(數(shù)量)731302573 表2-2變壓器空載合閘時(shí)各相勵(lì)磁涌流頻率成分分析;對(duì)應(yīng)圖2-4相位 諧波大小050100150200A(數(shù)量)731302573B821254028C90140701512表2-3系統(tǒng)空載單相

28、接地故障切除時(shí)變壓器三相恢復(fù)性涌流成分分析;對(duì)應(yīng)圖2-3相位 諧波大小050100150200A(數(shù)量)641101201138B5810879260.3C52100907556 仿真分析由圖2-4知道變壓器空載合閘時(shí)A,B,C,三相分別出現(xiàn)不同程度的勵(lì)磁涌流。其中C相(紫色)電流最高能夠達(dá)到270A。約為變壓器額定電流的7倍。由圖2-4可以看出A,B,C三相分別出現(xiàn)不同程度的勵(lì)磁涌流,其中C相最大。由于外加電壓相位的不同軼芯中剩磁的大小和方向的不同,而C相只為正常的勵(lì)磁電流。由圖2-7及表2-1和表2-2可知,勵(lì)磁涌流包含有很大成分的非周期分量,致使涌流偏于時(shí)間軸的一側(cè),波形之間出現(xiàn)間斷。符

29、合三相變壓器勵(lì)磁涌流的特征。由FFT分析結(jié)果知,在變壓器各種運(yùn)行情況下大部分勵(lì)磁涌流波形中包含很大成分的非周期分量,而以二次諧波為主。仿真結(jié)果均有很大的直流分量,但這并不意味著在某些其他初始條件下的勵(lì)磁涌流也是如此。相反,對(duì)于變壓器差動(dòng)保護(hù),它反映的是兩相涌流的差值,使三相差動(dòng)保護(hù)中有一相涌流對(duì)稱(chēng)于時(shí)間軸,此時(shí)直流分量近于零。勵(lì)磁涌流屬于正常工況下的電流,但它卻是誘發(fā)保護(hù)動(dòng)作的差動(dòng)電流。因此,在變壓器保護(hù)中,必須鑒別出勵(lì)磁涌流,防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。由勵(lì)磁涌流的特點(diǎn),鑒別其與短路電流的不同,避免使差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。勵(lì)磁涌流的電流值往往比短路電流大,大型變壓器的勵(lì)磁涌流衰減比較慢,若采用提高保護(hù)的動(dòng)作電

30、流值,會(huì)降低保護(hù)的靈敏度,會(huì)延長(zhǎng)保護(hù)時(shí)間。利用非周期分量特點(diǎn)時(shí),當(dāng)二相勵(lì)磁涌流中有一相沒(méi)有非周期分量當(dāng)采用二次諧波制動(dòng)時(shí),系統(tǒng)的擴(kuò)大和運(yùn)行方式的增多會(huì)使二次諧波不再是勵(lì)磁涌流的獨(dú)有特征,當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí),也可能產(chǎn)生較大的二次諧波當(dāng)變壓器空載合閘發(fā)生短路時(shí),會(huì)由于二次諧波制動(dòng)而延時(shí)動(dòng)作。間斷角和勵(lì)磁涌流的二次諧波是相關(guān)的,間斷角越大,二次諧波涌流就越大,而短路電流只有基波和非周期分量,且個(gè)周期內(nèi)是沒(méi)有間斷角的,所以與二次諧波制動(dòng)相比,間斷角原理制動(dòng)方式有其特有的優(yōu)點(diǎn)。3.4 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了MATLAB軟件,并且利用MATLAB中的Simulink工具箱對(duì)變壓器各種運(yùn)行情況下的勵(lì)磁涌流

31、進(jìn)行了仿真,并對(duì)其波形進(jìn)行FFT分析。從仿真結(jié)果及對(duì)勵(lì)磁涌流波形進(jìn)行的FFT分析可知,所述的勵(lì)磁涌流波形與第一章中講述的變壓器勵(lì)磁涌流波形的特點(diǎn)是一致的。變壓器勵(lì)磁涌流的仿真,對(duì)變壓器繼電保護(hù)的研究分析具有重要的作用。采用MATLAB /Simulink能較好地實(shí)現(xiàn)這一仿真研究,它能根據(jù)不同的要求和條件有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流仿真,為變壓器勵(lì)磁涌流的研究提供比較方便的基礎(chǔ)。第4章 幾種抑制變壓器勵(lì)磁涌流的方法當(dāng)變壓器空載合閘或外部故障切除電壓恢復(fù)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流,這種勵(lì)磁涌流可引起變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng),使變壓器的絕緣性能降低,并對(duì)電網(wǎng)和變壓器本身形成沖擊。變壓器勵(lì)磁涌流與變壓器

32、上施加電壓的幅值、合閘角、變壓器鐵心剩磁及鐵心的 一 磁滯回線等多種因素有關(guān)。削減勵(lì)磁涌流的方法有低壓側(cè)并聯(lián)電容器法、中性點(diǎn)串電阻法和控制三相開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間法等。本章將對(duì)幾種抑制變壓器勵(lì)磁涌流方法進(jìn)行介紹,并且基于MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析,說(shuō)明抑制方法的可靠性??刂崎_(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間法是將變壓器的剩磁考慮在內(nèi),通過(guò)控制三相開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間來(lái)削減變壓器勵(lì)磁涌流的一種方法。針對(duì)不同的情況,有快速合閘策略、延遲合閘策略以及同時(shí)合閘策略。4.1控制三相合閘時(shí)間法 控制開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間法是將變壓器的剩磁考慮在內(nèi),通過(guò)控制三相開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間來(lái)削減變壓器勵(lì)磁涌流的一種方法。針對(duì)不同的情況,有快速合閘策略、延遲合閘策略

33、以及同時(shí)合閘策略。 快速合閘策略1>快速合閘原理快速合閘策略即一相先在合閘角度為90。時(shí)合閘,另外兩相在14工頻周期后合閘。這是因?yàn)椋僭O(shè)三相繞組中均無(wú)剩磁,A相先在最優(yōu)時(shí)間即90。時(shí)合閘,此時(shí)在A相繞組中產(chǎn)生的磁通最小,在B相、C相中產(chǎn)生幅值為磁通最大值的一半、相位超前A相180。的感應(yīng)磁通,如圖4-1所示。此時(shí),B相和C相合閘的最佳時(shí)間就是在14工頻周期后合閘,這樣就可保證B相和C相繞組中的磁通在正常范圍之內(nèi),從而消除或削弱了勵(lì)磁涌流。38 剩磁為零時(shí)A相合閘后三相磁通變化規(guī)律圖4-1 2> 建立模型 快速合閘策略仿真模型圖4-23>仿真結(jié)果分析 快速合閘得到的三相勵(lì)磁涌

34、流波形圖4-3將圖4-3得到的快速合閘勵(lì)磁涌流波形和圖2-4得到的無(wú)控制勵(lì)磁涌流波形可以看出三相最大峰值從2-4的300A抑制到不足100A。仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了快速合閘策略的有效性。該方法適用于三相繞組中剩磁為零及三相獨(dú)立控制合閘的情況。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算,實(shí)施該策略后,在合閘時(shí)間分散度為05ms的情況下,與三相隨機(jī)合閘相比,勵(lì)磁涌流的幅值可減少944。事實(shí)上,限制變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流所取得的效果受到斷路器動(dòng)作分散性和觸頭預(yù)擊穿因素的影響。綜合考慮斷路器動(dòng)作分散性和觸頭預(yù)擊穿因素的影響,選擇開(kāi)關(guān)理想關(guān)合時(shí)刻和實(shí)際關(guān)合時(shí)刻的時(shí)問(wèn)差在05ms-2ms之間變化。由于時(shí)間關(guān)系無(wú)法進(jìn)一步精確仿真,勵(lì)磁勵(lì)磁涌流的

35、抑制未能達(dá)到944。 延時(shí)合閘法 1>延時(shí)合閘法原理延遲合閘依據(jù)鐵芯磁通平衡效應(yīng)策略, 單相先合閘, 用合閘時(shí)產(chǎn)生的非周期分量的磁通抵消剩磁, 另外兩相在2 3 工頻周期后, 在首合相電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)合閘.延遲合閘的理論依據(jù)是鐵芯磁通平衡效應(yīng). 設(shè)C > B , 則當(dāng)C 到達(dá)飽和點(diǎn)后, B 還處在未飽和區(qū), 此時(shí)由于變壓器的非線性, LC < LB, 因此B、C 相繞組上電壓也不相同, uC > uB. 在繞組內(nèi)部, B 相繞組內(nèi)磁通的變化速度要比C 相繞組內(nèi)的快, 最后, B、C 兩相內(nèi)部磁通趨于平衡, 同時(shí)也消除了剩磁效應(yīng). 延遲合閘策略適用于已知單相繞組中的剩磁和三相

36、獨(dú)立合閘的情況.如圖4-4所示。B相和C相的感應(yīng)磁通從各自的剩磁開(kāi)始,在同一方向上沿其磁滯回線運(yùn)動(dòng)。則C相先達(dá)到飽和點(diǎn),而B(niǎo)相仍處在其磁滯回線的線性部分(未飽和區(qū))。此時(shí),由于變壓器的非線性,C相繞組的電感將大于B相繞組的電感。因此,B相繞組中磁通增長(zhǎng)較快,最后使得C相和B相的磁通趨于相等,從而消除了兩相中剩磁的作用。這也被稱(chēng)作鐵心磁通的平衡作用。38A相合閘后,B,C兩相延遲合閘的磁通變化規(guī)律圖4-4仿真的模型與圖4-2所示相同2>仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果如下圖4-5,相比圖2-4勵(lì)磁涌流得到一定的抑制。 延時(shí)合閘時(shí)三相勵(lì)磁涌流波形圖4-5 通過(guò)仿真證明了此方法的有效性,由于剩磁估計(jì)不夠準(zhǔn)

37、確,所以抑制效果未能達(dá)到最佳。事實(shí)上,以前討論控制投切相位角方法時(shí)都遵循了一個(gè)假設(shè):變壓器在投入電網(wǎng)前,鐵心的剩磁是隨機(jī)的。但是在多數(shù)情況下,變壓器鐵心剩磁是有規(guī)律可循的。變壓器投入電網(wǎng)的原因有3種:(1) 出廠初次投入運(yùn)行(2) 變壓器故障修復(fù)或停運(yùn)檢修后投入運(yùn)行。(3) 因電力故障繼電保護(hù)動(dòng)作或因運(yùn)行方式改變等原因使變壓器退出運(yùn)行后再次投入。前兩種情況下,由于受到外部因素的影響,可以認(rèn)為其剩磁是隨機(jī)的,但是在穩(wěn)定的電力系統(tǒng)運(yùn)行中。因第三種原因投入運(yùn)行的變壓器的剩磁是確定的,通過(guò)記錄上次切出電網(wǎng)時(shí)的勵(lì)磁電流相位及鐵心磁通的時(shí)效特性可以估計(jì)出本次合閘時(shí)刻鐵心的剩磁。 文獻(xiàn)【37】中研究了鐵心的

38、剩磁在變壓器切除電網(wǎng)后在無(wú)大擾動(dòng)的情況下將保持不變,是相對(duì)于時(shí)間變量的定值函數(shù)及Preisacb模型。4.2中性點(diǎn)串電阻法 在YNd聯(lián)結(jié)的變壓器中性點(diǎn)串入一電阻,三相按順序延時(shí)分別合閘,利用連接到中性點(diǎn)的電阻削弱勵(lì)磁涌流。 涌流峰值表達(dá)式通過(guò)尋求三相分別合閘時(shí)三相勵(lì)磁涌流峰值的一個(gè)較為簡(jiǎn)單的表達(dá)式來(lái)分析中性點(diǎn)電阻對(duì) 的影響,并通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)該表達(dá)式的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證過(guò)程中,設(shè)三相合閘順序?yàn)?。圖4-6是模擬電力系統(tǒng)空載合閘時(shí)變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電阻的仿真模型圖。變壓器采用連結(jié)。38 電力系統(tǒng)空載合閘時(shí)變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電阻仿真模型圖4-6(1) A相合閘。當(dāng)A相首先合閘時(shí),低壓側(cè)空載變壓器內(nèi)部簡(jiǎn)化

39、等效電路如圖4-7所示。 A相合閘事變壓器內(nèi)部等效電路圖4-7(2) B相、C相合閘。由于B相和C相合閘后,變壓器內(nèi)電場(chǎng)、磁場(chǎng)共同作用,關(guān)系異常復(fù)雜,難以找到 之間較明確的函數(shù)關(guān)系,而B(niǎo)相和C相合閘瞬間變壓器中勵(lì)磁涌流的大小與合閘前B相和C相開(kāi)關(guān)兩端電壓的大小成一定比例,所以可以借助合閘前開(kāi)關(guān)兩端電壓的大小來(lái)分析合閘后的涌流大小,從而對(duì)B相和C相分別合閘后的曲線的形狀做一個(gè)大體上的估計(jì)。B相合閘時(shí),變壓器電壓電流分布等效電路圖如下圖4-8 B相合閘時(shí)電壓電流分布圖4-8若,則: (0<<1) A相合閘前,所以小于A相合閘前的。因此,B相合閘后曲線的起點(diǎn),應(yīng)低于A相合閘后曲線的起點(diǎn)。

40、 B相合閘后,在較小時(shí),幾乎所有的與都流過(guò),故對(duì)與的抑制作用近似等效。當(dāng)足夠大時(shí),流經(jīng)的與明顯減少,故當(dāng)大到一定程度時(shí)曲線應(yīng)上翹,與A相合閘后的曲線有一個(gè)交點(diǎn)。C相合閘前,若根據(jù)內(nèi)部磁路,則開(kāi)關(guān)兩端電壓,隨著增大,則增大,從而使得增大。 圖4-9是根據(jù)圖4-6仿真模型得出的A、B、C順序合閘時(shí)的,仿真曲線,圖4-9中3條曲線的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)一步證明了上述理論分析的正確性。圖中表示某相合閘時(shí)三相涌流的最大值。 涌流峰值隨中性點(diǎn)變化曲線圖4-9仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中性點(diǎn)串電阻,同時(shí)對(duì)A,B,C,三相進(jìn)行延時(shí)合閘能有效抑制勵(lì)磁涌流。 仿真說(shuō)明 (1)在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn),每次合閘后510個(gè)周期涌流即可進(jìn)入穩(wěn)態(tài),

41、所以在仿真試驗(yàn)中每相合閘后均延時(shí)5l0個(gè)周期。 (2)當(dāng)合閘順序?yàn)闀r(shí),根據(jù)C相和B相開(kāi)關(guān)電壓走勢(shì),理想的值應(yīng)取0,這顯然不符合實(shí)際,所以合閘順序應(yīng)為。 (3)對(duì)于變壓器中性點(diǎn)串入一阻抗的情況進(jìn)行了嘗試,按照ABC的合閘順序,=0即串入一純電阻時(shí),對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制作用最好。 (4)通常高壓開(kāi)關(guān)的每一相都帶有獨(dú)立的操作機(jī)構(gòu),所以三相延時(shí)合閘完全可以實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果如下圖4-10 中性點(diǎn)串聯(lián)電阻法勵(lì)磁涌流波形4-10下圖4-11無(wú)控制勵(lì)磁涌流波形圖相比勵(lì)磁涌流得到明顯抑制。無(wú)控制勵(lì)磁涌流波形圖4-11 (1)在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn),每次合閘后510個(gè)周期涌流即可進(jìn)入穩(wěn)態(tài),所以在仿真試驗(yàn)中每相合閘后均延時(shí)5l

42、0個(gè)周期。 (2)當(dāng)合閘順序?yàn)闀r(shí),根據(jù)C相和B相開(kāi)關(guān)電壓走勢(shì),理想的值應(yīng)取0,這顯然不符合實(shí)際,所以合閘順序應(yīng)為。 (3)對(duì)于變壓器中性點(diǎn)串入一阻抗的情況進(jìn)行了嘗試,按照ABC的合閘順序,=0即串入一純電阻時(shí),對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制作用最好。 (4)通常高壓開(kāi)關(guān)的每一相都帶有獨(dú)立的操作機(jī)構(gòu),所以三相延時(shí)合閘完全可以實(shí)現(xiàn)。這種方案在三相變壓器同時(shí)空載合閘時(shí),某一相中勵(lì)磁涌流的幅值最大可削減2O,但另兩相的勵(lì)磁涌流卻相應(yīng)地增加了。可見(jiàn)“中性點(diǎn)串電阻法”在變壓器三相同時(shí)合閘時(shí)并無(wú)多大作用。而當(dāng)變壓器一相先合閘,另外兩相分別延遲合閘時(shí),三相中的勵(lì)磁涌流都得到了極大的衰減。4.3回路串聯(lián)電阻延遲合閘綜合抑制法

43、 回路串聯(lián)電阻延遲合閘綜合抑制法原理介紹 在變壓器的輸入端與電網(wǎng)間串聯(lián)適當(dāng)電阻可以限制沖擊電流, 待沖擊電流衰減到額定電流之內(nèi)時(shí)再將限流電阻切除. 串聯(lián)電阻法能有效限制沖擊電流, 有利于合閘沖擊電流的快速衰減.該方法是在變壓器的輸入端與電網(wǎng)間串聯(lián)適當(dāng)電阻法連同延時(shí)合閘法,綜合使用的仿真方法。為充分利用2 種方法的優(yōu)點(diǎn), 以選相位關(guān)合法為基礎(chǔ), 然后在變壓器的輸入端與電網(wǎng)間串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮枰赃M(jìn)一步抑制選相位關(guān)合后變壓器的勵(lì)磁涌流, 使勵(lì)磁涌流降低到要求的水平. 與單獨(dú)采用串聯(lián)電阻法相比, 2 種方法的結(jié)合不但減小了串聯(lián)電阻的阻值及其投切次數(shù), 而且降低了投資費(fèi)用和操作的復(fù)雜性.在實(shí)際工程應(yīng)用中,

44、由于變壓器剩磁一般不為零, 因此采用選相位關(guān)合法中的延遲合閘策略.設(shè)串聯(lián)電阻的電阻及其切除時(shí)間分別為R 和t, 則變壓器鐵芯中的磁通為: (4.3)式中: L 為變壓器繞組電感: 由式4.3可知變壓器鐵芯磁通即勵(lì)磁涌流隨Rt 增大呈指數(shù)衰減. 因此, 繪出變壓器磁通與Rt 間的關(guān)系曲線, 就可根據(jù)變壓器的飽和磁通選取合適的Rt 值. 實(shí)際工程中, 往往是設(shè)定電阻和時(shí)間中的某一項(xiàng), 然后根據(jù)Rt 的值求出另一項(xiàng).40 模型建立 為了檢測(cè)串聯(lián)電阻和延遲合閘抑制變壓器勵(lì)磁涌流的效果, 利用MatLab PSB 建立變壓器勵(lì)磁涌流抑制仿真分析的系統(tǒng)模型. 仿真所用變壓器、等效電源、負(fù)荷、斷路器以及測(cè)量

45、模塊等均采用MatLab PSB 模塊庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)模型. 其中: 模型變壓器的額定容量為100MVA, 繞組 額定電壓為230/ 115 kV, 額定頻率為50 Hz, 仿真計(jì)算采用ode15s 數(shù)字積分方式.仿真模型圖如圖4-10 所示. 綜合抑制涌流法仿真模型圖4-12根據(jù)延遲合閘策略, 在外加電壓相角等于90°時(shí)變壓器合閘, B、C兩相在2 個(gè)工頻周期后A 相電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)合閘; 串聯(lián)電阻為200 ,在A 相合閘后的0.02 s 切除串聯(lián)電阻. 仿真結(jié)果如圖4-13所示. 綜合抑制法仿真結(jié)果圖4-13不加控制時(shí)的勵(lì)磁涌流圖4-14 變壓器正常的勵(lì)磁涌流圖4-14 將選相位關(guān)合法和串

46、聯(lián)電阻法結(jié)合后, 變壓器勵(lì)磁涌流大幅度降低, 勵(lì)磁涌流幅值僅為75A, 效果較理想. 仿真說(shuō)明 (1)仿真中A,B,C三相合閘時(shí)間間隔2個(gè)工頻周期。合閘時(shí)間精度不高,所以未能達(dá)到最理想效果。 (2)多次仿真發(fā)現(xiàn)串聯(lián)電阻R的大小很大程度的影響勵(lì)磁涌流的大小。下表4-1為R不同值時(shí)勵(lì)磁涌流的峰值大小。表4-1不同電阻值對(duì)應(yīng)三相勵(lì)磁涌流最高峰值表R()5060708090100110120150200250300電流峰值(A)6762504337322522120.50.50.5勵(lì)磁涌流的抑制效果與 值的大小有密切關(guān)系,多次仿真發(fā)現(xiàn)大到一定程度后抑制效果減弱啊。因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中, 應(yīng)綜合考慮勵(lì)

47、磁涌流的抑制程度、開(kāi)關(guān)元件的工作頻率和應(yīng)用大電阻的經(jīng)濟(jì)性選擇合適的電阻值及其切除時(shí)間.4.4 性能評(píng)價(jià) 控制三相開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間法性能本文控制三相開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間法有效,但是由于合閘時(shí)間精確度不夠,這種抑制勵(lì)磁涌流方法在本文的仿真中未能達(dá)到完美狀態(tài)。理想情況下勵(lì)磁涌流幅值可削減98。但實(shí)施這種方法會(huì)受到多種因素的影響,如斷路器機(jī)械合閘時(shí)間的偏差、斷路器的前擊、剩磁測(cè)量的誤差、變壓器鐵心中的剩磁,可以取消中性點(diǎn)串聯(lián)合閘電阻,并在理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)涌流空載合閘。即使存在這些不利因素,這種方法仍有較好的發(fā)展前景,可行性較大。 中性點(diǎn)串聯(lián)電阻法性能 在變壓器中性點(diǎn)串人一合適阻值的電阻能有效削減首合相的勵(lì)磁涌

48、流。但是,如果只在變壓器中性點(diǎn)串入一電阻,而不采取控制三相開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間的措施,也不能有效削減勵(lì)磁涌流。所以最好的方法是將兩種方法結(jié)合起來(lái)使用,即YNd聯(lián)結(jié)的變壓器中性點(diǎn)串一電阻,三相延時(shí)分別合閘。利用連接到中性點(diǎn)的電阻削弱勵(lì)磁涌流的方法簡(jiǎn)單實(shí)用,對(duì)變壓器的維護(hù)及電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的提高都具有較好的實(shí)際意義。在實(shí)際中,斷路器的合閘時(shí)間是有偏差的,在變壓器中性點(diǎn)串入一電阻后,降低了對(duì)斷路器合閘時(shí)間精確度的要求,允許斷路器的合閘時(shí)間有偏差。 回路串聯(lián)電阻延遲合閘綜合抑制法 串聯(lián)電阻法和延遲合閘法都有其局限性, 將2種方法相結(jié)合后, 設(shè)置適當(dāng)電阻及其切除時(shí)間能進(jìn)一步降低勵(lì)磁涌流。仿真結(jié)果證明,此方法十分有效。對(duì)合閘角精確性要求并不十分高,允許斷路器合閘時(shí)間有一些偏差。4.5 本章小結(jié)

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