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電氣工程基礎(chǔ)第4章電力系統(tǒng)短路計(jì)算主講人:楊峰華中科技大學(xué)數(shù)字化工程與仿真中心本章主要內(nèi)容4.1短路計(jì)算的基本概念4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.3有限容量電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.4工程應(yīng)用中的實(shí)用短路計(jì)算4.5電力系統(tǒng)各元件負(fù)序和零序參數(shù)4.6電力系統(tǒng)三序網(wǎng)絡(luò)4.7簡(jiǎn)單不對(duì)稱短路的分析4.8正序等效定則4.1短路計(jì)算的基本概念本節(jié)主要內(nèi)容短路的定義短路發(fā)生的原因短路的種類短路的影響短路計(jì)算的用途短路計(jì)算的簡(jiǎn)化假設(shè)4.1短路計(jì)算的基本概念短路的定義電力系統(tǒng)中一切不正常的相與相之間或相與地之間發(fā)生通路的情況短路的原因電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體因絕緣老化,或遭受機(jī)械損傷,或因雷擊、過(guò)電壓引起絕緣損壞;架空線路因大風(fēng)或?qū)Ь€履冰引起電桿倒塌等,或因鳥(niǎo)獸跨接裸露導(dǎo)體等;電氣設(shè)備因設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良所致的設(shè)備缺陷引發(fā)的短路;運(yùn)行人員違反安全操作規(guī)程而誤操作,如帶負(fù)荷拉隔離開(kāi)關(guān),線路或設(shè)備檢修后未拆除接地線就加上電壓等。4.1短路計(jì)算的基本概念短路的種類對(duì)稱短路不對(duì)稱短路三相短路(5%)單相接地短路(65%)兩相相間短路(10%)兩相接地短路(20%)可以是三相相間短路或三相接地短路三相接地短路最嚴(yán)重4.1短路計(jì)算的基本概念短路的影響短路點(diǎn)附近線路和變壓器的電流大幅度增加;系統(tǒng)電壓大幅度下降;故障若不能快速切除,破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。短路計(jì)算的用途為選擇和校驗(yàn)各種電氣設(shè)備的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性提供依據(jù)計(jì)算短路沖擊電流以校驗(yàn)設(shè)備的機(jī)械穩(wěn)定性計(jì)算短路電流的周期分量以校驗(yàn)設(shè)備的熱穩(wěn)定性;為設(shè)計(jì)和選擇發(fā)電廠和變電所的電氣主接線提供必要的數(shù)據(jù);為合理配置電力系統(tǒng)中各種繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置并正確整定其參數(shù)提供可靠的依據(jù)。4.1短路計(jì)算的基本概念短路計(jì)算的簡(jiǎn)化假設(shè)負(fù)荷用恒定電抗表示或略去不計(jì);認(rèn)為系統(tǒng)中各元件參數(shù)恒定,可應(yīng)用迭加原理。在高壓網(wǎng)絡(luò)中不計(jì)元件的電阻和導(dǎo)納,即各元件均用純電抗表示,并認(rèn)為系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)的電勢(shì)同相位,從而避免了復(fù)數(shù)的運(yùn)算;系統(tǒng)除不對(duì)稱故障處出現(xiàn)局部不對(duì)稱外,其余部分是三相對(duì)稱的。本章主要內(nèi)容4.1短路計(jì)算的基本概念4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.3有限容量電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.4工程應(yīng)用中的實(shí)用短路計(jì)算4.5電力系統(tǒng)各元件負(fù)序和零序參數(shù)4.6電力系統(tǒng)三序網(wǎng)絡(luò)4.7簡(jiǎn)單不對(duì)稱短路的分析4.8正序等效定則4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路本節(jié)主要內(nèi)容短路的暫態(tài)過(guò)程短路沖擊電流短路電流有效值短路容量計(jì)算示例4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路無(wú)限大功率電源:容量無(wú)限大,內(nèi)阻抗為零。端電壓保持恒定。也稱為恒電勢(shì)源或恒電壓源短路計(jì)算中,當(dāng)電源內(nèi)阻抗不超過(guò)短路回路總阻抗的5%~10%時(shí),就可以近似認(rèn)為此電源為無(wú)限大功率電源簡(jiǎn)單三相R-L電路對(duì)稱短路,電路由恒定幅值和頻率的三相電源供電4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路短路的暫態(tài)過(guò)程短路前的穩(wěn)態(tài)短路發(fā)生后:從f點(diǎn)分成2個(gè)電路,左側(cè)電路由電源供給短路電流,右側(cè)電路釋放儲(chǔ)能被電阻R'消耗掉。短路計(jì)算就是計(jì)算左側(cè)電路的短路電流。對(duì)左側(cè)電路,電壓方程為:根據(jù)常微分方程理論,該方程的解由2部分組成:一部分是特解,代表短路電流的強(qiáng)制分量,該強(qiáng)制分量與外加電源有相同的變化規(guī)律,稱為周期分量;另一部分是對(duì)應(yīng)齊次方程的通解,代表短路電流的自由分量,與外加電源無(wú)關(guān),是按指數(shù)規(guī)律衰減的直流,稱為非周期分量。周期分量:非周期分量:4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路短路的暫態(tài)過(guò)程短路全電流根據(jù)短路前后瞬間電感中電流不能突變可求出C的值:a相的短路電流為:4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路短路沖擊電流短路電流最大可能的瞬時(shí)值稱為短路沖擊電流iim。電路參數(shù)一定時(shí),周期分量的幅值一定,非周期分量初始值越大,沖擊電流越大。非周期分量有最大初始值的條件為:(1)短路前電路為空載運(yùn)行狀態(tài)(2)阻抗角(3)電源初相角短路電流最大瞬時(shí)值發(fā)生在短路后約半個(gè)工頻周波處。即在短路后0.01s達(dá)到最大值最大值為:沖擊系數(shù),范圍4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路短路沖擊電流工程計(jì)算時(shí):(1)在發(fā)電機(jī)電壓母線短路,取kim=1.9;(2)在發(fā)電廠高壓側(cè)母線或發(fā)電機(jī)出線電抗器后發(fā)生短路時(shí),kim=1.85;(3)在其他地點(diǎn)短路時(shí),kim=1.8f1f2f3計(jì)算沖擊電流的目的:校驗(yàn)電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體在短路時(shí)的電動(dòng)力穩(wěn)定度(動(dòng)穩(wěn)定)。4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路短路電流有效值短路全電流的有效值是指以
t時(shí)刻為中心的一周期內(nèi)短路全電流瞬時(shí)值的均方根值:為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定:(1)非周期分量電流的幅值恒定:非周期分量在以時(shí)間t為中心的一個(gè)周期內(nèi)恒定不變(2)周期分量電流,在所計(jì)算的周期內(nèi)幅值恒定4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路短路電流有效值短路全電流的最大有效值出現(xiàn)在短路后的第一周期內(nèi),又稱為沖擊電流的有效值。最不利情況下發(fā)生短路時(shí)第一個(gè)周期中心t=0.01s,非周期分量有效值短路電流有效值(1)kim=1.9時(shí),Iim=1.62Ip(2)kim=1.8時(shí),Iim=1.51Ip短路電流有效值主要用于校驗(yàn)電氣設(shè)備的斷流能力或耐力強(qiáng)度4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路短路容量短路功率等于短路電流有效值乘以短路處的正常工作電壓。正常工作電壓一般采用平均額定電壓。標(biāo)幺值有名值實(shí)際計(jì)算中,一般用周期分量初始電流有效值計(jì)算短路容量,即用Ip*代替It*短路容量的標(biāo)幺值就是短路電流的標(biāo)幺值取平均額定電壓進(jìn)行計(jì)算,系統(tǒng)的端電壓U=Uav。選取UB=Uav,則短路容量有2個(gè)作用:(1)校驗(yàn)開(kāi)關(guān)的切斷能力,斷路器既要能斷開(kāi)足夠大的電流,也要能夠承受工作電壓。(2)表征系統(tǒng)的強(qiáng)度。短路容量越大,表示系統(tǒng)越強(qiáng)。例4-1:某變壓器由無(wú)限大功率電源供電,如下圖所示,當(dāng)在f點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí),試計(jì)算短路電流的周期分量,沖擊電流及短路功率(取Kim=1.8)解:取SB=100MVA,UB=Uav1.計(jì)算各元件電抗標(biāo)幺值:
線路:XL*=0.4×50×100/1152=0.151
變壓器:XT*=(10.5/100)×(100/20)=0.5252.電源至短路點(diǎn)的總電抗:X∑*=XL*+XT*=0.6763.無(wú)限大功率電源:E*=U*=U/UB=115/115=14.短路電流周期分量:Ip*=
E*/X∑*=1/0.676=1.4793有名值:5.沖擊電流6.短路容量本章主要內(nèi)容4.1短路計(jì)算的基本概念4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.3有限容量電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.4工程應(yīng)用中的實(shí)用短路計(jì)算4.5電力系統(tǒng)各元件負(fù)序和零序參數(shù)4.6電力系統(tǒng)三序網(wǎng)絡(luò)4.7簡(jiǎn)單不對(duì)稱短路的分析4.8正序等效定則4.3有限容量電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路本節(jié)主要內(nèi)容同步發(fā)電機(jī)三相對(duì)稱短路的電磁暫態(tài)過(guò)程同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等值電路阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)三相對(duì)稱短路電流計(jì)算有阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)三相對(duì)稱短路電流計(jì)算起始次暫態(tài)電流和沖擊電流的計(jì)算有限容量電源供電系統(tǒng)三相短路沖擊電流計(jì)算實(shí)例無(wú)限大功率電源:端電壓維持不變有限容量電源:計(jì)及發(fā)電機(jī)內(nèi)電抗,端電壓不能保持不變4.3.1同步發(fā)電機(jī)三相對(duì)稱短路的電磁暫態(tài)過(guò)程理論基礎(chǔ)磁鏈不能跳變:任何閉合線圈在電流突然變化的瞬間,都將維持與之交鏈的總磁鏈不變短路暫態(tài)過(guò)程發(fā)電機(jī)定子繞組中周期分量電流的突然變化,將對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生強(qiáng)烈的電樞反應(yīng)作用;為了抵消定子電樞反應(yīng)產(chǎn)生的交鏈發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的磁鏈,以維持勵(lì)磁繞組在短路發(fā)生瞬間的總磁鏈不變,勵(lì)磁繞組內(nèi)將產(chǎn)生一項(xiàng)直流電流分量,它的方向與原有的勵(lì)磁電流方向相同;這項(xiàng)附加的直流分量產(chǎn)生的磁通也有一部分要穿入定子繞組,從而使定子繞組的周期分量電流增大;實(shí)際電機(jī)的繞組中都存在電阻,所有繞組的磁鏈都將發(fā)生變化,逐步過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)值。因此,勵(lì)磁繞組中因維持磁鏈不變而出現(xiàn)的自由直流分量電流終將衰減至零;與轉(zhuǎn)子自由直流分量對(duì)應(yīng)的、突然短路時(shí)定子周期分量中的自由電流分量亦將逐步衰減,定子電流最終為穩(wěn)態(tài)短路電流。4.3.2同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等值電路由于轉(zhuǎn)子的同步旋轉(zhuǎn),定子、轉(zhuǎn)子間的互感產(chǎn)生周期性的變化,使得發(fā)電機(jī)磁鏈方程中的系數(shù)都是變化的,很難計(jì)算。通過(guò)派克-戈列夫變換,將參考軸從a、b、c轉(zhuǎn)換到d軸和q軸上,由于d、q軸本身以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),因此這些參量投影到d、q軸后成為常量,大大簡(jiǎn)化了計(jì)算。變換后發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓電流方程為:定子電壓直軸分量定子電壓交軸分量定子電流交軸分量定子電流直軸分量定子交軸等值繞組自電抗定子直軸等值繞組自電抗空載電動(dòng)勢(shì)直軸電樞反應(yīng)電抗勵(lì)磁電流隱極機(jī)測(cè)量得到確定q軸的位置4.3.2同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等值電路凸極機(jī)直軸等值電路交軸等值電路利用等值隱極機(jī)法:通過(guò)這個(gè)虛構(gòu)的電勢(shì)找到q軸的位置凸極機(jī)的向量圖4.3.3無(wú)阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)三相對(duì)稱短路電流計(jì)算從等值電路的角度,需要確定一個(gè)在短路瞬間不發(fā)生突變的電勢(shì),以來(lái)求取短路瞬間的定子電流周期分量。什么電勢(shì)在短路瞬間不會(huì)發(fā)生突變?根據(jù)空載電勢(shì)的計(jì)算公式,發(fā)生短路時(shí),所有電氣參數(shù),包括定子電壓、電流都會(huì)發(fā)生突變,因此空載電勢(shì)在短路發(fā)生前后的值不連續(xù)。要找到一個(gè)短路前后不突變的電勢(shì),根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣?,必須找到一個(gè)閉合的線圈。在無(wú)阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)中,轉(zhuǎn)子中唯有勵(lì)磁繞組是閉合繞組,在短路瞬間,與該繞組交鏈的總磁鏈不能突變。取一個(gè)與勵(lì)磁繞組總磁鏈成正比的電勢(shì),稱為q軸暫態(tài)電勢(shì),該電勢(shì)在短路過(guò)程中保持不變;對(duì)應(yīng)的同步發(fā)電機(jī)電抗為X’d
,稱為暫態(tài)電抗。4.3.3無(wú)阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)三相對(duì)稱短路電流計(jì)算根據(jù)發(fā)電機(jī)磁鏈方程,可以得到暫態(tài)參數(shù)下的電勢(shì)方程為:通常情況下,采用等值隱極機(jī)法先找到q軸的位置稱為暫態(tài)電抗后電勢(shì),據(jù)短路前運(yùn)行狀態(tài)及同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)X’d求出。近似計(jì)算中,常用
代替,稱為E’恒定模型,計(jì)算暫態(tài)短路電流的初始值時(shí)通常使用該等值電路。如果精度要求很高,則使用恒定模型,按照電勢(shì)方程,d軸和q軸分開(kāi)計(jì)算。4.3.4有阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)三相對(duì)稱短路電流計(jì)算在有阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)中,轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組和阻尼繞組都是閉合繞組,在短路瞬間,與它們交鏈的總磁鏈不能突變。取一個(gè)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和縱軸阻尼繞組的總磁鏈成正比的電勢(shì)E”q和一個(gè)與轉(zhuǎn)子橫軸阻尼繞組的總磁鏈成正比的電勢(shì)E”d,分別稱為q軸和d軸次暫態(tài)電勢(shì),對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗分別為X”d和X”q。根據(jù)發(fā)電機(jī)磁鏈方程,可以得到次暫態(tài)參數(shù)下的電勢(shì)方程為:采用等值隱極機(jī)法,忽略最后一項(xiàng)得到先找到q軸的位置投影到q軸近似計(jì)算中代替實(shí)際上相差4.3.5起始次暫態(tài)電流和沖擊電流的計(jì)算電力系統(tǒng)的短路電流計(jì)算一般只需要計(jì)算短路電流周期分量的初值,即起始次暫態(tài)電流。(1)系統(tǒng)所有元件都用其次暫態(tài)參數(shù)表示,次暫態(tài)電流的計(jì)算同穩(wěn)態(tài)電流一樣。(2)系統(tǒng)中所有靜止元件的次暫態(tài)參數(shù)都與其穩(wěn)態(tài)參數(shù)相同,而旋轉(zhuǎn)電機(jī)的次暫態(tài)參數(shù)則不同于其穩(wěn)態(tài)參數(shù)。(3)在突然短路瞬間,系統(tǒng)中所有同步電機(jī)的次暫態(tài)電勢(shì)均保持短路發(fā)生前瞬間的值。計(jì)算次暫態(tài)電勢(shì):短路前的電壓、電流向量近似計(jì)算,取近似值假設(shè)供電系統(tǒng)如下圖:等值電路為:起始次暫態(tài)電流為:同步發(fā)電機(jī)提供的短路沖擊電流異步電動(dòng)機(jī)在突然短路時(shí)也會(huì)向短路點(diǎn)提供短路電流。類似地,異步電動(dòng)機(jī)也可表示為一個(gè)次暫態(tài)電抗及其之后的次暫態(tài)電勢(shì)的等值電路。次暫態(tài)電抗啟動(dòng)電流的標(biāo)幺值,一般4~7次暫態(tài)電勢(shì)短路前電壓和電流向量,功率因數(shù)取0.8短路計(jì)算中,只有直接連接到短路點(diǎn)的大型異步電動(dòng)機(jī)按上述公式計(jì)算:(1)總?cè)萘看笥?00kW的高壓電動(dòng)機(jī)(2)單機(jī)容量在20kW以上的低壓電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)離短路點(diǎn)的電動(dòng)機(jī),短路瞬間近似地用一個(gè)綜合負(fù)荷等值支路表示:負(fù)荷提供的沖擊電流:負(fù)荷提供的起始次暫態(tài)電流的有效值負(fù)荷沖擊系數(shù)小型電動(dòng)機(jī)取1.0大容量電動(dòng)機(jī)取1.3~1.8例4-2:計(jì)算下圖網(wǎng)絡(luò)中f點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)的沖擊電流解:發(fā)電機(jī)G:
取E”=1.08,X”=0.12;同步調(diào)相機(jī)SC:
取E”=1.2,X”=0.2;負(fù)荷:
取E”=0.8,X”=0.35;線路電抗每km以0.4Ω計(jì)算1.取SB=100MVA,UB=Uav,各元件電抗的標(biāo)幺值計(jì)算如下:
發(fā)電機(jī):X1=0.12×100/60=0.2
調(diào)相機(jī):X2=0.2×100/5=4
負(fù)荷LD1:X3=0.35×100/30=1.17
負(fù)荷LD2:X4=0.35×100/18=1.95
負(fù)荷LD3:X5=0.35×100/6=5.83變壓器T1:X6=0.105×100/31.5=0.33
變壓器T2:X7=0.105×100/20=0.53
變壓器T3:X8=0.105×100/7.5=1.4
線路L1:X9=0.4×60×100/1152=0.18
線路L2:X10=0.4×20×100/1152=0.06
線路L3:X11=0.4×10×100/1152=0.032.網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn):3.起始次暫態(tài)電流計(jì)算:變壓器T3提供的電流為I''=E8/X14=1.01/1.93=0.523負(fù)荷LD3提供的電流為I''LD3=E5/X5=0.8/5.83=0.1374.沖擊電流計(jì)算a點(diǎn)殘余電壓:
Ua=I''(X8+X11)=0.523×(1.4+0.03)=0.75線路L1、L2的電流分別為
I''L1=(E6-Ua)/X12=(1.04-0.75)/0.68=0.427
I''L2=I''-I''L1=0.523-0.427=0.096b、c點(diǎn)殘余電壓分別為:Ub=Ua+I(xiàn)''L1(X6+X9)=0.75+0.427×(0.33+0.18)=0.97Uc=Ua+I(xiàn)''L2(X7+X10)=0.75+0.096×(0.53+0.06)=0.807Ub和Uc都高于0.8,負(fù)荷LD1和LD2不會(huì)提供短路電流。變壓器T3方向的短路電流由發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)提供,可取Ksh=1.8;負(fù)荷LD3提供的短路電流則取Ksh=1。5.換算為有名值:短路處電壓級(jí)的基準(zhǔn)電流為:短路處的沖擊電流為:6.近似計(jì)算:考慮到負(fù)荷LD1和LD2離短路點(diǎn)較遠(yuǎn),可將它們略去不計(jì)。把同步發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)電勢(shì)取作E''=1.0,電網(wǎng)對(duì)短路點(diǎn)的總電抗為:變壓器T3提供的電流為I''=E8/X14=1/2.05=0.49負(fù)荷LD3提供的電流為I''LD3=E5/X5=0.8/5.83=0.137短路處的沖擊電流為:本章主要內(nèi)容4.1短路計(jì)算的基本概念4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.3有限容量電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.4工程應(yīng)用中的實(shí)用短路計(jì)算4.5電力系統(tǒng)各元件負(fù)序和零序參數(shù)4.6電力系統(tǒng)三序網(wǎng)絡(luò)4.7簡(jiǎn)單不對(duì)稱短路的分析4.8正序等效定則4.4工程應(yīng)用中的實(shí)用短路計(jì)算本節(jié)主要內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)輸入阻抗和轉(zhuǎn)移阻抗應(yīng)用計(jì)算曲線計(jì)算短路電流4.4.1網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)等值電勢(shì)法使網(wǎng)絡(luò)中其他部分的電壓、電流在變換前后保持不變。就是把每個(gè)戴維南支路變換成諾頓支路,并聯(lián)以后再變換回來(lái)?;竟剑?.4.1網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)星網(wǎng)變換(小寫(xiě)表示星形網(wǎng)絡(luò)中的電抗,大寫(xiě)表示網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的電抗)4.4.1網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)星網(wǎng)變換Y-△變換:△-Y變換:4.4.1網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)利用電路的對(duì)稱性化簡(jiǎn)電位相等的節(jié)點(diǎn),可直接相連;等電位點(diǎn)之間的電抗,可短接后除去1、2節(jié)點(diǎn)等電位可以短接4.4.2輸入阻抗和轉(zhuǎn)移阻抗基本概念假設(shè)節(jié)點(diǎn)1,2,……,n為電源點(diǎn),f為短路點(diǎn)。電源點(diǎn)電流流入網(wǎng)絡(luò)為正,短路點(diǎn)流出網(wǎng)絡(luò)為正。根據(jù)疊加原理:節(jié)點(diǎn)i的注入電流電源i單獨(dú)作用時(shí)流入節(jié)點(diǎn)i的電流電源j單獨(dú)作用時(shí)流出節(jié)點(diǎn)i的電流短路電流單個(gè)電源提供的短路電流4.4.2輸入阻抗和轉(zhuǎn)移阻抗把電流看做電源電勢(shì)與阻抗的比值,上兩式寫(xiě)為:節(jié)點(diǎn)i的輸入阻抗節(jié)點(diǎn)i,j間的轉(zhuǎn)移阻抗節(jié)點(diǎn)i的輸入阻抗Zii的物理含義是僅電源i不為0,其余電源均置0時(shí),與注入節(jié)點(diǎn)i的電流之比。節(jié)點(diǎn)i,j之間的轉(zhuǎn)移阻抗Zij的物理含義是僅電源j不為0,其余電源均置0時(shí),與流出節(jié)點(diǎn)i的電流之比。根據(jù)互易定理,Zij=Zji,Zif=Zfi4.4.2輸入阻抗和轉(zhuǎn)移阻抗求取電源的轉(zhuǎn)移阻抗——網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)法由基爾霍夫電流定律:節(jié)點(diǎn)i的輸入阻抗是節(jié)點(diǎn)i對(duì)于其它所有節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移電抗的并聯(lián)該公式對(duì)應(yīng)的等值電路是原網(wǎng)絡(luò)通過(guò)星網(wǎng)變換,消除中間節(jié)點(diǎn),只保留電源點(diǎn)和短路點(diǎn),任兩點(diǎn)間的支路阻抗即是該兩節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)移阻抗。短路計(jì)算只需要知道電源到短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移阻抗。去掉電源間的轉(zhuǎn)移電抗,得到的就是各電源到短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移電抗(電源間的轉(zhuǎn)移電抗并不提供短路電流)4.4.2輸入阻抗和轉(zhuǎn)移阻抗求取電源的轉(zhuǎn)移阻抗——網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)法星網(wǎng)變換去掉電源間的轉(zhuǎn)移電抗4.4.3應(yīng)用計(jì)算曲線計(jì)算短路電流什么是計(jì)算曲線?工程設(shè)計(jì)中短路計(jì)算的主要目的是進(jìn)行繼電保護(hù)的整定和斷路器開(kāi)斷電流的計(jì)算,需要計(jì)算短路電流周期分量在短路發(fā)生t時(shí)刻后的電流值。計(jì)算曲線:為了簡(jiǎn)化工程計(jì)算,采用概率統(tǒng)計(jì)方法繪制出一種短路電流周期分量隨時(shí)間和短路點(diǎn)距離而變化的曲線。計(jì)算曲線法:應(yīng)用計(jì)算曲線確定任意時(shí)刻短路電流周期分量有效值的方法。發(fā)電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行初始狀態(tài)給定后,短路電流是短路距離和時(shí)間t的函數(shù)。計(jì)算電抗:短路點(diǎn)到機(jī)端的電抗和發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗之和歸算到發(fā)電機(jī)額定容量的標(biāo)幺值4.4.3應(yīng)用計(jì)算曲線計(jì)算短路電流計(jì)算曲線法的應(yīng)用計(jì)算曲線按汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)兩種類型分別制作。計(jì)算曲線計(jì)及了負(fù)荷的影響,在使用時(shí)可去除系統(tǒng)中所有負(fù)荷支路。計(jì)算過(guò)程:1)求取計(jì)算電抗;2)根據(jù)計(jì)算電抗值Xc和短路時(shí)間t查計(jì)算曲線,獲得短路電流周期分量的標(biāo)幺值。3)若Xc>3.45,表明短路點(diǎn)距離發(fā)電機(jī)電氣距離很遠(yuǎn),可近似認(rèn)為短路電流周期分量不隨時(shí)間改變,短路電流標(biāo)幺值4.4.3應(yīng)用計(jì)算曲線計(jì)算短路電流計(jì)算曲線法的應(yīng)用電源合并的主要原則:1)距短路點(diǎn)電氣距離(即相聯(lián)系的電抗值)大致相等的同類型發(fā)電機(jī)可以合并;2)遠(yuǎn)離短路點(diǎn)的不同類型發(fā)電機(jī)可以合并;3)直接與短路點(diǎn)相連的發(fā)電機(jī)應(yīng)單獨(dú)考慮;4)無(wú)限大功率系統(tǒng)因提供的短路電流周期分量不衰減而不必查計(jì)算曲線,應(yīng)單獨(dú)計(jì)算。4.4.3應(yīng)用計(jì)算曲線計(jì)算短路電流應(yīng)用計(jì)算曲線法的計(jì)算步驟1.作等值網(wǎng)絡(luò):選取網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)功率和基準(zhǔn)電壓(一般選取SB=100MVA,UB=Uav),計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各元件在統(tǒng)一基準(zhǔn)下的標(biāo)幺值,旋轉(zhuǎn)電機(jī)用次暫態(tài)電抗,負(fù)荷略去不計(jì)。2.進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變換:求各等值發(fā)電機(jī)對(duì)短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移電抗Xif。3.求計(jì)算電抗:將各轉(zhuǎn)移電抗按各等值發(fā)電機(jī)的額定容量歸算為計(jì)算電抗,即:Xci=Xif
SNi/SB4.求t時(shí)刻短路電流周期分量的標(biāo)幺值:1)根據(jù)各計(jì)算電抗和指定時(shí)刻t,從相應(yīng)的計(jì)算曲線或?qū)?yīng)的數(shù)字表格中查出各等值發(fā)電機(jī)提供的短路電流周期分量的標(biāo)幺值2)對(duì)無(wú)限大功率系統(tǒng),取母線電壓U=1,短路電流周期分量為If=1/X∞5.計(jì)算短路電流周期分量的有名值例4-3:下圖電力系統(tǒng)在f點(diǎn)發(fā)生三相短路:求:t=0s和t=0.5s的短路電流;短路沖擊電流及0.5s時(shí)的短路功率。各元件的型號(hào)和參數(shù)為:
發(fā)電機(jī)G1、G2為汽輪發(fā)電機(jī),每臺(tái)容量為31.25MVA,X''d=0.13
發(fā)電機(jī)G3、G4為水輪發(fā)電機(jī),每臺(tái)容量為62.5MVA,=0.135
變壓器T1、T2每臺(tái)容量為31.5MVA,US%=10.5
變壓器T3、T4每臺(tái)容量為60MVA,US%=10.5
母線電抗器為10kV,1.5kA,XR%=8
線路L1長(zhǎng)50km,0.4Ω/km;線路L2長(zhǎng)80km,0.4Ω/km
無(wú)限大功率系統(tǒng)內(nèi)電抗X=0解:1.參數(shù)計(jì)算,作等值網(wǎng)絡(luò),取SB=100MVA,UB=Uav,各元件電抗的標(biāo)幺值為:發(fā)電機(jī)G1,G2:X1=X2=0.13×100/31.25=0.416變壓器T1,T2:X3=X4=0.105×100/31.5=0.333電抗器R:線路L1:X6=0.4×50×100/1152=0.151線路L2:X7=0.4×50×100/1152=0.242變壓器T3,T4:X8=X9=0.105×100/60
=0.75發(fā)電機(jī)G3,G4:X10=X11=0.135×100/62.5
=0.2162.化簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò),求各電源對(duì)短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移電抗:G1、G2等電位,電抗支路上沒(méi)有電流,直接去除。G1、G2合并;G3、G4距離短路點(diǎn)較遠(yuǎn),可以合并。無(wú)窮大系統(tǒng)單獨(dú)處理。X12=(X1+X3)/2=0.375X13=(X8+X10)/2=0.196星網(wǎng)變換,去掉電源間的轉(zhuǎn)移電抗:
X14=X6+X13+X6X13/X7=0.469X15=X6+X7+X6X7/X13=0.579各等值發(fā)電機(jī)對(duì)短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移電抗分別為:等值發(fā)電機(jī)G1,2:X(1//2)f=X12=0.375等值發(fā)電機(jī)G3,4:X(3//4)f=X14=0.469無(wú)限大功率系統(tǒng):X∞f=X15=0.5793.求各電源的計(jì)算電抗(折算到發(fā)電機(jī)額定容量)G1,2:Xc1=0.375×2×31.25/100=0.234G3,4:Xc2=0.469×2×62.5/100=0.5864.查計(jì)算曲線數(shù)字表,求短路電流周期分量的標(biāo)幺值5.計(jì)算短路電流有名值:電流基準(zhǔn)值短路計(jì)算時(shí)間(s)電流值提供短路電流的機(jī)組短路點(diǎn)電流(kA)G1,2(Xc1=0.234)G3,4(Xc2=0.586)S(X∞=0.579)
0標(biāo)幺值4.651.851.73—有名值(kA)1.4601.1620.8683.490.5標(biāo)幺值2.861.781.73—有名值(kA)0.901.120.8682.8846.計(jì)算短路沖擊電流及0.5s的短路功率沖擊電流:短路點(diǎn)在火電廠升壓變壓器高壓側(cè),G1,2的沖擊系數(shù)應(yīng)取Ksh=1.85,其余電源離短路點(diǎn)較遠(yuǎn),均可取Ksh=1.8,次暫態(tài)電流起始值I''=Ip(t=0),因此0.5s時(shí)的短路功率:本章主要內(nèi)容4.1短路計(jì)算的基本概念4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.3有限容量電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.4工程應(yīng)用中的實(shí)用短路計(jì)算4.5電力系統(tǒng)各元件負(fù)序和零序參數(shù)4.6電力系統(tǒng)三序網(wǎng)絡(luò)4.7簡(jiǎn)單不對(duì)稱短路的分析4.8正序等效定則4.5電力系統(tǒng)各元件負(fù)序和零序參數(shù)本節(jié)主要內(nèi)容對(duì)稱分量法序阻抗的概念發(fā)電機(jī)的負(fù)序與零序參數(shù)負(fù)荷的負(fù)序和零序參數(shù)變壓器負(fù)序和零序參數(shù)輸電線路的負(fù)序和零序參數(shù)4.5.1對(duì)稱分量法三相電路中,對(duì)于任意一組不對(duì)稱的三相相量,可以分解為三組三相對(duì)稱相量的疊加。以a相為基準(zhǔn)相,分解關(guān)系為:簡(jiǎn)寫(xiě)a=ej120°
a2=e-j120°a3=1
1+a+a2=0正序負(fù)序零序4.5.1對(duì)稱分量法正序負(fù)序零序反變換:4.5.2序阻抗以一回三相對(duì)稱的輸電線路為例。設(shè)該線路每相自阻抗為Zs,相間互阻抗為Zm,當(dāng)線路上流過(guò)三相不對(duì)稱電流時(shí),線路阻抗上的壓降為:簡(jiǎn)寫(xiě)將等式兩側(cè)三相量都變換為三序量得:結(jié)論:三相參數(shù)平衡的線性電路中,各序分量相互獨(dú)立。電路通以某序?qū)ΨQ分量的電流時(shí),只產(chǎn)生同一序?qū)ΨQ分量的電壓降。反之,當(dāng)電路施加某序?qū)ΨQ分量的電壓時(shí),電路也只產(chǎn)生同一序?qū)ΨQ分量的電流。所以,可以對(duì)正序、負(fù)序、零序分量分別進(jìn)行計(jì)算。4.5.2序阻抗序阻抗:元件三相參數(shù)對(duì)稱時(shí),元件兩端某一序的電壓降與通過(guò)該元件同一序電流的比值。電力系統(tǒng)正常三相對(duì)稱運(yùn)行或三相對(duì)稱短路時(shí),系統(tǒng)中只有發(fā)電機(jī)的正序電勢(shì),電網(wǎng)中電壓電流只有正序分量,系統(tǒng)中各元件阻抗為正序阻抗。4.5.3發(fā)電機(jī)的負(fù)序與零序參數(shù)負(fù)序電抗發(fā)電機(jī)負(fù)序電抗在
和之間變化(隱極機(jī)在和之間變化)對(duì)同一臺(tái)發(fā)電機(jī),不同的短路類型,負(fù)序電抗不同在短路電流的實(shí)用計(jì)算中,近似取無(wú)阻尼繞組的凸極機(jī),近似取零序電抗零序電抗大致范圍是4.5.3發(fā)電機(jī)的負(fù)序與零序參數(shù)近似值電機(jī)類型x2x0汽輪發(fā)電機(jī)0.160.06有阻尼繞組水輪發(fā)電機(jī)0.250.07無(wú)阻尼繞水輪發(fā)電機(jī)0.450.07同步調(diào)相機(jī)大型同步電動(dòng)機(jī)0.240.084.5.4負(fù)荷的負(fù)序和零序參數(shù)負(fù)荷的三序參數(shù)正序:短路計(jì)算中,負(fù)荷有3種處理情況:計(jì)算起始次暫態(tài)電流時(shí),或者忽略負(fù)荷,或者靠近短路點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)采用次暫態(tài)電抗后電勢(shì)等值電路。采用計(jì)算曲線近似計(jì)算短路電流周期分量時(shí),忽略負(fù)荷確需計(jì)及負(fù)荷阻抗,正序阻抗負(fù)序:以異步電動(dòng)機(jī)為主的負(fù)荷負(fù)序電抗可取X2=0.35。零序:負(fù)荷一般接在變壓器的三角形側(cè),根本就不會(huì)出現(xiàn)在零序網(wǎng)中。4.5.4負(fù)荷的負(fù)序和零序參數(shù)異步電動(dòng)機(jī)的三序參數(shù)正序:異步電動(dòng)機(jī)的正序電抗在擾動(dòng)瞬間為負(fù)序:轉(zhuǎn)子對(duì)負(fù)序磁通的轉(zhuǎn)差率為2-s,異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)序參數(shù)可以按轉(zhuǎn)差率2-s來(lái)確定。當(dāng)轉(zhuǎn)差率為1~2之間時(shí),電動(dòng)機(jī)等值電抗、電阻變化緩慢,因此可以近似認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的負(fù)序參數(shù)為s=1時(shí)的參數(shù)零序:電動(dòng)機(jī)三相繞組通常接成三角形或不接地星形,根本就不會(huì)出現(xiàn)在零序網(wǎng)中。4.5.5變壓器負(fù)序和零序參數(shù)負(fù)序變壓器負(fù)序等值電路及其參數(shù)與正序完全相同這一結(jié)論同樣適合電力系統(tǒng)中的一切靜止元件4.5.5變壓器負(fù)序和零序參數(shù)零序零序等值電路與正序等值電路完全相同激磁電抗Xm0的取值與變壓器結(jié)構(gòu)有關(guān):三個(gè)單相變壓器組成的三相變壓器組,每相零序主磁通和正序主磁通相同,通路也相同Xm0=Xm1三相四柱或五柱式變壓器,有零序主磁通回路,只需很小勵(lì)磁電流,近似認(rèn)為Xm0=∞,即認(rèn)為激磁支路斷開(kāi)。三相三柱式變壓器,磁阻大,激磁電抗小,一般取Xm0=0.31.04.5.5變壓器負(fù)序和零序參數(shù)零序等值電路與外部電路的連接變壓器零序等值電路與外電路的連接取決于零序電流的流通路徑,與變壓器三繞組的接線形式和中性點(diǎn)接地方式有關(guān)?;驹瓌t:零序電壓施加在變壓器三角形側(cè)和不接地星形側(cè),無(wú)論另一側(cè)繞組接線方式如何,變壓器中都沒(méi)有零序電流通過(guò)。此時(shí),X0=∞零序電壓施加在繞組連接成接地星形一側(cè)時(shí),大小相等、相位相同的零序電流將通過(guò)三相繞組經(jīng)中性點(diǎn)流入大地,構(gòu)成回路,在另一側(cè)繞組中感應(yīng)零序電勢(shì)。而另一側(cè)零序電流是否流通應(yīng)視該側(cè)的接線方式而定。4.5.5變壓器負(fù)序和零序參數(shù)零序等值電路與外部電路的連接(1)Y0/△接線變壓器:Y0施加零序電壓時(shí),△提供零序電流通路,形成環(huán)流,但流不到外電路中去。零序感應(yīng)電壓完全降落在漏抗上,相當(dāng)于△繞組短接,與外電路斷開(kāi)。從等值電路圖中可以看出,Xm0和XII并聯(lián),而Xm0總是遠(yuǎn)大于XII,所以實(shí)際計(jì)算中,如果變壓器有三角形接線的繞組,都忽略激磁電抗,即取Xm0=∞4.5.5變壓器負(fù)序和零序參數(shù)零序等值電路與外部電路的連接(2)Y0/Y接線變壓器:Y0施加零序電壓時(shí),Y不提供零序電流通路,與外電路斷開(kāi)。(3)Y0/Y0接線變壓器:Y0施加零序電壓時(shí),
另一Y0是否提供零序電流通路,需要看外電路是否還提供另一個(gè)接地中心點(diǎn)。4.5.5變壓器負(fù)序和零序參數(shù)零序等值電路與外部電路的連接(4)如果變壓器星形側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)阻抗Zn接地,Zn不需要反映在正、負(fù)序等值電路中,在零序等值電路中以3Zn同它接入側(cè)繞組的漏抗相串聯(lián)。4.5.5變壓器負(fù)序和零序參數(shù)三繞組變壓器零序等值電路與參數(shù)三繞組變壓器為了消除3次諧波磁通的影響,總有一個(gè)繞組為△接線4.5.5變壓器負(fù)序和零序參數(shù)自耦變壓器零序等值電路與參數(shù)自耦變壓器中兩個(gè)有直接電氣聯(lián)系的自耦繞組,一般用來(lái)聯(lián)系兩個(gè)直接接地的系統(tǒng)。中性點(diǎn)直接接地的自耦變壓器的零序等值電路、與外電路的連接、勵(lì)磁電抗等都與普通變壓器相同。中性點(diǎn)的入地電流,應(yīng)該等于兩個(gè)自耦繞組的零序電流實(shí)際有名值之差的三倍。中性點(diǎn)經(jīng)電抗接地的自耦變壓器,中性點(diǎn)電位同時(shí)受兩個(gè)繞組零序電流的影響,等值電路及其參數(shù)與普通變壓器不同。折算到I側(cè)的等值漏抗為:4.5.6輸電線路的負(fù)序和零序參數(shù)負(fù)序靜止元件。負(fù)序參數(shù)與正序參數(shù)完全相同零序一般采用近似值線路類型X0/X1無(wú)架空地線單回路3.5無(wú)架空地線雙回路5.5有鐵磁導(dǎo)體架空地線單回路3.0有鐵磁導(dǎo)體架空地線雙回路4.7有良導(dǎo)體架空地線單回路2.0有良導(dǎo)體架空地線雙回路3.0本章主要內(nèi)容4.1短路計(jì)算的基本概念4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.3有限容量電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.4工程應(yīng)用中的實(shí)用短路計(jì)算4.5電力系統(tǒng)各元件負(fù)序和零序參數(shù)4.6電力系統(tǒng)三序網(wǎng)絡(luò)4.7簡(jiǎn)單不對(duì)稱短路的分析4.8正序等效定則4.6電力系統(tǒng)三序網(wǎng)絡(luò)本節(jié)主要內(nèi)容應(yīng)用對(duì)稱分量法分析不對(duì)稱短路建立三序網(wǎng)絡(luò)正序網(wǎng)絡(luò)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)零序網(wǎng)絡(luò)4.6.1應(yīng)用對(duì)稱分量法分析不對(duì)稱短路假設(shè)發(fā)電機(jī)直接與空載線路相連。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)阻抗Zn接地。設(shè)線路a相某點(diǎn)發(fā)生單相金屬性短路:短路接地電阻
短路相4.6.1應(yīng)用對(duì)稱分量法分析不對(duì)稱短路解耦4.6.1應(yīng)用對(duì)稱分量法分析不對(duì)稱短路對(duì)于每序電路,三相對(duì)稱,可只取一相計(jì)算。以a相為基準(zhǔn)相,等值電路為:各序網(wǎng)的電壓方程待求量為還需補(bǔ)充不對(duì)稱短路的邊界條件Ua=0,Ib=0和Ic=0,展開(kāi)為4.6.2建立三序網(wǎng)絡(luò)正序網(wǎng)絡(luò)正序網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算三相短路時(shí)的等值網(wǎng)絡(luò)完全相同。除中性點(diǎn)接地阻抗和空載線路,電力系統(tǒng)各元件均應(yīng)包括在正序網(wǎng)絡(luò)中。短路點(diǎn)正序電壓不等于零,引入代替短路點(diǎn)故障條件的不對(duì)稱電勢(shì)的正序分量4.6.2建立三序網(wǎng)絡(luò)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的組成元件與正序網(wǎng)絡(luò)完全相同。發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)元件的電抗以負(fù)序電抗代替,其他靜止元件的負(fù)序電抗與正序電抗相同。發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生負(fù)序電勢(shì),所有電源的負(fù)序電勢(shì)為零。引入代替短路點(diǎn)故障條件的不對(duì)稱電勢(shì)的負(fù)序分量4.6.2建立三序網(wǎng)絡(luò)零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)電機(jī)零序電勢(shì)為零,短路點(diǎn)的零序電勢(shì)是零序電流的唯一來(lái)源。零序電流三相同相位,只能通過(guò)大地或與地連接的其他導(dǎo)體才能構(gòu)成通路。作零序網(wǎng)絡(luò)從短路點(diǎn)開(kāi)始,凡是零序電流可以通過(guò)的元件,均應(yīng)列入零序網(wǎng)絡(luò)中,舍去零序電流不能流通的元件。4.6.2建立三序網(wǎng)絡(luò)例4-4:如下圖所示電力系統(tǒng),在f點(diǎn)發(fā)生短路,建立三序網(wǎng)絡(luò),計(jì)算電源組合電勢(shì)與三序組合電抗。發(fā)電機(jī):SN=120MVA,UN=10.5kV,E1=1.67,X1=0.9,X2=0.45;變壓器T1:SN=60MVA,Us%=10.5,kT1=10.5/115;變壓器T2:SN=60MVA,Us%=10.5,kT2=115/6.3;線路L:每回路l=105km,x1=0.4Ω/km,x0=3x1;負(fù)荷LD-1:SN=60MVA,X1=1.2,X2=0.35;負(fù)荷LD-2:SN=40MVA,X1=1.2,X2=0.35。解:1.選取基準(zhǔn)值,計(jì)算元件標(biāo)幺值。容量基準(zhǔn)SB=120MVA,電壓基準(zhǔn)UB=Uav元件標(biāo)幺值見(jiàn)三序網(wǎng)絡(luò)圖。2.建立三序網(wǎng)絡(luò)3.網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)正序網(wǎng)絡(luò)X1和X5合并得X7:電抗X7,X2,X4串聯(lián)得X9:電抗X3,X6串聯(lián)得X8:電抗X8,X9并聯(lián)得:3.網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)零序網(wǎng)絡(luò)本章主要內(nèi)容4.1短路計(jì)算的基本概念4.2無(wú)限大功率電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.3有限容量電源供電網(wǎng)絡(luò)的三相短路4.4工程應(yīng)用中的實(shí)用短路計(jì)算4.5電力系統(tǒng)各元件負(fù)序和零序參數(shù)4.6電力系統(tǒng)三序網(wǎng)絡(luò)4.7簡(jiǎn)單不對(duì)稱
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