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高電壓技術(shù)1整理課件高電壓技術(shù)1整理課件第8章雷電及防雷保護(hù)裝置是造成電力系統(tǒng)故障的主要原因之一。8.1
雷云放電及雷電過(guò)電壓成因:摩擦起電。整塊雷云可以有若干個(gè)電荷中心,負(fù)電荷位于雷云下部,離地大約1-5km。第一次放電結(jié)束后,多半還會(huì)有重復(fù)雷擊。2整理課件第8章雷電及防雷保護(hù)裝置是造成電力系統(tǒng)故障的主要雷電圖景-云閃放電路徑在云內(nèi)、云-云之間、云-空之間,閃電大部分為云閃3整理課件雷電圖景-云閃放電路徑在云內(nèi)、云-云之間、云-空之間,閃電大雷電圖景-地閃放電路徑在云-大地之間,危害最為直接、嚴(yán)重本課程中主要討論地閃4整理課件雷電圖景-地閃放電路徑在云-大地之間,危害最為直接、嚴(yán)重本課雷電放電發(fā)展過(guò)程5整理課件雷電放電發(fā)展過(guò)程5整理課件1.雷云下行先導(dǎo)、地面上行先導(dǎo)下行先導(dǎo)大地表面感應(yīng)出正電荷臨近下行先導(dǎo)的地面感應(yīng)電荷密度劇增,在場(chǎng)強(qiáng)集中處發(fā)出上行先導(dǎo)上行先導(dǎo),亦稱迎面先導(dǎo)云內(nèi)放電,為下行先導(dǎo)輸送電荷上、下行先導(dǎo)相遇產(chǎn)生強(qiáng)烈放電,形成主放電通道6整理課件1.雷云下行先導(dǎo)、地面上行先導(dǎo)下行先導(dǎo)大地表面感應(yīng)出正電荷臨2.主放電-回?fù)糁鞣烹娡ǖ老蚶自品较虬l(fā)展,稱作回?fù)糁鞣烹娡ǖ镭炌ɡ自婆c大地,正負(fù)電荷中和,第一次放電完畢第一次放電完畢后殘留的等離子通道,為下一次放電提供了條件7整理課件2.主放電-回?fù)糁鞣烹娡ǖ老蚶自品较虬l(fā)展,稱作回?fù)糁鞣烹娡ǖ?.后續(xù)放電殘留等離子通道下行先導(dǎo)迎面先導(dǎo)主放電主放電通道貫通云地8整理課件3.后續(xù)放電殘留等離子通道下行先導(dǎo)迎面先導(dǎo)主放電主放電通道貫
9整理課件9整理課件1.高、尖物體更易受雷擊正電荷向最接近下行先導(dǎo)的塔頂流動(dòng)受塔頂正電荷的吸引,下行先導(dǎo)改變路徑向塔頂發(fā)展物體越高,受下行先導(dǎo)吸引越強(qiáng)烈,聚集的正電荷密度越大尖端越尖,越容易發(fā)生尖端放電從而發(fā)出迎面先導(dǎo)塔頂發(fā)出迎面先導(dǎo)10整理課件1.高、尖物體更易受雷擊正電荷向最接近下行先導(dǎo)的塔頂流動(dòng)受2.導(dǎo)體比絕緣體容易受到雷擊正電荷流向?qū)w頂端而不流向絕緣物下行先導(dǎo)向?qū)w頂端發(fā)展11整理課件2.導(dǎo)體比絕緣體容易受到雷擊正電荷流向?qū)w頂端而不流向絕緣物2011年7月31日18:57:2312整理課件2011年7月31日18:57:2312整理課件8.1.2雷擊時(shí)的等值電路主放電瞬間,可用開(kāi)關(guān)S的閉合來(lái)模擬Z是被擊物的阻抗。由于電荷運(yùn)動(dòng)形成電流,因此雷擊點(diǎn)電位發(fā)生突然變化u=iZ雷電具有電流源的性質(zhì)。當(dāng)Z=0時(shí),i=2*i0;一般,Z0=300-400
,Z<<Z0,因此,也可認(rèn)為i=2*i0i稱為雷電流13整理課件8.1.2雷擊時(shí)的等值電路主放電瞬間,可用開(kāi)關(guān)S的閉合來(lái)8.2雷電參數(shù)及雷電活動(dòng)規(guī)律在雷電設(shè)計(jì)中,最關(guān)心的是雷電流波形、幅值分布及落雷密度等8.2.1雷電流幅值和波形對(duì)于雷暴日數(shù)≥20的地區(qū),我國(guó)現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為:對(duì)于雷暴日數(shù)<20的地區(qū)(除陜南以外的西邊地區(qū)、內(nèi)蒙古部分地區(qū)),我國(guó)現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為:14整理課件8.2雷電參數(shù)及雷電活動(dòng)規(guī)律在雷電設(shè)計(jì)中,最關(guān)心的是雷電波形和極性我國(guó)防雷規(guī)程建議值為:2.6/50
s,平均陡度為
在保護(hù)計(jì)算中,可取雙指數(shù)波,為簡(jiǎn)化計(jì)算,一般可取斜角平頂波。但在特高塔的設(shè)計(jì)中,可取半余弦波頭,表達(dá)式為:I為雷電流幅值;ω為角頻率,ω=π/τf=1.2
106s-1,τf
--為波頭時(shí)間(2.6s)。
極性:75%-90%的雷為負(fù)極性雷,因此一般按照負(fù)極性雷進(jìn)行研究。15整理課件波形和極性我國(guó)防雷規(guī)程建議值為:2.6/50s,8.2.2雷暴日和雷暴小時(shí)年平均雷暴日和年平均雷暴小時(shí)是表征雷電活動(dòng)頻繁程度的指標(biāo)。雷暴日:一年中有雷電的天數(shù)。在一天之內(nèi),只要聽(tīng)到雷聲就算一個(gè)雷暴日。雷暴小時(shí):一年中有雷電的小時(shí)數(shù)。在一小時(shí)之內(nèi),只要聽(tīng)到雷聲就算一個(gè)雷暴小時(shí)。我國(guó)大部分地區(qū)的雷暴小時(shí)與雷暴日之比為3。我國(guó)規(guī)程建議采用雷暴日作為計(jì)算單位。16整理課件8.2.2雷暴日和雷暴小時(shí)年平均雷暴日和年平均雷暴小時(shí)是17整理課件17整理課件8.2.3地面落雷密度和輸電線路落雷次數(shù)地面落雷密度反映了云-地之間的放電。
地面落雷密度:每平方公里每雷暴日的對(duì)地落雷次數(shù),用
表示。
e.g.我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:對(duì)雷暴日T=40的地區(qū),
=0.07次/km2·雷暴日
輸電線路的存在,改變了雷云-地之間的電場(chǎng)分布,根據(jù)模擬試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),輸電線路每側(cè)的引雷寬度為2he.g.對(duì)每100km的輸電線路,每年遭雷擊的次數(shù)為:18整理課件8.2.3地面落雷密度和輸電線路落雷次數(shù)地面落雷
2004年湖南省每平方公里落雷數(shù)分布情況19整理課件2004年湖南省每平方公里落雷數(shù)分布情況19整理課件雷電定位系統(tǒng)探測(cè)每平方公里分區(qū)的平均雷電密度圖20整理課件雷電定位系統(tǒng)探測(cè)每平方公里分區(qū)的平均雷電密度圖20整理課件8.3避雷針和避雷線保護(hù)原理:在避雷針(線)的頂端形成局部場(chǎng)強(qiáng)集中的空間,以影響雷電先導(dǎo)放電的發(fā)展方向,使雷電對(duì)避雷針(線)放電,避免被保護(hù)物體遭受雷擊。避雷針(線)必須高于被保護(hù)物,避雷針的頂部為尖狀。避雷針(線)與被保護(hù)設(shè)備電氣上是絕緣的避雷針的保護(hù)范圍:雷電繞擊率低于0.1%的范圍。繞擊:雷電繞開(kāi)避雷裝置而擊中被保護(hù)物體。保護(hù)范圍具有相對(duì)意義,統(tǒng)計(jì)意義。不能保證保護(hù)范圍內(nèi)物體完全不受雷擊,保護(hù)范圍外物體也受保護(hù)。21整理課件8.3避雷針和避雷線保護(hù)原理:在避雷針(線)的頂端形成局8.3.1避雷針的保護(hù)范圍-折線法被保護(hù)物高度低時(shí),保護(hù)半徑擴(kuò)大;避雷針高度增加時(shí),保護(hù)范圍擴(kuò)大有限;工程上多采用兩支或多只避雷針以擴(kuò)大保護(hù)范圍。當(dāng)h≤30m時(shí),p=1;30m<h≤120m時(shí),;當(dāng)h>120m時(shí),按h=120m計(jì)算
22整理課件8.3.1避雷針的保護(hù)范圍-折線法被保護(hù)物高度低時(shí),保護(hù)半23整理課件23整理課件電廠和變電站的面積較大,實(shí)際上都采用多支避雷針保護(hù)的方法。24整理課件電廠和變電站的面積較大,實(shí)際上都采用多支避雷針保護(hù)的方法。2擊距:30m、45m和60m,對(duì)應(yīng)的雷電流大小分別為5.4kA、10.1kA和15.8kA。擊距越小,雷電流越小,對(duì)應(yīng)的保護(hù)要求越高。8.3.1避雷針的保護(hù)范圍-滾球法(m)描述物體的引雷能力25整理課件擊距:8.3.1避雷針的保護(hù)范圍-滾球法(m)描述物體的引26整理課件26整理課件滾球法27整理課件滾球法27整理課件28整理課件28整理課件避雷線的保護(hù)長(zhǎng)度與線等長(zhǎng),因此適用與架空線路與大型建筑群。單根避雷線的保護(hù)范圍兩根避雷線的保護(hù)范圍保護(hù)角是指避雷線與所保護(hù)的外側(cè)導(dǎo)線之間的連線與經(jīng)過(guò)避雷線的鉛垂線之間的夾角。保護(hù)角越小,避雷線對(duì)導(dǎo)線的屏蔽保護(hù)作用就越好。有些國(guó)家還采用負(fù)保護(hù)角。避雷線適用于輸電線路防雷(分布保護(hù)場(chǎng)合),在變電所里有時(shí)也在電氣主回路上空布置多條避雷線進(jìn)行雷電防護(hù)。29整理課件避雷線的保護(hù)長(zhǎng)度與線等長(zhǎng),因此適用與架空線路與大型建筑群。單8.4避雷器當(dāng)發(fā)生繞擊或者感應(yīng)時(shí),過(guò)電壓波將沿線路傳播入侵發(fā)電廠、變電站等。避雷器的要求:良好的伏秒特性:沖擊系數(shù):沖擊放電電壓與工頻放電電壓之比。沖擊系數(shù)越小,伏秒特性越平緩,保護(hù)性能越好。具有良好的非線性電阻特性按發(fā)展歷程看:保護(hù)間隙、管型避雷器、普通閥式避雷器、磁吹避雷器、金屬氧化物避雷器等。30整理課件8.4避雷器當(dāng)發(fā)生繞擊或者感應(yīng)時(shí),過(guò)電壓波將沿線保護(hù)間隙與排氣式避雷器保護(hù)間隙的滅弧能力很差(適用于短路電流?。?;間隙間的電場(chǎng)為極不均勻電場(chǎng),又裸露在大氣環(huán)境中,受氣象條件的影響很大,因此伏秒特性很陡且分散性很大,將直接影響到它的保護(hù)效果;保護(hù)間隙擊穿后是直接接地,將會(huì)有截波產(chǎn)生,不能用來(lái)保護(hù)有繞組的設(shè)備
31整理課件保護(hù)間隙與排氣式避雷器保護(hù)間隙的滅弧能力很差(適用于短路電排氣式避雷器滅弧能力與工頻續(xù)流的大小有關(guān),續(xù)流太大產(chǎn)氣過(guò)多,管內(nèi)氣壓太高將使管子炸裂;續(xù)流太小產(chǎn)氣過(guò)少,管內(nèi)氣壓太小不足以滅弧;熄滅續(xù)流存在上下限
伏秒特性難以配合、動(dòng)作后出現(xiàn)大幅值截波32整理課件排氣式避雷器滅弧能力與工頻續(xù)流的大小有關(guān),續(xù)流太大產(chǎn)氣過(guò)多閥型避雷器變電所防雷保護(hù)的重點(diǎn)對(duì)象是變壓器閥片的作用:通過(guò)電阻限制工頻續(xù)流,使之能在第一次過(guò)零時(shí)就熄弧理想的電阻:應(yīng)在大電流(沖擊電流)時(shí)呈現(xiàn)為小電阻以保證其上的壓降(殘壓)足夠低;而在沖擊電流過(guò)去之后,當(dāng)加在閥片上的電壓是電網(wǎng)的工頻電壓時(shí),閥片應(yīng)呈現(xiàn)為大電阻以限制工頻續(xù)流,易于滅弧。閥片最好具有不隨沖擊電流變化的殘壓和大的通過(guò)電流的能力。閥片:碳化硅,u=Ciα
閥片的作用是:當(dāng)雷電流通過(guò)時(shí),閥片呈低阻抗,在閥片上出現(xiàn)的電壓(稱為殘壓)受到限制。當(dāng)工頻續(xù)流通過(guò)時(shí),由于電壓相對(duì)較低,閥片呈高阻值,因而限制了工頻續(xù)流,有利于滅弧。
越小,說(shuō)明避雷器的非線性程度越高,殘壓越低,保護(hù)性能越好。磁吹閥型避雷器33整理課件閥型避雷器變電所防雷保護(hù)的重點(diǎn)對(duì)象是變壓器閥片的作用:通為了使正常運(yùn)行時(shí)的碳化硅電阻閥片沒(méi)有工頻電流,以避免閥片溫度過(guò)高,保證正常使用,閥片需要與火花間隙串聯(lián)使用火花間隙1-黃銅電極 2-云母墊圈3-間隙放電區(qū)圖8-14閥式避雷器單個(gè)火花間隙35kV~220kV絕緣水平也以避雷器5kA的殘壓作為絕緣配合的依據(jù);330kV及更高電壓等級(jí)的電網(wǎng),規(guī)定取10kA作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。34整理課件為了使正常運(yùn)行時(shí)的碳化硅電阻閥片沒(méi)有工頻電流,以避免閥片溫度閥式避雷器類型(一)普通閥式避雷器沒(méi)有專門的滅弧裝置,滅弧能力和通流容量有限,不容許它們?cè)谘永m(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的內(nèi)部過(guò)電壓作用下動(dòng)作。(二)磁吹閥式避雷器采用滅弧能力較強(qiáng)的磁吹火花間隙和通流能力較大的高溫閥片利用磁場(chǎng)對(duì)電弧的電動(dòng)力,迫使間隙中的電弧加快運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或拉長(zhǎng),使弧柱中去電離作用增強(qiáng),從而大大提高其滅弧能力35整理課件閥式避雷器類型(一)普通閥式避雷器沒(méi)有專門的滅弧裝置,滅弧能(1)額定電壓指正常工作時(shí)加在避雷器上的工頻工作電壓,它應(yīng)與避雷器安裝地點(diǎn)的電力系統(tǒng)的額定電壓等級(jí)相同。(2)滅弧電壓指保證避雷器能在工頻續(xù)流第一次過(guò)零時(shí)就熄滅電弧的條件下,允許加在避雷器兩端的最高工頻電壓。滅弧電壓應(yīng)大于避雷器工作母線上可能出現(xiàn)的最高工頻電壓,否則避雷器就可能因不能熄滅續(xù)流電弧而損壞。(3)沖擊放電電壓指在沖擊電壓作用下,避雷器放電的電壓值(幅值)。由于其伏秒特性應(yīng)低于被保護(hù)設(shè)備絕緣的沖擊擊穿電壓的伏秒特性,因此,通常給出的是上限值。(4)工頻放電電壓指工頻電壓作用下,避雷器將發(fā)生放電的電壓值。一般希望避雷器沖擊放電電壓與工頻放電電壓幅值之比(沖擊系數(shù))接近于1,這樣避雷器的伏秒特性就比較平坦,有利于絕緣配合(5)殘壓指沖擊電流通過(guò)避雷器時(shí),在閥片電阻上產(chǎn)生的電壓的峰值。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分別為5kA(220kV及以下的避雷器)和10kA(330kV及以上的避雷器),電流波形則統(tǒng)一取為8/20μs。36整理課件(1)額定電壓36整理課件(1)切斷比。
指避雷器工頻放電電壓的下限與滅弧電壓之比。因?yàn)殚g隙絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)需要一個(gè)去游離過(guò)程,因此滅弧電壓總是低于工頻放電電壓。切斷比越接近于1,說(shuō)明該火花間隙的絕緣強(qiáng)度恢復(fù)速度越快,滅弧能力越強(qiáng)。普通閥式避雷器的切斷比為1.8左右,磁吹避雷器約為1.4。(2)保護(hù)比。
指避雷器的殘壓與滅弧電壓之比。保護(hù)比越小,表明殘壓越低或滅弧電壓越高,意味著絕緣上受到的過(guò)電壓較小,而工頻續(xù)流又能很快被切斷,因而該避雷器的保護(hù)性能越好。普通閥式避雷器的保護(hù)比一般為2.4左右,磁吹避雷器一般不大于1.8。37整理課件(1)切斷比。37整理課件氧化鋅(ZnO)避雷器ZnO避雷器又叫金屬氧化物避雷器(MOA)。ZnO避雷器由ZnO電阻片組成,具有優(yōu)異的非線性伏安特性,因此可以取消火花間隙,實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙無(wú)續(xù)流,且造價(jià)低廉。(1)ZnO晶粒,粒徑為10μm左右,電阻率為1~10Ω·cm;(2)包圍著ZnO晶粒的Bi2O3晶界層,厚度為0.1μm左右,電阻率大于1010Ω·cm;(3)零散分布于晶界層中的尖晶石
Zn7Sb2O12。ZnO電阻片的非線性特性主要取決于晶界層,在低電場(chǎng)下其電阻率很高;當(dāng)層間電位梯度達(dá)到104~105V/cm時(shí),其電阻率急劇下降到低阻狀態(tài)38整理課件氧化鋅(ZnO)避雷器ZnO避雷器又叫金屬氧化物避雷器(MO硅橡膠復(fù)合外套避雷器39整理課件硅橡膠復(fù)合外套避雷器39整理課件ZnO的伏安特性曲線區(qū)域Ⅰ為低電場(chǎng)區(qū),電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的開(kāi)方成正比,非線性系數(shù)
約為0.1~0.2;區(qū)域Ⅱ?yàn)橹须妶?chǎng)區(qū),晶界層電阻Rv減小,非線性系數(shù)α大為下降,約為0.01~0.04;-近似為直線區(qū)域Ⅲ為高場(chǎng)強(qiáng)區(qū),ZnO本體電阻R起主要作用,電流與電壓成正比,伏安特性曲線向上翹。40整理課件ZnO的伏安特性曲線區(qū)域Ⅰ為低電場(chǎng)區(qū),電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的開(kāi)ZnO避雷器的主要優(yōu)點(diǎn):無(wú)間隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、無(wú)電壓分布不均、放電電壓不穩(wěn)定等,保護(hù)可靠性高無(wú)續(xù)流不需吸收續(xù)流能量,動(dòng)作負(fù)載輕;可承受多次重復(fù)雷擊或者重復(fù)操作過(guò)電壓電氣設(shè)備所受過(guò)電壓可減低在整個(gè)過(guò)電壓階段都有電流流過(guò),因此降低了過(guò)電壓幅值通流容量大
不受串聯(lián)間隙被灼傷的制約,閥片的通流能力僅與本身通流能力有關(guān)??刹⒙?lián)進(jìn)一步提高通流能力。易于制成直流避雷器41整理課件ZnO避雷器的主要優(yōu)點(diǎn):無(wú)間隙41整理課件ZnO避雷器的參數(shù)額定電壓能短期耐受的最大工頻電壓有效值最大持續(xù)運(yùn)行電壓
能長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行的最大工頻電壓有效值起始動(dòng)作電壓(參考電壓、轉(zhuǎn)折電壓)
開(kāi)始進(jìn)入動(dòng)作狀態(tài)的電壓,通常為U1mA壓比在8/20us的沖擊電流規(guī)定值下,殘壓與起始動(dòng)作電壓之比。越小,非線性越好。荷電率
持續(xù)運(yùn)行電壓與起始動(dòng)作電壓之比,老化工頻耐受電壓特性
對(duì)工頻過(guò)電壓的耐受能力(1.21000s;1.3100s;1.41s)保護(hù)比額定殘壓與最大長(zhǎng)期工作電壓峰值之比。越小,保護(hù)性能越好42整理課件ZnO避雷器的參數(shù)額定電壓42整理課件額定電壓和容許最大持續(xù)運(yùn)行電壓為有效值,1mA參考電壓常在直流下測(cè)得ZnO避雷器的參數(shù)43整理課件額定電壓和容許最大持續(xù)運(yùn)行電壓為有效值,1mA參考電壓常在直ZnO避雷器的參數(shù)壓比:荷電率:壓比反映了避雷器伏安特性的非線性程度,壓比越小非線性程度越大、保護(hù)性能越好。荷電率反映了長(zhǎng)期工作條件下避雷器承擔(dān)電壓負(fù)荷的輕重,荷電率較高時(shí)避雷器老化速度加快。44整理課件ZnO避雷器的參數(shù)壓比:44整理課件ZnO避雷器的優(yōu)劣評(píng)判 顯然避雷器A的非線性程度好于避雷器B,其保護(hù)性能也優(yōu)于避雷器B45整理課件ZnO避雷器的優(yōu)劣評(píng)判 顯然避雷器A的非線性程度好于避雷器B46整理課件46整理課件47整理課件47整理課件8.5接地技術(shù)與接地裝置
接地:把地面上的電氣設(shè)備的一部分經(jīng)埋入地中(包含水泥和水)的接地體(如金屬棒、管、帶、網(wǎng)等)與大地作電氣連接,從而使接地點(diǎn)對(duì)地保持盡可能低的電位。8.5.1接地和接地電阻的概念電工中“地”的定義是地中不受入地電流的影響而保持著零電位的土地。將地面上的金屬物體或電氣回路的某一節(jié)點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)體與大地相連,使該物體或節(jié)點(diǎn)與大地保持等電位,稱為接地。
接地電阻并不是金屬接地體自身的電阻,而是電流通過(guò)接地體流入大地土壤過(guò)程中土壤呈現(xiàn)的電阻。48整理課件8.5接地技術(shù)與接地裝置接地:把地面上的電氣設(shè)備接地裝置原理圖由于大地電阻率的存在,當(dāng)有電流流過(guò)時(shí),出現(xiàn)電場(chǎng)分布,相對(duì)與無(wú)窮遠(yuǎn)處的零電位點(diǎn),接地體處有電位升高。需要降低接地電阻值。接地體有人工和天然的兩類:人工是指專門為接地而設(shè)置的;自然的是指用于別的目的,也可兼做接地。接觸電位差跨步電位差49整理課件接地裝置原理圖由于大地電阻率的存在,當(dāng)有電流流過(guò)時(shí),出現(xiàn)電場(chǎng)8.5.2接地的分類1)工作接地工作接地電阻一般為0.5
~10
2)保護(hù)接地
為保障人身安全而將設(shè)備外殼接地。通常保護(hù)電阻約為1~10
3)防雷接地目的是減小雷電流通過(guò)接地裝置時(shí)的地電位升高。
火花效應(yīng):如果雷電流較大,則土壤中電流密度較大,造成土壤空隙承受壓降較大,如果土壤空隙中發(fā)生電火花擊穿,等價(jià)于在空隙上并聯(lián)了一個(gè)導(dǎo)體,宏觀上接地電阻降低。
電感影響:如果接地體比較長(zhǎng),在雷電流波頭部分其電抗較大,阻止了雷電流向接地體遠(yuǎn)端流動(dòng),結(jié)果接地體得不到充分利用,宏觀上接地電阻增大。由于火花效應(yīng)和電感效應(yīng),沖擊電流下和工頻電流下接地電阻阻值有所不同。
沖擊系數(shù):50整理課件8.5.2接地的分
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