
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文檔簡(jiǎn)介
1、串聯(lián)在消弧線圈接地回路中的非線性阻尼電阻DFD型大功率非線性電阻器岳建民1,陳偉2(1.南京伏安電氣有限公司,江蘇 南京 210029 ; 2.南京供電局, 江蘇 南京 210008) 摘要:消弧線圈串聯(lián)非線性阻尼電阻,克服了自動(dòng)跟蹤消弧裝置中線性阻尼電阻并聯(lián)短路裝置的固有缺點(diǎn),改善了手動(dòng)調(diào)諧消弧線圈的運(yùn)行狀況,從而提高了電網(wǎng)的安全性。從南京西華門變電站10kV 電網(wǎng)消弧線圈串聯(lián)非線性電阻器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及近一年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明,新產(chǎn)品 DFD型大功率非線性電阻器將會(huì)在消弧線圈接地系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵詞
2、:消弧線圈;阻尼電阻;非線性電阻器;調(diào)諧 中圖分類號(hào):TM475;TM542 1 消弧線圈串聯(lián)阻尼電阻的由來(lái) 交流中壓電網(wǎng)接地電容電流Ic超過(guò)某閥值(>10A),電網(wǎng)中性點(diǎn)需采用消弧線圈接地方式,其主要的目的是降低接地殘流Id,以利電弧自滅,提高供電可靠性。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行方式改變時(shí),消弧線圈抽頭作相應(yīng)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)消弧線圈電流IL須兼顧兩方面因素:其一,使接地殘流Id最小;其二,正常運(yùn)行時(shí)不能使電網(wǎng)中性點(diǎn)位移電壓UN過(guò)高,UN<15%相電壓UX。但是,這
3、兩種因素是相互制約的。即:要Id最小,則要求消弧線圈調(diào)整在全補(bǔ)償IL=Ic或接近全補(bǔ)償狀態(tài),即失諧度=(IL-Ic)/Ic=0。此時(shí),在不對(duì)稱電壓UPD作用下,消弧線圈電抗與電網(wǎng)對(duì)地電容呈串聯(lián)諧振狀態(tài),僅依靠自然阻尼中的R,UN必然很高。按自然阻尼率d=3%, =0計(jì)算,UN=UPD/(d2+2)1/2=UPD/0.03=30UPD。若UPD>0.5%UX,則UN>30×0.5%UX=15%UX。除非電網(wǎng)中電纜占主要成分,其UPD0.5%UX,UN=30UPD30×0.5%UX=15%UX。但是UPD不是一成不變,電網(wǎng)發(fā)生斷線,UPD超過(guò)0.5%UX, UN升到
4、很高值,則電網(wǎng)三相對(duì)地電壓嚴(yán)重不平衡,這是不允許的。要使中性點(diǎn)位移電壓處在允許值內(nèi),若不加大d,消弧線圈必須調(diào)整在較大的失諧狀態(tài),越大,UN越低,而Id則大起來(lái)。因此消弧線圈的調(diào)整始終不能將Id和UN都處在較理想狀態(tài)。 在消弧線圈回路串聯(lián)一個(gè)阻尼電阻,可以使Id和UN的矛盾得到較好的協(xié)調(diào)。因此,目前我國(guó)生產(chǎn)的預(yù)調(diào)式自動(dòng)調(diào)節(jié)消弧線圈裝置,大都在消弧線圈接地回路中串聯(lián)一個(gè)線性阻尼電阻(簡(jiǎn)稱LR)。并在LR旁并聯(lián)短接裝置(開(kāi)關(guān)或可控硅)。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),開(kāi)關(guān)斷開(kāi),投入LR,由于阻尼電阻的存在,諧振回路的阻尼率d增大很多,即使此時(shí)0,仍可以將UN控制在允許
5、值的范圍內(nèi);當(dāng)電網(wǎng)接地時(shí),開(kāi)關(guān)閉合,短接LR,可以使消弧線圈電流IL充分補(bǔ)償接地電容電流,使接地殘流很小?;旧辖鉀Q了Id與UN的矛盾。 2 消弧線圈串聯(lián)線性電阻并聯(lián)短接裝置存在的問(wèn)題 如果電網(wǎng)的不對(duì)稱電壓不高,接地故障為金屬性接地,采用LR并聯(lián)短接裝置,只要短接裝置及其控制器能夠可靠工作,一般不會(huì)出現(xiàn)很大的問(wèn)題,但是電網(wǎng)的不對(duì)稱電壓有高有低,電網(wǎng)出現(xiàn)的故障更是多樣性,如間歇性接地,高阻接地,斷線不接地等等,這些故障給短接裝置及其控制系統(tǒng)帶來(lái)很大困難,以致出現(xiàn)燒毀線性阻尼電阻和短接裝置的事故。其原因可歸
6、納為以下幾個(gè)方面。 (1) 不對(duì)稱電壓比較高的電網(wǎng)發(fā)生接地后,LR被短接,當(dāng)接地消失時(shí),LR仍處在被短接狀態(tài),LR不起阻尼作用,如果此時(shí)消弧線圈調(diào)整在諧振狀態(tài)(0),僅靠自然阻尼,UX15%UX,短接裝置的控制系統(tǒng),無(wú)法分辨是處在接地還是不接地,短接裝置不能自動(dòng)斷開(kāi)。其結(jié)果是真的接地消失,出現(xiàn)另一種方式的虛幻接地。唯一的辦法,就是將消弧線圈調(diào)整在較大的失諧狀態(tài)。因此對(duì)于UPD稍大的電網(wǎng),采用LR旁并聯(lián)短接裝置的自動(dòng)調(diào)諧設(shè)備,是不能工作在全補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài)的,與人工調(diào)節(jié)的消弧線圈一樣,只能工作在較大失諧度的過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)。接地的殘流也必然較大,電弧有可能
7、不會(huì)自滅。 (2) 電網(wǎng)發(fā)生故障的形式是多樣的,除了單相接地外,還可能發(fā)生斷線,同桿線路零序電壓的電容耦合等非接地故障,使電網(wǎng)不對(duì)稱電壓升高。如果升高到一定程度,自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制器誤認(rèn)為電網(wǎng)發(fā)生接地,將LR短路,而此時(shí)消弧線圈又調(diào)諧在接近全補(bǔ)償狀態(tài),其后果是產(chǎn)生很高的中性點(diǎn)位移電壓,造成其中一相電壓升高很多,以至損壞電網(wǎng)中其它設(shè)備,將一個(gè)小故障擴(kuò)大為事故。 (3) 如果LR旁并聯(lián)的是機(jī)械操作開(kāi)關(guān),當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生間隙性接地,例如風(fēng)吹樹(shù)枝碰線,跳線擺動(dòng)碰板線,風(fēng)吹的擺動(dòng)是數(shù)秒或數(shù)十秒一次,幾十次至幾百次高阻接地,
8、就要導(dǎo)致LR并聯(lián)的機(jī)械開(kāi)關(guān)頻繁合分,開(kāi)關(guān)尤其是開(kāi)關(guān)中的操動(dòng)機(jī)構(gòu)很容易損壞,開(kāi)關(guān)一旦損壞,其后果是LR被燒毀,LR內(nèi)的電弧可能引發(fā)更大的事故。 (4) 即使機(jī)械開(kāi)關(guān)能正常操作,其機(jī)械合或分的時(shí)間,與電氣的接通或斷開(kāi)時(shí)間為毫秒級(jí)相比,是長(zhǎng)時(shí)間的。因此,在接地發(fā)生時(shí),LR并聯(lián)開(kāi)關(guān)尚未合閘前,消弧線圈與較大阻值LR處在串聯(lián)狀態(tài),在相電壓作用下,串聯(lián)回路中的電流不是純感性電流,而是含有相當(dāng)比例的阻性電流,此時(shí)的感性電流比消弧線圈整定的值要小很多。例如,一臺(tái)10kV 消弧線圈,運(yùn)行在50A擋,其感抗為120,若有100的電阻與之串聯(lián),在并聯(lián)開(kāi)關(guān)尚未合閘前,通過(guò)
9、該回路的感性電流為29.5A,阻性電流24.6A,若接地電容電流為48A,接地殘流高達(dá)948-29.5)2+24.621/2=31A。其結(jié)果是,接地電弧起始時(shí),得不到應(yīng)有的補(bǔ)償。若接地發(fā)生在母線,數(shù)十安的接地電流所產(chǎn)生的電弧,其運(yùn)動(dòng)速度足以造成母線相間短路,雖然其后較短時(shí)間,LR被短接,接地電流減小,已毫無(wú)意義,此時(shí)已經(jīng)造成永久性故障,失去了安裝消弧線圈提高供電可靠性的作用。對(duì)于雷擊造成的瞬間接地,同樣因?yàn)椴荒芗皶r(shí)滅弧,極有可能造成永久性故障。 3 非線性阻尼電阻的工作原理圖1 NLR在消弧線圈中位置
10、如果在自動(dòng)調(diào)諧的消弧線圈回路中,LR改為依電壓或電流可以自動(dòng)改變阻值的非線性電阻NLR(見(jiàn)圖1),則可以充分發(fā)揮消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧的作用,消弧線圈完全可以調(diào)整在全補(bǔ)償狀態(tài),因?yàn)闊o(wú)需短接裝置,不用擔(dān)心過(guò)高的不對(duì)稱電壓,發(fā)生非接地性故障,NLR仍保持一定的電阻值,電網(wǎng)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)高的位移電壓。不論發(fā)生何種間隙性接地,NLR阻值的變化是無(wú)時(shí)延的,不會(huì)發(fā)生因阻值滯后變化而影響滅弧或引發(fā)高幅值位移電壓,因?yàn)橄【€圈處在全補(bǔ)償狀態(tài),高阻接地時(shí)的過(guò)渡電阻對(duì)電弧熄滅也沒(méi)有影響。沒(méi)有短接裝置操作,自動(dòng)調(diào)諧中的控制器更加簡(jiǎn)化,按Il的幅值和相位,始終將消弧線圈調(diào)諧在全補(bǔ)償或接近全補(bǔ)償狀態(tài)??刂苹芈吩胶?jiǎn)單則可靠性越高。
11、南京伏安電氣公司研制并獲專利(專利號(hào):992293545)的DFD型大功率非線性電阻器,具備有上述的功能。 在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),中性點(diǎn)的開(kāi)路電壓為電網(wǎng)不對(duì)稱電壓UPD,其值一般為相電壓UX的(0.13.5)%,當(dāng)XLXc時(shí),UPD幾乎全部作用在NLR上。在此電壓作用下,通過(guò)NLR回路中電流Il較小,一般IL1A,此時(shí)NLR呈高阻值,等值電路見(jiàn)圖2。高阻值的NLR可使電網(wǎng)的阻尼率d=(20%80%),消弧線圈調(diào)整在全補(bǔ)償狀態(tài),中性點(diǎn)位移電壓UN仍被限制在較低的水平,一般UN<10%UX。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地,作用在消弧線圈(含接地變壓器或主變壓器零
12、序阻抗)及NLR串聯(lián)回路兩端電壓為接地相的相電壓UX,通過(guò)消弧線圈及NLR電流IL=10100,NLR阻值自動(dòng)降低呈低阻狀態(tài),僅為消弧線圈感抗的數(shù)十分之一,不影響消弧線圈的補(bǔ)償作用,其等值電路見(jiàn)圖3。若為永久性金屬接地,NLR允許通過(guò)與之相配消弧線圈最大電流,時(shí)間為2h及以上,一旦接地切除,電網(wǎng)恢復(fù)正常,NLR在熱狀態(tài)下的阻值仍呈高阻尼狀態(tài)。簡(jiǎn)要地說(shuō), NLR依靠電阻體本身的非線性伏安特性,依外施電壓或電流大小改變阻值高低,當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),消弧線圈回路需要阻尼,NLR呈現(xiàn)高阻值;當(dāng)電網(wǎng)接地消弧線圈作補(bǔ)償時(shí),NLR呈低阻值,無(wú)需做任何操作。圖2 電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),在UPD作用下NLR呈高阻值圖3
13、 電網(wǎng)接地時(shí),在IL作用下NLR呈低阻值 4 手動(dòng)調(diào)節(jié)的消弧線圈串聯(lián)NLR可明顯改善其運(yùn)行狀況 對(duì)于老式人工調(diào)節(jié)的消弧線圈,若將NLR串聯(lián)于該接地回路,人工調(diào)節(jié)的消弧線圈亦可以在過(guò)補(bǔ)償、欠補(bǔ)償、全補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行,就是說(shuō),已知正常運(yùn)行方式下電網(wǎng)的接地電容電流Ic,則可以將消弧線圈的感性電流IL調(diào)整在與其相同的全補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行。具體操作方法是:按線路及電纜長(zhǎng)度估算電網(wǎng)接地電容電流值,將消弧線圈調(diào)整在比估算值大20%的擋位上,并在消弧線圈的電流互感器二次側(cè)接一只交流毫安表,從消弧線圈比較大的電流擋位,逐檔調(diào)節(jié),并
14、在每檔測(cè)量IL,得到IL最大值時(shí)的擋位,此擋位即為消弧線圈全補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行檔位,如果已知電網(wǎng)最大運(yùn)行方式下接地電容電流及最小運(yùn)行方式下接地電容電流,也可以將Il調(diào)在最大和最小之間運(yùn)行。因?yàn)橄【€圈串聯(lián)了NLR,中性點(diǎn)位移電壓很低,在電網(wǎng)增加或減少少量出線時(shí),不必去更改消弧線圈的抽頭。這樣,在電網(wǎng)大部分正常運(yùn)行方式的時(shí)間內(nèi)發(fā)生接地,接地殘流僅在一個(gè)小的范圍內(nèi)變化,電弧很容易熄滅,大大提高了供電可靠性,若電網(wǎng)運(yùn)行方式有變化,只要在允許的范圍內(nèi),即使處在欠補(bǔ)償方式也不必改變消弧線圈抽頭。大大減少了運(yùn)行人員操作的工作量,減少了出現(xiàn)差錯(cuò)的可能性。只有在電網(wǎng)的運(yùn)行方式發(fā)生大的變化,才需要更改消弧線圈的電抗值
15、,或?qū)⑾【€圈退出運(yùn)行。 5 消弧線圈串聯(lián)非線性電阻的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn): 南京西華門變電站10kV段母線上人工調(diào)節(jié)的消弧線圈采用了上述方法,該母線上有一臺(tái)Z型接線的接地變壓器,通過(guò)接地變壓器中性點(diǎn)接X(jué)DJ1-300/10型消弧線圈,消弧線圈電流調(diào)節(jié)范圍為2550A,共分9擋。圖4NLR伏安及歐安曲線系列1冷狀態(tài)U-I 系列2R-I 系列3 熱狀態(tài)U-I表1 首臺(tái)NLR伏安特性I/A0.51.05102550U/V55.274130161211253.4R/11074261685通過(guò)50A二小時(shí)后U/V44.76
16、2111141181226.4 DFD型大功率非線性電阻器的實(shí)測(cè)伏安特性見(jiàn)表1,伏安曲線及計(jì)算電阻變化曲線如圖4所示。 2000年1月7日,南京供電局委托江蘇電力試驗(yàn)研究所在西華門變電站10kV段母線上作人工接地試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下: (1) 用直接接地法測(cè)量10kV段母線正常運(yùn)行方式接地電容電流為30A。 (2) 通過(guò)接地變中性點(diǎn)測(cè)量電網(wǎng)不對(duì)稱電壓為8.5V。 (3
17、)消弧線圈分別調(diào)在擋、擋、擋,每擋作了一次人工接地試驗(yàn),測(cè)得數(shù)據(jù)列于表2。測(cè)量的消弧線圈電流即NLR中電流、NLR上電壓及中性點(diǎn)對(duì)地電壓UN的波形。圖5為其中一次投入和切除人工接地時(shí)中性點(diǎn)位移電壓和非線性電阻上的電壓及流過(guò)電流的波形。表2 人工接地試驗(yàn)及中性點(diǎn)位移電壓數(shù)據(jù)消弧線圈檔號(hào)通過(guò)消弧線圈電流/ANLR上的電壓/V接地點(diǎn)殘流/A中性點(diǎn)位移電壓/V標(biāo)稱值實(shí)測(cè)值表讀值示波圖值接入NLR短接NLR38.537.652922339.31124.332.432.12782264.021260.529.729.942732202.512.2152 由上述
18、數(shù)據(jù)可以看出,段母線正常運(yùn)行方式接地電容電流為30A,將消弧線圈調(diào)在擋位置銘牌IL值為29.7A,基本上可以實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償,此時(shí)殘流為2.5A(2.5A包含不可補(bǔ)償?shù)闹C波電流及阻性電流)。接入NLR中性點(diǎn)位移電壓僅為不對(duì)稱電壓的12.2/8.5=1.44倍,若沒(méi)有NLR,中性點(diǎn)位移電壓是不對(duì)稱電壓的152/8.5=17.9倍。實(shí)測(cè)時(shí),短接NLR的引線很長(zhǎng),引線的電阻使d加大了一些,否則UN/UPD>17.9,可以看出NLR所起的作用。從圖5波形可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)通過(guò)NLR的電流波形為正弦波時(shí),NLR上電壓波形的峰值較平,從圖5(b)的波形看到,當(dāng)通過(guò)NLR的電流幾乎為零時(shí),NLR上仍有較高電壓,從
19、而看出NLR的非線性特性。 該系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下的時(shí)間占絕大多數(shù),在此時(shí)間段內(nèi),殘流僅2.5A,中性點(diǎn)位移電壓亦很低,若該系統(tǒng)有少量線路投入或切除,也不必改變消弧線圈擋位。當(dāng)然,因?yàn)樵撓到y(tǒng)不對(duì)稱電壓太低,中性點(diǎn)位移電壓?jiǎn)栴}不突出。若按一般中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓約為1%的相電壓計(jì)算,不串聯(lián)NLR時(shí),全補(bǔ)償位置運(yùn)行,中性點(diǎn)位移電壓將大于15%,而串聯(lián)NLR,則可以安全地運(yùn)行于全補(bǔ)償位置。該實(shí)例可以為其他類似系統(tǒng)所借鑒。圖5 NLR中電流IL及電壓UR和中性點(diǎn)位移電壓UN的波形UPD作用下NLR呈高阻值 6 DF
20、D型大功率非線性電阻器的可靠性 NLR裝置本身的可靠性是至關(guān)重要的。NLR可靠性分為兩個(gè)方面:裝置的有效壽命;裝置自身的保護(hù)。 6.1 長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)多大的電流,NLR具有20年以上的壽命。 要回答這個(gè)問(wèn)題,我們用同類設(shè)備已有長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)推算。因?yàn)镹LR的電阻片與FZ型避雷器的并聯(lián)電阻,是采用相同的主要材料、相同的燒制工藝,而FZ型避雷器已有20年以上的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),所以用并聯(lián)電阻在運(yùn)行電壓下長(zhǎng)期通過(guò)的電流密度,推算NLR長(zhǎng)時(shí)間允許通過(guò)的電流值是合理的。&
21、#160; 并聯(lián)電阻的截面積S=7×15=105mm2,在額定相電壓下通過(guò)交流電導(dǎo)電流的峰值不小于0.4mA,峰值電流密度約0.4mA/cm2,NLR系列產(chǎn)品中電阻片截面積最小的一種是配消弧線圈最大電流25A的電阻片群。該電阻片群由100片120mm電阻片并聯(lián)組成,其截面積S=100×62×11310cm2,允許長(zhǎng)期通過(guò)交流電流的峰值為4.5A。NLR與消弧線圈串聯(lián),通過(guò)的電流波形接近正弦波,取電流的波形因素為1.5,則允許長(zhǎng)期通過(guò)電流的有效值為4.5/1.5=3A,實(shí)際運(yùn)行中,為滿足自動(dòng)補(bǔ)償控制器的靈敏度,要求消弧線圈長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)
22、的電流1.5A。因此,NLR電阻片群的最小截面,也能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)電流的要求,且有一定的裕度。在滿足此要求的條件下,NLR的有效壽命可以推算為20年以上。 6.2 NLR除長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)小電流要求外,還存在接地時(shí)通過(guò)大電流的要求。 對(duì)于大電流的要求,是采用連續(xù)240h施加大電流的試驗(yàn)來(lái)推算NLR可以承受的接地累計(jì)的時(shí)間。 設(shè)電網(wǎng)平均每月單相接地的時(shí)間為1h,一年12h,20年240h。大電流試驗(yàn)是取若干電阻片,通過(guò)消弧線圈最大電流時(shí)的電流密度,連續(xù)10天(24
23、0h)通流,試驗(yàn)前后電阻片電壓值變化率不大±10%。公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,型式試驗(yàn)做240h試驗(yàn)。批量生產(chǎn)時(shí),每批電阻片做抽查試驗(yàn),抽取2%的電阻片做大電流24h試驗(yàn),U±5%,試驗(yàn)時(shí)通過(guò)的電流值為最大電流密度乘以大于1的系數(shù)(與環(huán)境溫度有關(guān))。 6.3 裝置的自動(dòng)保護(hù) 雖然電阻片通過(guò)層層篩選,在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí),仍有可能出現(xiàn)個(gè)別電阻片的質(zhì)量劣化。因此,裝置中每一個(gè)(組)并聯(lián)元件都串有一根熔絲保護(hù),如果某并聯(lián)元件中的電阻片(組)劣化,通過(guò)該電阻片(組)的電流增大到熔絲熔斷電流時(shí),劣化電阻
24、片(組)即退出運(yùn)行,裝置中電阻片的數(shù)量有10%的裕度,出廠試驗(yàn)要做去掉10%的熔絲,通過(guò)消弧線圈最大電流2h試驗(yàn)。也就是說(shuō),如果運(yùn)行中有個(gè)別元件退出,也不會(huì)影響場(chǎng)裝置運(yùn)行。電力系統(tǒng)每隔一定年限作預(yù)防性試驗(yàn)時(shí),檢查每個(gè)熔絲是否完好,如果有10%以上的熔絲熔斷,才需要通知生產(chǎn)廠進(jìn)行更換。假使裝置出現(xiàn)大量元器件損壞,也不會(huì)在接地時(shí)發(fā)生電弧燃燒。因?yàn)椋琋LR兩端還并聯(lián)了一個(gè)導(dǎo)線可通過(guò)大電流的電抗器,其作用之一是保護(hù)NLR最危險(xiǎn)時(shí)不出現(xiàn)電弧,另一作用是補(bǔ)償電阻片之間的電容。因此,NLR自身的保護(hù)是很完備的。 南京西門華變電站試運(yùn)行的NLR,已經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的冬天和夏天,其中7月27日發(fā)生一起用戶電纜兩相熔絲熔斷的非全相斷線故障,由于消弧線圈中有NLR,中性點(diǎn)位移電壓僅1.5kV,通過(guò)切除故障線路,很快恢復(fù)正常。 7 結(jié)論 (1) 自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧成套設(shè)備中采用消弧線圈串聯(lián)線性阻尼電阻,在LR旁并聯(lián)短接裝置(開(kāi)關(guān)或可控硅)。由于其固有的缺陷,在不對(duì)稱電壓較高的電網(wǎng)中,需要在失諧度較大的位置工作
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