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文檔簡介

1、俄羅斯、烏克蘭超、特高壓輸變電技術發(fā)展近況             摘要較為全面介紹了中國電工技術學會特高壓輸變電技術考察團對俄羅斯和烏克蘭超、特高壓輸變電技術的考察情況。其中,重點介紹了圣彼得堡直流高壓研究院對1 150kV特高壓輸變電技術的研究成果;烏克蘭扎不羅熱變壓器研究所和變壓器廠對超高壓、大容量變壓器的科研和生產(chǎn)情況;對高壓電瓷股份公司的考察情況以及對750kV輸電線路桿塔和絕緣子使用現(xiàn)狀的調(diào)研情況。 關鍵詞超高壓 特高壓 輸變電 變壓器 絕緣子 0前言俄羅斯、烏克

2、蘭是世界上少數(shù)具有開發(fā)超、特高壓輸變電技術實踐經(jīng)驗的國家。為配合我國750kV 西電東送工程,更好地促進我國更高電壓等級輸變電技術的開發(fā)研究工作,學習、借鑒國外特高壓輸變電技術的經(jīng)驗,經(jīng)中國科學技術協(xié)會批準,由中國電工技術學會組團,于2001年9月24日至10月10日赴俄羅斯、烏克蘭進行了為期2周的考察訪問。代表團的成員包括來自高校、研究所及制造廠主管科研和新產(chǎn)品開發(fā)的負責人??疾斓膬?nèi)容包括:750kV 和1 150kV 超、特高壓輸變電系統(tǒng)的運行和科研狀況;超、特高壓輸變電關鍵設備的設計、制造和運行情況。代表團重點考察訪問了全俄直流研究所、烏克蘭扎布羅熱變壓器研究所和變壓器廠、斯拉維揚斯克高

3、壓電瓷股份公司等,還參觀了第聶伯河水電站和前蘇聯(lián)工業(yè)成就展,實地考察了數(shù)條750kV 輸電線路??疾斓膬?nèi)容和走訪的單位很多,下面將重點介紹對超、特高壓輸變電技術的考察,希望能對我國超、特高壓輸變電技術的研究,特別是對我國750kV 輸變電系統(tǒng)的研究、設計和建設起到參考和借鑒作用??疾靾蟾嫒脑斠婋娏υO備網(wǎng)()及電力設備雜志2003年第3期所附光盤。1 圣彼得堡直流高壓研究院(NIIPT)全俄直流高壓研究院為前蘇聯(lián)直流方面的領導院所,研究的領域不僅僅限于直流,他在交、直流輸電系統(tǒng)中都有較高的權(quán)威性。NIITP主要研究范圍為:直流輸電系統(tǒng)的設計和運行方式,直流輸變電架構(gòu)及換流器等設備的研究;復雜的

4、電力工具的可靠性、穩(wěn)定性和服務效能;任何電壓等級輸電線路和變電站;發(fā)電廠和變電站的電氣控制系統(tǒng),設備監(jiān)控與診斷;特殊的運行設備研究。1.1 特高壓輸電研究及運行情況在19851990年期間,前蘇聯(lián)建設的1 150kV輸電系統(tǒng)曾按額定電壓運行了5年時間,但在蘇聯(lián)解體后,該線路跨越兩個國家,在哈薩克斯坦境內(nèi)的一部分劃歸該國管理,不能統(tǒng)一調(diào)度,同時存在電費糾紛,此外由于經(jīng)濟滑坡導致電力需求不足,所以特高壓線路在90年后已降至500kV運行,降壓運行的原因不是技術問題,而是政治和經(jīng)濟問題。前蘇聯(lián)在1961年出現(xiàn)500kV系統(tǒng)及設備,有500kV線路45 000km,解體后俄羅斯有500kV線路35 0

5、00km。1967年出現(xiàn)750kV系統(tǒng),有線路8 000km,單條線路輸送電力2GW。1985年出現(xiàn)1 150kV系統(tǒng),有線路2 500km,4個站。1990年前,全蘇裝機容量在300GW以上,目前,全俄裝機容量200250GW。在1987年,年發(fā)電量為1 500TWh尚滿足不了要求,而現(xiàn)在年發(fā)電量僅為1 000TWh, 需求有所減少。前蘇聯(lián)1 150kV輸電線路的走向和分段情況見圖1。前蘇聯(lián)在20世紀70年代即完成了一條長100km,電壓等級為1 150kV的輸電線路的設計,但沒有應用于工程建設。此后,又對Ekibastuz-Kokchetav的一條長達500km的1 150kV線路及變電站

6、進行了設計,于1985年完成線路建設,該線路和變電站起到了試驗、研究和積累運行經(jīng)驗的基地作用。1988年,完成Kustanai 的1 150kV變電站建設,使Kokchetav-Kustanai 共長390km的1 150kV線路投入使用。同時,Kustanai-Chelyabinsh及Ekibastuz-Barnaul的二段1 150kV輸電線路完成建設,但該二段至今一直是降壓按500kV運行。Barnaul-Itat的1 150kV線路亦已完成建設,其他的1 150kV線路尚在規(guī)劃中。在圖1中,從Chelyabinsh-Itat 的1 150kV線路全部采用同一設計,即采用8×A

7、S330/43分裂導線,分裂間距為0.4m。根據(jù)不同區(qū)域的覆冰狀況,檔距為385m或425m,相間距離為24.2m或22m,自然輸送功率為5.4GW或5.5GW,拉V塔高為40m。1 150kV輸電線路拉V塔結(jié)構(gòu)見圖2。圖1前蘇聯(lián)1 150kV輸電線路的走向和分段情況圖21 150kV輸電線路拉V塔結(jié)構(gòu)在特高壓的研究方面,直流研究院主要開展了以下工作。1.1.1放電間隙研究對特高壓架空線路及隔離開關的空氣間隙主要采用兩種試驗波形進行研究。一是波頭時間為300500s的操作沖擊波(由沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生),另一是波頭時間為2 0004 500s的長波頭試驗波(由工頻試驗變壓器產(chǎn)生)。圖3示出了在進

8、行特高壓輸電設計中所應用的不同電極結(jié)構(gòu)空氣間隙的50%放電電壓曲線。圖3不同電極結(jié)構(gòu)空氣間隙的50%放電電壓曲線(波前時間為3 0004 500s的操作波)1-棒-板間隙;2-棒-棒間隙;3-分裂導線-地間隙;4-分裂導線-4.5m高的接地車輛;5-分裂導線-塔身及干絕緣子串1.1.2絕緣子串放電研究在雷擊和操作沖擊電壓下,干燥氣候條件下的長絕緣子串的放電特性主要取決于絕緣子串的空氣間隙的長度;淋雨條件下的長絕緣子串的放電主要在空氣間隙中發(fā)生,僅有一小部分是沿絕緣子串表面放電。在持續(xù)的工作電壓作用下,濕污絕緣子的閃絡一般都是沿面發(fā)生。在不同的試驗條件下,不同結(jié)構(gòu)絕緣子長絕緣子串的長波頭(3 0

9、004 500s)操作沖擊閃絡電壓放電試驗曲線見圖4。對長串絕緣子的操作沖擊放電試驗結(jié)果表明:當絕緣子串長達7m時,在小雨、霧、雪甚至在環(huán)境條件臟污的條件下,長串絕緣子的操作沖擊放電電壓和操作沖擊干閃電壓相比并沒有明顯降低,因此長串絕緣子操作沖擊的干閃電壓特性曲線是最基本最重要的特性曲線。對于V形塔當中的V形絕緣子串,根據(jù)分裂導線懸掛高度及位置的不同,V形絕緣子串的操作沖擊閃絡電壓較同一長度I形絕緣子串的操作沖擊閃絡電壓降低10%15%,因此,對中相V形絕緣子串的操作沖擊絕緣水平的選擇十分重要。圖4不同結(jié)構(gòu)絕緣子長絕緣子串的操作沖擊閃絡電壓曲線(波前時間3 0004 500s)1-雨閃電壓,大

10、爬距絕緣子L/H2.2;2-雨閃電壓, 普通型絕緣子L/H2.0;3-干閃電壓為了確保線路運行的可靠性,在早期設計階段沿規(guī)劃的1 150kV線路建立了試驗站,專門研究了該線路絕緣子的污穢狀況、土壤狀況及該區(qū)域35500kV線路的運行經(jīng)驗。線路穿越的部分地區(qū)屬鹽堿性土壤,經(jīng)過分析,確定穿越該地區(qū)的線路絕緣子所采用的泄漏比距要高于常用的泄漏比距(=1.5cm/kV)。1.1.3特高壓線路的操作過電壓控制1 150kV線路需要通過并聯(lián)電抗器達到100%的補償。三相電抗器的容量高達3×0.3Gvar,每隔150km就需要安裝一組這樣的電抗器,這使得降低由操作引起的瞬時過電壓成為可能。根據(jù)原蘇

11、聯(lián)、加拿大、美國的750kV線路運行經(jīng)驗,單相接地故障占線路故障總數(shù)的99%,因此,為了1 150kV系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,使用單相重合閘是必要的。對于1 150kV線路,最主要的是確保故障相在兩端斷路器跳開后潛供電弧的熄滅。通過研究得出一個重要的結(jié)論:采用一套專門設計的具有合適參數(shù)的補償電抗器連接在每組并聯(lián)電抗器的中性點和地之間,可以有效地將潛供電流降低一個數(shù)量級。采用以下措施以降低1 150kV線路的操作過電壓:并聯(lián)電抗器確保達到100%的補償;在每組并聯(lián)電抗器的中性點與地之間連接補償電抗器;在斷路器動作時,合上并聯(lián)電阻;另外,在線路端部安裝氧化鋅避雷器。1 150kV線路是采用統(tǒng)計的方法來進行

12、絕緣配合的。1.1.41 150kV的雷電性能1 150kV輸電線路的防雷設計已從超高壓輸電線路的雷電特性中吸取了許多有益的經(jīng)驗。一方面,1 150kV線路的反擊耐雷水平很高,可以承受高達250kA的沖擊電流,所以,當雷擊桿塔或避雷線時,不會對線路造成威脅。另一方面,當雷繞擊導線時,2030kA的雷電沖擊電流就可能造成威脅。為了研究1 150kV線路的雷電特性以及雷擊跳閘的概率,對于雷電日、桿塔上雷電流的測量、雷擊線路的位置等的綜合性研究從1985年就已經(jīng)開始了。現(xiàn)已得出了很多有用的結(jié)論。確定出每百公里·年的雷擊次數(shù)為0.5;在1989年和1990年,實測雷擊跳閘的次數(shù)為0.3和0.

13、4。主要是由繞擊導線引起的跳閘。1.1.5絕緣子串電壓分布為了用試驗方法來檢查設計上使用不同懸式絕緣子時絕緣子串的分布電壓,以及為了將計算和測量的數(shù)據(jù)作一比較,建造了一個與真塔尺寸相同,具有邊相和中相絕緣子串及模擬導線的實體模型;單片絕緣子上的電壓U1是通過在絕緣子內(nèi)部的一個專用的光傳感器直接在絕緣子串的測量中得到的。對30個絕緣子串所測得的電壓分布證明,計算值和測量值相當一致。從絕緣子串上U1的計算值可以看出,在干燥的天氣條件下,中相采用單串PS-400A型絕緣子的1 150kV交流輸電線路的V型串中,靠近導線第一片絕緣子上的最大電壓可以達到40kV。對于采用單串PS-300K型絕緣子串的邊

14、相,這一值不會超過32kV,這是因為第一片絕緣子在分裂導線內(nèi)。在邊相和中相都使用雙絕緣子串的1 150kV輸電線路中,絕緣子的最大分布電壓值也不會超過35kV,這時靠近導線的第一片絕緣子是在分裂導線的上方。計算和測量的數(shù)據(jù)都表明,盡管最接近導線的絕緣子(中相和邊相分別使用2×PS-210B型或2×PS-300K型)上的U1值略高于這些型號絕緣子的無線電干擾電壓允許值,實質(zhì)上絕緣子串上的整體無線電干擾水平并不影響由導線電暈所確定的1 150kV線路上的整體干擾水平。為了確定分布電壓的允許值,在各種天氣條件下使用戶外試驗裝置對1 150kV交流線路中所有絕緣子組成的絕緣子串進行

15、了長期的測量。由測量結(jié)果得出結(jié)論:設計定出的U1值是可以接受的。1.1.61 150kV線路和開關站的電磁環(huán)境影響通過已投入運行的1 150kV輸電線路來研究他們對環(huán)境的影響。例如輸電線路與變電站中的無線電干擾水平、輸電線路信道與變電站中的電場、變電站中操作臺上的感應電流等。在運行的初始階段,由1 150kV輸電線路和變電站產(chǎn)生的無線電干擾水平超過了規(guī)定水平。運行一年之后,導線上的毛刺減少,線路產(chǎn)生的無線電干擾水平降低了56dB。在變電站內(nèi),對母線(尤其是在他們的交匯處)和裝置的屏蔽改進等設計工作仍在繼續(xù)。電場的測量結(jié)果可以用來繪制戶外開關裝置的場強分布區(qū)域。選擇日常巡視路徑來進行測量,要求該

16、路徑的場強在5kV/m以下。對于場強大而工作人員又要經(jīng)常去的地方,可以加裝保護屏和保護罩。為了保持輸電線路正下方地面場強的最大值E1在原蘇聯(lián)安全規(guī)范給出的15kV/m(距地面1.8m,溫度32)之內(nèi),增加了導線的對地高度,這導致在線路上的投資增加了6%。由原蘇聯(lián)所確定的線路信道(限制進入?yún)^(qū)域)邊界為距離輸電線路軸線80±5m,這一值是根據(jù)計算和測量結(jié)果并按照場強值E1不大于1kV/m來確定的。對人體健康可能造成的傷害是,當人與大型農(nóng)用車輛(如聯(lián)合收割機)接觸時電流持續(xù)地通過人體,而如果此時車輛正好處于輸電線路下電場最高(E1=15kV/m)的不同位置,則由測量和計算(計算流過人體電流

17、的等效電路見圖5)結(jié)果可以看出,在這種情況下,通過人體的電流不會超過5mA,這一值低于擺脫電流(女性6 mA,男性9mA)。對于橫跨公路路面的1 150kV輸電線路,考慮到可能出現(xiàn)的對車輛(干的柏油路面)和行人(路邊)的不利情況,要求場強值E1應低于10kV/m。圖5計算流過人體電流的等效電路1.1.71 150kV線路的改進設計對工程初期使用的1 150kV塔已進行了改進,通過采用更高的塔(50m)和更大的檔距(475525m取代385425m),使每公里線路節(jié)約了10%的鋼材和在施工工程中節(jié)省了15%20%的費用。除了改進現(xiàn)有的塔外,在將來的1 150kV線路中使用新型塔在技術和經(jīng)濟上是可

18、行的。例如,在農(nóng)田和人煙稀少的地區(qū),可以采用拉索塔,這可在鋼材上節(jié)省25%。這種塔已經(jīng)設計、制造并通過了測試。建設具有高自然輸送功率的1 150kV線路是可能的。最初設計的1 150kV線路具有5.5GW的自然輸送功率,新項目設想為具有7GW、9GW的自然輸送功率。設計中的分裂導線數(shù)將1.2.1試驗研究領域試驗研究領域有: 加速老化試驗,以確定電器設備的可靠性及使用壽命; 在工業(yè)區(qū)及自然污染區(qū)劃分外絕緣的污區(qū)分布圖; 各種電壓等級的線路和變電站的外絕緣設計研究及材料的選擇; 6220kV線路和變電站的升壓改造; 森林地區(qū)特殊線路及具有特殊環(huán)境要求的變電站及線路的設計; 便攜式儀器、儀表的研制、

19、開發(fā); 高壓電力設備的檢測。1.2.2交、直流試驗設施直流研究院的實驗設備和裝置包括:1 150kV AC和1 500kVDC試驗線段;沖擊電壓發(fā)生器(4 0005 000kV);直流電壓發(fā)生器(1 500kV);串級試驗變壓器(3×600kV);雙極沖擊電壓發(fā)生器(±1 600kV);工頻試驗變壓器(750kV,1 500kVA和500kV,3 000kVA);直流發(fā)生器(1 000 kV,0.3A和500kV,0.3A);變壓器(333kV,333kVA);變壓器(70kV,300kVA);變壓器(35kV,1 600kVA)。(1) 高壓試驗大廳。大廳內(nèi)有交流750k

20、V,1 500kVA與500kV、3 000kVA雙套管式工頻試驗變壓器和4 000kV沖擊電壓發(fā)生器、直流電壓發(fā)生器等實驗設備,還有沖擊電流發(fā)生器,可產(chǎn)生40 kA(8/20s,1/4s),100 kA(4/10s),3.5kA(40/80s,1.2/2.5s),2kA(2 000s)的沖擊電流。大廳內(nèi)還可試長15m的500kV電纜。(2) 戶外試驗場。設有3×600kV,2 000kVA串級工頻設備;5 000kV,800kJ沖擊電壓發(fā)生器,罩在圓絕緣筒內(nèi);±1 200kV,500mA直流發(fā)生器,由400kV,3.5A 工頻變壓器充電。對工頻試驗變壓器可以加電容器對低壓

21、繞組放電產(chǎn)生長波頭操作沖擊以及用5 000kV沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生正負操作沖擊作正、負極性間隙放電試驗。全場有十幾根固定在鋼支架上支撐高壓引線的絕緣子柱,每個絕緣子柱由9根110kV支柱組成,上3根為細的,下6根為粗的,這樣可以方便的引出各種高壓。有3座試驗鐵塔,試驗線路長700m。曾作過1 150kV AC,±750kV DC輸電線路的整套試驗。(3) 電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗室。有80臺容量分別為1kVA、1.5kVA、5kVA、10kVA、15kVA、30 kVA的同步發(fā)電機,速率從1 0003 000r/min,電壓230V,可改變X、Xd、Xd、Td等參數(shù)進行各種試驗,可進行AC

22、、DC線路模擬等。1.2.3主要試驗項目 絕緣試驗:a. 沖擊試驗(沖擊電壓發(fā)生器5 000kV,800kJ和4 000kV,640kJ),試驗數(shù)據(jù)見表1;b. 直流實驗,試驗數(shù)據(jù)見表2。 高壓電纜試驗,試驗數(shù)據(jù)見表3。 污穢試驗,玻璃絕緣子等污穢試驗數(shù)據(jù)見表4。 高壓電器設備的試驗:交流電壓750kV,1 500kVA;500kV,3 000kVA。直流電壓 1 000kV,0.3A;500kV,0.3A。表1沖擊試驗數(shù)據(jù)沖擊試驗最大電壓或電流備注雷電沖擊3 200kV(室內(nèi);室外)1.2/50s;0.5/50s操作沖擊(干態(tài))2 500kV(室內(nèi);室外)250/2 500s;50/1 00

23、0s1 000/10 000s沖擊電流40kA100kA3.5kA2kA8/20s;1/4s4/10s40/80 s;1.2/2.5ms2 000s表2直流試驗數(shù)據(jù)直流試驗最大電壓或電流備注干態(tài)試驗1 000kV;+1 200kV,500mA(戶外);-1 200kV,500mA他是2個獨立的1 200kV系統(tǒng)濕試驗1 000kV 局部放電和RIV測試600kV 電容和tg測試600kV 表3高壓電纜試驗數(shù)據(jù)高壓電纜試驗最大電壓或電流高壓電纜試驗最大電壓或電流負荷循環(huán)1 500A雷電沖擊3 200kV交流電壓600kV操作沖擊2 500kV直流電壓1 200kV&

24、#160; 表4玻璃絕緣子、瓷絕緣子、合成絕緣子、氧化鋅避雷器的人工和自然污穢試驗數(shù)據(jù) 標準最大交流電壓/kV最大直流電壓/kV清潔霧IEC507;IEC1245600800鹽霧IEC507;IEC1245300300         2烏克蘭扎布洛熱變壓器研究所(VIT)扎布洛熱變壓器研究所是全世界最大的變壓器研究所。該所部分技術已轉(zhuǎn)讓到德國西門子、中國、南韓等國家。VIT主要工作范圍有:開展科研工作;設計工作;軟件工作;開發(fā)新產(chǎn)品,設計工裝設備及研究生產(chǎn)工藝;制造樣品和少量產(chǎn)品;電氣設備試驗

25、;修理復雜的電氣設備;研究并提出國家標準;在全烏克蘭認證產(chǎn)品;咨詢服務。VIT進行過的重要產(chǎn)品開發(fā)、試驗有:DC±750kV、320MVA的變壓器,平波電抗器,隔離開關;750 kV并聯(lián)電抗器;667MVA,1 150/500kV自耦變壓器模型;1 800/500kV自耦變壓器模型;7501 800kV套管;DC 600kV脈沖裝置;220500kV中性點套管;干式變壓器環(huán)境試驗容量到1 600kVA;750kV及以下電磁式電流互感器;500kV及以下電磁式電壓互感器;HDE750 kV電容式電壓互感器。2.1高壓大廳大廳內(nèi)試驗設備有3×750kV、4A工頻串級變壓器;外有

26、一*立750kV工頻變壓器;2 500kV、200mA直流電壓發(fā)生器;8 100kV、1 150kJ沖擊電壓發(fā)生器(27級×300kV)。還有一臺專用直流疊加工頻合成試驗設備。此外,還有1 100kV、350kVA AC SF6沖擊裝置與1000kV、3000kV DC沖擊裝置;330kV SF6 移動式試驗車,可充4個氣壓的SF6設備;1 000kV SF6TA與CVT。2.2其他實驗室VIT還擁下列實驗室:線圈及變壓器短路試驗間,短路容量6.3MVA;引線短路機械強度試驗間,短路電流20kA;防噪聲試驗間,容積4×5×6 m3,可試1 600kVA變壓器;冷卻

27、器試驗室,內(nèi)有2.5×3 m(H)的油箱,610kW電加熱器,風、水冷卻器,試驗容量可到600kW,并配有多探頭測溫裝置;風洞試驗間,試驗風冷卻器的冷卻效果,可將冷卻器裝在2.5×2.5m2的方框內(nèi),由約為1m的風管通風試驗;有載分接開關試驗室,參觀中見到一臺分接開關的試驗,試驗滅弧性能(加電阻),減少電流無弧過渡與不加電阻有弧過渡,二者電氣壽命由2萬次升高到20萬次;漏磁及局部過熱試驗室,參觀中見到了一臺模型變壓器器身,有上百個傳感器測漏磁分布;振動試驗室,實驗臺面積約2×3m2,可承重5t,可試水平與垂直地震烈度110級(分別加);大型高、低溫試驗間,有數(shù)間,

28、可同時作數(shù)臺試品的高低溫實驗,其低溫可達-60。2.3前蘇聯(lián)變壓器發(fā)展情況1963年與1967年分別研制出750kV與1 150kV電壓等級變壓器模型。1986年試制過1 800kV級變壓器模型。20世紀70年代已做出了單相417MVA/1 150kV、三相1 000MVA/500kV的變壓器,80年代做出單相667MVA/1 150kV與3相1 250MVA/330kV的變壓器。2.4根據(jù)運行經(jīng)驗對變壓器設計和工藝的改進19551990年,工廠生產(chǎn)的電力變壓器參數(shù)有了大幅度提高,電壓從220kV提高到1 150kV,三相變壓器的容量從240MVA提高到1 250MVA,單相變壓器的容量從25

29、0MVA提高到667MVA。通過運行事故的反饋,VIT對一系列課題作了深入研究,取得了很好的改進效果。在此基礎上,系統(tǒng)地開發(fā)了變壓器的計算機輔助設計程序。經(jīng)過多年科研,取得了顯著的成效,其在系統(tǒng)運行的240臺750kV電力變壓器,近15年無一臺發(fā)生事故,可靠性達到了極高的程度。前蘇聯(lián)各級電壓變壓器的絕緣水平詳見表5,變壓器事故率的統(tǒng)計結(jié)果見表6。表5前蘇聯(lián)各級電壓變壓器絕緣水平 額定電壓等級/kV最大工作電壓/kV工 頻/kV雷 電/kV操作沖擊/kV 1 min 連續(xù)均勻升壓全波截波1 800*    3 200 3 2002 6001 1501 20

30、01 1009001 3002 5502 8002 1007507878006351 0002 100/1 800*2 250/1 9501 550/1 425500525630/570340 1 650/1 4001 650/1 4001 230/1 050400420570295 1 40014001 050330363460/395- 1 150/1 0501 150/1 050950/8503540.585- 220220-202455- 165165-1517545- 120120-750中性點 85- -注: *為模型試驗電壓; *以下的數(shù)據(jù)代表有ZnO避雷器保護。表6前蘇聯(lián)各級電壓變壓器事故         5超、特

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