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毕业设计论文示例
毕业设计说明书
110kVXX线路保护二次施工设计
学生姓名:
XXX
班级学号:
院、系、部:
专业:
电气工程及其自动化(继电保护)
指导教师:
合作指导教师:
2010年05月南京
摘要
刀闸防误问题直接关系到电力系统运行的安全,以往由操作票制度以及电气接线控制,目前我国电力系统已经大量采用微机化的测控设备增强防误操作能力。
随着计算机、网络技术在电力系统控制方面的广泛运用,目前江苏省新建变电站均已实现变电站综合自动化。
微机型测控装置是变电站综合自动化系统中1个关键的设备,起到联系二次与三次部分,上传数据、信号,下传控制命令的作用,同时测控装置也具有刀闸防误操作、闭锁的功能。
本课题引导学生复习、总结变电站综合自动化技术、继电保护等专业知识;剖析1套完整的现场二次施工图;针对一些实际设备,尝试根据江苏省电力设计院设计原则,进行110kV线路保护二次回路施工图设计;使学生对变电站综合自动化系统,特别是二次部分,有一定具体的工程应用能力。
关键词保护,一次设备,二次接线,设计
Abstract
1绪论
刀闸防误问题直接关系到电力系统运行的安全,以往由操作票制度以及电气接线控制,目前我国电力系统已经大量采用微机化的测控设备增强防误操作能力。
随着计算机、网络技术在电力系统控制方面的广泛运用,目前江苏省新建变电站均已实现变电站综合自动化。
微机型测控装置是变电站综合自动化系统中1个关键的设备,起到联系二次与三次部分,上传数据、信号,下传控制命令的作用,同时测控装置也具有刀闸防误操作、闭锁的功能。
本课题引导学生复习、总结变电站综合自动化技术、继电保护等专业知识;剖析1套完整的现场二次施工图;针对一些实际设备,尝试根据江苏省电力设计院设计原则,进行110kV线路保护二次回路施工图设计;使学生对变电站综合自动化系统,特别是二次部分,有一定具体的工程应用能力。
本次毕业设计的目的是熟悉刀闸防误问题,掌握相关的保护原理和操作规程,学习刀闸防误操作逻辑与实现,学习微机测控装置功能与外部联系,二次系统设备配置与各回路功能及实现。
按照变电所综合自动化要求进行线路保护二次接线设计,完成如下回路图的设计:
交流电压、电流回路接线图,控制回路接线图,信号回路接线图,采用合理的刀闸防误方式并完成防误接线原理图。
同时加强对各厂家的保护柜、测控柜、断路器及隔离刀闸的原理的理解。
本次设计针对当前江苏省电力公司设计主流方案,完全使用实际应用的设备厂家技术资料进行施工图的设计,在设计过程中涉及到的厂商资料来自西门子、南瑞、中德等公司的相关设备。
本次毕业设计任务刀闸防误问题。
采用变电站综合自动化方案,变电站可以实现无人值守运行。
断路器及隔离刀闸可以在监控后台或调度中心发令合、分闸操作,接地刀闸为手动机构,现场操作。
远方操作时断路器防跳方式为保护操作箱防跳,就地操作时采用断路器机构防跳。
隔离刀闸采用电动机构,由测控柜、电器防误装置、电气接点构成防误闭锁。
在设计过程中重点理解各设备之间的联系、控制回路和信号回路,并找出相应的端子完成设备之间的互联,最终得到完整的二次接线图。
相应的CAD图纸中包括交流电压电流回路图、断路器控制回路图、信号回路图和刀闸防误回路图,同时给出了详尽的端子标号和互联关系示意。
2220kV变电所的一次设备及其控制
2.1主接线及其选择
电气主接线是由电气电气设备通过连接线,按其功能要求组成接受和分配电能的电路,成为传输强电流、高电压的网络,故又称为一次接线或电气主系统。
主接线代表了发电厂或变电站电气部分的主体结构,是电力系统网络结构的重要组成部分,直接影响运行的可靠性、灵活性,并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。
因此,主接线的正确、合理设计,必须综合处理各个方面的因素,经过技术、经济论证比较后方可确定。
2.1.1对电气主接线的基本要求
对电气主接线的基本要求,概括地说应包括可靠性、灵活性和经济性三方面:
(1)可靠性。
安全可靠是电路生产的首要任务,保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。
停电不仅给发电厂造成损失,而且给国民经济各部门带来的损失将更加严重。
但是电气主接线的可靠性不是绝对的。
同样形式的主接线对某些发电厂和变电站来说是可靠的,而对另外一些发电厂和变电站则不一定能满足可靠性要求。
所以在分析电气主接线的可靠性时,要考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。
(2)灵活性。
电气主接线应能适应各种运行状态,并能灵活地进行运行方式的切换。
灵活性包括以下几个方面:
操作的方便性、调度的方便性和扩建的方便性。
(3)经济性。
在设计主接线时,主要矛盾往往发生在可靠性和经济性之间。
通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。
经济性主要包括以下几个方面:
节省一次投资、占地面积少和电能损耗少。
2.1.2主接线的基本接线形式
主接线的基本形式,就是主要电气设备常用的几种连接方式,它以电源和出线为主体。
由于各个发电厂或变电站的出线回路数和电源数不同,而且每路馈线所传输的功率也不一样,因而为便于电能的汇集和分配,在进出线较多时(一般超过4回),采用母线作为中间环节,可使接线简单清晰,运行方便,有利于安装和扩建。
而与有母线的接线相比,无汇流母线的接线使用电气设备较少,配电装置占地面积较小,通常用于进出线回路少,不再扩建和发展的发电厂或变电站。
有汇流母线的接线形式可概括地分为单母线接线(及单母线分段接线)和双母线接线(及双母线分段接线)两大类。
2.1.3本次设计所用的主接线
本次110kV715线路保护二次线设计中的电气主接线采用一般双母线接线。
一般双母线接线方式如图2.1所示,特点如下:
(1)一般在正常运行时,线路均分在两组母线上,以固定的连接方式运行。
其供电可靠性表现在检修任一母线时,可以利用母线把该母线上的全部回路倒换到另一组母线上,不会中断供电。
(2)检修任一回路的母线开关时,只需停该回路与隔离开关相连的母线。
任一母线发生故障时,可将所有连接于该母线的线路倒换到正常母线上使装置迅速恢复工作。
且一般的双母接线运行方式灵活,可采用两组母线并列运行方式,两组母线分裂运行方式,一组母线工作,另一组母线备用的运行方式。
多采用地一种方式,因母线故障时可缩小停电范围,且两组母线的负荷可以调配。
(3)该电气主接线方式投资较小。
满足电气主接线方式“可靠,灵活,经济”的要求,适用于本次设计。
图2.1一般双母线接线方式
一次系统主要一次设备有断路器、2把母线侧刀闸、1把出线侧刀闸、3把接地刀闸、5组电流互感器、线路电压互感器,如图2.2所示。
图2.2一次系统示意图
2.2刀闸
2.2.1刀闸的分类
隔离开关的种类和型式很多,按照装设地点可分为户内式和户外式;按产品组装极数可分为单极式(每级单独装于一个底座上)和三极式(三极装于同一底座上);按每极绝缘支柱数目可分为单柱式、双柱式、三柱式等等。
2.2.2隔离开关的作用
高压隔离开关的主要功能是保证高压电器及装置在检修工作时的安全,不能用于切断、投入负荷电流或开断短路电流,仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换条件。
隔离开关没有灭弧装置,不能用来接通和断开负荷电流和短路电流,一般只能在电路断开的情况下才能操作。
隔离开关的主要作用是:
(1)在检修电气设备时用来隔离电压,使检修的设备与带电部分之间有明显可见的断口;
(2)在改变设备状态(运行、备用、检修)时用来配合断路器协同完成倒闸操作;
(3)用来分、合小电流,可用来分、合电压互感器、避雷器和空载母线,分合励磁电流不超过2A的空载变压器,关合电容电流不超过5A的空载线路;(4)隔离开关的接地开关可替代接地线,保证检修工作安全。
2.2.3隔离开关的控制电路
隔离开关的操作机构一般有气动、电动和电动液压操作三种形式,相应的控制电路也有三种类型,分别是气动操作电路、电动操作电路和电动液压操作电路。
隔离开关控制电路构成原则:
(1)由于隔离开关没有灭弧机构,不允许用来切断和接通负载电流,因此控制电路必须受相应断路器的闭锁,以保证断路器在合闸状态下,不能操作隔离开关(断路器位置信息要送入隔离开关)。
(2)为防止带接地合闸,控制回路必须受接地开关的闭锁,以保证接地开关在合闸状态下,不能操作隔离开关。
(3)操作脉冲应是短时的,在完成操作后,应能自动解除。
本次设计隔离开关采用的是阿尔斯通的CS600型电动机构,接地刀闸采用CS100手动机构。
2.2.4接地刀闸
按照“安规”的规定,电气设备检修时,必须进行接地,一般情况是挂“接地线”。
有些地方挂接地线不方便,有些地方经常挂接地线也不方便,且挂接的地线无法和电气设备进行连锁,常会误操作,出现“带地线送电”的恶性事故,于是就将临时挂接的地线改为固定安装的接地刀闸,一般有机械闭锁功能,或和隔离开关“连动”。
接地刀闸一般在投入运行(送电)前拉开,在停运(检修)时投入。
我们可以看出对于接地刀闸、隔离刀闸本身的各种闭锁功能而言,它们只是避免误操作的一个重要手段,但并不是杜绝误操作的全部手段,所以,在对于隔离刀闸和接地刀闸的闭锁功能有所认识的前提下,必须加强倒闸操作的严格管理,从制度和管理上堵住误操作的源头,严格按照操作票管理规定进行操作,才能真正做到杜绝误操作。
本次设计采用的是阿尔斯通公司的CS100型手动机构,采用电磁锁防误,即在满足手动操作要求时,电磁锁解锁,可以对地刀进行操作。
2.2.5五防”及其实现方式
“五防”是指:
(1)防止带负荷分、合隔离开关:
以免产生电弧,烧坏隔离开关。
(2)防止带电挂地线:
一般情况是检修完毕后忘记解除挂地线,直接把电流导入大地,对人身产生生命危险。
(3)防止带地线合闸:
接地线在检修时合开关,导致电流导入大地,对人身产生生命危险。
(4)防止误合、误分断路器
(5)防止误入带电间隔等电气误操作事故。
“五防”的实现:
断路器在遥控时的逻辑(在测控柜内利用软件实现);隔离开关、接地刀闸的操作可以采用测控柜的软件逻辑实现、硬接点逻辑实现、软件逻辑与硬接点结合实现。
针对五防措施中的
(1)
(2)(3)条,可以采用图2.5的操作逻辑:
图2.5刀闸操作逻辑
2.3断路器
2.3.1断路器的分类
高压断路器是电力系统最重要的控制和保护设备,是开关电器中最为完善的一种设备。
高压断路器按安装地点可分为户内型和户外型两种;按灭弧介质及灭弧原理可分为六氟化硫断路器、真空断路器、少油断路器、多油断路器、空气断路器等。
2.3.2断路器的作用
高压短路器是开关电器中最为完善的一种设备,其最大的特点是能断开电器中负荷电流和短路电路。
断路器主要作用是:
(1)正常运行倒换运行方式,把设备线路接入电网或退出运行,起着控制作用;
(2)当设备或线路发生故障时,能快速切除故障回路,保证无故障部分正常运行,起着保护作用;
(3)实现闭锁,如SF6气压降低闭锁、跳跃闭锁(防跳)、弹簧未储能闭锁;
(4)输出相关信息(以接点形式),如SF6气压降低、弹簧未储能、远方/就地控制等。
2.3.3断路器的控制方式和操作机构
2.3.3.1断路器的控制方式
(1)按照对断路器的控制可分为一对一控制和一对N选线控制。
一对一控制是利用一个控制开关控制一台断路器,一般适用于重要且操作机会少的设备,如发电机、调相机、变压器等。
一对N选线控制是利用一个控制开关,通过选择控制多台断路器,一般适用于馈线较多、接线、要求基本相同的高压和厂用馈线。
(2)按其操作电源的不同,控制方式可以分为强电控制和弱电控制。
强电控制电压一般为110V或220V,弱电控制电压为48V及以下。
本次设计用的断路器的操作电源是直流220V。
(3)按其控制地点的不同,可以分为就地控制和远方控制。
就地控制是指控制开关或按钮安装在装有断路器的高压开关柜上,操作人员就地进行手动操作控制。
这种控制方式一般适用于不重要的设备,如6—10kV的馈线、厂用电动机等。
远方控制是将控制开关或按钮安装在离操作对象几十米、几百米的主控制室屏上,通过控制电缆对断路器进行操作控制,或在几十乃至上千千米的远方电力调度室,通过远动设备、通信设备对发电厂和变电站内的断路器进行远方控制,这种控制方式又称为遥控。
2.3.3.2断路器的操作机构
断路器的操作机构是断路器本身附带的合、跳闸传动装置,用来是断路器合闸或维持闭合状态,或是断路器跳闸。
在操作机构中均设有合闸机构、维持机构和跳闸机构。
由于动力来源的不同,操作机构可以分为电磁操作机构、弹簧操作机构、液压操作机构、电动机操作机构、气动操作机构等。
其中应用较广的是弹簧操作机构和液压操作机构。
本设计采用的断路器配置双跳圈、三相操作。
本设计选用的西门子3AP1-FG型断路器采用的是弹簧操动机构。
2.3.4断路器控制回路的基本要求
断路器的控制回路应满足下列要求:
(1)断路器操作机构中的合、跳闸线圈是按短时通电设计的,故在合、跳闸完成后应自动解除命令脉冲,切断合、跳闸回路,以防合、跳闸线圈长时间通电、
(2)合、跳闸回路电流脉冲一般应直接作用于断路器的合、跳闸线圈,但对电磁操作机构,合闸线圈电流很大(35—250A左右),需通过合闸接触器接通合闸线圈。
(3)无论断路器是否带有机械闭锁,都应具有防止多次合、跳闸的电气防跳措施。
(4)断路器既可以利用控制开关进行手动跳闸与合闸,也可以由继电保护和自动装置进行自动跳闸与合闸。
(5)应能监视控制电源及合、跳闸回路的完好性,应对二次回路短路或过负载进行保护。
(6)应有反映断路器状态的位置信号。
(7)对于采用气压、液压、弹簧操作机构和SF6断路器,应有压力是否正常、弹簧是否拉紧到位的监视回路和闭锁回路。
(8)对于分相操作的断路器,应有监视三相位置是否一致的措施。
(9)接线应简单可靠,使用电缆芯数应尽量少。
2.3.5断路器控制的基本回路
2.3.5.1合闸回路
图2.3合闸回路示意图
(1)远方操作
S8切换至远方位置,可以实现远方操作。
远方合闸继电器动作,常开接点,X1:
610(保护命令)—S1常闭接点—Y1—K10常开接点构成通路,实现远方合闸。
(2)就地操作
S8切换至就地位置,可以实现就地合闸。
就地合闸继电器的常开接点闭合,X1:
612—S1常闭接点—YI—K10常开接点构成通路,实现就地合闸。
(3)防跳回路
所谓“跳跃”,是指断路器在手动或自动装置动作合闸后,如果操作控制开关SA未复归或,而外界正好处在短路工作状态,即故障状态,此时保护动作使断路器跳闸,由于合闸回路仍接通,断路器再次合闸。
如果没有防跳继电器,断路器会不断分闸、合闸,造成断路器跳跃现象。
防跳措施有断路器本体防跳和操作箱防跳。
(1)断路器本体防跳:
当出现合闸接点粘连或者控制开关未复归时,断路器机构箱防跳装置K7LA动作,合闸总闭锁继电器的常开接点断开,实现防跳功能。
(2)操作箱防跳:
防跳继电器在保护的操作箱内,跳跃闭锁继电器串联接入合闸回路,当出现“跳跃”现象时,跳跃闭锁继电器动作,断开合闸回路,实现防跳功能。
参照图3.3。
2.3.5.2分闸回路
图2.4分闸回路示意图
(1)就地操作
按下就地分闸按钮S3,X1:
591—S1常开接点—Y3—K10常开接点接通,实现就地分闸。
(2)远方操作
X1:
632(保护命令)—S1常开接点—Y3—K10常开接点接通,实现远方分闸。
2.3.5.3自检闭锁、报警回路
对SF6压力、液压压力、合闸弹簧储能状态进行检测,以接点形式输出,有的接点直接串在合闸、分闸回路中构成闭锁条件,有的接点则以空接点形式送至监控系统发出信息或送至保护柜操作箱闭锁重合闸(如压力降低闭锁重合闸)。
3AP1-FG型断路器包含的此类回路有:
SF6泄露闭锁、合闸压力闭锁、自动重合闸闭锁等。
2.3.5.4操作电源回路
操作电源回路包括储能电机、照明、加热除湿以及插座供电回路,一般电源使用电缆从断路器端子箱引入,操作电源回路设有保护开关(一般为空气断路器)。
因故障导致操作电源回路空气断路器跳闸后也可发出报警信号。
2.3.5.5开关信息量输出回路
除了断路器异常工况需要由空接点输出报警信息,断路器的正常工况(如断路器合闸、分闸位置,远方/就地控制)也需要送至监控系统,另外隔离刀闸闭锁逻辑构成也需要断路器辅助接点。
2.4互感器
互感器是一次系统和二次系统间的联络元件,属于特种变压器,用以分别向测量仪表、继电器的电流和电压线圈、继电保护及自动化装置等供给电源信号,实现电力系统的主要运行参数的监测,作用具体体现在如下几方面:
(1)将一次回路的高电压和大电流变换成二次回路标准的低电压、小电流。
使测量仪表和继电保护装置标准化、小型化,二次设备的绝缘水平按低电压统一的标准进行设计,以降低成本和价格,而且使用方便。
(2)使二次回路可采用低电压、小电流控制电缆,实现远方测量和控制。
(3)使二次回路不受一次回路限制,接线灵活,维护、调试方便。
(4)使二次回路与高压部分隔离,且互感器二次侧均接地,从而保证设备和人身安全。
2.4.1电流互感器
电流互感器将一次侧的大电流变为二次侧的小电流。
电流互感器一次绕组额定电流等级有10、30、75、200、500、1000、2000、5000、10000、15000、20000A,二次绕组额定电流为5A或1A。
2.4.1.1电流互感器的准确级
电流互感器的准确级。
电流互感器根据测量时误差的大小可以划分为不同的准确级。
准确级是指在规定的二次负荷变化范围内,一次电流为额定值时的最大电流误差。
电流互感器的准确级有0.2、0.5、1、3
保护用准确级。
保护用电流互感器按用途可分为稳态保护用(P)和暂态保护用(TP)两类。
稳态保护电流互感器的准确级有5P、10P,其中5和10的含义是在额定准确限值一次电流下复合误差5%和10%。
暂态用电流互感器的准确级分为TPX、TPY、TPZ三个级别。
2.4.1.2电流互感器的配置
(1)电流互感器二次绕组的数量与等级应满足继电保护自动装置和测量表计的要求。
(2)用于保护装置时,应消除主保护的不保护区。
保护接入电流互感器二次绕组的分配,应注意避免当某一线路的保护停用而线路继续运行时,出现电流互感器内部故障时的保护死区。
(3)对中性点直接接地系统,电流互感器应采用三相式(三相都装电流互感器),以取得零序电流;对中性点非直接接地系统,一般为两相式(装于A、C两相上)以保护相间短路,对重要回路(如发电机),为防止两点异相接地或需提高灵敏度时,则电流互感器可为三相式。
本次毕业设计采用了5组电流互感器分别用到微机保护1(PRC31-02)、微机保护2(GCSC103B-102)母线保护,故障录波,计量、测量,如下图所示,其中测量选用TA的准确级为0.5,计量选用TA的准确级为0.2。
图2.6电流互感器配置示意图
2.4.2电压互感器
电压互感器将一次侧的大电压变为二次侧的小电压。
电压电压互感器的一次绕组额定电压有3、6、20、35、110、220、500kV各级,电压二次绕组分主二次绕组及辅助二次绕组两类,即主二次绕组的额定电压是按下述原则设计的:
一次绕组接于线电压时,二次绕组额定电压为100V;一次线路接于相电压时,二次绕组的额定电压为
。
辅助二次绕组的额定电压按下列原则设计:
中性点直接接地的系统中,二次绕组额定电压为100V;中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中,二次绕组额定电压为100/3V。
2.4.2.1电压互感器的准确级
电压互感器的准确级是根据测量时电压误差的大小来划分的。
准确级是指在规定的一次二次电压和二次负荷变化范围内,负荷引述为额定值时,最大电压误差的百分数。
我国电压互感器的准确级有0.2、0.5、1、3、3P和6P,其中3P和6P为保护级。
2.4.2.2电压互感器的配置
本次设计为220kV变电所,选用4绕组型电压互感器。
在3绕组的情况下,其中一个主二次绕组接成星型,供测量仪表和继电保护回路用;在4绕组情况下,两个主二次绕组接成星型,一个供计量,一个供继电保护和测量使用;三次电压绕组接成开口三角形,供接地保护用。
二次电压由TV送入保护室内的TV重动并列柜,接至电压小母线。
由电压小母线送至相关的保护柜。
可参照图4.1。
保护用母线电压,如果是双电源线路,另外应配置线路TV。
不是因为线路有电压保护才配线路TV,线路电压用于检无压、检同期重合闸以及线路侧接地刀闸的防误操作。
线路电压互感器的作用:
主要是为了线路开关重合闸检查同期的时候抽取电压信号。
3.110kV线路保护的二次配置
3.1110kV电网线路保护配置要求
3.1.1概述
电网继电保护和安全自动装置是电力系统的重要组成部分,对保证电力系统的安全经济运行、防止事故发生或扩大起重大作用。
电网继电保护设计应满足电力系统对于继电保护装置的“四性”要求,即可靠性、选择性、灵敏性和速动性,其中可靠性是四性的前提,在拟制、配置和维护继电保护装置时,都必须满足可靠性的要求。
我国除个别110kV和154kV地区电网外,其余110kV及以上电压等级电网均属于中性点直接接地电网,应装设防御单相和多相短路与接地的保护。
线路保护由主保护和后备保护构成。
主保护对于被保护线路全线任何地点的任何故障都能瞬时有选择性地切除。
后备保护分为远后备和近后备两类,当技术上满足要求时,优先采用远后备以简化保护。
主保护与后备保护的连接方式应根据线路总要程度决定,对于重要的220kV线路保护构成上应采用双重化措施,保护双重化不仅在电气回路中要求独立,在构成原理上也应该尽可能不同。
在确定电网继电保护方案的具体设计中,一般要考虑如下的问题:
电网电压等级、中性点接地方式、电网结构方式、电网对有选择性切除故障时间的要求、故障类型及概率、电网的事故教训和运行经验、继电保护装置产品性能与供货状况、保护的灵活性等。
3.1.2110kV线路保护配置
按照DL400-91规程配置,以下为节选规程内容:
2.2.1采用远后备的后备保护
2.2.2110kV中性点直接接地电力网中的线路或110kV直接接地电力网的线路,线路采用反应相间短路和接地短路的保护。
如果按照要求选择安装全线速动保护,安装的条件:
a.根据系统稳定要求有必要时;
b.线路发生三相短路,如使发电厂厂用母线电压低于允许值(一般约为70%额定电压),且其他保护不能无时限和有选择地切除短路时;
c.如电力网的某些主要线路采用全线速动保护后,不仅改善本线路保护性能,而且能够改善整个电网保护的性能。
2.3对于接地短路,应按下列规定之一装设保护。
2.3.1宜装设阶段式或反时限零序电流保护。
2.3.2可采用接地距离保护,并辅之以阶段式或反时限零序电流保护。
2.3.3符合安装全线速断保护装置规定的,除装设全线速动保护外,还应双侧电源线路宜装设距离保护,并且正常运行方式下,保护安装处短路,电流速断保护的灵敏系数在1.2以上时,可装设电流速断保护作为辅助保护;,装设接地后备保护。
2.4对相间短路,应按下列规定装设保护装置。
2.4.1单侧电源单回线路,可装设三相电流电压保护,如不能满足要求,则装设距离保护;
2.4.2双侧电源线路宜装设距离保护;
2.4.3正常运行方式下,保护安装处短路,电流速断保护的灵敏系数在1.2以上时,可装设电流速断保护作为辅助保护;
2.4.4符合安装全线速动保护规定时,除装设全线速动保护外,还应按第双侧电源线路宜装设距离保护,并
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