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起因和影响
谐波
起因和影响
本章介绍了谐波电流的来源和它们对电气系统的影响。
抑制办法将在“谐波解决方案”一章进行详细讨论。
谐波频率是电源基波频率的整数倍,即基波为50Hz,3次谐波为150Hz,5次谐波为250Hz。
图1给出了含有3次和5次谐波的基波正弦波形。
图1:
含有3次和5次谐波的基波
FUNDAMENTAL:
基波
3RDHARMONIC:
3次谐波
5THHARMONIC:
5次谐波
图2显示了叠加了70%3次谐波和50%5次谐波的基波波形。
在实际中大部分畸变电流的波形比图2所示的更为复杂,含有多次谐波,具有更复杂的相位关系。
图2—畸变电流波形
很明显这个波形不是正弦波,这意味着通常测量设备,如平均读数、按有效值刻度的万用表不能给出正确的测量值。
在每个周波内有六个过零点,而不是纯正弦波的两个,因此许多采用过零点作为基准的设备将不能正常使用。
波形包含了非基波频率,应该进行相应地处理。
在谈论电力装置中的谐波时,最关心的是电流谐波,因为谐波源于电流,大多数不良影响都是由于这些电流。
如果不知道电流谐波的频谱,就不会得出任何有用的结论,但通常可提供的数字只有总谐波畸变率(THD)。
如果谐波在一个配电系统中扩散,也就是说扩散到与携带的谐波电流无关的分支回路,作用就象电压一样。
同时测量电压和电流值且明确地表示给出值为电压和电流值是非常重要。
习惯地将电流畸变测量值加后缀“I”,例如35%THDI;电压畸变值加后缀“V”,例如4%THDV。
谐波电流在供电系统中存在已经有好多年了。
一开始它们是由在电气化铁路中将交流转变成直流的汞弧整流器和工业中的直流传动装置所产生的。
最近,产生谐波的设备种类和数量直线上升,还在不断增长,因此设计师和专业人员现在必须仔细考虑谐波和它们的副作用。
本章讲述了谐波是怎样和为什么产生的,谐波的存在会怎样影响电气系统和设备以及怎样抑制这些影响。
产生谐波的设备类型
所有的非线性负荷都会产生谐波电流,包括:
单相负荷,如:
∙开关型电源(SMPS)
∙荧光灯电子镇流器
∙小型UPS装置
三相负荷,如:
∙变速传动装置
∙大型UPS装置
单相负荷
开关型电源(SMPS)
大多数现代电子装置都采用开关型电源(SMPS)。
与老式装置的区别在于传统的降压变压器和整流器由直接控制的整流装置所替代,整流装置为蓄能电容器充电,供给负荷的直流电流是适合输出电压和所需电流电源得出的。
对设备制造商的优点是体积、成本和重量显著降低,电源装置几乎可以制造成任何需要的式样。
对所有其他人而言缺点是不能从电源获得连续的电流,电源装置产生了含有大量3次及以上谐波的电流脉动和显著的高频分量(见图3)。
在电源输入端安装一个简单的滤波器可将高频分量从相线和中线旁通到地中,但它对回流到电源的谐波电流不起作用。
这些滤波器的漏电效应将在第六章进行讨论。
单相UPS装置的特性与SMPS很类似。
1357911131517
谐波次数
图3—典型PC机的谐波频谱
%MAGNITUDEWRTFUNDAMENTAL:
相对于基波的%幅值
HARMONICNUMBER:
谐波次数
对于大功率装置,当前有一个所谓的功率因数校正输入的发展趋势。
目的是使电源负荷更象一个电阻性负荷,以便输入电流更象正弦波,与所施加的电压同相。
通过将输入电流生成为高频三角波、然后由输入滤波器成正弦波的方法来实现。
这种高度复杂性做法尚不适合用于在商业和工业装置中构成大多数负荷的低成本单元。
广泛应用这种技术会产生什么问题还有待观察。
荧光灯镇流器
电子灯光镇流器在近些年得到了广泛的应用,其目的是为了提高效率。
总的来说,它们仅比最好的电感镇流器效率高一点点,事实上,大部分效率的提高源于在高频驱动时灯管的高效率,而不是电子镇流器本身。
其主要优点是通过对运行电流的反馈控制在整个延长的寿命内保持照度(运行电流是降低整个寿命效率的实际原因)。
它们最大的缺点是在供电电流中产生谐波。
所谓的功率因数校正类型在较大容量时有提供,以使谐波问题得以减小,但成本相当高。
小型装置通常不校正。
现在紧凑型荧光灯管(节能灯管)(CFL)在逐步替代钨丝灯泡。
安装在接线盒中的微型电子镇流器控制8mm直径U形荧光灯管。
11W的CFL相当于60W的钨丝灯泡,预期寿命高达8000小时。
在图4中给出了谐波电流频谱。
这种光源现已广泛应用在家庭和宾馆,逐步取代了钨丝灯泡,严重的谐波问题突然变得随处可见。
图4--典型CFL的谐波频谱
%MAGNITUDEWRTFUNDAMENTAL:
相对于基波的%幅值
HARMONICNUMBER:
谐波次数
三相负荷
变速控制器,UPS装置和直流变换器通常是基于三相桥式电路,也被称为六脉动桥式电路,因为在直流输出端每个周波有六个脉动(每相每半周一个)。
图5—三相,或6脉动桥式电路
图6--典型6脉动桥式电路的谐波频谱
%MAGNITUDEWRTFUNDAMENTAL:
相对于基波的%幅度
HARMONICNUMBER:
谐波次数
图7—12脉动桥式电路
图8--典型12脉动桥式电路的谐波频谱
%MAGNITUDEWRTFUNDAMENTAL:
相对于基波的%幅度
HARMONICNUMBER:
谐波次数
图9—线性负荷的电流波形
CURRENTWAVEFORM:
电流波形
LOADLINE:
负荷曲线
VOLTAGEWAVEFORM:
电压波形
图10—非线性负荷的电流波形
CURRENTWAVEFORM:
电流波形
LOADLINE:
负荷曲线
VOLTAGEWAVEFORM:
电压波形
图11—非线性负荷的等效电路
SOURCEIMPEDANCE:
电源阻抗
SUPPLY:
电源
LINEARLOADIMPEDANCE:
线性负荷阻抗
INSTALLATION:
装置
6脉动桥式电路在6n±1处,即在6的倍数加一和减一处产生谐波。
理论上,每次谐波的大小是谐波次数的倒数,即20%的5次谐波和9%的11次谐波等。
图6所示为一个典型的谐波频谱图。
使用12脉动桥式电路,谐波的大小显著降低。
这实际上就是两个6脉动桥式电路,从一个星形和一个三角形变压器绕组供电,在它们之间提供一个30度的移相角。
6n次谐波理论上被消除,但实际上,降低量取绝于变换器的匹配程度,通常的系数在20到50之间。
12n次谐波保持不变。
不仅仅是总谐波电流降低了,而且更高次谐波也减少了,使设计滤波器更加容易。
设备制造商经常会采取一些措施,如增加一个滤波器或串联电抗器降低谐波电流含量。
过去一些制造商常常宣称它们的设备符合“G5/3”标准。
因为G5/3是一个适用于整个装置的规划标准,在未了解现场所有其它设备的前提下很难说符合。
采用两个具有15度移相角的并列12脉动单元可将脉动数提高到24,总谐波电流下降到大约4.5%。
系统越复杂,成本就越高,当然,这种类型的控制器只有在必须绝对符合电力供应商的限值时才采用。
理论背景—谐波是怎样产生的
在一个理想的清洁电力系统,电流和电压波形是纯正的正弦波。
实际上,当在负荷中流过的电流与施加的电压不呈线性关系时就导致了非正弦波电流的产生。
在一个只含有线性元件—电阻、电感和电容的简单电路中,流过的电流与施加的电压成正比(在一特定频率),因此,如果施加正弦电压,产生的电流也为正弦波形,如图9所示。
负荷曲线描述了施加的电压和在负荷中产生的电流之间的关系,图9所示为一个线性负荷。
如果是一个电抗元件,电压和电流波形之间将产生一个移相;功率因数降低了,但电路仍是线性。
图10描述了负载是一个简单的全波整流器和电容器的情况,例如典型开关型电源的输入状态。
在这种情况下,只有供电电压超过了储存在储能电容器上的电压,即接近了电压正弦波的尖峰才产生电流,如负荷曲线的形状所示。
实际上,负荷曲线(和此后的电流波形)通常会比本图所示的更为复杂;可能会有一些不对称和滞后,转折点和斜坡随着负荷的变动而改变。
任何周期性波形都可以分解成一个基波频率的正弦波加多个谐波频率的正弦波。
因此在图10中的畸变电流波形可以用基波,加上一定百分比的2次谐波,加上一定百分比的3次谐波,等等来表示,最高考虑到30次谐波就可以了。
对于对称波形,即正半周和负半周的形状和幅值都相等,所有的偶次谐波为零。
偶次谐波现在相对稀少,但如果广泛采用半波整流电路就会很普遍。
图11所示为一个非线性负荷的等效电路。
它可以表示为一个线性负荷由许多并联电流源供电,一个电流源表示一种谐波频率。
由负荷产生的谐波电流—或者更精确的说,由负荷从基波电流转换成的谐波电流—经过电源阻抗和所有其它并联路径流过整个电路。
结果是流过电源阻抗将产生谐波电压,且在整个装置中存在。
谐波发生器有时看成为电压源;如果是这样,则电源阻抗对此电源上的谐波电压的幅值没有任何影响。
实际上,这个电压的幅值与电源阻抗成比例(在一个有限范围内),表明发生器的作用象一个电流源。
由于电源阻抗非常低,因此由谐波电流导致的谐波电压畸变也很低,经常低于网络背景值。
这样可能会使人误解,因为它给人的印象是,即使实际存在很大的谐波电流,好象也没有谐波问题。
这与试图用电压表寻找一个循环地电流的情况颇为类似。
如果怀疑谐波存在,或者要证实它们不存在,必须测量电流。
谐波引起的问题
谐波电流会在供电系统和装置内部引起问题。
影响和解决方案大相迳庭,需要分别处理;适用于在装置内控制谐波影响的措施可能不会降低在电源上的畸变,反之亦然。
在电气系统内的谐波问题
由谐波引起的若干共同问题领域:
∙由谐波电流引起的问题
-中线过负荷
-变压器过热
-断路器的误跳闸
-功率因数补偿电容器的过电压
-集肤效应
∙由谐波电压引起的问题
-电压畸变
-感应电动机
-过零噪扰
∙当谐波电流进入电源时引起的问题
以下是对这些领域的每个问题的简单讨论
由谐波电流引起的问题
中线过热
在三相系统中,从每相到星形中性点的电压波形互相相差只有120º,因此,如果每相负荷等同,则在中线中的合计电流为零。
如果负荷不平衡,在中线中不平衡电流流过。
过去,安装者(过去的标准也许可)充分利用这个事实,只安装减半截面的中线。
然而,虽然基波电流互相抵消,但谐波电流并非如此—事实上这些是基波3N次倍数的奇次谐波电流,在中线叠加。
图12显示了这种影响。
在此图中,在上面的相电流互相相差120º。
每相的3次谐波相同,频率是基波频率的三倍,周期是一个周波周期(基波)的三分之一。
在下面给出了有效3次谐波中线电流。
在这种情况下,在每个相线中的70%3次谐波将导致在中线的210%电流。
图12:
3N次电流在中线叠加
PHASE1:
相1
PHASE2:
相2
PHASE3:
相3
PHASE13RDHARMONIC:
相1的3次谐波
PHASE23RDHARMONIC:
相2的3次谐波
PHASE33RDHARMONIC:
相3的3次谐波
3RDHARMONICNEUTRALCURRENT:
3次谐波中线电流
通过对商业大厦的案例进行研究表明在减半的中线中,中线电流经常在相线电流的150%到210%。
设计师如何处理这个问题仍有些混乱。
简单的解决方案,采用单芯电缆,安装双倍截面的中线,即或选用两根同截面电缆做中线,或选用单根较大截面的电缆做中线。
如采用多芯电缆,情况就变得有些复杂。
多芯电缆的额定值(例如在IEC603645-23表52和BS7671附件4中给出的)是基于负荷平衡和在中线中没有电流的情况,换句话说,四芯或五芯电缆中只有三芯有电流和产生热量。
由于电缆载流量只是由在最大允许的工作温度下可以散发的热量决定的,所以通过3-N次谐波电流的电缆必须降容使用。
在以上给出的事例中,电缆携带了五份电源—三份在相线,两份在中线—而它只能用于三份。
因此它需要降容到通常额定值的60%。
IEC60364-5-523附件C(资料性的)按照3N谐波的含量给出了一系列建议的降容系数。
图13描述了在IEC60364-5-523附件C中给出的由于3N次谐波含量而导致的降容系数和应用以上热方法的降容系数。
目前相应的强制性规定正在讨论当中,很可能在不久的将来会将新要求和指南写进国家布线规范之中。
图13—3N次谐波存在时的电缆降容
CABLEDERATINGFACTOR:
电缆降容系数
%THIRDHARMONIC:
3次谐波含量
对变压器的影响
变压器在两方面受到谐波的影响。
首先,涡流损耗,通常只是满载损耗的10%,和谐波次数的平方成正比。
实际上,对于一个为包括IT设备在内的负荷供电的满载变压器,整个变压器的损耗是等同线性负荷的两倍。
这样导致了更高的工作温度和更短的寿命。
事实上,在这种情况下,变压器的寿命从期望的大约四十年降到可怜的40天!
幸运的是,很少变压器是满负荷运行的,但是在选择设备时必须考虑到这种影响。
第二个影响与3N次谐波有关。
对于三角形绕组,3N次谐波全部同相,因此3N次谐波电流在绕组里循环。
3N次谐波在绕组中被有效吸收,不向电网扩散,因此三角形接线的变压器可以起到隔离变压器的作用。
但所有非3N次谐波电流都畅通无阻。
在考虑变压器容量时应该考虑循环电流。
关于在谐波电流存在的情况下如何选择变压器容量在本指南的后面章节有详细讨论。
断路器的误跳闸
漏电断路器(RCCB)以相线和中线中的电流之和来确定,如果电流之和超过了设定值,MCCB将动作,断开负荷电源。
在谐波存在时导致误跳闸发生可能有两个原因。
第一,RCCB是一个机电装置,没能正确累计更高次的频率分量,因此误跳闸。
第二,这类产生谐波的设备也产生开关噪扰,必须在设备的电源侧滤掉。
为此目的滤波器通常在相线和中线到地之间安装一个电容器,因此产生一个对地的小漏电电流。
标准规定这个电流必须小于3.5mA,通常会更低,如果设备与一个带漏电保护的回路相连,漏电电流可能足以跳开RCCB。
这个问题可以通过提供多个回路,每个回路携带较少量负荷而方便地解决。
本指南的后面一个章节将更详细讨论高漏电电流问题。
由于谐波电流的存在,回路的实际电流通常超过计算或简单测量得到的预测值,常常会导致微型断路器(MCB)的误跳闸。
大部分手提式测量仪表不能正确测量真有效值,会少计量大约40%的非正弦电流。
真有效值测量在3.2.2节进行讨论。
图14:
带有PFC电容器的非线性负荷的等效电路
SOURCEIMPEDANCE:
电源阻抗
SUPPLY:
电源
LINEARLOADIMPEDANCE:
线性负荷阻抗
INSTALLATION:
装置
图15—由非线性负荷引起的电压畸变
SUPPLY:
电源
SOURCEIMPEDANCE:
电源阻抗
LINEARLOAD:
线性负荷
NONLINEARLOAD:
非线性负荷
SUPPLYVOLTAGEWAVEFORM:
电源电压波形
VOLTAGEWAVEFORMAPPLIEDTOLOAD:
施加于负荷的电压波形
CURRENTINLINEARLOAD:
线性负荷中的电流
LOADCURRENT:
负荷电流
图16—线性负荷和非线性负荷分开的电路
POINTOFCOMMENCOUPLING:
公共连接点
CABLEIMPEDANCE:
电缆阻抗
LINEARLOAD:
线性负荷
NONLINEARLOAD:
非线性负荷
SUPPLYVOLTAGEWAVEFORM:
电源电压波形
VOLTAGEWAVEFORMAPPLIEDTOLINEARLOAD:
施加于线性负荷的电压波形
CURRENTINLINEARLOAD:
线性负荷中的电流
VOLTAGEWAVEFORMAPPLIEDTONONLINEARLOAD:
施加于非线性负荷的电压波形
LOADCURRENT:
负荷电流
功率因数补偿电容器的过电压
功率因数补偿电容器能为电感性负荷例如感应电动机引起的滞后电流补偿一个超前相位角。
图14显示了一个带有非线性负荷的PFC电容器等效电路。
PFC电容器的容抗随着频率的上升而降低,而电源阻抗通常是电感性的,随着频率的升高而增大。
因此电容器携带了非常大的谐波电流,如果没有针对谐波做特殊设计,电容器就可能损坏。
一个潜在的更加严重问题是电容器和供电系统的杂散电感在或接近于某个谐波频率时会发生谐振(当然,以100Hz的间隔发生)。
如果出现谐振,会产生非常大的电压和电流,常常会导致电容器系统重大的故障。
通过为电容器串联一个电感可以避免谐振的发生,电感和电容的组合在最低的主要谐波时刚好感性的。
这种解决方案也限制了在电容器中流经的谐波电流。
电感的物理尺寸会成为一个问题,特别是在低次谐波存在的情况下。
集肤效应
交流电流通常是趋向导体的外表面流动。
这就是众所周知的集肤效应,在高频时比较严重。
集肤效应在工频时影响很小,通常被忽略,但约在高于350Hz时,即7次以上谐波,集肤效应就很明显,会导致额外的损耗和发热。
如果谐波电流存在,设计师应该考虑到集肤效应,将电缆相应地降容。
多芯电缆或层压母线能帮助克服这个问题。
注意,母线的安装系统也必须设计成能避免在谐波频率时发生机械共振。
关于这些问题的设计指南在CDAPublication22“母线用铜”一文中有所描述。
由谐波电压引起的问题
由于电源具有电源阻抗,所以谐波负荷电流使谐波电压波形畸变增加(这就是“平顶波”的来源)。
有两个元件与阻抗有关:
从公共连接点(PCC)起的内部线缆和在PCC处(例如就地供电变压器处)电源的固有阻抗,前者如图15所示。
由非线性负荷产生的畸变负荷电流在电缆阻抗上引起一个畸变电压降。
这个畸变电压施加于与此回路相连的所有其它负荷,导致在它们之中产生谐波电流—即使它们是线性负荷。
解决方案是将产生谐波的负荷供电的回路与对谐波敏感的负荷供电的回路分开,如图16所示。
在这里从公共连接点处就为线性和非线性负荷分别供电,这样一来,由非线性负荷产生的电压畸变就不会影响线性负荷。
当考虑谐波电压畸变的大小时要记住,如果外电源故障,将负荷切换到UPS或备用发电机回路,电源阻抗和和导致的电压畸变会更高。
如果就地安装变压器,应该选择具有足够低的输出阻抗和足够大的容量,以耐受额外的发热,换句话说,选择容量要适当大一些的变压器。
注意,如果在选择变压器时只是通过简单的强制风冷来实现容量的增加是不合适的—因为这样一来,变压器会在更高的内部温度下运行,运行寿命显著降低。
强制风冷只是用于应急情况,在正常运行时绝对不要考虑。
感应电动机
同变压器一样,谐波电压畸变在电机中引起涡流损耗增加。
然而,由于在定子中谐波磁场的产生,每个谐波磁场都力求使电动机以不同的速度向前或向后旋转,因此额外损耗显著增加。
在转子中感应的高频电流进一步提高了损耗。
如果存在谐波电压畸变,考虑到额外的损耗,电动机应该降容。
过零噪扰
许多电子控制器检测电源电压过零点而决定负荷投入。
因为在零电压接通感性负荷不会产生瞬变,因此降低了电磁干扰(EMI)和在半导体开关装置上的应力。
如果在电源中存在谐波或瞬变,则在过零点的电压变化速率变快,更难识别,导致不稳定的运行。
实际上每半周可能有多个过零点。
谐波问题对电源的影响
当谐波电流从电源送过来,在公共连接点(PCC)处将增加一个与电源阻抗和电流成正比的谐波电压降。
由于电源网络通常是感性的,频率越高则电源阻抗也越高。
当然,在PCC处的电压已经由其它用户和变压器励磁汲取的谐波电流和变压器内在的畸变引起了畸变,而每个用户又推波助澜。
很清楚,不能容许用户给系统增加污染而损害其他用户,因此在大部分国家,供电企业已制定了一些电网允许谐波电流的限值。
许多这方面的规范是基于英国电工协会于1975年颁布的G5/3标准,最近已经修订为G5/4(2001)。
在本指南的其它章节对这个标准进行了详细讨论。
谐波抑制措施
适用于控制谐波电流大小的措施将在本指南的后面章节详细讨论。
本章只是进行了简单的概述。
抑制方法大体可以分为三类:
无源滤波器、隔离和降低谐波变压器和有源解决方案。
每种方法都各有优缺点,因此没有单一最好的解决法。
很容易发生大量的花费用在不适用和无效的解决方案上;原则是进行彻底地调查研究—适用于本目的的工具将在本指南的其它章节进行讨论。
无源滤波器
无源滤波器用于为谐波电流提供低阻抗路径,以使它们流入滤波器而不是电源(图17)。
滤波器可以根据需要设计用于单一谐波,或宽频带使用。
有时侯需要设计一个更加复杂的滤波器用以提高在谐波频率时的串联阻抗,降低回流到电源的电流比例,如图18所示。
有时建议在相线或中线采用简单的串联带阻滤波器。
串联滤波器的目的在于阻断谐波电流,而不是为它们提供了一个控制路径,因此穿过它会产生一个非常大的谐波电压降。
这个谐波电压跨过电源加到负荷侧。
由于电源电压已经发生了严重的畸变,已经不在设备设计和保证的标准之内。
一些设备对这种畸变相对不敏感,但有一些非常敏感。
串联滤波器在某些情况下可能有效,但需要小心使用,不能推荐为一种通用的解决方案。
图17:
无源谐波并联滤波器
SUPPLY:
电源
SOURCEIMPEDANCE:
电源阻抗
SHUNTFILTER(BANDPASS):
并联滤波器(带通)
LINEARLOADIMPEDANCE:
线性负荷阻抗
INSTALLATION:
装置
图18:
无源串联和并联滤波器
SUPPLY:
电源
SOURCEIMPEDANCE:
电源阻抗
SEIRIESFILTER(BANDSTOP):
串联滤波器(带阻)
SHUNTFILTER(BANDPASS):
并联滤波器(带通)
LINEARLOADIMPEDANCE:
线性负荷阻抗
INSTALLATION:
装置
图19:
星三角形隔离变压器
SUPPLY:
电源
LOAD:
负荷
图20:
有源滤波调节器
SUPPLY:
电源
SOURCEIMPEDANCE:
电源阻抗
FUNDAMENTALCURRENT:
基波电流
LOADCURRENT:
负荷电流
HARMONICCURRENT:
谐波电流
ACTIVECONDITIONER:
有源调节器
LINEARLOADIMPEDANCE:
线性负荷阻抗
INSTALLATION:
装置
隔离变压器
前面说过,3N次谐波电流在变压器的三角形绕组中循环。
虽然这是变压器制造商和专业人员的问题—但必须考虑额外的负荷—这对系统设计人员很有用,因为它可以隔离来自电源的3N次谐波。
采用“曲折”绕组的变压器也能达到同样的效果。
曲折绕组变压器是星形结构的自耦变压器,在与电源并联的绕组之间具有特殊的相位关系。
有源滤波器
以上所提到的解决方案只适用于特定的谐波,隔离变压器只对3N次谐波有效,而无源滤波器只是用于设计的谐波频率。
在一些装置中,谐波含量是不可预测的。
例如,在含有许多IT装置中,设备的组合方式和位置在不停地变化,因此谐波情况也在不断地改变。
一种方便的解决方案就是有源滤波器或有源调节器。
如图20所示,有源滤波器是一个并联装置。
电流互感器测量负荷电流的谐波含量,控制电流发生器生成一个精确的负荷谐波电流,在下个周波回馈到电源。
由于谐波电流来自有源调节器,从电源只是吸收基波电流。
实际上,谐波电流幅度降低了90%,并且由于在谐波频率时的电源阻抗降低,电压畸变也降低。
结论
实际上,所有现代化电气和电子设备都含有一个开关型电源(SMPS)或涉及到电源控制的某种形式,因此是非线性负荷。
线性负荷相对稀少,日常接触的只有诸如不调光的钨丝灯泡和不可控的加热器。
将来的设备标准在本指南的后面章节将详细讨论,但对由象PC机这样电子设备所产生的
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