智能型干燥空气绝缘环网开关设备研究科技项目申请书及可行性研究报告.docx
- 文档编号:3386231
- 上传时间:2022-11-22
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智能型干燥空气绝缘环网开关设备研究科技项目申请书及可行性研究报告.docx
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智能型干燥空气绝缘环网开关设备研究科技项目申请书及可行性研究报告
公司科技项目
申请书及可行性研究报告
填写说明
一、请严格按照要求填写各项。
二、专业类别根据项目所属专业种类中选择。
三、项目摘要应简要说明项目研究内容和预期成果,字数要求500字以内。
四、项目申请单位指提出项目建议与申请的单位或部门,如总部各部门、直属机构、各分子公司及其所属基层单位等。
五、项目分工应主要描述项目申请单位与协作单位的任务划分,项目计划进度安排应按时间段列出研究推进计划,并明确各阶段交付物及标志性里程。
六、科技经费预算支出科目具体解释见附件2。
七、科技成果的成熟度水平评判标准见附件3。
项目简表
项目名称
智能型干燥空气绝缘环网开关设备研究
项目
负
责
人
姓名
工作单位
柳州供电局
性别
年龄
职称
工程师
项
目
分
类
[]
[]
[v]
基础性研究
前瞻性研究
应用性研究
[]
[v]
[]
[]
发电技术
配电技术
信息技术
电网建设
[]
[]
[]
[]
输电技术
用电技术
通信技术
继保自动化
[]
[]
[]
[]
变电技术
电网运行技术
物资管理技术
其它
项目起止时间
2017年2月——2018年12月
申请经费总额
130万元
是否重点项目
项目摘要(500字以内):
智能型干燥空气绝缘环网柜是一种集绝缘、机构设计、密封、绝缘母线、智能控制及组合单元小型化几种技术于一体的新型配电设备。
将母线、真空断路器或负荷开关、隔离开关等所有一次导电部件都密封在接地的金属外壳内,进出线采用标准欧式可触摸分离连接器。
各功能单元可独立气箱,也可共箱,不同气箱之间采用母线连接器连接。
设备没有带电部件裸露,实现环网柜的全密封、全绝缘结构,避免了外部的因素如灰尘、小动物、凝雾等对开关柜造成的破坏,是一种免维护设备。
并且集成智能控制单元,配合有线或无线无线通信连接,实现配网自动化功能。
(1)产品采用干燥空气绝缘,完全没有SF6气体,不存在有害气体泄漏,也没有固体绝缘环网柜不能降解回收的问题。
(2)本产品含断路器单元及负荷开关单元,采用干燥空气绝缘,真空灭弧,采用零表压技术,可有效地防止气体泄漏和潮湿气体进入;不需要气体回收及防护装置,充气简单,不存在有毒电弧分解物,是真正的环保产品。
(3)隔离开关结构采用三工位设计,具有可视化功能,通过气体绝缘和新材料技术的应用和免维护、模块化设计,达到小型化环保化。
(4)该环网开关配上智能型控制器,可实现对电缆型环网开关设备的监控,为电缆型智能配电网提供整体解决方案。
(5)对于手拉手典型电网可实现分布式控制的功能,基于61850协议,可有效地将整个配电网联系在一起,对于分界开关,可迅速地切除接地故障和短路故障,从而实现对整个配电网的自动保护。
(6)主要技术参数:
额定电压:
12kV额定电流:
630
额定短路开断电流:
20kA额定短路关合电流:
50kA
额定短时耐受电流/耐受时间:
20kA/4s
机械寿命:
断路器单元10000次负荷开关单元5000次
整组动作时间:
小于70毫秒
项目的预期目标是试制智能型干燥空气绝缘环网开关设备2套(断路器单元和负荷开关单元各2台),产品通过出厂严格测试并取得检验报告,取得产品设计专利3项以上。
培养一次设备、自动化技术人才20人以上。
预期成果成熟度水平
6级(1-9级)备注:
应根据附表3中的TRL定级表,一般项目应为第5级,创新性很高的(863)可达到第8级
项目负责人意见:
智能化环保气体环网柜是一种集绝缘、机构设计、密封、绝缘母线、智能控制及组合单元小型化几种技术于一体的新型配电设备,该产品完全不用SF6气体,保证了开关的清洁性,有利于环网柜的运行和维护管理。
(签字)2016年7月26日
申请单位意见:
同意申报!
(公章)2016年7月27日
总部部门、直属机构、分子公司意见:
(公章)年月日
项目分工与计划进度安排
1、项目相关单位及具体分工
单位
具体分工
柳州供电局
1)制定项目研究技术路线;
协作单位
1)智能型干燥空气绝缘环网柜一次及二次系统设计;
2)智能型干燥空气绝缘环网柜样机试制;
2、计划进度安排
任务名称
开始时间
完成时间
主要内容及交付项
整体方案和工作计划制订
2017.02
2017.06
主要内容:
(1)产生项目前期筹备:
包含市场需求调研、技术调研、概要设计、设计分析、项目进度。
(2)落实研发人员、设备。
交付物:
(1)项目可行性分析报告
(2)产品技术条件
产品设计
2017.06
2017.12
主要内容:
(1)项目方案确定
(2)图纸设计
交付物:
(1)一次结构设计图纸
(2)二次智能配套设计图纸
产品样机试制
2017.12
2018.06
主要内容:
(1)模具开制,零部件自制及外协;
(2)样机装配、调试
交付物:
(1)产品样机(2套)
样机测试及型式试验
2018.06
2018.09
主要内容:
(1)样机厂内测试
交付物:
(1)出厂试验报告
产品鉴定及项目验收
2018.09
2018.11
主要内容:
申请产品验收
交付项:
专利、论文。
编写要求:
1.列出分时间段计划研究内容;
2.分时间段提供成果的内容和形式,要求具有可检查性。
3.以上表格内宋体5号,单倍行距,两端对齐;所有时间统一格式:
如2016.08
项目组成人员情况建议尽量多列几个项目成员,不得出现合作单位人员
序号
姓名
年龄
职称、职务
工作单位
任务分工
1
工程师、分局副局长
柳州供电局
项目负责
2
助理工程师
配网管理专责
柳州供电局
技术负责
3
工程师、副主任
柳州供电局
技术负责
4
助理工程师
城中分局运行专责
柳州供电局
技术负责
5
助理工程师
城中分局配电一班副班长
柳州供电局
项目实施
6
工程师
科技专责
柳州供电局
项目协调、指导
7
工程师
指标及可靠性管理专责
柳州供电局
项目协调、指导
8
助理工程师
柳南分局运行专责
柳州供电局
项目实施
9
助理工程师
柳南分局中级工
柳州供电局
项目实施
10
中级工
柳州供电局
项目实施
11
中级工
柳州供电局
项目实施
一、目的和意义
1.描述与项目研究内容紧密相关的公司实际生产力水平和今后的发展方向;
1、加快推进我国智能电网建设
“十二五”期间,我国智能电网进入全面建设阶段,发电、输电、变电、配电、用电、调度、信息通信各环节智能化建设均取得突破,如世界上规模最大,集风电、光伏发电、储能、智能输电于一体的新能源综合利用平台——国家风光储输示范工程在河北省张北县建成投产。
亚洲首条柔性直流输电示范工程——上海南汇风电场柔性直流输电工程投入正式运行,是我国首条拥有完全自主知识产权、具有世界一流水平的柔性直流输电线路,也是我国在大功率电力电子领域取得的又一重大创新成果。
世界上功能最全、规模最大、服务能力最强的电动公交车充换电站——青岛薛家岛电动汽车智能充换储放一体化示范电站投入运行。
这一系列工程的建成投运,代表着中国智能电网的诸多技术已经达到世界领先水平,并且具备了相关技术研发、产品制造和工程实施的能力,智能电网建设基本完成了从试点工程向全面建设阶段的过渡。
相应的,传统电力设备产品正在快速的升级和创新,逐步向智能化设备过渡。
一次设备二次化;二次设备的网络化、信息化;电力设备整体小型化、节能化、智能化升级趋势明显。
如智能变电站、设备在线监测设备、配电网通信设备等产品,在电网中的应用需求不断上升,进一步带动相关行业的快速发展;此外,如电动汽车充电站设施设备、特高压交直流输电设备也显示出强劲的发展势头。
配电网自动化是智能电网建设的一部分。
国家电网公司明确提出建设“具有信息化、自动化、互动化的智能电网”,计划到2020年全面建成统一坚强智能电网。
智能电网战略目标的提出给配电网自动化注入了新的内涵,也给中压开关设备行业带来了新的生机,为环网柜行业的发展指明了方向。
智能化环保气体环网柜因其环保、节能、智能、免维护、高可靠性和低成本逐渐受到市场认可,无论从产品的可靠性还是从环保要求更加严格的发展趋势上,环保气体绝缘环网柜都比固体绝缘环网柜更具有全面取代传统SF6气体绝缘环网柜的趋势,这将有助于建设智能化、节能环保、安全可靠的配电设备,促进智能电网建设的推广,推动能源清洁化转型升级。
2、促进环保气体绝缘环网柜行业技术进步和推广应用
据统计,现在所运行的中压全密封环网柜90%以上都依靠SF6气体作为绝缘介质。
SF6气体化学性质非常稳定,具有优异的绝缘和灭弧性能。
但是,SF6气体是国际公认六种温室气体之一,地球的温暖化系数GWP:
SF6气体分子是CO2的24000倍。
从环境保护的角度,应当少用或不用SF6气体;另外,《联合国气候变化公约》和《京都议定书》对温室气体排放均有明确的限制要求和减排目标,我国作为签约国,在减少温室气体排放方面也承担着义不容辞的责任与义务,因此,国内SF6气体的使用会受到越来越多的限制,逐步减少并最终停止使用SF6气体是国际社会的共识。
另外,目前SF6气体绝缘开关柜在我国多用于城市电网,SF6气体本身虽然无毒,但人在吸80%六氟化硫+20%的氧气的混合气体几分钟后,人体会出现四肢麻木,轻度兴奋症状。
六氟化硫气体充入高压开关柜内有一定的压力,因此,气体泄漏的概率较高,而空气中的氧气含量充足,这样使得六氟化硫泄漏后与氧气结合产生毒性的条件充分。
同时电器设备内的六氟化硫气体在高温电弧发生作用时会产生如SF4、S2F2等剧毒物质,开关设备开断产生的有害气体泄漏是一个不可回避的现实问题,会对人体会产生较大危害;因此,寻找SF6气体的替代品来解决开关设备的绝缘及开断问题,是中压开关设备技术发展的一个方向!
而环保气体绝缘环网柜采用干燥空气或氮气,不存在SF6气体,在配电网设备领域具有很强的环保效益。
环保气体绝缘环网柜从研制到运行的时间不长,由于人们对SF6气体绝缘的根深蒂固认识,加之环保气体与SF6气体在绝缘性能上的差距,到目前为止应用还较少。
但环保气体绝缘环网柜与现在大量应用的SF6气体绝缘金属封闭开关设备从主要电器元件的选用到开关柜的结构形式均基本相同或相近,采用的加工设备和工艺也基本一致,从制造的角度看不存在任何问题。
利用电场优化设计和传热分析,经过大量的研制、试验过程,已有产品通过了全部型式试验。
环保气体绝缘环网柜不使用SF6,不需要气体回收及防护装置,充气简单,不存在有毒电弧分解物,是真正的环保产品。
环保气体环网柜全密封、全绝缘结构设计,不受大气条件限制,也特别适用于污秽和潮湿环境,是免维护产品。
经过近几年的发展进程,从产品的设计制造到运行经验的积累,都取得了长足的进步,已得到用户和市场的初步认可。
《国家电网公司新技术目录(2015版)》已经把环保气体绝缘金属封闭开关设备纳入其中。
在《配电网建设改造标准物料目录(2015版)》中,环保气体环网柜已被明确纳入配电网示范应用物料目录,(与此同时,固体绝缘环网柜反而从标准物资目录里调整回回到示范应用物资目录),因此,无论从产品的可靠性还是从环保要求更加严格的发展趋势上,环保气体绝缘环网柜比固体绝缘环网柜都更具有全面取代传统的SF6气体绝缘环网柜的趋势。
根据行业权威人士预计,到2018年环保型环网柜将占整体环网柜使用量的30%,可以想象得到,这其中环保气体绝缘环网柜将占有更大比例。
本项目关键技术的突破将对相关产业的升级及技术改造方面将起积极的推动作用。
本项目可产生如下社会效益:
本项目产品采用新型环保技术,使用环保的干燥空气代替传统的六氟化硫气体,不存在有害气体泄漏问题,也没有固体绝缘环网柜不能降解回收的问题。
项目应用将对环境保护作出重要贡献,可以有效避免环境污染,减少二氧化硫气体的排放,减少大气臭氧层的污染和破坏,对保护环境和国家可持续发展战略的实现具有重要的现实意义,符合国家对电网节能环保要求,满足国网公司对节能环保型产品的推广应用。
本项目产品应用在电力、大型制造业,符合国家发展战略性新兴产业的政策导向。
本项目发展智能环网柜开关设备,实现智能电网整体解决方案,产品属于现阶段重点发展的智能电网高端制造装备,是响应发展战略新兴产业的国家政策号召。
项目应用将引领配网电缆线路向智能、环保方向发展。
本项目有望突破国内现有环网开发设备的多项技术空白,项目的实施有利于打破国外技术壁垒,实现智能化环网开关设备国产化,并替代进口,符合国家产品进出口发展策略。
2.阐述项目成果对该现状和技术发展的作用
项目开发完成后,将为市场提供一种真正环保的,完全无SF6气体应用的新型开关设备,将大幅提高环网柜的性能和应用领域,给本产业注入一股新的活力,带动更多相关产业的技术革新,将整体提高环保气体绝缘环网柜相关产业的科技创新和产品质量。
1)针对采用新型环保气体后,绝缘强度下降的问题,除在检漏补气以及焊接工艺等方面加强研究外,如采用自动检漏及充气设备以及机器人焊接设备等。
同时进行电场的优化设计,使场强尽量均匀,并采用降低电场的元器件,如金属屏蔽等。
同时解决采用环保气体作为开关设备的绝缘介质后,如何使之与SF6气体绝缘产品的外形尺寸和制造成本基本保持不变,用户界面和操作方式基本类同等问题。
2)目前市场上的环网柜一次开关设备和DTU等智能监控单元是分开的,本课题颠覆了传统的开关设备设计理念,以一二次深度融合为目标,将传统的保护、在线监测、自动化、通信、电源等模块纳入一次设备的整体规划设计中,研究与设计和环保气体绝缘环网柜相匹配的集测量、控制、在线监测于一体的智能装置和传感器,实现环保气体绝缘环网柜一次设备和二次设备的深度融合。
3)环保气体绝缘环网柜信息物理模型的研究有助于行业的标准化进程,能方便可靠的实现不同厂家的设备即插即用,有助于全面提高工程的简易性和运维管理的效率。
未来,环保气体绝缘环网柜需从环保气体绝缘技术的原理入手,对绝缘件的电场、磁场、温度场、屏蔽及表面的接地进行科学计算和优化设计。
还要注重断路器、负荷开关、接地开关操动机构整体结构的设计及优化,不断地对新技术、新材料、新工艺进行研究与应用,并加强环网柜的性能提升工作,引领产品技术发展,用技术带领产业发展,提高公司产品在市场中的竞争力,并尽到企业应有的社会责任。
智能化环保气体绝缘环网柜的研发成功将在环保、安全、智能、灵活等方面取得重大突破,尤其是在节能减排方面具有显著的社会效益,具有全面取代传统SF6气体绝缘环网柜的能力。
预计到2018年环保型环网柜将占整体环网柜使用量的30%,环保气体绝缘环网柜的产业规模将进一步扩大,提升行业技术发展水平,推进智能电网产业的持续绿色发展。
3.分析成果应用和推广的途径及效益
3.1市场分析
国家能源局在配电网建设改造行动计划(2015-2020)中指出,通过实施配电网建设改造行动计划,有效加大配电网资金投入。
2015-2020年,配电网建设改造投资不低于2万亿元,其中2015年投资不低于3000亿元,“十三五”期间累计投资不低于1.7万亿元。
智能环网开关设备市场巨大。
目前的市场数据为:
2012年:
气体绝缘环网柜占总量64%,空气柜占32%,环保型环网柜占4%。
2013年:
气体绝缘环网柜占总量62%,空气柜占30%,环保型环网柜占总招标量8%。
2015年:
预计环网柜总量在40万台左右,环保型环网柜将有10万台的市场空间。
2018年:
预计气体绝缘环网柜将占60%市场份额,约有100万面左右,环保型环网柜将有30%份额空间。
4.4.分析成果推广后的直接和间接效益
本项目旨在开发一款摈弃SF6温室气体应用,采用环保的干燥空气绝缘,真空灭弧,同时集成智能控制装置、自适应强,更少依赖于人工操作快速响应变化条件的智能化环保型环网开关设备,颠覆传统的一次设备设计理念,以一二次设备深度融合为目标,融合新材料、机械、电子、传感器领域的最新技术,全面提高环保气体绝缘环网柜的可靠性、实用性、使用效率和经济性;采用标准化接口,缩短工程设计、接线,全面提高工程的简易性、灵活性和可靠性;对于解决环网柜行业二次设备事故频发及一二次设备故障认责等方面具有重大的意义,同时充分体现了智能配电网信息集成、结构分布、应用集成等特点,填补国内智能开关设备研究领域的空白。
项目建成后,通过市场推广可将智能环保气体绝缘环网柜快速应用于智能电网建设配电网领域,促进智能电网节能减排,推进环保气体绝缘环网柜在我国配电网领域的应用。
二、项目研究的背景
1.国内外研究水平的现状和发展趋势
20世纪50年代以来,中压开关设备发展经历了敞开式、箱式、金属封闭式等阶段,在满足设备的功能性使用要求方面已经不存在问题,而且产品早已系列化和使用范围全覆盖。
目前,创新和技术进步主要围绕着开关设备在安全性、可靠性、小型化、环保等市场和社会及时代的需求不断展开。
如今,全世界环境污染问题日益突出,大气污染、臭氧层破坏、植被破坏、气候变暖等一些列污染问题是我们的生存环境面临严峻挑战,保护环境已成为世界各国共同关心的话题。
环网柜作为配电网中电气设备,用于分合负荷电流、开断短路电流及变压器空载电流和一定距离架空线路、电缆线路的充电电流,起控制和保护作用,是环网供电和终端供电的重要开关设备。
长时间以来,环网柜一直以气体绝缘应用为主,其中运用最广泛的是SF6气体绝缘环网柜。
SF6气体化学性质非常稳定,具有优异的绝缘和灭弧性能,在电力设备中应用十分广泛。
SF6气体绝缘开关设备的体积小、结构紧凑、不受外界环境因素的影响、适应性极强,目前已广泛应用在电力设备中。
但是由于SF6气体对臭氧层具有强烈的破坏作用,其破坏程度是CO2的23900倍,而且在大气中的SF6气体降解周期可达3400年。
臭氧层的破坏将会使太阳光中的紫外线大量辐射到地面,对人类及其生存的环境会造成极为不利的后果。
为了保护地球环境,1997年日本京都议定书上,SF6被列为具有温室效应的气体。
随着时间的推移,SF6气体的排放会受到越来越多的约束,逐步减少SF6气体排放是国际社会的共识。
环网柜行业的发展面临新的选择,为了环保发展,必须放弃使用SF6气体绝缘环网柜,开发更加先进无污染的环保型环网柜来替代SF6气体绝缘环网柜。
目前,环保型环网柜根据绝缘介质的不同,具体可分为三类:
①固体绝缘金属封闭开关设备(SIS);②不使用SF6的气体绝缘金属封闭开关设备,如干燥空气绝缘开关设备或N2绝缘开关设备;③极少使用SF6的气体绝缘金属封闭开关设备,即在充气压力和SF6充气比例上应加以限制,例如SF6和N2的混合气体绝缘开关设备。
目前国内外企业都在开展固体绝缘环网柜和环保气体绝缘环网柜的研究,并取得了巨大的成果。
其中2014年以前以固体绝缘为主,包括国外的东芝公司、伊顿电力均推出了自己的固体绝缘环网柜。
国内包括北京双杰、扬州新概念、北海银河等企业也陆续推出产品并在国内市场应用。
但近2年固体绝缘产品暴露出一些自身较难克服的缺陷,如局放问题、绝缘老化问题等。
早期投运的固体绝缘环网柜产品,由于长期的工频振动,目前已经开始出现固体绝缘开裂或局部放电升高导致事故多发的现象,导致市场对固体绝缘产品的发展有了重新认识的需要。
并且由于固体绝缘材料无法降解,以及其高能耗的生产工艺,在其全寿命周期内是否真正环保都仍有争议。
因此很多企业开始投向另一类环保型环网柜,不用或少用SF6气体的环保气体环网柜。
综上所述,SF6气体绝缘、固体绝缘以及环保气体绝缘环网柜的出现为配电系统的建设提供了新的力量,但是随着科学技术的不断进步和发展,目前普遍使用的空气绝缘和SF6气体绝缘环网柜产品在许多方面已不能满足生活和生产的要求,尤其是环保要求,固体绝缘及环保气体绝缘环网柜的诞生是科学技术进步的结果,同时也满足了绿色环保无污染的要求,是环网柜行业实现可持续发展的必然选择。
2.介绍国外研究机构对本项目的研究情况
在环保气体绝缘开关设备研制方面,日本一些公司和伊顿电力研究较早,但日本公司着力于24kV以上电压等级的通用式开关柜,即一次配电设备C-GIS,中压环网柜相对涉及较少,如:
1999年,三菱公司研发了充干燥压缩空气的HS-X型12~24kVC-GIS,在东南亚较多地方使用。
2004年又更进一步开发,系列化,后来电压等级发展到36kV,电流达到2000A。
2001,富士电机公司开发出额定电压24kV,额定电流2000A,主母线电流630/1250A,短时耐受电流25kA/1s,充干燥空气(0.08MPa表压)绝缘的C-GIS;
日立公司和明电舍公司也都推出过自己的24kV和72kV干燥空气绝缘开关柜;
在环保气体环网柜领域,则是伊顿电气及ABB有所建树,其中:
伊顿公司在国内最早推出固体绝缘环网开关设备,并早在2012年就推出了自己的干燥空气绝缘环网柜XIRIA,但由于产品本身的一些问题以及市场推广因素,其产品并未得到很好认同及推广;ABB公司则于2014年10月刚刚推出了采用干燥空气绝缘的环网开关设备Safering-air;。
而行业另两跨国巨头西门子公司以及施耐德暂未有相关产品或技术推广报道。
3.介绍国内研究机构对本项目的研究情况。
国内开关设备制造企业从2004年开始研制无/少SF6气体金属封闭开关设备,前期也以通用式开关柜及C-GIS为主,近年来开始延伸到二次环网柜。
到目前为止,完成产品型式试验以及挂网运行的企业还比较有限。
国内目前还处于起步阶段,还未有较突出的厂家。
4.项目研究的技术关键与难点。
由于SF6优良的电气灭弧和绝缘性能,在中高压电力设备中仍被大量使用,目前市场上的环网柜仍然已SF6气体绝缘柜为主。
但随着时间的推移,SF6气体的排放会受到越来越多的约束,逐步减少SF6气体排放是国际社会的共识。
环网柜行业的发展也面临新的选择,为了环保发展,必须放弃使用SF6气体绝缘环网柜,开发更加先进无污染的环保型环网柜来替代SF6气体绝缘环网柜。
因而,开发一种不用SF6气体的开关设备,成为各设备生产企业所面临的一个关键课题。
世界各大生产企业及研究机构,对N2、混合气体、压缩空气、CO2等气体进行了相关研究,希望找到SF6气体的替代品,实现中压C-GIS无SF6。
本项目也是希望在综合当前研究成果及检验的方向上,对环保型环网柜的绝缘、灭弧,断路器及隔离开关、操作机构、智能控制技术加以研究,力求开发出一款适应当前节能、环保要求,并兼具智能化、小型化、免维护的新型智能环保化环网开关设备。
本项目解决的关键技术问题与难点包括:
4.1环保气体绝缘环网柜绝缘与灭弧技术
环保气体目前在国内主要以压缩干燥空气、氮气这两种应用较为广泛,其绝缘性能均低于SF6气体,相比较而言,以工业级干燥空气为绝缘材料可以实现更好的效果。
干燥空气的绝缘性能优于氮气,业界比较公认的是,在同样的气体压力下,氮气的绝缘性能仅是空气的70%。
其次,现场使用没有充气补气的问题。
因此本项目产品决定采用干燥空气为主绝缘介质。
但因为其绝缘性能仍然比SF6低,因此需要对绝缘进行重新研究,对绝缘数据进行绝缘验证。
为确保绝缘强度,需保证箱体的密封性,防止潮气浸入,降低空气的绝缘性能,为此有必要在检漏
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