低压配电教材概要.docx
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低压配电教材概要
第一章电工基础知识
第一节直流电路
一、
图1-1电路的组成
直流电路的组成
电路电路即导电的回路,如图1-1所示,由电源、负载、联接导线和控制设备等组成。
电路的作用是:
供电能的传输和分配、转换成其他形式的能量或电气信号的处理。
1、电源
电源是一种不断地把其它形式的能量转换为电能的装置。
如电池是将化学能转换电能,而发电机是将热能,水能等能量转换为机械能再转换为电能。
电源内部由于其它能量的作用而产生的电位差,称为电动势,用E表示,单位为V。
电动势方向是从低电位指向高电位,直流电源的电动势是由负载指向正极。
当电源与外电路接通时,电源的电动势维持电路中的电位差,外电路电流按照规定的电流方向从正极向负极流动,这样电源就维持着整个电路不断的工作。
2、负载
负载即用电设备,它的作用是将电能转换成其它形式的能。
如电灯是将电能转换成热能,光能;电动机是将电能转换成机械能。
3、导线与控制设备
导线是用良导体组成,它的作用主要是将电源、负载、控制设备(包括保护设备)连接成整体,形成电路。
电路中的控制设备(包括保护设备)是控制电路通断、防止电路过载、短路的设备,包括各种开关、接触器、熔断器、继电器等。
4、电流
电荷的由规则运动称为电流。
电流强度是以单位时间内穿过导体截面的电量来表示,习惯上简称为电流。
5、电压
单位正电荷由高电位移向低电位时电场力对它所作用的功,称为电压。
6、电动势
单位正电荷由高电位移向低电位时非静电力对它所作用的功,称为电动势。
二、电路定律
●欧姆定律
图1—2全电路
欧姆定律是表示电路中电流I、电压U、电阻(负载)R三个物理量相互之间关系的定律,就外电路而言,其表达式为:
I=U/R
如果电路中电压不变,则电阻与电流呈反比关系,如果电阻不变,则电压和电流呈反比关系.。
称为局部电路欧姆定律
如果电路包含电源在内,由于电源本身也存在电阻,称为内阻,以r表示,如图1-2所示,在计算有源电路时应采用全电路欧姆定律。
当负载电流I通过电源时产生电压降Ir,这时负载端电压U=E-Ir,U<E。
空载时I=0,Ir=0,U=E,端电压等于电动势。
一般情况下Ir<<R、因此Ir忽略不计,负载电压U等于电动势E。
欧姆定律是分析、计算电路的一个基本定律。
三、电阻的串并联电路
1、电阻的串联电路
将几个电阻依次首尾相连接起来,这种连接方式叫串联,如图1—3所示。
图1—3多个电阻串联
电阻串联电路的性质:
(1)流过各电阻的电流相同。
(2).电路的总电压等于各电阻上电压降之和。
U=IR1+IR2+IR3=U1+U2+U3
(3).电路总电阻R(等效电阻)等于各串联电阻之和。
R=R1+R2+R3
电路中串联电阻越多,则等效电阻越大,如果电压不变,则电流越小,所以串联电阻能起到限流作用。
电动机的电阻启动器等就是利用这个作用原理。
串联电阻另一个作用是分压作用,因为电流通过电阻会产生电压降。
电阻分压器及多量程电压表就是利用这个作用原理。
2、电阻的并联电路
将几个电阻首与首、尾与尾接到电路的两个接点之间,这种接法称为并联连接,如图1—4所示。
图1—4并联电路
电阻并联电路的性质
(1)各并联支路两端电压相等
(2)电路内的总电流等于各支路电流之和。
I=I1+I2+I3
(3)电路总电阻R(等效电阻)之倒数等于各并联电阻倒数之和。
也可以用电导来表示,即并联电路等效电导为各支路电导之和。
G=G1+G2+G3
如果两个电阻并联,其等效电阻为
在实际用电中并联电路最多。
日常用电设备,如:
电灯、电热器、电动机等,都是并联连接在电路中。
从并联电路的特性还可以看出,并联电路能起分流作用
四、电路的电功和电功率
1、电功
电流通过电灯会发光,电流通过电动机会带动机器转动,这些电能量的传递和转换都显示电流在做功。
电流通过负载R所做的电功w,同加在负载两端的电压u、通过负载的电流I以及时间t成正比。
用公式来表示:
电功的单位是J(焦耳)或W.s(瓦.秒);电压的单位是V;电流的单位是A;时间的单位是s。
工程上常用千瓦小时(或千瓦时)作为计算电功的实用单位,通常所说的1度电就是表示功率为1千瓦的电气设备使用1小时所消耗的电能.电功也叫电能.
2、电功率
电功率是电源在单位时间内所输送的电功(电能量),也是负载在单位时间所消耗的电功(电能量)。
在直流电路中,电源发出的电功率
负载消耗的电功率
五、电流热效应
电流的热效应是指当电流流过导体时,导体会发热。
这是导体中的电阻将电能转换成热能。
电流通过导体时产生热量与电流的平方成正比、导体的电阻和通电的时间成正比。
在1欧姆电阻的导体中通过1安培的电流每秒钟产生的热量为0.24K(卡)。
用公式来表示
根据欧姆定律,还可以变换成
电流的热效应的原理在实际生活中被广泛的使用。
如电加热器,电吹风等等,但它有不利的一面,即导线、电机发热一方面浪费电能,同时存在安全隐患。
第二节交流电路
交流电是一种最普通的电源,它在广泛应用于生产领域和日常生活中。
一、正弦交流电基本定义
图1—5三相交流电示意图
大小、方向是随着时间变化而呈正弦规律变化的交流电为正弦交流电。
正弦电是同期性的,当电经过一段时间T过,又重复前面的变化,周后复始循环往复,如图1—5所示。
我们将完成一个循环所需要的时间称为周期(秒);将用一秒种变化的周期数称为频率用t表示,频率的单位Hz(赫兹)。
频率和周期的关系是倒数关系。
即
我国电力工业所用交流电的频率为50Hz称为工频。
二、正弦电的最大值、频率和相角
由于交流电是随时间变化的,所以将某一瞬时的数值称为瞬时值。
用小写字母e、u、i分别表示电势、电压、电流瞬时值。
瞬时值中最大的数值叫最大值或蜂值用字母Em、Um、Im表示。
电流瞬时值的表达式为
电角度(ωt+ψ)称为正弦交流电的相角或相位。
当t=0时的相角称为初相角,简称为初相。
两个同频率正弦量的初相之差称为它们的相角差。
相角差为零的两个正弦量,称为同相
相角的每秒钟变化的弧度数称为角频率,以ω表示,有以下关系
f——频率;T——周期。
三、交流电的有效值
交流电的大小时随时间变化的,因此瞬时值或最大值均不能反反映出交流电的真实效果。
在实际应用中,采用有效值来表示交流电的大小。
交流电有效值通常按以下方法确定:
在两个完全相同的电阻中,分别通入直流和交流电源,经过相同的时间,如果它们产生的热量相同,那么就可以说交流和直流对电阻的做功是等效的,人们把直流电的数值叫做交流电的有效值。
交流电的有效值常用大写字母来表示如电压U、电流I、电势E等。
根据有效值的定义,通过数学运算可以证明正弦交流电的有效值是最大值的0.707倍。
即
I=0.707Im
U=0.707Um
E=0.707Em有效值应用很普通,通常所说的交流电压、电流的数值以及仪表测量的数值都是指有效值。
第三节三相正弦交流电路
一、三相交流电势的产生
三相交流电是由三相交流发电机产生的。
三相交流发电机与单相交流发电机结构基本相同。
所不同的是定子绕组不是一组,而是由三组完全相同且各自独立的绕组组成,每一绕组叫做一相。
三相绕组的首端分别是u、v、w,首端分布在定子中彼此相隔1200电角度的位置上(一对极为3600),末端分别为x、y、z,也彼此相隔1200电角度
当发电机运转时,定子三相绕组切割磁场中呈正弦规律分布的磁通,从而在三相绕组中产生出三相正弦变电势,它们的相位差分别为1200,它们的瞬时值为
eu=Emsinωt
ev=Emsin(ωt-1200)
ew=Emsin(ωt-2400)=Emsin(ωt+1200)
三相电势达到最大值的先后次序叫做相序,相序为u-v-w的称为正序。
任意两相对调后则称为负序。
如w-v-u。
在电网中相序是用颜色表示,规定u相是黄色,v相是绿色,w相是红色,黄绿红表示正序。
二、三相电源的接法
三相电源的发电机或变压器都有三个绕组。
三相绕组通常有两种接法,一种叫星形接法;一种叫三角形接法。
1、
图1—6星形连接
电源的星形连接
将三相绕组的末端x、y、z连接成为一节点,而始端u、v、w分别用导线引出连接负载,这种连接方式就叫星形连接或称Y连接,如图1—6。
三相绕组末端练成的公共点叫做电源的中性点,简称中点,在电路中用0或N表示。
有些电源从中性点引出一根导线,则这根导线被称为中星线或零线,当中性线接地时,也叫地线。
从绕组始端引出的三根导线称为相线,通常也叫火线。
有三根相线和一根零线组成的供电方式叫做三相四线制,常用于低压配电系统;不引出中性线,由三根相线供电称为三相三线制,多用于高压输电。
在星形连接的电源中可以获得两种电压,一种叫相电压,一种叫线电压。
在一般情况下三相电源是对称的,这时相电压的有效值是相等的可用U相表示。
线电压为任意两相之间的电压,线电压的有效值用U线表示根据基尔霍夫电压定律可知,线电压为对应的相电压之差,即
Uuv=Uu-Uv
Uvw=Uv-Uw
Uwu=Uw-Uu
根据上述关系作出向量图,有向量图可得到,相电压与线电压大小之间的关系为:
,相位之间的关系为:
Uuv的相位超前Uu300。
同理可得:
;
。
一般表达式为
。
三相四线制低压电网得线电压为:
=1.732×220=380V。
线电压380V是三相负载的电源,相电压220V是单相负载的电源。
2、
图1—7三角形连接
电源的三角形连接
三相电源的绕组首尾依次相连构成闭合回路,再从三个连接点直接引出三根导线接负载,这种连接方式叫三角形连接,也用△连接表示,见图1—7。
三角形连接的供电方式为三相三线制,三角形连接时线电压等于相电压,即
U线=U相根据三相电压的向量图,有向量图可知,三相线电压之和等于零,即
Uuv+Uvw+Uwu=0。
同理电源三相电势之和也等于零,即
Eu+Ev+Ew=0
这说明当发电机或变压器绕组连接成三角形时,在三个绕组构成的回路中总电势等于零,因此在回路中不产生环流。
如果一相接反,则回路电势不再为零,此时,由于电源电阻抗很小,环流可能烧毁发电机。
3、三相负载的连接
图1—8三相四线制
电力系统的负载,按其对电源的要求可分为单相负载和三相负载。
人们日常所用的照明等及大量的家用电器等都是单相负载;工厂企业用来拖动各种机械的三相电动机以及大功率的三相电炉等,均为三相负载。
在三相负载中如各相负载的电阻和电抗都是分别相同,则称为三相对称负载。
即
Zu=Zv=Zw
Ψu=ψv=ψw
(1)三相负载的星形连接
三相负载的星形连接与电源的星形连接相似,即将三相负载的末端连成节点,也叫中点用0表示,负载的首端分别与电源相接。
如将电源的中性线与负载的中点连接,这就是三相四线制系统,见图1—8。
已知各相负载的相电压,就可以计算出各相的相电流,相电流用I相表示。
其有效值为:
各相负载的相电压与相电流之间的相位差为:
如果三相负载对称,这时三个相电流的有效值相等,各相的相电压、相电流之间的相位差也相同,都互差1200,因此三个相电流也是对称的,即
,
在三相对称的情况下,先计算一相的电流,然后根据三相对称关系,写出其它的两相的电流。
相电流是每相负载中流过的电流,工程上把流过端线的电流称为线电流,在星形接法的电路中,线电流有效值等于相电流有效值即I线=I相。
对于三相电路,如三相(电源、负载)对称,则三相电流的向量和等于零,中性线上没有电流通过,这样就可以不需要中性线。
但如果三相负载不对称,则必须采用三相四线制系统,由中性线平衡三相不对称电流,以保持三相电压的对称。
(2)三相负载三角形连接
图1—9三相负载三角形连接
三相负载首尾依次相连,构成一闭合回路,再把三个连接点与电源相线连接起来,负载的这种连接方法称三角形连接,见图1—9。
在负载三角形连接中,各相负载直接跨接在电源的线电压上,所以负载上相电压等于线电压,即U相=U线。
当三相负载对称时,三相电流也对称的,即
从三相对称负载三角形连接的向量图中可以得出相电流与相电压之间得相位差为,即
线电流与相电流的大小和相位关系为:
,Iu滞后IUV300。
因为相电流是对称的,所以三相的线电流也是对称的,因此可以说,
,即线电流等于相电流的
倍。
三、三相电路的功率
三相交流电路可以看成是三个单相交流电路的组合。
三相交流电路的功率,可以从三个单相交流电路的功率推广而来。
因此在三相电路中同样有:
有功功率、无功功率、视在功率。
根据能量守恒定律可知,三相电源发出的或三相负载消耗的总的有功功率等于各相电源或负载的有功功率之和,即P=Pu+Pv+Pw=UuIucosφ+UvIvcosφ+UwIwcosφ.
在三相对称情况下,Uu=Uv=Uw=U相;Iu=Iv=Iw=I相Ψu=Ψv=Ψw=Ψ相所以三相电路的总有功功率可简化为:
P=3U相I相cosφ相。
可见三相有功功率为一相有功功率的3倍。
对称三相有功功率还可以用线电压和线电流表示为:
同理,无功可用相电压、相电流、线电压、线电流表示为:
应该特别指出的是,功率因数角φ.是指相电压和相电流之间的相位差,而不是线电压和线电功率流之间的相位差。
视在功率
。
第四节电与磁
一、磁场与磁力线
有磁力存在的空间称为磁场。
磁场可以用磁力线来表示,磁力线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向。
磁场由永久磁铁产生,也可以由电流通过导线产生。
磁场最强的地方也就是磁力线最密的地方称为磁极,磁极又南极(用S表示),北极(用N表示),磁极具有同性相斥,异性相吸的性能。
磁场中磁力线从北极发射进入南极,在磁铁内部或线圈内磁力线有南极回到北极,磁力线成闭合回路连续不断互不交叉。
二、通电导线的磁场
电流通过导线产生磁场,这是电流的磁效应。
电流通过单根导线产生的磁场可用磁力线表示,磁力线的方向与电流方向有关,确定它们的方向有右手定则。
右手握导线,大拇指指电流方向,四指所指为磁力线方向。
电流通过螺管线圈所产生的磁场、磁力线方向与电流方向关系用线圈右手定则。
右手四指握线圈,伸直大拇指,四指指电流方向,大拇指的指向即为磁力线的方向,在实际工作中右手定则对确定电机,直流磁铁的极性的就非常方便。
三、磁场对载流导线的作用
当把通有电流的导体放到磁场中就要受到磁场的作用力(称为电磁力)的影响产生运动。
导体运动方向与导体中的电流方向及磁场磁力线方向有关,判定它们的方向可用电动机左手定则。
左手掌心对着北极(N),伸直四指指向导体中电流方向,垂直于四指的大拇指为电磁力方向,即导体运动方向。
通过实际的证明,在均匀磁场中,当导体与磁场方向垂直时,电磁力F的大小与导体所在位置的磁感应强度B、导体在磁场内的有效长度L和通过导体的电流I成正比,即:
F=BLI(W牛顿)
式中B的单位为Wb/m2;I的单位为A(安培);L的单位为米(m)
如果通电导体的运动方向与磁场方向不是垂直,而是成一角度α,则电磁力F为:
F=BLIsinα
因此,当α=900时,导体与磁场方向垂直时,sinα=1,F最大;当α<900时,
sinα<1,F减小;当α=0时,导体与磁场方向平行,F=0。
载流导体与磁场作用力的关系是电动机运转原理的根据。
四、电磁感应
1、感应电势的产生
英国科学家法拉第发现了磁场产生电流的现象,并通过实验证明:
当导线周围的磁场发生变化时,导线中将产生感应电势,这种产生感应电势的现象即被称做电磁感应。
2、感应电势的方向
感应电势的方向可用发电机右手定则来判定,右手掌心对北极(N)即掌心迎向磁力线,伸直大拇指所指的是导体的运动方向,四指方向为感应电势方向。
如果导体不动,而磁场运动,则同样会在导体中产生感应电势,其方向同样用发电机右手定则来判定。
3、楞次定律
俄国科学家楞次研究确定了线圈中感应电势的方向和规律,线圈中感应电势的方向,总是使它所产生的电流(感应电流)所形成的磁场阻止原来磁场的变化。
当线圈内磁通φ增加时,感应电流产生的新磁通φ1阻止φ增加,即φ1与φ的方向相反。
当磁通φ减少时,感应电流产生的新磁通φ1阻止φ减少,即φ1与φ的方向相同。
楞次定律反映了电磁感应的普遍规律,在任何情况下电磁感应都遵循这个规律。
4、感应电势大小
(1)直导线中感应电势e的大小与磁场磁感应强度B,导线的长度l以及导线切割磁力线的速度v成正比,即e=Blv(V)
式中B――磁感应强度单位Wb/m2(韦伯/米2)
l――导体切割磁力线的有效长度,单位m
v――导体移动的速度,单位m/s.
上述公式适用于导体移动的方向与磁力线方向垂直时的情况。
如果不垂直,而成一定的偏角α时,则vsinα才是垂直方向切割磁力线的有效速度,则感应电势用下式表示e=Blvsinα(V)
当导体运动方向与磁力线垂直时,α=900,sinα=1e=Blv,此时感应电势最大。
当导体运动方向与磁力线平行时,α=0,sinα=0e=0,此时导体没切割任何磁力线,所以不产生感应电势。
发电机绕组中产生的电势从0到最大再到0,随着旋转周而复始。
(2)线圈内的感应电势e的大小取决于线圈中磁通的变化率,即单位时间内磁通变化量以及线圈的匝数,用公式表示:
式中N――线圈的匝数,
――每匝线圈中磁通的变化率。
单位为Wb/s
式中负号表示感应电势的方向,及楞次定律。
当磁通增加时,即φ2>φ1时。
则△φ/△t为正,此时感应电势为负值,它表示线圈中感应电势形成的感应电流所产生的磁通与原来磁通方向相反阻止原磁通的增加。
当此言减少时,φ2<φ1,则△φ/△t为负,感应电势为正值,它表示感应电流所产生的磁通与原磁通相同,阻止原磁通减少,可见,感应电势e的符号与磁通变化率则△φ/△t总是相反的。
5、自感现象和互感现象
(1)自感现象
如果将一个变化的电流i通人一个线圈L内,就会产生一个变化的磁场。
根据电磁感应原理,线圈内由于磁感应通量的变化,就会产生一个感应电动势e,根据楞次定律它的方向总是阻止线圈内磁感应通量的变化。
由于线圈本身的电流变化而在线圈内部产生的电磁感应现象,叫做自感现象。
在自感现象中产生的感应电动势e,称为自感电势。
在日光灯电路中串接一个镇流器就是利用自感现象起到扼止灯丝电流,并产生很高的自感电势加在灯管两端激发灯管内气体导通而发光的作用。
(2)互感现象
在生产实践中人们发现,当任一线圈中的电流发生变化时,它所产生的变化的磁场将使附近的线圈产生感应电动势,这种电磁感应现象就叫做互感现象,由此而产生的电动势叫做互感电动势或叫互感电势。
互感电势的方向与线圈绕向有关,其判别可用楞次定律或右手螺旋定则。
线圈互感电势的大小与原线圈的电流变化率、两个线圈的几何形状、匝数、相对位置及周围介质有关。
互感原理被广泛应用。
变压器、互感器原理就是按互感而工作的电气设备。
思考题
1、什么是三相电源的三角形接法;什么是三相负载的三角形接法?
2、三相正弦交流电路的三要素是什么?
3、直流电路中,电阻串联有什么特性?
电阻并联有什么特性?
4、电磁铁通电后为什么会产生吸力?
5、什么叫自感和什么叫互感?
两者有何区别?
第二章常用仪表的使用
电力工业的主要产品是电能,电能这种特殊的产品是人们的感觉器官所不能直接感觉和反映的。
在电能的生产、传输、分配和使用等各个环节中,只有通过各种仪表的测量才能对系统的运行状态(如电能质量、负荷情况等)加以监视,才能保证系统安全和经济的运行。
所以人们常常把电工仪表和测量叫做电力工业的眼睛和脉博。
电工仪表和测量技术是从事电气工作的技术人员必须掌握的—门学科。
同一电气物理量可以用不同的方法进行测量,到底选择哪种方法,应根据测量条件、被测量的性质、准确度的要求等来决定。
1、直接测量
直接测量是将被测量与标准量进行比较,即不必测量与被测量有函数关系的其他量就能直接从测量的数据中得到被测量值的测量。
直接测量所用的方法可以是直读测量法也可以是比较测量法。
(1)直读测量法
直读测量法是根据仪表显示的数或指针的偏转格数直接读取被测量数值。
在测量过程中,虽没有标准量具(测量单位的复制体:
如标推电阻、标准电容、标准电感等)参与,但为了读取被测量,直读式仪表已预先将被测量的单位进行分度,也就是说,直读测量法实际上是用标准量具与被测量进行间接比较。
使用电测量指示仪表(电测仪表)或数字仪表测量电流、电压、电阻等都属于直读测量法。
这种测量方法具有使用设备简单、方法简捷等优点,因而得到了广泛的应用。
其缺点是测量的准确度受到仪表准确度的限制,使得测量的结果中含有仪表的误差。
(2)比较测量法
比较测量法是指测量过程中需要标准量具直接参与,并通过比较仪器确定被测量数据的测量方法。
在使用比较测量法进行测量时,由于标准量具的直接参与,所以与直读法相比,具有更高的准确度。
常用的比较测量法是用已知的可调标准量与被测量进行比较,通过调节标准量,使被测量与标准量之差值为零,以此求得被测量。
例如用直流电桥测量电阻值等。
这种测量方法的准确度主要取决于标族量的旺确度和零位指示器(检流计)的灵敏度,只要标准量足够准确,检流计的灵敏度足够高,那么,测量结果中的误差就可减到很小。
比较测量法对测量仪器和测量条件的要求都较高,操作也比较麻烦,故通常在要求测量准确度高时采用。
2、间接测量:
比较测量法是指通过对被测量有函数关系的其他量的测旦,得到被测量值的测量方法。
例如.测量导体的电阻R、长度L和截面积S,通过计算ρ=R*S/L,求得导体的咆阻系数ρ。
又如,测量电阻两端的电压U和流过的电流I,然后计算R=U/I,求得电阻R的大小。
当被测量不能直接测量或测量很复杂,或者用间接测量比用直接测量能获得更精确的结果时,可采用间接测量。
3、组合测量:
组合测量是育接测量与被测量具有一定函数关系的某些量,根据直接测量和间接测量所得的数据,解一组联立方程而求出各未知量值来确定被测量的大小。
组合测量多用于精密测量和科学实验中
第一节指示测量仪表的结构原理
测量各种电磁量的仪表仪器统称为电工仪表。
电工仪表不仅可以用来测量各种电磁量还可以通过相应的变换器用来测量非电磁量。
例如温度、压力、速度等。
尽管它应用广泛品种规格繁多.但基本上可以分为电测量指示仪表和比较法测量仪表两大类。
电测量指示仪表
电测量指示仪表又称为直读仪表,各种交直流电流表、电压表、功率表、万用表多系电测量指示仪表。
这种仪表的特点是先将被测电磁量转换为可动部分的角位移。
然后通过可动部分的指针在标尺上的位置直接读出披测量的值。
指示仪表又可以分为以下几种类型:
(1)按准确度等级:
可分为0.1,0.2,0.5,1.0,2.5,5.0等七级。
(2)按使用环境条件:
可分为A、Al、B、B1、C五个组。
(3)按外壳防护性能:
可分为普通、防尘、防溅、防水、水密、气密、隔爆等七种类型。
(4)按防御外界磁场或电场影响的性能:
可分为I、II、III、IV四等。
(5)按读数装置:
可分为指针式、光批示式、振簧式等。
(6)按使用方式:
可分为安装式、可携式等。
(7)按工作原理:
可分为磁电系、电磁系、电动系、感应系、静电系、振簧系等。
此外还可以按可动部分的支承方式、机械结构的形式等来进行分类。
比较仪器
比较仪器用于比较法测量。
包括各类交直流电桥,交直流补偿式的测量仪器。
一、结构组成
电测量指示仪表的结构如图所示,从图2—1上可以看出,整个指示仪表可以分为测量线路和测量机构两
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