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405kV气体绝缘开关柜及其应用

40.5kV气体绝缘开关柜及其应用

2008-08-2608:

48

近年来,随着社会、经济和开关技术的不断发展,工程建设的复杂程度加大,开关设备的小型化、免维护、智能化的产品越来越受到青睐。

国内外各开关制造公司纷纷大力发展中压充气柜(C-GIS),C-GIS是GIS技术与开关柜(AIS)技术相结合的产物,也称为气体绝缘开关柜。

所谓气体绝缘开关柜,是将高压元件如母线、断路器、隔离开关、互感器、电力电缆等密封在充有较低气体压力的壳体内。

气体绝缘开关柜不受外界环境条件变化的影响,可运行在环境恶劣的场所。

由于该柜使用性能优异的SF6、N2等气体作为绝缘介质,大大缩小了柜体的外型尺寸,还有一个优势是气体绝缘开关柜配用性能良好的免维护真空断路器,可大大减小维护和检修的工作量。

另外气体绝缘开关柜采用低压力气体绝缘,在工厂整体组装后运达现场,可明显地减少现场安装的工作量,同时运行维护成本低,从该柜整个生命周期分析,具有较高的性价比和可靠性。

气体绝缘开关柜的电压等级一般为12kV和40.5kV,但40.5kV气体绝缘开关柜更能显示其技术经济上的优势,因此国内外多数生产商开发气体绝缘开关柜时直接从40.5kV做起,并不延伸到12kV等级产品。

1开关柜的特点和结构特征

气体绝缘开关柜与其它类型的开关设备相比,具有以下特点:

一是小型化,是将空气绝缘的金属封闭开关设备充入SF6和N2替代空气绝缘,各单元设置在柜体内,再充入低压力(0.03~0.16MPa)SF6等气体。

二是提高了可靠性和安全性,主回路的导电部分密封于SF6等气体中,以及高压带电导体封闭,不受外界环境条件变化的影响,可使用在环境恶劣的场所,使设备长期安全运行,具有高可靠性并且无触电和火灾危险。

因气体压力低,密封问题已不突出,气密性好,可达30年不用补气。

三是维护简单,各高压元件或用气体密封或以金属封闭,零部件无锈蚀、生锈现象,需维修的工作量很少;采用电寿命长、性能稳定的真空断路器可实现免维护或少维护。

四是应用、布置方便,气体绝缘开关柜将高压元件组成若干标准模块,通过组合可以满足各种主接线的要求,满足各种不同使用场合的需要。

该柜在制造厂整体装配、调试,整体运输,到现场后成套吊装到位,现场安装时可不涉及SF6等气体的处理;可根据需要很方便地通过预留的电缆插座来增加进出线的数量进行扩容;三相高压元件设置在气体绝缘开关柜的充气壳体内,易于采用电缆作为电源的引入、引出,该柜与主变压器的连接、布置方便;采用气体绝缘开关柜,外型尺寸大大缩小,便于布置和减少占地面积。

气体绝缘开关柜现有圆筒式和板式(柜式)两种结构型式。

前者外型很像高压GIS,后者却很像一般的金属封闭开关柜。

圆筒式气体绝缘开关柜有三相共筒式和分相式两种结构。

柜体材料有铸铝合金,也有钢板。

板式(柜式)气体绝缘开关柜结构有多种形式:

气室的设置有三气室、两气室和单气室;一次回路中母线、三工位隔离开关和真空断路器的不同排列方式。

其排列方式大致可分为“上中下”布置、“下中上”布置和“后中前”布置三类,其中以“上中下”布置居多。

关于板式气体绝缘开关柜气室的设置,现多为两气室。

单气室结构简单,制造容易,成本低,但气室元件在一起,容易相互影响,可靠性差一些;多气室结构模块更换容易,避免多元件相互影响,安全性高,但多气室结构复杂,制造难度大,成本高。

2开关柜的应用

中压气体绝缘开关柜由西门子公司于1982年率先推出,以后各公司纷纷效仿。

近年来,国内外企业加大了中压气体绝缘开关柜的开发力度,一代又一代的新品不断涌现。

中压气体绝缘开关柜近年在国内也在兴起,国内许多企业也研制出创新的产品。

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2006年春季在衡水市开发区新投运一座110kV降压变电站,两台主变容量均为50MVA,三个电压等级(110/37.5/10.5kV),110kV、35kV、10kV全部户内布置,主变户外布置;35kV出线8回;10kV出线24回。

110kV采用GIS,35kV采用了气体绝缘开关柜,10kV采用中置柜。

该变电站110kV、35kV配电装置均采用了气体绝缘设备,尤其是35kV配电装置采用了气体绝缘开关柜,有效地控制了35kV配电室的面积,从而大大减小了配电房的建筑面积和变电站的占地面积。

采用的40.5kV气体绝缘开关柜型号为西高所开发的XGN46-40.5型。

该产品为板式气体绝缘开关柜结构,上下两气室设置,上气室有三工位隔离开关,下气室有真空断路器。

母线、三工位隔离开关和真空断路器“上中下”布置。

内充SF6气体,压力为0.04MPa。

其参数为40.5kV/1250A/25kA。

板式气体绝缘开关柜密封箱体采用不锈钢板焊接而成。

外型尺寸(宽×高×深)为800mm×2300mm×1570mm。

该气体绝缘开关柜采用插入式单相固体绝缘母线,母线带外屏蔽层,母线连接采用硅橡胶绝缘的十字连接套和端头T形连接套,当母线需要扩展或调整时,不会涉及有关SF6气体的任何操作。

断路器采用具有高开断性能、寿命长、维护少的小型化真空断路器,真空灭弧室水平布置方式,使得气室内部导体布置方便。

三工位隔离开关放置于密封的SF6气体壳体内,使隔离—接地组合成一体。

母线绝缘子和电缆联接绝缘子均配有高压带电显示装置用的传感器。

柜内配用环氧树脂浇注穿芯式电磁型电流互感器、插接式电磁型电压互感器。

电缆用T形外锥电缆终端或直型电缆终端连接,可满足每相1~3根电缆的进出线。

采用内锥插接式避雷器直接与分支母线连接,柜内配置了控制和保护单元。

以下从几个方面介绍气体绝缘开关柜在该变电站应用情况。

一是该变电站I期工程40.5kV气体绝缘开关柜(XGN46-40.5型)的设计采用方案有:

进线柜、出线柜、母线分段柜、母线提升柜、站变柜等方案。

结合变电站的整体布置,40.5kV气体绝缘开关柜采用室内双列布置,柜下为一次电缆地下室,以便于一次进出线电缆的敷设。

气体绝缘开关柜对基础的平整度要求很高,虽然气室在柜体的保护下单独密封,但要求较高的基础平整度是为了避免柜体受力变形过大,进而影响气室的密封性能。

二是气体绝缘开关柜采用的是低压力气体绝缘,实现了在制造厂整体装配、调试,整体运输到现场。

在制造厂派到现场服务人员的指导下,安装工作进展顺利。

每一面气体绝缘开关柜在现场安装时没有涉及SF6气体的操作,插入式单相固体绝缘母线安装方便,现场安装精度要求不高,在母线连接扩展安装时,也不涉及SF6气体的任何操作,明显地减少了现场安装的工作量。

 三是气体绝缘开关柜日常的维护简单。

各高压元件或用气体密封或以金属封闭,零部件无锈蚀、生锈现象,需维修的工作量很少,可靠性大为提高,采用了电寿命长、高开断性能的真空断路器,实现了免维护或少维护。

四是气体绝缘开关柜投运后加强设备的巡视和管理工作。

在运行初期增加了巡视次数,密切关注气室SF6气体的压力变化和各高压元件、带电显示传感器的位置指示状态等是否异常,确保安全运行。

由于气体绝缘开关柜在国内近年来才兴起,缺少运行经验,特别是衡水供电公司首次使用,更需要做好气体绝缘开关柜的运行管理工作,不断地积累运行管理经验。

3结束语

到现在为止该变电站已经投运了一年多时间,35kV配电装置采用的40.5kV气体绝缘开关柜运行情况良好,运行单位也积累了一定的运行经验。

气体绝缘开关柜特别适用于可靠性要求高,且占地面积和空间受到限制的场合。

气体绝缘开关柜的出现,引领了中压开关设备的一个发展方向,在相关的领域得到了广泛的应用。

在日益关注环保的今天,气体绝缘开关柜在结构设计上需进一步采取减少SF6气体的泄露措施,减少SF6气体的排放量。

研究非SF6气体的绝缘特性,用N2、压缩空气等做为气体绝缘开关柜的绝缘介质,实现气体绝缘开关柜的无SF6化。

随着知识的更新和技术的进步,气体绝缘开关柜势必向高可靠性、免维护、智能化、低成本、模块化、环保型趋势发展。

220kVGIS技术特点及其安装调试

(2002-8-30)

  1GIS技术简介

  GIS将一座变电站中除变压器以外的所有一次设备优化设计成一个有机组合的整体,一般为积木式结构。

总体而言,它由断路器(CB)、隔离开关(DS)、接地开关(ES)、电压互感器(VT)、电流互感器(CT)、避雷器(LA)、母线(BUS)和套管(BSG)八大部件组成。

GIS有如下特点:

  

(1)结构小型化:

采用性能卓越的气体作绝缘和灭弧介质,大幅度缩小变电站的容积,实现变电站的小型化。

  

(2)可靠性高:

带电部分全部密封于惰性气体SF6中,与盐雾、积尘、积雪等外部影响隔离,大大提高了运行的可靠性。

此外还具有优良的抗地震能力。

  (3)安全性好:

带电部分密封于接地的金属壳内,因而无触电危险;SF6气体为惰性气体,所以无火灾危险。

  (4)杜绝了对外部的不利影响:

因带电部分全封闭在金属壳体内,对电磁和静电实现屏蔽,不会产生噪音和无线电干扰等问题。

  (5)安装周期短:

由于结构小型化,可以在制造厂实现整机装配,试验合格后,以单元或整个间隔的形式运达现场,因此可以缩短现场安装的工期。

  (6)维护方便,检修周期长:

因结构布置合理,灭弧系统先进,延长了检修周期,提高了产品的使用寿命。

又由于其结构的小型化,安装位置距地面近,使维护更方便。

  2220kVGIS安装

  2.1安装前的准备

  

(1)现场清理,务必将地坪和地沟清理干净。

  

(2)按GIS设备的基础图和总体布置图要求,在地坪上用墨斗画出各间隔的间距、相距和主母线间的中心线,供GIS设备安装就位用。

  (3)沿各中心线,按间隔用经纬仪测出2~4点标高,并做好记录,作为GIS就位的依据。

  (4)GIS运进厂房后,按计划、程序进行安装,不得堆积。

  (5)熟悉GIS设备图纸资料和作业要领。

  2.2GIS安装要领

  

(1)首先确认安装基准及最先就位的单元。

若选的不合适,将直接影响以后的安装工作。

  

(2)一般先装主母线,并以中间间隔的主母线为基准,而且该主母线就位时还应略微加高些,以保证该母线底架下部的基准面高出GIS厂房地坪所测诸标高2~5mm。

  (3)以基准主母线为中心,分别在两端依次连接其他间隔主母线,直至装完。

  (4)用经纬仪测量全部主母线标高,以检查主母线安装质量。

要求各主母线上接口均保持在同一水平面上,否则用垫片调整。

  (5)主母线调整好后,按GIS总体布置图要求,以主母线为基准,分别安装进出线间隔,母联间隔。

其顺序为:

先里后外。

  (6)组装时,应先检查CT极性(注意:

千万不能弄反)。

  (7)为了合理安排作业、缩短工期,各种作业可交叉进行(注意:

应在组装好2个以上气室时,才准为第一个气室充气)。

  (8)全部组装和充好SF6气体后方可进行现场试验(注意:

GIS抽真空后充SF6气体前不得测量主回路电阻,因为此时产品处于亚真空状态,绝缘性能极差,试验时可能引起盆式绝缘子因沿面放电而受到损害)。

  (9)试验结束后,除了应将各气室SF6压力补充至额定表压外,还应将各SF6气体密度继电器、压力开关、安全阀等整定至额定位置。

  (10)最终检查,提出交接报告。

  2.3安装注意事项

  

(1)对套管、管路、箱体等部位不要重击或施加额外的力。

  

(2)户外安装时,避免雨天作业。

  (3)安装过程中要特别小心,防止灰尘和潮气进入GIS内部。

  (4)防止杂质进入GIS内部,安装前应用塑料套盖住法兰孔。

  (5)保护好充气孔,不要使之损坏或沾污。

  (6)安放O形圈时,且不要将其损伤。

O形圈靠近大气一侧及其对应的法兰密封面上应涂以密封胶(白色)。

  (7)安装前,切勿将罐体和管路上的盖板取下。

  (8)在抽真空前,迅速放置干燥剂,以尽量缩短其在大气中暴露的时间(一般不得超过8h)。

  (9)用适当力矩紧固螺栓。

  3现场调试要点

  GIS安装后,必须经过严格的检查与试验,确认安装正确、可靠后,才能投运。

具体项目及方法如下:

  3.1外观检查

  主要内容有:

装配状态、零件松动情况、接地端子配置及气体管路、电缆台架有无损坏。

上述检查应根据安装检查卡进行。

  3.2二次接线检查

  检查从控制屏到断路器、隔离开关等元件操动机构的连线,检查从控制屏到CT、CVT等元件端子箱的接线。

同时要检查接线端子的松紧程度及端子标记的情况。

  3.3绝缘电阻测量(含主回路及二次回路)

  使用1000V兆欧表测量主回路(母线、断路器、隔离开关及接地开关等)对地,以及控制回路对地的绝缘电阻。

可直接从GIS出线套管导电杆处测量主回路的绝缘电阻值。

在端子板上测量每一根线的绝缘电阻值。

判定标准:

主回路1000MΩ以上,控制回路1MΩ以上。

  3.4主回路电阻测量

  为便于与制造厂测量的结果比较,二者应采用相同的测量回路及测量方法。

下述程序仅限于现场:

  

(1)合上待测回路的隔离开关、断路器和接地开关。

  

(2)从接地开关上移开接地板后,接上电源。

  (3)通以直流20~100A,测量接地开关两端的毫伏数(在这种情况下,毫伏表测量点尽可能远离测量电源)。

  (4)比较现场测量值与制造厂测量值。

判定标准:

现场测量值应不超过制造厂测量值的20%。

  3.5开关操作试验及联锁试验

  

(1)分合闸试验

  在额定操作压力和规定控制电压下,按下控制屏上按钮,检查分合闸状况。

  

(2)连续分合闸操作试验

  除接地开关用手动控制外,要在额定操作压力和额定控制电压下连续进行5~10次分合闸操作。

在此过程中,检查操作机构、转换开关等部位。

  (3)操动各元件,检查断路器与隔离开关之间的联锁情况。

判定标准:

必须满足电气控制原理图规定的联锁条件。

  3.6各气室的SF6气体含水量测量

  断路器气室含水量应小于150×10-6(体积分数),其他气室含水量应小于250×10-6(体积分数)。

  3.7压缩空气系统泄漏试验

  断路器气罐充气到额定压力(1.47×106Pa)后,关闭供气阀,保持12h或24h,检查气压下降率(要求下降率:

12h小于5%;24h小于10%)。

  3.8SF6气体泄漏检测

  在装配现场用塑料薄膜将壳体上法兰的连接部位包封起来(要求被检设备充气搁置3h以上),用SF6检漏仪测量包容区内SF6含量(检漏仪的测量单位为10-6,体积分数),年漏气率必须小于1%。

  3.9SF6密度继电器及空气压力开关试验

  

(1)温度补偿压力开关

  检查SF6气体监控箱内温度补偿压力开关的动作值在整定范围内。

  

(2)空气压力开关

  控制空气罐上的进气阀和放气阀,调整空气压力,借以检查安装在断路器操作机构箱中的空气压力开关的动作压力。

  3.10CT试验

  在端子板上用500V摇表测量二次线圈对地绝缘电阻,其值应大于1MΩ。

  3.11CVT试验

  

(1)在端子板上测量二次线圈对地绝缘电阻,其值应大于5×103MΩ。

  

(2)对二次绕组及一次绕组接地端子施加工频电压。

判定标准:

耐受工频试验电压2kV、1min。

  (3)有条件时,可对一次绕组进行工频耐压试验,但试验电压不得超过额定电压的1.3倍。

  3.12LA试验

  LA安装后,应在晴朗天气,无开关操作的情况下进行泄漏电流测量,检查和记录放电计数器的起始数据。

判定标准:

阻性电流超过0.5mA时,必须详细检查和分析原因。

  3.13主回路工频1min耐压试验

  为了防止安装上的失误,确保GIS安全运行,设备安装完毕后,主回路(对地和断口间)的工频电压试验,耐受试验电压为0.8×460kV、1min。

  3.14二次回路工频2kV1min耐压试验

  控制回路和辅助回路对地应进行工频电压试验,耐受试验电压为2kV、1min。

  4应注意的问题

  安装时,GIS室内所有设备应是清洁的,安装现场的环境也应是清洁的。

  某发电厂一期工程厂用备用电源由220kV系统提供,220kV配电装置为西安高压开关厂引进日本三菱公司技术生产的GIS,此套GIS共有7个间隔:

3个进线间隔;2个出线间隔;1个母联间隔;1个CVT间隔。

安装施工时,由于GIS室各进出门封闭不严,加上附近是施工现场,灰尘很大,造成GIS室内卫生状况不良,本来计划施工工期为3个月,但是由于上述原因,施工工期延迟了3个月,给工程建设造成很大损失。

后来在此项工程500kVGIS配电装置施工时,吸取了220kVGIS施工安装经验,采取多种措施保证500kVGIS室内环境的清洁,使工程提前2个月完工。

(江苏省工业设备安装公司  王兵来双林)

固体绝缘技术在中压领域的应用

  摘要:

本文简单介绍了中压领域常用开关柜的种类和各自的特点,阐述了固体绝缘的含义,通过与其它开关柜的对比,指出了固体绝缘开关柜在中压领域的优势。

并介绍了沈阳昊诚电力科技有限公司一系列节能环保的固体绝缘中压设备。

  关键词:

固体绝缘;SF6充气柜;开关柜;节能减排

    引言

  目前在12-24KV电压范围内各种SF6充气柜(GIS,较高气压时用钢板或铸铝容器,较低气压时用焊接金属柜),和传统空气绝缘开关柜(AIS,金属铠装或较简单的箱式柜)两种开关柜并存。

因此几乎世界上大的电器公司都有品种齐全的两种开关柜如ABB的UNISWITCH系列开关柜(空气绝缘开关柜)和Safe系列开关柜(SF6充气柜);施耐德的SM6系列开关柜(空气绝缘开关柜)和RM6系列开关柜(SF6充气柜)。

近几年随着开关柜技术的发展,一种新的固体绝缘开关柜出现了,下面介绍下三种开关柜的对比,并分别介绍下国内外生产的两种固体绝缘开关柜。

  1、空气绝缘开关柜:

这种开关柜主要有两种,一种是铠装中置柜如KYN28,一种是像是固定柜XGN。

所谓空气绝缘开关柜,是因为柜内的各种开关之间的连接部位是靠空气绝缘的。

大家都知道10KV在空气中的安全绝缘距离是125mm,因此以空气作为绝缘介质的开关柜体积都比较大,箱体内有很多浪费的空间。

通常条件下,间隙的击穿电压随空气压力、密度、湿度的变化而变化,在高海拔地区、潮湿、日夜温差大易形成凝雾、灰尘多以及常有小动物出现的地区,都会使安全绝缘距离加大(海拔每增1000m,绝缘距离加大10%)。

可以看出,在不同的使用环境下对以空气为绝缘介质的开关柜在设计、制造、安装和使用上都有着不同的要求。

在某些环境恶劣的地区,是不适合使用这种开关柜的。

  2、SF6充气柜:

这种开关柜将数组开关和相关带电部件整体上封闭于SF6气箱中,每个单元充入4-5公斤的SF6气体作为带电体对地及相间绝缘介质(如ABB公司的Safe柜,施耐德的RM6)。

SF6气体优异的绝缘性能不但能有效地缩小了开关柜的体积,这种开关柜壳体良好的密封性使它排除了外界环境的影响,特别适用于环境条件恶劣场所。

但是SF6气体作为六种温室气体之一已经受到社会各界人士的广泛关注。

据美国科技调查数据显示,近几年全球,尤其是北半球大气中SF6气体浓度呈直线上升趋势。

SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000倍,同时,排放在大气中的SF6气体寿命约为3400年。

据2000年数据显示,全球每年生产的大约8500吨SF6气体中,约有一半以上用于电力工业。

而在电力工业中,高压开关设备约占用气量的80%以上。

电器设备内的SF6气体在高温电弧发生作用时而产生SF2、SF4以及S2F2、S2F10、SOF2、HF、SiF4等剧毒和毒性物质。

 电器设备内的SF6气体分解物与其杂质和电极金属材料产生氢氟酸、二氧化硫、硫酸、WF6等有毒产物。

在某些地区,对于需要人员进出的电缆室上面为防止工作人员中毒,是不允许放置SF6充气柜的。

对于已投入使用的SF6充气柜,也应作定期检查,查看封闭气箱的气压是否变化,若有变化说明有气体泄漏。

近期,中央一套晚间新闻对此也进行过报道。

因此,合理、正确的使用管理SF6气体,已经成为电力行业必须正视的问题和社会责任。

  3、固体绝缘开关柜:

为了弥补SF6充气柜的缺点,近几年在国内外市场上出现了固体绝缘开关柜。

所谓固体绝缘就是将数组开关和相关带电部件整体采用环氧树脂进行浇注(图5表明了固体绝缘开关柜与SF6充气柜的区别),这样一来使开关内部相间及对地的安全绝缘距离从空气绝缘的1250mm缩短到6-8mm,大大减小了开关柜的体积,图5的一次方案所对应的组合电器外形尺寸只有420×860×580(宽、深、高)。

所有连接部分采用环氧树脂浇注,与前两种开关柜相比连接部位的强度加强了很多。

这种开关柜和SF6充气柜一样,可用在环境恶劣的地方使用,并且真正做到了免维护。

表1给出了这种开关柜与其它两种开关柜的详细对比。

  环氧树脂浇注是将环氧树脂、固化剂和其他配合料浇注到设定的模具内,由热塑性流体交联固化成型的过程。

由于环氧树脂浇注产品集优良的电性能和力学性能于一体,因此环氧树脂浇注在电器工业中得到了广泛的应用和快速的发展。

  环氧树脂浇注的工艺方法,从不同的工艺条件去理解有不同的区分方法。

从物料进入模具的方式来区分可分为浇注和压注。

浇注指的是物料自流进入模具。

它又分常压浇注和真空浇注。

压注指物料在外界压力下进入模具,并且为了强制补缩,在物料固化过程中,仍保持着一定的外压,它由过去的简单加压凝胶法发展成现在成熟的自动压力凝胶法。

  从物料固化温度来区分可分为常温浇注法和高温浇注法。

选用常温或高温浇注法由浇注材料的本身性质所决定的,其根本区别是浇注材料固化过程中所必需的温度条件。

   从物料固化的速度来区分可分为普通固化法和快速固化法。

物料进入模具至拆模所需的时间为初固化时间,普通固化法需几个甚至十几个小时,快速固化法只需十几分钟至几十分钟。

现代浇注工艺中,应用比较成熟的浇注工艺方法主要是真空浇注法和自动压力凝胶法。

  4、下面介绍几种沈阳昊诚电力科技有限公司研制的中式固体绝缘设备。

图6表明了负荷开关和熔断器组合方案的结构示意图。

可以看出这种固体绝缘开关主要分为三个腔室冲上到下分别是:

隔离开关腔室;负荷开关腔室(内部浇注的是陕西宝光的真空灭弧室);插拔式熔断器腔室(采用COOPER公司为此开关开发的小型全范围保护熔断器)。

  所谓全范围保护熔断器是指既能够保护短路电流,也能保护过载电流。

这种开关的外形尺寸只有420×860×580(宽、深、高),若安装下部单元组成开关柜,尺寸为420×860×1200(宽、深、高),下部单元为电缆室可加装线卡式电流互感器。

图7为开关柜的内部结构图和外观。

 我们为了实现开关柜真正的全绝缘全密封,开发了与其配套绝缘母线和穿墙套管。

进出线都通过电缆头连接,从而实现了开关柜整体无裸露10KV带电体,将柜子的体积压缩到了极限。

  以固体绝缘开关为核心昊诚电力科技有限公司以开发出中式变电站、中式固体绝缘环网柜、中式开闭站、中式电缆分接箱等多种中压领域的变配电设备。

这些设备的共同特点就是体积小,不含任何有害气体,可以深入负荷中心,从而不但减少了低压电缆的

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