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断路器控制回路课程讲义secret

第5章断路器控制回路

教学目的:

掌握断路器控制方式、断路器控制回路的基本要求、断路器的基本跳、合闸控制回路、灯光监视的断路器控制回路、灯光监察液压操作机构操作断路器控制回路

复习旧课:

操作电源概述、蓄电池组直流操作直流、硅整流电容储能装置直流系统、复式整流装置直流系统、直流系统的绝缘监察与电压监察装置;重点:

掌握断路器控制方式、断路器控制回路的基本要求、断路器的基本跳、合闸控制回路、灯光监视的断路器控制回路、灯光监察液压操作机构操作断路器控制回路;

难点:

掌握断路器控制方式、断路器控制回路的基本要求、断路器的基本跳、合闸控制回路、灯光监视的断路器控制回路、灯光监察液压操作机构操作断路器控制回路;

引入新课:

第一节  概述

一、断路器控制方式

断路器是电力系统中最重要的开关设备,在正常运行时断路器可以接通和切断电气设备的负荷电流,在系统发生故障时则能可靠地切断短路电流。

断路器一般由动触头、静触头、灭弧装置、操动机构及绝缘支架等构成。

为实现断路器的自动控制,在操动机构中还有与断路器的传动轴联动的辅助触头。

断路器的控制方式有多种,分述如下。

1.按控制地点分

断路器的控制方式接控制地点分为集中控制和就地(分散)控制两种。

(1)集中控制。

在主控制室的控制台上,用控制开关或按钮通过控制电缆去接通或断开断路器的跳、合闸线圈,对断路器进行控制。

一般对发电机、主变压器、母线、断路器、厂用变压器35kV以上线路等主要设备都采用集中控制。

(2)就地(分散)控制。

在断路器安装地点(配电现场)就地对断路器进行跳、合闸操作(可电动或手动)。

一般对10kV线路以及厂用电动机等采用就地控制,可大大减少主控制室的占地面积和控制电缆数。

2.按控制电源电压分

断路器的控制方式接控制电源电压分为强电控制和弱电控制两种。

(1)强电控制。

从断路器的控制开关到其操作机构的工作电压均为直流110V或220V。

(2)弱电控制。

控制开关的工作电压是弱电(直流48V),而断路器的操动机构的电压是220V。

目前在500kV变电所二次设备分散布置时,在主控室常采用弱电一对一控制。

3.按控制电源的性质分

断路器的控制方式按控制电源的性质可分为直流操作和交流操作(包括整流操作)两种。

直流操作一般采用蓄电池组供电;交流操作一般是由电流互感器、电压互感器或所用变压器提供电源。

二、对断路器控制回路的基本要求

断路器的控制回路必须完整、可靠,因此应满足下面一些要求:

(1)断路器的合、跳闸回路是按短时通电设计的,操作完成后,应迅速切断合、跳闸回路,解除命令脉冲,以免烧坏合、跳闸线圈。

为此,在合、跳闸回路中,接入断路器的辅助触点,既可将回路切断,又可为下一步操作做好准备。

(2)断路器既能在远方由控制开关进行手动合闸和跳闸,又能在自动装置和继电保护作用下自动合闸和跳闸。

(3)控制回路应具有反映断路器状态的位置信号和自动合、跳闸的不同显示信号。

(4)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。

(5)对控制回路及其电源是否完好,应能进行监视。

(6)对于采用气压、液压和弹簧操作的断路器,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。

(7)接线应简单可靠、使用电缆芯数应尽量少。

三、控制开关

控制开关又称万能转换开关,是由运行人员手动操作,发出控制命令使断路器进行跳、合闸的装置。

发电厂和变电所常用的控制开关为LW系列自动复位的控制开关,有三种类型:

(1)LW2系列控制开关:

是跳、合闸操作都分两步进行,手柄和触点盒有两个固定位置和两个操作位置的封闭式控制开关。

此种开关常用于火电厂和有人值班的变电所中。

(2)LW1系列控制开关:

是跳、合闸操作只用一步,其手柄和触点只有一个固定位置和两个操作位置的控制开关。

此种开关常用于无人值班的变电所和水电站中。

(3)LWX系列强电小型控制开关:

其跳、合闸为一步进行,近年来在各种集控台的控制和300MW以上机组的分控室中已被广泛应用。

下面以LW2型控制开关为例说明控制开关的结构及作用。

图5-1  LW2-Z型控制开关结构图

(a)控制开关外形图;(b)控制开关左视图

1.控制开关的构成

图5-l是发电厂和变电所普遍应用的LW2-Z型控制开关的结构图。

左端是操作手柄,装于屏前;与手柄固定连接的方轴上装有5~8节触点盒,用螺杆相连装于屏后,如图5-1(a)所示。

图5-1(b)是控制开关的左视图,由图可见,控制开关的手柄有两个固定位置和两个操作位置。

固定位置:

垂直位置是预备合闸和合闸后;水平位置是预备跳闸和跳闸后。

操作位置:

右上方为合闸位置,左下方为跳闸位置。

控制开关的操作过程:

合闸操作:

如图5-1(b)示出手柄为预备合闸状态,将手柄右旋30°为合闸位置,手放开后在自复弹簧的作用下,手柄复位于垂直位置,成为合闸后位置;

跳闸操作:

先将手柄左旋至水平位置,即预备合闸位置,再左旋30°即为跳闸位置,手放开后在自复弹簧的作用下,手柄复位于水平位置,成跳闸后位置。

2.控制开关的触点盒位置表

表5-1          LW2-Z和LW2-YZ型触点盒位置表

控制开关右端的数节触点盒,其四角均匀固定着四个静触点,其触点外端伸出盒外接外

电路,而内端与固定于方轴上的动触点簧片相配合。

由于动触点(簧片)的形状及安装位置的不同,组成14种型号的触点盒,代号为1、la、2、4、5、6、6a、7、8、10、20、30、40、50,如表5-1所示。

其中1、1a、2、4、5、6、6a、7、8型的动触点是固定于方轴上随轴转动的,而后5种触点是有自由行程的,即进行跳、合闸操作时动触点随轴转动,而手柄自复后触点不随轴复位,其中10、40、50型的动触点在轴上有45°的自由行程;20型有90°自由行程;30型有135°自由行程。

LW2型控制开关型号、型式及其符号含义

(1)型号说明

LW2-1-2/34-56-7

式中  1 开关型式,共有6类,如表5-1所示;

2 触点型式,共14种;

3 板面型式,共有两种,“F”为方形,“O”为圆形;

4 手柄型式,共有9种;

5 定位器型式,共有两种,45°定位用“8”表示,90°定位不表示;

6 限位装置,有者以“×”表示,无者不表示;

7 触点特殊排列时用A表示。

(2)开关型式及其表示符号

表5-3  LW2-Z-1a、4、6a、40、20/F8型开关触点通断符号表

表5-2     开关型式及其型号含义表

型 号

特   点

LW2-YZ

LW2-Y

LW2-Z

LW2-W

LW2

LW2-H

带定位及自动复归,手柄内有信号灯

带定位,手柄内有信号灯

带有自复及定位机构

带有自复机构

带有定位机构

带定位及可取出的手柄

3.常用的断路器触点图表               

下面以LW2-Z-la、4、6a、40、20、20/F8型控制开关为例介绍。

左列所示手柄的六种位置为屏前视图,而其余右边触点盒的触点通断状况是由屏后视的。

触点排号为逆时针方向次序,“•”号表示触点接通,“一”表示触点断开。

在发电厂和变电所的工程图中,控制开关的应用十分普遍,按新标准将控制开关SA的触点通断状况用图形符号表示如表5-3所示。

表中6条垂直虚线表示控制开关手柄的6个不同位置:

C一合闸、PC一预备合闸、CD一合闸后;T一跳闸、PT一预备跳闸、TD一跳闸后。

水平线表示触点的引出线,水平线下的黑圆点表示该对触点在此位置是接通的,否则是断开的。

表5-4     LW2-Z-1a、4、6a、40、20、20/F8型控制开关触点图表

第二节  断路器的基本控制回路

在发电厂和变电所中有多种成熟的基本控制回路,这些典型接线可以独立运行,也可互相组合构成更复杂的控制回路。

一、断路器的基本跳、合闸控制回路

断路器基本跳、合闸回路如图5-2所示,其工作原理简述如下。

(1)合闸操作。

手动合闸是将控制开关SA打至“合闸”位置,此时其5—8触点瞬时接通;而断路器在跳闸位置时其动断触点QF2是接通的,所以合闸接触器KM线圈通电起动,其动合触点接通,断路器合闸线圈YC通电启动,断路器合闸。

当合闸操作完成后,断路器的动断辅助触点QF2断开,合闸接触器KM线圈断电,在合闸回路中的两个动合触点断开,切断断路器合闸线圈YC的电路;同时,断路器动合触点QF1接通,准备好跳闸回路。

断路器的自动合闸是由自动重合闸装置的出口触点K1闭合实现的。

(2)跳闸操作。

手动跳闸是将控制开关SA打至“跳闸”位,此时其6—7触点接通,而断路器在合闸位置时其动合触点QF1是接通的,所以跳闸线圈YT通电,断路器进行跳闸。

当跳闸操作完成后,断路器的动合触点QF1断开,而动断触点QF2接通,准备好合闸回路。

图5-2  断路器基本跳、合闸回路

断路器的自动跳闸是由保护装置出口继电器K2触点闭合来实现的。

二、断路器的防跳(跳跃闭锁)控制回路

1.断路器的“跳跃”现象及危害

如果手动合闸后控制开关(SA的手柄尚未松开5—8触点仍在接通状态)或者自动重合闸装置的出口触点K1烧结,若此时发生故障,则保护装置动作,其出口K2触点闭合,跳闸线圈YT通电起动使断路器跳闸,则QF2接通,使接触器KM又带电,使断路器再次合闸,保护装置又动作使断路器又跳闸……,断路器的这种多次“跳一合”现象称为“跳跃”。

如果断路器发生跳跃,势必造成绝缘下降、油温上升,严重时会引起断路器发生爆炸事故,危及设备和人身的安全。

图5-3  由防跳继电器构成的断路器控制回路

2.断路器的“防跳”控制回路

在35kV及以上电压的断路器控制回路中,通常加装防跳中间继电器KCF,如图5-3所示。

KCF常采用DZB型中间继电器,它有两个线圈:

电流起动线圈KCF1,串接于跳闸回路中;电压(自保持)线圈KCF2,与自身的动合触点串联,再并接于合闸接触器KM的回路中。

当手动合闸时SA的5—8触点尚未断开或自动装置K1触点烧结,此时发生故障,则继电保护装置动作,K2触点

闭合,经KCF1的电流线圈、断路器动合触点QF1,跳闸线圈通电起动,使断路器跳闸。

同时,KCF1电流线圈起动,其动合触点闭合,使其经电压线圈KCF2自保持,而KCF的动断触点断开,可靠地切断KM线圈回路,即使SA的5—8触点接通,KM也不会通电,防止了断路器跳跃现象的发生。

只有合闸命令解除(SA的5—8触点断开或K1断开),KCF2电压线圈断电,才能恢复至正常状态。

对于3~10kV电压等级的断路器,如果采用室内开关柜,没装自动重合闸,由于开关柜具有机械防跳装置,为了简化接线,此时断路器可不设电气“防跳”装置。

三、断路器的位置指示

断路器的跳闸、合闸状态在主控制室应有明确的指示信号,一般有双灯制(红、绿灯)和单灯制(白灯)两种接线方式。

图5-4  断路器的位置指示接线图

(1)双灯制控制接线。

断路器的双灯制位置指示接线如图5-4所示。

当断路器在跳闸位置时,其动断触点QF2接通,绿灯(HG)亮;当断路器在合闸位置时,其动合触点QF1接通,红灯(HR)亮。

即红灯(HR)亮表示断路器在合闸状态,绿灯(HG)亮表示断路器在跳闸状态。

(2)单灯制控制接线。

单灯制用灯光和控制开关手柄位置来表示断路器手动跳、合闸位置。

有中控台的,一般也设置跳、合闸位置继电器,利用其相关的触点接通中央音响信号及模拟灯信号回路。

四、断路器自动跳、合闸的信号回路

断路器由自动装置驱动进行跳、合闸时,信号灯是闪光的,与手动跳、合闸时信号灯是平光的有所区别。

现以双灯制断路器的跳、合闸信号回路为例,具体分析如下。

图5-5是断路器跳、合闸双灯制信号回路接线图,其动作原理简析如下。

1.断路器跳闸信号

(1)手动合闸。

SA置“跳闸后”位置时,其触点10—11通,绿灯HG经QF动断触点发平光,表示断路器手动跳闸。

(2)自动跳闸。

SA在“合闸后”位置时,其9—10触点通,此时若发生故障,自动装置动作使断路器自动跳闸,QF2动断触点自动接通,绿灯HG经SA的9-10触点接至闪光小母线M100(十),则绿灯闪光,表示断路器自动跳闸。

(3)绿灯闪光解除。

值班人员将SA打至“跳闸后”位置,其触点10—11接通,9-10

断开,绿灯接至“十”电源小母线,所以绿灯又发平光,闪光解除。

2.断路器合闸信号

(1)手动合闸。

SA置“合闸后”位置时,其触点13—16

图5-5  断路器跳、合闸双灯制信号回路接线

接通,红灯HR经动合触点QF1发平光,表示断路器手动合闸。

(2)自动合闸。

断路器在“跳闸后”位置时,SA的14—15触点通,此时若自动装置动作使断路器自动合闸,则QF的动合触点QF1自动接通,红灯HR经SA的14—15触点接至闪光小母线M100(+),则红灯HR闪光,表示断路器自动合闸。

(3)红灯闪光解除。

值班人员将SA打至“合闸后”位置,其触点16—13接通,14—15断开,红灯接至“十”电源小母线,所以红灯又发平光,闪光解除。

3.事故音响信号起动回路

断路器自动跳、合闸后,不仅指示灯要发出闪光,而且还要求发出事故音响信号(蜂鸣器HA)。

事故音响信号是利用不对应原则实现的,全厂共用一套音响装置。

(1)事故音响信号何时发出?

在电力系统发生的故障中,暂时性故障占70%以上,所以规定断路器因系统故障而自动跳闸后,应自动(或手动)重合闸一次,以判断故障的性质。

如为暂时性故障(风吹树枝、竹杆碰线、鸟害等)故障很快消除,则重合闸会成功;如为永久性故障(如线路断线、杆塔倒地等),故障不会自动消除,当重合于故障线路上,则断路器在保护装置的作用下即刻跳开,应发出音响。

(2)手动重合闸的要求。

在事故发生后,若需手动重合闸,则控制开关由原“合闸后”先打至水平位,然后打至“预备合闸”、“合闸”、“合闸后”,由于断路器已跳闸,为使控制开关在转到“预备合闸”和“合闸”位置瞬间,不会因断路器触点与控制开关触点接通误发事故音响信号,使值班人员难辨真假,故在接线中应采用只有在“合闸后”位置才接通的触点,而在表5-4找不到这样的触点,所以采用1-3与19—17两对触点串接的方法来实现只在“合闸后”才接通的要求。

(3)用“不对应原则”启动事故音响回路。

图5-6为事故音响信号启动回路,由图可见,要接通M708至-700回路,即SA的1—3与19—17触点需与QF动断触点同时接通。

SA的1-3与19—17触点在“合闸后”通,而QF动断触点在跳闸后才闭合,这样利用控制开关

SA的位置与断路器(辅助触点)位置不对应接通事故音响信号的原则,就叫不对应原则。

灯光信号也存在这样的问题:

在合闸操作过程中,由于不对应原则使信号灯闪光。

因为,在图5-6中,原SA在“合闸后”位置,9—10触点接通;当断路器自动跳闸后,其动断触点闭合,绿灯HG经SA的9—10接至M100(十),所以闪绿光。

此时手动SA,置“预备跳闸”绿灯平光、“预备合闸”-绿灯闪光、“合闸”一绿灯仍闪光、“合闸后”瞬间绿灯仍闪光,直至断路器合闸完成,其辅助触点同时切换完毕,绿灯灭,红灯经QF动合触点、SA的13—16触点发平光,表明合闸操作过程的完成。

图5-6  事故音响信号起动回路

五、断路器控制回路完好性的监视

断路器的控制回路包括熔断器和其回路接线,必须对其有经常性的监视,否则当熔断器熔断或控制回路断线(经常是接触不良)时,将不能正常进行跳、合闸操作。

目前广泛采用的控制回路完好性监视方式有两种,即灯光监视和音响监视。

在中小型发电厂和变电所一般采用双灯监视方式,在大型发电厂和变电所则多采用单灯加音响监视方式。

(1)双灯制监视方式。

如第三节图5-7所示,当断路器在跳闸位置时,若控制回路完好则绿灯HG亮,否则说明熔断器熔断或合闸回路断线;同理,红灯HR亮,表明断路器在合闸位置,同时说明跳闸回路是完好的。

(2)单灯制监视方式。

如第四节图5-8所示,将跳闸位置继电器KCT的动断触点和合闸位置继电器KCC的动断触点串联接于控制回路断线小母线M7131与“十”电源之间。

当控制回路熔断器熔断时,KCT和KCC同时失电,其动断触点同时闭合,接通信号继电器KS,发出控制回路断线的音响和光字牌信号;并进一步由控制开关SA手柄内信号灯的熄灭与否,找出故障回路。

第三节  灯光监视的断路器控制回路

在发电厂和变电所中,常见的断路器控制回路可分为两种,即灯光监视的控制回路和音响监视的控制回路

图5-7是灯光监视的断路器控制回路接线图。

由图可见,

图5-7是由基本控制回路图5-2、图5-3、图5-5和图5-6组合而成,该接线图折动作原理分析如下:

图5-7  灯光监视的断路器控制回路接线图

(1)手动合闸或自动装置合闸。

手动合闸,SA的5-8触点瞬间接通(或自动装置动作,其出口继电器动合触点K1闭合),此时断路器动断触点QF2和防跳继电器KCF动断触点是接通的,所以控制电源电压加到合闸接触器KM的线圈上,其动合触点闭合,启动合闸回路中的断路器合闸线圈YC,断路器合闸。

手动合闸的灯光信号:

手动合闸后,SA的16—13触点接通,断路器合闸后其动合触点QF1闭合,所以红灯HR经SA16—13→R2→KCF1→QF1→YT通电发平光。

但因回路中串有KCF1、R2及HR等电阻元件,所以YT和KCF1两线圈上压降达不到其启动值,所以断路器不会跳闸。

自动合闸时的灯光信号:

自动装置动作,K1闭合,KM启动,断路器自动合闸。

此时,SA是处在“跳闸后”位置,SA的14—15触点接通,所以红灯HR经SA的14—15触点→R2→KCF1→QF1→YT接至闪光小母线M100(十)上,红灯HR闪光。

(2)手动跳闸或保护装置动作跳闸。

手动跳闸,SA的6-7触点接通(或保护装置动作,其出口继电器动合触点K2闭合),此时断路器动合触点QF1是闭合的,所以控制电源电压加到断路器跳闸线圈YT和防跳继电器KCF1线圈上。

YT阻抗大于KCF1的阻抗,但KCF1电流线圈灵敏度高于YT,所以两线圈同时启动。

YT启动断路器跳闸,而防跳继电器KCF启动,其触点进行切换。

手动跳闸的灯光信号:

手动跳闸后,SA的10—11触点接通,而断路器动断触点QF2闭合,所以绿灯HG经SA的10—11→R2→QF2→KM线圈通电发平光。

但因回路中串有HG

和Rl电阻元件,KM线圈上压降达不到其启动值,所以断路器不会合闸。

自动跳闸时的灯光信号:

自动装置动作,K2闭合,断路器跳闸。

此时,SA在“合闸后”位置,其9—10触点接通;断路器跳闸后,QF3闭合,所以绿灯HG经SA的9—10触点→R1→QF2→KM线圈接到闪光小母线M100(十)上,绿灯HG闪光。

(2)跳、合闸回路完整性监视。

在跳、合闸回路中接入红、绿信号灯:

①跳闸回路,红灯亮表示断路器在合闸状态(QF1动合触点闭合),且跳闸回路是完好的(YT回路畅通)。

②合闸回路,绿灯HG亮,表示断路器在跳闸状态(QF2动断触点闭合)。

且合闸回路是完好的(KM线圈回路畅通)。

(3)熔断器完好性监视。

红灯HR或绿灯HG有一个亮,则表明熔断器FU是完好的。

(4)KCF动合触点串一电阻R4与K2动合触点并联,防止当K2先于QF1跳开时烧坏K2触点,而加入KCF动合触点与R4串联,即使K2先跳开,因有与之并联的KCF及R4,所以K2不会烧坏。

(5)灯光监视的控制回路的优缺点。

该回路结构简单,红、绿信号灯指示断路器的位置十分明显;但在大型发电厂和变电所中,因控制屏多,所以必须加入音响信号,以便及时引起值班人员的注意。

第四节  音响监视的断路器控制回路

音响监视的断路器控制、信号电路如图5-8所示。

操作机构为电磁操作。

图中M709、M710为预告信号小母线;M7131为控制回路断线预告小母线;SA为LW2-YZ-1a、4、6a、40、20、20/F1型控制开关;KCC、KCT为合闸、跳闸位置继电器;KS为信号继电器;H为光字牌。

电路的动作过程如下:

1.断路器的手动控制

断路器手动合闸前,跳闸位置继电器KCT线圈带电,其常开触点KCT闭合,由十700经SA14—15触点→KCT常开触点→SA1—3触点→R1至一700形成通路。

信号灯发平光。

手动合闸操作时,将控制开关SA置于“预备合闸”位置,此时,M100(十)经SA13一14→KCT→SA1—3→R1至一700形成通路,信号灯闪光。

接着将SA置于“合闸”位置,SA9-12触点接通,接触器KM带电,其常开触点闭合,合闸线圈YC带电,使断路器合闸。

断路器合闸后,SA自动复归至“合闸后”位置。

此时由于断路器合闸,合闸位置继电器KCC线圈带电,其常开触点闭合后,+700经SA17—20触点→KCC→SA2—4→R1至-700形成通路,信号灯发平光。

手动跳闸操作时,先将SA置于“预备跳闸”位置,此时,M100(十)经SA17-

18→KCC→SA1—3→R1至-700形成通路,信号灯闪光。

再将SA置于“跳闸”位置,SA10-11触点接通,跳闸线圈YT带电,使断路器跳闸。

断路器跳闸后,SA自动复归至“跳闸后”位置,KCT带电,常开触点闭合,此时SA14—15触点通,信号灯发平光。

2.断路器的自动控制

当自动装置动作后,K1触点闭合,短接SA9—12触点,合闸回路接通,断路器合闸。

此时,SA位于“跳闸后”位置,M100(十)经SA18—19→KCC触点→SA1-3→R1至-700形成通路,信号灯闪光。

操作SA至“合闸后”位置使信号灯发平光。

当继电保护动作、保护出口继电器KCO触点闭合接通跳闸回路,使跳闸线圈YT带电,断路器跳闸。

此时,M100(十)经SA13—14→KCT→SA2—4→R1至-700形成通路。

信号灯闪光。

同时SA5—7、SA23—21和KCT的常开触点均闭合,接通事故跳闸音响信号回路,发事故音响信号。

图5-8  音响监视的断路器控制、信号回路接线图

表5-5   LW2-YZ-1a、4、6a、40、20、20/F1型控制开关触点图表

3.控制电路电源监视

当控制电路的电源消失(如熔断器FU1、FU2熔断或接触不良)时,KCC和KCT同时失电,其常开触点断开,信号灯熄灭,其常闭触点闭合,起动信号继电器KS,KS的常开触点闭合接通光字牌H显示“电源消失”同时发出音响信号。

当断路器、SA均在合闸(或跳闸)位置,跳闸(或合闸)回路断线时,都会出现信号灯熄灭,光字牌点亮并延时发音响信号。

如果控制电源正常,信号电源消失,则不发音响信号,只是信号灯熄灭。

4.音响监视的优点

(1)由于跳闸和合闸位置继电器的存在,使控制回路和信号回路分开,这样可以防止当回路或熔断器断开时,由于寄生回路而使保护装置误动作。

(2)利用音响监视回路的完好性,便于及时发现断线故障。

(3)信号灯减半,对大型发电厂和变电所不但可以避免控制屏太拥挤,而且可以防止误操作。

(4)减少了电缆芯数。

但是、音响监视采用单灯制,增加了两个继电器(KCT和KCC),位置指示灯采用单灯不如双灯直观。

目前只有大型发电厂、变电所宜采用音响监视方式。

第五节 灯光监察弹簧操作断路器控制回路

一、对弹簧储能操作的特殊要求

图5-9  弹簧操作灯光监视

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