线路巡检中的远距离多频谱信号隐患检测技术研究科技项目申请书及可行性研究报告.docx
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线路巡检中的远距离多频谱信号隐患检测技术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
线路巡检中的远距离多频谱信号隐患检测技术研究
项目
负
责
人
姓名
邹宇
工作单位
钦州供电局
性别
男
年龄
35
职称
工程师
项
目
分
类
[]基础性研究
[]前瞻性研究
[√]应用性研究
[]发电技术[]输电技术[]变电技术
[√]配电技术[]用电技术[]电网运行技术
[]信息技术[]通信技术[]物资管理技术
[]电网建设[]继保自动化[]其它
项目起止时间
2017年3月——2018年12月
申请经费总额
186万元
是否重点项目
否
项目摘要（500字以内）：
配电线路长期运行过程中，可能存在绝缘子污秽爬闪、金具放电等安全隐患，如果不及时排除，可能演化造成短路跳闸、甚至断线等重大事故。
人工巡检是目前发现配电线路隐患的主要方式，由于人工评估隐患缺乏客观判定标准，且线路隐患通常不易被肉眼辨识，因而工作效率低、巡检效果差。
现有的基于红外或紫外的探测方法可探测的隐患类型有限，且易受环境干扰；单纯利用超声的缺陷放电探测方法则受限于信号的衰减及噪声水平，无法直接应用于离地面较高的配电线路及杆塔。
因此亟需一种新技术解决现有配电线路故障隐患探测困难、无法及时发现的难题。
本项目拟研究一种适用于配电线路的多源隐患放电巡检技术，工作人员在远距离处，仅需将巡检设备的探测单元对准配电线路的被检测部位，即可实现对隐患放电的智能探测。
一旦发现配电线路存在有隐患，结合激光方向指示及测距，巡检设备可发出信号提示隐患位置并辨识隐患类型，实现配电线路隐患点的快速探测与精准定位，从而可弥补传统人工巡检方式工作量大、人员紧、效率低、遗漏率高的不足，明显提高电网运行安全性和供电可靠性。
预期成果成熟度水平
6级（1-9级）
项目负责人意见：
（签字）年月日
申请单位意见：
（公章）年月日
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
项目申请单位
钦州供电局
协作单位1
1）研究配电线路典型设备隐患放电特性。
2）远距离隐患超声信号及微波信号采集技术研究。
3）基于超声以及微波信号的隐患粗定位及精细定位技术研究。
4）研究基于超声信号以及电磁信号的隐患放电诊断算法，开发终端处理程序及分析软件。
5）开发远距离手持式配电线路隐患检测巡检设备。
协作单位2
协作单位3
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
研究配电线路典型设备隐患放电特性
2017.3
2017.5
主要内容：
（1）根据线路隐患形成机理，设计并开展配电线路隐患模拟试验，研究不同设备不同隐患类型下隐患放电特性；
（2）研究隐患信号的传播与衰减特性。
交付项：
（1）提交《配电线路隐患试验研究报告》。
（2）撰写论文1篇、申请实用新型专利1项。
远距离隐患超声信号及微波信号采集技术研究
2017.6
2017.9
主要内容：
（1）研究远距离隐患放电超声信号及微波信号采集技术；
（2）研究相应的信号处理电路完成信号放大与滤波。
交付项：
（1）提交《远距离隐患放电超声信号及微波信号采集方法》；
（2）提交信号放大以及滤波电路。
（3）申请发明专利1项、实用新型专利1项。
基于超声以及微波信号的隐患粗定位及精细定位技术研究
2017.10
2018.1
主要内容：
（1）研究超声、微波信号的初步定位方法；
（2）研究干扰信号屏蔽及有效信号提取算法；
（3）研究隐患点定位及诊断策略实现准确定位。
交付项：
（1）提交《多频谱信号测距方法及信号处理方法》；
（2）申请发明专利1项。
研究基于超声信号以及电磁信号的隐患放电诊断算法，开发终端处理程序及分析软件
2018.2
2018.5
主要内容：
（1）研究基于超声信号以及微波信号的隐患放电诊断算法。
交付项：
（1）提交《多频谱信号放电诊断方法》；
（2）提交终端处理程序及分析软件。
开发远距离手持式配电线路隐患检测巡检设备
2018.6
2018.10
主要内容：
（1）研究配电线路手持式多频谱隐患巡检设备；
（2）完成项目验收。
交付项：
（1）提交配电线路隐患手持式巡检设备1台；
（2）提交项目验收资料。
项目验收
2018.11
2018.12
主要内容：
组织完成项目验收。
交付项：
技术总结报告、项目结算报告等项目验收材料
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。
项目组成人员情况
序号
姓名
年龄
职称、职务
工作单位
任务分工
1
工程师、专责
钦州供电局
项目负责人
2
工程师、主任
钦州供电局
技术指导、工作协调
3
工程师、主任
钦州供电局
选择项目实施点、协助安装及监控数据收集
4
工程师、副主任
钦州供电局
选择项目实施点、协助安装及监控数据收集
5
助理工程师、副班长
钦州供电局
现场安装、调试
6
工程师、专责
钦州供电局
技术支持、指导
7
高级技师、专责
钦州供电局
技术支持、指导
8
助理工程师、班长
钦州供电局
现场安装、调试
9
高级技师、专责
钦州供电局
技术支持、指导
10
助理工程师、副班长
钦州供电局
现场安装、调试
一、目的和意义
1.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
近年来，公司所属电网规模持续发展，线路运行维护所需的用工量猛增。
仅仅依靠扩大运维人员队伍，一方面增加了公司生产成本，另一方面由于专业运维人员的技术成长周期较长，也无法在短期内形成有效战斗力，因而如何做好线路运维是随电网规模迅速扩大而面临的突出问题。
现有的线路运维工作还主要停留在人工巡检的阶段，由于运维人员数量不足，无法满足线路规模快速增长的需求，使得实际工作中存在巡线效率低、探测准确率低、耗费资源量大等诸多问题。
因此，在线路运维工作中引入高新探测技术，实现线路运维的智能化是提升公司线路运维生产力水平的必然发展趋势。
2.项目成果对该现状和技术发展的作用
配电线路很多架设于复杂恶劣的环境下，长期运行的配电线路设备会出现绝缘老化与缺陷，形成配电线路运行的隐患。
如果隐患不能及时排除，最终可能演化成贯穿式的绝缘缺陷进而引起配电线路故障，导致供电中断，给国民生产带来巨大损失。
现阶段，主要依靠人工夜间巡检来发现绝缘子污秽以及金具放电。
对于积污严重的绝缘子串，由于泄漏电流的增加以及电场分布的不均，可能形成局部电弧，通过人工观察发现局部电弧，确定污秽局部放电点并进行及时清扫。
对于金具放电，依靠人工听觉识别放电声来完成，若发现金具隐患，及时进行更换或清扫。
然而，通常隐患的特征并不明显，巡检时难以通过肉眼或耳朵来识别，因此人工巡检难以避免工作强度大、效率低、误判率高等缺点。
本项目研究一种智能的多源隐患检测技术，开发配电线路隐患手持式巡检设备。
项目成果可解决目前单纯人工巡检的弊端，实现对线路隐患信号无遗漏的辨识、定位与预警，从而可以及时对可能演化成故障的配电线路绝缘子、金具进行清扫与更换，降低故障发生率，提高电网安全运行水平。
项目研究包括开发实用化的巡检装置，更重要的是提出隐患放电多源探测及隐患信号处理与识别等思想，践行智能运维技术的革新。
3.成果应用和推广的途径
通过项目的开展，拟在钦州供电局所辖电网的运维工作中，试点应用项目开发的手持式巡检设备进行隐患探测。
因这种线路隐患手持式巡检设备具有通用性，当试点应用取得良好效果后，可以向整个广西电网乃至南方电网推广应用。
4.成果推广后的直接和间接效益
项目成果推广应用后，可有效缓解人工巡检力量不足的矛盾，明显提高工作效率和巡检效果，大幅降低人工排查隐患放电的运维费用，同时通过自动、快速、准确地辨识与定位隐患及预警，及时将缺陷消除，减少电网事故的发生，降低线路跳闸率，大大提高电网的运行安全性和供电连续性，减少停电损失，每年可产生经济效益数千万元以上。
同时，稳定可靠的供电，也为安定社会生产生活的正常进行提供了强有力的保证，具有良好的社会效益。
二、项目研究的背景
1.国内外研究水平的现状和发展趋势
随着传感器技术以及配电线路隐患放电特性的研究不断提升，在电网中采用自动化、智能化设备辅助人工巡线作业已经成为电网发展的必然趋势，在架空配电线路绝缘子污秽及金具放电等隐患的查找方面也不例外。
按照查找的方式，可以分为人工巡检、辅助设备人工巡检阶段。
人工巡检方式是主要依赖于巡检人员的视觉、听觉等主观感受对故障前兆进行查找。
对于绝缘子污秽与金具放电等隐患，主要依靠在夜间巡线时发现污秽绝缘子上的局部电弧爬闪以及依靠听觉辨识放电声音，具有巡线效率低、探测效率低、工作量等缺点。
而辅助设备人工巡检是指借助红外、紫外、超声、甚高频等信号对配电线路隐患进行检测，虽然隐患能够释放一定的非电信号，但通常情况下非电信号大都易遭受干扰，并且衰减特性明显，远距离测量配电线路隐患存有很大的障碍，因此一直以来没有辅助设备能够智能地识别与定位隐患。
本项目通过研发声、光、磁信号的综合运用，完成配电线路隐患的识别及定位，具有探测效率高、实时性强的诸多优势，是隐患设备探测的发展趋势，也是配电线路运维向自动化、智能化发展的重要表现。
2.国外研究机构对本项目的研究情况
早期对隐患的研究大都集中于绝缘子污秽方面。
上世纪60年代，波兰和英国学者就提出采用紫外检测法探测绝缘子上的电晕放电现象，以判别绝缘子的运行状态。
针对绝缘子积污后局部电弧发展可能产生发热区，日本和美国学者曾提出采用红外温度扫描仪查找可能发生污秽闪络的绝缘子。
近来，韩国开发出WUD-011配电线路车载巡检仪，利用超声波检测技术实现对电力设备缺陷的远距离检测，但因为其检测信号源单一，无法对隐患源进行有效定位，再者超声波的衰减特性高，该设备仅能适用于较短距离。
而在配电线路中隐患的探测尚处于研究阶段，并未在电网中推广应用。
且国外的研究主要还是对巡检技术的改进，未进行设备的研究。
3.国内研究机构对本项目的研究情况
近年来，我国电网规模急剧扩大，而随着电网运行年限的增加，配电线路设备因环境、老化、偶发的故障损伤而留有较大的安全隐患。
而隐患类别大致包括绝缘子污秽、金具放电、设备线夹、熔断器缺陷等，国内学者针对绝缘子污秽放电进行了大量研究，有的研究在分析绝缘子结构与电位特性的基础上采用红外检测方法，具有操作方便、抗干扰能力强、自动报警、实现远程监测等优点，但检测目标单一，无法针对熔断器缺陷等隐患。
有的研究基于矩形超高频天线阵列的局放源方向定位研究，通过天线时间差完成隐患放电点定位，并研究了放电源方向定位的算法，但在实际中电磁波的折反射将对准确性有较大干扰。
还有研究基于超声信号完成了对电缆分支箱内局放的检测，表明了电信号频谱和声信号频谱存在一定的同步增长关系，同时也表明超声信号易湮没在背景信号中，因此也需要进一步的研究。
综上，尽管我国学者已经开展了大量研究工作，但是配电线路隐患的远距离识别与定位仍难以推广至工程应用，主要存在三个方面的问题：
1）隐患检测信号大都仅包括单一的信号源，评估结果可靠性低；2）隐患检测信号受周围环境影响大，从而导致实验室环境下能够运行的设备无法应用至实际；3）基于多源隐患检测的综合算法研究在国内研究仍是空白，确定声、光、磁信号的综合算法需要大量的模拟试验与数据拟合，研究成本高昂。
4.项目研究的技术关键与难点
本项目拟研究配电线路隐患智能探测技术，并开发手持式巡检设备，其以配电线路存在的安全隐患为检测对象，巡检人员通过将探头对配电线路电气设备，即可进行隐患快速精准检测。
当存在隐患放电时，进行细查，利用声、光、电结合的方式实现放电点的精确定位。
本项目的难点在于配电线路不同隐患信号的获取、处理，以及基于多源信号的隐患识别与定位的算法，同时，将多功能集成于检测设备系统中需要大量编程实现。
三、项目申请单位具备的研究基础和条件：
1.项目负责人及团队主要人员简介；
项目负责人：
邹宇，男，本科，工程师，广西电网公司助理级技术专家。
项目负责人技术扎实，长期从事配电管理工作，具有比较丰富的工作经验。
其将在该项目中承担较大的工作量，带领项目小组成员完成该项目的顺利实施。
2.项目申请单位在相关研究领域曾开展的工作、曾取得的科研成果、曾获得的荣誉；
钦州供电局
在钦州智能配网系统建设中取得丰富的电网自动化建设经验，有着年轻而富有冲劲的建设团队。
钦州供电局的科技项目曾多次获广西电网公司科技进步二等奖、专利二等奖。
3.项目申请协作单位在相关研究领域已有的软硬件平台、理论研究环境、实验室条件等。
钦州供电局硬件、团队上，有“唐泽渊劳模工作室”，工作室有着一批有年轻的骨干成员，其中广西电网公司助理级技术专家3人、钦州供电局后备技术专家1人、高级工程师5人、高级技师10人。
四、项目研究内容、技术路线与实施方案
编写要求：
1.项目研究内容的详细说明（分专题或按内容序号描述）。
主要研究内容
1主要技术内容
1.1配电线路典型设备隐患放电特性研究
1.1.1技术现状和不足
对于配电线路设备隐患放电的探测技术，国内外主要采用人工巡检方式，由于隐患评估缺乏客观判定标准，且线路隐患通常不易被肉眼辨识，所以工作效率低，安全隐患大。
现有的基于红外及紫外的探测方法可探测隐患类型有限，且易受环境干扰；单纯超声局放探测方法则受限于信号的衰减及噪声水平，无法直接应用于离地面较高的配电线路及杆塔。
因此，暂时无可以直接推广至工程应用的技术设备。
1.1.2研究思路、技术路线及研究内容
该技术内容拟结合理论分析与模拟试验进行研究，主要有以下两个方面：
1）搭建配电线路隐患模拟试验平台
在实验室环境下模拟配电线路隐患放电，包括绝缘子沿面放电、线夹悬浮放电等试验环境，提出配电线路中设备缺陷、隐患、故障的发展过程与机理，研究局部放电、局部电弧乃至闪络时所测量的信号异同，同时采用模拟试验研究工作中导线所产生的固有电晕电流特征，作为实际配电线路中电晕的等效。
2）研究隐患放电超声信号、微波信号的传播与衰减特性
研究隐患放电超声信号的声强衰减特性以及不同介质中的折反射性能，并研究声波信号转化为电信号的转化过程，研究声传感器的压电效应与压电材料的选择，根据线路局放信号的中心频率设计传感器的谐振频率。
研究微波信号的传播与衰减特性，研究微波采集器的天线布置以及天线属性对应放电量的关系。
1.1.3成果预期应用
通过开展配电线路典型设备隐患放电特性研究，可以提出配电线路隐患放电的超声波、微波信号与电信号的转化关系，为建立配电线路隐患检测系统奠定理论基础。
1.2远距离超声波信号及微波信号采集技术研究
1.2.1理论基础
电气设备的绝缘缺陷在电压的作用下会发生局部放电，研究局部放电的热动力平衡过程，发现隐患放电同时伴随着声能、光能、热能、电磁能等其他形式能量释放过程。
其中隐患放电的声信号从电晕到电弧有较大差距，但大部分处于超声波范畴，超声波的采集需要压电传感器将声信号转化为电信号。
另一方面，隐患放电伴随有电磁能信号，采用天线阵列获取信号并实现定位。
1.2.2开发初步思路
1）信号采集包括超声波信号以及微波信号，其中超声波信号由于在空气中衰减特性强，在30m远处测量即可衰减30dB以上，因此探头采用市场先进的空气耦合压电传感器，基于声学传播原理，依据超声波信号在空气介质传播至固体介质时会发生全反射的特性，设计并制造抛物面聚焦器，可将一定范围内声信号聚焦至传感器探头完成对声信号的放大。
2）微波信号的采集，需研究全向天线阵列传感技术实现隐患放电的高频信号采集，利用信号首峰确定信号起始时刻，得到天线之间的信号到达时刻差，通过以矩形天线阵列的中心作坐标轴，利用三角关系计算出角度，得到放电源的角度。
1.2.3成果预期应用
通过研究远距离隐患超声信号与微波信号采集技术，可以实现在现场环境下对配电线路隐患放电源超声信号与微波信号的采集，通过后处理电路对采集的电信号放大并滤波，得到可供分析数据。
并且在不同干扰源情况下系统能够正常运行，同时满足一定精度。
1.3基于超声以及微波信号的隐患粗定位及精细定位技术研究
1.3.1理论基础
配电线路隐患放电所产生的超声信号与微波信号均可认为由点传播，因此传感器探头对准隐患源与否将大幅影响传感器所接受的信号大小，从而可实现粗定位。
超声波与微波在空气中传输速度不同，利用两者至传感器探头的时间差可完成精细定位，另外，天线阵列也可计算不同天线所采集到的信号时间差完成精细定位。
1.3.2研究步骤
1）在实验室环境下，搭建模拟隐患放电源，研究超声波传感器与微波传感器对准隐患源与否情况下示波器上信号差距，主要考察隐患源与背景条件下信号幅值大小以及探头切换时示波器信号变化速率。
2）同步采集并存储超声传感器以及天线阵列接收到的同一放电源发出的超声信号以及超高频电磁波信号，基于声、磁信号的时间差实现干扰信号屏蔽、有效信号的提取以及放电点的定位，最终研究得到放电点的定位与诊断策略，并通过试验验证算法的准确性，实现隐患放电的准确定位。
1.3.3成果预期应用
通过研究超声以及微波信号的隐患粗定位及精细定位技术研究，可实现隐患源的粗定位，误差可控制在1m内，采用声信号与微波信号时间差实现干扰信号屏蔽与精确定位，远距离测量可满足误差在0.2m内，基本满足配电线路实际环境中检测隐患源。
1.4隐患放电诊断算法研究与终端处理程序及分析软件开发
1.4.1隐患放电诊断算法原理
将多频谱探头对准配电线路隐患点，将采集到的超声波、微波信号进行放大滤波处理得到电信号，通过采集声信号与电磁信号可得到两种电信号幅值与时间的关系，由于超声波与微波的传播速度不同，通过计算两种电信号的峰值时间差，可完成对隐患点的定位，综合分析可判定是否为隐患放电。
1.4.2终端处理程序及分析软件开发
终端处理程序的方针开发环境采用CCS2000，提供全Windows界面，人机界面友好，便于操作，可提供对CPU各种寄存器、内存空间的监控，分析软件开发采用汇编语言编程，满足可拓展性。
1.4.3成果预期应用
通过研究隐患放电诊断算法，开发终端处理程序及分析软件，可完成隐患信号的综合辨识与分析，自动评估隐患源位置与隐患源类型。
1.5远距离手持式配电线路隐患巡检设备开发
1.5.1研制配电线路手持式多频谱隐患巡检设备
设备采用模块化设计，包括数据采集模块、数据分析模块、设备供能模块，其中数据采集模块包括DSP高速采样机及芯片、超声波压电传感器、天线、激光发射装置以及所对应的放大滤波电路，完成对所需数据的采集与储存；数据分析模块包括隐患放电诊断综合算法，完成对隐患的识别与定位；设备供能模块完成对上述模块的供能。
1.5.2成果预期应用
通过研究隐患放电诊断算法，开发终端处理程序及分析软件并研制配电线路手持式多频谱隐患巡检设备，可以实现智能化隐患巡检，实时高效地排查配电线路隐患点，定位隐患点的位置并辨识隐患类型，从而指导运维单位及时处理，防止进一步演化成配电线路闪络故障的发生，可极大地提升线路的安全运行水平，减少线路停电损失。
此外，本设备还具有较高的技术经济性，钦州所辖电网仅需配备数台设备即可完成日常巡检需求。
2主要技术难点
难点1：
隐患放电的有效信号难以提取
解决思路：
结合理论分析和模拟试验的技术路线，通过在实验室条件下搭建模拟隐患模拟试验，研究隐患放电的声、光、磁信号特性，分析背景噪音以及电气设备电磁干扰对隐患放电信号的干扰。
难点2：
超声波信号在空气介质中衰减快，对传感器要求苛刻
解决思路：
根据超声波的传播特性与折反射特性，提出抛物面聚焦声传感器，其包含2个部分。
第一部分为抛物面聚焦器，采用超声波从空气入射至固体发生全反射原理，将超声波信号聚焦至一点，理论上可增大倍数30dB；第二部分为传感器探头，采用先进的空气耦合传感器，可以在非接触、不需要耦合剂情况下实现声信号转化为电信号。
难点3：
多源隐患信号综合处理困难
解决思路：
针对声、光、磁三种信号设计不同的滤波电路与放大电路，研究不同信号的谐振频率，保证隐患信号的灵敏度远大于干扰信号，选择切比雪夫放大电路可实现对电信号有效放大。
2.项目研究拟采用的技术路线的详细说明。
要描述具体的理论研究步骤，现场试验的地点和试验计划。
需要建设试验手段的项目，要给出试验手段的结构和作用；
项目拟采用的技术路线如图1所示。
首先，通过查阅大量文献以及在实验室环境下模拟配电线路设备局放，分析配电线路设备隐患、缺陷如绝缘子沿面放电、线夹悬浮放电等放电特性，研究信号传播特性与衰减特性；其次，基于超声波传播特性以及微波信号的特性研制对应的传感器探头以及信号滤波放大电路，确保隐患信号被有效采集；再次，基于声、磁信号的时间差及激光测距的距离信息进行隐患放电定位算法研究，并实现干扰信号屏蔽与有效信号的提取；再次，研究基于声信号以及电磁信号的隐患放电诊断算法，开发终端处理程序及分析软件；最后，研制开发配电线路手持式多源隐患放电巡检设备。
图1项目拟采用的技术线路
根据上述的项目技术路线，远距离隐患超声信号及微波信号采集技术的研究是本项目开展的关键。
远距离隐患超声信号的采集依靠聚焦声传感器，如图2所示，其抛物面采用环氧树脂制作，采用先进的制模技术保证加工精度与光洁度，焦距F=0.1m，口径r=0.1m，声传感器采用空气耦合传感器，其中心频率为40kHz，灵敏度>66dB，滤波频带为20kHz-150kHz。
为提高信噪比，同时在声传感器外壳的四个内壁粘贴吸音材料，选用背衬材料吸收内部杂波。
图2聚焦声传感器示意图
隐患放电的微波信号采集依靠全向天线阵列传感技术实现，基于矩形天线阵列的局放源方向定位系统，首先应保证能够接受全方位的信号，且增益相同，不存在盲点，死区及信号幅值差异过大等问题，同时天线具备有较低的天线系数以保证其灵敏度。
基于矩形天线阵列的局放源定位试验接线图如图3所示，通过测量典型的针板间隙放电来评估传感器阵列的工作效果。
图3传感器阵列接线示意图
为模拟配电线路中电气设备存在的电晕干扰，采用导线的固有电晕电流模拟试验，如图4所示。
试验导线和电晕笼的结构通过电场等效原理进行设计，使得实验室下的导线表面电场与运行中实际导线表面电场相同。
试验变压器经过水电阻后给电晕笼施压，以使导线产生与运行中相近的电晕放电。
试验导线通过过电流保护装置接地，并采
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