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硕士学位论文硕士学位论文 (工程硕士) 220kv 垂直排列双分裂导线粘连分析 及预防措施 220220220220 kvkvkvkv twintwintwintwin bundlebundlebundlebundle ofofofof verticalverticalverticalvertical conservationconservationconservationconservation adhesionadhesionadhesionadhesion analysisanalysisanalysisanalysis andandandand preventionpreventionpreventionprevention measuresmeasuresmeasuresmeasures 杨常青杨常青 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2012201220122012 年年 9 9 9 9 月月 国内图书分类号: tm341学校代码: 10213 国际图书分类号:621.3密级:公开 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 220kv 垂直排列双分裂导线粘连分析 及预防措施 硕 士 研 究 生:杨常青 导师:孙立山 教授 申 请 学 位:工程硕士 学科:电气工程 所 在 单 位:黑龙江省电力勘察设计研究院 答 辩 日 期:2012 年 9 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 classified index: tm341 u.d.c: 621.3 dissertation for the master degree in engineering 220220220220 kvkvkvkv twintwintwintwin bundlebundlebundlebundle ofofofof verticalverticalverticalvertical conservationconservationconservationconservation adhesionadhesionadhesionadhesion analysisanalysisanalysisanalysis andandandand preventionpreventionpreventionprevention measuresmeasuresmeasuresmeasures candidatecandidatecandidatecandidate: yangchang qing supervisorsupervisorsupervisorsupervisor: prof. sun lishan academicacademicacademicacademic degreedegreedegreedegree appliedappliedappliedapplied forforforfor:master of engineering specialityspecialityspecialityspeciality:electrical engineering affiliationaffiliationaffiliationaffiliation: heilongjiangprovinceelectric powersurveyanddesign institute datedatedatedate ofofofof defencedefencedefencedefence:september, 2012 degree-conferring-institutiondegree-conferring-institutiondegree-conferring-institutiondegree-conferring-institution: harbin institute oftechnology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - i - 摘要 220kv 垂直排列双分裂导线是我国电网输电线路常用的 220kv 导线排列方 式,但是在我国大部分地区,随着高温气候条件,输送大容量负荷就会出现导 线粘连的现象。 本文首先介绍了输电线路的组成,主要由导线、地线、绝缘子(串)、线 路金具、铁塔和拉线、基础以及接地装置等部分组成。一般来说,雨雪对线 路危害不大,雷电活动可以用防雷保护的方法解决,风、覆冰和大气温度变 化影响较大,这是输电线路设计时应考虑的主要问题。均布载荷下悬链线的 相关计算, 不同气象条件下架空线的弧垂、 应力和线长占有十分重要的位置, 是输电线路力学研究中的重要内容。以及架空线的状态方程等内容。 其次对于导线粘连这种现象产生的成因,包括电磁力的影响,风力的影响, 温度的影响以及导线内部因素的影响等进行详细的分析。 然后对于导线粘连进行理论计算分析,包括建立垂直双分裂导线模型,最 大允许负荷,影响因素的分析等。 最后提出导线粘连的预防与整改措施, 设计、施工改进包括严格控制施工 误差;加大分裂间距、安装间隔棒;采用整体式悬垂线夹;使用更高质量的导 线;双分裂导线采用水平排列布置;更换或增加延长金具。运行、检修改进包 括控制输送容量,发生导线粘连最根本的原因是电磁力的作用,大力提倡节约 供电,推广、使用节能产品,控制输送容量,尤其是减小用电高峰期的输送容 量,能够保证电磁力维持在较小范围,可以很大程度起到预防导线粘连的作用。 运行中调整分裂间距。 通过一系列的导线粘连预防与整改措施,导线粘连现象的发生会得到严格 的控制,从而提高线路的安全运行水平。 关键词:双分裂导线;垂直排列;粘连;分裂间距 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - ii - abstractabstractabstractabstract the 220 kv perpendicularity alignment double abruptions leading lineistheour country charged barbed wire net power line road the in common use 220 kvs lead a line alignment method, but at our countrybigparts of regions, along with heat weather condition, transportbigcapacity the burdenwillappear to lead line to glue connect of phenomenon. this text introduced constituting of power line road first, mainly from lead line, ground line, insulate a son(string), circuit gold to have, iron pagoda and wire drawing, foundation and connect parts like a groundofdevice,etc to constitute.generally speaking, rain snow to the circuit endanger not and greatly, the thunder and lightning activity can be used method solution of defending the thunder protection, breeze, reply ice and atmosphere temperature variety to influence a littlebitgreatly, thisisthe key problem that the power line road should consider while designing.all the cloth carries a lotus the bottom hang the related calculation of chain line, the different weather conditionisoff-the-shelf the empty hu of line hang and grow to occupy very important position in response to the dint and the line,isa power line road mechanics research in of important contents.and buildonstilts contentses like linear status equation,etc. secondly for lead line to glue to connect becoming of this kind of phenomenon creation because of, include the influence of electromagnetism dint, the influence of the wind force, influencing of temperature and lead influence etc. of line internal factor to carry on detailed analysis. then for lead line to glue to connect to carry on theory calculation analysis, include to build up a perpendicular double of abruption to lead line model, biggest allow burden, impact factorofanalysis etc. finally put forward to lead line to glue connect of prevention with whole change measure, design, construction improvement include a strict control construction error margin;enlargeanabruption to be apart from, install partition stick;adopt a whole type to hang perpendicular line to clip;use leading of higher quality line;the double abruption leads a line adoption level to arrange a decoration;replace or increase to prolong a gold to have.circulate, check modification into include control to transport capacity, take place to lead line to glue connect the most basic reasonisthe function of electromagnetism dint, strongly promote to economize power supply, expansion,use economy energy product, control transport capacity, particularlyis let upto use to give or get an electric shockhighpeak to expect of transport capacity, can promise electromagnetism dint the maintenanceisin smaller scope,canthe very great degree includes prevent from leading the line glue connect of function.adjust in the movement 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - iii - abruption to be apart from. pass a series of lead line to glue connect prevention with whole change measure, the occurrence leading line to glue to connect a phenomenonwillget a strict control and raise the safe movement levelofcircuit thus. keyword:keyword:keyword:keyword:twinbundle, vertical conservation, adhesion, sub-conductor spacing 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - iv - 目录 摘要.i abstract.ii 第 1 章 绪 论.1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 导线粘连的研究概况.2 1.3 本文主要研究内容.3 第 2 章 铁塔设计中输电线路设计相关理论.5 2.1 架空输电线路的组成.5 2.2 架空输电线路的气象条件.6 2.3 均布载荷下悬链线的相关计算.7 2.3.1 架空线悬链线方程的积分普遍形式.7 2.3.2 一般形式的悬链线方程.8 2.3.3 计算导线的弧垂.9 2.3.4 有关导线比载的一些计算.10 2.4 送电线状态方程.12 2.4.1 基本方程.12 2.4.2 状态方程的悬链线型式.12 2.4.3 斜抛物线状态方程. 13 2.5 导线粘连的成因分析.13 2.5.1 电磁力的影响.13 2.5.2 风力的影响.14 2.5.2.1 风对导线比载的影响.14 2.5.2.2 导线弧垂在微风振动的影响. 15 2.5.3 温度的影响.15 2.5.4 导线内部因素的影响.16 2.5.5 施工工艺的影响.16 2.5.6 故障电流的影响.16 2.5.7 静电排斥力的影响. 16 2.6 本章小结.17 第 3 章 导线粘连的理论计算分析.18 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - v - 3.1 垂直双分裂导线模型.18 3.2 导线粘连的最大允许负荷计算.18 3.2.1 控制气象条件.18 3.2.2 导线的电磁力.20 3.2.3 导线的弧垂.21 3.2.4 子导线间距.22 3.2.5 最大允许负荷.22 3.2.6 计算流程图.23 3.3 导线粘连影响因素的分析.24 3.3.1 档距对导线粘连的影响.24 3.3.2 导线分裂间距对导线粘连的影响.26 3.3.3 风对导线粘连的影响.28 3.3.4 温度对导线粘连的影响.30 3.3.5 影响因素总结.33 第 4 章 导线粘连的工程实例及预防整改.34 4.1 工程实例.34 4.1.1 导线粘连的检测分析(带电条件下).36 4.1.2 导线粘连的观测分析(停电条件下).39 4.1.3 导线粘连的处理措施及经验.40 4.1.4 结论.40 4.2 预防与整改.41 4.2.1 设计、施工改进.41 4.2.2 运行、检修改进.43 结论.45 参考文献.46 攻读硕士学位期间发表的学术论文.49 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明.50 致谢.51 个人简历.52 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及意义 近年来在各地经济高速迅猛发展的背景下,各行各业用电量急剧增加,电 网的输送负荷也被迫日益提高。 220kv 输电线路普遍采用垂直排列双分裂导线, 并在各地输电线路中得到了广泛的应用,在电网中扮演着重要的角色。但是, 随着 220kv 垂直排列双分裂导线的相继投运,浙江、江苏、福建、广东等多地 发现在夏季高温气候条件、输送大容量负荷情况下,许多双分裂导线出现相互 吸附粘连的现象,如图 1-1 所示为某 220kv 输电线路出现的导线粘连现象。 图 1-1 输电线路导线粘连现象 在输电线路正常运行中,导线粘连所造成的危害非常的深远。输电线路线 损的增加和对附近无线电通信设施的干扰,都是由于分裂导线发生粘连,分裂 导线之间的距离急速变小,电晕起始放电的电压迅速减小,那么就会出现局部 电晕产生放电的现象,而且局部对地的电容也会减小,这些都是影响因素。并 且还会导致线路的输送容量降低,那是因为粘连导致导线的有效半径减小,导 线表面的电场强度也随着增加,从而升高了导线的温度,必然增加导线的线损。 更有甚者,断线的事故也会发生。还容易发生鞭击的现象,出现在粘连比较多 的杆段分裂导线间,从而产生磨损、断股的导线呈现。我们在输电线路运行时, 有一些线路导线发生粘连现象,而且粘连的情况很严重,发生负荷降低到零导线 依然缠绕(永久变形)的情况。并且,电网的安全可靠运行1还受到发热与噪声的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 2 - 影响,由于分裂导线发生粘连的区段常常听到很大的噪声,发热和噪声会导致 电能功率的下降以及损失,影响危害非常大。 在国外,有很多国家的输电线路出现间隔棒的损伤进而导线发生了疲劳的 现象。如果导线采用相分裂且垂直排列就可以节省间隔棒的投资。国外以往的 线路中导线采用水平排列,然而覆冰不均匀导致舞动现象,如果不加间隔棒排 列方式要改为斜向或者垂直的分布方式。这样舞动的现象便不会发生。现在世 界上大部分国家都采用垂直排列的导线方式,如果在高温的夏季天气运行着上 下子导线张力不平衡的情况,而且运行着高压负荷电流不发生导线粘连,一定 要保证子导线的适当距离,才能确保导线不粘连。 我们国家近几年来的导线输送容量几乎已经达到了线路输送的极限容量。 例如,浙江、江苏等经济发达的沿海省份的垂直排列双分裂导线的输电线路屡 次发生导线粘连事故。黑龙江省内 1995 年投产运行的新民变至杏花变线路,在 2009 年夏季高温的时候,发生了导线粘连。这段线路地形条件以低山、丘陵为 主。气象条件、档距、以及电力负荷都达到了极限条件。我们及时的采取了技 术补救措施,才保证线路的正常稳定运行。输电线路输送容量的急速加剧,带 来了电网安全运行极大的挑战。 图 1-2 输电线路导线粘连 导线粘连不仅会对线路的输送容量造成影响,还会使导线磨损,发生疲劳 破环。为了保证 220kv 垂直双分裂线路的安全、稳定运行,导线粘连作为输电 线路一个新的课题,得到了许多工程技术人员和学术界的关注4。 1.2 导线粘连的研究概况 随着导线粘连现象的不断发生,大量输电线路工作者投入到导线粘连的研 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 3 - 究中,并且对导线粘连产生的原因有了初步的认识,提出了许多解决导线粘连 的方案与措施。 武汉大学电气工程学院刘正权、霍峰等人,为研究近年来广东省无间隔棒 220kv垂直排列双分裂线路导线在负荷电流足够大时发生粘连的现象,对导线建 立了精确的悬链线数学模型,比较了有限元法和解析法的优劣后用解析法在 matlab 环境下编制程序算出不同参数时子导线因电磁引力作用而粘连的临 界电流值,得出了子导线粘连的临界电流随分裂间距、环境温度的增大而增大, 随档距、 风速的增大而减小的规律,并提出了通过控制分裂间距,档距改变临界电 流大小的方法7。 华南理工大学雷鸣、刘刚等人,为了更好地评估过电流对水平排列导线伸 长、导线间距的影响,研究了导线间距与电磁力相互作用的机理。通过建立输 电线路为抛物线模型,利用模型计算导线电磁力、导线长度、导线拉应力,并 分析计算拉应力、电流等因素对分裂子导线伸长、间距的影响。继而利用数值 计算软件求出不同状态下子导线最小间距,并分析不同电流对导线间最小距离 的影响,综合以上分析,建立过电流下导线伸长动态模型。基于以上分析可知: 各种因素对导线伸长和最小间距存在影响,伸长与电磁力相互促进;动态模型 显示导线伸长过程中各种参数变化,与导线粘连临界状态参数进行比较以判定 导线粘连,并提出相应预防粘连的措施8。 广西电力开发有限责任公司何远生、薛志方,分析输电线路导线分裂子导 线粘连机理,研究线路档距、导线电流、子导线分裂间距等因素对导线粘连的 影响规律,提出解决子导线粘连的具体方案。基于子导线受力模型和导线悬链 线状态方程,采用数值仿真的手段精确描述子导线的动态运动轨迹,并根据 2 根子导线的最终平衡状态来判断是否发生粘连。研究发现,在档距和分裂间距 已定时,导线电流不能超过其对应的粘连临界值;在线路运行时,可以通过在 导线最低点增加间隔棒等手段以提高粘连临界电流。 结合 220kv 欧-铝线粘连问 题,经验证本文采用的机理模型和仿真算法是有效的,基于本文的仿真结果可 提出解决子导线粘连的方案9。 1.3 本文主要研究内容 本文对导线粘连的研究主要做了以下三个方面的工作: (1)结合导线粘连的发生的实际情况,综述导线粘连的成因,为理论分析 研究提供依据。 (2)建立数学计算模型,采用理论分析的方法研究导线粘连现象并分析其 影响因素。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 4 - 通过建立垂直双分裂导线的抛物线计算模型,研究导线电磁力对导线比载 的影响。使用状态方程求解不同气象条件下的导线许用应力,从而得出上下子 导线的弧垂,进而得出上下子导线的间距。由于子导线间距的变化会影响电磁 力的变化,所以采用迭代的方法求出最终趋近平衡时的子导线间距。同时对影 响电磁力大小的另一个因素电流进行迭代增加,求出发生导线粘连的最大允许 电流,进而求出发生导线粘连的线路最大允许负荷。使用理论分析得出计算程 序,分别计算档距、导线间距、风、温度等因素对导线粘连的影响程度。 (3)结合理论分析的结果以及实际工作的成果,分析讨论预防导线粘连的 各项措施。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 5 - 第 2 章 铁塔设计中输电线路设计相关理论 输电线路力学研究中的重要内容包括,多种气侯条件下输电线的线长、应 力和弧垂,这些要素都起着非常重要的角色。这是考虑线路的正常安全运行受 着架空线的应力与弧垂的直接控制,然而弧垂与应力极大的变化是受着架空线 的线长很小的误差和变化来控制着的。铁塔所受到的电线荷载的大小取决于导 线弧垂的大小,如果导线弧垂很小,那么导线的拉应力就大,同时加大导线的 振动程度。进而降低了安全系数,从而作用在导线上的荷载就会增大。对于铁 塔的刚度要求就会增加。导线的弧垂增大,那么铁塔对地的安全距离也会加大, 那么就会产生线路的风摆、跳动、舞动导致的停电情况。这种情况只有加宽铁 塔头部的尺寸,但是整体造价无形中又增加了。 2.1 架空输电线路的组成 输电线路主要由以下几个部分组成10 (1)地线:地线即避雷线,挂在铁塔最上部的两根金属线,我们在设 计的时候通常会选用良导体的地线,这需要通过潜供电流与过电压、光缆、 通信线、运行通信、系统通信的要求来确定。 (2)导线:导线的作用是传输电流,导线通过绝缘子串和金具挂靠在 铁塔上。在设计时应该考虑导线的一些物理特性,包括截面积与分裂型式, 还有子导线的间距。以及导线的电气特性与机械特性。而且防腐导线适用于 污秽的地区。 (3)绝缘子:绝缘子串用来绝缘导线与铁塔、地线与铁塔的作用,送 电线路的绝缘强度按清洁地区和污秽地区来划分,以污秽性质、附盐密度、 污源距离、气候条件及已有线路运行经验来确定。 (4)线路金具:输电线路上面金属部件的总称为线路金具,我们在选 用金具的时候都是查阅通用设计模块来选取。特殊金具特殊设计。 (5)铁塔:铁塔是高压送电线路上最常用的支持物,国内外大多采用 热轧等肢角钢制造、螺栓组装的空间架结构,也有少数国家采用冷弯型钢或 钢管混凝土结构。根据结构型式和受力特点,铁塔可分为拉线塔和自立塔两 大类。 (6)接地装置:接地装置是把铁塔上面的电流传导给大地的良导体, 按照地质、地貌情况,说明采用接地装置的主要型式和要求的接地电阻值。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 6 - (7)铁塔基础:铁塔基础是稳固铁塔于大地上的结构部分,其形式应 根据杆塔形式、沿线地形、工程地质、水文以及施工、运输等条件进行综合 考虑确定。 2.2 架空输电线路的气象条件 在设计中线路的电气性能与结构性能一定要适应自然界中的各种气象 条件的变化,在当地的气象局、气象站要认真全面的收集需要的气象资料, 为线路的前期设计提供准确的气象材料,提高安全系数。 为了反映线路经过地区的实际气象情况, 应搜集尽量靠近沿线路周围各 气象台的气象资料。所选气象台距线路一般应不大于 100km。如果沿线气象 台站较少,且具线路较远时,除应加强对非专业性单位的调查访问外,可选 更远的气象台搜集资料以资参考判断,并将选定结果送交气象台鉴定。设计 气象条件,应该提出适当的风、冰与气温相组合的气象条件。 我们从当地的气象部门收集过来的资料进行初步的概率统计求出风速 的最大值,然后结合本线路的基本情况即(基准风速) ,再参照当地已建线 路的气象资料,风速的最大值。最后确定本线路的风速统计值。影响输电线 路设计的三个主要气象因素为覆冰厚度、风速、温度。按照这三个因素归纳 合并成为我国 9 个典型气象区,见表 2-1。 表 2-1 全国典型气象区的气象条件 气象区 大气温度() 最高+40 最低-5-10-10-20-10-20-40-20-20 覆冰-5 最大风速+10+10-5-5+10-5-5-5-5 安装00-5-10-5-10-15-10-10 外过电压+15 内过电压+20+15+15+10+15+10-5+10+10 风速(m/s) 最大风速353025253025303030 覆冰1015 安装10 外过电压1510 内过电压0.5x 最大风速(不低于 15m/s) 覆冰厚度(mm)05551010101520 冰的比重(kg/m3)900 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 7 - 2.3 均布载荷下悬链线的相关计算 高压送电线路力学设计中的重要构成部分,随着气象条件的不同,导线 应力、导线弧垂以及线长也是不同的。气象条件对于以上几个部分起着至关 重要的作用。进行铁塔内力分析的时候,弧垂、应力、线长也都是十分重要 的因素。 2.3.1 架空线悬链线方程的积分普遍形式 在线路模型中任选一档线路,假设受到均匀比载作用,a、b 为两个悬 挂点,方向竖直向下。a、b 处的轴向应力分别取a、b,最低位置为 o 点。 坐标轴x轴取选取的线路方向,y轴取比载的方向。如图 2-1: 在线路模型中再随机选一个点c,再取长loc为讨论的对象,建立力学 的平衡方程: a b c x o x y g g lo a 0 a lo a 0 b g lo b 0 lo c g lo c 0 c o c x 图 2-1 悬链线载荷受力分析图 0 b 0,cosx= b 0,sin oc ygl= 可得: 0 tan oc g l = 0 d d oc yg l x = 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 8 - 两边微分可得 222 000 dd()(d )(d )1d oc ggg ylxyyx =+=+ 分离变量后两端积分 2 0 d d 1 yg x y = + 1 0 arcsh( )() g yxc = + 0 12 0 ch() g yxcc g =+ 令 0 k g = 1 2 () ch xc ykc k + =+(2-1) 式中c1、c2积分常数,由坐标系的原点位置以及边界条件来控制; a、b分别为 a、b 处的轴向应力; 导线轴向力与x轴坐标夹角; loc任意一点 c 处的架空线长; g作用在悬链线上的均布荷载; k悬链线系数; 上式即为导线的积分标准形式的悬链线方程。 根据式(2-1),悬链线的形状由悬链线系数k来控制,任意一种架空线和 气象条件,k值如果固定,相同的悬链线形状便固定了。 2.3.2 一般形式的悬链线方程 选取任意一段架空线,两个悬挂点分别为 a、b,悬挂点高差取h,最 低点为 o。取 a 点是坐标系原点,高差角取。如图 2-2 所示: 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 9 - a b o x y g g lo a 0 a lo a 0 b g lo b 0 c x=l/2 fm h ab l 图 2-2 悬链线坐标图 根据架空线的悬挂特点,悬链线的约束条件为 x=l 时,yh= x=0 时,0y= x=a时, d 0 d y x = 便会得到一般形式的方程: () 2 2 11! 2shsh() 1()ch() 11 222! 2sh2sh 22 11 2shsh() 1()shch() 11 2222 2shsh 22 xxhxhn yk kkkrnr kk kk xxhxxh k kkkk k kk =+ =+ (2-2) 2.3.3 计算导线的弧垂 由导线弧垂的解释定义,可以得到送电线路在任意一点处的弧垂: 2 11 2shsh() 1()shch() 11 112222 2shsh 22 x hhxxhxxh fxyxk kkkk k kk =+ (2-3) (1) 弧垂在某一档的中心点处,所谓中央弧垂就是任意一档内部中点 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 10 - 位置处的弧垂。 2 1 2 1 1() (ch) 1 2 2sh 2 h fk k k k =+ (2-4) (2)弧垂的最低点可得: 2 0 1 1()1 11 21 22 22 hhh fkcharcsh k k shk sh kk =+ (2-5) (3)弧垂最大值取: 22 1 (arcsharcsh)1() ch1( ) 11 1121 2sh2sh 22 m hhhhh fk k kk kk =+ (2-6) 2.3.4 有关导线比载的一些计算 首先我们来定义每平方毫米截面积以及每米长度的外部载荷叫做比载。 自然界中的各种各样的复杂的气象条件下的应力作用在导线上就可以通过 导线的比载表现出来。它包括风压、冰重、自重等比载以及复合情况下这几 种气象条件的综合比载。 (1)自重的比载自重比载是任意一段导线自身的重量所构成的比 载。单位长度、单位截面积重量的导线我们定义为单股导线;那么显然有许 多股导线拼装组合在一起,我们定义为多股导线。通常多股导线的轴心强度 比单股导线要大百分之二到三。那么,如果全部按导线规格比较的话,由下 式推算: 3 10 9.810sgm = 式中s截面积,单位(mm2) ; m0导线质量,单位(kg/km) ; g1比载(导线自重) ,单位(n/m.mm 2) 。 (2)导线自重冰重总比载我们通常把导线自重冰重总比载定义为 自重与冰重比载的总和。他们分别加在导线的单位长度上 312 ggg=+ 式中g2比载(导线冰重)

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