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文档简介

1、配网设备局部放电在线监测 前 言绝缘性故障占高压开关柜发生故障的大多数,而局部放电又是开关柜发生绝缘故障的主要原因。通过对高压开关柜局部放电进行在线监测,可以准确对绝缘故障进行合理预判,为制定检修策略提供了判断依据,对于保证开关设备安全可靠运行、提高供电可靠性、减少检修成本有着重要意义,能够有效提升供电水平和企业效益。当前对开关柜的巡检方式还主要依靠人工辨识设备的声音、外观和气味,无法准确得评估出设备的绝缘状况。而局部放电通过长期监测开关柜绝缘状况并实时分析局部放电特征量的未来变化走势,随时掌握开关柜工作状况,一旦发现放电量显著增大,可以确认开关柜设备发生了绝缘故障,需要进行停电维修,为设备检

2、修提供了检修决策,同时还避免了以往周期性试验的盲目性,减少了人力成本,因此局部放电在线监测在今后将成为开关柜绝缘监测与故障诊断技术的重要研究方向。由于局部放电幅值和绝缘老化状态存在着相关性,利用局部放电来表征开关柜绝缘状态广泛被认可,基于局部放电的开关柜绝缘故障在线监测和故障诊断方法也相继被提出,成为近年来的一大热点。摘 要新世纪以来,随着我国电网规模的发展和电网技术的提高,客户和社会不断提高对供电可靠性和电能质量的要求。高压开关柜成套设备广泛应用于电力系统中,是配电网非常重要的电气设备之一。开关柜内的绝缘缺陷或劣化、接触不良等都可能造成严重事故,影响系统的安全稳定运行。随着配电网全面升级改造

3、和配网设备状态检修工作的全面展开,开关柜作为配电网的重要组成部分,它的安全稳定运行关系到电力系统的稳定性。对开关柜的运行状态进行在线监测,可以减少人力检修成本,对提高供电可靠性和自动化程度都有重要意义。针对于此,对于该课题进行相关的研究是至关重要的。关键词:配网设备;局部放电;在线监测目 录前 言1摘 要2第1章 配网设备局部放电在线监测51.1 任务描述51.2 任务要求5第2章 信息咨询62.1 主要配网设备62.2 局部放电的原因及危害62.3局部放电的类型72.4配网设备局部放电监测类别82.4.1例行试验82.4.2在线监测82.4.3带电检测82.4.4红外测温9第3章 制定配网设

4、备局部放电在线监测工作计划103.1设计进度计划103.3所需要准备工具103.4计划实施步骤103.5配网设备局部放电检测流程113.6注意事项11第4章 实施配网设备局部放电在线监测工作计划134.1前期准备134.2 配网设备局部放电在线监测仪器134.3配网设备局部放电监测流程154.4局部放电定位的判断16第5章 过程检测与控制195.1检测结果分析195.2检测周期205.3数据异常策略205.4数据管理20第6章 技术总结22致 谢23参考文献244第1章 配网设备局部放电在线监测1.1 任务描述开关柜作为电力系统配电网中的重要设备之一,它的安全稳定直接影响着系统的可靠运行。开关

5、柜的绝缘劣化、缺陷或接触不良等都可能引发电力系统故障,因此对开关柜运行状况进行监测,对于提高供电可靠性和配电网自动化程度都有着重要意义。局部放电试验是配电设备绝缘试验中的非破坏性试验,配网设备不需要停电即可通过局部放电试验检测出绝缘中是否存在的局部缺陷。1.2任务要求本次设计的主要人物为:信息咨询;制定配网设备局部放电在线监测工作计划;实施配网设备局部放电在线监测工作计划等等。(1) 局部放电的具体原因分析。(2) 对于配电设备局部放电的危害进行分析。(3) 制定配电设备局部放电监测的方案。(4) 对于配电设备局部放电监测的方案的结果进行总结和分析。第2章 信息咨询2.1 主要配网设备10KV

6、以下配电网设备包括:变压器、开关设备、母线、绝缘子、避雷器、电容器、互感器、熔断器、电抗器。配电网是由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿器及一些附属设施等组成的,在电力网中起重要分配电能作用的网络。配电变电站一般分为配电室和柱上变电器两种,配电室中安装的电气设备除配电变压器外,还有310kV高压和0.4kV低压配电装置1。高压配电装置通常采用定型的高压开关柜,其中分别装有断路器、隔离开关、互感器和避雷器等高压设备。低压配电装置通常采用多种低压配电屏和动力配电箱,其中分别装有隔离开关、熔断器、低压断路器、互感器和计量表计等低压电器。在负载率较大的特大型城市,220kV电网也有配

7、电功能。按供电区的功能来分类:(1)可分为城市配电网,农村配电网和工厂配电网等。在城市电网系统中,主网是指110kV及其以上电压等级的电网,主要起连接区域高压(220kV及以上)电网的作用。配电网是指35kV及其以下电压等级的电网,作用是给城市里各个配电站和各类用电负荷供给电源配电网一般采用闭环设计、开环运行,其结构呈辐射状。配电线的线径比输电线的小,导致配电网的R/X较大。由于配电线路的R/X较大,使得在输电网中常用的这些算法在配电网的潮流计算中其收敛性难以保证。2.2局部放电的原因及危害所谓“局部放电”是指在电场作用下,绝缘系统中只有部分区域发生放电而并没有形成贯穿性放电通道的一种放电。产

8、生局部放电的主要原因是电介质不均匀时,绝缘体各区域承受的电场强度不均匀,在某些区域电场强度达到击穿场强而发生放电,而其它区域仍然保持绝缘的特性。大型电气设备的绝缘结构比较复杂,使用的材料多种多样,整个绝缘系统电场分布很不均匀。由于设计或制造工艺上不尽完善使绝缘系统中含有气隙,或是在长期运行过程中绝缘受潮,水分在电场作用下发生分解产生气体而形成气泡。因为空气的介电常数比绝缘材料的介电常数小,即使绝缘材料在不太高的电场作用下,气隙气泡部位的场强也会很高,当场强达到一定值后就会发生局部放电。另外绝缘内部存在缺陷或混入各种杂质,或者在绝缘结构中存在某些电气连接不良,都会使局部电场集中,在电场集中的地方

9、就有可能发生固体绝缘表面放电和悬浮电位放电。局部放电对绝缘结构起着一种侵蚀作用,它对绝缘的破坏机理有以下几个方面:带电粒子(电子、离子等)冲击绝缘,破坏其分子结构,如纤维碎裂,因而绝缘受到损伤;由于带电离子的撞击作用,使该绝缘出现局部温度升高,从而易引起绝缘的过热,严重时就会出现碳化;局部放电产生的臭氧(O3)及氮的氧化物(NO、NO2)会侵蚀绝缘,当遇有水分则产生硝酸,对绝缘的侵蚀更为剧烈;在局部放电时,油因电解及电极的肖特基辐射效应使油分解,加上油中原来存在些杂质,故易使纸层处凝集着因聚合作用生成的油泥(多在匝绝缘或其他绝缘的油楔处),油泥生成将使绝缘的介质损伤角tg激增,散热能力降低,甚

10、至导致热击穿的可能性。局部放电的持续发展会使绝缘的劣化损伤逐步扩大,最终使绝缘正常寿命缩短、短时绝缘强度降低,甚至可能使整个绝缘击穿。2.3局部放电的类型从局部放电发生的位置、放电过程和现象来看,局部放电可以分为三种类型:内部放电、表面放电和电晕放电。1)内部放电造成内部局部放电的常见原因是固体绝缘体内部存在气隙或液体绝缘内部存在气泡。绝缘内部气隙发生放电的机理随气压和电极系统的变化而异,从放电过程而论,可分为电子碰撞电离放电和流注放电两类;在放电形式上可分为脉冲型(火花型)放电和非脉冲型(辉光型)放电两种基本形式。一般情况下,局部放电都属于脉冲型放电,可以在外加工频电压的一定相位上观察到单个

11、分离的放电脉冲。在理论上,内部放电的放电图形在工频正、负半波是对称的,但由于气隙或气泡周围绝缘材料的绝缘电阻并非理想情况下的无穷大,同时由于在放电中可能发生沿气隙或气泡壁表面放电等原因,实际的正、负工频周期放电图形是不完全对称的,而且与电极系统的形式有很大的关系:电极系统结构越对称,正、负工频周期放电图形就越对称。2)表面放电在电气设备的高电压端,由于电场集中,沿面放电场强又比较低,往往会产生表面局部放电;绝缘体表面放电的过程及机理与绝缘内部气隙或气泡放电的过程及机理相似,不同的是放电空间一端是绝缘介质,另一端是电极。如果电极系统是不对称的,发生在工频正、负半波的放电图形也是不对称的。当放电的

12、一端是高压电极,不放电的电极接地时,正半周放电量大而次数少,负半周放电次数多而放电量小。如果电极系统相反,则放电图形也相反。3)电晕放电电晕放电通常发生在高压导体周围完全是气体的情况下。由于气体中的分子自由移动,放电产生的带电质点不会固定在空间某一位置上。对于针-板电极系统,针尖附近场强最高而发生放电,由于负极性时容易发射电子,同时正离子撞击阴极发生二次电子发射,使得放电在负极性时最先出现。当外加电压较低时,电晕放电脉冲出现在外加电压负半周90相位附近,并几乎对称于90;当电压升高时,正半周会出现少量幅值大而数量少的放电脉冲。以上是三种最基本的局部放电形式。此外,绝缘体中存在水珠、导电杂质、电

13、气设备内部存在悬浮电位体也会引起局部放电;液体绝缘内部也可能出现固体表面局部放电和电晕放电。2.4配网设备局部放电监测类别2.4.1例行试验其主要是对配网设备进行试验,通过试验发现设备存在的缺陷及隐患,以此防止出现设备损坏及故障扩大现象。2.4.2在线监测在线监测就是利用传感器、计算机等技术对配网设备工况进行实时检测,通过对收集的信息进行分析,实现设备实时监测和诊断。2.4.3带电检测带电测试是不停电检查配网设备缺陷的重要技术之一,目前应用中对电气设备进行测试的项目比较多,如SF6气体成分检测、超声波局部放电检测、油中溶解气体组分检测等。2.4.4红外测温当遇到难以检测的故障时,可以利用红外测

14、温技术,其主要是利用红外辐射原理对电气设备中的稳定变化进行测试,我们知道当变电设备出现故障时,该部位的温度就上升,进而可以利用红外技术对其进行测量,如果某部位温度过高,就表明其存在故障。第3章 制定配网设备局部放电在线监测工作计划3.1设计进度计划第一步:对开关柜局部放电情况进行调查、分析第二步:制定开关柜局部放电在线监测方案。第三步:对于开关柜局部放电在线监测进行人员分工。第四步:开关柜局部放电在线监测结果数据进行统计和分析。3.2设计任务划分(1) 对于开关柜局部放电情况进行调查,分析开光柜设备放电的原因。(2) 制定开关柜局部放电在线监测方案。(3) 实施开关柜局部放电在线监测方案。3.

15、3所需要准备工具局部放电在线监测系统、电脑一台、试电笔、统计表。3.4计划实施步骤(1)配网设备局部放电检测流程如下所示:1)测试环境温度、湿度;使用多功能局放检测仪(PDSAir)多点测试环境噪音;2)使用TEV模式对高压室内所有高压配网设备进行TEV信号普测,记录局部放电幅值(dB);3)使用超声波模式对配网设备内所有运行的高压配网设备进行超声波信号普测,并记录超声信号幅值(dB);4)对于普测放电值较大的配网设备,需要使用HVPDLongshot提取波形、相位图、上升沿、下降沿时间来进一步分析并定位;5)精确定位,确定配网设备放电位置与局部放电量。(2)对配网设备开展局部放电检测时,首先

16、使用非接触式超声波检测法和暂态地电波检测法对站内所有开关柜进行局部放电监测。当发现异常信号时,综合其他检测方法及局放精确定位对存在异常信号的设备进行诊断性测量,判断局部放电类型及危险程度。1)对被测设备从前、后、左、右四个方向进行检测。2)记录被测设备编号。3)针对异常设备,需要对设备全貌、整体区域、缺陷点各拍一张照片。4)对设备进行拍照时,必须记录清楚设备名称、部位,以便编写检测报告及检修。5)检测需要设备带电运行下进行检测,下雨天应该停止。3.5配网设备局部放电检测流程(1)配网设备局部放电检测流程如下所示:1)测试环境温度、湿度;使用多功能局放检测仪(PDSAir)多点测试环境噪音;2)

17、使用TEV模式对高压室内所有高压配网设备进行TEV信号普测,记录局部放电幅值(dB);3)使用超声波模式对配网设备内所有运行的高压配网设备进行超声波信号普测,并记录超声信号幅值(dB);4)对于普测放电值较大的配网设备,需要使用HVPDLongshot提取波形、相位图、上升沿、下降沿时间来进一步分析并定位;5)精确定位,确定配网设备放电位置与局部放电量。(2)对配网设备开展局部放电检测时,首先使用非接触式超声波检测法和暂态地电波检测法对站内所有开关柜进行局部放电监测。当发现异常信号时,综合其他检测方法及局放精确定位对存在异常信号的设备进行诊断性测量,判断局部放电类型及危险程度。1)对被测设备从

18、前、后、左、右四个方向进行检测。2)记录被测设备编号。3)针对异常设备,需要对设备全貌、整体区域、缺陷点各拍一张照片。4)对设备进行拍照时,必须记录清楚设备名称、部位,以便编写检测报告及检修。5)检测需要设备带电运行下进行检测,下雨天应该停止。3.6注意事项(1)检测注意1)测试信号幅值时要等待显示数值稳定后读数;2)发现开关柜测试值出现异常后,应进行多次多位置测试,并利用摄像设备记录过程,准确记录各项数据,便于事后的分析;3)对于横向对比差异较大的个别开关柜,全面检测各个位置的测试值,准确分析检测数据,进行放电源位置定位后,向管理部门提交检测报告并建立档案;4)进行局部放电源定位后,将定位位

19、置标注在开关室排列示意图上。(2)数据管理对开关柜局部放电检测数据结果进行综合管理,开关柜运行第一个月需要进行初始化局部放电检测工作,将开关柜前、侧、后面板分别进行测试作为初始数据进行台账记录,方便投运后检测数据与初始数据的参照对比,运用统计、闽值、横向、纵向等方法综合分析测试数据,全面、准确、客观、如实判定开关柜运行状况。(3)现场干扰的处理尽量避开电力电子装置的干扰,关闭室内电器如灯具、风扇等,选择不同时间段进行测量尽量减少干扰误差,检测设备信号之前先对环境背景的信号进行检测。第4章 实施配网设备局部放电在线监测工作计划4.1前期准备进行现场局部放电检测的工作人员需要满足如下要求:(1)掌

20、握局部放电检测的理论原理和放电程度判定方法;了解TEV法检测设备局部放电的理论原理;掌握TEV局部放电检测系统的具体使用流程;熟悉检测系统的工作原理;(2)清楚高压开关柜设备的工作原理、器件组成、常见故障原因以及内部运行状况;(3)有丰富的现场处理故障的经验,经过TEV局放带电检测技术培训,能严格遵守安全生产和现场工作的有关规章制度。(4)为了实现本次项目安全优质完成,建立施工现场组织机构体系,建立健全现场各方面的组织管理措施,制定下列方案:1)本次项目计划经理1人,项目技术负责人1人,项目安全负责人1人,项目质量负责人1人,资料员1人,施工人员5人。4.2配网设备局部放电在线监测仪器(1)局

21、部放电在线监测仪器局部放电在线监测系统运用zui新技术手段实现的高性能数字化局部放电在线监测系统。该装置采用高精度采集卡进行A/D转换,可实现被监测高压设备的实时数据监测与统计分析功能。该系统采用多种抗干扰措施,能够有效的去除现场环境中的干扰,准确提取局部放电信号,判断设备运行状况;通过以太网把放电量值、报警事件等监测数据定期上传到远方的数据中心服务器,利用数据中心服务器上运行的后台软件可获取现场的监测数据并进行统计与分析,与此同时数据中心服务器还可以远程登录现场监测单元,观测实时波形,对设备的绝缘状态进行更加系统的评估。数据中心的服务器程序运行于固定IP地址的计算机上,可同时监测多个设备,并

22、实时显示每一个登入设备的放电信号,能根据参数设定,定期保存已登入的监测设备从现场传来的数据,以便日后随时查阅分析。局部放电在线式监测装置组成及原理该局部放电在线监测系统由局放传感器、现场监测单元、远程监控计算机以及局部放电监测软件组成如图4-1所示:图4-1局部放电在线监测仪系统 局部放电在线监测系统的相关的技术参数如4-2所示:表4-2 局部放电在线监测系统技术参数科目性能指标检测带宽10MHz-100MHz灵敏度5pC检测通道4通道天线原理特高频UHF天线匹配阻抗50欧姆连接电缆同轴电缆使用寿命30年通信方式RS-485总线安装位置母线室4.3配网设备局部放电监测流程本检测系统经过实验室模

23、拟测试,验证了TEV法检测局部放电的有效性,为了验证本文所设计的检测系统的现场实用性,应用该系统对10kV望城区变电站内的开关柜进行测量,并对结果进行对比分析,以此确定实际应用中的效果。图4-1是工作人员在10kV望城区变电站的开关柜现场进行的测试。图4-1 10kV望城区变电站的开关柜现场测试TEV检测开关柜局部放电的位置主要是柜体表面对应母排(穿墙套管、母线连接处、支撑绝缘子)、电缆、断路器、CT、PT等设备的区域,对应于开关柜柜体面板的前中、前下、后上、后中、后下、侧上、侧中、侧下位置,如图4-2所示。对应这些位置可能出现故障主要有:上部:母线连接处连接不可靠、绝缘外套老化、绝缘子绝缘破

24、坏等。中部:隔离开关触头接触不良、断路器的绝缘发生损坏等。下部:电缆头压接不实、电缆绝缘层发生老化、CT接触不良等。图4-2 TEV检测开关柜部位示意图检测结果如表4-3所示:表4-310kV望城区变电站的开关柜检测结果局放检测TEV暂态地电压检测数据(dB)TEV超声波检测数据(dB)间隔1234561234567前中13dB14dB15dB17dB9dB18dB5dB7dB3dB3dB6dB7dB4dB前下24dB16dB15dB14dB15dB18dB3dB6dB4dB6dB6dB5dB8dB后上13dB16dB18dB19dB14dB17dB5dB7dB4dB3dB1dB2dB7dB后

25、中16dB15dB13dB17dB13dB14dB6dB11dB5dB4dB6dB7dB8dB后下17dB26dB16dB14dB15dB18dB5dB6dB4dB3dB7dB5dB4dB侧上10dB16dB17dB14dB9dB8dB3dB7dB6dB6dB5dB3dB7dB侧中10dB15dB14dB17dB10dB9dB3dB6dB8dB5dB3dB12dB6dB侧下17dB18dB15dB17dB13dB17dB3dB6dB5dB7dB8dB6dB7dB4.4局部放电定位的判断在开关柜柜体表面放置两个TEV传感器,利用距离放电源的不同则检测到信号的时间有差异,当两个传感器横向放置同时检

26、测到信号时说明放电源位于两个传感器的中垂线上,同理,可以纵向放置两个传感器确定放电源位置所在中垂线,这两条中垂线交汇处就是放电源的位置。如果出现传感器信号接收到的时间差异很小超过采样率,使得接收信号不稳定的情况,移动其中一个传感器就能判断出先后触发顺序。使用传感器进行定位时要注意背景环境的噪声干扰带来的影响,当内部放电源发出的信号经过多次内部反射后会造成信号衰减,可能造成信号波形的畸变,是传感器定位出现误差。一般来说,当开关柜内存在多个放电源时,传感器会在放电区域内被同时触发,在放电区域以外则会出现明显的先后触发顺序,以此可以定位放电区域。第5章 过程检测与控制5.1检测结果分析对于10kV望

27、城区变电站开关柜5.1表3-4 10kV望城区变电站开关柜TEV测试数据名称检测值放电程度采取措施10KV512柜12 dB无明显放电正常监测10KV513柜16 dB无明显放电正常监测10KV516柜27 dB一定程度缩短检测周期10KV518柜9 dB无明显放电正常监测10KV519柜35 dB较明显跟踪测试10KV521柜7 dB无明显放电正常监测10KV502柜18 dB一定程度缩短检测周期10KV530柜11 dB无明显放电正常监测10KV电容器532柜19 dB一定程度缩短检测周期10KV苑北534柜38 dB较明显跟踪测试10KV536柜13 dB无明显放电正常监测10KV538

28、柜21 dB一定程度缩短检测周期10KV539柜17 dB无明显放电正常监测10KV552柜48 dB非常明显进一步检测10KV2531柜20 dB一定程度缩短检测周期当TEV信号测试值小于20dB,按照正常检测周期进行下一次测试,认为开关柜运行正常;当TEV信号测试值大于20dB小于30dB时,加强对开关柜运行状况的关注,缩减检测周期;当TEV信号测试值大于30dB时,认为开关柜内存在局部放电,利用阵列传感器定位方法对放电源进行定位,合理安排停电检修工作。从望城区变电站的开关柜的测量数据可知,10kV瑞丰线552柜TEV测试值达到48dB,表明该开关柜有局部放电现象,采用两个TEV传感器进行

29、放电源定位,利用两个传感器采集到局放信号的时间差来进行放电源定位,发现开光柜上部信号更强,初步判断母线可能绝缘破坏或母线连接处压接不实。检修部门工作人员进行停电检修,发现10kV瑞丰线552开光柜母线连接处压接不实,立即进行了检修。TEV检测系统在10kV望城区变电站的开关柜现场测试结果,验证了系统在实际工作应用中的有效性和正确性,为现场的开关柜检修工作带来了技术支持和决策指导,能够及早得发现开关柜局部放电故障,减少了人力成本,提高了工作效率和经济效益。5.2检测周期(1)正常检测周期为三个月,或者进行TEV局部放电检测是必要时;(2)开关柜运行第一个月需要进行初始化局部放电检测工作,将开关柜

30、前、侧、后面板分别进行测试作为初始数据进行台账记录,方便投运后检测数据与初始数据的参照对比;(3)经过停电检修并复测合格的开关柜,应在开关柜再次运行后一个月之内进行局部放电检测核验,核验结果同故障数据对比,确定该开关柜检修工作是否圆满完成。5.3数据异常策略暂态地电压:当定值40P55时,应调整检测周期,将异常的开关柜检测周期缩短至1个月,并且密切关注;当定值40P55时,应开始预警将会出现的故障,检测周期应更加缩短,为一周一次,以确保设备安全运行;当P55时,设备将处于危险状态,需要立刻停电进行检修。超声波定值:耳机中存在明显的局放声音,当8P20,应调整检测周期,缩短为一个月一次。并且密切

31、关注;当20P30,应做好预警工作,定位局部放电源所在开关柜,将预警的开关柜的检测周期缩短为一周,当P30时,此时设备处于危险状态,应马上停电进行设备检修。5.4数据管理开关柜局部放电检测的数据应客观、应按照实际反应开关柜的运行状况,对测试结果按照开关柜局部放电超声波和暂态对地电压检测数据记录进行全面、准确的记录。开关柜数据管理应建立详细的开关设备台账,建立局放检测数据与检测对象属性的对应关系,运用各种分析方法对检测的数据进行综合分析,指导高压开关柜超声波,暂态对地电压局部放电检测和故障诊断,实现对开关柜运行性能的准确评定。第6章 技术总结开关柜设备作为电网关键设备之一,因其局部放电发生绝缘故

32、障,对电力系统的安全可靠运行构成了很大隐患。本文从开关柜局部放电的产生原因入手,开发了一套基于暂态对地电压的高压开关柜局部放电监测系统,通过该技术的使用,为供电公司开关柜设备的状态检修提供了技术支持和决策依据,提高了供电可靠性,使国家电网公司供电服务质量得到了提高。本文主要工作阐述如下:1、在分析了多种局部放电检测方法的基础上,探讨了基于暂态对地电压法进行开关柜局部放电检测的可行性,对暂态对地电压法的检测原理进行了详细阐述;2、开发了一套基于暂态对地电压的高压开关柜局部放电检测系统,研究了新型 TEV 传感器,进行信号调理电路和采集系统的设计,并且完成了整个系统软件模块的开发集总;3、在实验室设计制作典型的放电缺陷模型,并对该系统进行了实验室模拟,模拟结果表明系统检测局部放电信号的有效性;通过现场测试和广泛应用,最终形成了暂态对地电压法检测局部放电技术的应用导则,文章最后以典型实例说明了该系统检测效果良好。致 谢从不了解写论文过程到顺利完成本论文的过程中,在这个过程中收获来很多。虽然在进行写作论文的过程中遇到了很多的问题,在老师细心的指导下和同学的帮助下最终完成了论文写

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