國內(nèi)外架空輸電線路檔中線間距設(shè)計的對比研究汪晶毅,潘春平,朱映潔 (中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司,廣東廣州 510663) 摘 要:檔中線間距影響著線路塔頭尺寸和安全運行。通過對比中國、日本、歐洲和CIGRE等國內(nèi)外的主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),研究了各標(biāo)準(zhǔn)檔中線間距的計算方法,對比了設(shè)計和校核工況、風(fēng)荷載計算和風(fēng)偏角確定、電氣間隙要求等方面的差異,總結(jié)了國內(nèi)外計算方法中存在的問題。結(jié)合500 kV線路實例對各標(biāo)準(zhǔn)由檔中線間距確定的塔頭上的線間距離進行了測算,分析風(fēng)速、風(fēng)向、導(dǎo)線布置方案、導(dǎo)線型號、檔距等因素對塔頭尺寸的影響。根據(jù)對比結(jié)果,建議國內(nèi)線路在檔中線間距設(shè)計和校核時可采用風(fēng)偏角按正態(tài)分布、根據(jù)線路重要性確定標(biāo)偏倍數(shù)的方法,并建議開展長期的架空線路風(fēng)偏擺動研究和觀測工作,以優(yōu)化線路設(shè)計。 關(guān)鍵詞:架空輸電線路;檔中線間距;風(fēng)偏角;標(biāo)準(zhǔn)偏差;電氣間隙 0 引言檔中線間距是塔頭尺寸規(guī)劃和校核的重要一環(huán)。一方面,導(dǎo)線間、導(dǎo)線與地線在檔中時的線間距離要滿足相間、相地電氣間隙的要求,避免發(fā)生相間或相地閃絡(luò);另一方面,應(yīng)用于大檔距的直線桿塔,其塔頭尺寸往往不取決于間隙圓,檔中線間距也是決定塔頭上導(dǎo)線間、導(dǎo)地線間尺寸的重要因素之一。目前國內(nèi)外線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的對標(biāo)工作已較為深入和全面,但均側(cè)重于鐵塔設(shè)計時的荷載設(shè)計和對比。文獻[1-6]分別選取GB 50045—2010[7]、 DL/T 5154—2002 和 ASCE 74—2009、 IEC 60826—2003[8]、 BS EN 50341—2001[9]、BS 8100、JEC 127—1979[10],對線路的風(fēng)荷載設(shè)計包括線條風(fēng)荷載和鐵塔風(fēng)荷載進行了對比,比較了基本風(fēng)速、體型系數(shù)、高度變化系數(shù)等參數(shù)選取的差異,并結(jié)合算例對輸電線路的風(fēng)荷載進行了計算和對比。但現(xiàn)有的對標(biāo)工作對檔中線間距離及對塔頭尺寸的影響均缺少研究和對比,也未見相關(guān)文獻報道。隨著國際業(yè)務(wù)的逐步開拓,國內(nèi)企業(yè)開始承接架空輸電線路設(shè)計工作。海外項目多采用國外設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),因此,有必要開展國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在檔中線間距設(shè)計和校核方面的對比工作。 本文選取中國標(biāo)準(zhǔn)GB 50045—2010[7](以下簡稱國標(biāo)),歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 50341-1-2012[9]、文獻[11](以下簡稱日標(biāo)),日本標(biāo)準(zhǔn) JEC 127—1979[10](以下簡稱歐標(biāo))及CIGRE Technical Brochure No.348[12](以下簡稱CIGRE)等主要的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和資料,對檔中線間距離的計算方法、計算工況進行了研究,對檔中線間距要求的塔頭線間距進行了對比計算。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對比情況,本文還對國內(nèi)線路檔中線間距設(shè)計的改進和完善提出了建議。 1 各國標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定1.1 國標(biāo)GB 50045[7]規(guī)定,導(dǎo)線水平線間距離宜按式(1)計算,導(dǎo)線垂直排列的垂直線間距離,宜采用式(1)計算結(jié)果的75%,并滿足最小垂直線間距離的要求。 式中:ki為懸垂絕緣子串系數(shù),對I-I串和I-V串取0.4,對V-V串取0;D為導(dǎo)線水平線間距離,m;Lk為懸垂絕緣子串長度,m;U為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓,kV;fc為導(dǎo)線最大弧垂,m。 導(dǎo)線三角排列的等效水平線間距離為 式中:Dx為導(dǎo)線三角排列的等效水平線間距離,m;Dp為導(dǎo)線間水平投影距離,m;Dz為導(dǎo)線間垂直投影距離,m。 為避免檔中雷擊閃絡(luò),導(dǎo)地線配合要求在一般檔距的中央,在15℃、無風(fēng)、無冰條件下,導(dǎo)線與地線間的距離為 式中:S為導(dǎo)地線距離,m;L為檔距,m。 1.2 日標(biāo)日標(biāo)中確定線間距的計算方法有經(jīng)驗公式法、風(fēng)脈動法和統(tǒng)計分析法,其中經(jīng)驗公式法和風(fēng)脈動法見文獻[11]。 統(tǒng)計分析法認(rèn)為在風(fēng)作用下導(dǎo)線以平均風(fēng)偏角為中心,按照正態(tài)分布規(guī)律在其周圍變動,通過求出標(biāo)準(zhǔn)偏差,校核在檔距中央的最小接近距離。 導(dǎo)線平均風(fēng)偏角和風(fēng)荷載分別為 標(biāo)準(zhǔn)偏差為 式中:WW為導(dǎo)線風(fēng)壓,kg/m;WC為導(dǎo)線質(zhì)量 ,kg/m; ρ為空氣密度,kg·s2/m4; 為平均風(fēng)速,m/s;C為體型系數(shù);D為導(dǎo)線直徑,m;a=0.5ρCD;h=cos;K為地表系數(shù),0.009~0.040;k0為系數(shù),S 為檔距,m;d2為風(fēng)偏時的弧垂,m;函數(shù)ν可表示為 假定兩根導(dǎo)線的平均風(fēng)偏角、標(biāo)偏范圍、弧垂分別為、 nσ1、 D1 和、 nσ2、 D2, 兩根導(dǎo)線水平距離、垂直距離分別為a、b。上風(fēng)側(cè)導(dǎo)線的最大風(fēng)偏角取下風(fēng)側(cè)導(dǎo)線的最小風(fēng)偏角取導(dǎo)線間距離為 當(dāng)兩根導(dǎo)線特性相同時可表示為 標(biāo)偏范圍對重要線路大多取3σ,一般線路取2σ。 1.3 歐標(biāo)歐標(biāo)中導(dǎo)線風(fēng)荷載和風(fēng)偏角分別為 式中:qh(h)為平均風(fēng)壓,N/m2;Cc為體型系數(shù);d為直徑,m;Lm為水平檔距,m;GK為考慮垂直檔距的垂直荷載,N。 靜態(tài)時相間距離不應(yīng)小于 式中:f為40℃弧垂,m;lk為絕緣子串橫線路方向可以擺動的長度,m;k為系數(shù),參考表1取值;k1為折減因子,由各國規(guī)范(national normative aspects,以下簡稱NNA)規(guī)定;Dpp為相間最小間隙。相間距離c不應(yīng)小于k值。 表1 系數(shù)k取值 注:導(dǎo)線間的相對角a指導(dǎo)線連線與垂直方向的夾角,均為正值。 導(dǎo)線風(fēng)偏角/(°)系數(shù)k a=[80°,90°]a=[0°,30°]a=[30°,80°]≥65.1 0.95 0.75 0.70 55.1~65.0 0.70 0.85 0.65 40.1~55.0 0.65 0.75 0.62≤40.0 0.70 0.60 0.62 1.4 CIGRECIGRE提出相鄰導(dǎo)線線間距計算時考慮如下2種工況:(1)最大風(fēng)時,檔中距離滿足Dpp_pf(工頻電壓下相間間隙值);(2)絕緣子串和導(dǎo)線在99%時間未超越位置的風(fēng)速下,檔中距離滿足Dpp(過電壓下相間間隙值)。 絕緣子串和導(dǎo)線在99%時間內(nèi)未超越位置時的對應(yīng)風(fēng)速為 式中:V2a為2年重現(xiàn)期風(fēng)速。 當(dāng)水平檔距與垂直檔距相等時導(dǎo)線平均風(fēng)偏角為 式中:qz為導(dǎo)線平均高處的平均風(fēng)壓;Cxc為體型系數(shù);GC為導(dǎo)線陣風(fēng)因子;GL為檔距因子,可參照文獻[8]取 GL=1-0.000 232 5×(LW-200)(200≤LW≤800);d為導(dǎo)線直徑;mC為導(dǎo)線單重。 與日標(biāo)的觀點類似,CIGRE也提出導(dǎo)線在風(fēng)偏角周圍按正態(tài)分布規(guī)律變動,標(biāo)準(zhǔn)偏差σφ按式(15)計算, 導(dǎo)線擺動的角度范圍為 φC±2σφ。 式中:VR為導(dǎo)線平均高度處的風(fēng)速。 2 方法對比及參數(shù)差異2.1 設(shè)計/校核方法國標(biāo)雖然對相鄰導(dǎo)線風(fēng)偏時的動態(tài)擺動范圍未做明確規(guī)定,但實際上考慮了相鄰導(dǎo)線風(fēng)偏擺動時在并不完全同步的情況下,也要保持間隙要求。歐標(biāo)提出的靜態(tài)下的線間距離經(jīng)驗公式,也考慮了絕緣子串和導(dǎo)線不同步擺動的情況。歐標(biāo)對相鄰導(dǎo)線的動態(tài)擺動情況做了調(diào)研,認(rèn)為當(dāng)相鄰導(dǎo)線分別受到相差40%的風(fēng)荷載作用時,式(12)中的間隙值k1Dpp仍能得到保持,因此不做特別要求。日標(biāo)、CIGRE均認(rèn)為導(dǎo)線實際風(fēng)偏角是動態(tài)的、正態(tài)分布的,而不是確定不變的,其范圍為平均風(fēng)偏角±3σ或±2σ(σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差),所提出的計算公式校核的是動態(tài)情況下線間距離是否滿足工作電壓或過電壓要求,對靜態(tài)的情況未做規(guī)定。 2.2 設(shè)計/校核工況國標(biāo)中式(1)弧垂一般取高溫弧垂;日標(biāo)統(tǒng)計分析法的風(fēng)速取平均風(fēng)速,弧垂取大風(fēng)弧垂;歐標(biāo)中的弧垂取40℃弧垂,同時風(fēng)速由NNA規(guī)定,若無規(guī)定則采用額定風(fēng)速(nominal wind velocity),為3年重現(xiàn)期風(fēng)速,一般取50年重現(xiàn)期風(fēng)速的0.75,風(fēng)速均為10 min平均值;CIGRE在校核檔中距離時,推薦采用稍短時距(5 min)的風(fēng)速,但對弧垂、同時氣溫未做明確規(guī)定。需要注意的是,日標(biāo)、歐標(biāo)均采用的是極限設(shè)計方法,CIGRE法則對特性方法未有明確。 2.3 風(fēng)荷載和風(fēng)偏角國標(biāo)在計算線間距時未涉及導(dǎo)線的風(fēng)荷載和風(fēng)偏角。與日標(biāo)的絕緣子串風(fēng)偏搖擺和結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算相比,日標(biāo)統(tǒng)計分析法計算檔中線間距時導(dǎo)線風(fēng)荷載未考慮一檔內(nèi)導(dǎo)線的檔距折減、陣風(fēng)效應(yīng)、陣風(fēng)時間修正、Kv值等參數(shù)。歐標(biāo)的導(dǎo)線風(fēng)荷載和風(fēng)偏角雖然不直接進入公式計算,但影響系數(shù)k的取值,風(fēng)荷載計算時不考慮檔距的折減和陣風(fēng)效應(yīng)。CIGRE方法在計算導(dǎo)線風(fēng)荷載和平均風(fēng)偏角時保守考慮,取陣風(fēng)因子GC=1,但計及檔距因子GL的影響。 2.4 電氣間隙國標(biāo)雖然未明確提出線間距離計算時應(yīng)滿足的間隙值,但式(1)中的 “U/110”可認(rèn)為是要求滿足的相間操作過電壓間隙值,該值與各電壓等級的操作過電壓相間最小間隙值接近或一致。日標(biāo)要求的最小相間間隙為操作過電壓下的相間距離。歐標(biāo)要求的間隙為k1Dpp。CIGRE要求的間隙為工頻相間間隙Dpp_pf、沖擊電壓下的相間間隙Dpp。 計算或校核檔中線間距時,各國主要電壓等級下的相間電氣間隙值如表2所示。 表2 各標(biāo)準(zhǔn)中的相間電氣間隙值 注:1)國標(biāo)為 “U/110”的值;2)為系統(tǒng)最高電壓550 kV時對應(yīng)的間隙值;3)CIGRE計算沖擊電壓下的相間間隙時,表中4種標(biāo)稱電壓下對應(yīng)的U50%_ff分別為590 kV、1 140 kV、1 540 kV、1 680 kV。 系統(tǒng)標(biāo)稱電壓/kV 110220(中、日、歐)230(歐、CIGRE)400 500國標(biāo)1)1.00 2.00/日標(biāo)1.15 2.10 4.102)/歐標(biāo)1.15 2.00 4.55 3.20 0.42 0.85 Dpp_pf 1.52 CIGRE3)2.20 Dpp 2.26 1.17 3.73 4.00 4.48 從表2對比來看,在間隙距離要求上,高電壓等級時國標(biāo)最為嚴(yán)格,歐標(biāo)的間隙值還需乘以間隙折減系數(shù)k1(一般取0.75,或由NNA規(guī)定),因此要求的雷電或操作沖擊電壓下間隙值最小。但間隙需結(jié)合風(fēng)偏工況統(tǒng)一考慮,因此并不能簡單地由間隙取值就推斷出歐標(biāo)要求的檔中線間距離最小、國標(biāo)的最大,需結(jié)合工程實際情況,按照各標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定的氣象條件、導(dǎo)線特性、布置方式等進行計算綜合確定。 3 計算對比以500 kV線路為例,導(dǎo)線分別為4×JL/G1A—630/45(直徑33.8 mm,分裂間距500 mm,單重 2 079.2 kg/km)和 4×JL/G1A—400/35(直徑26.8 mm,分裂間距 450 mm,單重1 347.5 kg/km),按30 m/s和40 m/s基本風(fēng)速(10 m高、10 min時距,50年一遇),水平布置、垂直布置、對角線布置3種導(dǎo)線布置方式(詳見表3),采用國標(biāo)、日標(biāo)(統(tǒng)計分析法)、歐標(biāo)、CIGRE標(biāo)準(zhǔn)對為滿足檔中線間距離要求的塔頭上最小導(dǎo)線線間距離(Dmin)進行了計算和對比(見圖 1~3)。導(dǎo)線平均高度取20 m;代表檔距、檔距相等,均為400~1 200 m,水平檔距LH與垂直檔距LV相等,即Kv=1。假設(shè)懸垂絕緣子串均為V型串,忽略絕緣子串的擺動。導(dǎo)線特性放線均按國標(biāo)設(shè)計,各檔距下的大風(fēng)工況弧垂與高溫弧垂相差很?。ㄋ憷性?00~1 200 m檔距下相差0.2~0.7 m),故計算中弧垂均取高溫弧垂。日標(biāo)統(tǒng)計分析法下校驗的電氣間隙值未明確要求,暫按文獻[8]中的相間操作過電壓間隙4.10 m取值,標(biāo)偏倍數(shù)取3。CIGRE需要計算V2a,取氣象臺站年最大風(fēng)速平均值的變異系數(shù)0.14,5 min時距風(fēng)速與10 min時距風(fēng)速的換算系數(shù)為1.05。計算中考慮風(fēng)向自左向右水平吹動和自右向左水平吹動2種情況。水平和垂直布置時風(fēng)向?qū)€間距離無影響;對角線布置時,風(fēng)向?qū)min有影響,計算結(jié)果為2種風(fēng)向下要求的Dmin的較大值。另外,國標(biāo)對導(dǎo)線垂直布置時有最小垂直線間距離的要求,圖1~3計算中不考慮最小垂直線間距離的規(guī)定。 表3 導(dǎo)線布置示意 圖1 導(dǎo)線水平布置時檔中線間距要求的塔頭上線間距離 圖2 導(dǎo)線垂直布置時檔中線間距要求的塔頭上線間距離 圖3 導(dǎo)線對角線布置時檔中線間距要求的塔頭上線間距離 從計算結(jié)果來看,各標(biāo)準(zhǔn)下為滿足檔中線間距而要求的Dmin與多種因素(包括導(dǎo)線參數(shù)、導(dǎo)線布置方式、設(shè)計風(fēng)速、檔距等)緊密相關(guān),難以簡單的一概而論。以導(dǎo)線水平布置為例,較低風(fēng)速未必比較高風(fēng)速要求的Dmin小,如日標(biāo)在40 m/s風(fēng)速下要求的Dmin<30 m/s(見 圖 1), 在≥1 000 m檔距下,CIGRE也有類似結(jié)論,而歐標(biāo)和國標(biāo)則結(jié)論相反;垂直布置時,各標(biāo)準(zhǔn)在較高風(fēng)速(40 m/s)下要求的Dmin則小于較小風(fēng)速(30 m/s)下的Dmin(見圖2)。對角線布置時則情況更為復(fù)雜,如相鄰導(dǎo)線均為JL/G1A-630/45時(見圖3 a)), 日標(biāo)在較低風(fēng)速下的Dmin大于較高風(fēng)速,CIGRE在≥1000m檔距下有相同結(jié)論,在<1 000 m檔距下結(jié)論相反,國標(biāo)、歐標(biāo)同樣結(jié)論相反;但當(dāng)相鄰導(dǎo)線均為JL/G1A-400/35時(見圖3 b)),僅日標(biāo)在較低風(fēng)速下的線間距大于較高風(fēng)速,國標(biāo)、歐標(biāo)、CIGRE均結(jié)論相反。因此,通過檔中線間距計算以校驗塔頭上線間距離時,必須根據(jù)工程的實際參數(shù)進行計算。各標(biāo)準(zhǔn)橫向?qū)Ρ葋砜?,國?biāo)要求的線間距離在導(dǎo)線型號相同、水平布置時較大,其他情況下一般居中。 相鄰兩導(dǎo)線為相異導(dǎo)線或者是相同導(dǎo)線但分裂數(shù)不同時,國標(biāo)并未明確指出式(1)是否適用。在以往工程設(shè)計和專題研究時,有的設(shè)計單位按式(1)計算相鄰線路的水平線間距離,取二者中較高的標(biāo)稱電壓和較大的導(dǎo)線弧垂。歐標(biāo)指出相鄰導(dǎo)線為相異導(dǎo)線時,雖然截面、材質(zhì)或者弧垂不同,但式(12)仍然適用,可取較大的系數(shù)k和較大的弧垂以計算線間距離。CIGRE方法未明確相鄰導(dǎo)線相異時是否適用,日標(biāo)統(tǒng)計分析法是可以適用相異導(dǎo)線的。但需要注意,根據(jù)日標(biāo)統(tǒng)計分析法簡化推導(dǎo)的式(8)和式(9)只適用于兩相同導(dǎo)線風(fēng)偏擺動時在橫線路的垂直平面的水平軸上不出現(xiàn)交錯的情況,否則所計算出的相間距離并不是最小相間距離。另外兩相導(dǎo)線弧垂特性相差較大時,雖然檔距中央在垂直線路方向上的線間距離可以滿足電氣間隙要求,但是還需要考慮兩相導(dǎo)線沿檔距各點的線間距離是否滿足要求,更嚴(yán)格的情況下還需要進一步考察三維空間內(nèi)的線間距離是否滿足要求,否則就會得出錯誤的結(jié)論。 巴西在緊湊型桿塔設(shè)計中[11],通過深入研究發(fā)現(xiàn)不同相導(dǎo)線間的不同步擺動不會超過3°~4°,因此大大壓縮了線間距,500 kV緊湊型拍型塔相間距6.02 m,500 kV緊湊型橫索塔相間距5.55 m。與之相比,中國的500 kV倒三角緊湊型桿塔的相間距離一般為6.7 m。因此根據(jù)國外的線路設(shè)計和經(jīng)驗來看,有必要開展長期的架空導(dǎo)線風(fēng)偏擺動研究和觀測工作,壓縮塔頭尺寸,壓縮線間距離和走廊寬度。 另外,在線間距設(shè)計和校驗時,建議參考日標(biāo)統(tǒng)計分析法和CIGRE方法,引入概率統(tǒng)計的觀點,考慮導(dǎo)線的風(fēng)偏角在平均風(fēng)偏角周圍呈正態(tài)分布,根據(jù)線路的重要性選擇合適的標(biāo)偏倍數(shù),從而可以確定不同保證率下的線間距離。 4 結(jié)語(1)各國電氣間隙取值差異較大,但由于間隙需結(jié)合風(fēng)偏工況統(tǒng)一考慮,并不能簡單地由間隙取值就推斷檔中線間距離要求的塔頭尺寸大小,需結(jié)合工程實際情況,根據(jù)設(shè)計氣象條件、導(dǎo)線特性放線、布置方式等進行計算綜合確定。 (2)各標(biāo)準(zhǔn)下為滿足檔中線間距而要求的塔頭線間距離與多種因素緊密相關(guān),并非風(fēng)速越大,要求的塔頭上檔中線間距越大、塔頭尺寸越大。校核檔中線間距時,必須根據(jù)工程的實際參數(shù)進行計算。 (3)日標(biāo)統(tǒng)計分析法和CIGRE方法在計算相異導(dǎo)線的線間距離時不僅需要考慮檔距中央的風(fēng)偏接近距離,還需要考慮沿檔距各點間的線間距離,當(dāng)檔距較大時還需要進一步考察三維空間內(nèi)的線間距離是否滿足電氣間隙要求。 (4)在線間距設(shè)計和校驗時,可參考日標(biāo)統(tǒng)計分析法和CIGRE方法,引入概率統(tǒng)計的觀點,考慮導(dǎo)線的風(fēng)偏角在平均風(fēng)偏角周圍呈正態(tài)分布,根據(jù)線路的重要性選擇合適的標(biāo)偏倍數(shù),從而確定不同保證率下的線間距離。 (5)建議開展長期的架空導(dǎo)線風(fēng)偏擺動研究和觀測工作,合理壓縮塔頭尺寸、線間距離和走廊寬度,減小拆遷量,節(jié)省工程投資。 參考文獻: [1]潘峰,陳稼苗,聶建波,等.國內(nèi)外規(guī)范輸電線路鐵塔風(fēng)荷載特性對比[J].中國電力,2013,46(4):37-42.PAN Feng,CHEN 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Comparative Research on Mid Span Clearances of Overhead Transmission Lines Design Between Domestic and Foreign Standards WANG Jingyi, PAN Chunping, ZHU Yingjie Abstract:The mid span clearance has important influence on tower top geometry and reliable operation of overhead transmission lines.The existing comparison between domestic and foreign design standards mainly focus on wind load on the basis of tower structure,while research on mid span clearance between conductor and conductor or conductor and earthwire are absent.Chinese,Japanese,European and CIGRE design standards are selected to study mid span clearance calculation methods.The analysis and comparison includes different aspects such as design and check conditions,wind load,swing angle calculation and electric clearance requirements.The existing problems in standards are also discussed.An 500 kV line is taken as example to discuss different tower top geometry between phase to phase determining by mid span clearance.Influence of wind velocity,wind direction,conductor arrangement,conductor type and spans on tower top are also studied.It is proposed that,in domestic design and check of mid span clearance,normal distribution should be used for swing angel of conductors and standard deviation should be decided by line importance.Also,it is advised to perform long-term research and observation of swing characteristics of conductors in order to improve overhead lines design. Keywords:overhead transmission lines;mid span clearance;swing angle;standard deviation;electrical clearance 中圖分類號:TM726 文獻標(biāo)志碼:A DOI:10.11930/j.issn.1004-9649.201606076 收稿日期:2016-07-17; 修回日期:2017-04-17 作者簡介:汪晶毅(1981—),男,安徽舒城人,博士,高級工程師,從事輸電線路的設(shè)計和研究工作。 E-mail:wangjingyi@gedi.com.cn (責(zé)任編輯 李博) |
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