大型电力电子设备的低压试验新方法
电力系统常见的大型电力电子设备包括静止无功补偿装置、固定融冰装置、可控串补装置、可控高抗装置等,其日常停电检修、设备投运试验是保证设备和系统安全的重要方面。通常检测方法无法满足重新投入使用前试验的需要。
云南电网有限责任公司昭通供电局的研究人员陈宏,在2020年第10期《电气技术》杂志上撰文,针对大型电力电子设备的关键部件阀基电子设备、晶闸管电子板及阀的低压试验方法进行了深入探讨,提出了阀基电子设备控制信号发生器的实现思路。阀基电子设备控制信号发生器具备阀基电子设备的功能和部分调节控制器的功能。
作者具体论述了阀基电子设备控制信号发生器的调节控制系统模拟功能和阀基电子设备模拟功能的实现方法,提出了使用阀基电子设备控制信号发生器,通过单独模式和复合模式两种低压试验方法,实现阀基电子设备、晶闸管电子板及阀的低压试验。
随着电力电子技术的进步和广泛应用,电力电子设备的复杂程度越来越高,电压等级和容量越来越大,其发生故障的概率也越来越高。阀基电子设备(valve base electronics, VBE)、高电位的晶闸管电子板(thyristor electronics, TE)、晶闸管是电力电子设备的核心部分,这些部件发生故障会导致整个系统故障,进而退出运行,造成较为严重的后果。
因此保证电力电子设备的可靠性与安全性,及时地发现故障和必要的检测手段就显得非常重要,这使得电力电子设备的监测方法和试验手段越来越受到业内人士的重视。
VBE主要由触发回路和监测回路构成,位于地电位,是高压晶闸管阀光电触发与在线监测系统的组成部分,主要功能是触发与监测。TE核心作用是触发晶闸管的导通,同时监测晶闸管的运行状态。晶闸管是晶体闸流管的简称,它是一种大功率开关型半导体器件,在大型电力电子设备上通常是成对反并联使用。
通常大型电力电子设备在退出运行一段时间后再重新投入使用时,需要对VBE、高电位的TE、晶闸管进行低压试验,未经低压试验将电力电子设备投入使用风险是很大的。但是鉴于大型电力电子设备这部分功能过于复杂,非生产技术单位很难开展针对性的低压试验。
1 电力电子设备故障检测
1)常用故障检测方法
电力系统常见的大型电力电子设备包括静止无功补偿(static var compensator, SVC)装置、固定融冰装置、可控串补装置、可控高抗装置等,其功率比较大,控制保护功能复杂,电力电子器件过载能力弱,故障存在周期短,因此常规的应用于电子电路的故障诊断方法无法应用于电力电子设备的检测。
常用的故障检测方法有:
①谱分析诊断法,即通过侦测电路信号,利用谱分析提取信号中的噪声,根据噪声的特征定位故障;②波形分析诊断法,即通过侦测电力电子关键功能单元的输出波形,对非正常波形提取其特征状态,进而进行故障定位;③故障树诊断法,即在电力电子设备发生故障时,对可能引起故障的原因进行逐层逐个查找,直到找到故障点为止;④参数模型诊断法,即利用电力电子设备实时采集的设备运行状态参数,通过比对的方法判定故障的类型、故障的影响和产生原因;⑤人工智能法,即对系统的故障模式进行分类,建立故障数据库,通过智能算法实现故障诊断。上述故障诊断方法多是采用在线监测方式实现故障诊断,部分方法已经集成于电力电子设备的控制保护系统,实际电力电子设备的控制保护系统已经具备了监测、告警、保护功能,可以很好地保护系统健康运行。然而,对大型电力电子设备的日常停电检修、设备投运试验还是一个难题。
2)VBE、TE板及阀现场检测
在现场针对VBE、TE板及晶闸管的试验中,需要VBE进行晶闸管的触发及检测,而VBE需要完备的控制信号方能满足工作要求,这又要求测量、调节系统全部正常工作,在多数情况下上述条件难以具备。VBE在整个电力电子驱动控制部分中起着承上启下的作用,其与TE板和调节控制系统之间的连接关系如图1所示。
图1 VBE、TE板及调节控制系统连接关系图
(1)VBE与TE板间的连接关系:由VBE发送到TE板的信号为脉冲编码信息;从TE板回报到VBE的信号为晶闸管的状态监测信号。
(2)VBE与调节控制系统间的连接关系:由VBE发送到调节控制系统的信号为晶闸管的状态信息、紧急触发回路动作信息、光发射电路的状态信息、紧急合闸信号和VBE故障信号等;调节控制系统送往VBE的信号为主回路晶闸管的触发命令、电压同步信号、闭锁信号和主回路合闸信号。
对VBE、TE板和晶闸管进行现场试验核心是模拟VBE和调节控制器的信号发送和接收功能。
本文提出一种“VBE控制信号发生器”具备VBE的功能和部分调节控制器的功能:一方面,VBE控制信号发生器模拟调节控制系统功能,向VBE发送控制信号,并接收回报监测信息,目的是检测VBE工作状态;另一方面,VBE控制信号发生器模拟VBE的功能,试验中替换VBE的位置,通过光纤连接TE板,发送脉冲编码信号,并接收TE板的状态回报信号,实现TE板和晶闸管的状态检测。
2 故障检测关键技术
VBE控制信号发生器核心是模拟VBE机箱和调节控制系统的信号收发功能。调节控制系统模拟部分主要是实现触发命令、同步信号、触发角度控制等发送,VBE回报信号的接收和解析。VBE的模拟包括主从、检测允许、晶闸管保护型串联补偿(thyristor protected series compensation, TPSC)模式、固定串联补偿(fixed series compensation, FSC)模式、晶闸管投切电抗器(thyristor switched reactor, TSR)模式、正向触发区间、反向触发区间、电流同步脉冲、电压同步脉冲等。
下面对VBE控制信号发生器的关键技术及其实现方法进行详细说明。
2.1 调节控制系统模拟
模拟调节控制系统相对比较容易实现,主要实现数字信号处理功能,包括VBE监测信息接收和命令信号发送。VBE发送的监测信息包括晶闸管的状态信息、紧急触发回路动作信息、光电驱动板上光发射电路的状态信息、紧急跳闸信号和VBE故障信号等;发送到VBE的命令信号包括主回路晶闸管的触发命令、电压同步信号、闭锁信号和主回路合闸信号。调节控制系统模拟结构框图如图2所示。
图2 调节控制系统模拟结构框图
2.2 VBE模拟
1)脉冲编码信号生成电路
VBE控制信号发生器模拟VBE生成脉冲编码发送至TE板,目的是实现晶闸管的触发和角度控制的检测功能。VBE控制信号发生器的脉冲编码信号的结构框图如图3所示。
脉冲编码生成电路主要由可编程逻辑器件接收输入信号并生成脉冲编码信号,时钟电路为复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device, CPLD)提供工作时钟。这里采用3片VANTIS公司的可编程逻辑器件MACH211、3片可编程逻辑器件分别对应AB相、BC相、CA相的编码信号输出。
2)回报检测单元的实现
回报检测单元主要用来接收TE板返回的状态回报信号,包括信号输入输出通道、信号采集电路、信号分析处理电路和通信回路。图4所示为回报检测单元结构框图。
图3 脉冲编码信号的结构框图
图4 回报检测单元结构框图
(1)信号采集电路
信号采集电路采用的可编程逻辑器件是VANTIS公司的MACH-192,主要用来采集TE板返回的回报信号,如图5所示,可编程逻辑器件1和2构成触发器阵列,根据晶闸管工作所处的不同状态,把TE板的回报信号锁存到不同的触发器。在一个周波中,TE板会有5个不同的状态回报信号,在可编程逻辑器件中设置有5个不同的触发器与之一一对应,用于锁存不同类型的回报信号。
可编程逻辑器件3和4构成一个多路选择器,可以把可编程逻辑器件1、2中锁存的回报信号有选择地呈现在可编程逻辑器件3、4的输出端。BUFFER1—BUFFER4用于数据缓冲器,数据缓冲的作用是为了实现信号分析处理电路中的微控制单元(micro controller unit,MCU)可以随时读取可编程逻辑器件3和4中的数据。
图5 信号采集电路结构图
(2)信号分析处理电路
信号分析处理电路主要功能是将信号采集电路采集到的TE板回报信息进行归类处理。并把这些状态信息通过通信回路发送到调节控制系统。
信号分析处理电路主要是由MCU、程序存储器、数据存储器、数据缓冲器和可编程逻辑阵列组成。对数据存储器进行分区存储:一部分用于存储瞬时数据,是MCU从信号采集电路中读到的信号;一部分用于存储永久数据,是经过MCU处理后的数据。每个存储区分成5个部分,用于存储紧急触发回路动作信号、负压建立信号、dv/dt动作信号、晶闸管状态信号和光发射电路状态信号。
图6所示为数据存储器的分区存储示意图。存储区的数据由VBE控制信号发生器的调节控制系统模拟部分进行监测信息采集。
图6 数据存储器分区存储示意图
3 电力电子设备试验方法
晶闸管阀组和VBE机箱在投入使用前必须要进行低压试验,低压试验通过之后,方可高压带电,否则会发生难以预料的事故。试验在电压为AC 80~400V、电流为1~5A的低电压条件下进行,不会对晶闸管阀组和VBE箱体产生任何不利影响。
低压试验核心目的是:①验证晶闸管阀组在低压下的触发、角度控制和监测功能是否正常;②验证VBE机箱信号输入、信号处理、信号输出等是否正常。低压试验主要包括单独模式和复合模式两种。
1)单独模式(只使用VBE信号发生器)
图7 单独模式试验接线示意图
单独模式下可同时给一对反并联的晶闸管进行低压试验。此时VBE信号发生器功能是模拟电力电子装置控制系统的VBE机箱,发送的脉冲信号与正常工作时VBE机箱发送的信号是相同的。
VBE信号发生器可以同时接收被试验的一对晶闸管的TE板回报信号,通过将此回报信号作为TE板及对应的晶闸管是否正常的判据。
2)复合模式(采用VBE信号发生器+VBE机箱)
图8 复合模式试验接线示意图
复合模式下在晶闸管阀组高压试验之前,对晶闸管阀组先逐层进行低压试验来验证VBE机箱的好坏。此时VBE信号发生器的功能是模拟调节控制系统的控制器输入输出信号,主要有同步信号、触发时刻信号等。而晶闸管的触发信号是由VBE机箱发送给TE板的,TE板的回报信号接到VBE机箱上,由VBE机箱通过控制器局域网(controller area network, CAN)发送给工作站显示出来。
4 结论
对于大型的电力电子设备,控制系统通常采用双系统运行,可靠性相对较高,通常不需要试验检测。而晶闸管阀组、TE板、VBE机箱,冗余少,其发生故障容易引发重大事故,每次上电前必须进行低压试验。本文提出一种VBE信号发生器实现方案。
VBE控制信号发生器核心功能是模拟VBE机箱和调节控制系统的信号收发功能。试验在低压条件下进行,采用单独模式可以检测晶闸管和TE板的好坏;采用复合模式可以检测VBE机箱的好坏。VBE信号发生器可以应用于SVC、融冰装置、可控串补装置等大型电力电子设备的日常停电检修、设备投运试验等方面。
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DBC-2 现代电力电子技术实验装置
一、概述 DBC-2 现代电力电子技术实验装置是依据西安交通大学王兆安编著的《电力电子技术》(第五版)、《半导体变流技术》教材实验大纲的要求,吸收国内、外同类产品的优点,充分考虑了实验室的现状和发展趋势,精心研制而成。
(此图片仅作为结构参考,具体实物要根据配置而定)
二、适用范围 现代电力电子技术实验装置涵盖了各类院校所开设的"电力电子技术"、"半导体变流技术"等专业课程所要求的实验项目。三、技术性能 1、输入电源: 三相四线(或三相五线 380V±10% 50HZ) 2、工作环境: 温度-10℃-+40℃ 相对湿度<85%(25℃) 海拨<4000m 3、装置容量:<1000W4、外形尺寸:1700×700×1580 mm四、装置的基本装备1、DX01电源控制屏(铁质双层亚光密纹喷塑结构,铝质面板) (1)交流电源(带有过流保护措施)提供交流电源:三相交流电源220V/1.5A,经过380V//220V 隔离变压器输出) (2)高压直流电源:输出220V/0.5A,具有输出短路保护。 (3)数字式仪表 ①.交流数字电压表:可通过其下方的波段开关切换指示三相电网输入线电压,精度1.0级; ②.真有效值交流数字电压表一只:测量范围0~500V,量程自动判断、自动切换,精度0.5级,三位半数显,为交流调速系统提供电压指示。 ③.真有效值交流数字电流表一只:测量范围0~5A,量程自动判断、自动切换,精度0.5级,三位半数显,为调速系统提供电流的指示; ④.直流数字电压表一只:测量范围0~500V,三位半数显,输入阻抗为10MΩ,精度0.5级; ⑤.直流数字电流表一只:测量范围0~5A,三位半数显,精度0.5级,具有短路保护等功能。 (4)带镜面的指针表:直流电压表(测量范围0~±300V,为中零式,精度为1.0级)直流电流表(测量范围0~±2A,为中零式,精度为1.0级) (5)三相可调电阻(90Ω×2/0.41A一个 、900Ω×2/0.41A两个) (6)平波电抗器:提供100mH、200mH、700mH电感,在1A下保持线性。 (7)给定:±15V可调电压输出,带数显,指示输出电压。 (8)单相调压:提供了一只0~250V/0.5KVA单相交流自耦调压器,为相应的实验提供可调交流电源,并带短路保护。(9)三相整流滤波电路:可对单相及三相交流电源进行整流和滤波,具有输出短路保护。 (10)变压器:提供三相芯式变压器一个(该变压器有2套副边绕组,原、副边绕组的电压为127V/63.6V/31.8V),用于三相桥式、单相桥式有源逆变电路实验。 (11)人身安全保护体系 三相隔离变压器一组:三相电源首先通过三相漏电保护器,然后经钥匙开关、接触器到隔离变压器,使主电路输出与电网隔离(浮地设计),对人身安全起到一定的保护作用。 电流型漏电保护装置:控制屏若有漏电现象,漏电流超过一定值,即切断电源。实验连接线及插座:强、弱电连接及插座分开,不能混插。强电连接线及插座采用全封闭工艺,使用安全、可靠、防触电。 (12)控制屏其它设施 控制屏正面大凹槽内,设有两根钢管,可挂置实验部件,凹槽底部设3芯插座, 挂件的供电由这些插座提供。控制屏两侧设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座。2、DX02实验桌 实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构,桌面为防火、防水、耐磨高密度板,结构坚固,形状似长方体结构,造形美观大方;设有两个大抽屉,用于放置工具、存放挂件及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。实验桌还设有四个万向轮和四个固定调节机构,便于移动和固定,有利于实验室的布局。3、DX03 三相可控整流电路(一) 提供6只5A/1000V的晶闸管,每只晶闸管均设有RC吸收和保险丝保护装置,晶闸管可通过外加触发信号进行触发(留有触发脉冲输入接口),可更好的完成设计性实验。 三相触发电路由KC04、KC41、KC42、4066等集成电路组成,可通过钮子开关选择双窄脉冲或宽脉冲,同时提供六路触发脉冲功放电路等。4、DK05晶闸管触发电路 提供单结晶体管触发电路实验、单相交流调压触发电路,锯齿波同步移相触发电路实验,正弦波触发电路及TCA785集成触发电路。5、DK07直流斩波实验根据西安交通大学王兆安教授和黄俊教授主编的《电力电子技术》(第五版)中相关的直流斩波内容而设计的;提供组成直流斩波电路所需的元器件和采用专用的PWM控制集成电路SG3525。可完成教材中降压斩波电路(Buck Chopper)、升压斩波电路(Boost Chopper)、升降压斩波电路(Boost -Buck Chopper)、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路六种典型实验。6、DK09新器件特性实验提供SCR、MOSFET、IGBT、GTO 、GTR新器件,与给定模块配套使用,可测定其特性曲线。7、DK13功率器件驱动与保护电路 主要是为完成新器件特性实验提供电源、驱动电路及PWM波形发生器。 (1)电源:为驱动电路提供电源,包括±5V、±15V和+20V直流电源。 (2)驱动电路:包括 MOSFET和IGBT的驱动电路。其中IGBT的驱动电路采用专用芯片EXB841,其它的由运放、门电路及分立元件组成。 (3)PWM波形发生器:以SG3525为核心的PWM波形发生器主要是为新器件驱动电路提供PWM驱动波形,可以通过频率调节旋钮进行频率调节;通过占空比电位器来调节PWM波的占空比。频率范围分为2挡,通过钮子开关切换,高频档是为MOSFET和IGBT驱动电路提供PWM波形,频率调节范围4KHz~10KHz;低频档是为GTR和GTO驱动电路提供PWM波形,频率调节范围400Hz~1KHz;占空比可从 0%调至100%。8、DK14单相交直交变频原理 根据普通高等教育"九五"国家级重点教材王兆安,黄俊主编的《电力电子技术》(第四版)的内容进行开发。用于展示交直交变频原理,主要让学生了解SPWM正弦波脉宽调制信号的形成方法,了解IGBT管专用集成驱动芯片的特点及其使用,能完成如下实验项目: 1)SPWM波形成的过程; 2)交直交变频电路在不同负载(电阻,电感)时的工作情况和波形,并研究工作频率对电路工作波形的影响; 3)IGBT管专用集成驱动芯片的工作特性。9、DK17双闭环H桥DC/DC变换直流脉宽调速系统通过对四个桥臂上IGBT管的触发控制,来实现对可逆直流他励电机进行调速的目的,主要由三大部分组成,即主回路部分、控制电路部分和调节部分。主回路由直流电源、四种IGBT管组成;控制回路部分由专用芯片产生PWM脉冲波,PWM波脉冲发生器产生的四路控制脉冲,分别驱动四个桥臂的IGBT管;调节部分由两个PI调节器组成,并通过速度环、电流环构成的反馈回路使电机的转速稳定运行在给定的转速下。本实验挂件可完成的实验项目有:(1)全桥DC/DC 变换电路实验(2)双闭环可逆直流脉宽调速实验。10、DK19半桥型开关稳压电源 提供了半桥型开关稳压电源的主电路和控制电路,主电路的电力电子器件为电力MOSFET管;控制电路采用专用PWM控制集成电路SG3525,采用恒频脉宽调制控制方案。可完成"开关电路在开环与闭环下负载特性的测试"以及"电源电压波动对输出的影响"等实验内容。11、DX17实验元器件 提供晶闸管(均设有RC吸收和保险丝保护)、压敏电阻(作为过压保护元件,内部已连成三角形接法)二极管及灯座、RC吸收电路。12、DK21斩控式交流调压电路根据西安交通大学王兆安教授和黄俊教授主编的《电力电子技术》(第五版)相关内容而设计,采用全控型器件 IGBT 管实现 “ 斩控式交流调压实验 ” 。13、DX03-1 三相可控整流电路(二)提供6只5A/1000V的晶闸管,每只晶闸管均设有RC吸收和保险丝保护装置,晶闸管可通过外加触发信号进行触发(留有触发脉冲输入接口),可更好的完成设计性实验。 三相触发电路由专用晶闸管新型集成触发电路Tc787组成,体现了现代晶闸管触发技术的最新应用;同时提供六路触发脉冲功放电路等。14、DQ07-1直流发电机(DC220V,240W)15、DQ09直流并励电动机 (DC220V,185W)16、DQ03-1 固定电机导轨、测速系统及数显转速表17、实验连接线:根据不同实验项目的特点,配备两种不同的实验联接线,强电部分采用高可靠护套结构手枪插连接线(不存在任何触电的可能),里面采用无氧铜抽丝而成头发丝般细的多股线,达到超软目的,外包丁晴聚氯乙烯绝缘层,具有柔软、耐压高、强度大、防硬化、韧性好等优点,插头采用实芯铜质件外套铍轻铜弹片,接触安全可靠;弱电部分采用弹性铍轻铜裸露结构联接线,两种导线都只能配合相应内孔的插座,这样大大提高了实验的安全及合理性。18、★配套电力电子多媒体课件适应所有的教材,内容丰富并可随意调取。合理地运用多媒体课件教学系统,可以很大程度上减轻老师讲课的工作量。(包含以下内容):第1章 电力电子技术概述第2章 电力电子器件概述第3章 晶闸管的结构及导通关断原理第4章 晶闸管的特性与主要参数第5章 晶闸管的测试第6章 晶闸管的导通与关断实验第7章 触发电路的要求及简易触发电路第8章 单结晶体管的结构、伏安特性与主要参数第9章 单结晶体管触发电路第10章 单相半波可控整流电路电阻性负载的结构与工作原理第11章 单相半波可控整流电路电感性负载的工作原理第12章 单相桥式全控整流电路电阻性负载工作原理及主要参数计算第13章 单相桥式全控整流电路电感性负载工作原理及主要参数计算第14章 单相桥式全控整流电路反电动势负载工作原理及主要参数计算第15章 有源逆变的工作原理第16章 逆变失败与逆变角的限制第17章 单相桥式半控整流电路电阻性负载工作原理及主要参数计算第18章 单相桥式半控整流电路电感性负载工作原理及主要参数计算第19章 SS6B电力机车牵引电动机主电路第20章 双向晶闸管的结构与工作原理第21章 双向晶闸管的主要参数第22章 双向晶闸管的测试第23章 双向晶闸管触发电路第24章 单相交流调压电路第25章 GTO(可关断晶闸管)的结构与工作原理第26章 GTR(大功率晶闸管)的结构、特性与工作原理第27章 IGBT(绝缘栅极晶体管)的结构、特性与工作原理第28章 DC-DC电路(直流斩波电路)的基本工作原理及降压斩波电路第29章 升压斩波电路与升降压斩波电路第30章 直流斩波(开关电源)电路实验第31章 感应加热的原理与发展历史及中频感应加热电源的用途第32章 中频感应加热电源的组成第33章 三相半波可控整流电路电阻性负载工作原理及参数计算第34章 三相半波可控整流电路大电感负载工作原理及参数计算第35章 三相桥式全控整流电路电阻性负载工作原理及参数计算第36章 三相桥式全控整流电路大电感负载工作原理及参数计算第37章 锯齿波同步触发电路的组成与工作原理第38章 锯齿波同步触发电路调试第39章 无源逆变电路的基本工作原理及换流方式第40章 电压型和电流型逆变器电路第41章 单相并联逆变电路调试第42章 变频器的用途与基本结构第43章 变频器主电路结构第44章 单相桥式PWM逆变电路工作原理第45章 三相桥式PWM变频电路的工作原理第46章 PWM变频电路的调制控制方式第47章 单相正弦波脉宽调制SPWM逆变电路调试五、本装置能开设的实验项目(以上配置)(一)晶闸管触发电路实验项目1)单结晶体管触发电路2)正弦波同步移相触发电路实验3)锯齿波同步移相触发电路实验4)单相集成锯齿波触发电路实验(由 Tca785 组成)5)三相集成锯齿波触发电路实验(由 KC04/KC09 等组成)(二)晶闸管线路实验项目1)单相半波可控整流电路实验2)单相桥式半控整流电路实验3)单相桥式全控整流及有源逆变电路实验4)三相半波可控整流电路实验5)三相桥式半控整流电路实验6)三相半波有源逆变电路实验7)三相桥式全控整流及有源逆变电路实验8)单相交流调压电路实验9)三相交流调压电路实验(三)电力电子器件特性及驱动保护实验项目1)单向晶闸管( SCR )特性实验2)可关断晶闸管(GTO)特性实验3)功率场效应管(MOSFET)特性实验4)功率晶体管(GTR )特性实验5)绝缘双极性晶体管(IGBT)特性实验6)可关断晶闸管(GTO)驱动与保护电路实验7)功率场效应管(MOSFET)驱动与保护电路实验8)功率晶体管(GTR)驱动与保护电路实验9)绝缘双极性晶体管(IGBT)驱动与保护电路实验(四)典型新器件线路实验1)单相正弦波脉宽调制( SPWM )逆变电路实验2)半桥型开关稳压电源的性能研究3)直流斩波电路的性能研究(降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波的电路、 Cuk斩波电路、 Sepic 斩波电路、 Zeta 斩波电路)4)斩控式交流调压电路5)DC/DC变换电路(五)直流电机的双闭环调速系统1)直流电机的开环调速系统(三相全控桥SCR)2)直流电机的双闭环可逆脉宽调速系统(PWM/IGBT)
来源:https://www.aiav.com.cn/dldz/DBC-2.html
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