城市轨道交通供电系统的中压网络研究.docx
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城市轨道交通供电系统的中压网络研究
城市轨道交通供电系统的中压网络研究
摘要:
本文从城市轨道交通供电系统的功能、组成、和系统的外部电源方案等方面对城市轨道交通供电系统进行了简述。
在此基础上引入了城市轨道交通供电系统中压网络的概念,中压网络有两大属性:
一是电压品级,二是组成形式。
同时结合国家中压配电现状及进展趋向、国内城市轨道交通中压网络现状及进展思路、和不同电压品级的中压网络的特点,对中压网络的电压品级的特点进行了综合比较,并对其组成进行了系统分析。
最后提出了一种新型接线方式-20kV牵引动力照明混合网络。
关键词:
牵引动力照明混合网络城市轨道交通供电系统中压网络
一、供电系统的简介及中压网络的概念
一、城市轨道交通供电系统的功能
城市轨道交通供电系统,担负着运行所需的一切电能的供给与传输,是城市轨道交通平安靠得住运行的重要保证。
城市轨道交通的用电负荷按其功能不同可分为两大用电群体。
一是电动客车运行所需要的牵引负荷,二是车站、区间、车辆段、操纵中心等其他建筑物所需要的动力照明用电,诸如:
通风机、空调、自动扶梯、电梯、水泵、照明、AFC系统、FAS、BAS、通信系统、信号系统等。
在上述用电群体中,有不同电压品级直流负荷、不同电压品级交流负荷;有固定负荷、有时刻在转变的运动负荷。
每种用电设备都有自己的用电要求和技术标准,而且这种要求和标准又相差甚远。
城市轨道交通供电系统确实是要知足这些不同用户对电能的不同需求,以使其发挥各自的功能与作用。
保证电动客车畅行,平安、靠得住、迅捷、舒适地输送乘客,是供电系统的全然目的。
二、供电系统的组成
依照功能的不同,关于集中式供电,城市轨道交通供电系统可分成以下几部份:
外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控(SCADA)系统。
关于分散式供电,城市轨道交通供电系统那么可分成以下几部份:
外部电源、(电源开闭所)、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控(SCADA)系统。
牵引供电系统,又可分成牵引变电所与牵引网系统。
动力照明配电系统,又可分成降压变电所与动力照明。
但在进行初步设计与施工设计时,为便于设计治理,供电系统往往被划分成:
系统设计;主变电所设计;牵引变电所(或牵引降压混合变电所)及降压变电所设计;牵引网设计;电力监控系统设计;杂散电流侵蚀防护设计(注:
动力照明随同土建一路设计)。
3、外部电源方案
城市轨道交通系统的外部电源方案,依照城市电网组成的不同特点,可采纳集中式、分散式、混合式等不同形式。
(1)确信外部电源方案的原那么
城市轨道交通作为城市电网的特殊用户,一样用电范围多在10km~30km之间。
城市轨道交通系统的外部电源方案,要紧有集中式、分散式、混合式等不同形式。
究竟采纳何种方式,应通过计算确信需要负荷以后,依照城市轨道交通路网计划、城市电网组成特点、工程实际情形综合分析确信。
(2)集中式供电
在城市轨道交通沿线,依照用电容量和线路长短,建设专用的主变电所,这种由主变电所组成的供电方案,称为集中式供电。
主变电所进线电压一样为110kV,经降压后变成35kV或10kV,供牵引变电所与降压变电所。
主变电所应有两路独立的进线电源。
集中式供电,有利于城市轨道交通供电形成独立体系,便于治理和运营。
上海、广州、南京、香港、德黑兰地铁等即为集中式供电方案。
(3)分散式供电
依照城市轨道交通供电的需要,在地铁沿线直接由城市电网引入多路电源,组成供电系统,称为分散式供电。
这种供电方式一样为10kV电压级。
分散式供电要保证每座牵引变电所和降压变电所均取得双路电源,要求城市轨道交通沿线有足够的电源引入点及备用容量。
建设中的沈阳地铁、长春轻轨、大连轻轨、北京城铁、北京八通线、北京地铁5号线等即为分散式供电方案。
(4)混合式供电
将前两种供电方式结合起来,一样以集中式供电为主,个别地段引入城市电网电源作为集中式供电的补充,使供电系统加倍完善和靠得住。
这种方式称为混合式供电。
北京地铁一线和环线、建设中的武汉轨道交通工程、青岛地铁南北线工程等即为混合式供电方案。
通过中压电缆,纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来,横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来,便形成了中压网络。
依照网络功能的不同,把为牵引变电所供电的中压网络,称为牵引网络;一样,把为降压变电所供电的中压网络称为动力照明网络。
中压网络有两大属性:
一是电压品级,二是组成形式。
中压网络不是供电系统中独立的子系统,可是它却是供电系统设计的核心内容。
它的设计牵涉到外部电源方案、主变电所的位置及数量、牵引变电所及降压变电所的位置与数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。
二、中压网络的电压品级
一、国家中压配电现状及进展趋向
我国现行中压配电标准电压品级有:
66kV、35kV、10kV。
随着城乡电气化事业的进展,只有一种10kV作为中低电压的分界,显然已不能知足城乡配电网进展要求。
我国第一个20kV一次配电的供电区,已经于1996年5月在苏州工业园区投入运行。
之前一段运行情形来看,其线损率大大低于10kV系统。
关于农村电网,从电源电压直接送到中压一次配电层,形成高压电源层──中压一次配电层──低压户内三级配电,能够简化电网、降低造价、减少线损、利于进展。
采纳20kV作为中压一次配电层,功能上能够替代35kV与10kV两个配电层,而造价上那么与10kV设备不同不大。
由此可见,20kV电压品级的这种特点,也适合于高密度负荷地域的城市电网。
例如:
早在1999年中电联供电分会发表的“北京电网实施城网建设和改造的计划原那么”中说明:
北京市区内电压品级按500kV、220kV、110kV、10kV(20kV)设计,其中新建开发区可选20kV电压品级。
二、国内城市轨道交通中压网络现状及进展思路
以往,因国家城乡电网中没有采纳20kV这一电压品级,相应的开关柜等20kV设备,也没有跟上进展。
在如此的大环境下,要在城市轨道交通工程中利用20kV电压级,是比较困难和不现实的。
因此,国内既有城市轨道交通的中压网络电压品级采纳了35kV(假设采纳国外设备那么是33kV)或10kV。
北京地铁、天津地铁、长春轨道交通环线一期工程、大连快速轨道交通3号线的中压网络为10kV;上海地铁一、2号线的牵引网络采纳了33kV,动力照明网络采纳了10kV;上海地铁明珠线的牵引网络采纳了35kV,动力照明网络采纳了10kV;广州地铁一、2号线采纳了33kV的牵引动力照明混合网络;南京地铁南北线一期工程、深圳地铁采纳了35kV的牵引动力照明混合网络;武汉轨道交通一期工程、重庆轨道交通较新线工程采纳了10kV的牵引动力照明混合网络。
但是,随着城乡电力消费的增加,进展城乡20kV配电网已提到议事日程上来。
20kV是目前公认的具有进展前景的优选电压级。
20kV开关柜、变压器、电力电缆等一系列设备,也完全实现了国产化。
最近几年已公布的国家标准GB156—93中说明,20kV也是可利用的电压级。
另外,已经完成送审稿的《地铁设计标准》中规定:
地铁中压网络的电压品级可采纳35kV(33kV)、20kV、10kV。
因此,在我国城乡电网及20kV设备那个大环境,已经发生转变的情形下,在城市轨道交通中压网络的电压品级选用上,也应该拓宽思路,认真比较,优化选用。
换言之,不能仅局限于以往的35kV(33kV)和10kV框框,应该熟悉到,20kV也是可用的,并已成为一个备选电压级。
这是因为:
城市轨道交通供电系统,尤其是集中式供电系统,与其他公用用户相较,相对独立,自成系统。
不管从施工建设,仍是运营治理、养护维修等均相对独立。
从那个角度来讲,城市轨道交通中压网络的电压品级不必然与外部电网电压品级相一致。
事实上,上海地铁、广州地铁,已采纳了国外的33kV设备,而我国电压品级是35kV,并非33kV。
另外,象南京地铁、深圳地铁采纳的35kV,也是这两座城市市区电网所要取消的电压级。
换言之,在城市轨道交通中压网络电压品级与外部市网电压品级的关系上,是采纳35kV仍是采纳33kV或20kV,其性质和概念上是一样的。
3、不同电压品级的中压网络的特点
(1)35kV中压网络,国家标准电压级。
输电容量较大、距离较长;设备来源国内;设备体积较大,占用变电所面积较大,无益于减小车站体量;设备价钱适中;国内没有环网开关,因此不能用(相关于断路器柜)价钱较廉价的环网开关,组成接线与爱惜简单、操作灵活的环网系统;广州地铁、上海地铁已经采纳。
(2)33kV中压网络,国际标准电压级。
输电容量较大、距离较长,大体与35kV一致;设备来源国外,无益于国产化;国外开关设备体积较小、价钱较高,广州、上海地铁已经采纳;国外C-GIS产品有环网单元。
(3)20kV中压网络,国际标准电压级。
输电容量及距离适中,比10kV系统大。
设备完全实现国产化;引进MG、ALSTHOM等技术的开关设备,体积较小,占用变电所面积远小于国产35kV设备,有利减小车站体量,节省土建投资;价钱适中;有环网单元,能组成接线与爱惜简单、操作灵活的环网系统;国内地铁尚没有采纳,但国外地铁多有采纳。
(4)10kV中压网络,国家标准电压级。
输电容量较小、距离较短;设备来源国内;设备体积适中;设备价钱较低;环网开关技术成熟、运营体会丰厚,可用其组成爱惜简单、操作灵活的环网系统;国内外地铁广为采纳。
4、不同电压品级的中压网络的综合比较
三、中压网络的组成
一、概述
关于集中式外部电源方案,牵引网络和动力照明网络,能够采纳相对独立的形式,即牵引动力照明独立网络,也能够共用同一个中压网络,即牵引动力照明混合网络。
关于分散式外部电源方案,采纳牵引动力照明混合网络。
牵引动力照明独立网络的特点:
牵引网络与动力照明网络,二者相对独立、彼此阻碍较小;35(33)kV较高的电压级与较重的牵引负载相适用,而10kV较低的电压级那么与较小的动力照明负荷相适用。
牵引动力照明混合网络的特点:
供电系统的整体性比较好,设备布置能够统筹考虑。
牵引网络与动力照明网络,能够采纳同一个电压级,也能够采纳两个不同电压级。
目前,我国城市轨道交通工程有的采纳了牵引动力照明混合网络,有的那么采纳了牵引动力照明独立网络;国外有的地铁采纳了牵引动力照明独立网络。
二、中压网络的组成原那么
(1)知足平安靠得住的供电要求;
(2)知足潮流计算要求,即设备容量及电压降要知足要求;
(3)知足负荷分派平稳的要求;
(4)知足继电爱惜的要求;
(5)知足运行治理、倒闸操作的要求;
(6)每一个牵引变电所、降压变电所均应有两路电源;
(7)系统接线方式尽可能简单;
(8)供电分区应就近引入电源,必要时可从负荷中心处引入电源,尽可能幸免返送电;
(9)全线牵引变电所、降压变电所的主接线尽可能一致;
(10)知足设备选型要求。
3、集中式外部电源方案下的中压网络组成
(1)独立35(33)kV牵引网络+独立10kV动力照明网络的接线方式
1)35(33)kV牵引网络的接线方式
当中压网络为两个不同电压级时,35(33)kV牵引网络的经常使用接线方式,如插图一所示。
这些大体接线方式能够分成A、B、C、D四种类型。
lA型:
牵引变电所主接线为单母线;牵引变电所的进线与出线,均采纳断路器;牵引变电所的两路电源,来自于同一个主变电所的不同母线;该类型接线适用于位于线路起始部份、线路终端部份、主变电所周围的牵引变电所电源引入。
lB型:
牵引变电所主接线为单母线;牵引变电所的进线与出线,均采纳断路器;两个牵引变电所为一组;这一组牵引变电所的两路电源,来自于同一个主变电所的不同母线,每一个牵引变电所均从主变电所接入一路主电源,两个牵引变电所通过联络电缆实现电源互为备用;该类型接线适用于位于线路起始部份、线路终端部份的牵引变电所电源引入。
lC型:
牵引变电所主接线为单母线;牵引变电所的进线与出线,均采纳断路器;两个牵引变电所为一组;这一组牵引变电所的两路电源,来自于不同的主变电所,左侧牵引变电所从左侧主变电所接入一路主电源,右边牵引变电所从右边主变电所接入一路主电源,两个牵引变电所通过联络电缆实现电源互为备用;该类型接线适用于位于两个主变电所之间的牵引变电所电源引入。
lD型:
牵引变电所主接线为单母线;牵引变电所的进线与出线,均采纳断路器;牵引变电所的两路电源,来自于左右双侧不同的主变电所;该类型接线适用于位于两个主变电所之间的牵引变电所电源引入。
2)10kV动力照明网络的接线方式
当中压网络为两个不同电压级时,10kV动力照明网络的大体接线方式,如插图二所示。
全线的降压变电所被分成假设干个供电分区,每一个供电分区一样不超过3个地下站;每一个供电分区均从主变电所(或中心降压变电所)的35(33)/10kV主变压器,就近引入两路10kV电源;中压网络采纳双线双环网接线方式;相邻供电分区间通过环网电缆联络;降压变电所主接线采纳分段单母线形式;降压变电所进线开关采纳断路器。
该接线方式运行灵活。
(2)35(33)kV牵引动力照明混合网络的接线方式
当中压网络采纳一个电压级时,35(33)kV牵引动力照明混合网络的大体接线方式,如插图三所示。
在有牵引变电所的车站,牵引变电所与降压变电所合建成牵引降压混合变电所,对大型地下车站,除牵引降压混合变电所或降压变电所外,还会设置跟从式降压变电所。
全线的牵引降压混合变电所及降压变电所被分成假设干个供电分区,每一个供电分区一样不超过3个地下站;每一个供电分区均从主变电所的不同母线就近引入两路35(33)kV电源;中压网络采纳双线双环网接线方式,牵引降压混合变电所、牵引变电所、降压变电所的环网进线开关均采纳断路器;两个主变电所之间的供电分区间通过环网电缆联络,其他供电分区间能够不设联络电缆。
牵引降压混合变电所、牵引变电所、降压变电所的主接线,均采纳分段单母线形式。
该接线方式运行灵活。
35(33)kV牵引动力照明混合网络,因其输电容量大、距离长,因此更适合于地下线路。
(3)10kV牵引动力照明混合网络的接线方式
当中压网络采纳一个电压级时,10kV牵引动力照明混合网络的大体接线方式,如插图四所示。
全线的牵引降压混合变电所及降压变电所被分成假设干个供电分区,每一个供电分区一样不超过3个车站;每一个供电分区均从主变电所的不同母线就近引入两路10kV电源(关于地面线路,供电分区的来自于主变电所的两路10kV电源也能够从牵引变电所处引入,不必然就近引入)。
牵引降压混合变电所、牵引变电所的主接线均采纳分段单母线形式。
地下降压变电所主接线可采纳分段单母线形式,地面降压变电所主接线那么能够采纳两段母线形式,同一工程的地下降压变电所与地面降压变电所主接线,应尽可能一致。
地面降压变电所的配电变压器,也能够采纳负荷开关-熔断器组合电器爱惜。
中压网络采纳双线双环网接线方式。
牵引降压混合变电所、牵引变电所的环网进线开关均采纳断路器;地面降压变电所的环网进线开关能够采纳负荷开关,地面降压变电所的配电变压器,也能够采纳负荷开关-熔断器组合电器爱惜。
若是两个主变电所10kV母线间设有专门的联络电缆,那么两个主变电所之间的供电分区间没必要再设联络电缆;同一个主变电所供电范围内的供电分区间能够不设联络电缆(尤其是当这些供电分区别离只有一个牵引变电所时)。
该接线方式运行灵活。
10kV牵引动力照明混合网络,因其输电容量小、距离短,因此更适合于地面线路。
(4)20kV牵引动力照明独立网络的接线方式
当中压网络采纳一个电压级时,除前面已经分析的35(33)kV牵引动力照明混合网络、和10kV牵引动力照明混合网络外,伊朗德黑兰地铁采纳了20kV牵引动力照明独立网络,即牵引网络与动力照明网络相对独立,但均为20kV电压级。
该接线方式如图五所示。
20kV牵引网络的组成方式为:
两个63/20kV主变电所之间的牵引变电所,以彼此距离的方式分成两组,每一组均以类似于(开环运行的)单线单环网接线方式,别离从两个主变电所各引入一个20kV电源,即这些牵引变电所从两个主变电所各取得一路20kV电源。
位于线路端头的牵引变电所,那么以传统的(开环运行的)双线双环网接线方式,从一个就近主变电所的不同母线取得两路20kV电源。
20kV动力照明网络的组成方式为:
全线的降压变电所被分成假设干个供电分区,每一个供电分区一样不超过4个地下站;每一个供电分区均从主变电所的不同母线以类似于(开环运行的)双线双环网接线方式就近引入两路20kV电源。
两个供电分区间能够设联络电缆。
牵引变电所的主接线采纳分段单母线形式,即设有两段环网电源母线及一段牵引电源母线。
降压变电所的主接线采纳两段母线形式。
牵引变电所与降压变电所的电源进线均采纳负荷开关作为环网开关。
降压变电所的配电变压器,采纳负荷开关-熔断器组合电器爱惜。
该接线方式的特点是,实现了以“负荷开关”组成环网接线,爱惜简单;另外牵引网络与动力照明网络彼此阻碍小。
可是由于牵引网络与动力照明网络的分离,和牵引网络采纳了单线单环网接线方式,致使区间中压电缆过量。
4、分散式外部电源方案下的中压网络组成
对分散式外部电源方案,中压网络采纳10kV牵引动力照明混合网络,大体接线方式有以下四种。
下面一一分析其组成特点。
(1)接线方式一
接线方式如插图六所示。
全线的牵引降压混合变电所、牵引变电所、降压变电所被分成假设干个供电分区,每一个供电分区一样不超过3个地下站;每一个供电分区均从城市电网就近引入两路10kV电源;中压网络采纳双环网接线方式,牵引降压混合变电所、牵引变电所、降压变电所的环网进线开关均采纳断路器;两个相邻供电分区间通过两路环网电缆联络。
牵引降压混合变电所、牵引变电所、降压变电所的主接线,均采纳分段单母线形式。
该接线方式运行灵活。
为同一个供电分区供电的从城市电网引来的两路10kV电源,能够来自不同的地域变电所,也能够来自同一地域变电所。
该方式要求城市电网有比较多的10kV电源点。
(2)接线方式二
接线方式如插图七所示。
全线的牵引降压混合变电所(或牵引变电所),每两个分成一组。
每一组均从城市电网引入两路10kV电源,别离作为两个牵引降压混合变电所的主电源,同时同一组的两个牵引降压混合变电所间设双路联络电缆,实现电源互为备用。
相邻两组牵引降压混合变电所之间设单路联络电缆,增加系统的供电靠得住性。
牵引降压混合变电所、牵引变电所的主接线,均采纳分段单母线形式。
无牵引变电所的地面车站,其降压变电所,可按跟从式降压变电所考虑。
无牵引变电所的地下车站,其降压变电所的10kV电源能够由相邻两组间的单路联络电缆提供(该降压变电所应采纳分段单母线主接线)。
该接线方式比较简练。
该方式对城市电网10kV电源点的数量要求不多,但要求每组从城市电网引来的两路10kV电源应来自不同地域变电所,以增加供电的靠得住性。
该接线方式适合于地面线路。
(3)接线方式三
接线方式如插图八所示。
全线的牵引降压混合变电所(或牵引变电所),前后关联,浑然一体。
除最后一个牵引降压混合变电所从城市电网直接引入两路10kV电源之外,其他牵引降压混合变电所均从城市电网引入一路10kV电源,这路电源既是本变电所的主电源,又是前一个变电所的备用电源,换言之,当前变电所的主电源直接来自城市电网的10kV电源,而备用电源那么来自于下一个变电所。
依次类推,最后一个变电所那么需要从城市电网引入两路10kV电源。
牵引降压混合变电所、牵引变电所的主接线,均采纳分段单母线形式。
关于无牵引变电所的车站,其降压变电所,可按跟从式降压变电所考虑。
该接线方式最为简练。
N个变电所需要N+1路10kV电源,相邻变电所间只有一路联络电源。
该方式对城市电网10kV电源点的数量要求不多,但要求这些城市电网引来的10kV电源应来自不同地域变电所,以增加供电的靠得住性。
该接线方式适合于地面线路。
(4)接线方式四
接线方式如插图九所示。
全线的牵引降压混合变电所、牵引变电所、降压变电所被分成假设干个供电分区,每一个供电分区一样不超过4个车站。
每一个供电分区由一个电源开闭所供电,每一个电源开闭所均从城市电网就近引入两路10kV电源。
该电源开闭所能够独立设置,也能够与就近的牵引变电所合建。
假设电源开闭所采纳独立设置方式,那么需与计划部门配合和谐,另外该方式的土建投资与设备投资都比合建方式要大,故该方式,仅在地面线能够考虑。
插图九表示的是电源开闭所与牵引变电所合建情形。
合建处的牵引整流机组及配电变压器,由电源开闭所直接供电。
关于电源开闭所之间的某些牵引降压混合变电所,其电源别离来自与左右双侧的电源开闭所,并通过在这些牵引降压混合变电所的牵引母线段上设置与电源开闭所间的专用联络电缆,将相邻的两个电源开闭所联系起来;关于不参与这种开闭所联络的牵引降压混合变电所,其电源就近来自同一个电源开闭所。
牵引降压混合变电所、牵引变电所的主接线,均采纳分段单母线形式。
降压变电所的主接线可按跟从式降压变电所考虑。
该接线方式比较复杂。
为同一电源开闭所供电的两路市网10kV电源,最好来自于不同的地域变电所。
该方式对城市电网10kV电源点的数量要求不多。
四、一种新型接线方式研究-20kV牵引动力照明混合网络
通过对前面各类接线方式的分析,关于集中式外部供电方案,本文现提出提出一种新型接线方式:
20kV牵引动力照明混合网络。
接线方式如插图十所示。
全线的牵引降压混合变电所及降压变电所被分成假设干个供电分区,每一个供电分区一样不超过3个地下站;每一个供电分区均从主变电所的不同母线就近引入两路20kV电源(关于地面线路,供电分区的来自于主变电所的两路20kV电源也能够从牵引变电所处引入,不必然就近引入)。
牵引降压混合变电所、牵引变电所的主接线均采纳分段单母线形式,即设有两段环网电源母线及一段牵引电源母线,牵引母线与两段环网电源母线间设有进线断路器,任何时候只许诺一个进线断路器处于合闸位置,另一进线断路器投入的条件是“失压自投,过流闭锁”。
两套牵引整流机组均接入牵引母线段,牵引降压混合变电所的两台配电变压器那么别离接入两段环网电源母线段。
降压变电所主接线采纳分段单母线形式,配电变压器能够采纳负荷开关-熔断器组合电器爱惜。
中压网络采纳双线双环网接线方式。
牵引降压混合变电所、牵引变电所、降压变电所的环网进线开关均采纳负荷开关。
两个主变电所之间的供电分区间通过环网电缆联络,其他供电分区间能够不设联络电缆。
该接线方式最大特点分析:
前面已经介绍过,传统的10kV动力照明网络、10kV牵引动力照明混合网络、35(33)kV牵引动力照明混合网络,尽管也采纳了环网接线方式,但除10kV牵引动力照明混合网络中的降压变电所可采取了“负荷开关”外,大体上是以“断路器”
作为环网进线开关。
如此,当变电所主接线采纳分段单母线时,那么当中压网络发生故障,(多个)环网进线开关跳闸以后,故障处置及等待备用电源投入的时刻就比较长,这是传统环网接线方式的短处。
而那个地址提出的20kV牵引动力照明混合网络,其最大组成特点是利用20kV负荷开关作为环网进线开关,同时设置了两段环网电源母线。
该接线方式最大优势分析:
当中压网络中的一路环网电缆故障时,主变电所中相应的20kV馈出断路器将跳闸,相关牵引变电所的主进线断路器也将失压跳闸,随之备用进线断路器将自动投入,保证对牵引整流机组的不中断供电。
这就克服了传统的10kV动力照明网络、10kV牵引动力照明混合网络、35(33)kV牵引动力照明混合网络环网接线方式的短处。
另外,该20k
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