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1、一.设计任务及原始资料1.1设计任务完成某冶金机械修造厂全厂总降压变电所及配电系统设计1.2原始资料 1本厂产品及生产规模本厂主要承担全国冶金工业系统矿山、 冶炼和轧钢设备的配件生产,即以生 产铸造、锻造、铆焊、毛坯件为主体,生产规模为:铸钢件 1万吨、铸铁件3千 吨、锻件1千吨、铆焊件2千5百吨。2本厂车间组成(1)铸钢车间;(2)铸铁车间;(3)锻造车间;(4)铆焊车间;(5)木型 车间及木型库;(6)机修车间;(7)砂库;(8)制材场;(9)空压站;(10)锅 炉房;(11)综合楼;(12)水塔;(13)水泵房;(14)污水提升站等,各车间位 置见全厂总车间布置图,如图1所示。图1全厂总

2、平面图3供用电协议工厂与电业部门所签订的供用电协议主要内容如下:(1工厂电源从电业部门某220/35kV变压所,用35kV双回架空线引入本厂, 其中一个作为工作电源,一个作为备用电源,两个电源不并列运行,该 厂变所距厂东侧8公里。(2)供电系统短路技术数据表3区域变电所35kV母线短路数据系统运行方式短路容量说明最大运行方式Sd3max 200MVA最小运行方式Sdmax 175MVA供电系统如下图(图2)所示:区域降压变电所本厂总降压变电所220/35kV(待设计)图2供电系统图(3)电业部门对本厂提出的技术要求区域变电所35kV配出线路定时限过流保护装置的整定时间为2秒,工厂“总降”不应大

3、于1.5秒;在总降压变电所35kV侧进行计量;本厂的功率因数值应在0.9以上。4本厂负荷性质本厂为三班工作制,最大有功负荷年利用小时数为6000小时,属于二级负荷。5自然条件(1)气象条件 最热月平均最高气温为30 C ; 土壤中0.71米深处一年中最热月平均温度为 20 C ; 年雷暴日为31天; 土壤冻结深度为1.1米; 夏季主导风向为南风。(2)地质及水文条件根据工程地质勘探资料获悉,厂区地址原为耕地,地势平坦,地层以砂质粘 土为主,地质条件较好,地下水位为 2.85.3米,地耐压力为20吨/平方米。 6设计要求1负荷计算;2工厂总降压变电所的位置和主变压器的台数及容量选择;3工厂总降压

4、变电所主结线设计;4厂区高压配电系统设计;5工厂供、配电系统短路电流计算;6改善功率因数装置设计;7变电所高、低压侧设备选择;8继电保护装置及二次结线的设计(选做);9变电所防雷装置设计(选做)。二参数计算2.1电力负荷计算1 单组用电设备计算负荷的计算公式a)有功计算负荷(单位为KW)P30=Kd XPe,Kd为需要系数b)无功计算负荷(单位为kvA)Q30= P30 Xan 0c)视在计算负荷(单位为kvA)cosd计算电流I 30j30, Un为用电设备的额定电压。3Un2 多组用电设备计算负荷的计算公式a)有功计算负荷(单位为KW)P30K p P30i式中P30i是所有设备组有功计算

5、负荷之和,K p是有功负荷同时系数,可取(0.85-0.95)b)计算无功负荷(单位为kvar)Q30 K qQ30i ,其中:Q30i是所有设备无功Q。之和;K q是无功负荷同时系数,可取0.90.97c)视在计算负荷(单位kva)S30P30 Q30d)计算电流(单位A)0.38kV负荷计算(一) No.1变电所1.铸钢车间印 2000 0.4800kW ; Q“800 1.仃 936kVarSi 800 0.651230.77kVA ;有功功率为:P0.9800720kW ;无功功率为:Qi0.9936842.4kVar视在功率为:Si1230.77 0.91107.7kVA计算电流为:

6、Ii1107.71683.42A<30.38(二) No.2变电所1.铸铁车间P211000 0.4400kW ;Q21400 1.02 408kVarS214000.7571.43kVA ;2.砂库P22 1100.777kW ;Q2277 1.33102.41kVarS22770.6128.33kVA有功功率为:P20.940077429.3kW无功功率为:q20.9408102.41459.37kVar视在功率为:S2 429.32459.372628374kVA(三)No.3变电所1. 铆焊车间P31 1200 0.3360kW ;Q31360 1.98712.8kVarS31

7、360 0.45800kVA ;2. 1 水泵房P32 28 0.7521kW ;Q3221 0.7515.75kVarS32 21 0.826.25kVA有功功率为:P3 0.9360 21342.9kW无功功率为:Q3 0.9 712.8 15.75 655.7kVar(四) No.4 变电所1. 空压站P41 390 0.85 331.5kW ;2. 机修车间P42 150 0.25 37.5kW ;3. 锻造车间P43 220 0.3 66kW ;4. 木型车间P44 185 0.35 64.75kW ;5. 制材场P45 20 0.28 5.6kW ;6. 综合楼P46 20 0.9

8、 18kW ;有功功率为:P4 331.5无功功率为:Q4 291.72 43.88(五) No.5 变电所1 锅炉房P51 300 0.75 225kW ;2. 2 水泵房Q41 661.5 0.88 291.72kVarQ42 37.5 1.17 43.88kVarQ43 66 1.52 100.32kVarQ44 64.75 1.33 86.12kVarQ45 5.6 1.33 7.45kVarQ46 0kVar37.5 66 64.75 5.6 18 523.35kW100.32 86.12 7.45 0 529.49kVarQ51 225 0.75 168.75kVarP52 28

9、0.75 21kW ;Q52 21 0.75 15.75kVar3.仓库(1、2)压 88 0.326.4kW ;Q5326.4 1.1730.89kVar4.污水提升站巳4140.659.1kW ;Q549.1 0.756.825kVar有功功率为:F522521 26.4 9.1281.5kW无功功率为:Q»5168.7515.75 30.89> 6.825222.22kVar6kV负荷计算(六)6kV负荷1.电弧炉F61 2 1250 0.9 2250kW ;Q61 2250 0.57 1282.5kVar2.工频炉F62 2 300 0.8 480kW ;Q62 480

10、 0.48 230.4kVar3. 空压炉F63 2 250 0.85 425kW ;Q63 425 0.62 263.5kVar有功功率为:P6 2250 480 425 3155kW无功功率为:Q6 1282.5 230.4 263.5 仃 76.4kVar(七)总功率计算总有功功率:P 720 429.3 342.9 523.35 281.5 3155 5452.05kW总无功功率Q 842.4 459.37 655.7 529.49 222.22 1776.4 4485.5&Var总视在功率SP2Q2 7060.12kVA表1各车间380V负荷序 号车间或用电 单位名称设备容量

11、(kWKxcostan计算负荷变压 器台 数及 容量备注KPjs(kWQjs(kVar)S js(kVA)(1) No.1变电所1铸钢车间20000.40.651 1.17220.9(2) No.2变电所1铸铁车间10000.40.71.0220.92砂库1100.70.6:1.33(3)No.3变电所1铆焊车间12000.30.451.98An q21 #水泵房280.750.80.751U.9(4)No.4变电所1空压站3900.850.750.882机修车间1500.250.65M.173锻造车间2200.30.551.52A4木型车间1850.350.61.3315制材场200.280

12、.6M.336综合楼200.911(5) No.5变电所1锅炉房3000.750.80.75122#水泵房280.750.80.753仓库(1、2)880.30.65M.174污水提升站140.650.80.75表2各车间6kV负荷序车间或用电设备容量说号单位名称(kWK xcostan计算负何明Pjs(kWQ js(kVar)Sjs(kVA1电弧炉2 12500.90.870.572工频炉2 300:0.80.9 :0.483空压机2 2500.850.850.62注意:No.1 No.2 No.3车间变电所设置两台变压器外,其余设置一台变压器2.2无功功率补偿计算无功功率的人工补偿装置主要

13、有同步补偿器和并联电抗器两种。由于并联电抗器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点,因 并联电抗器在供电系统中应用最为普遍。总有功功率:P 5452.05kW总无功功率Q 4485.58kVar总视在功率7060.12kVASP20Q 5452.057060.12°722°9低压侧功率因数COS1由于变压器功率损耗,则低压侧补偿后功率因为了使高压侧的功率因数0.90,数应该大于0.9,取:COS 0.92低压侧装设的并联电容器的容量为:QcP tanarccos0.722 tanarccos0.92 2164.46kVar取 QC 2400kVa

14、r低压侧补偿后无功功率:Q1Q Qc 4485.58 2400 2085.58kVar低压侧补偿后视在功率为:5837.8kVA变压器损耗为P 0.015$87.57kWQ O.O6S1350.28kVar高压侧有功功率为:P2P P 5539.62kW高压侧有功功率为:Q2Q Q 2435.86kVar高压侧视在功率为:S,F22Q226052.25kVA补偿后的功率因数为:COS P,S20.9160.9高压侧电流为:99.84AI 6052.2512:3一35表3无功功率补偿后工厂的计算负荷项目cos计算负荷P3°/kWQ30 /kvarS30/kVAI30/A低压侧补偿前负荷

15、0.7225452.054485.587060.126532无功补偿容量-2400低压侧补偿后容量0.925452.052085.585837.8主变压器功率损耗0.015S30 =87.570.06S30=350.28对应高压侧负荷0.9165539.622435.866052.2599.842.3年耗电量的估算年有功电能消耗量及年无功电能耗电量可由下式计算得到:年有功电能消耗量:WpP2T年无功电能耗电量:WqQ2T结合本厂的情况,年负荷利用小时数 T为6000h,取年平均有功负荷系数0.75,年平均无功负荷系数0.80。由此可得本厂:年有功耗电量:WpP2T 0.75 5539.62kW

16、 6000h 2.493 107kW h ;年无功耗电量:WqQ2T 0.8 2435.86kVar 6000h 1.17 107kW h三、变电所高压电气设备选型3.1补偿电容的选择为了提高功率因数,安装并联电容器,用于无功补偿。补偿无功后可以提高 电压、降低线损、减少电费支出、节约能源、增加电网有功容量传输、提高设备 的使用效率。本设计中本厂的功率因数值应在0.9以上,必须6KV母线上并联电力电容器,使变电所35KV处的功率因数得到提高到0.9,需要补偿的总电力 电容器容量为Qc 2400kvar,所以选24台BWF-6.3-100-1w的电容器。表4电容器参数型号额定电压额定容量标算电容

17、CBWF-6.3-100-1W6.3KV100Kvar2.89uF注:B并联电容器,W-浸渍剂为烷基苯,F-聚丙烯薄膜和电容器纸 复合介质3.2 变电所变压器台数的选择的理论依据变压器台数应根据负荷特点和经济运行进行选择。具体考虑原则如下:1、应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电 所,应采用两台变压器, 以便当一台变压器发生故障或检修时, 另一台变压器能 对一、二级负荷继续供电。 对只有二级而无一级负荷的变电所, 也可以只采用一 台变压器, 但必须在低压侧敷设与其他变电所相连的联络线作为备用电源, 或另 有自备电源。2、对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行

18、方式的变电所, 也可考虑采用两台变压器。3、除上述两种情况外,一般车间变电所宜采用一台变压器。但是负荷集中 且容量相当大的变电所,虽为三级负荷,也可以采用两台或多台变压器。4、在确定变电所主变压器台数时,应适当考虑负荷的发展,留有一定的余 地。结合本厂的情况, 考虑到二级重要负荷的供电安全可靠, 已达到降低变压器 电能损耗的目的,实现变压器的灵活性, 同时考虑到冶炼厂未来的发展, 故选择 两台主变压器。3.3 变电所变压器容量选择的理论依据1. 只装有一台主变压器的变电所主变压器的容量Snt应该满足全部用电设备总计算负荷 S30的需求,即SN .T S302. 对于装有两台主变压器的变电所每台

19、变压器的容量Snt应同时满足以下两个条件:(1) 任一台变压器单独运行时,宜满足: SNT (0.6 0.7) S30(2)任一台变压器单独运行时,应满足:SNTS30(1 11)备注:(2)式表明每台主变压器容量Snt不应小于全部一、二级负荷的计算负荷之和S30()即卩:Sn T S30()3.4变电所主变压器的选择主变压器选择要求S S2,故选择型号为SC8-6300/35的变压器两台。一台工作,一台备用。表5主变压器型号及参数型号P0( WPkUk1。总质量电压组合(kV)联结组 标号标准节能W%kg咼压低压SC8-6300/351150096603700080.716900356.3Y

20、,d113.5各车间变电所变压器的选择车间变电所主变压器的单台容量,一般不宜大于1000KV.A(或者1250KV.A这是因为一方面受以往低压开关断流能力和短路稳定度要求的限制;另一方面也是考虑到可以使变压器更接近车间负荷中心,以减少低压配电线路的电能损耗, 电压损耗和有色金属损耗表6各变电所变压器选择型号车间型号电压组合(kV)损耗(kW)阻抗 电压(%)联接 租标号总质 量(kg)轨距(mm)咼压咼压空载负载NO.1S9-125060.41.95012.0004.5Y,y n03477820N0.2S9-50060.40.9605.1004.5Y,y n01625660N0.3S9-800

21、60.41.4007.5004.5Y,y n02920820N0.4S9-100060.41.70010.3004.5Y,y n03260820N0.5S9-40060.40.8004.3004.0Y,y n01387660四.变电所主接线方案的设计4.1变配电所主接线的选择原则(1)当满足运行要求时,应尽量少用或不用断路器,以节省投资。(2)当供电电源只有一条线路,变电所装设单台变压器时,宜采用线路变压器 组接线。(3)当变电所有两台变压器同时运行是,二次侧应采用由断路器分段的单母线 接线。分段熔断器除具有分段隔离开关的作用外,与继电保护配合,还能切断负荷 电流,故障电流以及实现自动分合闸。

22、另外,检修故障段母线时,可直接操作分 段断路器分段隔离开关,而且不引起正常段停电,保证其继续正常运行。(4)变电所的接线应从安全,可靠,灵活,经济出发。(5)为了限制配出线短路电流,即有多台主变压器同时运行的变电所,应采用 变压器分列运行。(6)接在线路上的避雷器,不宜装设隔离开关;但接在母线上的避雷器,可与 电压互感器合用一组隔离开关。(7)当低压母线为双电源,且变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断 路器时,在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧,宜装设刀开关或隔离开关。(8)变压器低压侧为0.4kv的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。当有继电 保护或则自动切换电源要求时,低压侧总开关和

23、母线分段开关均应采用低压熔断(9)由地区电网供电的变配电所电源出现触,宜装设供计费用的专用电压、电 流互感器(一般都安装计量柜)( 10)610KV 固定式配电装置出线侧,在架空线路或则有反馈可能的电缆出线 回路,应装设线路隔离开关。( 11)采用 610kv 熔断器负荷开关固定式配电装置时,应该在电源侧装设隔离 开关。4.2 变电所主接线方案的选择方案一:高,低压侧均采用单母线分段。优点:用断路器把母线分段后,对 重要用户可以从不同母线引出两个回路,用两个电路供电;当一段母线故障时, 分段断路器自动切除故障母线保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户断 电。缺点:当一段母线或母线隔离开关检修

24、时该母线各处均需停电; 当出线为双 回路时架空线路出现交叉跨越;扩建时须向两个方向均衡扩建。方案二:单母线分段带旁路。优点:具有单母线分段全部优点,在检修断路 器是不会中断对用户供电。缺点:常用于大型电厂和变电枢纽,投资高。方案三:高压侧采用单母线,低压侧采用单母线分段。优点:任一主变压器检 修或发生故障时,通过切换操作,即可迅速恢复对整个变电所的供电。缺点:在 高压母线或电源进线端进行检修或发生故障时,整个变电所仍需停电。以上三种方案均能满足主接线要求, 采用方案三时虽经济最佳, 但是其可靠性相 比其他两方案差;采用方案二所需的断路器数量多,接线复杂,其经济性能差; 采用方案一既能满足符合供

25、电要求又较经济,故本次设计选用方案一。4.3 架空线路的选型4.3.1 根据经济电流密度选择导线截面积因为工业电源从电业部门某 220/35千伏变电所用 35 千伏双回架空线引入本厂,其中一个做工作电源,一个做备用电源,两个电源不并列运行架空线最大工作电流:Ig S2.、3Un 99.84A因为本厂为三班工作制,最大有功负荷年利用小时数为6000小时。属于二级负荷,所以选取经济电流密度:Jec 0.9导线的经济截面积:Sj2110.919mm选LGT-120型铝导线。4.3.2长时允许电流校验导线截面积LGT-120型铝导线,O其中190 C, 0I 380A长期允许工作电流y,最高允许温度为

26、900C。25° C, 030°C长时允许电流:Iy365.1A线路承受的最大负荷电流就为I g99.84A Iy符合要求。4.3.3电压损失校验双回路供电,每条导线上的最大负荷电流:I g.max I g 99.84 Aro 0.27 / kmx00.4/ km线路电压损耗百分比:U % 亦I g.maxL(r0 cosx0sin )/UN 1.574% 5%符合要求4.3.4功率因数校验235KV最小允许截面积为10mm,满足负荷要求。35KV架空线的损耗:R (P2 Q;)/uN R 10 360.58kwQ|(R22 q22)/U N X 10 393.52kvar

27、35kv架空线电路电源入口处的功率因数P B P 5539.953 60.585600.533kwQQ2Ql 2436.232 93.52 2529.75k varS、P2 Q2 6140.033kVAPcos0.91210.9Q满足要求五. 短路电流计算5. 1三相短路电流计算的目的短路电流将引起下列严重后果:短路电流往往会有电弧产生,它不仅能烧坏 故障元件本身,也可能烧坏周围设备和伤害周围人员。巨大的短路电流通过导体时,一方面会使导体大量发热,造成导体过热甚至熔化,以及绝缘损坏;另一方 面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体,使导体变形或损坏。短路也同时引起系统电压大幅度降低, 特

28、别是靠近短路点处的电压降低得更多,从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。网络电压的降低,使供电设备的正常工作受到损坏,也可能导致工厂的产品报废或设备损坏,如电动机过热受损等。短路计算的目的主要有以下几点:1 用于变压器继电保护装置的整定。2.选择电气设备和载流导体。3 选择限制短路电流的方法。4.确定主接线方案和主要运行方式。5.2短路电流计算公式表7电力系统各元件电抗标幺值计算公式3 SKY0. 4KVLD1LD3U)2图$1等效乘统图LM LD5设备计算电抗公式无穷大电源X S°/Sd变压器Xt(Uk%/100)(Sd/ST(N)输电线XLXL(Sd/U;v)注:Sd为系

29、统无限大电源处不同运行方式时的短路容量LD1LD2 LD3LD4LD5图等效社路图5.3各母线短路电流的计算5.3.1各母线短路电流计算过程1.取基准值取 SD 100MVAld(k 1)和I d(k 2)根据不同运行方式和短路点在下式中取值2计算各个电气设备的电抗S d /S dmaxS d /S dm in 100/175100/200X72X l(Sd/U av)0.3918100/3520.225X8(U K % /100)(Sd)/S T(N)(8/100)(10010 3 /6000)1.333X1(U K % /100)(Sd/S T(N)(4.5/100)(10010 3/12

30、50)3.6同理可得:X 24.5X35.625X 44.5X 510200MVA0.5(最大运行方式)0.571(最小运行方式)X6X6当系统处于最大运行方式时:Sdmax无穷大系统电源电压保持不变,电源相电压标幺值为1.0当35KV母线Kl点发生三相短路时:X X6 X70.761I 1/X1/0.7551.326ld(s)So/XUd 100/(、3 35) 1.662KA所以 Ik31 I 3 I I d(s) 2.188KA3" 3ish2.55I5.58KAIsh1.51I3.30KASk31SX10%.761131.41MV.A(2)当6.3KV母线K2点发生三相短路时

31、:X 2.090I 0.480同理可得:|dgSd / 3U d 100/(* 6.3) 9.16KAI I Id(s) 4.39Ik32 I 3 I I d(s) 4.39KA3” 3ish2.55I11.20KA”Ish 1.51I6.63KA1002.090 47.85MV.ASk3246.30MV.A2.当系统处于最小运行方式时:Sdmin 175MVAXX6X70.830I1/X1/0.826 1.221Id(s)SD/®d1000/(、335) 1.656KAnnlII d(s)2.05KA.3 '' 31 k 1III d (s)2.05 KA.3II3

32、_Ish1.84I3.77KA.3''3I sh1.09I2.23KASk31Sdx1000.830 120-49MV-A(2)当6.3KV母线K2点发生三相短路时:X2.160I0.465同理可得:I d(s)Sd/Ju1000/( .3 6.3)IIJ(s)4.250KAI 3k 1I 3 I Id(s) 3.250KA.3"亠 B '' 3Ish1.84I10.84KA.3“ 一 ” 3I sh1.09I3.54KA9.168KA(1)当35KV母线Kl点发生三相短路时:1002.160表8各短路点短路电流计算:短路类型短路点三相短路电流/KA三

33、相短路容量/KVA*X3 IkI 3i(3) ish| (3)1 shs3/mv.a最大运行方式0.7612.1882.1885.583.30131.41最小运行方式0.8302.052.053.772.23120.49K2最大运行方式2.0904.394.3911.206.6347.85最小运行方式2.1603.2503.25010.843.5446.30六. 主变压器继电保护6.1保护要求6.1.1继电保护的定义继电保护技术是一种电力系统安全保障技术, 是指安装在电力系统各电气元 件上,能在指定的保护区域内迅速地,准确地反应电力系统中各元件的故障或不 正常工作状态,并作用于断路器跳闸或发出

34、信号的一种自动装置保护。6.1.2继电保护的作用继电保护的主要作用是:在电力系统范围内,按指定保护区实时地检测各种 故障和不正常运行状态,及时地采取故障隔离或警告措施,力求最大限度地保证 用户安全连续用电。在现代的电力系统中,如果没有专门的继电保护装置,要想 维持系统的正常运行根本不可能。6.1.3继电保护装置性能:继电保护装置是保障电网可靠运行的重要组成部分,一般由感受元件、 比较元件和执行元件组成。继电保护装置必须具备以下4项基本性能: 灵敏性。灵敏性表示保护范围内发生故障或不正常运行状态时,继电保护装置 的反应能力,通常以灵敏系数表示。在设备或线路的被保护范围内发生金 属性短路时,保护装

35、置应具有必要的灵敏系数。 可靠性。在规定的保护范围内发生了属于其应该动作的故障时,保护装置不应 拒动作;而在任何不属于其应该动作的情况下,保护装置不应该误动作。 快速性。为防止故障扩大,减轻其危害程度,加快系统电压的恢复,提高电力 系统运行的稳定性,在系统发生故障时,保护装置应尽快动作,切除故障。 选择性。在可能的最小区间切除故障,保证最大限度地向无故障部分继续供电。 即首先由距故障点最近的断路器动作切除故障线路,尽量减小停电范围, 保证系统中无故障部分仍能正常运行。4.1.4对继电保护装置的要求(1) 变压器的电流速断保护:瓦斯保护不能反映变压器外部故障。因而对于 较小容量的变压器需要在电源

36、侧装设电流速断保护,作为电源侧绕组、管 套及引出线故障的主要保护,并用过电流保护作为变压器内部故障的后备 保护。(2) 变压器的过电流保护:为了反映变压器外部短路引起的过电流并作为变 压器主保护的后备保护,变压器还要装设过电流保护。(3) 过负荷保护:为了防止长期过负荷而引起的过电流,变压器要装设过负 荷保护。6.1.4本厂对继电保护的要求根据实际情况,本厂的继电保护要求有以下三点:(1)电流速断保护过电流保护(3) 过负荷保护6.2整定计算6.2.1有关参数计算下表所示:表4-1各参数值计算表:计算参数值参数名称35KV 侧6.3KV 侧变压器额疋电流I1N6300103.923AJ3 35I2N产00577.35V3 6.3电流互感器的接线方式Y电流互感器一次电流屈 103.923180 A577.35A电流互感器型号LRD-35, 200/5LRD-6.3,600/5电流互感器变比200/5=40600/5=120二次回路额定电流180/40=4.5A577.35/120=9.344A表4-2电流互感器的参数型号额定电压额定频率额定二次电流电流比负荷准确级次LRD-35,200/535KV50HZ5A200/50.8 Q0.2LRD-6.3,600/535KV50HZ5A600/50.8 Q0.2622电流

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