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上海滬怡電氣科技有限公司
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一．概述：
電力傳輸是電力供應系統中的重要環節，近年來由于城市建設的加快和安全供電的需要，地埋電纜和溝道電纜越來越多的在廣大城鄉電力設施中得到廣泛的應用。電纜與架空線相比有下列優點：
1．占地面積小，地下敷設不占地面空間，可避免在地面設電桿、導線，有利于安全和市容美觀。
2．運行可靠，不受外界環境的影響，可避免風災、水災、風箏、鳥類等造成的短路與接地故障。
3．人身安全可靠，地下敷設可有效的避免線路斷線造成的人身觸電事故。
4．電纜的電容量大，有利于提高電網的功率因素。
正是由于以上原因，使得電纜在現代城市建設中得到廣泛的應用。但是由于電纜埋入地下，而且有些傳輸電纜還比較長（幾公里），所以當電力電纜發生故障而影響正常供電時也給查找電纜故障點帶來一定的困難。其主要原因在于電纜埋入地下，看不見，摸不著，有時在電纜敷設位置不清時將更難處理。過去在沒有先進的測試設備的情況下，查找一個電纜故障點往往需要幾天或十幾天時間。并會造成難以估量的停電損失。因此電纜故障的查找是多年來捆擾供電部門的重要問題之一。
二．電纜故障的原因分析：
電力電纜發生故障的原因是多方面的，但常見的故障原因主要有以下幾種：
1．機械損傷：很多故障是由于電纜安裝時不小心造成的、或靠近電纜附近施工作業造成的。有時如果損傷不嚴重，要到幾個月甚至幾年后損傷部位的破壞才發展到鎧裝鉛皮穿孔，潮氣侵入而導致損傷部位*崩潰形成故障。
2．電纜外皮的電腐蝕：如果電力電纜埋設在有強力地下電場的地面下（如大型航車，電力機車軌道附近），往往出現電纜的鉛包外皮腐蝕致穿，導致潮氣侵入，絕緣破壞。
3．化學腐蝕：如電纜路徑穿過酸、堿性的地區，煤氣站的苯蒸氣往往造成電纜的鎧裝和鉛皮大面積和長距離的被腐蝕。
4．地面下沉：此現象往往發生在電纜穿越公路、鐵路、林區及建筑群時，由于地面的下沉、樹根的生長而造成電纜垂直受力變形。導致電纜鎧裝、 鉛皮破壞甚至折斷而造成各種類型的故障。
5．電纜絕緣物的流失：電纜敷設時地溝凹凸不平，或處在電桿上的戶外頭，由于電纜的起伏、高低落差懸殊，高處電纜的絕緣油流向低處而使高處電纜絕緣性能下降，導致故障發生。
6．長期過荷運行：由于過荷運行，電纜的溫度會隨之上升，尤其在炎熱的夏季，電纜的溫升常常導致電纜薄弱處首先被擊穿，在夏季，電纜故障多的原因正是如此。
7．震動破壞：鐵路軌道下運行的電纜，由于劇烈規律的運動導致電纜外皮產生彈性疲勞而破裂，形成故障。
8．拙劣的技工：拙劣的接頭與不按技術要求敷設電纜往往是形成電纜故障的主要原因。
9．在潮濕的氣候條件下作接頭，使接頭的封裝物內混人水蒸氣而耐不住試驗電壓，往往形成閃絡性故障。
10．外力損傷：近年來由于城市建設施工，大型施工機械的使用，而施工人員又不了解施工現場的地下情況而造成的電力電纜被鏟斷或挖壞。
在對電纜故障發生原因的分析中，極重要的是要特別注意了解電纜敷設中的情況，如電纜外表發現可疑之點，則應查閱電纜安裝敷設工作完成后的正確記錄，這些記錄應包括這樣的細節：銅芯或鋁芯電纜的截面積、絕緣方式、各接頭的位置、電纜路徑的走向、在地下關系中，某一電纜到別的電纜或接頭的情況（這一點應特別注意），以及兩種不同截面積的電纜對接頭的位置：有無反常的敷設深度或者有特別的保護措施，如鋼板、穿管、和排管等；電纜敷設中的技術人員的姓名（這些人是提供重要原始資料的來源之一）；以及電纜歷次發生故障的詳細記錄（地點及排除經過）。
當欲快速定位故障時，所有的這些資料都是重要的。由于制造缺陷而造成的電纜故障是不多見的。因而，對電纜故障的分析，如果考慮到上述的情況和細節，將使電纜維修技術人員得到巨大的好處。
三．脈沖法測試原理：
幾個基本的概念：
動力電纜在高頻運用狀態下的傳輸特性：
高頻電波在電纜傳輸過程中，其幅度、相位和速度等參數將有規律的發生變化，而非我們正常所想象中的情況。所以我們將利用電波在電纜中傳播的微觀變化規律，利用雷達測距原理來確定電纜故障點的距離。因此我們必須樹立起長線理論、阻抗概念與反射系數的概念。
長線概念：
長線是指導線的幾何長度比其所傳輸的電磁波的波長還長或者與之相近似的傳輸線。一般認為線長 L>λ/10 既可認為是長線。
例如：對于1000米電纜而言，交流市電的頻率為50Hz，其波長為6000公里，1000米電纜可視為短線。而對于5MHz信號，其波長為60米，1000米電纜可視為長線。
電波在長線上傳播時，長線上沿線各點的電流、電壓在一般情況下是不相同的，而在短線中沿線各點的電流、電壓是相同的。
長線的特性參數：
1、特性阻抗Z0： 電纜的特性阻抗與電纜的截面積、尺寸及周圍的介質有關。同軸電纜的特性阻抗一般為40—100歐姆，電力電纜一般為10—50歐姆。
2、傳播速度：Vp 電波在電纜中傳播時，將以一定的速度向前傳播，而傳播速度與電纜的介質材料有關。
對于油浸紙電纜其傳播速度為160M/us，不同的電纜介質其傳播速度也不同。
3、反射系數：反射系數與負載阻抗有著密切的，根據分析可知終端反射系數K2為
K2=（ZL-Z0）/（ZL+Z0）
其中ZL 為負載阻抗。
由上述公式我們可以得出以下結論：
當故障點短路時，故障點阻抗ZL=0
K2=（ZL-Z0）/（ZL+Z0）=-1 出現負反射，幅度等于入射幅度。
當故障點開路時，故障點阻抗為無窮大 ZL=∝
K2=（ZL-Z0）/（ZL+Z0）=1 出現正反射，幅度等于入射幅度。
當故障點的阻抗等于或接近于電纜的特性阻抗時 ZL=Z0
K2=（ZL-Z0）/（ZL+Z0）=0 無反射。
而故障點阻抗介于0-Z0 之間時
K2=（ZL-Z0）/（ZL+Z0）=-1~0
出現負反射，幅度小于入射幅度。
而故障點阻抗介于Z0~∝ 之間時
K2=（ZL-Z0）/（ZL+Z0）=0~1
出現正反射，幅度大于入射幅度。
前面講了電力電纜在傳輸高頻電波時出現的一些物理現象，而這些現象在我們日常的電力輸送中是不可能出現的，但是我們正是利用這種物理現象進行電力電纜故障測試的。下面我們看一下一個脈沖波形在電力電纜中傳播的全過程。
脈沖測量法可以直觀的從電纜故障測試儀中觀察出電纜故障點是開路或著是短路的性質。對于低阻、短路和開路故障zui簡單的測試方法就是脈沖測量法。
工作原理：
測試時，在故障相上注入低壓脈沖發射波形，該脈沖沿電纜進行傳播直到阻抗失配的地方，如象中間接頭、T型接頭、短路點、開路點或終端頭等，在這些點上都會引起波的反射。我們可以看到當故障相處于低阻或短路狀態時，反射系數為-1~0之間，故障點的反射波形為負反射。在電纜的中間接頭處由于阻抗的失配也將出現反射，但波形均比較小，由此我們可以判斷出電纜的中間接頭的距離。
如果故障點的負載阻抗ZL大于電纜的特性阻抗Z0 ，電纜將會出現0~1之間的正反射。如ZL 遠遠大于Z0時該故障點將沒有反射波形或波形很小不宜觀察。而該脈沖到達終點時，將在電纜的終端出現正反射。故我們觀察到的波形為終端波形。顯示距離為電纜的全長。而將信號加到好相時出現的是電纜的全長。
故障的性質可由反射波形的方向來決定。當我們在電纜的始端加正極性信號時，如果電纜的反射波形為同方向的正極性波形，則該電纜故障為高阻故障反之為低阻故障，或電纜短路。（這里強調一點：波形反映出來的高阻或低阻故障是針對故障點的阻抗與電纜的特性阻抗之比的特性，而不是我們日常用兆歐表測量出來的高阻或低阻，一般來講我們將故障點阻抗大于500歐姆的統稱為高阻。）
故障距離由測量脈沖與回波脈沖之間的時間差計算出來，這就涉及到我們前面講到的電波在電纜中傳播的速度問題，高頻電波在短線傳輸時是以一定的速度進行傳播的，而且電波的傳播速度與電纜的介質有關。例如對于油浸紙電纜其傳播速度為160M/US，對于交聯電纜其傳播速度為172M/US等。高頻脈沖在T時間段內，由電纜端頭以VP的速度向故障點傳播，到達故障點后經過反射，又以VP的速度返回，共行進路程為2倍的始端到故障點的距離，由物理學距離計算公式 S=V×T 可知，實際端頭到故障點的距離為 S=V×T / 2, 該距離可通過電纜故障測試儀的顯示屏幕直接讀出。
總結電纜故障測試原理要點主要有以下幾點：
1、電波在長線傳播中是以一定的速度進行的，并且各點的幅度不同。
2、電波傳播中如發生阻抗不匹配將發生反射，低阻或短路時反射系數為－1~0之間，高阻或開路反射系數為0~1之間。
3、不同的電纜的傳播速度不同。
4、障距離由S=T×V/2 計算得出。
前面講了電纜故障測試的原理，總結了4條基本的概念，這是測試電纜故障的基本思想，下面所講的是前面所講內容的延伸。
首先討論一下電纜故障的性質和分類：
電纜故障一般可分為短路故障、低阻故障、高阻故障和開路故障。
短路故障比較容易理解，既電纜*短路，電纜故障點阻抗為零。
低阻故障一般可認為100歐姆以下的故障為低阻故障，注意：該分類是以電纜的特性阻抗而區分的。
高阻故障則指故障點電阻大于100歐姆的情況。
開路故障則指電纜*斷開的情況。
而高阻故障中又可分為泄露和閃絡型故障。
泄露故障是指故障點存在一定的電阻，幾K到幾百兆之間，高壓實驗時泄露超標或高壓根本就加不上去的情況。
閃絡性故障則是故障點的電阻為無窮大，但在做高壓實驗時，當電壓加高到某一數值時，泄露突然增加，產生放電，高壓表指針擺動，而當電壓調低后泄露又恢復正常的情況。
了解了電纜故障的情況以后，就可以對癥下藥的解決問題了。
對于故障點電阻小于1000歐姆的電纜故障可采用zui為簡單的方法（低壓脈沖測試法）進行測量。具體接線如下：
把電纜故障測試儀的測試端頭，直接連接電纜的芯線與電纜的外皮之間，選擇低壓脈沖測試進行測量。利用電纜故障測試儀內部的脈沖發生器產生約100伏左右的低壓脈沖信號加到電纜上，信號在電纜上將沿電纜傳播，當遇到故障點時（或阻抗不匹配的地方）信號發生振動并且向兩端傳播，電纜故障測試儀將把發射脈沖信號和由故障點的返回信號進行撲捉，并經微電腦處理在顯示屏上顯示出來，我們就可以根據波形進行分析了。根據我們前面所講的理論，故障點故障的情況不同其返回的波形也將不同。短路故障和低阻故障波形將出現與入射撥反向的波形。前面的脈沖信號為電纜故障測試儀所發出的脈沖信號，而后邊的信號為電纜故障點的反射信號。我們看到這個信號的發射脈沖與反射脈沖是反向的，由電纜的反射系數的理論我們知道，K值為負，這說明該電纜的故障性質為短路故障。
分析了電纜故障的性質，下面再分析一下故障點的位置：以發射脈沖的前沿作為起始點，將*光標固定在發射脈沖的起始沿，然后移動第二光標到反向波形的下降沿，由電纜故障測試儀自動計算出故障點的距離，并顯示在屏幕的底部。再看一下另外一幅信號圖形，我們看到這個信號的發射脈沖與反射脈沖是同向的，而由電纜的反射系數的理論我們知道，K值為正，這說明該電纜的故障性質為高阻故障或開路故障。同樣以發射脈沖的前沿作為起始點，將*光標固定在發射脈沖的起始沿，移動第二光標到同向波形的上升沿，我們可以看到在電纜故障測試儀的屏幕的底部，由儀器自動計算出故障點的距離。
利用低壓脈沖測試法我們還可方便的測量出電纜的長度，在電纜*或電纜故障點的阻抗遠遠大于電纜的特性阻抗的情況下，低壓脈沖測試波形反映出來的是電纜的全長。測量電纜的全長在電纜測試中有著重要的意義。為了滿足不同電纜長度的測試，我們在電纜故障測試儀中設置兩種脈沖寬度的發射脈沖，其中窄脈沖用于電纜長度小于1000米以下的電纜故障測試，而寬脈沖用于大于1000米電纜測試。
從以上的應用我們可以看出，利用電纜故障測試儀的低壓脈沖測試法可十分簡便的測量出電纜故障的發生點，從而為我們下一步具體定點打下良好的基礎。
雖然利用低壓脈沖測試法可以解決電纜故障的低阻或短路情況，但對于電纜故障點的阻抗大于1000歐姆的情況，由于起反射波形很小，所以基本上看不到波形，所以說低壓脈沖測試適用于低阻情況，對于高阻故障應采用高壓沖閃測試，下面介紹高壓沖閃測試法。前面討論了低壓脈沖測試的方法以及適用范圍，我們知道低壓脈沖測試法只是適合于短路、低阻和開路故障，而現實中大量存在的是高阻故障和閃絡性故障，所以就必須采用新的測試方法來滿足不同的電纜故障測試。而高壓沖閃法測試電纜故障由于采用了較高的測試電壓，將電纜故障點擊穿而獲得電纜的傳播數據，故高壓沖閃測試法可滿足絕大多數電纜故障測試。
高壓沖閃測試法可分為電壓采樣和電流采樣兩種情況，首先討論電壓采樣的情況：高壓沖閃電壓采樣的接線如圖2所示。（略）
高壓沖閃測試首先要有高壓源，我們的高壓源為負向直流高壓發生器。還要有一定的儲能設備，我們采用高壓直流電容作為儲能設備。另外還有高壓放電球間隙，微分電感、分壓電阻R1，R2等組成。其中R1、R2為取樣分壓電阻，電纜上的電壓波形將通過分壓電阻分壓后引入測試儀器。下面我們分析以下工作過程：當我們調節負向輸出電壓并向高壓電容進行充電達到一定的幅度后，球間隙擊穿，高壓電壓通過球間隙、電感加到被測電纜上，由于球間隙是被負高壓瞬間擊穿而加到電纜上的，所以我們認為是一個負向高壓脈沖加到電纜上，根據長線電纜傳播的理論，該負高壓脈沖將沿被測電纜進行傳播。當負向高壓脈沖到達故障點時，故障點被擊穿，形成弧光短路，此時等效阻抗將發生變化，由原來未擊穿時的高阻變為短路狀態。根據電波反射原理，短路狀態K為-1，所以在電纜的故障點將產生一個正向脈沖，此正向脈沖將沿電纜向始端傳播，當正向脈沖到達始端時由于電感L的存在（電感對脈沖信號表現出高阻狀態，其反射系數K為正1），該正向脈沖將被重新反射為正向脈沖，并沿電纜向故障點傳播，而當該脈沖再次到達故障點時，由于故障點的放電過程并未結束，仍處于短路狀態，根據電波反射原理，短路狀態K為-1，因此該正向脈沖將被重新反射為負向脈沖，此負向脈沖將沿電纜再次向始端傳播，當負向脈沖到達始端時由于電感L的存在（電感對脈沖信號表現出高阻狀態，其反射系數K為正1），該負向脈沖將被重新反射為負向脈沖，并沿電纜向故障點傳播。以上過程在電纜中重復運動直到儲能電容上的能量用完，電壓降低到不能維持故障點放電為止。
以上是電纜故障點在被高壓電壓擊穿后，電纜中高壓脈沖運動機理。同時我們還應注意在高壓電纜在故障點放電過程中的另外一種現象，就是我們常說的高壓電纜擊穿后的震蕩現象。我們知道任何電纜對于高頻信號來講都表現出一定的感抗，并可以認為這種感抗是電纜中每一微元電感的集合。當電纜故障點發生擊穿時，就形成了LC回路，根據LC振蕩回路的特性在該回路中將產生余弦震蕩，我們稱之為電纜放電中的余弦震蕩現象，這種震蕩現象將是我們判斷故障電纜是否充分放電的重要標志。
根據以上所談到的機理，在電力電纜的高壓沖閃測試中，高壓電纜在放電過程中，實際上有兩種現象，在測量中我們實際上得到的波形是兩種現象的疊加波形。如圖4（略）：
在顯示波形全貌的圖形上，我們看到的是余弦震蕩的波形。而在局部波形圖上我們看到的是疊加在余弦大震蕩上的反射波形，而我們判斷電纜故障點的主要依據是電纜故障點擊穿后的反射波形，余弦大震蕩是否產生是用來判斷電纜故障點是否充分放電，只有電纜故障點充分放電，所產生的反射波形才是我們所要關心的波形。
高壓沖閃測試得到的高壓放電波形如圖，下邊的圖形就是我們談到的電纜放電后產生的余弦大震蕩波形圖，這證明該電纜已被高壓電壓所擊穿，并充分放電。而我們zui關心的是疊加在余弦震蕩上的反射波形。我們可在主顯示區看到采集波形的展開圖象。下面我們對該圖象進行分析：根據我們前面講到的高壓沖閃放電脈沖在故障電纜中來回反射的現象，*個上升脈沖為電纜故障被擊穿反射波形，而后的下降脈沖為該脈沖二次到達到電纜故障點后反射回來的反向脈沖。我們就對此脈沖進行分析，移動儀器的*光標到*脈沖的啟始沿，移動第二光標到反射脈沖的下降沿，在儀器的故障距離將顯示出電纜故障的距離。有時為了效驗其正確性也可用測試第二組脈沖進行測量，將儀器的*光標到第二脈沖的啟始沿，移動第二光標到反射脈沖的下降沿，在儀器的故障距離將顯示出電纜故障的距離。兩組數據應該相等，到此為止我們以可以確定電纜故障點的具體位置了。使用這種方法基本上可以解決95%以上的電纜故障，所以我們應對這種測試方法熟練掌握。
下面介紹在高壓沖閃測試中一些特殊的情況：
一．靠近終端的故障：
當故障點在終端附近時，會出現故障點在未擊穿之前已有中斷反射波形出現，故在我們的儀器上會看到在上升脈沖之前有一個小的負向反射脈沖，這個負向脈沖就是電纜終端的反射脈沖。此脈沖的形成機理為：當球間隙放電而產生的高壓負向脈沖到達終點的瞬時，而此時故障點還未被擊穿，電纜終端呈高阻狀態，根據前面講的反射理論，高阻的反射系數為+1，所以會產生一同相脈沖并向電纜端頭反射，從而形成在電纜故障點被擊穿前的負向脈沖，所以我們在電纜故障測試中一般看到在故障波前沿有負向波存在，可判斷該故障點距電纜的終端不遠。
二．故障點在始端附近的情況：
當故障點在電纜的始端附近時，采集的波形將出現以下特點：
1 采集波形在開始就迅速上沖。
2 在前部出現密集的小波，這是由于*個脈沖還沒有完成而后續波形擠壓所至而形成連續小幅度脈沖。
3 在一群小波之后基本上為一條直線，一般沒有余弦大震蕩存在。這是由于在整個回路中感抗太小所至。當采集到具有以上特點的波形時可基本判斷故障點在端頭附近。距離可采用經驗公式累計計算。在密集小波中選取3-5個波，看一下顯示距離，再用所選波的數目去除以距離，可得出故障點的距離。這種測量一般誤差較小，適用于故障距離小于50米的故障點判斷。
三．故障點不放電的情況：
當放電球間隙調的太小或電容能量不足時有時可能會出現球間隙放電而故障點不放電的情況。故障點不放電則故障點就沒有反射波形，也就無法測出電纜故障點的距離，采集的波形特點為逐步上升的拋物線充電波形，在此上升的曲線中疊加有一些小的負向脈沖，此負向脈沖為電纜終端的反射波形。
造成電纜故障點不放電的一般可分為以下幾種情況：球間隙調節太小，導致在電壓不高的情況下球間隙被擊穿，而此電壓不足以擊穿電纜的故障點。解決的辦法通常采用拉大球間隙、提高工作電壓的辦法來解決。但應注意提高電壓應根據被測電纜的絕緣耐壓來確定，一般zui高電壓應小于被測電纜耐壓的2.5倍。
高壓沖閃測試中儲能電容的容量對有效的將電纜的故障點的擊穿有著重要的意義。如果儲能電容的容量不足，在電容所儲能量不足以使電纜故障點有效擊穿，故障點將沒有反射波形，而形成不放電波形。根據測試經驗，對于1000米以下的電纜，電容的容量應在1.5微法左右，zui小不得小于1微法。對于1000米以上的電纜可考慮按每1000米/1微法增加。而對于380伏特的低壓電纜。由于電壓限制，可考慮按每1000米4-8微法配置。
四．安全性問題：
在采用高壓沖閃法測試電纜故障時由于測試電壓等級較高，所以在測試應特別注意現場的安全性，在測試中應注意以下幾個問題：
1.地線的接線問題：由于本系統在放電過程中電流極大（大約為2萬伏特等級的短路電流），所以系統的接地線應可靠。
2.由于放電回路的電流極大，容易在接觸不良的狀態下產生地線電位抬高，造成設備損壞或人員觸電，所以放電回路的地線應與測量回路的地線應分別接地。
3.在所有接線完成后應仔細復查后，再通電實驗。
4.在做高壓沖閃電壓采樣時，在接好高壓系統后先不接入測試儀，做高壓空打實驗，在進一步檢查地線系統無放電現象、高壓系統正常的情況下再接入電纜故障測試儀進行高壓采樣。
5.在使用高壓組件箱中球間隙做定點放電時應將輸出端直接接到球間隙的放電端，并將線圈和分壓電阻斷開。
6.其他高壓操作的安全問題可參閱國家有關高壓電氣實驗的安全標準。
下面要討論的是另一種新的測試方法，叫高壓沖閃電流采樣法。
高壓沖閃脈沖電流采樣的過程，就是利用電流傳感器將電纜故障測試中故障點擊穿放電的瞬態電磁波的傳輸過程記錄下來。并根據故障點放電脈沖在測試端與故障點來回反射時間計算出電纜故障的距離。
所需設備配置為高壓電壓發生器（俗稱高壓PT），一般電纜故障測試配置為3KV左右，控制保護器，高壓脈沖電容，放電球間隙，電流采樣器DL等組成。電流傳感器的作用是通過空間的電磁耦合，將測試過程中電容C放電回路中的瞬間電流變化信號傳導電纜故障測試儀中去。
測試中，當調節電壓高到一定的程度時，放電球間隙被擊穿，高壓儲能電容中的電能將通過放電球間隙向電纜轉移，形成放電脈沖電流，當電纜上的電壓達到電纜故障點的擊穿電壓時，電纜故障點產生放電。并在電流傳感器上形成放電脈沖。由上一節介紹的故障點特性可知，如果此沖擊電壓—Ee幅值大于故障點g放電間隙的擊穿電壓，當此沖擊電壓沿芯線傳輸至故障點時故障點放電間隙將被電離，形成短路放電，在回路中產生較大的突跳電流，該突跳電流將被電流傳感器所接收，形成觸發脈沖。同時產生由—Ec→0的正躍階電壓向電纜的測試端和電纜的終端入射（向終端入射傳輸的過程可不考慮）。正躍階入射波傳輸至測試端時，考慮到球間隙此時仍被電離短路，而貯能電容C也可認為對正階躍電壓呈短路狀態，由電纜特性及反射系數概念可知，測試端的外阻抗因接有貯能電容C而變的非常低，遠遠低于電纜特性阻抗，對由故障點入射來的信號呈短路性質的反射，即反射系數接近于—1。所以，在測試端將產生負反射。該反射將向電纜故障點方向運動，當到達電纜故障點時.故障點被擊穿入射脈沖倒相后又向兩端傳播，這樣多次反射消耗能量，直至能量被消耗，放電過程結束。
上一篇：變電所的相位校驗和相序校驗
