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电容式电压互感器谐波传递特性试验电路研究焦亚东,朱明星质,段晓波3周文高敏4(
1.安徽大学电气工程与自动化学院,安徽合肥230601:
2.安徽大学教育部电能质量工程研究中心,安徽合肥230601:
3.国网河北省电力公司电力科学研究院,河北石家庄050021;
4.安徽武怡电气科技有限公司,安徽合肥230031)摘要电容式电压互感器(capacitorvoltagetransformerCVT)在66kV及以上电网的广泛应用,对其谐波传递特性研究日趋重要本文运用黑箱理论并结合CVT电气构造特点,搭建一种可以获取CVT谐波传递特性的试验电路从电容分压器结构和电介质材料角度研究电介质极化与外电场频率关系,确定在50〜2500Hz范围内频率变化不影响电容分压器分压比再整体分析试验电路,建立试验电路网络阻抗模型,仿真不同分压点电压之间关系,并通过试验进行相互验证,论证测量CVT谐波传递特性的试验电路的正确性为测量CVT谐波传递特性提供科学规范的测量方法,对CVT谐波传递非线性机理深入研究具有重要意义关键词电容式电压互感器;黑箱理论;电介质;试验电路中图分类号TM文献标识码AResearchoncapacitorvoltagetransformerharmonictransmissioncharacteristicscircuitJiaoYadong1ZhuMingxing12DuanXiaobo3ZhouWen3GaoMin
41.InstituteofElectricalEngineeringandAutomationofAnhuiUniversityHefei230601AnhuiChina;
2.PowerQualityEngineeringResearchCenterMinistryofEducationHefei230601AnhuiChina
3.HebeiElectricPowerResearchInstituteShijiazhuang050021Hebeichina;
4.AnhuiWuYiElectricalTechnologyCo.LtdHefei230601AnhuiChina;Abstract Withthecapacitorvoltagetransformerbeingwidelyusedin66kVandabovepowergridtheresearchaboutharmonictransmissioncharacteristicbecomesmoreandmoreimportant.AcircuitmeasuredaccuratelyCVTharmonictransmissioncharacteristicisbuiltaccordingtoblackboxtheoryandthecharacteristicsofCVTelectricalstructureinthispaper.Toresearchtherelationshipsbetweendielectricpolarizationwithexternalelectricfieldfrequencyfromtheperspectiveofcapacitivevoltagedividerstructureanddielectricmaterialsandgettheconclusionthatfrequencychangedoesnotaffectthecapacitivevoltagedividerratiowithin50〜2500Hz.OverallanalysisabouttestcircuitismadetogetimpedancenetworkmodeofthetestcircuitandresearchtherelationshipamongthedifferentpartialvoltagepointbysimulationanddemonstratesthemeasurementofCVTharmonictransmissioncharacteristicsofthecorrectnessofthetestcircuitAscientificandstandardizedmethodofmeasurementisprovidedforaccuratemeasurementofCVTharmonictransmissioncharacteristicsanditprovidestheCVTtransmissionnonlinearharmonicwaveoffurtherresearchisofgreatsignificanceaswelLKeywords capacitorvoltagetransformerblackboxtheorydielectrictestcircuit0引言电力电子装置和非线性负载的广泛应用使电力系统产生了大量的谐波,其对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁,给周围电气环境带来了极大影响【12】我国己颁布的《GB/T14595-93电能质量公用电网谐波》⑶标准规定了公用电网谐波限值和测试方法对于中高压系统需通过互感器将电网高电压、大电流的信息传递到低电压、小电流二次侧,再配合测量仪表测量一次系统的电压、电流特基金项目国网公司科技项日kj2012-112电能质量高级分析关键技术研究及应用性、铁磁谐振的抑制、运行故障和基波电压测量误差等方面^111文献[12〜16]通过不同方法理论研究了CVT电路模型并提出谐波阻抗模型,分析其内部参数对谐波传递的影响,文献[17]采用CT末屏方法代替CVT进行谐波测量但缺少科学规范研究和测量CVT谐波传递特性的试验电路本文运用黑箱理论的基本研究和认识事物的方法,并结合CVT电气构造特点及用途,搭建一种可以获取CVT谐波传递特性的试验电路从电容分压器结构和电介质材料角度研究电介质极化与外电场频率关系,确定电容分压器分压比随频率变化趋势整体分析试验电路,建立试验电路网络阻抗模型,仿真不同分压点电压之间关系,并通过试验相互验证,论证测量CVT谐波传递特性的试验电路正确性为测量CVT谐波传递特性提供科学规范的测量方法,对CVT谐波传递非线性机理深入研究具有重要意义1CVT谐波传递特性试验电路现代电容式电压互感器主要是由电容分压器、中压变压器、补偿电抗器、阻尼器等部分组成,后三部分总称为电磁单元,图1为CVT电路图图1电容式电压互感器电路图Fig.lCapacitivevoltagetransformercircuitdiagram图中G、C2—高压和中压电容;L一补偿电抗;T一中压变压器;P一电容器低压端对地保护间隙;N一电容分压器低压端;BL一避雷器;Rd—阻尼器;u、n、du、dn一二次绕组端子及其它电压绕组端子当施加电压于G、C2组成的电容分压器时,如不考虑电磁单元,从侦向系统侧看,可用戴维南定理等效,电容器分压比为G/(G+C2)在工频情况下,补偿电抗器电抗与电容分压器等值容抗发生串联谐振,使得二者电抗之和为零,二次侧正确反映一次侧基波电压假设图1中各部分为理想元件,即不考虑系统内复杂的分布参数,某HOkVCVT谐波传递特性曲线如图2CVT谐波传递特性曲线随谐波次数的增加呈单调减小趋势,但变化范围较小,幅频标幺值相对图2理想元件条件下CVT谐波传递特性曲线Fig.2CVTharmonictransfercharacteristiccurveundertheconditionofidealelement实际上,由于CVT内部杂散电容等分布参数影响,使CVT谐波测量结果严重偏离实际值,且谐波传递特性定量规律不明,目前公用电网谐波的国家标准中明文规定“电容式电压互感器不能用于谐波测量”⑶所以需要建立可以获取CVT谐波传递特性的试验电路黑箱理论就是不打开黑箱,而利用外部观测、试验,通过输入、输出信息,来研究黑箱的功能和特性,探索其构造和机理的科学方法I⑻我们将CVT看成黑箱,通过输入输出研究其谐波传递规律,如下图所示GCVT()CVT图3CVT黑箱模型Fig.3CVTtransmissionblack-boxmodel由图可知CVT谐波传递函数与输入输出谐波电压关系如下Ge(h)=空^=|空纣Z[00)-0㈣
(1)式中G(v0)为CVT谐波传递函数;0(人)、心以)分别为黑箱输入输出谐波电压;0/以)、02(/i)分别为黑箱输入输出谐波电压相位;/为谐波次数(/7=
1、
2、3……50)o一般CVT接入66kV及更高电压等级电网,其工作的额定电压等级决定无法使用常规方法测量CVT的高压侧输入谐波电压,为实现黑箱测量方法,本文通过标准电容分压器间接测量高压侧输入谐波电压,再直接测量CVT二次侧输出谐波电压,获取CVT图4测量CVT谐波传递特性试验电路Fig.4HarmonictransmissioncharacteristicMeasurementtestcircuitofCVT其测量方法使用高压大功率谐波信号发生装置依次发出叠加单次谐波的基波电压,具体为
2.50次谐波电压,单次叠加,每次加载谐波电压持续时间约1分钟试验时,将标准电容器和CVT同时并入试验电路中,利用标准分压电容器低压电容两端电压为基准,对不同工况下CVT测量结果进行标幺,得到实际的CVT谐波传递特性曲线下面验证试验电路可行性、优越性及科学性2电容器介电常数频率特性根据试验电路结构和测量方法,需将标准电容分压器输出谐波电压信号折算到CVT二次侧,与其输出谐波电压进行标幺,在折算过程中CVT电容分压器和标准电容分压器的基波分压比同谐波情况关系十分重要试验电路中电容器均为平行板电容器极板之间充有电介质,其电容值C=sS/d当电容结构固定后极板面积S与极板间距离d基本不变,只有电介质的介电常数£受到极板两端电场频率影响从而改变电容值电介质是指在电场作用下能产生极化的一切物质,一般极化形式有电子式极化、离子式极化、偶极子极化、夹层极化和空间电荷极化任何电介质的分子均由原子或离子组成,而每个原子或离子均由带正电的原子核和绕核运动的带负电的电子所组成,所以电介质的每个分子都是±1正、负电荷组成的系统,根据这些电荷在分子中的分布特性,可以把电介质分为三类非极性电介质、极性电介质和离子型电介质非极性电介质在无外电场作用时,分子的正电荷和负电荷中心相重合,故分子的偶极矩等于零,这种分子称为非极性分子由非极性分子组成的电介质称为非极性电介质或中性电介质极性电介质在无外电场作用时,分子的正电荷和负电荷中心不相重合,即分子具有偶极矩这种分子称为偶极分子或极性分子,由极性分子组成的电介质称为极性电介质与上述非极性电介质和极性电介质不同,离子型晶体电介质通常由正、负离子组成,己没有个别分子,存在于介质中的只有离子⑴】所有电介质都会发生电子式极化,而只有极性电介质发生偶极子极化,离子电介质会发生离子式极化;电子式极化和离子式极化程度与电场强度有关而与电源频率无关,但偶极子极化程度与电场强度和电源频率都有关试验电路中,CVT的电容分压器采用B1型高密度电容器纸的纸膜电容,纸膜电容器的电容器纸主要成分为纤维素,它是一种极性电介质,其极化形式是偶极子转向极化,纤维素(C8H10O5)的偶极子转向极化的松弛时间T约为10E电容器纸纤维素的介电常数L与电源角频率3的关系可用下式表示叫W)-7+JCOT上式就是复合介电常数的频率特性的德拜公式如果把它分成实部和虚部表示时,得则介质损耗角正切tanS为:tan8=s)=(sa-sJOT
(4)%(
①)Ea+EqP显然矿(
⑥是偶极子转向极化时消耗的功率,随着
④的增大,其tanS趋向极小值表征介质真正意义上的介电常数应为£a-gao7+co2v以此定义《(CD)=财CO)/孩为纤维素介电常数的频率衰减系数式中一光的相对介电常数,表征实际是瞬时稳定极化的电子极化(£“=/);、_表征具有松弛极化,即极性介质的相对介电常数(f=50HzT=20C的相对介电常数,B1纸,%=
6.68);3—介质上施加的电源电压的角频率;T一极化松弛时间;n—介质对光的折射率(对于纤维素n=
1.63)0该公式指出,极性介质的介电常数(co)平稳地随电源频率的上升而下降,从co二0时的£(())=£逐步下降到3=8时的
(8)=%纸膜复合介质常数%(
(9)随着频率变化的特性可按下式计算£Z(CO)=:气
(3)+殊(7-)式中ejco)-随频率变化的油浸纸的介电常数;命一聚丙烯膜的介电常数(产
2.2);乌一膜的厚度在复合介质总厚度中的比例公式中除了汕浸纸的介电常数孔(co)受频率影响外,设定其余参数与频率无关£vz((d)可按下式计算4(co)=业^
(7)~8a(co)/8v-kg»/pe(8a(CD)/8y-i)式中£、一液体介质的介电常数(烷基苯汕,£产
2.25);上一极间介质的压紧系数(取S
0.92);幺一去水前、后的电容纸的重量比(g=
0.93);pv—电容器纸的密度(B1纸,p、.=
1.2g/c、麻);p「一纤维素的密度(p/
1.53g/c冰);在此基础上分别定义%
(3)=A(co)/、,z和与(co)=勺(co)/勺为油浸纸和膜纸复合介质介电常数的频率衰减系数由此可得到B1型高密度电容器纸的各种介质的介电常数的频率衰减系数变化趋势如图5其中kl为纤维素介电常数的频率衰减系数幻((D)k2为油浸纸介电常数的频率衰减系数J(co)k3为知=
0.5的膜纸复合介质介电常数的频率衰减系数#/(co)k4为X”=
0.75的膜纸复合介质介电常数的频率衰减系数匕
(3)图5各种介质的介电常数的频率衰减系数图Fig.5Thedielectricconstantofallkindsofmediumfrequencyattenuationcoefficientgraph表1各种介质的介电常数的频率衰减系数表Lab.lThedielectricconstantofallkindsofmediumfrequencyattenuationcoefficienttable由图5和表1可知,曲线呈单调衰减趋势,在2500Hz处纸膜介电常数的频率衰减系数为1则在50〜2500Hz的频率区间内频率的变化基本不影响纸膜电容器的介电常数因此CVT分压电容器分压比在50〜2500Hz内基本不会发生变化,谐波与基波情而标准电容分压器的CH1采用不锈钢板+SF6CL1采用云母电容SF6为非极性介质,只有电子位移极化,同时其为气体介质,由于气体分子间距离大,分子间相互作用可以忽略不计,故基本上认为SF6介电常数与外电场频率无关,其介电常数并不随频率的变化发生改变;云母为离子型介质,根据其极化方式和材料特性,决定它具有较高的绝缘强度和较大的电阻,恒定介电常数,较低的电介质损耗较低热系数,超绝缘性,其介电常数也不随频率的变化发生改变因此,在50〜2500Hz的频率变化范围内,电路中各电容器的电容值不受频率影响,保证了CVT电容分压器和标准电容分压器的分压比不受谐波的影响3试验电路仿真分析通过上述分析,可将试验电路等效成如图6阻抗模型,利用某110kVCVT的各项参数,在MATLAB中经过编程仿真分析,研究平台中各组成部分逐级接入电路对关键点(A、B两点)电压的影响图中A点为CVT电容分压器低压电容两端电压,而B点为标准电容分压器低压电容两端电压A・B・乂2-tXclRm图6试验电路等效阻抗图Fig.6theequivalentimpedanceoftestcircuit图中U/—谐波电压源;Xs、馅―升压变压器阻抗;Xq、XC2—CVT电容分压器容抗;Xa、XCII-标准电容分压器容抗;匕一测量仪器(数字表)内阻仿真参数Xs=
474.2Q;Rs=
1161.9Q;Ci=24151pF;C2=ll6364pF;CH=
100.67pF;CL=lOOnF;Rm=2MQoCVT电容分压器基波分压比为
4.821;标准电容分压器基波分压比为
993.3:lo
(1)标准电容分压器与测量仪器未接入系统中时,点A处电压随频率变化趋势(己经过其基波分压比换算)1005101520253035404550谐波次数(h)图7A点电压随频率变化趋势Fig.7VoltagechangetrendwithfrequencypointA由仿真图7可知,谐波电压源可经过升压变压器传递到CVT侧,并且CVT内分压电容与变压器阻抗发生谐振
(2)测量仪器未接入系统,而标准电容分压器接入系统中时,点A和点B处电压随频率变化趋势(已经过其基波分压比换算)876务54m3仲210图8测量仪器未接入时A、B点电压随频率变化趋势Fig.8VoltagechangetrendwithfrequencyofpointABwithoutmeasuringinstrument由仿真图8可知,系统中添加标准电容分压器后并不影响CVT电容分压器点A处电压随频率变化趋势
(3)测量仪器接入系统中时,点A和点B处电压随频率变化趋势(已经过其基波分压比换算)A点电压随频率变化趋势876m3210876五54出3®210图9测量仪器接入时A、B点电压随频率变化趋势图10A点与B点处电压比值随频率变化趋势Fig.10PointAandpointBvoltageratiochangetrendwithfrequency由仿真图10的幅频特性图可知,A点与B点处电压比值幅值随频率变化趋势与基波时相同,乘以基波比值其图形为纵坐标为1的直线;由相频特性图可知A点与B点电压比值相位差随频率变化趋势与基波时也基本相同,相位差为0由仿真可知A点与B点物理上具有等价性4实际物理试验根据试验电路仿真结果,设计了CVT纸膜电容分压器与标准电容分压器的谐波传递特性实测试验,测量方法同CVT谐波传递特性试验电路,并将图4中CVT替换为普通纸膜电容分压器,其与CVT纸膜电容分压器制造材料工艺相同利用电能质量测试分析仪同步测量纸膜电容分压器和标准电容器输出电压频谱,利用FFT对数据进行分析处理在每次谐波电压叠加时间段内随机选取30组分析处理后的谐波电压数据并计算其平均值以标准电容分压器低压电容两端电压为基准,参考黑箱原理即公式
(1)给出公式
(8)对纸膜电容分压器测量结果进行标幺mi=喝)⑻UBh\UBhI式中为纸膜电容分压器输出谐波电压,*为标准电容分压器输出谐波电压,为纸膜电容分压器输出谐波电压相位,扁,为标准电容分压器输出谐波电压相位,K为纸膜电容分压器与标准电容分压器基波分压比比值下表为纸膜电容分压器和标准电容分压器输出的基波和2-50谐波电压值及标幺值,此时K=
0.5975°表2纸膜电容分压器和标准电容分压器输出基波和2-50谐波电压值及标幺值Lab.2Paperfilmcapacitivevoltagedividerandstandardcapacitivevoltagedivideroutputfundamentalwaveandthe2-50harmonicvoltagenumericalandstandardvalues2本文描述了研究CVT谐波传递特性的重要性,结合黑箱理论,搭建一种可以获取CVT谐波传递特性的试验电路,并从电容分压器结构和电介质材料角度研究电介质极化与外电场频率关系,再整体分析试验电路,建立试验电路网络阻抗,仿真不同分压点电压之间关系,并通过试验相互验证,论证了测量CVT谐波传递特性的试验电路的正确性,结论如下在50〜2500Hz的频率变化范围内,电路中各电容器的电容值不受频率影响,保证了CVT电容分压器和标准电容分压器的分压比不受谐波的影响;通过仿真与实测试验结果相互验证,可知CVT电容分压器低压电容两端电压和标准电容分压器低压电容两端电压随频率变化趋势基本一致,证明其物理等价性;该电路结构有效的排除外界因素的干扰,将谐波发生装置与升压变压器等效为理想的谐波发生源,实现对CVT谐波传递规律准确测量,同时,间接分析出CVT电磁单元是造成谐波传递非线性的根本原因综上所述,科学、合理的CVT谐波传递测量电路,必然对研究CVT谐波传递非线性机理具有重要意义参考文献[11李达义,陈乔夫贾正春.电力系统谐波源的种类和滤波方法综述[J].电气传动.20053512:3-
7.LiDayiChenQiaofuJiaZhengchun.Typesofharmonicsourcesandtheirfilteringapproaches!J]・ElectricDrive20053512:3・
7.
[2]肖雁鸿,毛筱,周靖林等.电力系统谐波测量方法综述[J]・电网技术2002266:61・64・XiaoYanhongMaoXiaoZhouJingling.Asurveyonmeasuringmethodforharmonicsinpowersystem[J].PowerSystemTechnolog2002266:61-
64.13]全国电压电流等级和频率标准化委员会.GB/T14549电能质量公用电网谐波[S].北京:中国标准出版社
1993.凌子恕.高压互感器技术手册[M].中国电力出版社
2005.杨育霞,马朝华,许琅.电容电压初值对CVT铁磁谐振影响的仿真研究[J].电力自动化设备2007274:
10.
13.YangYuxia.MaChaohuaXuMin.SimulationresearchoninfluenceofinitialcapacitorvoltagevalueonCVTferroresonancefJ].ElectricPowerAutomationEquipment2X7274:10-
13.何建,余容,杨漪俊.电容式电压互感器常见故障及监测[J]・电力电容器与无功补偿2009305:38-
42.HeJianYuRuiYangYijun.TheCommonFaultsandItsMonitoringofCVT[J].PowerCapacitorReactivePower2009♦30538-
42.臧雯冯志彪.电容式电压互感器的数字仿真模型|J]・同济大学学报:自然科学版200432⑶:401・
406.ZangWenFengZhibiao.Digitalsimulationmodelsofcapacitorvoltagetransformer!J].Journaloftongjiuniversity
2004.323:401-
406.舒开旗,叶利,史萍.电容式电压互感器的误差测试[J].湖北电力2003276:27-
30..ShuKai・qiYeLiShiPing.TestingtheErrorofCVT[J].HubeiElectricPowen2003276:27-
30.19]殷培峰.电容式电压互感器的误差原因及解决方法[J]・电气开关2008461:53-55・YinPeifengErrorcauseandsolutionofcapactitivevoltagetransformer!J].ElectricSwitchgear2008461:53-
55.[101朱鸿吉,侯成革李洪臣.电容式电压互感器铁磁谐振产生机理及其抑制方法[J
1.电力电容器与无功补偿201132:
43.
46..ZhuHongji.HouChcnggcLiHongchen.ProductionMechanismofFcrro-rcsonanceofCapacitiveVoltageTransformeranditsSuppressionMethod[J].PowerCapacitorReactivePower2011322:43・
46.梅德冬.电容式电压互感器暂态过程对保护影响及算法研究[D].浙江大学
2003.冯宇王晓琪,陈晓明等.电容式电压互感器电路参数对电网谐波电压测量的影响〔J].中国电机工程学报20143428:
4964975.FengYuWangXiaoqiChenXiaoming.InfluencesofcircuitparametersofcapacitorvoltagetransformerongridharmonicvoltagemeasurementslJ].ProceedingsoftheCSEE20143428:4968-
4975.王锐.CVT谐波测量畸变研究[D].华北电力大学河北,
2009.WangRui.ResearchthedistortionofapplyingCVTtomeasureharmonic[D].NorthChinaElectricPowerUniversity
2009.[141孙林涛.串联谐振技术在电容式电压互感器校验中的应用研究[D].浙江大学
2012.Suenresearchforseries-resonanceincalibrationofcapacitorvoltagetransformer!D].ZhejiangUniversity.
2012.部洪亮李琼林,余晓胳等.电容式电压互感器的谐波传递特性研究[J]・电网技术201311:3125-
3130.GaoHongliangLiQionglinYuXiaopengetaLHarmonictransfercharacteristicofcapacitorvoltagetransformer[J].PowerSystemTechnology133711:3125-
3130.谢宇廷.电容式电压互感器宽频建模方法的研究[D].华北电力大学
2014.XieYuting.ResearchonmodelingmethodofbroadbandcircuittorcapacitorvoltagetransfbrmcrfDI.NorthChinaElectricPowerUniversity
2014.段晓波.解决高压电网谐波测量信号失真的新型测量系统与试验方法[J].电力设备200566:
37.
39.DuanXiaobo.NewmeasurementsystemandlestmethodforsolvingharmonicmeasurementsignaldistortioninHVpowernetwork[J].ElectricalEquipment200566:37-
39.葛祥国,肖桃华.浅析黑箱理论[J].中国教育技术装备201118:
93.
94.GcXiangguoXiaoTaohua.Talkingaboutblackboxheory[J].ChinaEducationalTechnologyEquipmenl201118:93-
94.吴广宁.电气设备状态监测的理论与实践[M].清华大学出版社2005・王力衡.电气材料的物理基础[M].西安交通大学出版社,
1988.沈文琪.电机工程手册第二版.输变电、配电设备卷第6篇电力电容器[M].机械工业出版社1997・段晓波,朱明星,胡文平等.影响电容式电压互感器谐波传递特性的关键参数[J].电网技术201411:3153-
3159.DuanXiaobo.ZhuMingxingHuWcnping.Keyparametersaffectingharmonictransfercharacteristicsofcapacitorvoltagetransformer!J].PowerSystemTcchnolog.
2014.11:3153-
3159.作者简介・L:J」^亚东
1990.,男,汉,安徽芜湖人,硕士研究生主要从事电能质量分析与控制研究,E-mail;朱明星
1968.,男,副教授,硕士研究生导师,从事大用户电网电能质量分析与控制领域的科研与教学工作;段晓波1959-男,高级工程师,主要从事电能质量管理和电网分析研究工作;周文1978-男,高级工程师,主要从事电能质量及自动控制专业技术工作;高试1985男,工程师,主要从事电能质量分析与控制研究;联系人:焦亚东电话Email详细通信地址1号安徽大学电气工程与自动化学院邮编230601频率kHz幻3xm=
0.5时与DXm=
0.75时与D
2.
50.
99991.
00001.
00001.
0000100.
99770.
99921.
00001.
0000500.
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9230.
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53010.
73520.
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91.
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90.
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66451.
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632.
7759.
440.
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164.
642.64-
163.
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69.
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5099.
552.
44100.
690.
971.
14491.
4415.
6123317.
120.
961.
51501.
3326.
292.
1627.
480.
971.19。