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氣體絕緣輸電技術(shù)特征及應(yīng)用前景展望

呂曉潔 朱寧 陳琦

摘要：碳達(dá)峰、碳中和將改變電源結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)也將發(fā)生根本性變革。為保護(hù)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化，適應(yīng)大規(guī)模海上風(fēng)電接入電網(wǎng)的需要，滿足城鎮(zhèn)化建設(shè)和人們對(duì)美好環(huán)境的需求，解決水電站高落差電力送出等問題，需要研究一種大容量、占地少、損耗小、抗災(zāi)性強(qiáng)、環(huán)境友好的輸電線路技術(shù)。本文介紹了GIL技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了GIL技術(shù)應(yīng)用存在的關(guān)鍵性問題，對(duì)GIL未來在電力系統(tǒng)的重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了展望，總結(jié)提出GIL的發(fā)展方向和亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)問題。

關(guān)鍵詞：GIL；剛性輸電設(shè)備；氣體絕緣；海上風(fēng)電；城鎮(zhèn)化建設(shè)

氣體絕緣輸電線路（Gas-Insulated Transmission Lines，GIL）是一種大容量、高電流、剛性輸電設(shè)備，采用六氟化硫（SF6）、六氟化硫/氮?dú)猓⊿F6/N2）或其他氣體絕緣，具有輸電容量大、傳輸損耗小、抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)、占地面積小、電磁環(huán)境友好等顯著優(yōu)點(diǎn)，適合于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）、架空線、電纜、變壓器等設(shè)備間的連接。

一、GIL技術(shù)發(fā)展歷程及主要特征

（一）GIL技術(shù)發(fā)展歷程

高氣密性是GIL技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，因此以絕緣氣體的變更將GIL發(fā)展劃分為三個(gè)發(fā)展階段。第一代GIL絕緣氣體采用100% SF6，第二代采用SF6與N2的混合氣體（如20% SF6和80%N2），新一代采用環(huán)保氣體（如美國(guó)3M公司提出的七氟異丁腈C4F7N、GE公司提出的C4F7N/CO2、中國(guó)科學(xué)院研究的C4F7N與N2或CO2等環(huán)?；旌蠚怏w）。

GIL自20世紀(jì)70年代進(jìn)入工程應(yīng)用以來，主要采用SF6氣體絕緣，是當(dāng)前最成熟的技術(shù)方式，但SF6氣體具有強(qiáng)溫室效應(yīng)，其全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）為23800、大氣壽命為3200年，被國(guó)際上列為限制排放的氣體，尤其是對(duì)于高壓和特高壓GIL，每公里氣室使用的SF6近10余噸，環(huán)保壓力巨大。因此，20世紀(jì)90年代，以降低溫室氣體排放和成本的SF6/N2混合氣體絕緣型GIL逐漸進(jìn)入技術(shù)研究領(lǐng)域，21世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化和工程應(yīng)用。隨著全球低碳發(fā)展時(shí)代的到來，新一代環(huán)保氣體絕緣型GIL在2010年左右被提出，美國(guó)GE公司采用七氟異丁腈與二氧化碳（C4F7N/CO2）構(gòu)成絕緣氣體，研制的420千伏GIL于2017年在英國(guó)投運(yùn)，標(biāo)志著環(huán)保型GIL進(jìn)入工程起步階段。

隨后，美國(guó)、加拿大、德國(guó)、日本、沙特阿拉伯等相繼建成了較長(zhǎng)距離的GIL，總長(zhǎng)度超過700公里，電壓等級(jí)覆蓋72~1200 千伏，其中550千伏和420千伏應(yīng)用最普遍。

美洲自20世紀(jì)60年代開始研究GIL技術(shù)，1972年美國(guó)新澤西州哈德遜電廠安裝了世界上首條交流GIL線路，額定電壓242千伏，額定載流量1600安培，采用直埋敷設(shè)方式；加拿大鮑曼維爾（Bowmanville）GIL工程建造于1985～1987年，是目前世界上額定通流能力最大的GIL工程，其額定電壓550千伏，最大額定電流8000安培，全長(zhǎng)3.2公里，采用地上鋼架支撐結(jié)構(gòu)。

歐洲首個(gè)GIL安裝于1975年建成的德國(guó)施盧赫湖的韋爾（Wehr）抽水蓄能電站，額定電壓380千伏，額定載流量2000安培，全長(zhǎng)4.2公里，采用山體隧道敷設(shè)方式；瑞士日內(nèi)瓦PALESPO會(huì)展中心GIL工程于2001年建成，首次采用西門子公司第二代GIL，采用SF6/N2混合氣體絕緣（SF6與N2氣體體積比為1:4），SF6用量的減少降低了建設(shè)成本，其額定電壓300千伏，額定電流2000安培，全長(zhǎng)2.56公里，采用地下隧道敷設(shè)。

亞洲典型的GIL工程有日本名古屋新名火—東海（Shinmeika-Tokai）線路，于1998年建成，額定電壓275千伏，額定載流量6300安培，全長(zhǎng)3.3公里，采用隧道安裝，特點(diǎn)是隧道上層為雙回GIL，下層為液化天然氣管路，以及采用現(xiàn)場(chǎng)焊接安裝方式。另外，沙特阿拉伯PP9工程于2004年在首都利雅得建成，額定電壓420千伏，額定電流1200安培（55℃以下），全長(zhǎng)17公里，采用地上鋼結(jié)構(gòu)支撐，實(shí)現(xiàn)了在晝夜溫差大、沙塵較多等沙漠氣候下電能的安全高效傳輸。我國(guó)淮南-南京-上海1000千伏交流特高壓輸變電工程蘇通GIL綜合管廊工程于2019年9月建成，是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、技術(shù)和創(chuàng)新水平最高的GIL工程，額定電壓1000千伏，額定電流1600安培，全長(zhǎng)5.5公里，采用江底隧道方式敷設(shè)。

蘇通1000千伏交流特高壓GIL綜合管廊

（二）電網(wǎng)GIL技術(shù)的主要特征

電網(wǎng)采用的主要輸電方式有架空輸電和地下輸電方式。相比傳統(tǒng)的架空輸電線路，地下輸電方式在我國(guó)得到了越來越多的應(yīng)用。目前已建成的地下輸電線路中，最普遍的是固體絕緣電纜，其次是GIL。固體絕緣電纜主要應(yīng)用于10千伏～220千伏電壓等級(jí)。與架空輸電線路相比，電纜線路工程占地少，對(duì)城市環(huán)境影響較小，不受外界大風(fēng)、雷電等外部自然環(huán)境影響，供電可靠性相對(duì)較高，有利于提升城市發(fā)展空間，但造價(jià)水平較高、載流量相對(duì)較低、施工工期一般較長(zhǎng)。相比架空輸電線路和電纜線路，采用GIL的優(yōu)勢(shì)比較明顯。主要特征闡述如下。

1.輸電容量大且適應(yīng)電網(wǎng)能力強(qiáng)

GIL是架空線路的理想替代或補(bǔ)充方案。電纜線路輸送電流一般不大于2200安培，而GIL線路輸送電流可到8000安培、輸送容量達(dá)到4000兆伏安。GIL可與任意截面的架空線路匹配且不需要降低容量，與電纜線路、電廠變壓器等開關(guān)設(shè)備也可靈活連接，適應(yīng)能力好。

2.輸電損耗和電容負(fù)載低

由于導(dǎo)體和外殼截面大，電阻損耗很小，GIL的額定電流越高，在相同輸電容量下其損耗低的特性更加顯著。GIL的電容小，一般為55微法每公里，不僅涌流小，而且在傳輸距離100公里左右的情況下通常不需要或僅需很少的補(bǔ)償線圈，能夠有效降低電網(wǎng)的熱損耗。

3.抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)

GIL屬于封閉結(jié)構(gòu)，相對(duì)架空輸電線路，具有良好的抗冰凍雨雪性能，尤其是在龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等極端天氣高發(fā)區(qū)，采用地下敷設(shè)方式的GIL是應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害、保障電力穩(wěn)定供應(yīng)、提高電網(wǎng)安全可靠性的理想方式。

4.電磁干擾較小

GIL導(dǎo)體電流在外殼內(nèi)會(huì)感應(yīng)出同樣大小但相位差180°的電流，兩個(gè)電磁場(chǎng)疊加結(jié)果接近為零。因此，在周圍環(huán)境需要限制磁場(chǎng)的情況下，相對(duì)架空線路和電纜線路，可靠接地的GIL能夠?qū)崿F(xiàn)低磁場(chǎng)要求。特別是當(dāng)輸電線路靠近居民區(qū)，或?qū)τ谑褂渺`敏電子設(shè)備較多的企業(yè)單位，低磁場(chǎng)是非常普遍的需求。

5.安全性較高且設(shè)備壽命長(zhǎng)

如果GIL管道內(nèi)部發(fā)生絕緣故障，所引發(fā)的電弧被封閉在管道內(nèi)部，不會(huì)對(duì)外部人員和設(shè)備形成危害。另外，GIL所用的全部材料都是阻燃型，不會(huì)燃燒，有利于防火安全。GIL采用氣體絕緣，絕緣件的電場(chǎng)強(qiáng)度和GIL的最高溫度均不足以產(chǎn)生電老化或熱老化，GIL的制造材料具備抗電氣和熱老化特性，預(yù)計(jì)壽命通常能夠達(dá)到50年。

6.占地少且環(huán)境友好

GIL通常采用地上鋼架支撐、直埋或隧道敷設(shè)方式。在同容量輸電的條件下，較架空線和電纜線路的占地少，尤其是地下敷設(shè)方式，能夠有效釋放城市土地資源，提升城市發(fā)展空間，美化城市景觀環(huán)境，實(shí)現(xiàn)安全供電和線路“隱形”的雙優(yōu)效果，有利于滿足居民對(duì)電力的需求和對(duì)美好生活環(huán)境的追求。

蘇通1000千伏交流特高壓GIL綜合管廊工程

二、GIL設(shè)備設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用需要關(guān)注的主要問題

（一）GIL設(shè)備設(shè)計(jì)需要關(guān)注的主要問題

GIL設(shè)備主要由外殼、中心導(dǎo)體和絕緣子構(gòu)成，外殼與中心導(dǎo)體同軸布置。其中外殼是容納絕緣氣體的鋁合金壓力容器，有成型管材、板材卷焊及帶材螺旋焊；中心導(dǎo)體一般采用管型設(shè)計(jì)、承載工作電流，采用高導(dǎo)電率的鋁合金管材；絕緣子在殼體內(nèi)部安裝，絕緣子附近裝設(shè)有微粒陷阱捕捉金屬微粒，提高GIL絕緣可靠性。

GIL在電氣性能上與架空線較為相似，區(qū)別之處在于GIL導(dǎo)體密封于外殼中，不僅能夠防止灰塵、潮濕空氣、冰雪及腐蝕性氣體等環(huán)境因素對(duì)輸電線路的影響，也能夠保持GIL電氣性能的穩(wěn)定性。然而，GIL特殊的設(shè)備結(jié)構(gòu)和超大容量的通流能力，要求在設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注如下問題。

1.GIL設(shè)備氣體密封性能

當(dāng)GIL設(shè)備采用隧道安裝或其他密閉環(huán)境安裝時(shí)，由于空間密閉性，一旦發(fā)生SF6絕緣氣體泄漏，一是其流通緩慢且不易排出，二是比重大容易在底層空間滯留，三是其本身無(wú)色無(wú)味不易使人察覺，因此可能在局部空間積聚，從而造成隧道內(nèi)局部缺氧，對(duì)巡檢人員產(chǎn)生潛在的窒息等安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要從封閉系統(tǒng)的元件強(qiáng)度、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量和安裝控制四個(gè)方面進(jìn)行嚴(yán)格控制，采用低氣體泄漏率的法蘭、密封槽、密封圈等密封措施，尤其是一般需要在法蘭對(duì)接處采用雙道密封結(jié)構(gòu)，保證SF6年泄漏率在0.01%～0.1%，滿足《氣體絕緣金屬封閉輸電線路技術(shù)條件》（GL/T978-2018）相關(guān)要求。

2.GIL設(shè)備發(fā)熱處理

GIL設(shè)備發(fā)熱來源于導(dǎo)體通流產(chǎn)生的熱效應(yīng)，取決于通流設(shè)計(jì)能力。通常GIL的通流截面積較大、可達(dá)10000平方毫米以上，電阻較小、通常每公里數(shù)毫歐，因此GIL通流能力強(qiáng)、傳輸容量大，然而在通過數(shù)千安培的大電流時(shí)，GIL的溫升和散熱問題不容忽略。通常，敷設(shè)在地面上的GIL設(shè)備的載流量由導(dǎo)體的最高溫度決定，直埋型GIL設(shè)備的載流量由外殼允許的最高溫度決定。通過在不同的敷設(shè)方式及環(huán)境條件下，采用不同的溫升計(jì)算方法確定GIL載流量，既使其達(dá)到較高的使用效率，同時(shí)也防止設(shè)備熱效應(yīng)產(chǎn)生溫度異常而引發(fā)事故。

3.GIL的絕緣性能

GIL的氣體絕緣系統(tǒng)由絕緣子、鋁合金管材外殼以及絕緣氣體組成，目前采用SF6氣體的GIL設(shè)備相對(duì)成熟和普遍。實(shí)際上，GIL最初研發(fā)的基本原因是基于人造氣體SF6，SF6自19世紀(jì)20年代被發(fā)現(xiàn)，是一種無(wú)毒、惰性、不燃、不腐、具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性的氣體，因而具有非常好的絕緣性能。第二代及新一代GIL設(shè)備的替代絕緣氣體目前相比第一代GIL設(shè)備的滅弧能力和絕緣能力有所下降，尚需進(jìn)一步探索研究。GIL設(shè)備典型絕緣設(shè)計(jì)包括絕緣氣體間隙場(chǎng)強(qiáng)控制和絕緣子場(chǎng)強(qiáng)控制。因此，在絕緣氣體確定的條件下，合理的場(chǎng)強(qiáng)控制是絕緣性能的關(guān)鍵。

4.GIL內(nèi)部電弧安全值

內(nèi)部電弧在GIL能夠發(fā)生的故障中是最嚴(yán)重的。內(nèi)部電弧是在發(fā)生故障時(shí)在GIL外殼內(nèi)產(chǎn)生的電弧，內(nèi)部電弧產(chǎn)生的原因可能是絕緣件失效引起的絕緣件表面或內(nèi)部電弧，也可能是由于絕緣氣體中的微粒或?qū)w或外殼的缺陷，造成電場(chǎng)強(qiáng)度高并引發(fā)絕緣氣體被擊穿而產(chǎn)生放電。因此，要保證GIL氣室長(zhǎng)度（如1公里或更長(zhǎng)），避免因氣室小而產(chǎn)生不安全事故，防止外殼燒穿、導(dǎo)體燒蝕、絕緣件受損及其他外部效應(yīng)。

（二）GIL技術(shù)應(yīng)用需要關(guān)注的主要問題

1.長(zhǎng)距離GIL建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足

目前電網(wǎng)長(zhǎng)距離輸電項(xiàng)目中投運(yùn)的GIL線路極少，國(guó)內(nèi)建成最長(zhǎng)的GIL工程為蘇通1000千伏GIL綜合管廊工程，全長(zhǎng)5.5公里；在建的武漢江夏譚鑫培路500千伏GIL綜合管廊工程設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為6.25公里。更長(zhǎng)距離的GIL輸電線路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)等難度更大。

蘇通1000千伏交流特高壓GIL綜合管廊工程

2.國(guó)產(chǎn)GIL設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)亟待加強(qiáng)

早期國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的GIL大部分以進(jìn)口設(shè)備為主，近年來逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但絕緣子工藝尚不成熟。絕緣可靠是GIL設(shè)備安全運(yùn)行的重要保障，絕緣子是GIL的核心部件之一，如果對(duì)其生產(chǎn)、安裝工藝的掌握存在欠缺，對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行工況的考慮不足，那么在長(zhǎng)期振動(dòng)、溫度交替影響下，絕緣性能和機(jī)械性能將會(huì)發(fā)生變化，容易導(dǎo)致放電故障。如2019年，某變電站GIL交接耐壓時(shí)出現(xiàn)三支柱絕緣子炸裂，主要是受該三支柱絕緣子環(huán)氧絕緣件制造工藝限制。

3.GIL應(yīng)對(duì)地勢(shì)沉降和抗震問題

GIL為剛性輸電線路，在鋼架上、隧道或綜合管廊內(nèi)需整體擺放，對(duì)水平和豎向的精度要求非常高，不均勻沉降必須控制在相當(dāng)小的范圍內(nèi)。一旦GIL設(shè)備基礎(chǔ)發(fā)生沉降或位移，極有可能會(huì)導(dǎo)致GIL設(shè)備損壞，進(jìn)而危害供電的安全性和可靠性。特別是當(dāng)GIL管廊與地鐵、鐵路、公路等距離較近時(shí)，車輛運(yùn)行也會(huì)對(duì)GIL管道產(chǎn)生一定影響。

4.GIL故障周期長(zhǎng)修復(fù)問題

近年來隨著GIL工程的逐漸增多，運(yùn)行故障有所增多。發(fā)生的故障主要有絕緣擊穿（大多是因?yàn)槿е^緣子或盆式絕緣子故障）、漏氣、局部放電、局部過熱、設(shè)備變形等。GIL線路出現(xiàn)故障后，需進(jìn)行故障點(diǎn)查找、故障點(diǎn)修復(fù)或更換局部GIL段、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等工作，修復(fù)周期一般需要10天。如某工程大規(guī)模應(yīng)用GIL以來，故障率明顯增加，2019年故障期間，電力受端負(fù)荷核心區(qū)被迫中斷受電，導(dǎo)致負(fù)荷中心出現(xiàn)大額電力缺口，供電安全受到極大考驗(yàn)，而送端水電則大量棄水，造成能源資源浪費(fèi)。

5.GIL工程造價(jià)問題

與架空線路相比，電纜和GIL的投資較高，需要在工程實(shí)踐中予以解決。隨著電壓等級(jí)的升高，其工程造價(jià)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)則有所下降。對(duì)于500千伏電壓等級(jí)，GIL輸電線路造價(jià)約是架空輸電線路的13倍，當(dāng)電壓升至1000千伏時(shí)，將降至10倍或更低。

三、GIL在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景展望

（一）主要應(yīng)用場(chǎng)景

碳達(dá)峰、碳中和將改變發(fā)電結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)也將隨之發(fā)生根本改變。我國(guó)應(yīng)用GIL輸電技術(shù)已近30年，積累了豐富的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，其大容量、高電流、占地少、抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)、與電網(wǎng)的適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，決定了GIL輸電技術(shù)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。在未來的電力系統(tǒng)中，GIL輸電技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景將主要體現(xiàn)在以下方面。

1.發(fā)達(dá)地區(qū)新建輸電線路或老舊輸電線路改造

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，城市土地資源愈發(fā)珍貴。在城市發(fā)展中心區(qū)域，以及發(fā)達(dá)地區(qū)城鎮(zhèn)用地范圍內(nèi)，架空輸電線路占用大量土地和空間資源，與城市快速發(fā)展和居民對(duì)美好景觀需求的矛盾日益突出，尤其是城市新建架空線路往往存在走廊緊缺、拆遷范圍廣、拆遷工程量及征拆協(xié)調(diào)難度大等突出問題，具有引發(fā)社會(huì)不穩(wěn)定因素的潛在風(fēng)險(xiǎn)。為了適應(yīng)城市現(xiàn)代化發(fā)展和新型城鎮(zhèn)建設(shè)的需要，結(jié)合新區(qū)建設(shè)、舊城改造、道路新（擴(kuò)、改）建，在城市重要地段和管線密集區(qū)采用地下輸電方案，已成為電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)，也將成為GIL在未來替代架空輸電線路的重要方向。

GIL輸電線路

2.大型近岸與深遠(yuǎn)海風(fēng)電的電力輸送

根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的《2020年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》，2020年底風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)分別達(dá)到2.8億千瓦、2.5億千瓦，較2015年呈倍速增長(zhǎng)趨勢(shì)?？紤]我國(guó)2030年風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電將達(dá)到12億千瓦以上的目標(biāo)，新能源在“十四五”及“十五五”期間的發(fā)展依然強(qiáng)勁，尤其是海上風(fēng)電將成為風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)。采用GIL輸電隧道接入海上風(fēng)電，能夠?qū)崿F(xiàn)在集中化、大容量輸送電量的同時(shí)，有效避免海上強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害和鹽霧腐蝕，降低海上風(fēng)電平臺(tái)火災(zāi)事故，減少陸上連接點(diǎn)，降低海岸沿線占地和景觀影響，保護(hù)海岸及海洋環(huán)境。

3.水電站出線線路

我國(guó)首條GIL線路是天生橋水電站GIL線路工程，始于20世紀(jì)90年代初期。其后，拉西瓦、錦屏一級(jí)、溪洛渡及烏東德等水電站陸續(xù)建成投運(yùn)GIL線路工程 ，主要利用GIL的剛性特點(diǎn)，采取垂直豎井與水平廊道相結(jié)合的敷設(shè)方式，解決水電站高落差電力送出問題。隨著我國(guó)大型水電站的開發(fā)建設(shè)，應(yīng)用GIL技術(shù)連接主變壓器和開關(guān)設(shè)備或架空線路，仍將是GIL應(yīng)用的主要方面。

（二）需要進(jìn)一步解決的技術(shù)難題

GIL技術(shù)是一種大容量輸電技術(shù)，20世紀(jì)60年代發(fā)明、70年代投入工程應(yīng)用以來，已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)工程上應(yīng)用，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。未來GIL輸電技術(shù)可在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)電力新建和改擴(kuò)建、大型新能源接入系統(tǒng)、水電站送出等方面發(fā)揮重要作用。同時(shí)，隨著清潔低碳發(fā)展浪潮的推動(dòng)，新一代環(huán)保型GIL將成為其發(fā)展的核心內(nèi)容。另一方面，隨著GIL在高電壓等級(jí)甚至特高壓工程上的應(yīng)用，GIL運(yùn)行安全可靠性要求將越來越高，如何提高氣密性水平和絕緣技術(shù)水平、降低放電故障、抑制過電壓、提高電弧故障定位率等都是當(dāng)前亟需解決的技術(shù)難題。

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注：文中圖片來源于網(wǎng)絡(luò)。