开关设备和相关的开关设施 |
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| 申请号 | CN201210144261.1 | 申请日 | 2012-05-10 | 公开(公告)号 | CN102779666B | 公开(公告)日 | 2016-01-27 |
| 申请人 | ABB技术有限公司; | 发明人 | 卡洛·博费利; 罗伯托·彭佐; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 开关 设备和相关的开关设施。其中，所述开关设备用于将电 力 线与至少一个相联的电负载连接/断开，所述开关设备包括至少一个相，所述相具有壳体，所述壳体容置与对应的固定触头联接/分离的活动触头。所述相包括具有绝缘 支撑 件的电 半导体 组件，所述绝缘支撑件与彼此 串联 地电连接的多个半导体器件操作性地相联；所述多个半导体器件与所述固定触头和所述活动触头相联且电连接至所述固定触头和所述活动触头，其中，所述组件构造成安装至所述壳体中，从而环绕固定触头和联接至固定触头时的活动触头中的至少一个的至少一部分。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种开关设备(1)，所述开关设备(1)用于将电力线与至少一个相联的电负载连接/断开，所述开关设备(1)包括至少一个相(2)，所述相(2)具有壳体(3)，所述壳体(3)容置能够与对应的固定触头(5)联接/分离的活动触头(4)，其特征在于，所述相(2)包括电半导体组件(50,200)，所述电半导体组件(50,200)具有绝缘支撑件(56,201)，所述绝缘支撑件(56,201)与彼此串联地电连接的多个半导体器件(51)操作性地相联，所述多个半导体器件(51)与所述固定触头(5)相联且电连接至所述固定触头(5)，并且所述多个半导体器件(51)在所述活动触头(4)的运动的一部分期间与所述活动触头(4)相联且电连接至所述活动触头(4)，其中，所述组件(50,200)构造成安装至所述壳体(3)中，从而环绕所述固定触头(5)和联接至所述固定触头(5)时的所述活动触头(4)中的至少一个的至少一部分。 |
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| 说明书全文 | 开关设备和相关的开关设施技术领域[0001] 本发明涉及一种用于将电线与至少一个相联的电负载连接/断开的开关设备，并且涉及一种包括这种开关设备的开关设施。 背景技术[0003] 已知的开关设备包括至少一个相或极杆，其具有活动触头，该活动触头可在第一连接位置和第二分离位置之间移动，所述第一连接位置中所述活动触头与对应的固定触头联接（开关设备闭合），所述第二分离位置中所述活动触头与固定触头分离（开关设备断开）。例如，如果电负载由一组电容器形成，则提供开关设备用于将AC（交流）中压线与所述电容器组操作性地相联。通过断开或闭合所述开关设备，在电力线上添加或移除无功功率。 [0004] 开关设备的每个相与电力线和相联的电负载电连接，使得电流可以通过由联接的固定触头和活动触头提供的主导电路径在电力线和负载之间流动。通过活动触头与对应的固定触头的分离来中断流动的电流，例如在故障情况下。 [0006] 相的全部半导体器件操作性地并联电连接至由联接的活动触头和固定触头提供的主电流路径。所述大量半导体器件取决于这样的事实，即：每个半导体器件不能经受特定界限操作值（对标准器件来说典型地为约1kV）以上的张力值。 [0007] 如已知，通过恰好地使活动触头的运动与流过开关设备的相的交流电流的波形同步，由半导体器件提供的导电路径可以有利地用于流动的电流，从而避免或至少减少开关设备断开操作期间（当电线从负载例如电容器组断开时）电弧的产生，并限制闭合操作期间（当电线联接至负载例如电容器组时）的突入电流和瞬时电压。 [0008] 在目前的技术现状中，尽管已知的解决方案以相当令人满意的方式来执行，仍然存在进一步改进的理由和期望，尤其是涉及半导体器件结构上的布局和它们相对于与其相联的开关设备的其余零件的定位。 发明内容[0009] 这种设备通过下述的开关设备来实现，所述开关设备用于将电力线与至少一个相联的电负载连接/断开，所述开关设备包括至少一个相，所述相具有壳体，所述壳体容置与对应的固定触头联接/分离的活动触头。所述相包括具有绝缘支撑件的电半导体组件，所述绝缘支撑件与彼此串联地电连接的多个半导体器件操作性地相联；所述多个半导体器件与所述固定触头和所述活动触头相联且电连接至所述固定触头和所述活动触头，其中，所述组件构造成安装至所述壳体中，从而环绕固定触头和联接至固定触头时的活动触头中的至少一个的至少一部分。 [0010] 在下面的描述中，将描述根据本发明的开关设备，这种描述通过特别参考所述开关设备将AC中压线与电容器组连接/断开的应用来进行，这种描述不旨在以任何方式限制所述开关设备在更低或更高的操作电压范围中和/或用于不同目的的可能应用。应该指出的是，本说明书中使用的术语“中压”指的是额定电压从1kV直到几十kV例如52kV的电气应用。 [0012] 通过对图示于附图中的示例性但非排它的根据本发明的开关设备的实施方式的描述，进一步的特征和优点将更显而易见，在所述附图中： [0013] -图1是根据本发明的开关设备的立体图； [0014] -图2至4是图1中的开关设备的壳体内部的截面图，图中活动触头占据三个不同位置； [0015] -图5是电半导体组件的第一实施方式的交叉（或截面）图，所述电半导体组件适合于用在根据本发明的开关设备中； [0016] -图6是图5中的组件的分解图； [0017] -图7是图5的组件中使用的印刷电路板的平面图； [0019] -图9示出已被卷起时的图8中的印刷电路板； [0020] -图10和11分别是电半导体组件的第二实施方式的立体图和分解图，所述电半导体组件适合于安装至根据本发明的开关设备的壳体中； [0021] -图12示出流过根据本发明的开关设备的相的交流电流的一段。 具体实施方式[0022] 图1图示了根据本发明的多相开关设备1的示例性实施方式，它适合于将电力线例如AC（交流）中压线与至少一个相联的电负载连接/断开。为了简化起见，在下面的描述中将仅参考开关设备1的一个相2；但应该理解的是，以下内容适用于根据本发明的开关设备1的所有相2。 [0023] 图1中图示的开关设备1包括例如三个相2、或极杆2，其每一个均电连接至电力线的对应相和相联的电负载。根据对开关设备1的具体应用的要求，相2的数目可以不同于图示的数目。 [0024] 每个相2包括可与对应的固定触头5联接/分离的活动触头4（见图2至4）。固定触头5和活动触头4分别电连接至第一端子6和第二端子7，所述端子适合于将相2与相联的电负载和电力线的对应相连接。 [0025] 每个相2包括电半导体组件（或电组件），例如图1至6中示出的根据第一示例性实施方式的组件50，或根据可选择的实施方式的电组件，例如图9至10中示出的组件200。电组件具有电绝缘支撑件，所述电绝缘支撑件与彼此串联电连接的多个半导体器件51操作性地相联。半导体器件51是这样的器件，其适合于阻断在阻断方向上流过其中的电流和传导在允许方向上流过其中的电流。这种半导体器件51的非限制性实例是二极管或闸流晶体管。 [0026] 半导体器件51分别与固定触头5和活动触头4相联和电连接，所述相联和电连接通过电组件的第一连接装置和第二连接装置实现。特别地，全部半导体器件51能够提供流过相2的电流的导电路径；这种导电路径与主导电路径操作性地并联电连接，所述主导电路径通过联接的固定触头和活动触头5、4提供。 [0027] 每个相2包括用于固定触头和活动触头4的壳体3，优选电绝缘壳体3（例如由环氧树脂制成），所述壳体限定了填充有电绝缘气体例如SF6或CO2或N2的密封环境；作为选择，由壳体3限定的密封环境可以是真空环境。 [0028] 壳体3例如是标准壳体，用于已知类型的中压电路断路器的活动触头和固定触头，例如 生产的中压电路断路器HD4的极杆外壳。 [0029] 将所述电组件构造成安装至壳体3中，从而使其环绕固定触头5和活动触头4（当与固定触头5联接时）中的至少一个的至少一部分。例如，图2至4图示了具有安装在其中的组件50的壳体3的内部。 [0030] 根据图2至4中图示的示例性实施方式，活动触头4优选是由驱动装置8（包括例如与传动机构相联的电动机）致动的活塞4（或杆4），以便沿着轴向方向（在图2至4中以所图示的轴线X表示）移动进入壳体3；固定触头5例如被构造为插座元件5（或中空杆5），适合于在其中容纳活塞4的一部分。活动触头4和固定触头5可以具有任意其它适合的形状或构型。 [0031] 活动触头4能够占据至少： [0032] -第一位置，其中所述活动触头4联接至固定触头5（例如，在图4中活动触头4插入固定触头5中）； [0033] -第二位置，其中所述活动触头4在空间上与固定触头5分离（例如，在图2至3中活动触头4从固定触头5的对应中空部移出），并电连接至电组件的第二连接装置(见图3)； [0034] -第三位置，其中所述活动触头4在空间上与固定触头5分离，并与第二连接装置电断开（见图2）。 [0035] 触头4在这三个位置之中的运动有利地与流过相2的交流电流的波形同步，这方面从下面的描述将变得更显而易见。 [0036] 根据本发明的电组件优选构造成环绕至少固定触头5。特别地，所述电组件可以包括安装在其中的固定触头5。 [0037] 所述电组件被构造成允许活动触头4穿过其中以便与固定触头5联接/分离。所述电组件尤其包括适合于容纳固定触头5的孔（见例如图示的组件50的孔55，或图示的组件200的孔550），并且该孔沿着轴线X延伸，以便允许活动触头4穿过其中，从而与固定触头5联接/分离。 [0038] 所述电组件的第二连接装置优选设置在活动触头4穿过的孔的入口处，并构造成在其运动的一部分期间操作性地接触活动触头4。例如活动触头4滑动到第二连接装置上。 [0040] 图1所示的组件50的印刷电路板60通过联接其相对端62、63（界定其纵向延伸部）而卷起，从而呈现基本圆筒形状。导电带61设计成在印刷电路板60卷起时实现螺旋路径，用于安装多个半导体器件51（尤其见图9中卷起的印刷电路板60）。 [0041] 图7是未卷起的印刷电路板60的平面图，其中它的导电带61沿着在印刷电路板60的相对端62、63之间延伸的三个平行的行100、101、102布置。这样限定行100、101、102，使得在卷起印刷电路板60时，行102、101的端部68、681（设置在印刷电路板60的第二端部63处）接触行101、100的对应端部67、671（设置在印刷电路板60的相对的第一端部62处）。 [0042] 孔65尤其限定在端部68、681处，并在印刷电路板60卷起时适合与端部67、671处限定的对应的孔651相匹配。将紧固装置例如导电销（在图示的实例中不可见）插入匹配孔65至67中，从而将印刷电路板60锁定于卷起构型。 [0043] 另外，在印刷电路板60卷起时，行100中的孔64和行102中的孔66（图7中所示）界定了用于安装多个半导体器件51的螺旋路径。所以，孔64和孔66构成电流流过全部半导体器件51的输入/输出点。 [0044] 有利的是，切口600（例如在图7中以虚线示出）可以限定在印刷电路板60上至少在行100至102之间，从而增大螺旋路径的匝之间的电绝缘。 [0045] 图8示出未卷起的图7的印刷电路板60，其中二极管51安装在导电带61上。成系列的二极管51经受开关设备1的操作电压，并且二极管51的数目是这样的，使得每个二极管51经受低于最大额定电压的操作电压（对典型的封装二极管51来说为约1.6kV AC，例如图8中所示的二极管51）。在示例性图示的实施方式中，例如在印刷电路板60上安装了三十三个标准封装二极管51，对于额定电压为约38kV AC的开关设备1的应用，在其操作期间每个封装二极管经受约1kV AC的电压。 [0046] 明显地，行100、101、102的数目和/或安装在其上的二极管51的数目可以不同于图示的数目；例如，对于在低压应用中操作的开关设备1，可以简单地通过从对应的导电带61上移除预定组的二极管51来减少图8中所示的二极管51的数目。 [0048] 根据示例性的实施方式，作为电压限制器件54操作的半导体器件54也安装在印刷电路板60的导电带61上，以便与二极管51并联电连接。为此，如图8的示例性实施方式中所示，使用变阻器54例如Zn氧化物变阻器54。 [0049] 如图5和6的示例性实施方式中所示，组件50的绝缘支撑件包括电绝缘盒56（例如由塑料制成的），所述电绝缘盒56具有基本圆筒形状，其容置图9中所示的卷起的印刷电路板60。居中地和沿着绝缘盒56的整个纵向延伸部也就是从绝缘盒56的上边缘73至下边缘742，限定活动触头4穿过的孔55。 [0050] 将卷起的印刷电路板60设置到承座69中，所述承座69围绕孔55径向限定至绝缘盒56中并在绝缘盒56的上边缘73和下边缘742之间纵向延伸（尤其见图5）。 [0051] 有利的是，其中插入卷起的印刷电路板60的承座69填充有绝缘材料，例如树脂，以改进支撑二极管51的螺旋路径的匝之间的电绝缘，并且增加由印刷电路板60和安装在其上的半导体器件51（如果存在的话还有54）构成的结构的稳定性。 [0052] 所述组件50的第二连接装置被联接至，优选被紧固至，上边缘73，以便设置在活动触头4穿过的孔55的入口处。所述第二连接装置尤其覆盖孔55的入口，并且因此被构造成被从孔55进出的活动触头4贯穿。如图5和6中的示例性实施方式所示，所述第二连接装置尤其包括至少两个导电板74，所述导电板74具有通孔740和两个板74之间的接触环75。 [0053] 所述板74电连接至安装在承座69中的卷起的印刷电路板60上的多个二极管51，并且所述接触环75接触穿过盘74的孔740的活动触头4的滑动表面。所述接触环75尤其适合于以减少的摩擦接触活动触头4。 [0054] 图示的组件50还包括由绝缘材料（例如塑料）制成的盖76，所述盖76联接至优选紧固至绝缘盒56的上边缘73，以便覆盖板74和接触环75。所述盖76具有活动触头4穿过其中的进口77；所述环元件82优选可以联接至进口77的边缘，用于引导活动触头穿向/穿出接触环75（见图5和6）。 [0056] 固定触头5具有中空部12，用于容纳活动触头4（在图2至4所示的示例性实施方式中由活塞4构成）的相应部，并包括在其中空部12的进口处的接触环10。接触环10适合于改进固定触头5和滑动活塞4之间的接触。通过螺钉11使固定触头5紧固至安装基座59。 [0057] 这样将绝缘盒56安装在安装基座59上，使得固定触头5插入孔55中；特别是通过多个螺钉70使绝缘盒56紧固至安装基座59（见图5和6）。 [0058] 所述组件50的第一连接装置包括：螺钉70中的至少一个，该螺钉70电连接至印刷电路板60的全部半导体器件51；以及所述安装基座59，其连接至固定触头5和相2的端子6。组件50优选被构造成允许用于填充壳体3的电绝缘气体穿过（在组件50已经插入壳体3中之后）。组件50尤其包括在承座69内的隔离件（其中一个通过图6中的虚线在示意性地示出，并用附图标记700来表示），其在绝缘盒56的上边缘73和下边缘742之间相对于孔55径向延伸。 [0059] 至少一个排气通道701（例如图6中用虚线示意性地示出的排气通道701）穿过隔离件700中的一个或多个；这样构造组件50，使得从组件50的外部可接近所述至少一个排气通道701。特别地，通过贯通开口78（限定在边缘73上）和贯通开口79（限定在盖76上）在第一端部处可接近每个排气通道701。所述排气通道的第二端部可以操作性地连接至这样的装置，所述装置用于将电绝缘气体注入壳体3中，例如在制造开关设备1期间。 [0060] 现公开根据本发明的开关设备1的操作实例，该公开参考在其相2的壳体3内安装有组件50的开关设备1（如图2至4所图示）进行，对于使用根据本发明的电组件的其它可选择的实施方式（例如图9至10中图示的组件200）的开关设备1，不以任何方式排除这种操作的原理。 [0061] 从图4中所图示的情形（对应闭合的开关设备1）开始，活动触头4插入在固定触头5（其又插入组件50的孔55中）的对应的中空部12中。在正常操作状态下，活动触头4和固定触头5之间的联接，在第一和第二端子6、7之间实现了电流流过相2的主导电路径。在这种情形下，由联接的活动触头4和固定触头5提供的主导电路径使由全部二极管51提供的导电路径短路。 [0062] 当需要开关设备1的断开操作时，例如由于故障或为了使电容器组从与开关设备1相联的电力线断开，通过驱动装置8来致动活动触头4，从而使其与固定触头5在空间上分离（例如，如图2至3示出的示例性实施方式中所示，所述空间分离发生在活动触头4退出固定触头5的对应中空部12时）。 [0063] 校准所述触头4沿着图示的轴线X的运动，使得所述空间分离在流过相2的交流电流波形的第一零交叉点500处开始（见图12），或者在所述第一零交叉点500之后短时间（例如1或2ms（毫秒））开始。紧接在第一零交叉点500之后，电流方向允许这种电流的通过全部二极管51的传导。 [0064] 因此，在固定触头和活动触头5、4之间的空间分离处，流过相2的电流开始流过由全部二极管51提供的导电路径。以这种方式避免或至少基本上减少了固定触头5和活动触头4之间电弧的产生。 [0065] 在从固定触头5空间分离之后，活动触头4继续其沿着轴线X的运动，滑动到设置在孔55的入口处的接触环75上，并到达图3中示出的情形。在这个位置，活动触头4的端部仍然与接触环75机械接触。因此，在活动触头4从图4所示的位置向图3所示的位置滑动期间，活动触头4通过接触环75和导电板74与全部二极管51电连接，从而允许电流流过相2。 [0066] 随后，活动触头4继续沿着轴线X滑动，并在空间上与接触环75分离，直至其到达图2中所示的其最终位置，其中结束了开关设备1的断开操作。 [0067] 校准触头4的运动，使得活动触头4的端部与接触环75之间的空间分离发生在交流电流波形的第二零交叉点501处，或者在所述第二零交叉点501之后短时间（例如1或2ms）发生。如图12所示，第二零交叉点501与第一零交叉点500在时间上是相继的；紧接在第二零交叉点501之后，电流方向阻断这种电流的通过全部二极管51的传导。 [0068] 以这种方式，避免或至少基本上减少了组件50的第二连接装置74、75和从所述第二连接装置分离的活动触头4之间电弧的产生。 [0069] 开关设备1的闭合操作是相反的过程，从图2所示的情形开始，其中没有电流可以流过相2。 [0070] 当需要闭合开关设备1时，驱动装置8导致活动触头4沿着轴线X朝着固定触头5滑动。校准触头4的运动，使得活动触头4的端部在所述第一零交叉点500之前短时间（例如1或2ms）开始与接触环75机械接触（见图3）。以这种方式，避免或至少基本上减少了活动触头4和接触环75之间电弧的产生。 [0071] 紧接在第一零交叉点500之后，电流开始流过全部二极管51，所述二极管51起到限制相线和与相2相联的电负载之间产生的突入电流和瞬时电压的作用。 [0072] 特别地，根据这种开关设备1的第一示例性应用，当与开关设备1相联的电负载是电容器组时，产生所述突入电流和瞬时电压，所述电容器组用于将无功功率添加至与开关设备1相联的电力线/从与开关设备1相联的电力线移除无功功率。 [0073] 随后，活动触头4贯穿到绝缘盒56的孔55中，直至进入到固定触头5的对应的中空部12中（见图4）。校准活动触头4的运动，使得与固定触头5的机械接触在电流波形的第二零交叉点501之前短时间（例如1或2ms）开始。以这种方式，因为电流流过全部二极管51，在活动触头4和固定触头5之间没有电弧产生。 [0074] 由活动触头4与固定触头5的联接提供的重新建立的主导电路径使由全部二极管51提供的导电路径短路。 [0075] 所公开的开关设备1的断开和闭合操作可以在将开关设备1构想为混合式电路断路器的第二示例性应用中执行，所述断路器由于电气故障而断开电流。在这种情况下，必须在组件50中提供强流二极管。 [0076] 根据未在图中图示的可选择的示例性实施方式，开关设备1中所述组件的绝缘支撑件可以包括绝缘材料块，例如浇铸树脂，在其中至少嵌入具有电连接的半导体器件51（优选二极管51），所述电连接用于将所述半导体器件51彼此串联电连接。所述绝缘块中还可以嵌入与半导体器件51并联电连接的变阻器54。 [0077] 所述绝缘块适合于安装至开关设备1的相2的相应壳体3中，优选地从而完全环绕固定触头5。例如，所述绝缘块具有基本圆筒形状，具有沿着其纵向延伸部限定的中心孔；所述中心孔适合于容纳活动触头4，所述活动触头4用于与插入所述中心孔中的固定触头5联接/分离。 [0078] 如果所述绝缘块被浇铸为单块，优选将半导体器件51嵌入电组件的绝缘块中，以便使其沿着围绕绝缘块本身的中心孔延伸的螺旋路径布置到壳体3中。 [0079] 根据另一示例性实施方式，根据本发明的开关设备1的电组件可以具有模块结构，其中用于这种组件的半导体器件51的绝缘支撑件包括至少互相联接的第一模块构件和第二模块构件。所述第一模块构件和所述第二模块构件分别支撑第一组和第二组半导体器件51，其中在第一模块构件和第二模块构件之间插置有链接装置，用于串联地将第一组和第二组半导体器件51彼此电连接。 [0080] 例如，上述的绝缘块可以实现为树脂盘部堆叠体，每个盘部具有至少一组嵌入其中的半导体器件51，其中在相邻的盘部之间提供电连接装置。 [0081] 如在图10至11中所示的可选择的示例性实施方式中所示，组件200实现为通过交替方式联接安装盘201和覆盖盘202而组成的堆叠体，其中每个所述安装盘201由绝缘材料例如塑料制成，并支撑一组半导体器件51，并且在需要的情况下，支撑一组相应变阻器54，而所述覆盖盘202由绝缘材料例如塑料制成，并适合于覆盖每个安装盘201的前侧和后侧。 [0082] 所述组装的堆叠体200适合于安装至开关设备1的相2的每个壳体3中，从而优选地完全环绕固定触头5；如图11的示例性实施方式所示，安装盘和遮盖盘201、201具有在联接安装盘和覆盖盘201、201时互相匹配的中心孔203，从而形成沿着组件200的纵向延伸部的中心孔550。 [0083] 中心孔550适合于容纳与插入孔550中的固定触头5联接/分离的活动触头4。 [0084] 每个安装盘201包括围绕其孔203限定的承座205，在其内部设置了其上安装有半导体器件51（如果存在的话，还有变阻器54）的印刷电路板。连接装置例如导电销207穿过覆盖盘202，从而将设置在不同安装盘201上的半导体器件51组彼此串联电连接，并且为组件200和开关设备1的其它零件提供连接装置。 [0085] 开口206限定在遮盖盘202中，以使填充壳体3的气体穿过其中。 [0086] 根据两个公开的示例性实施方式，由于根据开关设备1的具体应用的额定电压而可以添加或移除一个或多个模块构件（例如绝缘块的盘部，或组件200的安装盘201），所述电组件的模块结构保证了开关设备1特定的多功能性。 [0087] 在实践中，已经看到，相对于已知的解决方案，根据本发明的开关设备1如何允许提供一些改进。 [0088] 特别地，根据本发明的电组件（例如图示的组件50或图示的组件200）允许将大量半导体器件51（和变阻器54，如果存在的话）插入相2的壳体3提供的限定的容积中，从而保持半导体器件51之间适当的距离和绝缘，并保证施加在全部半导体系列上的全部电压在每个半导体器件51上的均匀分配。特别适合于所述目的的是，半导体器件51沿着螺旋路径布置，如具有卷起的印刷电路板60的组件50中。 [0089] 另外，将根据本发明的开关设备1的电组件50/200构造成插入标准极杆外壳3中，所述外壳3用于已知类型的中压电路断路器的活动触头和固定触头。因此，所述开关设备1的尺寸和电力连接是标准中压电路断路器的尺寸和电力连接；以这种方式，所述开关设备1容易地安装在用于中压配电的标准柜中。 [0090] 而且，所有零件/部件可以用其它技术上等效的元件来替换；在实践中，材料的类型、和尺寸根据需要和技术现状而可以是任意的。例如，代替标准封装二极管51的使用，可以使用不同类型的二极管，例如安装在开关设备1的电组件中提供的适合支撑件上的卷边或螺钉固定的二极管；所述电组件可以以不同数目的零件来实现，和/或所述零件可以不同地成形，和/或不同地定位，和/或不同地联接。还可以执行前述实施方式的任意组合。 |
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