高壓電器技術原理在2006年高壓開關技術信息培訓班上的講座2006.10.17主要內容1概論2開關作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎3開關電器的共同性問題4六氟化硫（SF6）技術5真空開關技術6高壓開關絕緣7相位控制斷路器8智能操作斷路器西安交通大學電氣工程學院1概論

1.1高壓開關行業(yè)的定位開關行業(yè)是電力行業(yè)的主要裝備制造業(yè)之一，也是機電產品工業(yè)之一，是國民經濟的基礎工業(yè)。西安交通大學電氣工程學院1前言

1.2開關電器的定義與用途定義：

開關電器switchingdevice：用作閉合（關合）或者開斷一個或幾個電路電流的器件。機械開關電器：用可分離的觸頭來合、分一個或幾個電路的的開關電器。半導體開關電器：設計用半導體可控導電性來閉合（關合）電路電流的開關電器。

西安交通大學電氣工程學院1前言用途：（1）正常工作狀態(tài)時的分合閘操作（控制用）（2）故障狀態(tài)時的保護操作（保護用）斷路器－互感器－繼電保護負荷開關－熔斷器保護（3）設備的隔離（4）檢修時的接地保護西安交通大學電氣工程學院1前言分類：（1）高壓開關電器種類可分：斷路器、隔離開關、負荷開關、接觸器、重合器、分段器、接地開關和熔斷器（參見各自定義）。從不同電器的定義來看：主要是從功能區(qū)分，然后是結構性能的劃分。

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2.1開關作用

所謂開關作用是指：在具有一定電位的導體電路的一部分上進行導體與絕緣體的相互迅速變換。西安交通大學電氣工程學院2開關作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎

從原理上講，作為具有這種功能的電路元件有：1、可分觸頭2、半導體（控制固體的電子的能級來改變電導率）3、超導（在低溫超導領域的溫度控制）4、真空電子流（電位控制）5、磁放大器（直流勵磁控制）等西安交通大學電氣工程學院2開關作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎

用觸頭分斷電路，只要在起弧極限以上，就必然要產生電弧，只有在電弧熄滅后，電路才能斷開。電弧的高溫、高壓力，給人們帶來很大麻煩，對電器本身也帶來危害。

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由于認識上的局限性，使人們處于“被動地位”。因此當一種新的不產生電弧的開關元件出現(xiàn)時，就會夸大其作用，認為可最終“代替”有觸點設備。對高壓交流斷路器來說，目前還無法取代，而且在（30～50）年內還看不到這一前景。西安交通大學電氣工程學院2開關作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎

2.2開關元件的性能比較有觸點開關元件無觸點開關元件（1）阻抗轉換比1010～1014104～107

（斷開時與導通時的阻抗比）（2）耐電壓程度單斷口可達550kV每個元件只達15kV（3）承受過載能力強弱（4）元件本身的功率損耗小大西安交通大學電氣工程學院2開關作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎

2.3現(xiàn)代交流斷路器的理論基礎

高壓交流斷路器由于它分合的電力系統(tǒng)的電壓、電流在數(shù)值上特別大，要求動作時間短，工作條件又特別復雜，因而在技術上存在很大的困難，在現(xiàn)代電力設備中成為需要最高技術領域的產品之一。西安交通大學電氣工程學院2開關作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎

只有產生電弧，才能利用等離子體的溫度控制來實現(xiàn)導體－－絕緣體的迅速變換，這個觀點就是現(xiàn)代高壓交流斷路器的理論基礎。對斷路器技術的發(fā)展起了積極的作用。認為電弧是“利多弊少”，而“研究電弧主要在于利用電弧”。這是積極、進取和正確的態(tài)度。西安交通大學電氣工程學院2開關作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎

對于斷路器中的等離子體來說，希望具有：⑴電導率的變化范圍應盡可能大：從良導體到完全絕緣體。若真能達到電阻從零變到無限大，這就是“理想電弧”。⑵電導率的變化速度應盡可能快：電導率的變化速度反映在電弧熱時間常數(shù)的大小。西安交通大學電氣工程學院2開關作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎

第一項特性取決于等離子體的介質材料，引進新的電弧介質是技術進步的關鍵，例如SF6氣體、金屬蒸汽的采用。第二項要求也與介質材料有關，但更大程度上受等離子體的溫度控制方法的影響，這也就是滅弧原理的作用?，F(xiàn)代斷路器技術簡單來說是盡可能造成導電性高的電弧、導通大電流，并在短時間內“冷卻”變換成絕緣性能高的氣體間隙。

西安交通大學電氣工程學院3開關電器的共同性問題3.2從運行角度的共同要求⑴電的作用；⑵熱的作用；⑶機械作用；⑷大氣環(huán)境的作用。西安交通大學電氣工程學院4六氟化硫（SF6）技術4.1SF6氣體的優(yōu)良絕緣和滅弧特性與目前使用狀況4.1.1SF6氣體的基本特性：

SF6氣體是一種無色、無嗅、無味、無毒、不可燃、不溶于水的惰性氣體，是目前世界上最不活潑的著名氣體之一。不侵蝕與它接觸的物質。SF6是由六個氟原子以共價鍵的形式和硫原子結合成一個中性分子，分子量大（146.06）、密度也大，比空氣重5倍多。西安交通大學電氣工程學院4六氟化硫（SF6）技術非理想氣體。SF6靠對流和擴散同空氣混合是很緩慢的，在未充分混合前，SF6氣體有向低處積聚的趨向，但一經混合，就不分離。

SF6氣體的液化溫度高，在常溫下稍加高壓力就很容易液化。純凈的SF6氣體熱穩(wěn)定性也好，SF6氣體是很強的電負性氣體。

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SF6氣體的擊穿電壓隨間隙距離和氣體壓力的增加而升高，但并不是線性的，即隨著間距和壓力的增加都會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由于SF6氣體的電氣強度高，通常在（0.5～0.7）MPa下就可得到很高的絕緣性能，現(xiàn)廣泛地被應用為電氣設備的絕緣介質，達到減少間隙尺寸和縮小設備的體積。

西安交通大學電氣工程學院4六氟化硫（SF6）技術4.1.3SF6氣體的熄弧特性與熄弧原理：

（1）SF6氣體具有特異的熱化學性：（2）具有很強的電負性。SF6氣體電弧的熄滅原理與其他斷路器不同，它并不僅依靠氣流的壓力梯度所形成的絕熱膨脹（等熵）冷卻作用，而主要是利用SF6氣體的特異的熱化學性和強電負性，才有特別強的滅弧能力。供給足夠量新鮮的SF6氣體中性分子并使之與電弧接觸是熄滅電弧的有效方法，這也是SF6氣體滅弧的基本原理。西安交通大學電氣工程學院4六氟化硫（SF6）技術4.1.4SF6氣體是電力設備中最佳的滅弧和絕緣用氣體介質：60～70%用于電力設備：⑴氣體絕緣開關設備（GIS）⑵氣體絕緣電纜（GIC－cable）或氣體絕緣輸電線路（GITL）⑶氣體絕緣變壓器（GIT）⑷配電電壓等級的C－GIS。

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對氣體溫室效應，不僅要看到它所起作用的大小，還應看它的潛在作用。目前是以GWP(GlobalWarmingPotential,全球溫暖化趨勢，或稱全球升溫潛能值)值來衡量或評價氣體的溫室效應，有關研究報告指出，SF6氣體在大氣中的壽命最長，為3200年。如以CO2（壽命為100年）的GWP值為1，則SF6氣體的GWP值為23900，是氣體中GWP值最高的氣體，顯然是最嚴重的溫室氣體，其潛在危害也最大。

西安交通大學電氣工程學院4六氟化硫（SF6）技術4.3《京都議定書》規(guī)定了氣體的限制使用

1997年12月10在日本京都會議上提出了決定草案，即《聯(lián)合國氣候變化框架公約京都議定書》，在該議定書的附錄A中，列出了六種溫室效應氣體：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCS）、全氟化碳（PFCS）、六氟化硫（SF6）；并列出了與這些溫室氣體相關的部門類別和相應的產業(yè)，基本能源工業(yè)、制造工業(yè)和建設、六氟化硫的生產和消費等均在被指名之列。

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《京都議定書》規(guī)定2008年至2012年為第一個排放量限制和削減承諾期，在附件B中列出了有關締約方的排放量限制或削減承諾（以1990為基準年，對于六氟化硫等后3種氣體則以1995年為基準年）。歐洲國家的要求呼聲最高，據(jù)說不久將由歐共體共同制定的有關SF6氣體的限制或禁用的法律法規(guī)將出臺。我國已簽署該議定書，也會按這一要求去做，正如對氟利昂的態(tài)度一樣。對SF6氣體的政策如何還不太明確。西安交通大學電氣工程學院4六氟化硫（SF6）技術《京都議定書》對SF6氣體的限制使用應引起我們足夠的重視。減少SF6氣體的使用量這一目的應該是共同的。如何減少SF6氣體的使用直至最好盡量不用，將是我們電氣設備特別是高壓開關設備工作者的不可推卸的責任和義務。西安交通大學電氣工程學院4六氟化硫（SF6）技術4.4高壓開關設備制造業(yè)的對策4.4.1作為絕緣用：（1）尋找替代品：

（2）采用混合氣體，即SF6與N2的混合氣體

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4.4.2作為滅弧介質：對SF6斷路器，混合氣體沒有好處，隨著SF6氣體用量的減少，則開斷性能也相應下降。這與滅弧原理有關。

目前仍無法取代的超高壓斷路器仍可采用SF6斷路器外，應逐步減少SF6斷路器的產量，同時也應盡量少采用罐式SF6斷路器。

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對于斷路器的介質要求，電導率的變化范圍和變化速度都應大或快，真空斷路器是一個較好的發(fā)展方向，目前也是斷路器的主要品種之一，用在40.5kV以下斷路器。污染最小的綠色環(huán)保品。126kV斷路器在高壓斷路器中用量最多。目前主要仍是SF6斷路器。日本已制成126kV真空滅弧室,并合作開發(fā)了斷路器,但仍用少量SF6作滅弧室外殼的絕緣。

西安交通大學電氣工程學院4六氟化硫（SF6）技術我國如能在126kV真空滅弧室和斷路器方面近期內能投入力量并取得突破,以取代126kV的SF6斷路器，則可大量減少SF6在開關行業(yè)的用量,對環(huán)境保護十分有意義。而且也可跟上國際技術發(fā)展的步伐，并為在超高壓等級取代SF6打下扎實基礎。

西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術5.1真空中滅弧原理當觸頭在真空中分斷電路時將產生真空電弧。真空電弧實質上是真空容器內在觸頭材料等的金屬蒸汽中產生的電弧，屬于低氣壓電弧。

西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術真空電弧有兩種基本形態(tài)：（1）擴散型真空電?。寒旊娏餍∮谀骋粩?shù)值時（幾千安），（2）集聚型真空電?。寒旊娏鞔笥谀骋粩?shù)值時。

西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術交流真空電弧的熄滅原理：（1）特點：小電流時始終是擴散型的；大電流時，電流值超過集聚值很多時，則轉變成集聚型后就始終是集聚型的。當電流只在幅值附近時超過，則先轉變成集聚，后又可轉為擴散型。西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術（2）熄弧原理：擴散型，過零后，電極陰陽極對調，新陰極不會產生陰極斑點，而真空中介質強度恢復又特別快，只要間隙（開斷）距離足夠，過零后電弧不會重燃，一次過零熄滅。集聚型，由于陰極和陽極都有較大的熔區(qū)，需要ms級時間才能冷卻，在未冷卻前，電極不斷提供大量金屬蒸汽，過零后，在恢復電壓作用下，不可避免地發(fā)生重燃。不采取相應措施，則集聚型交流真空電弧不能熄弧，即沒有開斷能力。西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術

兩種措施：a.在工頻半波末尾使轉化為擴散型，用橫向磁場吹弧的方式，使陰、陽極斑點快速移動，降低電極表面溫度。b.提高集聚電流值，在開斷范圍內不發(fā)生集聚，通常是加縱磁。西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術（3）開斷小電流時的截流現(xiàn)象：與觸頭材料和電流值有關。西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術5.2真空滅弧室的結構和工作原理

真空滅弧室是真空開關的一個最重要的部件，由絕緣外殼、端蓋、導電桿、波紋管、觸頭、屏蔽罩等部件組成。由絕緣外殼、端蓋和波紋管構成封閉的容器，波紋管的使用才能實現(xiàn)在滅弧室外帶動動觸頭作分合運動。滅弧室在無機械外力作用時，由于自閉力，其動靜觸頭始終保持閉合位置。西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術

觸頭是真空滅弧室內的最為重要的元件，開斷能力和電氣壽命主要由觸頭結構來決定。真空開關的觸頭目前都是對接式的。

西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術5.3真空斷路器的發(fā)展趨勢

由于真空斷路器的品種和結構繁多，但基本原理一樣。也就不詳細講各種類型，只說明幾個發(fā)展趨勢。（1）電壓等級：目前真空斷路器已廣泛用在40.5kV以下的配電電壓等級，今后將向更改電壓等級發(fā)展，首先是72.5kV～126kV。（2）小型化：一方面已采用新的電弧控制技術，在不降低開斷能力的條件下不斷縮小真空滅弧室的尺寸和體積，另一是采用新的復合絕緣技術和澆注技術將真空滅弧室與非絕緣體澆注在一起使體積縮小。西安交通大學電氣工程學院5真空開關技術（3）采用永磁保持式電磁操動機構（4）各種專用真空斷路器：切合電容器：西門子3AH260000次；3AH412000次東芝24kV/1250A/20kA和36kV/1250A/2000A/12.5kA達12萬次選相分合真空斷路器合閘和分閘±0.5ms和±1ms（5）智能型真空斷路器：傳感技術和數(shù)字控制技術的應用。（6）對于超高電壓等級，應首先解決額定電流的提高及滅弧室外殼絕緣的技術難題。

西安交通大學電氣工程學院6高壓開關絕緣6.1絕緣的工作條件6.1.1影響絕緣的因素：（1）電的作用；（2）熱的作用；（3）機械力的作用；（4）大氣條件的作用。西安交通大學電氣工程學院6高壓開關絕緣

內絕緣：處于密封容器或介質中的絕緣和各種絕緣介質，它的電氣絕緣強度由介質的擊穿強度或沿液（氣）體表面的閃絡強度所決定。大氣條件對內絕緣不起作用。

外絕緣：處于大氣中以空氣作為介質的絕緣。它的電氣絕緣強度決定于空氣間隙的擊穿強度或沿空氣中絕緣表面的閃絡強度。大氣條件對外絕緣就起很大作用。西安交通大學電氣工程學院6高壓開關絕緣6.1.2電氣絕緣強度：（1）干放電電壓：沿絕緣介質的干燥和清潔的表面發(fā)生放電（閃絡）的電壓。（2）濕放電電壓：沿被雨淋濕的絕緣介質的表面發(fā)生放電（閃絡）的電壓。（3）擊穿電壓：絕緣介質發(fā)生擊穿的電壓。絕緣擊穿和閃絡的電壓值與所施加的電壓類別有關：直流還是交流；工頻電壓、操作沖擊電壓和雷電沖擊電壓。還有VFTO的沖擊電壓。西安交通大學電氣工程學院6高壓開關絕緣6.2絕緣的部位、材料和結構6.2.1絕緣部位：

開關中的三種不同的絕緣：（1）帶電導體與地之間（對地絕緣）；（2）不同極導體之間（極間絕緣）；（3）斷開位置時同極觸頭之間（開關同極觸頭間的縱絕緣）。西安交通大學電氣工程學院6高壓開關絕緣6.2.2絕緣材料：

（1）氣體；（2）液體；（3）固體；（4）高真空。西安交通大學電氣工程學院6高壓開關絕緣6.2.3絕緣結構：（1）固體絕緣；（2）氣體絕緣；（3）液體絕緣。對于開關柜的絕緣結構，有空氣（大氣）絕緣、氣體（主要是SF6氣體）絕緣，還沒有看到固體絕緣的開關柜。目前有的在宣傳的所謂“固體絕緣開關柜”，只是在空氣和氣體絕緣的開關柜中，較多地采用固體絕緣，而元件與柜體金屬外殼間仍有較多的空氣和氣體絕緣。西安交通大學電氣工程學院6高壓開關絕緣6.3開關部件的絕緣配合和電場計算6.3.1部件的絕緣配合：

在同一絕緣強度要求下，給各部件有不同的裕度（安全系數(shù)）。6.3.2電場計算：用計算機和有限元方法對電場進行計算和分析。西安交通大學電氣工程學院7

相控斷路器（同步開關）

相控斷路器（俗稱同步開關），是指具有分/合閘相位控制的高壓交流斷路器，或具有選（定）相（位）分/合閘功能的高壓交流斷路器。

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相控斷路器（同步開關）

傳統(tǒng)斷路器由于分/合閘信號本身的隨機性和斷路器（包括操動機構）動作的分散性，斷路器觸頭閉合或斷開的相位也是隨機的，可在一個周波360o的任一相位下閉合或斷開，而且通常認為各相位是等概率事件。固有分/合閘時間西安交通大學電氣工程學院7

相控斷路器（同步開關）

選相分/合閘（或稱相位控制）技術的概念在幾十年前就早已經被提出，相控斷路器的結構框圖:

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相控斷路器（同步開關）

從圖可看出，相控斷路器也就是在傳統(tǒng)的斷路器上外加了一個控制器，以便實現(xiàn)對分合閘信號的選相控制。這里要解決兩個問題：（1）控制器的相位控制要正確和可靠；（2）斷路器固有分/合閘時間的分散性應足夠小。

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相控斷路器（同步開關）斷路器在電網中起到重要的控制和保護作用。運行中經常需要進行正常開合的操作，在操作過程中常伴隨著電網中電壓和電流出現(xiàn)的浪涌現(xiàn)象，造成操作過電壓和過電流，嚴重影響電網的安全運行。

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相控斷路器（同步開關）理論分析和實踐證明：操作中出現(xiàn)的暫態(tài)現(xiàn)象不僅與所控制的電路參數(shù)有關，還與斷路器實際分、合閘的相位有關。一般來講，合閘和分閘時發(fā)生的機理不相同，合閘過程中出現(xiàn)的暫態(tài)過程是由于線路中的電磁暫態(tài)振蕩所引起，而開斷時所出現(xiàn)的過電壓則由于弧隙的復燃或重擊穿而產生。

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相控斷路器（同步開關）對于合閘操作，從理論上講，斷路器能選定相位合閘是最好的。對于感性負載（空載變壓器、電抗器）則應在電壓峰值時關合；而對于容性負載（空載長線、電容器組）則應在電壓為零時關合。這樣就可以抑止合閘過程產生的各種涌流和合閘過電壓。

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相控斷路器（同步開關）但由于當時技術水平的限制，斷路器最終控制的正確性和可靠性難以保證，得不到推廣使用。只得采取斷路器斷口并聯(lián)合閘電阻或其他措施來抑止過電壓和涌流。

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相控斷路器（同步開關）隨著技術水平的不斷提高，特別是半導體器件和微機技術的發(fā)展，控制器本身的正確性和可靠性已基本得到解決，相控斷路器在國外已開始實際應用，取得了較好的成果。西安交通大學電氣工程學院7

相控斷路器（同步開關）國內也開始重視這一問題，對相控斷路器的需求也不斷地提出，特別是對空載長線和并聯(lián)電容器組的投切問題。例如，在500kV系統(tǒng)中已有安裝ABB公司的同步合閘裝置CAT和Simens公司的同步裝置。據(jù)報道，云南太朝山500kV系統(tǒng)中就是采用CAT裝置，解決了系統(tǒng)的內過電壓問題。無功補償?shù)男枰?，大量電容器組在系統(tǒng)中被應用，又特別關心電容器組的投切問題。西安交通大學電氣工程學院7

相控斷路器（同步開關）關合電容電流的等值電路圖（圖中假定為集中參數(shù)）

C

U0

L——線路電感，R——電阻，C——電容，U0——電容上的初始電壓,α——合閘瞬間的電源電壓相位角

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相控斷路器（同步開關）可得：式中：。西安交通大學電氣工程學院7

相控斷路器（同步開關）

其最大值：過電壓大小與合閘相位角、電容上的初始電壓和極性有關。在U0＝0時，當α＝90o時，Ucm＝2Um，最大；而當α＝0o時，沒有暫態(tài)，按正弦規(guī)律上升，也就沒有過電壓；偏離0o時，有暫態(tài)，與偏離角大小有關，一般講不發(fā)生過電壓。

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相控斷路器（同步開關）在U0≠0時，同極性時，Ucm＜2Um； 反極性時，Ucm＞2Um。 若U0＝－Um，當α＝90o時，則Ucm＝3Um；而當α＝0o時，有過渡過程，但Ucm不會超過Um；而偏離0o時就會有過電壓，但數(shù)值受到抑止。

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相控斷路器（同步開關）從上面分析中可以看出： 當α＝90o時合閘出現(xiàn)的過電壓最高，有可能達2～3倍。 而當α＝0o時合閘，就不會有過電壓（偏離零度時，會有過電壓，但已受到抑止）。西安交通大學電氣工程學院7

相控斷路器（同步開關）對于不同電壓等級的系統(tǒng)和設備，承受過電壓的能力是不相同的。過電壓的允許倍數(shù)也有不同的規(guī)定和要求。對于110kV以下，通常能承受3倍以下的過電壓，而500kV已要求為2.0，750kV為1.8，1000kV為1.7。對于超高壓斷路器來說，能夠實現(xiàn)相控和同步合閘是很有必要的。

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相控斷路器（同步開關）在配電電壓等級，通常由于合電容器組而產生的過電壓是能夠承受的，同時又由于中壓斷路器原都為三極一個操動機構，三相本身的合閘相位就不同，也無法控制，所以并非急于需要解決合閘過電壓問題。但終究電容器雖能承受頻繁操作所出現(xiàn)的過電壓，卻影響了其使用壽命。因此實現(xiàn)同步合閘也是有好處的。

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相控斷路器（同步開關）配永磁機構的真空斷路器為分極操作提供了可能性，實現(xiàn)相位控制也較為現(xiàn)實，據(jù)報道已經能做到同步投入在±0.5ms以內。

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相控斷路器（同步開關）從目前