陳 曦,王 悠,江天炎,畢茂強
(1.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶 401121;2.國網(wǎng)重慶市電力公司璧山供電分公司,重慶 402760;
3.國網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司,重慶 401336)
Study on the Mechanism of Surface Discharge in Oil Paper InsulationCHEN Xi1,WANG You2,JIANG Tianyan3,BI Maoqiang1
(1.State Grid Chongqing Electric Power Company Electric Power Research Institute,Chongqing 401121,China;
2. State Grid Chongqing Bishan Power Supply Company, Chongqing 402760,China;
3. State Grid Chongqing Nanan Power Supply Company, Chongqing 401336,China)
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油紙絕緣沿面放電及發(fā)展機理
陳曦1,王悠2,江天炎3,畢茂強1
(1.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶401121;2.國網(wǎng)重慶市電力公司璧山供電分公司,重慶402760;
3.國網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司,重慶401336)
Study on the Mechanism of Surface Discharge in Oil Paper InsulationCHEN Xi1,WANG You2,JIANG Tianyan3,BI Maoqiang1
0引言
油紙絕緣作為目前電氣設(shè)備采用的最主要的絕緣方式,其絕緣性能的下降程度是決定變壓器壽命的主要因素。因制造、運輸和運行過程中產(chǎn)生的局部缺陷在運行電壓的作用下加速絕緣系統(tǒng)老化,常常成為變壓器絕緣事故的主要誘因。常見的局部缺陷有由于不完全浸漬、高濕度的紙、油的過飽和,或空腔造成的充氣空腔內(nèi)部放電;金屬尖端之間或尖端對平板電極的油中電暈放電;沖片棱角對絕緣紙的滑閃放電等[1-2]。目前,研究學(xué)者對于局部放電的研究主要集中于電信號的監(jiān)測與提取,以及放電信號處理方法[3-7]。然而,對于液體介質(zhì)特別是工程復(fù)合絕緣介質(zhì)中局部放電物理過程的研究甚少。一是因為液體介質(zhì)中的放電產(chǎn)生發(fā)展過程比氣體放電更為復(fù)雜,放電理論尚不完善;二是已有文獻關(guān)于局部放電發(fā)展機理的描述一般是基于氣隙放電模型[8-12],對于同樣常見的沿面放電和電暈放電的機理的研究卻少有涉及。因此,論文對油紙絕緣沿面放電開展了機理分析和仿真研究。
文獻[13]將氣體中沿面放電發(fā)展的物理過程分為3個階段——起始放電、放電發(fā)展及擊穿。然而,由于環(huán)境條件的不同,研究學(xué)者對于其發(fā)展機理有不同的解釋[13-22]。液體介質(zhì)中的放電過程則更為復(fù)雜,它包括電、熱及機械應(yīng)力在內(nèi)的共同作用[12, 23]。近年來發(fā)展的液體流注理論表明,由于影響因素的不同,液體介質(zhì)中的流注發(fā)展過程和擊穿特性會大不相同。影響的因素包括電極形狀、加壓類型、液體屬性及純度、溫度和流體靜壓力等[23-26]。論文結(jié)合氣體介質(zhì)中的沿面放電理論以及液體流注理論對交流耐壓下的油紙絕緣沿面放電的物理過程進行了分析。文章認為在高純度的油中,局部高場強導(dǎo)致的電子發(fā)射是導(dǎo)致該絕緣系統(tǒng)初始放電形成的主要原因。在沿面放電的發(fā)展過程中,由于電、熱和機械應(yīng)力的作用下,油紙絕緣系統(tǒng)會產(chǎn)生微小的氣泡。在外加電場的作用下,這些微小的氣泡會導(dǎo)致液體中的空間電場發(fā)生畸變。電場畸變造成的能量分布不均勻又會促進更多的氣泡產(chǎn)生,最終導(dǎo)致?lián)舸┑陌l(fā)生。
借助于有限元仿真分析軟件COMSOL Multiphysics,在真實實驗?zāi)P偷幕A(chǔ)上,本文建立了相應(yīng)的仿真物理模型對其電場分布進行了計算,并研究了微小氣泡等環(huán)境因素對于沿面放電發(fā)展過程的影響。仿真結(jié)果表明柱電極與油紙絕緣交界處的三角形區(qū)域的場強遠遠高于該系統(tǒng)其它區(qū)域的場強,約為紙板中間區(qū)域承受場強的3倍。因此該區(qū)域的高場強可能導(dǎo)致初始電子的發(fā)射。此外,仿真結(jié)果還表明微小氣泡的存在對于電場分布有很強的畸變作用,很可能是導(dǎo)致油紙絕緣沿面放電發(fā)展甚至擊穿的主要原因。
1油中沿面放電機理
1.1初始電子的產(chǎn)生
目前,氣體放電過程中初始電子的產(chǎn)生機理已經(jīng)研究得較為清楚,而液體介質(zhì)中的機理研究尚不完善。液體放電中初始電子產(chǎn)生的解釋主要有兩種:一是當(dāng)液體中氣泡含量較大時,由于氣泡介電常數(shù)相對較小,電場導(dǎo)致氣泡和液體的交界面上場強集中發(fā)射出初始電子[23,24];二是與氣體放電理論類似,由于液體系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)所致,局部高場強導(dǎo)致的電子發(fā)射[25,26]。針對高純度的變壓器油紙絕緣系統(tǒng),一般認為第二種理論較為適用。沿面放電模型中高壓電極和油紙絕緣交界處的三角形區(qū)域的場強最高,最容易發(fā)射出初始電子。
1.2氣體中的沿面放電發(fā)展機理
氣體沿面放電發(fā)展過程中,自由電子的傳播可能分為3種方式[13]:① 二次發(fā)射電子崩(SEEA)過程;② 電子撞擊陰極表面引起電子發(fā)射,形成局部電子小瀑布;③ 電子與固體絕緣表面完全彈性碰撞。分別由上至下依次如圖1所示?;赟EEA,初始電子產(chǎn)生以后,在電場的作用下加速對固體絕緣表面進行撞擊,釋放出多個電子并沿著絕緣表面移動。然后部分二次撞擊產(chǎn)生的電子再次撞擊絕緣表面,再次釋放電子。在強電場作用下,循環(huán)往復(fù),最終導(dǎo)致?lián)舸┑陌l(fā)生?;谠摍C理,沿面放電的發(fā)展過程不是瞬時完成的,一般來說適用于解釋微秒級而不是納秒級的沿面放電。
圖1 經(jīng)典理論中沿面放電的發(fā)展路徑
Anderson 和 Brainard通過其研究認為固體絕緣表面吸附的氣體分子對于沿面放電的發(fā)展有重要作用[14]。他們提出基于SEEA理論,電子轟擊固體絕緣表面,釋放出固體絕緣層中吸附的氣體分子,并形成局部極化的氣泡云。在電場的作用下,帶正電荷的氣泡進一步加強空間電場的分布,直至擊穿瞬時發(fā)生。Cross[19]認為由于電子轟擊釋放出的氣體分子形成極性氣體分子小橋,貫穿陰極和陽極,將導(dǎo)致?lián)舸┑陌l(fā)生。
并非所有理論都認為SEEA是沿面放電發(fā)展的決定性因素,Avdienko 和 Malev 就認為在薄的固體絕緣層的情況下,由于局部電流的熱效應(yīng)導(dǎo)致固體絕緣局部熱擊穿,進而降低整體的電阻率(ρ<1 012 Ωcm)[20]。但是,我們可以看到,該理論成立的前提條件是外加電壓脈沖時間不能太長也不能太短。太短則熱效應(yīng)效果不明顯,太長將會直接導(dǎo)致固體絕緣熱擊穿。
Jaitly和Sudarshan[21]等認為沿面放電過程中的等離子體現(xiàn)象和空間電場畸變對于放電的發(fā)展有重要影響。
1.3油紙絕緣沿面放電機理
如同前一節(jié)所述,氣體中的沿面放電機理認為SEEA過程以及釋放出的固體絕緣層中附著的氣體分子是影響放電發(fā)展的主要因素。然而試圖基于該機理解釋液體介質(zhì)中的放電現(xiàn)象時,則出現(xiàn)了兩個問題:一是液體介質(zhì)密度一般較大(一般是氣體的106倍左右),在自由電子的傳播過程中,電子碰撞率很高而平均自由行程很短,極有可能導(dǎo)致碰撞能量不足以導(dǎo)致電子崩的形成。二是液體介質(zhì)中的固體絕緣并未直接跟空氣接觸,其吸附的是何種氣體,并且氣泡如何產(chǎn)生?
借助于近年來發(fā)展起來的流注理論對油紙絕緣沿面放電電子崩的形成過程解釋如下。初始放電在場強集中的區(qū)域產(chǎn)生的焦耳熱會使得油局部汽化,形成局部密度較低的區(qū)域。由于能量遷移的連續(xù)性導(dǎo)致放電通道和裂痕的形成(Fowler-Nordheim 原理及隧道理論)[22]。一方面,當(dāng)局部密度一定程度降低的時候,該區(qū)域的碰撞電離率下降,平均自由行程增加,自由電子在電場加速下獲得的能量較高,從而導(dǎo)致局部電子崩的形成。另一方面,由于密度發(fā)生變化,局部區(qū)域介電常數(shù)降低,使得場強進一步增加,提高電子崩形成的可能性。
在液體中流注發(fā)展的定量計算的研究中,主要有場致液體分子電離和場致離子理解兩種理論。離子離解后的產(chǎn)物為正離子和負離子,由于兩者質(zhì)量都很大,漂移速度慢,從而較難形成流注。而在場致液體分子電離過程中,極高的場強將分子中的自由電子拖離出來,留下正離子。分子電離以后形成的自由電子由于質(zhì)量小,漂移速度快,因此會導(dǎo)致液體中形成明顯的網(wǎng)狀空間電荷密度分布[27]。目前的液體分子電離模型仍然基于Zener的固體介質(zhì)電子隧道理論[28],公式如下:
(1)
但是由于公式中的相關(guān)參數(shù)在變壓器油中的值尚未確定,所以對場致電子發(fā)射的微觀計算還有一定難度。
變壓器油中微氣泡一般有3種來源:①液體介質(zhì)的呼吸作用,主要氣體成分為空氣;②局部電場集中導(dǎo)致的過熱是液體分子汽化;③局部缺陷產(chǎn)生的電動力和熱效應(yīng)導(dǎo)致液體分子斷鍵,形成低碳有機化合物,主要氣體成分為甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等[29-30]。在強場作用下,油與微氣泡交界面上場致電子發(fā)射,電子進一步轟擊固體絕緣層表面,釋放出更多的微氣泡,促使沿面放電發(fā)展直至擊穿。
2油紙絕緣沿面放電物理模型及有限元分析
2.1礦物油
礦物油因具有良好的滅弧、傳熱和氧化安定性等優(yōu)點廣泛用于電力變壓器中,因此礦物油也稱為變壓器油。礦物油由原油精煉而成,是天然碳氫元素組成的烴類化合物。原油中烴類的主要成分是烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴[31]。不同廠家不同型號的變壓器油的屬性參數(shù)有所不同,本文研究以國內(nèi)變壓器使用較廣的25#變壓器油為例,其基本參數(shù)如表1所示(50Hz,60℃)。
表1 變壓器油基本物理參數(shù)
需要說明的是,油中水分和油中溶解氣體含量均是影響變壓器油的老化速度和絕緣性能的重要指標(biāo),運行中的變壓器油在不同的老化階段其溶解水分和氣體的含量差異較大。本文研究對象為不含水分、灰塵和纖維等雜質(zhì)的純凈油,由于氣體會或多或少地溶解于油中,本文在分析機理的過程中,先分析不含氣體的純凈油,然后討論微氣泡對于沿面放電發(fā)展過程的影響。
2.2絕緣紙
絕緣紙/板等是以木漿為原料,經(jīng)未酸化的硫酸鹽浸漬而成,其主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等[32]。在工頻電壓下,20℃時,纖維素的相對介電系數(shù)為6.5。在變壓器的油紙絕緣結(jié)構(gòu)中,絕緣紙的相對介電系數(shù)是指油浸紙復(fù)合體的相對介電系數(shù),它與絕緣紙的吸油率有關(guān)。此外,研究表明油浸絕緣紙的相對介電常數(shù)與溫度、濕度和加壓頻率由密切關(guān)系,本文選取在50Hz,60℃條件下的浸漬紙作為研究對象,其相對介電系數(shù)在2.2~4.0之間,良好浸泡的情況下為3.0左右。電導(dǎo)率約為10-14S·m-1。
2.3沿面放電物理模型
根據(jù)CMII (CIGRE Method II)電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸[33-35],本文建立了沿面放電的仿真柱板模型,如圖2所示:電極是由20mm(直徑)×45mm (厚度)的高壓電極和一塊60mm(直徑)×10mm(厚度)的地電極構(gòu)成,電極材料為黃銅,具有良好的導(dǎo)電性;兩電極之間為絕緣紙板,厚度1mm,直徑80mm。電導(dǎo)率約為10-14S·m-1,相對介電系數(shù)3.0;電極模型浸泡于變壓器油中,變壓器油參數(shù)如表1所示。
圖2 油紙絕緣沿面放電仿真模型
2.4有限元方法求解電場分布
電場求解首先應(yīng)該確定的是求解模型屬于靜電場還是時變電場。通過電荷弛豫時間公式:
(2)
式中:ε是傳播介質(zhì)相對介電常數(shù);σ是介質(zhì)的相對電導(dǎo)率;τ是弛豫時間常數(shù)。計算可知τ的數(shù)量積在1 012~1 014 s之間,對于工頻周期來說τ?t,因此該電場分布求解問題屬于靜電場分布問題。
在靜電場中,電場強度的環(huán)路積分恒等于零,說明靜電場是一個守恒場。不管在常規(guī)中媒質(zhì)如何分布,只要是靜電場都存在這一關(guān)系。這是因為場中有介質(zhì)存在時,可以用極化電荷來考慮其附加作用。極化電荷與自由電荷一樣,都能產(chǎn)生電場。積分形式的靜電場基本方程為
(3)
(4)
通過微分形式的靜電場基本方程,可以推導(dǎo)出同一均勻介質(zhì)中的泊松方程:
(5)
當(dāng)空間無電荷分布,即空間電荷密度ε=0時,導(dǎo)出拉普拉斯方程:
(6)
靜電場能量泛函為
(7)
由于泊松方程為二階非線性偏微分方程,對求解區(qū)間的連續(xù)性要求較高(二階連續(xù)),當(dāng)采用數(shù)值解法時,受剖分密度、邊界條件和邊界點條件的影響,當(dāng)出現(xiàn)奇點時二階函數(shù)不連續(xù),產(chǎn)生的系數(shù)矩陣是病態(tài)矩陣,收斂速度慢甚至不收斂,此時,利用泛函定理,將微分方程轉(zhuǎn)換為求其等效積分形式的極值問題,對偏微分方程進行分步積分,降低變量的階數(shù),從而可以將二階連續(xù)性要求變?yōu)橐浑A連續(xù),求解矩陣便轉(zhuǎn)換為精確的雅可比矩陣,收斂效果較為理想[18]。同時由于弱解形式等價于泛函的變分,得到的剛度矩陣對稱,給求解帶來方便,所以本文基于有限元軟件,利用微分方程的弱解形式對二維物理模型的泊松方程求解。
求解該微分方程還需要設(shè)定邊界條件,邊界條件方程組為
(8)
式中:n2是介質(zhì)2的法向矢量;E1、D1、E2、D2分別是介質(zhì)1和介質(zhì)2的場強及電位移矢量;ρs為面電荷矢量。
3仿真結(jié)果及討論
3.1交流電壓下沿面模型電場分布
由于沿面放電起始電壓并無相應(yīng)的公式計算,大多通過實驗求得。相似結(jié)構(gòu)的沿面放電實驗起始電壓在13~18kV之間[2,35]。本文對仿真模型中高壓電極施加15kV的工頻電壓。其電場分布如圖3所示。
圖3 沿面放電模型等位線分布
從圖3我們可以看到高壓柱電極模型與絕緣板及變壓器油交界區(qū)域場強最為集中。進一步對圖3的黑框區(qū)域做場強計算,結(jié)果如圖4所示。絕緣紙板上表面在交流電壓作用下的場強分布示于圖5。對比以上兩圖我們發(fā)現(xiàn)柱電極與油紙絕緣交界處的三角形區(qū)域場強最高,達27kV/mm,是紙板中部承受場強的3倍左右。因此,在無雜質(zhì)氣泡的理想情況下,高場強將導(dǎo)致該區(qū)域釋放出初始電子。該計算結(jié)果與文獻[36]中實驗結(jié)果有較好的一致性。此外,通過計算不同外施電壓情況下模型最高場強,發(fā)現(xiàn)在無雜質(zhì)的理想條件下沿面模型的最高場強Emax與外加電壓Vapplied為線性關(guān)系,如圖6所示。
圖4 三角形區(qū)域場強分布(單位:kV/mm)
圖5 絕緣紙板電場分布圖
圖6 模型最高場強與外加電壓關(guān)系圖
3.2微氣泡對電場分布的影響
從第一章的分析可知,無論是在液體介質(zhì)還是氣體介質(zhì)中,微氣泡的產(chǎn)生和存在對沿面放電的發(fā)展并導(dǎo)致最后擊穿有著重要影響。
本文以空氣為例,研究了空氣微小氣泡對于局部電場的畸變作用,如圖7所示。因為氣泡的介電常數(shù)小于油的介電常數(shù),依據(jù)電通量守恒,所以氣泡的場強高于其周圍變壓器油的場強。圖3和圖4對比,發(fā)現(xiàn)電場最大值為36.95kV/mm,集中在氣泡的外表面,遠遠高于空氣的擊穿場強為30kV/cm,因此所加場強足以導(dǎo)致空氣隙自持放電,瞬時擊穿。同時釋放出能量極高的自由電子,撞擊油分子或者與其相鄰的氣體分子,進一步促使流注的發(fā)生。此外,通過研究氣泡直徑與模型最高場強的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)氣泡越小,場強越高,如圖8所示。
圖7 微氣泡電場畸變(單位:kV/mm)
圖8 氣泡直徑與最高場強關(guān)系圖
3.3其他影響因素
3.3.1流體靜壓
從上節(jié)分析可知,氣泡的存在對于電場有極強的畸變作用。類似于氣壓與氣體放電的巴申定律曲線,可知液體中的靜壓對液體介質(zhì)中的放電發(fā)展也有類似的關(guān)系。隨著液體靜壓的增大,氣泡直徑一般較小,如圖8所示,其承受場強增加,更容易導(dǎo)致電子發(fā)射;然而液體靜壓的增大也會降低電子崩發(fā)展的距離,從而使得單位體積的自由電子數(shù)量不能達到流注產(chǎn)生所需的108數(shù)量級,流注發(fā)展較為困難,宏觀上表現(xiàn)為流注速度降低。這一結(jié)論與文獻[37]中實驗結(jié)果一致。因此對于沿面放電發(fā)展過程中的氣泡大小,氣體成分與放電發(fā)展特性的關(guān)系還有待研究。
3.3.2雜質(zhì)
由于變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在工程應(yīng)用時,或多或少得會存在如鐵屑、木屑等固體雜質(zhì),當(dāng)這些雜質(zhì)散落在絕緣紙表面時,由于其電導(dǎo)率會遠遠高于油紙絕緣的電導(dǎo)率,在電場的作用下,會更容易形成提供導(dǎo)電通路的雜質(zhì)小橋,加速擊穿的形成。
3.3.3其他因素
在液體流注形成的過程中,會形成網(wǎng)狀空間電荷[33]??臻g電荷將削弱外加電場的影響,計算公式如式(9):
(9)
式中:Ei,induced表示第i個空間電荷層產(chǎn)生的感應(yīng)電場;Eapplied為外加電場;Em為位于第m個空間電荷層外側(cè)的電場強度。
此外,溫度升高不僅會改變絕緣系統(tǒng)的電氣特性而且能夠催化微氣泡的產(chǎn)生,紙板上的毛刺會造成局部場強集中等等,這些都是影響沿面放電發(fā)展的因素。
4結(jié)論
論文基于氣體沿面放電及液體流注理論,對油紙絕緣沿面放電發(fā)展機理進行了研究,建立了仿真物理模型,并對該模型的電場分布進行了計算,還考察了微氣泡產(chǎn)生及其他影響因素對于沿面放電發(fā)展的作用,得出如下結(jié)論:
① 由于其結(jié)構(gòu)特點,油紙絕緣沿面放電模型的高壓電極與油紙絕緣交界面處的三角形區(qū)域場強最高,約為絕緣紙板受到場強的3倍。在高純度的變壓器油中,該區(qū)域的高場強極有可能導(dǎo)致初始電子發(fā)射;
② 在沿面放電的發(fā)展過程中,由于電、熱和機械應(yīng)力的作用下,油紙絕緣系統(tǒng)會產(chǎn)生微小的氣泡。在外加電場的作用下,這些微小的氣泡會導(dǎo)致液體中的空間電場發(fā)生畸變。電場畸變造成的能量分布不均勻又會促進更多的氣泡產(chǎn)生,最終導(dǎo)致?lián)舸┑陌l(fā)生;
③ 氣泡直徑變小會提高油紙絕緣沿面放電模型的最高場強,但是過小的氣泡會降低單位體積的自由電子數(shù)量,從而阻礙流注的發(fā)展。這也說明油中靜壓與其沿面放電發(fā)展有類似氣體中巴申定律曲線的關(guān)系。
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(責(zé)任編輯:林海文)
(1.State Grid Chongqing Electric Power Company Electric Power Research Institute,Chongqing 401121,China;
2. State Grid Chongqing Bishan Power Supply Company, Chongqing 402760,China;
3. State Grid Chongqing Nanan Power Supply Company, Chongqing 401336,China)
摘要:相對于氣體介質(zhì)放電理論,對工程復(fù)合絕緣介質(zhì)放電物理過程的機理研究甚少。論文對交流耐壓下的油紙絕緣沿面放電進行了機理分析和仿真研究。基于氣體中沿面放電和液體中流注理論,論文認為沿面放電缺陷模型中的高壓電極與油紙絕緣交界面處的三角形區(qū)域的高場強將導(dǎo)致初始電子發(fā)射。在沿面放電的發(fā)展過程中,由于電、熱和機械應(yīng)力的作用下,油紙絕緣系統(tǒng)會產(chǎn)生微小的氣泡。在外加電場的作用下,微小氣泡導(dǎo)致的電場畸變以及氣泡中的電子崩可能是導(dǎo)致沿面放電發(fā)展甚至擊穿的主要原因。通過COMSOL有限元分析軟件,建立了基于真實實驗?zāi)P偷姆抡嫖锢砟P?,對其電場分布進行了計算,并研究了微小氣泡等環(huán)境因素對于沿面放電發(fā)展過程的影響。仿真結(jié)果驗證了上述機理分析的正確性。
關(guān)鍵詞:油紙絕緣;沿面放電;機理;物理模型;有限元
Abstract:The researches on mechanism of discharges in composite insulation dielectrics are less mature than that in gases dielectrics. In this paper, the theoretical analysis and simulation study on surface discharge in oil paper insulation under AC voltage is proposed. Based on streamer theory in liquids and surface discharge process in gas, the high field density in tri-angle area of interface between high voltage polar and oil paper insulation in defect model of surface discharge can lead to initial electron emission. During physical process of surface discharge, little air bubble will be produced in oil paper insulation system under electrical, thermal and mechanical stress effects. Influencing by external electric field, electric field distortion caused by little air bubble and the electron avalanche in air bubble are the main reason that lead to the development of surface discharge and breakdown. Then the physical model based on real experiment model is built by using COMSOL finite element analysis software, the electric field distribution is determined, and such environment factors as little air bubble that influence the development process of surface discharge are analyzed. In the end, the correctness of above mechanism analysis is verified by simulation results.
Keywords:oil paper insulation; surface discharge; mechanism; physical model; finite element method
作者簡介:陳曦(1986—),男,博士,工程師,研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化,E-mail:cquchenx@gmail.com。
收稿日期:2014-08-14
文章編號:1007-2322(2015)03-0088-07
文獻標(biāo)志碼:A
中圖分類號:TM211