20kV配電網(wǎng)應(yīng)用及中性點(diǎn)接地方式研究

尹文琴

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20kV配電網(wǎng)應(yīng)用及中性點(diǎn)接地方式研究

尹文琴

（廣東省電力工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州 510640）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，采用20kV配電網(wǎng)相比10kV電壓等級(jí)配電具有越來(lái)越多的優(yōu)越性，如提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性能，降低電網(wǎng)的投資等。而在20kV配電網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)、升壓、改造時(shí)，中性點(diǎn)接地方式成為關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一，對(duì)設(shè)備選型、系統(tǒng)運(yùn)行及繼電保護(hù)等具有重大的影響。本文首先對(duì)采用20kV電壓等級(jí)的優(yōu)勢(shì)與10kV、35kV進(jìn)行了比較，然后分析和探討了20kV配電網(wǎng)的中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地、小電阻接地和靈活接地方式等問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的建議，最后總結(jié)了國(guó)內(nèi)外20kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地式的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，以期為將來(lái)20kV配電網(wǎng)的廣泛使用提供技術(shù)參考。

20kV；配電網(wǎng)；中性點(diǎn)接地方式；靈活接地方式

配電網(wǎng)是指從電源側(cè)（輸電網(wǎng)、發(fā)電設(shè)施、分布式電源等）接受電能，并通過(guò)配電設(shè)施分配給各類(lèi)用戶(hù)的電力網(wǎng)絡(luò)。曾經(jīng)，我國(guó)中壓配電網(wǎng)的電壓等級(jí)較多，如3kV、6kV、10kV、20kV、35kV等，直到上世紀(jì)末期考慮到供電容量、用電需求和簡(jiǎn)化電網(wǎng)等級(jí)[1]（上、下級(jí)的電壓等級(jí)倍數(shù)約為3倍），慢慢淘汰了3kV和6kV的電壓等級(jí)，保留了10kV（舍去2倍的20kV），逐步將中壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)統(tǒng)一為10kV和35kV。

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，省會(huì)城市、直轄市等A+區(qū)域要求用戶(hù)年平均停電時(shí)間不高于5min（即≥99.999%），負(fù)荷密度達(dá)到30MW/km2以上（遠(yuǎn)期將達(dá)50MW/km2）[2]，且農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷也日益升高。文獻(xiàn)[3]指出原有10kV配電網(wǎng)顯現(xiàn)出供電容量不足、供電半徑不夠、占用通道過(guò)多等諸多局限，探討了配電網(wǎng)面臨的新形勢(shì)及其發(fā)展思路。文獻(xiàn)[4-5]進(jìn)行了20kV配電系統(tǒng)的探索與實(shí)踐，研究了現(xiàn)實(shí)建設(shè)中存在的問(wèn)題，如35kV與10kV兩級(jí)電壓供電面積重疊多[6]、網(wǎng)損大等。事物是螺旋式逐漸發(fā)展的，由于繼電保護(hù)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得采用20kV配電網(wǎng)重新具有非常大的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)，在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行升壓、改造時(shí)，系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式成為關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題之一，對(duì)設(shè)備選型、系統(tǒng)運(yùn)行、繼電保護(hù)、供電可靠性等具有重大的影響。文獻(xiàn)[7]研究了分布式電源并網(wǎng)后，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的故障特性與系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式的關(guān)系，這對(duì)于20kV在智能電網(wǎng)中的發(fā)展具有非常重要的參考價(jià)值。因此，研究和探討相關(guān)20kV配電技術(shù)非常值得關(guān)注，如配電設(shè)備選型、系統(tǒng)運(yùn)行、繼電保護(hù)、供電可靠性等。

1 20kV配電網(wǎng)的優(yōu)越性

1.1 從供電側(cè)角度分析

采用20kV配電網(wǎng)后，對(duì)于省會(huì)城市、直轄市等其主要的電壓等級(jí)序列可以是220/110/20/0.38kV，或者220/20/0.38kV等，從理論上說(shuō)，具體的優(yōu)勢(shì)見(jiàn)表1。

表1 理論分析條件下20kV和10kV的對(duì)比

說(shuō)明：式中N、N、D、、、、、、、、J分別為額定電壓、額定電流、電壓損耗、線路始端的有功功率和無(wú)功功率、線路電阻與電抗，線路長(zhǎng)度、單位長(zhǎng)度電阻和電抗、經(jīng)濟(jì)電流密度。

從設(shè)備費(fèi)用上說(shuō)，20kV的設(shè)備費(fèi)用（電纜、變壓器、環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)等）總體比10kV的高10%～20%，設(shè)備尺寸稍微增大[8]，其主要原因是由于10kV和20kV都屬于中壓，兩者技術(shù)要求并無(wú)太大差異，國(guó)內(nèi)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)和工藝制造方面沒(méi)有難度，只是隨著電壓等級(jí)提高，對(duì)電器絕緣水平的要求逐漸加強(qiáng)，一旦具備大規(guī)模批量生產(chǎn)的條件，相信制造成本就會(huì)下降。

從運(yùn)行費(fèi)用上說(shuō)，若新建時(shí)采用20kV直接配電，則由于擴(kuò)大了供電半徑，因而相比10kV配電網(wǎng)可減少變電站數(shù)量和投資；若將10kV配電網(wǎng)改造成20kV電壓等級(jí)[9]，可以在原有電纜、變壓器等設(shè)備、10kV線路走廊基礎(chǔ)上稍加改造，不僅能夠?yàn)榇罂蛻?hù)提供更加靈活和經(jīng)濟(jì)的電纜接入方式，而且還可實(shí)現(xiàn)全架空線路20kV工程，且采用過(guò)渡形式可以解決10kV與20kV的聯(lián)絡(luò)問(wèn)題。

既然20kV相比10kV有很大的優(yōu)越性，那么與35kV對(duì)比如何呢？在負(fù)荷密度大時(shí)，若采用35kV直接配電，則受容量限制，將會(huì)大量增加電纜線路，消耗大量金屬，且導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電容電流大量增加，若采用架空線，則受電磁環(huán)境及安全距離要求的限制，因此從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，全部改造成35kV直接配電，不僅設(shè)備尺寸、造價(jià)、占用通道等投資過(guò)大，而且也無(wú)法利用原有10kV的設(shè)備和線路走廊，受到低壓設(shè)備熱穩(wěn)定和短路容量的限制。綜合來(lái)看，20kV電壓等級(jí)既提高和擴(kuò)大了10kV配電網(wǎng)的功能，又簡(jiǎn)化了35kV中間可以忽略的變壓層次，把升壓擴(kuò)容、降損節(jié)資與簡(jiǎn)化電壓等級(jí)等融合在一起，優(yōu)勢(shì)明顯。

1.2 從用電側(cè)角度分析

1）電價(jià)電費(fèi)因素

一般20～35kV電壓等級(jí)的售電價(jià)是參考1～10kV和35～110kV電壓等級(jí)售電價(jià)的平均值來(lái)確定的。鑒于政策扶持，在負(fù)荷密度較大地區(qū)，采用20kV比采用10kV可以節(jié)省電費(fèi)開(kāi)支，若是用電量大的用戶(hù)，則節(jié)省的資金可觀。

2）土地資源因素

20kV配電站與35kV配電站相比，可以有效節(jié)約站內(nèi)用地。據(jù)文獻(xiàn)[10]統(tǒng)計(jì)，平均每座20kV配電站是35kV變電站占地的1/10，再加上線路布點(diǎn)的密度和線路走廊的空間，節(jié)約了土地資源，而運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用與10kV相比并未顯著提高。

因此，20kV電壓等級(jí)不僅降低了供電側(cè)的運(yùn)行成本，還降低了用電側(cè)的使用成本，鑒于此，國(guó)內(nèi)的20kV配電網(wǎng)的新建和改造已處于試驗(yàn)和實(shí)施階段，如江蘇、昆明、遼寧、廣東等陸續(xù)研究和試 點(diǎn)[1]。文獻(xiàn)[5]指出1948年美國(guó)部分采用了20.8～24.9kV電壓；1960年前德國(guó)先將配電電壓改造成10kV等級(jí)，但隨之將6kV、10kV、15kV改為20kV。文獻(xiàn)[11]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外配電網(wǎng)中壓配電電壓的應(yīng)用實(shí)踐，指出80%歐洲國(guó)家如意大利、奧地利、波蘭等中壓配電網(wǎng)采用20～25kV；俄羅斯僅保留少數(shù)的10kV、大部分改造成20kV配電電壓；60%的亞洲國(guó)家和地區(qū)如新加坡、韓國(guó)、泰國(guó)等也陸續(xù)采用20～23kV作為中壓配電電壓等級(jí)。先進(jìn)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越朝著變電層次減少、多方向互聯(lián)環(huán)網(wǎng)、高供電可靠性等方向發(fā)展。

2 20kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式選擇的分析

中性點(diǎn)接地方式與配電設(shè)備的選擇（絕緣水平）及其投資經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行安全性、供電可靠性、繼保靈敏度等密切相關(guān)[12-13]，因而必須對(duì)其重點(diǎn)關(guān)注，主要存在以下幾種中性點(diǎn)接地方式。

2.1 中性點(diǎn)不接地方式

結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的是中性點(diǎn)不接地方式，不需要接地電阻等裝置，投資較少，單相接地故障時(shí)，由于線電壓不變，用戶(hù)可繼續(xù)工作，保護(hù)只告警不跳閘，提高了供電可靠性，且不具備零序電流流通途徑，對(duì)周?chē)耐ㄐ鸥蓴_??；但為了防止因接地點(diǎn)電弧和過(guò)電壓而發(fā)展成多相接地故障，繼續(xù)運(yùn)行不得超過(guò)2h，因非故障相電壓升高為線電壓，有可能產(chǎn)生的工頻過(guò)電壓幅值約為3.5p.u.，容易產(chǎn)生鐵磁諧振，常常引起電壓互感器的燒毀、爆炸等，且對(duì)設(shè)備的絕緣水平要求高，會(huì)增加設(shè)備絕緣方面的投資。此接地方式中，主要考慮對(duì)地電容電流的大?。ň€路不長(zhǎng)或電纜較少時(shí)，電流較小，缺少電弧持續(xù)條件），因此，中性點(diǎn)不接地方式目前多數(shù)用在電容電流小于10A的架空配電網(wǎng)。

20kV配電網(wǎng)采用不接地方式有以下建議：

1）要考慮在選擇設(shè)備時(shí)，所有設(shè)備的操作過(guò)電壓絕緣耐受水平應(yīng)大于相電壓幅值的3.5倍，并匹配一定的裕度。

2）需要考慮鐵磁諧振的危害，可以在電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)串抗諧振非線性電阻，避免電磁式互感器飽和，引發(fā)鐵磁諧振危害整個(gè)配電網(wǎng)，或者采用勵(lì)磁性能較好的電壓互感器等。

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式

采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，是指發(fā)生故障時(shí)輸出電感電流去補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流，使接地故障點(diǎn)電流減小，促使電弧在電流過(guò)零后自動(dòng)熄滅，降低故障變得更嚴(yán)重，且斷路器不立即跳閘可提高供電可靠性；但需要增加消弧線圈的投資（隨需要補(bǔ)償?shù)碾娙蓦娏髟龃蠖顿Y增大），且如何監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電容電流、實(shí)現(xiàn)消弧線圈的自動(dòng)補(bǔ)償也是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題；發(fā)生故障時(shí)，若諧波分量嚴(yán)重，則僅補(bǔ)償工頻分量的消弧線圈并不能完全消除接地電??；故障選線很難完全正確，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)及裝置難以發(fā)揮作用；單相接地故障時(shí)產(chǎn)生工頻過(guò)電壓幅值可達(dá)3.2p.u.。因此，此接地方式主要適用于電容電流較大、架空和電纜混合的絕大多數(shù)城市配電網(wǎng)。

若20kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用經(jīng)消弧線圈接地方式，則有以下建議：

1）依然存在絕緣配合要求、鐵磁諧振問(wèn)題。

2）消弧線圈的熄弧能力和繼電保護(hù)裝置的整定策略、選線能力、故障定位尤為重要，如采用復(fù)序電流法[14]進(jìn)行故障定位等。

3）當(dāng)變壓器無(wú)中性點(diǎn)或中性點(diǎn)未引出時(shí)，應(yīng)裝設(shè)與消弧線圈容量相配合的專(zhuān)用接地變壓器，還需要盡量避免在電網(wǎng)中只裝一臺(tái)消弧線圈或?qū)⒍嗯_(tái)消弧線圈集中安裝于一處。

2.3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式是當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)中性點(diǎn)的小電阻產(chǎn)生明顯的電流信號(hào)，接地線路中會(huì)流過(guò)較大的電流，繼保裝置立即使斷路器跳閘，將故障點(diǎn)切除，可有效地降低過(guò)電壓，但缺點(diǎn)是不管故障類(lèi)型斷路器均跳閘，供電可靠性都會(huì)降低。因此，此接地方式主要適用于大型配電網(wǎng)（電容電流巨大、難以補(bǔ)償電流而滅?。蛴扇娎|組成的城市配電網(wǎng)（①電纜線路電容電流大；②電纜線路基本不會(huì)發(fā)生瞬時(shí)性故障）；此外，若配電網(wǎng)已經(jīng)成型，其設(shè)備不滿足消弧線圈方式下的絕緣要求，也則可采用小電阻接地方式。

若20kV配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，對(duì)于低壓側(cè)為20kV的主變來(lái)說(shuō)，其二次側(cè)繞組多為△接法（無(wú)中性點(diǎn)），則需要接地變壓器制造中性點(diǎn)。接地變一般采取Z形接線（降低零序阻抗），可帶合適的負(fù)荷取代站用變（一般不推薦帶），有以下建議：

1）保證供電可靠性。首先要求對(duì)重要用戶(hù)應(yīng)該具有轉(zhuǎn)供電能力，如在高負(fù)荷密度和高供電可靠性需求的區(qū)域，建設(shè)20kV“花瓣型”配電網(wǎng)，并合環(huán)運(yùn)行（此接線模式參考新加坡電網(wǎng)），正常運(yùn)行方式下具有兩路電源供電，全部用戶(hù)滿足“-1”要求，重要用戶(hù)可滿足“-2”要求。

3）當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，會(huì)有較大的接地電流，容易產(chǎn)生較高的接觸電壓和跨步電壓，威脅設(shè)備和人身安全，干擾周?chē)ㄐ啪€路，且接地變壓器和接地電阻等一次設(shè)備也受到熱穩(wěn)定性的限制，這些都是需要考慮的問(wèn)題。

2.4 中性點(diǎn)靈活接地方式

從以上分析可以得出，單一的接地方式既有優(yōu)點(diǎn)，也存在明顯缺點(diǎn)。在配電網(wǎng)復(fù)雜化、智能化的當(dāng)今，性能需要更加完善，一種新的中性點(diǎn)接地方式應(yīng)運(yùn)而生，即中性點(diǎn)靈活接地方式，它采用靈活、智能切換接地的成套裝置，基本原則是對(duì)電網(wǎng)中的電壓、電容電流值或其他量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并判斷和根據(jù)故障類(lèi)型，由控制裝置來(lái)自動(dòng)切換接地方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)采用消弧線圈接地方式，發(fā)生永久故障時(shí)切換為小電阻接地方式，改進(jìn)了消弧線圈接地方式難以準(zhǔn)確選線和隔離故障的難題，也改善了小電阻接地方式供電可靠性過(guò)低的缺點(diǎn)。

一般組成部分有：接地變壓器、中性點(diǎn)電壓（電流）互感器、消弧線圈、就地控制柜、高壓接觸器、可控小電阻、控制器等。其中一種基本接線如圖1所示。其中控制裝置是核心，需保證系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)測(cè)量、消弧線圈的補(bǔ)償、小電阻的投切及跳閘命令可靠完成。正常運(yùn)行時(shí)，消弧線圈投入，發(fā)生故障時(shí)，消弧線圈即時(shí)補(bǔ)償致電弧熄滅、接地故障自動(dòng)消失，在不消失而持續(xù)超過(guò)整定時(shí)間后，可對(duì)控制裝置改變接地方式，投入小電阻、增大接地電流，繼電保護(hù)動(dòng)作，切除故障后，經(jīng)整定延時(shí)可將小電阻退出運(yùn)行。

圖1 中性點(diǎn)靈活接地方式一次接線圖

20kV配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)靈活接地方式時(shí)，會(huì)帶來(lái)控制、切換裝置成本高、控制復(fù)雜的問(wèn)題，如何優(yōu)化模擬量的采集（如提高采樣頻率）、電容電流的監(jiān)測(cè)（受多種因素的影響）以及消弧線圈的投入（如自動(dòng)投入相應(yīng)容量），實(shí)現(xiàn)接地模式的合理選擇及投切（如投切時(shí)刻的選擇），防止控制裝置誤操作（單一零序電壓判據(jù)等失效），提高可靠性（高阻接地故障、瞬時(shí)性故障頻發(fā)會(huì)降低）等均是需要考慮的問(wèn)題。

3 國(guó)內(nèi)外20kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外選擇現(xiàn)狀

不同國(guó)家的配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式有不同要求，主要根據(jù)各國(guó)配電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)條件、歷史原因等形成，有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。

1）對(duì)于電力科技先進(jìn)發(fā)達(dá)、電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富的系統(tǒng)（如德國(guó)），不僅城市配電網(wǎng)全部采用了經(jīng)消弧線圈接地方式，甚至在電纜長(zhǎng)度為1600km，電容電流為4000A時(shí)依然采用諧振接地方式。

2）對(duì)于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)好、供電可靠性高的系統(tǒng)（如美國(guó)），由于自動(dòng)化水平高、繼電保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)成型、設(shè)備絕緣水平設(shè)計(jì)較低，所以采用經(jīng)小電阻接地 方式。

3）出于本系統(tǒng)的安全供電和電能質(zhì)量的要求，本已采用小電阻接地方式的法國(guó)，向消弧線圈接地的方式發(fā)展，兩種方式并存將持續(xù)一定時(shí)期，類(lèi)似并存的還有英國(guó)、日本等。

4）亞洲國(guó)家如新加坡的配電網(wǎng)向來(lái)以高供電可靠性而聞名，其20kV花瓣型配電網(wǎng)中性點(diǎn)選擇小電阻接地，接地電阻為6.5W。

3.2 國(guó)內(nèi)選擇現(xiàn)狀

率先采用20kV作為配電電壓的是蘇州工業(yè)園區(qū)，中性點(diǎn)接地方式采取經(jīng)7.7W小電阻接地。2008年浙江省開(kāi)始正式推廣20kV，建議10kV升壓改造的20kV配電網(wǎng)均宜選擇中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，對(duì)于城市新建的20kV配電網(wǎng)，可以考慮中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。遼寧本溪的南芬由于是負(fù)荷小、密度低、供電半徑大的農(nóng)村地區(qū)，采用全架空線路，中性點(diǎn)接地方式，選擇經(jīng)消弧線圈接地。大連長(zhǎng)興島中性點(diǎn)采用中值電阻23W接地[15]。廣州知識(shí)城采用20kV花瓣型接線模式[16]，從保護(hù)靈敏度和人身安全出發(fā)，選擇中性點(diǎn)經(jīng)5W小電阻接地。但不管怎樣選擇，20kV配電網(wǎng)具體到某個(gè)變電所或間隔，均還是以選擇單一接地方式為主。

4 結(jié)論

本文探討了20kV配電網(wǎng)的優(yōu)越性，分析對(duì)比了多種中性點(diǎn)接地方式的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用于20kV配電網(wǎng)需要考慮的技術(shù)問(wèn)題，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外20kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的現(xiàn)狀及趨勢(shì)，得出以下結(jié)論：

1）20kV配電網(wǎng)相比10kV有諸多優(yōu)越性，且改造原有的10kV配電網(wǎng)是可行的，是我國(guó)中壓配電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2）20kV配電網(wǎng)中，每種中性點(diǎn)接地方式均有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，配電網(wǎng)采用何種接地方式，不同國(guó)家、不同系統(tǒng)有不同方式，目前還沒(méi)有完全形成共識(shí)。

3）20kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷需求、技術(shù)條件等密切相關(guān)，其關(guān)系到繼電保護(hù)、設(shè)備選型、供電安全等系列問(wèn)題。鑒于電纜的廣泛應(yīng)用，中性點(diǎn)運(yùn)行方式已逐步趨向于經(jīng)小電阻接地或靈活接地方式。

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Application of 20kV distribution network and study on the selection of neutral point grounding modes

Yin Wenqin

(Guangdong Electric Power Industry Vocational and Technical School, Guangzhou 510640)

With the economic development, adopting 20kV distribution network has more and more advantages compared with 10kV voltage distribution, such as improving the stability of power system, power quality and economy of operation, and reducing the investment of power grid. However, In the 20kV distribution network to build, boost, transformation, the neutral point grounding has become one of the key technical issues, the equipment selection, system operation and relay protection has a significant impact. In this paper, firstly, the advantages of using 20kV voltage level are compared with 10kV and 35kV. Then, analyzed and discussed the neutral point of 20kV distribution network is not grounded, grounding through peterson coil; grounding through small resistance; flexible grounding. Finally, the status quo and development trend of neutral point grounding of 20kV distribution network both at home and abroad are summarized, providing a technical reference for the widespread use of 20kV distribution network in the future.

20kV; distribution network; neutral point grounding mode; flexible grounding mode

2018-01-20

尹文琴（1983-），碩士研究生學(xué)歷，講師，主要從事電力系統(tǒng)方面教學(xué)、培訓(xùn)及研究工作。