孫鳴,門富媛,吳俊玲,石婷婷(.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,合肥30009;.中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京009)
特高壓變壓器UK%的選擇對(duì)運(yùn)行電壓的影響分析
孫鳴1,門富媛1,吳俊玲2,石婷婷1
(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,合肥230009;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京100192)
特高壓變壓器是特高壓電網(wǎng)的重要設(shè)備,其短路電壓百分比UK%的選擇會(huì)影響到電網(wǎng)的多個(gè)指標(biāo)。在1 000 kV變電站的模擬系統(tǒng)平臺(tái),采用理論計(jì)算方法分析了特高壓變壓器UK%的變化對(duì)1 000 kV系統(tǒng)注入500 kV母線的短路電流值的影響;兼顧變壓器負(fù)載率的改變和是否通過(guò)第3繞組進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償兩個(gè)方面,通過(guò)選取特定范圍內(nèi)的變壓器不同的UK%值,運(yùn)用PSCAD仿真軟件,分析和討論了500 kV母線電壓變化情況,得出特高壓變壓器UK%為15%~23%時(shí)任何值均能通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償或有載調(diào)壓將500 kV母線電壓控制在515~530 kV的范圍內(nèi)的結(jié)論。此工作可為特高壓變壓器UK%的選擇提供一定的參考。
特高壓(UHV);變壓器;短路電壓百分比UK%;短路電流;運(yùn)行電壓;無(wú)功損耗;無(wú)功補(bǔ)償;有載調(diào)壓
特高壓輸電具有輸送容量大、線路損耗小等優(yōu)點(diǎn),適合遠(yuǎn)距離超大容量輸電,特高壓輸電技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠滿足未來(lái)我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大、跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)的要求,還能使資源達(dá)到最優(yōu)化配置[1-2]。
近年來(lái),我國(guó)部分省區(qū)負(fù)荷密度持續(xù)增長(zhǎng),其500 kV電網(wǎng)存在著擴(kuò)大電源容量后可能造成短路電流超過(guò)斷路器額定遮斷容量的問(wèn)題[3-4]。因此,要通過(guò)1 000 kV特高壓電網(wǎng)接入來(lái)滿足這類500 kV電網(wǎng)未來(lái)負(fù)荷增長(zhǎng)的需求,則有必要對(duì)500 kV母線的短路電流水平加以控制。根據(jù)部分國(guó)外電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),變壓器的短路電壓百分比UK%一般采用10%~14%,而大容量火電廠、核電廠的變壓器的UK%則為20%左右,長(zhǎng)三角地區(qū)新建電廠要求其變壓器的短路電壓百分比由常規(guī)的13.5%左右升高至18%~23%,新建變電站要求其500 kV變壓器的UK%由常規(guī)的13%左右升高到16%~20%[5-7]。
盡管高阻抗變壓器對(duì)短路電流有明顯的抑制作用,但高短路電壓百分比增大了系統(tǒng)的相角差,不利于系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定;同時(shí)還增大了無(wú)功損耗和電壓降落,會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行電壓的質(zhì)量帶來(lái)不利影響。為此,本文從限制短路電流、變壓器是否進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)确矫鎭?lái)探討有關(guān)交流特高壓變壓器UK%的選擇對(duì)500 kV母線運(yùn)行電壓影響的問(wèn)題。
圖1為1 000 kV特高壓變電站獨(dú)立分區(qū)電網(wǎng)簡(jiǎn)圖,其中B1050和B525分別為1 000 kV和500 kV母線,XS為1 000 kV系統(tǒng)的等值電抗,ST1、UK1%和ST2、UK2%分別為1000 kV變電站中同類型變壓器的容量和短路電壓百分比,XL為地方電廠至分區(qū)1 000 kV變電站的線路等值電抗,SL=PL+j QL為500 kV側(cè)帶的負(fù)荷,ST3、UK3%為500 kV側(cè)地方電廠的升壓變壓器的容量和短路電壓百分比。
為便于分析,假定系統(tǒng)滿足如下條件:①電網(wǎng)中電阻遠(yuǎn)小于電抗,即忽略電網(wǎng)和主變中電阻的影響;②因500 kV母線兩相接地短路電流水平一般相對(duì)較低,單相接地短路電流水平可以通過(guò)在主變中性點(diǎn)加裝小電抗使其降低到與三相短路電流相近,故僅對(duì)變電站母線三相短路進(jìn)行分析。
圖1 1 000 kV變電站獨(dú)立分區(qū)電網(wǎng)接線簡(jiǎn)圖Fig.1 SiMplified w iring diagraMof 1 000 kV substation indepenent partition
在圖1所示的1 000 kV變電站獨(dú)立分區(qū)電網(wǎng)中,Uk1%=Uk2%=UK%,ST1=ST2=ST。
采用標(biāo)幺值法進(jìn)行短路電流計(jì)算,取功率基值SB為100MVA,電壓基值UB為變壓器的額定電壓UN,可得電流和阻抗的基準(zhǔn)值分別為
當(dāng)500 kV母線故障時(shí),1 000 kV系統(tǒng)通過(guò)變壓器向500 kV母線B525注入的短路電流
由式(3)可知,1 000 kV系統(tǒng)通過(guò)變壓器注入500 kV系統(tǒng)的短路電流和1 000 kV系統(tǒng)的短路容量、變壓器的容量和短路電壓百分比有關(guān)。
將變電站中每臺(tái)特高壓變壓器的額定容量取為3 000MVA,額定電壓取為1 050 kV/525(1±4× 1.25%)kV。在1 000 kV系統(tǒng)短路電流為10~60 kA(特高壓斷路器遮斷電流取為63 kA)范圍內(nèi)的整數(shù)值所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)的短路容量下,取不同的短路電壓百分比計(jì)算由1 000 kV系統(tǒng)注入500 kV母線的短路電流。本文以特高壓交流試驗(yàn)示范工程及其擴(kuò)建工程采用的變壓器UK%=18%為參考,并考慮到現(xiàn)有的制造能力,將特高壓變壓器UK%的范圍設(shè)定為15%~23%。代入有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果通過(guò)公式轉(zhuǎn)換為有效值,計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中轉(zhuǎn)換公式為
由表1數(shù)據(jù)可知,當(dāng)變壓器短路電壓百分比由15%增加到23%時(shí),即便在1 000 kV系統(tǒng)短路電流為60 kA所對(duì)應(yīng)的短路容量下,1 000 kV系統(tǒng)向500 kV母線注入的短路電流均低于33 kA。如果500 kV電網(wǎng)斷路器額定遮斷電流按照50 kA確定,那么,在兩臺(tái)并列運(yùn)行的主變總?cè)萘繛? 000 MVA的情況下,取變壓器的短路電壓百分比為下限值15%,1 000 kV系統(tǒng)注入500 kV母線的最大短路電流都不大于500 kV斷路器額定遮斷電流的70%,因此,是否要選擇更大的短路電壓百分比取決于該變電站500 kV母線所連接的電網(wǎng)自身的電源容量大小以及負(fù)荷容量大小。
為方便計(jì)算,圖1中的1 000 kV變電站獨(dú)立分區(qū)電網(wǎng)中,用不同容量的機(jī)組向500 kV母線提供短路電流來(lái)替代含電源線路(分區(qū)電源)對(duì)500 kV母線提供的短路電流。當(dāng)?shù)胤诫姀S接入4臺(tái)1 000MW機(jī)組時(shí),在1 000 kV系統(tǒng)最大短路容量情況下,經(jīng)計(jì)算1 000 kV系統(tǒng)和地方電廠共同向500 kV母線注入的最大短路電流接近50 kA。由此可見,當(dāng)該變電站500 kV母線系統(tǒng)所供的負(fù)荷容量遠(yuǎn)大于2臺(tái)變壓器容量時(shí),則地方電廠接入該母線系統(tǒng)的1 000MW機(jī)組數(shù)將大于4臺(tái),此時(shí)可根據(jù)具體情況并參照表1適當(dāng)增大變壓器短路電壓百分比,以達(dá)到限制短路電流的作用。
由電力系統(tǒng)潮流計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)可知,在負(fù)荷不變的情況下,增大變壓器UK%也會(huì)增大電壓的跌落值,因此,有必要研究特高壓變壓器UK%的變化對(duì)500 kV母線電壓的影響。
表1 1000 kV系統(tǒng)注入500 kV母線的短路電流Tab.1 Short circuit currents froM1 000 kV systeMto 500 kV bus
圖2 1 000 kV變電站仿真Fig.2 1 000 kV substation simulation diagram
輸電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓控制是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。目前,安徽電網(wǎng)要求500 kV等級(jí)電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓控制在510~525 kV[8],華中電網(wǎng)則要求控制在510~540 kV[9]??紤]到各地特高壓電網(wǎng)對(duì)運(yùn)行電壓要求的差異,以及超高壓變電站的電壓調(diào)節(jié)范圍[10],本節(jié)取電壓調(diào)節(jié)范圍為515~530 kV。本節(jié)擬通過(guò)仿真運(yùn)算來(lái)分析特高壓變壓器UK%的選擇對(duì)500 kV母線運(yùn)行電壓的影響。
在PSCAD仿真平臺(tái)下,搭建如圖1所示的特高壓系統(tǒng)模型(如圖2所示),1 050 kV的電壓源(等效為1 000 kV系統(tǒng))連接雙回輸電線路,輸電線路每km電抗和充電功率分別為0.254 7Ω和4.987 6Mvar,長(zhǎng)度設(shè)為300 kM,考慮增設(shè)串補(bǔ)和高抗后的等效電抗為19.103Ω。每臺(tái)變壓器的額定容量和額定電壓分別為3 000MVA和1 050 kV/ 525(1±4×1.25%)kV[11]。
變壓器有載調(diào)壓開關(guān)位于中間位置(即變比K=1 050/525)時(shí),保持負(fù)荷的功率因數(shù)0.98不變,分別測(cè)得短路電壓百分比在15%~23%的范圍內(nèi),變壓器通過(guò)不同的負(fù)荷值(負(fù)荷率β從20%增至90%)時(shí)500 kV母線的電壓值,結(jié)果如表2所示。
分析表2中數(shù)據(jù)可見,隨著負(fù)荷和短路電壓百分比的增大,500 kV電壓呈下降趨勢(shì)。當(dāng)負(fù)荷率不高于40%時(shí),UK%取最大值亦滿足要求;當(dāng)負(fù)荷率為50%及以上時(shí),若UK%≥19%,500 kV母線電壓則不能滿足下限515 kV的要求。
需要注意的是,表2中的數(shù)據(jù)是建立在特高壓(1 000 kV)線路經(jīng)串補(bǔ)和并聯(lián)高抗之后、1 000 kV系統(tǒng)的短路電流為31.736 kA的條件下所得到的。當(dāng)1 000 kV短路電流水平更低,且特高壓變壓器UK%超過(guò)18%后,如不采取必要的措施500 kV母線運(yùn)行電壓將難以控制。
表2 K=1 050/525時(shí)不同負(fù)載情況下各短路阻抗比對(duì)應(yīng)的500 kV側(cè)電壓Tab.2 Corresponding 500 kV side voltage atdifferent load casesand various short-circuit iMpedance of transformer w ith ratio K=1 050/525
作為一種較簡(jiǎn)單的調(diào)壓方式,有載調(diào)壓通過(guò)改變變壓器的變比,可以在一定程度上改變500 kV側(cè)的電壓水平。但有載調(diào)壓并不總是有益的,當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功缺額較大,而負(fù)荷側(cè)電壓偏低時(shí),如果通過(guò)增大變壓器的變比來(lái)使負(fù)荷側(cè)電壓升高,勢(shì)必會(huì)加大高壓側(cè)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功的需求,從而使高壓側(cè)電壓嚴(yán)重下降,可能引起電壓的崩潰,不利于暫態(tài)電壓穩(wěn)定性[12]。這時(shí),可以考慮系統(tǒng)的無(wú)功[13]情況,從根本解決電壓水平較低的問(wèn)題。而同樣由電力系統(tǒng)潮流計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)可知,在同一負(fù)荷下,變壓器的無(wú)功損耗的增加亦會(huì)使得變壓器上的電壓降落增大,從而導(dǎo)致500 kV母線電壓降低。因此,若能對(duì)變壓器的無(wú)功損耗進(jìn)行補(bǔ)償,就會(huì)改善500 kV母線電壓的狀況。
4.1 不同UK%時(shí)特高壓變壓器的無(wú)功損耗
單臺(tái)變壓器的無(wú)功損耗QT包括勵(lì)磁損耗ΔQ0和漏抗損耗ΔQT,即
式中:I0%為變壓器空載電流百分比;SN為變壓器的額定容量;β為變壓器的負(fù)載率[14]。
由于勵(lì)磁的無(wú)功損耗相對(duì)較小,計(jì)算時(shí)予以忽略,即變壓器的無(wú)功損耗為
改變變壓器的負(fù)載率,計(jì)算在不同UK%下的變壓器的無(wú)功損耗,計(jì)算結(jié)果如表3所示。
由表3可知,對(duì)于同一短路電壓百分比的變壓器,其無(wú)功損耗隨著負(fù)載率的增大而增大;當(dāng)負(fù)載率一定時(shí),其無(wú)功損耗隨著短路電壓百分比的增大而增大。當(dāng)變壓器負(fù)載率較大時(shí),選用較高短路電壓百分比的變壓器會(huì)產(chǎn)生很大的無(wú)功損耗。
4.2 無(wú)功補(bǔ)償后的500 kV母線電壓
在1 000 kV晉東南-南陽(yáng)-荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程中,特高壓變電站的每臺(tái)變壓器第3繞組110 kV低壓側(cè)配置了最大容量為4×210 Mvar(額定電壓126 kV)的無(wú)功補(bǔ)償裝置[15],折算到110 kV后為每組補(bǔ)償容量為175Mvar。參考此種配置,利用圖3所示的仿真模型,參照表3中的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行仿真。由表3,在負(fù)載率20%~50%及60%下,短路電壓百分比為15%、16%時(shí)不投電容器;在負(fù)載率60%~80%的區(qū)域中,單臺(tái)變壓器無(wú)功損耗大于175Mvar,每臺(tái)投1組電容器;在負(fù)載率80%和90%加粗的數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)單臺(tái)變壓器投入2組電容器,即補(bǔ)償無(wú)功350Mvar;負(fù)載率90%網(wǎng)格陰影加粗的數(shù)據(jù)區(qū)域單臺(tái)變壓器投入3組電容器,即單臺(tái)補(bǔ)償無(wú)功525Mvar。
按照以上原則進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償之后,重新得到的500 kV母線的電壓情況如表4所示。由表可知,進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后,相對(duì)于表2中的電壓情況,500 kV母線電壓已顯著提高。
表3 各負(fù)載率情況下不同短路電壓百分比的變壓器的無(wú)功損耗Tab.3 Transformer reactive power lossof variousshort circuit voltage percentagew ith different load
表4 無(wú)功補(bǔ)償后各短路阻抗比對(duì)應(yīng)的500 kV側(cè)電壓Tab.4 Corresponding 500 kV side voltage at different load casesand various short-circuit iMpedance coMpensation
本文在考慮1 000 kV系統(tǒng)的系統(tǒng)容量、特高壓變壓器容量和負(fù)荷率的前提下,分析了特高壓變壓器UK%在15%~23%的范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)500 kV母線注入的短路電流大小的限制作用,并進(jìn)一步討論了UK%相對(duì)大、小值的選取還應(yīng)計(jì)及500 kV母線所接的含源線路、負(fù)荷需求的因素。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算了UK%相對(duì)大、小值的選取對(duì)500 kV母線電壓的影響。第4節(jié)又對(duì)變壓器無(wú)功損耗進(jìn)行補(bǔ)償后的500 kV母線的電壓進(jìn)行了分析。本節(jié)將針對(duì)表4的結(jié)果兼顧變壓器的負(fù)荷變化率和無(wú)功補(bǔ)償兩個(gè)方面,對(duì)交流特高壓變壓器UK%相對(duì)大、小值的選取加以討論。
5.1 負(fù)載率20%~50%時(shí)UK%的選取
當(dāng)變壓器的負(fù)載率在20%~50%的范圍內(nèi),不同的UK%對(duì)應(yīng)的無(wú)功損耗均未達(dá)到175Mvar,不需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,500 kV母線的電壓情況同表2。在20%~40%負(fù)載率下,各短路電壓百分比下的變壓器對(duì)應(yīng)的500 kV母線電壓均不低于515 kV,滿足電壓質(zhì)量的要求。由此,若變壓器的負(fù)荷率不會(huì)高于40%,即便選擇UK%為23%,500 kV母線電壓亦能夠滿足要求。
當(dāng)變壓器的負(fù)載率為50%時(shí),選擇UK%不高于18%,同樣無(wú)需任何調(diào)整即能夠保證500 kV母線電壓不低于下限515 kV。考慮到特高壓電網(wǎng)發(fā)展中期的合理負(fù)載比例,當(dāng)兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行時(shí),負(fù)載率一般在50%左右,此時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器的分接觸頭來(lái)調(diào)整變壓器的變比,從而改善500 kV母線電壓水平。
表5為變壓器帶50%負(fù)載情況下,調(diào)壓開關(guān)分別上調(diào)I檔和II檔時(shí)所測(cè)得的500 kV母線電壓值。由表5可見,變壓器帶正常負(fù)載即50%負(fù)載率情況下,以525 kV電壓為參考,變壓器短路電壓百分比在15%~18%時(shí),調(diào)壓開關(guān)上調(diào)I檔可以滿足要求;變壓器短路電壓百分比在19%~23%時(shí),調(diào)壓開關(guān)上調(diào)II檔母線電壓較接近525 kV的最佳運(yùn)行電壓。可見,通過(guò)有載調(diào)壓手段UK%選擇指定范圍內(nèi)的任何值,500 kV母線電壓均能滿足要求。
5.2 負(fù)載率60%~80%時(shí)UK%的選取
在負(fù)載率60%且變壓器UK%≥17%,負(fù)載率70%、80%且UK%≤17%這3種情況,需要投入一組電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,補(bǔ)償后電壓質(zhì)量顯著提高,且電壓質(zhì)量較好,與不進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)20%~ 40%負(fù)載率對(duì)應(yīng)的電壓情況相當(dāng)。因此,UK%在這3種情況對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)選取,500 kV母線電壓均能滿足要求。
5.3 負(fù)載率90%時(shí)各電壓情況的分析
2臺(tái)并列運(yùn)行的變壓器在一臺(tái)檢修時(shí),另一臺(tái)變壓器的負(fù)載率有可能提高到90%,雖然投入2組或3組電容器,電壓水平顯著提高但電壓質(zhì)量仍然較低,可通過(guò)調(diào)節(jié)分接頭改善電壓情況,故UK%可選擇指定范圍內(nèi)的任何值。
綜合上述3種情景,通過(guò)有載調(diào)壓和無(wú)功補(bǔ)償?shù)仁侄?,交流特高壓變壓器UK%在15%~23%的范圍內(nèi)取任何值500 kV母線電壓均能滿足要求。但是,進(jìn)一步研讀表4的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):取UK%≤18%,無(wú)需有載調(diào)壓500 kV母線電壓也能滿足要求,這非常有益于變壓器的安全運(yùn)行。因此,在斷路器能夠滿足斷流條件的情況下,應(yīng)盡可能取UK%≤18%。
表5 不同分接頭位置下各短路電壓百分比對(duì)應(yīng)的50%負(fù)荷時(shí)的500 kV母線電壓Tab.5 Voltageof the500 kV busatdifferent tap positions of variousshort circuit voltage percentage corresponding to 50%of load
本文以1 000 kV特高壓變電站獨(dú)立分區(qū)電網(wǎng)的模擬系統(tǒng)為樣本,分析了特高壓變電站2臺(tái)并列運(yùn)行的特高壓變壓器(總?cè)萘繛? 000MVA)的UK%的選擇對(duì)短路電流的限制作用和對(duì)500 kV母線運(yùn)行電壓的影響。
(1)1 000 kV系統(tǒng)的短路容量對(duì)制約500 kV母線的短路電流有明顯作用,1 000 kV系統(tǒng)的短路容量約為55GVA且特高壓變壓器UK%=15%時(shí),向500 kV母線注入的短路電流和1 000 kV系統(tǒng)短路容量約為109 GVA且特高壓變壓器UK%= 20%時(shí)注入的短路電流相當(dāng)。
(2)因限制短路電流的要求,需要根據(jù)該變電站500 kV母線所連接的電網(wǎng)自身已有的電源容量大小和負(fù)荷容量大小來(lái)決定UK%的取值。
(3)根據(jù)本文的仿真結(jié)果,通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償或者有載調(diào)壓的方式,特高壓變壓器UK%取15%~23%中任何值均能將500 kV母線電壓控制在515~530 kV的范圍之內(nèi)。
(4)取UK%不大于18%更有益于變壓器的安全運(yùn)行。另外,變壓器短路電壓百分比的選擇還需綜合考慮變壓器的輸電能力以及制造成本等因素的影響。
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Analysisof IMpactof UHV Transformer's UK%on Substation'sOperating Voltage
SUNMing1,MEN Fuyuan1,WU Junling2,SHITingting1
(1.SchoolofElectricalEngineringand Automation,HefeiUniversity of Technology,Hefei230009,China;2.China Electric PowerResearch Institute,Beijing100192,China)
The ultra high voltage(UHV)transformer isa key equipment in the UHV grid,and the percentage of shortcircuit voltage UK%may affectmultiple operating indexes of the grid.The 1 000 kV substation simulation systeMis built in the paper,and the impactof the variation of UK%on short current injected froM1 000 kV systeMinto 500 kV busisanalyzed through theoreticalcalculation.Besides,load variation and reactive powercompensation are considered,and the voltage of500 kV bus is discussed and studied in PSCAD when UK%iswithin the particular scope.It′s concluded that the voltage of 500 kV bus can be controlled within the scope of 515~530 kV bymeans of reactive power compensation or on-load voltage regulation when UK%is controlled within 15%~23%.Thework in this paper can provide certain reference for the selection of UK%of the UHV transformer.
ultra high voltage(UHV);transformer;percentage of short-circuit voltage UK%;short-circuit current;operating voltage;reactive power loss;reactive power compensation;on-load voltage regulation
TM723
A
1003-8930(2015)09-0074-06
10.3969/j.issn.1003-8930.2015.09.13
孫鳴(1957—),男,博士,教授,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。Email:hfsunming@sina.com
2013-12-23;
2014-02-26
門富媛(1987—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與調(diào)度自動(dòng)化。Email:menfuyuan@163.com
吳俊玲(1978—),女,碩士,工程師,研究方向?yàn)槌鞘须娋W(wǎng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)分析。Email:9956347@qq.com