石家庄地区输电线路雷击事故发生的气象指标研究

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2021)-06-1025

石家庄地区输电线路雷击事故发生的气象指标研究

张翠华^,¹, 张文煜²

1.河北省石家庄市气象局,河北石家庄 050081

2.郑州大学地球科学与技术学院,河南郑州 450001

Meteorological index of lightning strike accidents of transmission line in Shijiazhuang area

ZHANG Cuihua^,¹, ZHANG Wenyu²

1. Shijiazhuang Meteorological Bureau of Hebei Province, Shijiazhuang 050081, China

2. School of Geoscience and Technology, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China

收稿日期: 2020-10-23 修回日期: 2021-02-4

基金资助:

国家自然科学基金.  41875085
中国沙漠气象科学研究基金.  Sqj2018008
河北省科研开发项目共同资助.  20ky15

Received: 2020-10-23 Revised: 2021-02-4

作者简介 About authors

张翠华(1976—),女,河北藁城人,硕士,高级工程师,主要从事应用气象服务工作.E-mail:zch7695@sina.com。

摘要

基于1990—2017年河北石家庄输电线路雷击事故资料,结合输电线路雷击发生前6 h的气象要素数据,利用发生概率、发生频率、线性趋势和波动幅度等统计方法,分析该地区输电线路雷击发生规律以及输电线路雷击发生前6 h内的定时风向、气压、相对湿度、气温和地温变化;通过界定输电线路雷击累计发生频率确定其气象指标,并利用EC数值预报和自动站实况对比,检验2018年8月9日石家庄井陉县输电线路雷击事故等级预报的准确性。结果表明:近来年石家庄输电线路雷击事件呈逐年明显增加趋势,呈现出3个高峰期,主要发生在夏季的午后至次日清晨,其中8月03:00—04:00输电线路雷击事故发生概率最大;当出现偏东风,气压和相对湿度上升,或气温和地表温度下降时,输电线路雷击事故发生次数较多;在6 h内当气压上升0.0~2.0 hPa,空气湿度上升0~14%,气温下降0.0~3.0 ℃,地表温度下降0.0~6.5 ℃,定时风向在以东风为中心风向的90°范围内时极易发生输电线路雷击事故;输电线路雷击的发生规律和气象指标在2018年8月9日得到较好的预测检验,对防范雷击事故有一定指导意义。

关键词： 输电线路 ; 雷击 ; 气象指标 ; 预测检验

Abstract

Based on the detailed information on transmission line lightning strike and meteorological elements data in 6 hours before transmission line lightning strikes from 1990 to 2017 in Shijiazhuang of Hebei Province, the statistical methods such as occurrence probability, occurrence frequency, linear trend and fluctuation amplitude were used to analyze occurrence regularity of transmission line lightning strikes, variation of timing wind, pressure, relative humidity, air temperature and ground temperature in 6 hours before transmission line lightning strikes. By defining the cumulative occurrence frequency of transmission line lightning strikes, the meteorological element indicators of occurrence of transmission line lightning strikes were determined, and the accuracy of level prediction of transmission line lightning strike accidents in Jingxing county of Shijiazhuang on 9 August 2018 was tested by comparing the EC numerical prediction with the automatic station data. The results show that the transmission line lightning strike accidents increased significantly and there were three peaks in Shijiazhuang in recent years, occurring mainly from afternoon to morning in summer, in August there was the highest probability, and in a day it was highest from 03:00 BST to 04:00 BST. In addition, when there was easterly wind, air pressure and relative humidity were rising, or when air temperature and land surface temperature were dropping, transmission line lightning strike accidents occurred frequently. Within 6 hours, when air pressure rose by 0.0-2.0 hPa, air humidity increased by 0-14%, air temperature dropped by 0-3.0 ℃, land surface temperature dropped by 0-6.5 ℃, and with the east wind as the central wind direction, the timing wind direction was within the range of 90°, the occurrence regularity and meteorological indicators of lightning strikes on transmission lines were well predicted and tested on 9 August 2018, which had certain guiding significance for preventing lightning strike accidents.

Keywords： transmission line ; lightning strikes ; meteorological index ; prediction test

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本文引用格式

张翠华, 张文煜. 石家庄地区输电线路雷击事故发生的气象指标研究. 干旱气象[J], 2021, 39(06): 1025-1030 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2021)-06-1025

ZHANG Cuihua, ZHANG Wenyu. Meteorological index of lightning strike accidents of transmission line in Shijiazhuang area. Journal of Arid Meteorology[J], 2021, 39(06): 1025-1030 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2021)-06-1025

引言

社会经济的发展带来输电线路长度扩展和传输容量的快速增长,输电线路容易受雷电、大风、冰雪、雾霾等气象因素的影响而产生雷击、风害、电线积冰、污闪等输电事故,严重影响电网设备的安全性和可靠性^[1]。近年来,我国电力设施遭受雷击次数较多^[2],公用及家用电子设备受损严重^[3],森林草原雷击火灾直线上升^[4],全球每年雷击受伤人数可能是雷击死亡人数的5~10倍^[5],这与输电线路和输变电设备露天分布较广而遭受雷击概率较大有关^[6]。

我国雷电灾害次数呈逐年波动增长趋势^[7,8],雷电密度分布呈明显的地域性差异,农田、山地、水域等野外开阔区域为雷电灾害发生的敏感孕灾环境^[9,10],且随海拔升高雷电密度有所增加^[11],我国华南地区、中东部地区及四川盆地为雷电密度高值区,华北地区为次高值区^[12]。频繁活跃的雷电活动是导致雷电灾害的主要致灾因子^[13],而雷电活动与气象要素又有密切关系,我国从纬度较低地区或气候潮湿地区到纬度较高地区或气候干旱地区,雷电活动与降水的相关性增强^[14];北京地区雷电活动与对流活动区降水量及面积呈明显线性相关关系^[15];大气低层湿度不高、中层高湿、高层偏干的环境有利于雷电活动发生^[16,17]。因此气象要素对由雷电灾害引发的输电线路雷击事故有重要影响^[18]。

河北省雷电灾害集中在燕山南麓、太行山东麓和中南部平原^[19],石家庄地处河北省中南部,西部为太行山中段东麓,东部为中南部平原,雷电活动发生频繁^[20],是导致当地电网事故发生频率较高的气象灾害^[21]。雷电是对流层云层碰撞形成的放电现象,当雷电贴近陆地表面与输电线路相遇,雷击电流在线路上形成巨大电位差和能量释放,进而损毁线路或其他设备,导致线路跳闸故障产生。目前河北地区有关输电线路舞动灾害、覆冰风险与气象条件的相关分析较多^[22,23],而输电线路发生雷击的气象指标研究较少,本文以1990—2017年石家庄地区102次输电线路雷击事故为样本,分析该地区输电线路雷击事故前6 h的气象要素变化,以期为输电线路雷击事故预报预警^[24]及进一步防范输电线路雷击事故的发生提供科技支撑。

1 资料及方法

所用资料为1990—2017年石家庄地区102次输电线路雷击事故的发生时间、故障地点、故障现象描述等资料,及临近输电线路雷击事故地点的75个国家站或区域自动站在输电线路雷击事故发生前6 h内气象要素(定时风向、气压、相对湿度、气温、地表温度)资料。输电线路雷击事故集中出现在石家庄西部的井陉县、平山县和主城区,西部观测站点分布比较密集,雷击事故点与临近观测站点的距离约2~6 km。

利用发生概率和线性趋势^[25]分析输电线路雷击的发生规律,发生概率是输电线路雷击发生次数占雷电活动发生次数的百分比;利用发生频率和波动幅度^[26]分析输电线路雷击发生前6 h内定时风向、气压、相对湿度、气温和地表温度变化。发生频率是输电线路雷击发生前1 h或3 h或6 h气象要素在一定波动范围的雷击次数占总雷击次数的百分比;波动幅度是输电线路雷击发生前到输电线路雷击发生时气象要素的变化值。统计输电线路雷击前1、3、6 h气象要素的波动幅度及对应雷击发生频率,确定输电线路雷击发生的气象指标,并利用EC数值预报和气象站实况对比,检验2018年石家庄地区发生输电线路雷击事故等级预报的准确性。

2 结果分析

2.1 输电线路雷击事故的时间变化

石家庄西部山区雷电活动发生频繁,引发输电线路雷击事故发生概率增大。图1为1990—2017年河北石家庄输电线路雷击次数及发生概率的年际、月际、日变化。可以看出,石家庄输电线路雷击次数呈逐年明显增加趋势(R=0.6451,且通过α=0.001的显著性检验),存在3个高峰期,分别为2007—2009年、2011—2013年和2015—2017年;石家庄输电线路雷击事故主要发生在6—8月,其中8月发生概率最大,其次是6月和7月;石家庄输电线路雷击事故主要发生在午后至次日清晨,其中03:00—04:00(北京时,下同)发生概率最大,其次是07:00—08:00。

图1

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图1 1990—2017年河北石家庄输电线路雷击次数及发生概率的年际(a)、月际(b)、日(c)变化

Fig.1 The inter-annual (a), monthly (b) and diurnal (c) variation of the number and probability of transmission line lighting strike accidents in Shijiazhuang of Hebei Province during 1990-2017

2.2 输电线路雷击事故发生前气象要素变化

表1列出1990—2017年石家庄输电线路雷击事故发生前1、3、6 h的地面定时风向发生频率。可以看出,输电线路雷击事故发生前6 h所有风向都有出现,其中NE风向发生频率最高(15.7%),其次是ESE风向(14.3%);输电线路雷击事故发生前3 h除WSW和WNW风向外,其他风向都有出现,其中SE风向发生频率最高(17.2%),其次是E、ENE和ESE风向,发生频率均为11.4%;输电线路雷击事故发生前1 h,NE风向发生频率最高(14.3%),其次是E和ENE风向,发生频率均为12.8%,而SW、SSW、WNW和C风向没有出现,即这4种风向发生频率为0。由此可见,石家庄输电线路雷击事故发生前6 h内偏东风发生频率较大。

表1 1990—2017年河北石家庄输电线路雷击事故发生前6 h内定时风向的发生频率单位:%

Tab.1 The frequency of timing wind direction in 6 hours before the transmission line lightning strike accidents in Shijiazhuang of Hebei Province during 1990-2017

定时风向	雷击事故前6 h	雷击事故前3 h	雷击事故前1 h
N	5.7	5.7	10.0
NNE	5.7	5.7	8.6
NE	15.7	8.6	14.3
ENE	7.2	11.4	12.8
E	8.6	11.4	12.8
ESE	14.3	11.4	10.0
SE	11.4	17.2	8.6
SSE	7.2	5.7	4.3
S	4.3	7.2	5.7
SSW	1.4	1.4	0.0
SW	5.7	1.4	0.0
WSW	1.4	0.0	1.4
W	1.4	4.3	2.9
WNW	1.4	0.0	0.0
NW	4.3	2.9	5.7
NNW	1.4	4.3	2.9
C	2.9	1.4	0.0

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表2列出1990—2017年河北石家庄输电线路雷击事故发生前6 h内气象要素的波动幅度及对应雷击发生频率(LF)。可以看出,气压和相对湿度上升,或气温和地表温度下降时,输电线路雷击发生次数较多;反之气压和相对湿度下降,或气温和地表温度上升时,输电线路雷击发生次数较少。雷暴云向前移动时,云下的雷暴高压也随之向前移动,会发生如气温下降、气压涌升、相对湿度上升等气象要素的明显变化,致使雷暴时输电线路雷击发生概率较大,而雷暴后输电线路雷击发生概率较小。气压和相对湿度上升,或气温和地表温度下降时,气象要素的波动幅度较大,其中,气压、相对湿度、气温、地表温度的最大波动幅度分别为6.5~25.1 hPa、51%~66%、12.3~13.6 ℃、24.3~37.9 ℃;气压和相对湿度下降,或气温和地表温度上升时,气象要素的波动幅度较小,其中,气压、相对湿度、气温、地表温度的最大波动幅度分别为1.2~6.6 hPa、16%~34%、1.0~9.6 ℃、3.8~17.8 ℃。

表2 1990—2017年河北石家庄输电线路雷击事故发生前6 h内气象要素的波动幅度及对应雷击发生频率

Tab.2 The fluctuation range of meteorological elements and corresponding frequency of lightning strikes in 6 hours before the transmission line lightning strike accidents in Shijiazhuang of Hebei Province during 1990-2017

雷击前6 h		雷击前3 h		雷击前1 h
波动幅度	LF/%	波动幅度	LF/%	波动幅度	LF/%
P₆上升0.4~6.5 hPa	57.1	P₃上升0.1~25.1 hPa	78.6	P₁上升0.1~10.5 hPa	78.6
P₆下降0.1~6.6 hPa	40.0	P₃下降0.1~3.8 hPa	21.4	P₁下降0.1~1.2 hPa	17.1
RH₆上升2%~66%	87.1	RH₃上升1%~60%	92.9	RH₁上升1%~51%	81.4
RH₆下降3%~34%	8.6	RH₃下降1%~16%	7.1	RH₁下降1%~16%	10.0
T₆上升0.6~9.6 ℃	9.8	T₃上升0.1~2.2 ℃	7.8	T₁上升0.1~1.0 ℃	5.9
T₆下降0.1~12.3 ℃	89.2	T₃下降0.1~13.6 ℃	92.2	T₁下降0.1~12.8 ℃	92.2
LST₆上升1.2~17.8 ℃	11.8	LST₃上升0.4~7.2 ℃	6.9	LST₁上升0.1~3.8 ℃	4.9
LST₆下降0.7~37.9 ℃	88.2	LST₃下降0.4~36.5 ℃	93.1	LST₁下降0.1~24.3 ℃	93.1

注:P₆、P₃、P₁分别表示雷击发生前6、3、1 h的气压,RH₆、RH₃、RH₁分别表示雷击发生前6、3、1 h的相对湿度,T₆、T₃、T₁分别表示雷击发生前6、3、1 h的气温,LST₆、LST₃、LST₁分别表示雷击发生前6、3、1 h的地表温度,LF为雷击发生频率,下同。

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2.3 输电线路雷击发生的气象指标

综上所述,输电线路雷击的发生与定时风向、气压、相对湿度、气温和地表温度有密切关系,因此统计输电线路雷击发生前6、3、1 h不同气象要素波动幅度及对应雷击发生频率,确定输电线路雷击发生的气象要素指标,并划分输电线路雷击风险等级:将不会发生输电线路雷击定义为一级;输电线路雷击发生前6、3、1 h的累计LF为10%时定义为二级(可能发生输电线路雷击);输电线路雷击发生前6、3、1 h的累计LF为40%时定义为三级(容易发生输电线路雷击);输电线路雷击发生前6、3、1 h的累计LF为50%时定义为四级(极易发生输电线路雷击)。表3列出1990—2017年河北石家庄输电线路雷击事故发生的气象指标及对应雷击发生频率。可以看出,当气压P₆、P₃、P₁的波动幅度在-2.0~0.0 hPa或2.0~5.0 hPa,相对湿度RH₆、RH₃、RH₁的波动幅度在14%~40%,气温T₆、T₃、T₁的波动幅度在-9.0~-3.0 ℃或0.0~1.0 ℃,地表温度LST₆、LST₃、LST₁的波动幅度在-21.0~-6.5 ℃或0.0~3.0 ℃,定时风向F₆、F₃、F₁为ENE、N、NNE、S、SSE、NW时,输电线路雷击风险等级为三级(容易发生输电线路雷击);当P₆、P₃、P₁的波动幅度在0.0~2.0 hPa,RH₆、RH₃、RH₁的波动幅度在0~14%,T₆、T₃、T₁的波动幅度在-3.0~0.0 ℃,LST₆、LST₃、LST₁的波动幅度在-6.5~0.0 ℃,F₆、F₃、F₁为NE、SE、ESE、E时,输电线路雷击风险等级为四级(极易发生输电线路雷击)。

表3 1990—2017年河北石家庄输电线路雷击事故的气象指标及对应雷击发生频率

Tab.3 Meteorological index and corresponding frequency of transmission line lightning strike accidents in Shijiazhuang of Hebei Province during 1990-2017

雷击风险等级	气压/ hPa	LF/ %	相对湿度/ %	LF/ %	气温/ ℃	LF/ %	地表温度/ ℃	LF/ %	定时风向	LF/ %
一级	△P₆>6.5或 △P₆<-6.6	0	△RH₆>66或 △RH₆<-34	0	△T₆>9.6或 △T₆<-12.3	0	△LST₆>17.8或 △LST₆<-37.9	0	F₆不考虑	0
	△P₃>25.1或 △P₃<-3.8	0	△RH₃>60或 △RH₃<-16	0	△T₃>2.2或 △T₃<-13.6	0	△LST₃>7.2或 △LST₃<-36.5	0	F₃=WSW,WNW	0
	△P₁>10.5或 △P₁<-2.0	0	△RH₁>51或 △RH₁<-16	0	△T₁>1.0或 △T₁<-12.8	0	△LST₁>3.8或 △LST₁<-24.3	0	F₁=WNW,SW,SSW,C	0
二级	-6.6≤△P₆<-2.0 或5.0<△P₆≤6.5	6	-34≤△RH₆<0 或40<△RH₆≤66	4	-12.3≤△T₆<-9.0 或1.0<△T₆≤9.6	6	-37.9≤△LST₆<-21.0 或3.0<△LST₆≤17.8	6	F₆=WNW,C,SW,SSW, NNW,W,WSW	4
	-3.8≤△P₃<-2.0 或5.0<△P₃≤25.1	2	-16≤△RH₃<0 或40<△RH₃≤60	3	-13.6≤△T₃<-9.0 或1.0<△T₃≤2.2	3	-36.5≤△LST₃<-21.0 或3.0<△LST₃≤7.2	3	F₃=C,SW,SSW,NNW, W,WSW	4
	5.0<△P₁≤10.5	2	-16≤△RH₁<0 或40<△RH₁≤51	3	-12.8≤△T₁<-9.0	1	-24.3≤△LST₁<-21.0 或3.0<△LST₁≤3.8	1	F₁=NNW,W,WSW	2
三级	-2.0≤△P₆<0.0 或2.0<△P₆≤5.0	16	14<△RH₆≤40	17	-9.0≤△T₆<-3.0 或0.0<△T₆≤1.0	15	-21.0≤△LST₆<-6.5 或0.0<△LST₆≤3.0	19	F₆=ENE,N,NNE,S, SSE,NW	11
	-2.0≤△P₃<0.0 或2.0<△P₃≤5.0	14	14<△RH₃≤40	13	-9.0≤△T₃<-3.0 或0.0<△T₃≤1.0	15	-21.0≤△LST₃<-6.5 或0.0<△LST₃≤3.0	13	F₃=ENE,N,NNE,S, SSE,NW	13
	-2.0≤△P₁<0.0 或2.0<△P₁≤5.0	10	14<△RH₁≤40	10	-9.0≤△T₁<-3.0 或0.0<△T₁≤1.0	9	-21.0≤△LST₁<-6.5 或0.0<△LST₁≤3.0	8	F₁=ENE,N,NNE,S, SSE,NW	16
四级	0.0<△P₆≤2.0	11	0<△RH₆≤14	12	-3.0≤△T₆<0.0	12	-6.5≤△LST₆<0.0	8	F₆=NE,SE,ESE,E	17
	0.0<△P₃≤2.0	17	0<△RH₃≤4	18	-3.0≤△T₃<0.0	14	-6.5≤△LST₃<0.0	17	F₃=NE,SE,ESE,E	16
	0.0<△P₁≤2.0	22	0<△RH₁≤14	20	-3.0≤△T₁<0.0	23	-6.5≤△LST₁<0.0	26	F₁=NE,SE,ESE,E	17

注:F₆、F₃、F₁分别为输电线路雷击发生前6、3、1 h的定时风向,△表示气象要素的波动幅度,“+”表示上升波动,“-”表示下降波动。

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2.4 输电线路雷击气象指标的预报检验

上述分析基于1990—2017年石家庄输电线路雷击事故和气象要素资料,2018年8月8日下午预报9日石家庄井陉县出现雷雨天气,鉴于石家庄输电线路雷击发生规律(井陉县为输电线路雷击高发中心,且夜间至次日清晨雷击发生概率较大),利用EC数值预报的8月8日20:00至9日08:00逐3 h定时风向、气压、相对湿度、气温和地表温度,并与自动站实况对比得出其波动幅度,发现8月9日08:00预报值与实况值对比得出的气象要素波动幅度及定时风向为:P₃上升1.5 hPa,为四级极易发生输电线路雷击的气压波动范围(0.0~2.0 hPa);HR₃上升1%,为四级极易发生输电线路雷击的相对湿度波动范围(0~14%);F₃为SW,为二级可能发生输电线路雷击的定时风向范围(F₃=C,SW,SSW,NNW,W,WSW);T₃上升0.4 ℃,为三级容易发生输电线路雷击的气温波动范围(-9.0~-3.0 ℃或0.0~1.0 ℃);LST₃上升2.1 ℃,为三级容易发生输电线路雷击的地表温度波动范围(-21.0~-6.5 ℃或0.0~3.0 ℃)。5项气象要素指标中有4项为输电线路雷击风险较高等级,因此此次输电线路雷击风险预报为三级(容易发生输电线路雷击),8月9日07:47井陉县的电压等级为110 kV的秀清线发生输电线路雷击事故,A相、C相绝缘子反击闪络造成大面积停电,输电线路雷击风险预报与雷击事故发生实况吻合,因此输电线路雷击的发生规律和气象指标得到较好的预测检验。

3 结论与讨论

(1)河北石家庄输电线路雷击事故呈逐年明显增加趋势;6—8月是高发期,其中8月发生概率最大;输电线路雷击主要发生在午后至次日清晨,其中03:00—04:00发生概率最大,其次是07:00—08:00。

(2)从输电线路雷击发生前6 h内气象要素的波动幅度可以看出,当出现偏东风,气压和相对湿度上升,气温和地表温度下降时,输电线路雷击发生次数较多;气压和相对湿度下降,或气温和地表温度上升时,输电线路雷击发生次数较少。

(3)P₆、P₃、P₁的波动范围在-2.0~0.0 hPa或2.0~5.0 hPa,RH₆、RH₃、RH₁的波动范围在14%~40%,T₆、T₃、T₁的波动范围在-9.0~-3.0 ℃或0.0~1.0 ℃,LST₆、LST₃、LST₁的波动范围在-21.0~-6.5 ℃或0.0~3.0 ℃,F₆、F₃、F₁为ENE、N、NNE、S、SSE、NW时,输电线路雷击风险等级为三级(容易发生输电线路雷击)。

(4)当P₆、P₃、P₁的波动范围在0.0~2.0 hPa,RH₆、RH₃、RH₁的波动范围在0~14%,T₆、T₃、T₁的波动范围在-3.0~0.0 ℃,LST₆、LST₃、LST₁的波动范围在-6.5~0.0 ℃,F₆、F₃、F₁为NE、SE、ESE、E时,输电线路雷击风险等级为四级(极易发生输电线路雷击)。

基于1990—2017年石家庄输电线路雷击事故和气象要素资料分析该地区输电线路雷击的发生规律和气象指标,并对2018年8月9日石家庄井陉县输电线路雷击事故发生的可能性进行了预测检验,经供电部门反馈,仅出现的1次输电线路雷击事故被成功预测,通过检验输电线路雷击发生前6 h内气象要素,除定时风向为二级可能发生输电线路雷击的范围外,气压、相对湿度、气温和地表温度的波动幅度均在三级容易发生或四级极易发生输电线路雷击的变化范围内。利用EC数值预报可以较好地预测可能发生雷击事故区域内临近自动站的输电线路,但现有自动站不够精密,且自动站实况资料使用有一定局限性,对距离观测站点较远的输电线路雷击事故预测把握不大,需要在输电线路或杆塔上安装微气象站,亦或随着自动站精度和密度建设的推进,可以更加精准界定在可能发生雷击事故区域内将要发生雷击事故的具体输电线路,输电线路雷击的气象指标也将在应用实践中得到进一步修正和完善。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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路永玲, 陶风波, 周志成, 等.

气象灾害对江苏电网设备的影响及防御分析

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