缺陷對交流1100kV GIL三支柱絕緣子電場分布影響的仿真

劉 鵬 吳澤華 朱思佳 徐家忠 劉慶東 彭宗仁

缺陷對交流1100kV GIL三支柱絕緣子電場分布影響的仿真

劉 鵬1吳澤華1朱思佳1徐家忠2劉慶東2彭宗仁1

（1. 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）西安 710049 2. 山東電工電氣集團有限公司 濟南 250022）

缺陷及導電微粒會嚴重畸變氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）用三支柱絕緣子的電場分布，甚至引發擊穿、放電故障。該文分析特高壓（UHV）GIL內可能存在的缺陷及來源，應用有限元仿真軟件COMSOL研究了界面缺陷、內部氣泡和導電顆粒對三支柱絕緣子電場分布的影響。結果表明，嵌件界面剝離和中心導體氣隙對絕緣子電場分布有著相似的影響規律，其延伸長度越長，缺陷寬度越窄，則絕緣子表面最大電場強度越高。內部氣泡對電場分布的影響與尺寸基本無關，但與其位置相關，越靠近金屬嵌件對電場的影響越嚴重。附著導電顆粒會顯著增強周圍電場，其尺寸越大、電場畸變的范圍越大，但對最大電場強度值影響較小；懸浮導電顆粒的尺寸越大，距離三支柱絕緣子表面的垂直距離越小，在三支柱絕緣子表面引發的電場畸變越嚴重；電場強度最大值隨著導電顆粒靠近絕緣子腹部中心而增大。此外，所研究的幾類缺陷中，附著導電顆粒對三支柱絕緣的危害最大，其次為界面缺陷。

特高壓（UHV） 氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL） 三支柱絕緣子 界面缺陷 內部氣泡 導電顆粒

0 引言

與傳統架空輸電線路相比，氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated metal enclosed transmission Line, GIL）有節約輸電走廊、適應極端環境、抗電磁環境干擾等特點，且由于較好的絕緣特性帶來的安全性與可靠性，其在電力系統中的應用將越來越廣泛[1-4]。三支柱絕緣子作為GIL中的重要絕緣部件，絕緣結構典型，受電、熱、力等多種因素影響，是整個GIL絕緣中最薄弱的環節之一。隨著電壓等級的不斷升高，缺陷對電場畸變的影響將越來越嚴重，一些在低電壓等級尚不影響安全運行的缺陷，在高電壓等級下可能會導致三支柱絕緣子發生局部放電、擊穿等故障。

蘇通GIL穿越過江管廊是國內外首創的特高壓（Ultra High Voltage, UHV）交流GIL輸電工程，對緩解華東地區供電壓力、提升電網安全運行水平有著十分重要的意義。該工程埋深大、輸電距離長，且三支柱絕緣子用量大，一旦發生放電事故，將帶來極大的直接與間接經濟損失。從現有特高壓氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）設備的運行經驗來看，很多故障是由于絕緣子在生產和運行過程中產生的缺陷以及異物造成的。GIL中三支柱絕緣子與GIS盆式絕緣子相比，具有不同的電場分布特點，在以往低電壓等級的事故中也有著不同的放電現象。因此，有必要研究缺陷對三支柱絕緣子電場分布的影響，以便更好地探究事故的機理，為工程建設和運行的安全性與可靠性提供保障。

在GIL內，諸如氣體間隙、表面凸起或凹陷、導電顆粒等缺陷會嚴重畸變電場分布，降低氣體金屬封閉設備的絕緣強度[5-6]。有學者對直流GIS/GIL中的金屬微粒運動與放電特性進行研究，獲得了導電微粒的運動特性[7-9]，但未對實際三支柱絕緣子沿面進行相關分析。目前，國內外針對GIL內特高壓三支柱絕緣子缺陷的研究并不全面，較為全面的研究集中在盆式絕緣子上。齊波等對存在金屬顆粒的情況下，盆式絕緣子表面局部放電與沿面放電的發展過程與特征進行了研究，提供了不同放電階段與嚴重程度的劃分依據[10-12]。R. M. Radwan和A. M. Abou-Elyazied開展了盆式絕緣子的尺寸與介電常數對電場分布影響的研究，并在此基礎上分析了導電顆粒與絕緣子表面缺陷對電場分布的畸變情 況[13-14]。但其使用的計算模型與實際情況相差較大，與實際情況相比會帶有偏差，不能準確地反映缺陷在實際工程中對電場的影響程度。

相比之下，國內外對GIL用特高壓三支柱絕緣子的仿真與試驗研究甚少。僅有田匯冬等進行了1 100kV三支柱絕緣子部分結構參數對電場分布的影響研究，給出了針對三支柱絕緣子電氣性能的部分結構參數優化方向[15]；汪建成等對550kV三支柱絕緣子進行了電氣與力學性能的計算，但其對電場分布特點的描述并不清晰[16]。同時，吳德貫等分析了一起550kV GIL三支柱絕緣子的炸裂故障，將故障原因歸結為未檢出的三支柱絕緣子內部缺 陷[17]。與盆式絕緣子相比，特高壓GIL三支柱絕緣子有著顯著不同的結構特點，且在生產、運輸、安裝與運行中尚無經驗，其安全性與可靠性將更可能受到缺陷的威脅。為填補在相關領域研究的空白，有必要對特高壓GIL三支柱絕緣子缺陷的產生原因與不同缺陷下的電場分布情況進行研究。

為此，本文以蘇通GIL穿越過江管廊工程中使用的三支柱絕緣子為研究對象，通過對三支柱絕緣子可能產生的界面缺陷、三支柱本體缺陷以及金屬顆粒建模，在有限元軟件COMSOL中進行仿真計算，研究這三類缺陷尺寸、位置等參數對交流1 100kV三支柱絕緣子電場分布的影響。研究結果可為三支柱絕緣子質量提升、缺陷防控提供參考和方向。

1 計算模型

在蘇通GIL輸電管廊工程中，GIL采用單相封閉輸電型式，三支柱絕緣子為其主要的絕緣部件，由環氧-氧化鋁復合材料澆注而成。其結構與計算模型如圖1所示。三支柱絕緣子由3個支腿上的金屬嵌件固定，并安裝有粒子收集器。中心導體與三支柱絕緣子通過襯管相連接，使其起到支撐導體與絕緣的作用。整個輸電管道內充有一定氣壓的SF6氣體。

圖1 三支柱絕緣子的計算模型

三支柱絕緣子所使用的環氧-氧化鋁復合材料的相對介電常數通過電橋法測得，計算時取為5.8。SF6氣體的相對介電常數取為1.0。在雷電沖擊試驗電壓下進行計算，中心導體加載2 400kV，金屬嵌件、粒子收集器和筒壁接地。

在GIL的生產過程與實際運行中，材料選擇、模具加工、界面處理、澆注固化、脫模和安裝試驗是一個復雜的過程，任何步驟處理不當都有可能在GIL中產生無法預知的缺陷，這些缺陷將會嚴重危害系統運行的安全與穩定。在工程實際中已發現如環氧-金屬界面剝離、絕緣子內部氣泡等缺陷，且在低電壓等級GIL運行過程中發生過由異物導致放電的情況。因此，本文主要研究界面缺陷、本體缺陷和導電顆粒這三類缺陷對電場分布的影響。

1.1 界面缺陷

界面缺陷是產生在環氧-金屬界面上的微小氣隙。在GIL三支柱絕緣子的實際生產過程中，固化反應的化學收縮和冷卻收縮會導致三支柱絕緣子內部發生局部應力集中，在安裝過程中微小的振動有可能導致界面剝離，產生界面缺陷。界面缺陷存在的情況下，可能會在缺陷處發生局部放電[18]，危害GIL的運行安全。

根據固化反應過程中的形變位移方向與內應力集中的位置，三支柱絕緣子可能產生的缺陷計算模型及參數如圖2所示。環氧與中心導體界面處的缺陷最有可能從三結合點處開始產生，并向內延伸；環氧與嵌件界面處最有可能從圖示位置開始剝離，并向外延展。

圖2 三支柱絕緣子界面缺陷計算模型及參數

在實際中，發生剝離以后，集中的內應力會快速地釋放。因此，界面缺陷的厚度與長度都不會太大。中心導體與嵌件界面缺陷厚度用1、2表示，為氣隙長度，為剝離半徑。

1.2 本體缺陷

三支柱絕緣子本體的缺陷包括由于模具表面不光滑引起的凹陷或凸起，由于澆注過程脫氣不徹底或工藝控制不嚴引起的內部微小氣泡，以及在整個生產運輸過程中產生的微小劃痕。對于三支柱的表面凹陷、凸起和劃痕，在安裝之前有相應的程序對外觀檢查，若發現這些缺陷則會進行相應的處理。因此，在實際運行過程中不太可能出現這類表面缺陷。而對存在于三支柱絕緣子內部的氣泡缺陷，其長期處于高電壓、強電場的環境，運行中可能發生局部放電，加速器周圍絕緣材料老化，最終導致絕緣受損，引發事故。但現有探傷儀器無法對微小體積的內部氣泡進行檢測，且氣泡的存在可能不會影響出廠試驗，因此，本文對這種缺陷重點關注。

三支柱絕緣子內部氣泡模型及參數如圖3所示，選取了三支柱絕緣子內9個不同位置對氣泡缺陷進行研究。其中，編號為1～5的氣泡位于三支柱絕緣子支腿，沿徑向分布；編號6～9的氣泡位于三支柱絕緣子腹部，沿相對于中心導體的環向分布。在圖3中，以坐標（b,）對內部氣泡的不同位置進行描述，其中，b為氣泡中心到三支柱絕緣子軸心的距離（mm），為氣泡和三支柱絕緣子軸心的連線與支腿旋轉軸之間的夾角。

同時，選取支腿處編號為1的氣泡，改變氣泡中心與支腿旋轉軸的距離c的值，以此研究氣泡所在支腿徑向距離對三支柱絕緣子內電場分布的影響。

圖3 三支柱絕緣子氣泡缺陷模型及參數

1.3 導電顆粒

導電顆粒在氣體絕緣封閉設備中易引發故障，且故障影響大[19]。三支柱絕緣子整個生產過程中，工廠對車間內顆粒的濃度有嚴格的標準把控，因此，在輸電管道內出現粉塵概率較小。GIL中最有可能出現的導電顆粒為懸浮在SF6中或者粘附在三支柱絕緣子表面的微小金屬顆粒。GIL在其運輸、安裝、投運的整個過程中，可能發生機械振動和熱伸縮，由此引起的摩擦將導致金屬顆粒的產生[6-8]。金屬顆粒會引起局部電場強度集中，導致絕緣強度下降，甚至引發沿面閃絡。

三支柱絕緣子表面附近的金屬顆粒模型及參數如圖4所示。c為三支柱絕緣子軸心到金屬顆粒中心的徑向距離，為懸浮金屬顆粒中心到三支柱絕緣子表面的距離，c為在GIL中產生的金屬顆粒直徑。在計算中取三支柱絕緣子表面沿路徑起點至路徑終點的電場值進行分析。

圖4 三支柱絕緣子的金屬顆粒缺陷模型及參數

2 計算結果與分析

通過有限元軟件COMSOL計算，首先得到無缺陷下三支柱絕緣子電位和電場分布如圖5所示。表1給出了三支柱絕緣子中各部位表面電場強度的最大值。

圖5 三支柱絕緣子的電位及電場分布

表1 三支柱絕緣子關鍵部位表面最大電場強度

從圖5可以看出，三支柱絕緣子等位線密集處主要集中在絕緣子的腹部，此處電場強度較大，且電力線近似垂直穿出絕緣子表面，主要為法向電場。三支柱絕緣子支腿處電力線與沿面的夾角較小，主要為沿面的切向電場。支腿根部電場強度較低，這是由于受到了低壓端金屬嵌件和粒子收集器之間的屏蔽作用。

2.1 界面缺陷

2.1.1 嵌件界面剝離

為研究嵌件處剝離半徑、剝離厚度和電場分布的關系，選取圖2所描述的缺陷起點至缺陷終點金屬表面電場強度為研究對象，提取路徑上的電場強度值。剝離半徑和剝離厚度1對電場分布的影響分別如圖6和圖7所示。圖6中，剝離厚度1的取值為0.1mm；圖7中，剝離半徑的取值為3mm。

從圖6中可以看出，嵌件界面剝離缺陷下，電場畸變主要集中在剝離向內延伸的邊緣位置。缺陷中金屬嵌件表面的電場強度沿著剝離路徑先逐漸減小后迅速增大，這是由于隨著路徑逐步靠近剝離的邊緣，逐漸接近電場畸變嚴重的環氧、氣體和金屬的三結合區。從圖中還可以看出，隨著增大，金屬嵌件表面的電場強度有整體增大的趨勢，且影響范圍也擴大。

圖6 剝離半徑r對電場分布的影響

圖7 剝離厚度d1對電場分布的影響

從圖7中可以看出，隨著1的增大，路徑上的電場分布曲線向下平移，金屬嵌件表面最大電場強度逐漸減小，但減小的趨勢逐漸減弱。

由以上結果可以看出，剝離厚度越小，剝離半徑越大，金屬嵌件表面電場強度值越大。金屬嵌件表面電場強度均高于30.0kV/mm，在列舉的情況下最大值可達到68.7kV/mm，這遠高于無缺陷下金屬嵌件表面電場強度的最大值。

2.1.2 中心導體氣隙

圖8和圖9給出了中心導體處氣隙長度與氣隙厚度2對電場分布的影響曲線。曲線的路徑為沿著圖2中中心導體氣隙缺陷起點至缺陷終點的導體表面。實際中，中心導體處產生的氣隙，其長度和厚度值均不會過大也不會過小，本文中的值取為1.0～2.0mm，2的值取為0.1～0.3mm。

圖8 氣隙長度l對電場分布的影響

圖9 氣隙厚度d2對電場分布的影響

由圖8可見，隨著增大，缺陷起點處的電場強度被抬高。沿著缺陷起點至終點，電場強度逐漸增大，且在距離缺陷終點0.4mm左右的位置，電場強度隨距離增大的速率明顯加快。

由圖9可見，隨著2的增大，中心導體表面最大電場強度減小，這是因為隨著2的增大，其對中心導體的影響作用降低。相比于2＜0.2mm，當2＞0.25mm時對電場的增強作用顯著減小。

由此可見，當界面缺陷存在的情況下，缺陷周圍電場均顯著畸變，將會在GIL中誘發局部放電，在絕緣子運行時熱和力的共同作用下，最終導致絕緣子在該位置發生燒蝕破壞，引發沿面閃絡故障[20]。

2.2 本體缺陷

根據圖3給出了三支柱絕緣子氣泡缺陷模型以及不同位置的坐標，選取位置1的氣泡，研究其尺寸對電場分布的影響。位置1處氣泡不同尺寸與氣泡周圍電場強度最大值max1的關系見表2。從表2可以看出，氣泡尺寸在0.5～2.5mm之間改變，max1的值并沒有發生明顯變化，說明氣泡對三支柱絕緣子內電場強度的影響基本與其尺寸無關。

表2 Emax1與內部氣泡尺寸的關系

將三支柱絕緣子內氣泡的直徑設為2.0mm，研究三支柱支腿處和腹部處氣泡對電場分布的影響。5個氣泡位于支腿上，4個氣泡分布于絕緣子腹部。內部氣泡不同位置與max1的關系如圖10所示。圖中比較了有無氣泡的情況下相同位置的最大電場強度。

圖10 氣泡位置對Emax1的影響

圖10表明，氣泡對max1影響程度與其位置有關。同腹部處氣泡相比，支腿上的氣泡對電場的畸變更為嚴重。且氣泡位置越接近金屬嵌件表面，對max1影響越大。與此同時，所計算的9個氣泡中，畸變最嚴重的氣泡周圍電場強度最大值為13.9kV/mm，可以看出，氣泡對電場分布的影響小于界面缺陷。

圖11為氣泡中心和支腿旋轉軸之間距離c與max1的關系，提取了氣泡存在時與相同位置下無氣泡時電場強度最大值。氣泡直徑為2.0mm。從圖中可以看出，隨著c值的增加，氣泡位置逐漸靠近絕緣子表面，氣泡周圍電場強度最大值逐漸減小，且有、無氣泡存在時最大值之差也逐漸減小。由此可知，氣泡越靠近支腿旋轉軸的位置，電場畸變越嚴重。

圖11 氣泡尺寸對Emax1的影響

與其他缺陷相比，氣泡缺陷造成的電場畸變程度較小，其局部放電的能量會比較微弱，因此，該缺陷與其他缺陷相比更不易檢測。但絕緣材料在此類局部放電的影響下易發生老化[21]，長此以往，缺陷的范圍將會逐步發展并擴大，最終發展成為內部貫穿性放電，導致絕緣子炸裂。

2.3 導電顆粒

2.3.1 附著導電顆粒

附著導電顆粒尺寸c對三支柱絕緣子表面電場的影響如圖12所示，導電顆粒位置為c=300mm，圖中曲線截取了部分圖4所述路徑起點至路徑終點沿線電場數值。從圖中可以看出，c在0.5～2.0mm之間變化時，附著導電顆粒對三支柱絕緣子表面電場分布的影響規律基本相同：沿路徑迅速增大到極大值后，在靠近殼體一側降低至極小值。不同c的顆粒對三支柱絕緣子表面最大值影響基本相同，最大值均在60kV/mm左右，電場畸變嚴重。電場受附著導電顆粒影響的范圍限制在導電顆粒附近。與此同時，影響范圍與c有關，隨著c的增大，受影響的范圍逐漸增大。

圖12 附著導電顆粒尺寸對絕緣子表面電場的影響

圖13給出了附著導電顆粒與其所在位置的關系，導電顆粒的尺寸為c=2.0mm。從圖中可以看出，附著導電顆粒在不同的位置對三支柱絕緣子表面電場有不同的影響。導電顆粒對三支柱絕緣子腹部表面電場畸變的作用大于支腿表面電場，且越靠近腹部的中心，最大電場強度值越高。附著在支腿上的導電顆粒，隨著其徑向距離的增大，支腿表面電場強度最大值將逐漸減小。沿線距離340mm處的電場強度峰值呈現不同規律，這是由于模型所使用的三支柱絕緣子為啞鈴型結構，沿線距離340mm處于絕緣子嵌件周圍的啞鈴型鼓起處，且距離低壓端較近。

圖13 附著導電顆粒位置對絕緣子表面電場的影響

2.3.2 懸浮導電顆粒

圖14和圖15給出了距三支柱絕緣子表面高度和懸浮導電顆粒尺寸對電場的影響曲線。由于懸浮電位的存在，絕緣子表面的電場分布產生了畸變，但其影響范圍較小。在懸浮導電顆粒附近，靠近中心導體側電場強度被增強，靠近低壓端一側電場強度被削弱。可以看出，的值越小或c的值越大，則三支柱絕緣子表面電場分布受到的影響越大。于此同時，當＞2.0mm后，c=2.0mm的導電顆粒基本不影響絕緣子表面的電場；同樣地，當c＜0.5mm后，距離絕緣子表面1.0mm的導電顆粒對其電場分布影響有限。懸浮導電顆粒的影響范圍僅與c有關，對范圍的影響效果并不明顯。

圖14 懸浮導電顆粒高度對絕緣子表面電場的影響

圖15 懸浮導電顆粒尺寸對絕緣子表面電場的影響

圖16為懸浮金屬顆粒的電場分布云圖，其與絕緣子表面垂直距離為1.0mm，直徑為0.5mm。由圖可見，電力線由絕緣子內向SF6穿出，最后穿入懸浮金屬顆粒，由此改變了三支柱絕緣子表面的電場分布。然而，在懸浮導電顆粒存在的情況下，最大電場強度出現在顆粒表面，高達27.7kV/mm，有可能引發局部放電。因此，導電顆粒表面的電場強度應該受到關注。

圖16 懸浮導電顆粒表面電場分布云圖

表3和表4分別為懸浮金屬顆粒表面電場強度最大值max2與高度、尺寸的關系。由表可知，隨著和c的變化，max2的值基本保持不變，在27.0～29.0kV/mm的范圍之內。

表3 Emax2與懸浮金屬顆粒高度h的關系

表4 Emax2與懸浮金屬顆粒尺寸dc的關系

圖17給出了懸浮導電顆粒與其所在位置的關系，導電顆粒的尺寸為c=2.0mm，距三支柱絕緣子表面的垂直距離為=1mm。將沿線距離0～350mm內各懸浮導電顆粒的位置依次編號為1～7，得到懸浮導電顆粒表面電場強度最大值max2與位置的關系見表5。

圖17 懸浮導電顆粒位置對絕緣子表面電場的影響

表5 Emax2與懸浮金屬顆粒位置的關系

結合圖17和表5可以看出，懸浮導電顆粒與位置的關系與附著導電顆粒相類似。相比于處于三支柱絕緣子支腿位置的導電顆粒，處于腹部位置的導電顆粒對電場的畸變作用更大，電場的最大值隨著導電顆粒靠近腹部中心而增大。

結合以上仿真分析，可以看出，當金屬微粒存在時，尤其是金屬微粒附著于絕緣子表面，附著位置的電場強度將大幅度提高。同時，在電場力的作用下，金屬微粒還有可能在電極間跳動，縮短絕緣子沿面的有效絕緣距離[22]，誘發局部放電甚至是擊穿。因此，金屬微粒缺陷是SF6絕緣設備故障的常見問題，在GIL的質量控制上需要受到重點關注。

3 結論

1）三支柱絕緣子嵌件處和中心導體處的界面缺陷有著類似的電場分布規律，界面缺陷的延伸長度越長，缺陷寬度越窄，電場畸變則越嚴重，最大電場強度越高。

2）三支柱絕緣子內部氣泡對電場分布的影響與其尺寸無關，但與位置有關。越靠近低壓端嵌件，氣泡內的電場強度最大值越高。

3）導電顆粒缺陷分為附著導電顆粒和懸浮導電顆粒，這兩種顆粒都會不同程度地畸變電場。附著導電顆粒尺寸對電場強度最大值基本沒有影響，但是其尺寸越大，被畸變的電場范圍越大。懸浮導電顆粒的尺寸c和對其自身表面的電場影響不大，但是c越大，越小，其在三支柱絕緣子表面引發的電場畸變越嚴重。兩種類型的導電顆粒位置對電場影響程度有著相類似的規律，導電顆粒位于絕緣子腹部帶來的危害可能要大于位于絕緣子支腿處。

4）針對各缺陷對電場強度最大值的影響，程度由大到小依次為附著導電顆粒、中心導體氣隙、嵌件界面剝離、懸浮導電顆粒和內部氣泡。

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Simulation on Electric Field Distribution of 1 100kV AC Tri-Post Insulator Influenced by Defects

111221

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. Shandong Electrical Engineering & Equipment Group Co. Ltd Jinan 250022 China）

Defects and conductive particles will seriously distort the electric field distribution of tri-post insulators in GIL, and even lead to breakdown. In this paper, the possible defects and their sources in UHV GIL were analyzed, and the influence of defects, including interface defects, inner void and conductive particles, on the electric field distribution of the tri-post insulator was calculated by the COMSOL Multiphysics software. The results show that interface defects on metal insert and center conductor surface have the similar effects. The longer and thinner the interface defects are, the higher the maximum value of field is. As for the inner voids, the size seems to have small impact on the electric field distribution, but the location closer to the metal insert has more damage to the insulation. Attached conductive metal particles can significantly enhance the electric field, but has influence on the maximum electric field value, and the larger the size, the larger the range of electric field distortion. The larger size and shorter height of suspended conductive particles cause more serious distortion, and the maximum value of field strength increases when the particles are closer the sphere zone. Among the defects, conductive particles are the most harmful to insulation, followed by interface defects.

Ultra high voltage, gas insulated metal enclosed transmission line, tri-post insulator, interface defects, inner void, conductive particle

TM216

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90194

國家電網公司科技資助項目（SGZJ0000KXJS1900410）。

2020-06-30

2020-10-06

劉 鵬 男，1979年生，副教授，博士生導師，研究方向為高端交/直流套管關鍵技術、特高壓GIL關鍵技術、電力設備絕緣結構優化設計及多物理場仿真等。

E-mail: haoranwang0729@foxmail.com

吳澤華 男，1995年生，博士研究生，研究方向為特高壓交/直流GIS/GIL關鍵技術、電力設備絕緣結構設計及優化等。

E-mail: zehua_wu@qq.com（通信作者）

（編輯 崔文靜）