張勇，劉渝根，胡振興，齊春，宋兆非

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)公司西南電力設(shè)計(jì)院，成都市 610021;2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶市 400044)

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小容量發(fā)電機(jī)出口斷路器及饋線斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓仿真研究

張勇1，劉渝根2，胡振興1，齊春1，宋兆非1

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)公司西南電力設(shè)計(jì)院，成都市 610021;2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶市 400044)

國內(nèi)外學(xué)者論證了大容量發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器(generator circuit breaker，GCB)的必要性，而對小容量(≤30 MW)發(fā)電機(jī)出口及發(fā)電廠內(nèi)饋線是否也應(yīng)裝設(shè)GCB并沒有進(jìn)行深入研究。利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC計(jì)算分析了在開斷條件最惡劣的三相短路故障情況下，12～30 MW小容量發(fā)電機(jī)出口斷路器及饋線斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓(transient recovery voltage，TRV)，并從TRV上升率的角度出發(fā)，確定普通配電型斷路器是否可以替代GCB安裝在發(fā)電機(jī)出口及廠用電饋線處。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)電機(jī)出線端及廠用電饋線中分別發(fā)生三相短路故障時(shí)，斷路器TRV上升率均未超過0.34 kV/μs，普通配電型斷路器可以替代GCB安裝在小容量發(fā)電機(jī)出口及廠用電饋線處。

小容量發(fā)電機(jī)；饋線；普通配電型斷路器；發(fā)電機(jī)斷路器；三相短路故障；瞬態(tài)恢復(fù)電壓

0 引 言

近年來，隨著新能源技術(shù)的蓬勃發(fā)展，小容量發(fā)電機(jī)組(容量≤30 MW)也得到了廣泛的應(yīng)用。有關(guān)學(xué)者已論證了大容量發(fā)電機(jī)組出口裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器(generator circuit breaker，GCB)的必要性[1-5]，但是對于小容量發(fā)電機(jī)組出口是否也應(yīng)裝設(shè)GCB并沒有進(jìn)行深入的研究，同時(shí)也沒有說明連接在發(fā)電機(jī)母線段的廠用電饋線中采用普通配電型斷路器是否安全可靠。

由于靠近發(fā)電機(jī)回路，發(fā)電機(jī)出口斷路器及廠用電饋線斷路器開斷時(shí)瞬態(tài)恢復(fù)電壓(transient recovery voltage，TRV)上升率較高[6-9]。GB/T 14824—2008規(guī)定：對于額定電壓為12 kV的斷路器，由系統(tǒng)源提供短路電流時(shí)，TRV上升率的標(biāo)準(zhǔn)值為3.5 kV/μs；由發(fā)電機(jī)源提供短路電流時(shí)，TRV上升率的標(biāo)準(zhǔn)值為1.6 kV/μs。普通配電型斷路器僅能滿足TRV上升率為0.34 kV/μs的情況，因此不適合安裝在TRV上升率較高的發(fā)電機(jī)回路中。

因?yàn)榧夹g(shù)和材料的改進(jìn)，普通配電型斷路器逐漸適應(yīng)于開斷條件更為苛刻的場合[10-11]。因此對于設(shè)計(jì)人員來說，一般采用改進(jìn)的配電型斷路器安裝在發(fā)電機(jī)出口及廠用電饋線處。但是改進(jìn)的配電型斷路器在設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮了斷路器開斷直流分量的能力，而沒有考慮斷路器開斷后的瞬態(tài)恢復(fù)電壓。而斷路器的TRV上升率過大會影響到斷路器的開斷能力，從而導(dǎo)致斷路器發(fā)生故障[12-14]。同樣由于制造工藝和所采用材料的不同，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)斷路器和普通配電型斷路器的價(jià)格相差很大：每臺GCB價(jià)格為70萬元，而每臺配電型斷路器價(jià)格僅為12萬元。

從技術(shù)角度看，發(fā)電機(jī)出口及廠用電饋線中安裝GCB更能確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行；從經(jīng)濟(jì)角度看，發(fā)電機(jī)出口及廠用電饋線中安裝普通配電型斷路器更為合理。因此本文對小容量(≤30 MW)發(fā)電機(jī)出口斷路器和廠用電饋線斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓進(jìn)行仿真研究，從TRV上升率的角度出發(fā)，確定在何種條件下普通配電型斷路器可以替代GCB安裝在發(fā)電機(jī)出口及廠用電饋線處。為設(shè)計(jì)人員及用戶選擇發(fā)電機(jī)出口斷路器及廠用電饋線斷路器提供參考，具有十分重大的工程意義。

1 仿真模型的建立

1.1 斷路器模型

本文用非線性電阻來模擬饋線斷路器的動態(tài)狀況，即通過搭建控制系統(tǒng)控制非線性電阻值，來模擬斷路器處于合閘、穩(wěn)態(tài)燃弧、熄弧斷開時(shí)的狀態(tài)。

斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，其主回路電阻很小[15]。上海通用電氣開關(guān)有限公司提供的斷路器產(chǎn)品說明書中表明：不同型號的斷路器主回路電阻值為40～60 μΩ。為不失一般性，本文取為50 μΩ。

斷路器在操動機(jī)構(gòu)的作用下，動、靜觸頭開始分離，此時(shí)兩觸頭間產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)燃燒的電弧。文獻(xiàn)[16]表明穩(wěn)態(tài)燃弧階段弧阻基本為恒定值，其大小與回路的振蕩頻率有關(guān)，阻值為0.5～5.0 Ω。為不失一般性，本文取為2 Ω。

電弧電流過零瞬間，外界電路向電弧提供的能量小于電弧散失的能量，從而進(jìn)入熄弧階段[17-19]。這個過程可以用Mayr-Schwarz模型描述：

(1)

式中：u(t)是電弧電壓，V；i(t)是電弧電流，A；G是電弧電導(dǎo)，S；P0是電弧散熱功率，W；τ是時(shí)間常數(shù)，s。

根據(jù)典型的12 kV斷路器開斷實(shí)驗(yàn)所獲得的零區(qū)波形，利用最小函數(shù)法可計(jì)算出電弧模型中各參數(shù)的取值：α=0.14，β=0.30，τ=10 μs，P0=120 kW。

由式(1)可知，在熄弧階段電弧電阻是非線性的。因此在仿真過程中，斷路器可以用一個非線性電阻來等效代替，該非線性電阻的控制過程如圖1所示。

圖1 非線性電阻控制流程圖Fig.1 Control flow chart of nonlinear resistor

1.2 同步發(fā)電機(jī)模型

在本文的仿真分析中，發(fā)電機(jī)采用的是PSCAD模型庫中的同步發(fā)電機(jī)模型。該模型用諾頓電流源來等效代替同步發(fā)電機(jī)，利用發(fā)電機(jī)的額定電壓實(shí)時(shí)計(jì)算三相電流，并注入外部網(wǎng)絡(luò)。為計(jì)算方便，該模型首先把相坐標(biāo)系下的三相電壓轉(zhuǎn)換成dq0坐標(biāo)系下的dq軸繞組端電壓，并通過dq軸等效電路及狀態(tài)空間方程組，計(jì)算出dq0坐標(biāo)系下的電流，并再次轉(zhuǎn)換成相坐標(biāo)系下的三相電流，進(jìn)而注入外部網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)模型原理圖Fig.2 Schematic diagram of generator model

這個模型充分考慮了定子繞組、勵磁繞組及阻尼繞組的暫態(tài)過程，適用于分析發(fā)電機(jī)機(jī)端或變壓器外部故障及故障切除后的暫態(tài)過程。仿真模型中，不同容量的發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 不同容量發(fā)電機(jī)參數(shù)

Table 1 Parameters of generators with different capacities

1.3 系統(tǒng)模型

仿真模型是按照“同步發(fā)電機(jī)-發(fā)電機(jī)母線段-變壓器-系統(tǒng)源”的接線形式建立的，其中發(fā)電機(jī)母線段上帶有3條廠用電饋線。

圖3 仿真模型圖Fig.3 Simulation model

圖3中CB表示發(fā)電機(jī)出口斷路器；電纜型號為ZR-YJV22-12/20 kV-3×240 mm2；CB1、CB2、CB3分別表示3條饋線斷路器；降壓變壓器為Δ-Y接線方式，變比為10.5±2×2.5%/0.4 kV；分別用電阻和電感來模擬等效廠用電饋線所帶負(fù)荷的有功功率和無功功率；升壓變壓器為Δ-Y接線方式，變比為121±8×1.25%/10.5 kV；110 kV系統(tǒng)源用一個理想電壓源串聯(lián)電感的形式進(jìn)行等效，該電感的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Ubase表示系統(tǒng)源的基準(zhǔn)電壓， kV；Psc表示系統(tǒng)源的短路容量， MW；f為電源頻率，Hz。

通過比較發(fā)電機(jī)出口及廠用電饋線中發(fā)生單相接地故障、兩相短路故障、三相短路故障等不同故障情況下的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中發(fā)生三相短路故障時(shí)，斷路器開斷條件最為惡劣。因此本文主要闡述發(fā)電機(jī)出線端及饋線中發(fā)生三相短路故障時(shí)，饋線斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓，其中故障位置如圖3中虛線接地部分所示。

仿真模型中設(shè)定饋線在0.237 s發(fā)生三相短路故障，在繼電保護(hù)及斷路器操動機(jī)構(gòu)動作后，0.302 s時(shí)斷路器兩觸頭間出現(xiàn)電弧。

2 饋線斷路器TRV仿真分析

2.1 發(fā)電機(jī)容量為12 MW時(shí)饋線斷路器TRV仿真分析

以12 MW發(fā)電機(jī)為例，當(dāng)饋線1中發(fā)生三相短路故障時(shí)，三相短路電流及出現(xiàn)在斷路器斷口間的TRV波形如圖4和5所示。

圖4 三相短路電流波形Fig.4 Three-phase short-circuit current waveform

圖5 斷路器斷口間的TRV波形Fig.5 TRV waveform at circuit breaker fracture

圖4表明，三相短路電流的最大值為29.88 kA，無電流延遲過零點(diǎn)狀況。通過對其傅里葉變換可知，短路電流的交流分量有效值為18.32 kA，直流分量百分?jǐn)?shù)為22%。在本文的研究中，當(dāng)發(fā)電機(jī)容量不同時(shí)(≤30 MW)，在饋線發(fā)生三相短路故障后，短路電流的交流分量有效值最大為29.97 kA、直流分量百分?jǐn)?shù)最大為29%。而普通配電型斷路器能夠開斷40 kA、直流分量百分?jǐn)?shù)為35%的短路電流，但其TRV上升率參數(shù)僅為0.34 kV/μs。因此本文在對饋線斷路器的選型中，對斷路器開斷短路電流的能力不再贅敘，而著重從TRV上升率的角度出發(fā)確定饋線斷路器安裝普通配電型斷路器是否安全可靠。

由于B相斷路器電流最先過零使其電弧熄滅，故B相是首開相，其斷口間最先出現(xiàn)瞬態(tài)恢復(fù)電壓；A、C兩相斷路器電弧電流同時(shí)過零，同時(shí)開斷，其斷口間同時(shí)出現(xiàn)瞬態(tài)恢復(fù)電壓，且出現(xiàn)的時(shí)間滯后B相5 ms。三相斷路器斷口間的瞬態(tài)恢復(fù)電壓經(jīng)過2～3 ms的衰減振蕩后，過渡到幅值為7.87 kV的工頻恢復(fù)電壓。改變故障發(fā)生的時(shí)間，使A、C相分別作為首開相，得到的仿真結(jié)果與上述情況類似。

對三相斷路器斷口間的TRV波形進(jìn)行分析計(jì)算后，可得到如表2所示的計(jì)算結(jié)果。B相斷路器TRV波形中的峰值電壓及上升率最大，A、C兩相斷路器TRV波形中的峰值電壓及上升率相接近且略低于首開相斷路器TRV波形中的峰值電壓及上升率；首開相斷路器TRV波形的等值頻率要低于隨后斷開的A、C兩相斷路器TRV波形的等值頻率。這是因?yàn)楫?dāng)B相斷路器開斷后，電路中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致首開相和隨后開斷的兩相斷路器TRV波形的峰值電壓、參考時(shí)間、上升率、等值頻率等參數(shù)不同。由于首開相斷路器TRV上升率最大，最難開斷，因此在后續(xù)的研究中均以首開相為例進(jìn)行說明。

表2 三相斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓計(jì)算結(jié)果

Table 2 TRV calculation results of three-phase circuit breaker

注：表中Uc表示TRV的峰值電壓，t3表示TRV的參考時(shí)間，Uc/t3表示TRV的上升率，f表示TRV的等值頻率。

表2的計(jì)算結(jié)果表明，三相斷路器TRV上升率最大值為0.169 kV/μs(首開相)，要低于額定電壓為12 kV的普通配電型交流斷路器TRV上升率的限值0.34 kV/μs。因此在“同步發(fā)電機(jī)-發(fā)電機(jī)母線段-變壓器-系統(tǒng)源”的主接線形式下，當(dāng)發(fā)電機(jī)容量為12 MW且饋線1中發(fā)生三相短路故障后，普通配電型斷路器可以順利開斷此種工況條件下的短路故障而不發(fā)生重燃現(xiàn)象。即饋線1斷路器可以采用普通配電型斷路器。

由于饋線2、饋線3的電氣結(jié)構(gòu)與饋線1的電氣結(jié)構(gòu)相同，因此當(dāng)饋線2或饋線3中發(fā)生三相短路故障時(shí)，其短路電流及斷路器斷口間的瞬態(tài)恢復(fù)電壓均與饋線1中短路電流及斷路器斷口間的瞬態(tài)恢復(fù)電壓相類似，此處就不再贅敘。因此饋線2斷路器及饋線3斷路器也可以采用普通配電型斷路器。

2.2 發(fā)電機(jī)容量對饋線斷路器TRV的影響分析

當(dāng)發(fā)電機(jī)容量為15，18，20，22，30 MW時(shí)，分別對饋線斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓進(jìn)行仿真分析，其TRV波形參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。從2.1節(jié)的分析結(jié)果可知，首開相斷路器TRV上升率最大，最難開斷。因此本節(jié)在對饋線斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓的仿真研究中，均以首開相為例進(jìn)行說明。

表3 發(fā)電機(jī)容量不同時(shí)斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓計(jì)算結(jié)果

Table 3 TRV calculation results of circuit breaker for generators with different capacities

注：S表示發(fā)電機(jī)的容量。

表3表明，當(dāng)饋線1中發(fā)生三相短路故障時(shí)，隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，首開相斷路器斷口間TRV參考時(shí)間急劇減小，TRV上升率隨之增大。利用編制的matlab程序，繪制出饋線斷路器TRV上升率隨發(fā)電機(jī)容量變化的曲線，如圖6所示。

圖6 TRV上升率與發(fā)電機(jī)容量之間的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between TRV rising rate and generator capacity

由圖6可知，隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，TRV上升率也隨之增大，當(dāng)發(fā)電機(jī)容量為12～30 MW時(shí)，TRV上升率最大值為0.266 6 kV/μs，沒有超過普通配電型斷路器TRV上升率的限值0.34 kV/μs。即在“同步發(fā)電機(jī)-發(fā)電機(jī)母線段-變壓器-系統(tǒng)源”的主接線形式下，當(dāng)發(fā)電機(jī)容量為12～30 MW且饋線1中發(fā)生三相短路故障后，普通配電型斷路器可以順利開斷此種工況條件下的短路故障而不發(fā)生重燃現(xiàn)象，此時(shí)廠用電饋線斷路器可以采用普通配電型斷路器。

3 發(fā)電機(jī)出口斷路器TRV仿真分析

3.1 12 MW發(fā)電機(jī)出口斷路器TRV仿真分析

以12 MW發(fā)電機(jī)為例，當(dāng)發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生三相短路故障時(shí)，三相短路電流及出現(xiàn)在斷路器斷口間的TRV波形如圖7、8所示。

圖7 三相短路電流波形Fig.7 Three-phase short-circuit current waveform

圖8 斷路器斷口間的TRV波形Fig.8 TRV waveform at circuit breaker fracture

由圖7可知，三相短路電流的最大值為13.135 kA，無電流延遲過零點(diǎn)狀況。通過對其傅里葉變換可知，短路電流的交流分量有效值為8.78 kA，直流分量百分?jǐn)?shù)為23%。在本文的研究中，當(dāng)發(fā)電機(jī)容量不同時(shí)(≤30 MW)，在發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生三相短路故障后，短路電流的交流分量有效值最大為16.82 kA、直流分量百分?jǐn)?shù)最大為29%。而普通配電型斷路器能夠開斷40 kA、直流分量百分?jǐn)?shù)為35%的短路電流，但其TRV上升率參數(shù)僅為0.34 kV/μs。因此本文在對發(fā)電機(jī)出口斷路器的選型中，對斷路器開斷短路電流的能力不再贅敘，而著重從TRV上升率的角度出發(fā)確定發(fā)電機(jī)出口斷路器安裝普通配電型斷路器是否安全可靠。

對三相斷路器斷口間的TRV波形進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。三相斷路器TRV上升率最大值為0.122 kV/μs(首開相)，要低于額定電壓為12 kV的配電型交流斷路器TRV上升率的限值0.34 kV/μs。因此在“同步發(fā)電機(jī)-發(fā)電機(jī)母線段-變壓器-系統(tǒng)源”的主接線形式下，當(dāng)12 MW發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生三相短路故障后，普通配電型斷路器可以順利開斷此種工況條件下的短路故障而不發(fā)生重燃現(xiàn)象，即發(fā)電機(jī)出口斷路器可以采用普通配電型斷路器。

表4 三相斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓計(jì)算結(jié)果

Table 4 TRV calculation results of three-phase circuit breaker

3.2 發(fā)電機(jī)容量對斷路器TRV的影響

當(dāng)發(fā)電機(jī)容量為15，18，20，22，30 MW時(shí)，分別對發(fā)電機(jī)出口斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓進(jìn)行仿真分析，其TRV波形參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表5所示。從3.1小節(jié)的分析結(jié)果可知，首開相斷路器TRV上升率最大，最難開斷。因此本小節(jié)在對饋線斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓的仿真研究中，均以首開相為例進(jìn)行說明。

表5 發(fā)電機(jī)容量不同時(shí)斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓計(jì)算結(jié)果

Table 5 TRV calculation results of circuit breaker for generators with different capacities

由表5可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生三相短路故障時(shí)，隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，首開相斷路器斷口間TRV參考時(shí)間急劇減小，TRV上升率隨之增大。當(dāng)發(fā)電機(jī)容量為12～30 MW時(shí)，TRV上升率最大值為0.1981 kV/μs，沒有超過普通配電型斷路器TRV上升率的限值0.34 kV/μs。即在“同步發(fā)電機(jī)-發(fā)電機(jī)母線段-變壓器-系統(tǒng)源”的主接線形式下，當(dāng)發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生三相短路故障后，普通配電型斷路器可以順利開斷此種工況條件下的短路故障而不發(fā)生重燃現(xiàn)象。因此小容量(≤30 MW)發(fā)電機(jī)出口斷路器可以采用普通配電型斷路器。

4 結(jié) 論

(1)在“同步發(fā)電機(jī)-發(fā)電機(jī)母線段-變壓器-系統(tǒng)源”的主接線形式下，隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，饋線斷路器TRV上升率也隨之增大。當(dāng)發(fā)電機(jī)容量在30 MW以下時(shí)，饋線斷路器TRV上升率最大值為0.266 6 kV/μs，沒有超過0.34 kV/μs，廠用電饋線斷路器可以采用普通配電型斷路器。

(2)在“同步發(fā)電機(jī)-發(fā)電機(jī)母線段-變壓器-系統(tǒng)源”的主接線形式下，隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，發(fā)電機(jī)出口斷路器TRV上升率也隨之增大。當(dāng)發(fā)電機(jī)容量在30 MW以下時(shí)，發(fā)電機(jī)出口斷路器TRV上升率最大值為0.1981 kV/μs，沒有超過0.34 kV/μs，發(fā)電機(jī)出口斷路器可以采用普通配電型斷路器。

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(編輯：張小飛)

Simulation Research on Transient Recovery Voltage of Outlet Circuit Breaker in Small Capacity Generator and Feeder Circuit Breaker

ZHANG Yong1, LIU Yugen2, HU Zhenxing1, QI Chun1, SONG Zhaofei1

(1.China Power Engineering Consulting (Group) Corporation Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China; 2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Scholars have demonstrated the necessity of installing generator circuit breaker (GCB) in large capacity generator terminal, but they did not make in depth study on whether GCB should be installed in small capacity generator (≤30 MW) terminal or feeder line.So in this paper, transient recovery voltage (TRV) of circuit breaker in small capacity generator(12-30 MW)terminal and feeder line was researched with using electromagnetic transient program PSCAD/EMTDC, under three-phase short circuit fault in the worst breaking condition.Then, this paper determined whether distribution circuit breaker could replace GCB to be installed at generator terminal or feeder line.The calculation results show that when three-phase short circuit fault occurs in generator terminal or feeder line, respectively, the TRV rising rate of circuit breaker is no more than 0.34 kV / μs, thus distribution circuit breaker can replace GCB to be installed at generator terminal and feeder line.

small capacity generator; feeder; distribution circuit breaker; generator circuit breaker; three-phase short circuit fault; transient recovery voltage

國家創(chuàng)新研究群體基金(51021005)。

TM 864

A

1000-7229(2015)03-0082-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.014

2014-10-25

2014-12-25

張勇(1983)，男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)工作；

劉渝根(1963)，男，碩士，教授，主要從事電力系統(tǒng)過電壓與接地技術(shù)的研究工作；

胡振興(1980)，男，工學(xué)學(xué)士，高工，主要從事發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)工作；

齊春(1963)，男，工學(xué)學(xué)士，教授級高工，主要從事發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)工作；

宋兆非(1988)，男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要從事發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)工作。