CN107315888A - 一种适用于断路器的热点温度分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于断路器的热点温度分析方法，所述断路器为瓷柱式断路器，包括：采集所述断路器所处环境的环境温度、环境风速、环境湿度以及所述断路器的接触电阻；根据所述环境温度、所述环境风速、所述环境湿度以及所述接触电阻构建一热路模型，根据所述热路模型处理得到所述断路器的热点温度。本发明的有益效果：考虑环境温度、环境风速、环境湿度、接触电阻等因素的影响建立断路器热路模型，使得计算结果更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种适用于断路器的热点温度分析方法。
背景技术
温升及热点温度分析在研究区域电网动态增容方面是一项关键的研究要素，断路器作为区域电网的重要变电设备，在做系统增容运行之前，必须精确地计算其热点温度，保证关键部位温度不超过国家标准所规定的数值。瓷柱式断路器是一种常见的断路器，瓷柱式短路器的结构包括灭弧室、瓷套管、法兰、上法兰接线板以及下法兰接线板，瓷柱式断路器采用SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质。
目前，断路器的热点分析方法主要使用数值仿真计算方法和热路模型计算方法，热路模型计算方法较数值仿真分析方法，模型简单，计算量较少，能够在采集数据之后快速计算，但不足的是当前建立的热路模型当中都没有考虑环境温度、风速、SF6气压等综合因素的影响，导致计算结果不够准确。
发明内容
针对现有的热路模型计算方法存在计算结果不准确的问题，本发明提供了一种提高计算结果准确率的适用于断路器的热点温度分析方法。
本发明采用如下技术方案：
一种适用于断路器的热点温度分析方法，所述断路器为瓷柱式断路器，所述热点温度分析方法包括：
步骤S1、采集所述断路器所处环境的环境温度、环境风速、环境湿度以及所述断路器的接触电阻；
步骤S2、根据所述环境温度、所述环境风速、所述环境湿度以及所述接触电阻构建一热路模型，根据所述热路模型处理得到所述断路器的热点温度。
优选的，所述瓷柱式断路器包括SF6灭弧室、瓷套管、法兰、上法兰接线板以及下法兰接线板，所述瓷柱式断路器采用SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质。
优选的，所述步骤S2包括：
步骤S21、采用一第一处理单元处理得到所述断路器的总热损耗；
步骤S22、采用一第二处理单元处理得到所述断路器的总热阻；
步骤S23、采用一第三处理单元，所述第三处理单元根据所述环境温度、所述环境风速、所述环境湿度、所述接触电阻、所述总热损耗以及所述总热阻构建一所述热路模型；
步骤S24、根据所述热路模型处理得到所述断路器的热点温度。
优选的，所述步骤S22包括：
步骤S221、采用一第四处理单元处理得到所述瓷套管内表面的第一热阻；
步骤S222、采用一第五处理单元处理得到所述瓷套管外表面的第二热阻；
步骤S223、采用一第六处理单元处理得到所述瓷套管外表面到外部空气的第三热阻；
步骤S224、采用一第七处理单元处理得到所述上法兰接线板和所述法兰到所述外部空气的第四热阻；
步骤S225、采用一第八处理单元处理得到所述下法兰接线板和所述法兰到所述外部空气的第五热阻；
步骤S226、采用一第九处理单元，所述第九处理单元根据所述第一热阻、所述第二热阻、所述第三热阻、所述第四热阻及所述第五热阻处理得到所述总热阻。
优选的，所述步骤S223中，所述第六处理单元采用下述公式处理得到所述第三热阻：
其中，
Rce-air用于表示所述第三热阻；
π用于表示圆周率；
α用于表示所述瓷套管外表面等效面积比例系数；
d用于表示所述瓷套管的外径；
l用于表示一预设的参数值；
K用于表示所述断路器所处的外部空气的对流换热系数。
优选的，所述步骤S223中，采用一第十处理单元，根据一函数模型对所述环境温度、环境风速以及所述环境湿度进行处理以得到所述对流换热系数；
获取所述函数模型的具体步骤如下：
步骤A1、获取所述环境温度、所述环境风速及所述环境湿度；
步骤A2、通过预设的仿真计算规则处理得到换热热量；
步骤A3、根据所述换热热量和预设的换热系数计算规则处理得到所述对流换热系数；
步骤A4、将所述环境温度、所述环境风速及所述环境湿度作为输入向量，将所述对流换热系数作为输出向量，通过所述输入向量和所述输出向量构建一数据集；
步骤A5、将所述数据集分为两组数据，一组数据作为训练样本，另一组数据作为预测样本，通过所述训练样本处理得到所述函数模型，通过所述预测样本对所述函数模型进行修正以得到修正后的所述函数模型。
优选的，所述步骤A3中，采用下述公式处理得到所述对流换热系数：
Q′＝Kα·ΔT；
其中，
Q′用于表示所述换热热量；
K用于表示所述对流换热系数；
α用于表示所述瓷套管外表面等效面积比例系数；
ΔT用于表示所述瓷套管外表面与所述环境温度之间的差值。
优选的，所述步骤A4中，将所述输入向量和所述输出向量进行归一化处理后构建所述数据集。
优选的，所述步骤A5包括：
步骤A51、根据所述训练样本确定所述对流换热系数的最优区间；
步骤A52、确定所述对流换热系数的取值；
步骤A53、判断所述对流换热系数是否满足精度：
若判断结果为是，则转步骤A55；
若判断结果为否，则转步骤A54；
步骤A54、判断是否达到最大迭代次数：
若判断结果为是，则转步骤A55；
若判断结果为否，则转步骤A52；
步骤A55、根据所述对流换热系数的最优区间处理得到所述函数模型；
步骤A56、根据所述预测样本中的所述环境温度、所述环境风速及所述环境湿度和所述函数模型处理得到所述对流换热系数；
步骤A57、根据所述对流换热系数处理得到待验证换热热量；
步骤A58、判断所述待验证换热热量和所述换热热量之间的误差的绝对值是否小于换热热量的10％：
若判断结果为正，则所述函数模型为修正后的所述函数型；
若判断结果为否，则转步骤A51。
本发明的有益效果是：考虑环境温度、环境风速、环境湿度、接触电阻等因素的影响建立断路器热路模型，使得计算结果更加精确。
附图说明
图1为本发明的一种优选实施例中，适用于断路器的热点温度分析方法的流程图；
图2为本发明的一种优选实施例中，短路器的热路模型；
图3为本发明的一种优选实施例中，步骤S2的流程图；
图4为本发明的一种优选实施例中，步骤S22的流程图；
图5为本发明的一种优选实施例中，获取函数模型的流程图；
图6为本发明的一种优选实施例中，步骤A5的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
如图1所示，一种适用于断路器的热点温度分析方法，上述断路器为瓷柱式断路器，上述热点温度分析方法包括：
步骤S1、采集上述断路器所处环境的环境温度、环境风速、环境湿度以及上述断路器的接触电阻；
上述瓷柱式断路器包括圆柱形导体、SF6灭弧室、瓷套管、法兰、上法兰接线板以及下法兰接线板，上述瓷柱式断路器采用SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质，圆柱形导体、SF6灭弧室、瓷套管、法兰、上法兰接线板以及下法兰接线板均为现有技术。
在本实施例中，考虑环境温度、环境风速、环境湿度、接触电阻等因素的影响建立断路器热路模型，使得计算结果更加精确。
本发明较佳的实施例中，如图2-3所示，其中，图2为断路器热路模型示意图，断路器的热量流散路径如图2所示；图3为步骤S2的流程图。
上述步骤S2包括：
步骤S21、采用一第一处理单元处理得到上述断路器的总热损耗Q；
步骤S22、采用一第二处理单元处理得到上述断路器的总热阻R；
步骤S23、采用一第三处理单元，上述第三处理单元根据上述环境温度、上述环境风速、上述环境湿度、上述接触电阻、上述总热损耗Q以及上述总热阻R构建一上述热路模型；
步骤S24、根据上述热路模型处理得到上述断路器的热点温度。
在本实施例中，可以根据热路模型处理得到断路器的最高热点温度，第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元可集成于同一硬件设备(如同一处理器)中。
本发明较佳的实施例中，采用下述公式(1)表示上述热路模型：
Ts＝QR-Te； (1)
其中，
Ts用于表示上述热点温度；
Q用于表示上述断路器的总热损耗；
R用于表示上述断路器的总热阻；
Te用于表示上述环境温度。
如图4所示，本发明较佳的实施例中，上述步骤S22包括：
步骤S221、采用一第四处理单元处理得到上述瓷套管内表面的第一热阻RSF6；
步骤S222、采用一第五处理单元处理得到上述瓷套管外表面的第二热阻Rce；
步骤S223、采用一第六处理单元处理得到上述瓷套管外表面到外部空气的第三热阻Rce-air；
步骤S224、采用一第七处理单元处理得到上述上法兰接线板和上述法兰到上述外部空气的第四热阻Rt-air；
步骤S225、采用一第八处理单元处理得到上述下法兰接线板和上述法兰到上述外部空气的第五热阻Rb-air；
步骤S226、采用一第九处理单元，上述第九处理单元根据上述第一热阻RSF6、上述第二热阻Rce、上述第三热阻Rce-air、上述第四热阻Rt-air及上述第五热阻Rb-air处理得到上述总热阻R；
第一到第九处理单元均可集成在同一硬件设备(如同一处理器)中其中，采用下述公式(2)表示R：
R＝(RSF6+Rce+Rce-air)||Rt-air||Rb-air； (2)
其中，
RSF6用于表示上述SF6气体到上述瓷套管内表面的热阻；
Rce用于表示上述瓷套管内表面到上述瓷套管外表面的热阻；
Rce-air用于表示上述瓷套管外表面到外部空气的热阻；
Rt-air用于表示上述上法兰接线板和上述法兰到上述外部空气的热阻；
Rb-air用于表示上述下法兰接线板和上述法兰到上述外部空气的热阻。
进一步的，采用下述公式(3)表示RSF6：
RSF6＝RSF6-c||RSF6-r； (3)
其中，
RSF6-c用于表示上述SF6气体对流换热热阻；
RSF6-r用于表示上述SF6气体到上述瓷套管内表面的辐射热阻。
进一步的，采用下述公式(4)表示RSF6-c：
其中，
Q1用于表示对流换热过程中所交换的热量；
T2用于表示圆形导电体温度，单位为K；
T1用于表示上述瓷套管内表面的温度，单位为K。
进一步的，采用下述公式(5)表示Q1：
其中，
g＝9.8m/s2，为万有引力常数；
β用于表示上述SF6气体在特定温度下的热膨胀系数，单位为K－1；
p用于表示上述SF6气体的气体压力；
μ用于表示上述SF6气体在特定温度下的动力粘度，单位为kg/(m·s)；
Cp用于表示上述SF6气体在特定温度下的比热容，单位为J/(kg·K)；
v用于表示上述SF6气体在特定温度下的运动粘度，单位为m2/s；
d1用于表示上述瓷套管的内径，单位为m；
d2用于表示表示上述圆形导电体的外径，单位为m；
L用于表示上述灭弧室的长度，单位为m；
λ用于表示上述SF6气体在特定温度下的导热系数，单位为W/(m·K)；
T2用于表示圆形导电体温度，单位为K；
T1用于表示上述瓷套管内表面的温度，单位为K。
进一步的，采用下述公式(6)表示RSF6-r：
其中，
T1用于表示上述瓷套管内表面的温度，单位为K；
T2用于表示上述圆形导电体的温度，单位为K；
Q2用于表示辐射换热过程中所交换的热量。
进一步的，采用下述公式(7)表示上述Q2：
其中：
π用于表示圆周率；
T1用于表示上述瓷套管内表面的温度，单位为K；
T2用于表示上述圆形导电体的温度，单位为K；
d1用于表示上述瓷套管的内径，单位为m；
d2用于表示表示上述圆形导电体的外径，单位为m；
ε1用于表示上述瓷套管内表面的黑度；
ε2用于表示上述圆形导电体表面的黑度。
进一步的，采用下述公式(8)表示Rce：
其中，
π用于表示圆周率；
r1用于表示上述瓷套管内表面的半径，单位为m；
r2用于表示上述瓷套管外表面的半径，单位为m；
λT用于表示上述瓷套管的陶瓷热导率，单位为W/(m·K)；
L用于表示上述瓷套管的套管长度，单位为m。
本发明较佳的实施例中，上述步骤S223中，上述第六处理单元采用下述公式(9)处理得到上述第三热阻Rce-air：
其中，
π用于表示圆周率；
α用于表示上述瓷套管外表面等效面积比例系数；
d用于表示上述瓷套管的外径，单位为m；
l用于表示一预设的参数值；
K用于表示上述外部空气的对流换热系数；
α、d、l为固定值，Rce-air的取值主要取决于K，K随环境温度、环境风速及环境湿度的变化而变化。
如图5所示，本发明较佳的实施例中，上述步骤S223中，采用一第十处理单元，根据一函数模型对上述环境温度、环境风速以及上述环境湿度进行处理以得到上述对流换热系数；
获取上述函数模型的具体步骤如下：
步骤A1、获取上述环境温度Te、上述环境风速v及上述环境湿度s；
步骤A2、通过预设的仿真计算规则处理得到换热热量Q’；
步骤A3、根据上述换热热量Q’和预设的换热系数计算规则处理得到上述对流换热系数K；
步骤A4、将上述环境温度Te、上述环境风速v及上述环境湿度s作为输入向量，将上述对流换热系数K作为输出向量，通过上述输入向量和上述输出向量构建一数据集；
步骤A5、将上述数据集分为两组数据，一组数据作为训练样本，另一组数据作为预测样本，通过上述训练样本处理得到上述函数模型，通过上述预测样本对上述函数模型进行修正以得到修正后的上述函数模型；利用数值方法对函数模型进行修正，进而对热路模型进行修正，使得计算结果更加精确。
上述步骤A4中，将上述输入向量和上述输出向量进行归一化处理后构建上述数据集。
在本实施例中，将环境温度Te、环境风速v、环境湿度s作为输入向量，将对流换热系数K作为输出向量，通过支持向量机泛得出K与Te、v、s的函数关系。其中，环境温度Te、环境风速v、环境湿度s可通过微气象站测试得出，Q’可通过仿真计算得出。
进一步的，上述步骤A3中，采用下述公式(10)处理得到上述对流换热系数：
Q′＝Kα·ΔT； (10)
其中，
Q′用于表示上述换热热量；
K用于表示上述对流换热系数；
α用于表示上述瓷套管外表面等效面积比例系数；
ΔT用于表示上述瓷套管外表面与上述环境温度之间的差值。
进一步的，采用下述公式(10)表示K：
其中，
用于表示上述瓷套管外表面与上述外部空气对流的平均努塞尔数；
λair用于表示上述外部空气的空气导热率；
Te用于表示上述环境温度；
v用于表示上述SF6气体在特定温度下的运动粘度；
s用于表示上述环境湿度；
b用于表示一预设的参数值。
进一步的，采用下述公式(12)表示上述
其中，
c用于表示一预设的参数值；
Red用于表示雷诺数；
Pr用于表示普朗特数。
进一步的，采用下述公式(13)表示上述Red：
其中，
ρair用于表示上述外部空气的空气密度，单位为kg/m3；
V用于表示上述环境风速，单位为m/s；
d用于表示一预设的参数值；
μair用于表示一预设的参数值。
在不同温度下，空气的动力粘度不同：
当T<283时，μair＝14.16×10(-6)，Pr＝0.705，λair＝2.51×10(-2)，ρair＝1.247；
当T<293时，μair＝15.06×10(-6)，Pr＝0.703，λair＝2.59×10(-2)，ρair＝1.205；
当T<303时，μair＝16.00×10(-6)，Pr＝0.701，λair＝2.67×10(-2)，ρair＝1.165；
当T<313时，μair＝16.96×10(-6)，Pr＝0.699，λair＝2.76×10(-2)，ρair＝1.128；
除此之外，μair＝16.96×10(-6)，Pr＝0.698，λair＝2.83×10(-2)，ρair＝1.1；
其中，c、n可以查表得到，Red在数值在不同范围时，c、n的取值不同。
如图6所示，本发明较佳的实施例中，上述步骤A5包括：
步骤A51、根据上述训练样本确定上述对流换热系数的最优区间；
步骤A52、确定上述对流换热系数的取值；
步骤A53、判断上述对流换热系数是否满足精度(此处是否满足精度的判断条件为对流换热系数是否接近无穷小，若是则，满足精度，若否，则不满足精度)：
若判断结果为是，则转步骤A55；
若判断结果为否，则转步骤A54；
步骤A54、判断是否达到最大迭代次数：
若判断结果为是，则转步骤A55；
若判断结果为否，则转步骤A52；
步骤A55、根据上述对流换热系数的最优区间处理得到上述函数模型；
步骤A56、根据上述预测样本中的上述环境温度、上述环境风速及上述环境湿度和上述函数模型处理得到上述对流换热系数；
步骤A57、根据上述对流换热系数处理得到待验证换热热量；
步骤A58、判断上述待验证换热热量和上述换热热量之间的误差的绝对值是否小于换热热量的10％：
若判断结果为正，则上述函数模型为修正后的上述函数型；
若判断结果为否，则转步骤A51。
本发明较佳的实施例中，Rt-air为上述上法兰接线板及上述法兰表面对流换热热阻与辐射换热热阻并联，分别采用下述公式(14)和(15)表示上述法兰表面对流换热热阻和上述辐射换热热阻：
其中，
R11用于表示上述对流换热热阻；
π用于表示圆周率；
d用于表示一预设的参数值；
K1用于表示散热系数；
R12用于表示上述辐射换热热阻；
Ts用于表示上述热点温度；
Te用于表示上述环境温度；
Qt-air用于表示上法兰向空气辐射换热过程中交换的热量。
进一步的，采用下述公式(16)表示上述K1：
其中，
用于表示上述法兰表面对空气对路的平均努塞尔数；
Qt-air用于表示上法兰向空气辐射换热过程中交换的热量；
ε用于表示接线板与上述法兰外表面发射率；
A1用于表示等效散热面积。
本发明较佳的实施例中，Rb-air为上述上法兰接线板及上述法兰表面对流换热热阻R21与辐射换热热阻R22并联，分别采用下述公式(19)和(20)表示R21和R22；
其中，
Qb-air为下法兰向空气辐射换热过程中交换的热量；
A2为等效散热面积。
本发明较佳的实施例中，采用下述公式(22)表示上述Q：
Q＝I2R； (22)
其中，
R≈Rc+Rb； (23)
Rb＝R20[1+4.33(Te-20)]； (24)
Rc为上述接触电阻；
Rb为导体电阻；
R20为导体在20℃的直流电阻；
I为当前运行电流。
本申请中的所有处理单元均可集成在同一硬件设备(如同一处理器)中，上述所有参数的计算均可通过该硬件设备处理得到。
通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。
Claims (9)
1.一种适用于断路器的热点温度分析方法，所述断路器为瓷柱式断路器，其特征在于，所述热点温度分析方法包括：
步骤S1、采集所述断路器所处环境的环境温度、环境风速、环境湿度以及所述断路器的接触电阻；
步骤S2、根据所述环境温度、所述环境风速、所述环境湿度以及所述接触电阻构建一热路模型，根据所述热路模型处理得到所述断路器的热点温度。
2.如权利要求1所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述瓷柱式断路器包括SF6灭弧室、瓷套管、法兰、上法兰接线板以及下法兰接线板，所述瓷柱式断路器采用SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质。
3.如权利要求2所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21、采用一第一处理单元处理得到所述断路器的总热损耗；
步骤S22、采用一第二处理单元处理得到所述断路器的总热阻；
步骤S23、采用一第三处理单元，所述第三处理单元根据所述环境温度、所述环境风速、所述环境湿度、所述接触电阻、所述总热损耗以及所述总热阻构建一所述热路模型；
步骤S24、根据所述热路模型处理得到所述断路器的热点温度。
4.如权利要求3所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述步骤S22包括：
步骤S221、采用一第四处理单元处理得到所述瓷套管内表面的第一热阻；
步骤S222、采用一第五处理单元处理得到所述瓷套管外表面的第二热阻；
步骤S223、采用一第六处理单元处理得到所述瓷套管外表面到外部空气的第三热阻；
步骤S224、采用一第七处理单元处理得到所述上法兰接线板和所述法兰到所述外部空气的第四热阻；
步骤S225、采用一第八处理单元处理得到所述下法兰接线板和所述法兰到所述外部空气的第五热阻；
步骤S226、采用一第九处理单元，所述第九处理单元根据所述第一热阻、所述第二热阻、所述第三热阻、所述第四热阻及所述第五热阻处理得到所述总热阻。
5.如权利要求4所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述步骤S223中，所述第六处理单元采用下述公式处理得到所述第三热阻：
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<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mi>&pi;</mi>
<mi>d</mi>
<mi>l</mi>
<mi>K</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，
Rce-air用于表示所述第三热阻；
π用于表示圆周率；
α用于表示所述瓷套管外表面等效面积比例系数；
d用于表示所述瓷套管的外径；
l用于表示一预设的参数值；
K用于表示所述断路器所处的外部空气的对流换热系数。
6.如权利要求5所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述步骤S223中，采用一第十处理单元，根据一函数模型对所述环境温度、环境风速以及所述环境湿度进行处理以得到所述对流换热系数；
获取所述函数模型的具体步骤如下：
步骤A1、获取所述环境温度、所述环境风速及所述环境湿度；
步骤A2、通过预设的仿真计算规则处理得到换热热量；
步骤A3、根据所述换热热量和预设的换热系数计算规则处理得到所述对流换热系数；
步骤A4、将所述环境温度、所述环境风速及所述环境湿度作为输入向量，将所述对流换热系数作为输出向量，通过所述输入向量和所述输出向量构建一数据集；
步骤A5、将所述数据集分为两组数据，一组数据作为训练样本，另一组数据作为预测样本，通过所述训练样本处理得到所述函数模型，通过所述预测样本对所述函数模型进行修正以得到修正后的所述函数模型。
7.如权利要求6所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述步骤A3中，采用下述公式处理得到所述对流换热系数：
Q′＝Kα·ΔT；
其中，
Q′用于表示所述换热热量；
K用于表示所述对流换热系数；
α用于表示所述瓷套管外表面等效面积比例系数；
ΔT用于表示所述瓷套管外表面与所述环境温度之间的差值。
8.如权利要求7所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述步骤A4中，将所述输入向量和所述输出向量进行归一化处理后构建所述数据集。
9.如权利要求7所述的热点温度分析方法，其特征在于，所述步骤A5包括：
步骤A51、根据训练样本确定对流换热系数的最优区间；
步骤A52、确定对流换热系数的取值；
步骤A53、判断对流换热系数是否满足精度：
若判断结果为是，则转步骤A55；
若判断结果为否，则转步骤A54；
步骤A54、判断是否达到最大迭代次数：
若判断结果为是，则转步骤A55；
若判断结果为否，则转步骤A52；
步骤A55、根据对流换热系数的最优区间处理得到函数模型；
步骤A56、根据预测样本中的环境温度、环境风速及环境湿度和函数模型处理得到对流换热系数；
步骤A57、根据对流换热系数处理得到待验证换热热量；
步骤A58、判断待验证换热热量和换热热量之间的误差的绝对值是否小于换热热量的10％：
若判断结果为正，则函数模型为修正后的函数型；
若判断结果为否，则转步骤A51。
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