CN109038865B - 应用于电缆附件的测温装置及其取电模块、开关电源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于电缆附件的测温装置及其取电模块、开关电源电路，涉及电缆接头性能检测技术领域，包括储能元件，耦接于电压输入端，用于存储从电压输入端获取的电能；控制组件，并联于储能元件，用于控制可控硅D1的控制控制极通断电；可控硅D1，其控制极耦接于所述控制组件，阳极耦接于电压输入端；电流电压储能组件，其耦接于可控硅D1的阴极和电压输出端，用于缓存输出电压和电流；储能元件充放电循环，可使得电压输出端输出降压后的振荡电压；通过开关电源电路中，储能元件和稳压二极管D2并联设置，能对输出的电压进行降压，提高给负载供电的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电缆接头性能检测技术领域，更具体地说，它涉及一种应用于电缆附件的测温装置及其取电模块、开关电源电路。
背景技术
随着城市建设水平提高，各种线缆都要求走地下通道，所以配网供电线路越来越多的采用电缆供电。随着电缆使用率越来越高，电缆产生的故障数量也越来越多，而电缆故障将直接影响到用户的供电，并带来极大的社会影响。电缆的故障数量中三分之一是由于电缆附件质量问题造成的。
电缆附件质量问题，主要有绝缘问题，接触不良问题等，但是其现象都是电缆附件安装部位内部逐渐开始发热，绝缘逐步破坏。如果能及时监控电缆附件内部的温度变化情况，将有助于及时发现电缆附件的故障隐患，提高电网安全运行水平。
但是电缆附件内部空间很小，而且对金属的外型要求极高，不能产生额外的尖端放电或者是电场的畸变而破坏内部绝缘。目前，一般采用红外热成像仪观察外部的温度变化情况，也有部分电力部门采用电缆附件外壳布置温度传感器，实时采集电缆附件外壳温度变化情况。但通过热成像仪查询电缆附件运行温度或者在电缆附件外部布置温度传感器的实际效果非常差。其原因是：第一，大部分运行设备都有柜门进行封闭，并进行有电闭锁，带电情况下无法打开柜门，造成热成像仪无法使用；第二，电缆附件全部采用硅橡胶材料做为绝缘材料，厚度达到1-2cm，而硅橡胶是一种很好的隔热材料，因此内部产生的热量无法传导到外部，热成像仪或者温度传感器观测到的外部温度和实际内部温度差距很大。因此，传统的技术手段无法精确地监测到电缆附件内部的温度变化情况，从而无法及时发现电缆附件的故障隐患，电网运行安全稳定性较低。
如授权公告号为CN202454744U的中国实用新型专利公开了一种带温度传感器的全绝缘式电缆附件，其包括电缆适配器、接线端子、设备套管和绝缘塞，电缆适配器内套设电缆，电缆的导线端与接线端子连接，接线端子由双头螺栓连接绝缘塞一起固定在设备套管上，绝缘塞和设备套管外套设有电缆附件主绝缘，电缆附件主绝缘外套设电缆附件外屏蔽层，绝缘塞盖扣合在电缆附件外屏蔽层的绝缘塞一端，其中所述的绝缘塞内套设有温度采集芯棒、温度采集和发射模块、绝缘垫块、悬浮电极，温度采集芯棒与双头螺栓的一头螺栓螺纹连接，温度采集和发射模块固定在温度采集芯棒上，绝缘垫块设置于温度采集和发射模块和悬浮电极之间，通过内置的无源式无线发射器件将温度数据发送给在附近安装的温度数据采集变送单元，实现全绝缘式电缆附件的温度在线监测。当电缆附件带电运行时，根据电场分布原理，在连接芯棒和悬浮电极之间存在电势差，该电势差通过引线为温度采集和发射模块提供工作电源。
但是，在利用电缆附件内部电场取电的过程中，对于获取的电能有一定的要求。如授权公告号为CN202026161U的中国实用新型专利，公开了一种用于电力高压设备监控装置的高压电场取电装置，包括电极板、整流电路、充电电容器、稳压电路，电极板设置在带电设备周围，电极板与整流电路输入端相连接，整流电路输出端与充电电容器两端并联；充电电容器的正负两端经稳压电路与负载相连接。该装置通过电极板在电场周围取电、整流电路变换直流电压给电容器充电来获取电能，然后给负载供电。但是，在这个取电过程中，一般有电压高，电流小的特点，直接将整流电路输出端输出的电压输入充电电容器中时，充电电容器容易被击穿导致，导致无法给负载供电。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的在于提供一种开关电源电路，能够对输入电压进行降压，提高给负载供电的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种开关电源电路，其具有电压输入端和电压输出端，包括：
储能元件，耦接于所述电压输入端，用于存储从电压输入端获取的电能；
控制组件，并联于所述储能元件，用于控制可控硅D1的控制控制极通断电；
可控硅D1，其控制极耦接于所述控制组件，阳极耦接于电压输入端；
电流电压储能组件，其耦接于所述可控硅D1的阴极和电压输出端，用于缓存输出电压和电流；
当储能元件的电能存储到控制组件的导通电压时，控制组件导通并控制可控硅D1导通，电流电压储能组件进行储能，同时电压输出端输出降压后的电压；之后储能元件开始放电直到其电压低于控制组件的导通电压，可控硅D1截止，电压输出端通过电流电压储能组件放电获得电压，同时储能元件进入储能状态；储能元件充放电循环，使得电压输出端输出降压后的振荡电压。
通过采用上述技术方案，当储能元件接收到电压输入端的电压后，先进行电能的存储，对储能元件进行充电；储能元件的电压慢慢升高达到控制组件的导通电压后，控制组件导通，此时可控硅D1的控制极通电，可控硅D1被导通，可控硅D1的阴极有降压后的电压输出，同时，电流电压储能组件进行储能；之后由于控制组件上负载的电量消耗，储能元件开始放电，直到储能元件的电压低于控制组件的导通电压时，可控硅D1截止，此时由电流电压储能组件存储的电能为电压输出端供电，于此同时，储能元件又开始进行新一轮的储能，直到再次达到控制组件的导通电压；以上，由于储能元件可进行循环充放电，使得电压输出端输出振荡电压，输出降压后较为稳定的电压，同时能够输出较大的电流，提高了给负载供电的稳定性。
进一步的，所述控制组件包括串联的稳压二极管D2和电阻R1，所述可控硅D1的控制极耦接于稳压二极管D2和电阻R1的连接点。
通过采用上述技术方案，当储能元件存储的电能达到稳压二极管D2的击穿电压时，可控硅D1的控制极通电，可控硅D1导通；同时，电阻R1消耗部分电能，使得储能元件在可控硅D1导通过程中需要放电，为储能元件充放电创造条件。
进一步的，所述电流电压储能组件包括串联于可控硅D1的阴极和电压输出端的电感L，以及一端耦接于所述电感L和电压输出端的连接点、另一端接地的电容C4。
针对现有技术存在的不足，本发明的第二目的在于提供一种取电模块，能够获取电缆附件中稳定的电压。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种取电模块，包括如第一目的中所述的开关电源电路，还包括：
电容分压单元，其设置于电缆附件内部的电场中，用于采集并输出电压；
整流单元，耦接于所述电容分压单元以接收电压；
所述开关电源电路的电压输入端耦接于所述整流单元；
储能单元，耦接于所述开关电源电路的电压输出端；
稳压控制单元，耦接于所述储能单元，用于输出稳定电压。
通过采用上述技术方案，利用电缆附件内部的电场获取电能，并将获取的电能通过整流单元的整流、开关电源电路的降压、储能单元储能后，经过稳压控制单元输出稳定电压，为负载供电。
进一步的，所述电压电容分压单元包括设置在电缆芯线和电缆附件外壳内的金属屏蔽罩，电缆芯线与所述金属屏蔽罩形成悬浮电容并在电缆附件内的交变电场中形成电势差，形成供电单元。
进一步的，所述储能单元采用钽电容，所述钽电容的两端分别耦接于开关电源电路的电压输出端和稳压控制单元的电压输入端。
通过采用上述技术方案，钽电容有足够的存储容量和低泄漏电流。
进一步的，所述稳压控制单元包括：
LDO芯片，其输入端耦接于储能单元，输出端输出稳定电压；
降压二极管A，其阳极耦接于所述LDO芯片的电压输入端；
反馈二极管B，其阳极耦接于所述LDO芯片的电压输入端，阴极与降压二极管A的阴极连接；
电压检测芯片，其电压输入端耦接于所述降压二极管A和反馈二极管B的连接点，输出端耦接于LDO芯片。
通过采用上述技术方案，当输入电压达到设定值后，电压经过降压二极管A降压后，电压降低，电压检测芯片的输出端输出高电平，LDO芯片开通工作，并输出稳定电压；由于消耗电量造成输入电压慢慢变低，当低于设定值后，由于反馈二极管B的设置，可继续为电压检测芯片供电一段时间，以此达到获得稳定输出电压的目的，不至于在输入电压过低时立刻停止对负载的供电，提高输出电压的稳定性。
针对现有技术存在的不足，本发明的第三目的在于提供一种应用于电缆附件的测温装置，通过在电缆附件内部设置取电模块，可自动稳定的为负载供电。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种应用于电缆附件的测温装置，包括如第二目的中所述的取电模块，还包括：
MCU，与所述取电模块的电压输出端以接收稳定电压；
热电阻，与所述MCU电连接，用于检测电缆附件内部的温度；
无线发射模块，与所述MCU电连接，用于发射检测温度的数据。
通过采用上述技术方案，取电模块为MCU进行稳定供电，热电阻检测的温度数据输入MCU中进行分析后，将该数据通过无线发射模块转发出去，可使得工作人员能够实时获得电缆附件内部的温度。
进一步的，所述测温装置集成于电路板上，且所述电路板安装于所述电缆附件内部；所述电路板与电缆芯线、金属屏蔽罩均导电连接。
通过采用上述技术方案，测温装置集成于电路板上，将电路板安装于电缆附件内部，并与电缆芯线或金属屏蔽罩导电连接获得稳定的电压，实现电缆附件内部温度的实时监控。
进一步的，所述测温装置还包括终端设备，所述终端设备包括有与所述无线发射模块匹配的无线接收模块，用于显示和/或存储电缆附件内部的温度数据。
通过采用上述技术方案，工作人员能够在终端设备上实时查看电缆附件内部的温度情况，可及时发现电缆附件的故障隐患，提高电网运行安全稳定性。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、通过开关电源电路中，储能元件和稳压二极管D2的并联设置，能够对输出的电压进行降压，提高给负载供电的稳定性；
2、通过在电缆芯线和电缆附件外壳之间设置金属屏蔽罩，形成悬浮电容自动获取电能，为负载供电；
3、取电模块中设置了开关电源，可较为稳定地为负载供电，提高负载运行的稳定性；
4、通过在电缆附件内部设置测温装置，可实时监测电缆附件内部的温度变化，工作人员可及时发现电缆附件的故障隐患，提高电网运行安全稳定性。
附图说明
图1为本发明的电缆附件的绝缘堵头的结构示意图；
图2为电路板上的电路原理框图；
图3为取电模块的电路框图；
图4为电容分压单元的电路原理图；
图5为开关电源电路的电路原理图；
图6为稳压控制模块的电路原理图；
图7为开关电源的电压输入端、可控硅D1控制极端、电压输出端的电压特性曲线。
附图标记：1、螺栓金属件；2、电路板；200、取电模块；201、电容分压单元；202、整流单元；203、开关电源电路；204、储能单元；205、稳压控制单元；210、MCU；220、热电阻；230、无线发射模块；240、无线接收模块；250、终端设备；3、金属屏蔽罩；4、绝缘帽；5、绝缘外壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
本发明针对于悬浮电容在电场取电过程中，一般有电压高、电流小的特点，直接将整流电路输出端输出的电压输入充电电容器中时，充电电容器容易被击穿导致无法给负载供电的现象，旨在提出一种开关电源电路203，能够对输出的电压进行降压，提高给负载供电的稳定性；同时，基于上述的开关电源电路203，提出一种取电模块200，能够为负载提供稳定的电压；也提出一种基于上述取电模块200的应用于电缆附件的测温装置，可直接对电缆附件内部进行测温，测量出电缆附件内部较为真实的温度数据，并能够在取电模块200的供电作用下稳定的输出数据后通过电子显示屏显示数据，供工作人员实时观察电缆附件内部的温度变化情况，及时发现电缆附件的故障隐患，提高电网运行安全稳定性。
本实施例中，各个模块、单元、组件、电路、元件应当均具有电压输入端和电压输出端，Uin和Uo仅表示电压输入端和电压输出端而非具体的参数值。
参照图1，为电缆附件的绝缘堵头，优选的，为肘型电缆接头的绝缘堵头，绝缘堵头连接在肘型电缆接头一端，其主要包括螺栓金属件1、电路板2、金属屏蔽罩3、绝缘帽4和绝缘外壳5。螺栓金属件1与电缆芯线电连接，其纵截面整体呈凸字形设置，横截面呈圆形设置，且半径较大一端的外周面上设置有外螺纹。电路板2呈环状套接在螺栓金属件1外，并通过导电螺丝与螺栓金属件1连接，达到固定电路板2和螺栓金属件1的目的，同时，导电螺丝与电路板2上的电源输入端导电连接，可利用导电螺丝为电路板2供电。螺栓金属件1远离螺栓部位的一端套接有绝缘帽4。金属屏蔽罩3罩设在螺栓金属件1直径较小的一端，其内部抵接于绝缘帽4，并且，在金属屏蔽罩3内部填充有绝缘软胶，便于金属屏蔽罩3的安装。金属屏蔽罩3外部敷设有半导体绝缘材料层，可避免电缆局放现象。绝缘外壳5浇筑或者螺纹连接在螺栓金属件1和半导体绝缘材料层外，构成绝缘堵头。金属屏蔽罩3与螺栓金属件1之间形成悬浮电容器，肘型电缆接头运行时，绝缘堵头内部形成交变电场，金属屏蔽罩3与螺栓金属件1形成电势差，可为电路板2供电。绝缘帽4可采用橡胶，绝缘外壳5可采用环氧树脂材料制成。
参照图2，电路板2上设置有测温装置，测温装置包括取电模块200、MCU210、热电阻220和无线发射模块230。取电模块200与MCU210的电源输入端连接，为MCU210供电；热电阻220与MCU210电连接，可测量电缆附件内部的温度，并输出对应的数据至MCU210中；无线发射模块230与MCU210信号连接，可将热电阻220测量的数据传输出去。对应的，电缆附件外设置有终端设备250，终端设备250上设置有与无线发射模块230相适配的无线发射模块230。终端设备250可选用智能手机、平板电脑、台式计算机、笔记本电脑等具有显示功能的设备，可将电缆附件内部的温度数据进行显示并存储在设备自带的存储器中，便于工作人员实时观察电缆附件内部的温度情况。
其中，参照图3，取电模块200包括依次连接的电容分压单元201、整流单元202、开关电源电路203、储能单元204和稳压控制单元205。电容分压单元201从电缆附件的电场中获取电能，并通过整流单元202的整流作用变成直流，再经过开关电源电路203进行降压后，在储能单元204中存储电能，经过稳压控制模块205为负载供电，负载可以包括上述的MCU210。
参照图4，电容分压单元201主要由金属屏蔽罩3形成，金属屏蔽罩3与电缆芯线/螺栓金属件1形成悬浮电容C1，金属屏蔽罩3与接地电缆附件外壳形成悬浮电容C2，当该金属屏蔽罩3处于电缆附件内部的交变电场中时，悬浮电容C1和悬浮电容C2形成电势差，两者之间互相分压，为负载供电。整流单元202采用整流桥，与悬浮电容C1的两端电连接，将悬浮电容C1获取的电信号进行整流，从而获得较为稳定的电信号。
参照图5，开关电源电路203具有电压输入端Uin和电压输出端Uo，电压输入端Uin与整流桥的电压输出端连接，包括储能元件、控制组件、可控硅D1和电流电压储能组件。储能元件包括电容C3，其一端耦接于电压输入端Uin，可对电压输入端输入的电压进行存储。控制组件包括串联的稳压二极管D2和电阻R1，可控硅D1的控制极耦接于稳压二极管D2和电阻R1的连接点；可控硅D1的阳极耦接于电压输入端Uin，阴极耦接于电流电压储能组件。电流电压储能组件包括串联于可控硅D1的阴极和电压输出端Uo的电感L，以及一端耦接于电感L和电压输出端Uo的连接点、另一端接地的电容C4。
当电容C3接收到电压输入端Uin的电压后，先进行电能的存储，对电容C3进行充电。电容C3两端的电压慢慢升高后，由于控制组件与电容C3两端并联，当电容C3两端的电压达到稳压二极管D2的击穿电压时，稳压二极管D2被导通，此时可控硅D1的控制极通电，可控硅D1被导通，可控硅D1的阴极有电压输出，同时电流电压储能组件开始储电；由于电阻R1的电能消耗，电容C3两端的电压逐渐降低，稳压二极管D2截止，此时可控硅D1截止，电流电压储能组件放电为电压输出端供电，而电容C3进入新一轮的充电储能状态，直到再次达到稳压二极管D2的击穿电压。电容C3的循环式充放电，可使可控硅D1的阴极输出振荡电压。参照图7，为开关电源的电压输入端、可控硅D1控制极端、电压输出端的电压特性曲线，电压输出端的输出电压随着时间的推移逐步趋于稳定，其源于电容C4的充电大于放电。
本实施例中，储能单元204采用钽电容，钽电容的两端分别耦接于开关电源电路203的电压输出端Uo和稳压控制单元205的电压输入端Uin。钽电容有足够的存储容量和低泄漏电流，可对从开关电源电路203输出的电能进行较大容量的存储。
参照图6，稳压控制单元205包括LDO芯片、降压二极管A和反馈二极管B和电压检测芯片。LDO芯片的电压输入端耦接于钽电容一端，输出端输出稳定电压；降压二极管A的阳极耦接于LDO芯片的电压输入端；反馈二极管B的阳极耦接于LDO芯片的电压输入端，阴极与降压二极管A的阴极连接；电压检测芯片的电压输入端耦接于降压二极管A和反馈二极管B的连接点，输出端耦接于LDO芯片。本实施中的降压二极管A采用发光二极管。
当稳压控制单元205的输入电压达到设定值，电压经过降压二极管A降压后，电压降低，电压检测芯片的输出端输出高电平，LDO芯片开通工作，并输出稳定电压；由于消耗电量造成输入电压慢慢变低，当低于设定值后，由于反馈二极管B的设置，可继续为电压检测芯片供电一段时间，以此达到获得稳定输出电压的目的，不至于在输入电压过低时立刻停止对负载的供电，提高输出电压的稳定性。
在另一实施例中，降压二极管A可串联多个，以提高稳压控制单元205的输入电压，从而提高钽电容的存储电量，实现大电压回差控制。
本实施例的工作原理：
电缆附件运行时，其内部产生交变电场，由金属屏蔽罩3和电缆芯线形成的悬浮电容C1形成电势差为电路板2上的负载供电。电路板2上设置有热电阻220，可直接测量电缆附件内部的温度，工作人员可及时发现电缆附件的故障隐患，提高电网运行安全稳定性。
悬浮电容C1两端的电压经过整流桥的整流作用后输入开关电源电路203中，通过电容C3存储电能，对电容C3进行充电。电容C3的电压慢慢升高达到稳压二极管D2的击穿电压后，稳压二极管D2被导通，此时可控硅D1的控制极通电，可控硅D1被导通，可控硅D1的阴极有电压输出，同时电感L和电容C4进行充电；之后，由于电阻R1的电能消耗，电容C3开始放电，直到电容C3两端的电压低于稳压二极管D2的击穿电压时，稳压二极管D2截止，此时可控硅D1截止，电容C4放电为电压输出端提供输出电压，电容C3进入新一轮的充电状态；电容C3的循环充放电，使得可控硅D1的阴极输出较为稳定振荡电压。
开关电源电路203输出的电压先通过钽电容，钽电容先进行充电，电压直接输入稳压控制单元205中，电压经过降压二极管A降压后，电压降低，电压检测芯片的输出端输出高电平，LDO芯片开通工作，并输出稳定电压；由于消耗电量造成输入电压慢慢变低，当低于设定值后，由于反馈二极管B的设置，可继续为电压检测芯片供电一段时间，以此达到获得稳定输出电压的目的，不至于在输入电压过低时立刻停止对负载的供电，提高输出电压的稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种开关电源电路，其具有电压输入端和电压输出端，其特征在于，包括：
储能元件，耦接于所述电压输入端，用于存储从电压输入端获取的电能；
控制组件，并联于所述储能元件，用于控制可控硅D1的控制控制极通断电；
可控硅D1，其控制极耦接于所述控制组件，阳极耦接于电压输入端；
电流电压储能组件，其耦接于所述可控硅D1的阴极和电压输出端，用于缓存输出电压和电流；
当储能元件的电能存储到控制组件的导通电压时，控制组件导通并控制可控硅D1导通，电流电压储能组件进行储能，同时电压输出端输出降压后的电压；之后储能元件开始放电直到其电压低于控制组件的导通电压，可控硅D1截止，电压输出端通过电流电压储能组件放电获得电压，同时储能元件进入储能状态；储能元件充放电循环，使得电压输出端输出降压后的振荡电压；
所述控制组件包括串联的稳压二极管D2和电阻R1，所述可控硅D1的控制极耦接于稳压二极管D2和电阻R1的连接点；
所述电流电压储能组件包括串联于可控硅D1的阴极和电压输出端的电感L，以及一端耦接于所述电感L和电压输出端的连接点、另一端接地的电容C4。
2.一种取电模块，其特征在于，包括如权利要求1所述的开关电源电路(203)，还包括：
电容分压单元(201)，其设置于电缆附件内部的电场中，用于采集并输出电压；
整流单元(202)，耦接于所述电容分压单元(201)以接收电压；
所述开关电源电路(203)的电压输入端耦接于所述整流单元(202)；
储能单元(204)，耦接于所述开关电源电路(203)的电压输出端；
稳压控制单元(205)，耦接于所述储能单元(204)，用于输出稳定电压。
3.根据权利要求2所述的取电模块，其特征在于，所述电容分压单元(201)包括设置在电缆芯线和电缆附件外壳内的金属屏蔽罩(3)，电缆芯线与所述金属屏蔽罩(3)形成悬浮电容并在电缆附件内的交变电场中形成电势差，形成供电单元。
4.根据权利要求2所述的取电模块，其特征在于，所述储能单元(204)采用钽电容，所述钽电容的两端分别耦接于开关电源电路(203)的电压输出端和稳压控制单元(205)的电压输入端。
5.根据权利要求2所述的取电模块，其特征在于，所述稳压控制单元包括：
LDO芯片，其输入端耦接于储能单元(204)，输出端输出稳定电压；
降压二极管A，其阳极耦接于所述LDO芯片的电压输入端；
反馈二极管B，其阳极耦接于所述LDO芯片的电压输出端，阴极与降压二极管A的阴极连接；
电压检测芯片，其电压输入端耦接于所述降压二极管A和反馈二极管B的连接点，输出端耦接于LDO芯片。
6.一种应用于电缆附件的测温装置，其特征在于，包括如权利要求3所述的取电模块(200)，还包括：
MCU(210)，与所述取电模块(200)的电压输出端以接收稳定电压；
热电阻(220)，与所述MCU(210)电连接，用于检测电缆附件内部的温度；
无线发射模块(230)，与所述MCU(210)电连接，用于发射检测温度的数据。
7.根据权利要求6所述的应用于电缆附件的测温装置，其特征在于，所述测温装置集成于电路板(2)上，且所述电路板(2)安装于所述电缆附件内部；所述电路板(2)与电缆芯线、金属屏蔽罩(3)均导电连接。
8.根据权利要求6所述的应用于电缆附件的测温装置，其特征在于，所述测温装置还包括终端设备(250)，所述终端设备(250)包括有与所述无线发射模块(230)匹配的无线接收模块(240)，用于显示和/或存储电缆附件内部的温度数据。
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