CN200990254Y - 复合加强电传输导体 - Google Patents
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Abstract
一种主要设计用来传输电信号的复合加强电传输导体。该导体由加强塑料复合内芯和包围该内芯的外部高导电性护套构成。这样,该内芯提供了所需强度,而该外部护套用于传输电信号。在优选实施例中,该加强复合芯由一起协同工作的多个单独的部分构成,以提供所需的承载能力。另外,还可以由该复合加强芯来承载光缆。还提供了一种用于将线缆的端部固定在一起的拼接结构。
Description
技术领域
本实用新型总体上涉及对电传输线缆的一些新的并且有用的改进,更具体地,涉及具有复合加强组件以提供承载能力的电传输线缆。
背景技术
在电导体(尤其是长距离电导体)中,铜由于其优异的导电性能而被频繁采用,并且被广泛使用直到第二次世界大战时期,在那时其主要用于战争。在那时之前甚至之后,从十九世纪末开始,逐渐发展了导体技术以及不同导线材料的选择和混合。然而,在第二次世界大战之后,广泛地使用铝来代替铜导体,并且不久将其与电传输线缆中的钢芯集成以获得更高的强度。目前,钢加强铝导体(称为“ACSR”)仍然是工业标准。
随着直径与钢加强铝导体线缆相同但提供更高传导性的紧凑架空导体(compacted overhead conductor)的提出,导体得以继续发展。然而,在大约1985年,Reynolds Cable推出了由钢支撑的通常被称为“ACSS”的铝导体,并在过去的多年中在商业上得到了广泛的认可。ACSS线缆被设计用于高压传输并具有较小的下垂(sag)。然而,紧凑架空导体和ACSS线缆的价格比ACSR高大约百分之十。
随着导致本实用新型的研究的出现,导体技术的发展已进行到复合芯(例如碳、陶瓷和玻璃纤维)的应用探索。这些材料相对于早期的导体材料提供了前所未有的技术性能优势。然而,高的材料成本和有限的生产导致价格达到ACSR导体的十倍。因此,与这些有前景的复合导体相关联的主要挑战变为价格竞争。所期望的是,提供一种使用高强度并且低重量的玻璃纤维复合材料来代替ACSR的笨重的钢加强构件的复合加强铝导体。载流部分仍然是纯铝。ACSR与复合加强铝导体(“CRAC”)之间的主要差异在于,CRAC在导电部分(component)的体积方面具有更高的百分比。实际上通过玻璃的相对于钢大得多的抗拉强度可以实现该改进,并且这释放了导体体积的空间,以用于更多的铝。这进一步显著增加了导体载流能力并且显著降低了重量。
从以上可以看出,CRAC的一些特殊优点在于:
1、复合加强导体的成本与相同直径的传统钢线缆导体的成本相等或更低。
2、用作中央芯(center core)的复合材料的热膨胀系数比钢芯加强小百分之五十。
3、抗拉强度(断裂强度)比碳钢芯导线(使用大约210ksi的HC钢)高大约百分之一百五十。
4、复合加强导体的传导性比相同外径的ACSR导体高至少百分之四十,并具有比相同外径的ACSR导体高百分之二百的目标值。
5、CRAC导体还能够采用T&D附件以及以与传统线缆中相似的方式安装的其它附件。
6、CRAC线缆具有与存在最小修改的现场安装设备和过程一起使用的能力。
7、复合材料可以与传统的导线和线缆处理技术相兼容。
8、CRAC线缆消除了涡流加热。
9、与标准导线相比,实铝芯具有1/100度的径向温差。
10、在CRAC中没有强度损失,并因此没有由于受拉构件的退火而导致的下垂的增加。
11、CRAC具有简化的制造要求,因为不必为了消除自感而需要多层绞合的铝。
12、当使用CRAC时,由于自感而消除了不均匀的电流。
除了其它优点以外,本实用新型的新CRAC导体具有至少为ACSR的两倍的再利用有效性。该新CRAC的存在以及商业制造工艺使得能够在连续高速、低成本、批量生产装配线中组合使用导线挤压绞合和复合拉挤(pultrusion)工艺。该工艺还通过制造并集成轻质复合材料加强构件以及用于数据传输和智能监测的光纤,将铝转变成高附加值的产品。
实用新型内容
因此,本实用新型的一个主要目的是提供一种电传输线缆,其采用加强塑料复合芯作为线缆中的承载单元。
本实用新型的另一目的是提供一种所述类型的电传输线缆,其采用光纤加强的塑料复合内部中央芯和用于载流的外部高导电性层。
本实用新型的另一目的是提供一种所述类型的电传输线缆,其中所述加强复合内芯可以设置成多个单独部分(individual section),这些部分彼此协作以作为实心的芯进行工作,但是其仍然允许将该线缆缠绕在传输卷筒上。
本实用新型的另一目的是提供一种所述类型的电传输线缆,其中可以在现场地点容易地将线缆的端部拼接在一起,并且劳动强度比拼接钢芯线缆小得多,并且明显降低了成本。
本实用新型的另一明显目的是提供一种通过采用内部加强塑料复合芯的电传输线缆来载流的方法。
本实用新型的另一明显目的是提供一种制造所述类型的载流线缆的方法,该线缆具有内部加强塑料复合芯并还使得能够在其制造过程中在其中结合光缆。
鉴于上述和其它目的,本实用新型在于当前描述和在权利要求中指出的部分和组件的形式、构成、布置和组合的新颖特征。
本实用新型总体上涉及载流导体,其采用了由加强塑料复合材料形成的内部承载芯而不是传统的钢芯。到目前为止,如上所述,尽管钢芯的使用导致了很多问题,但是还没有采用加强塑料复合内芯的成功载流导体。
本实用新型的载流线缆在外观上与具有内钢芯的传统载流线缆非常相似。另外,在本实用新型的一个重要方面中,本实用新型的线缆可适用于目前使用传统线缆的那些场所并且可以按照完全相同的方式对它们进行安装。因此,可以容易地并且以低成本、更重要地使用现有的线缆铺设设备来实现根据本实用新型提供的线缆类型的替代。
如上所述,本实用新型的载流导体包括加强塑料复合芯。优选地,该芯由多个单独的部分(segment)构成,这些单独的部分组合在一起以作为单个复合纤维加强芯进行工作。这些单独的部分在某种程度上呈梯形并且其外表面为弓形。这样,这些梯形块(例如,所述芯的六个单独的块或部分)被设置成圆柱形式,以使得在组装时所述芯实际上为圆柱形。
在优选实施例中,所述复合加强芯的这些单独部分可以形成有平坦的内端,以提供用于容纳光缆的中央间隙孔。这可以在基本上不牺牲线缆的承载能力的情况下实现。
所述内芯由多条纤维或多条加强材料(例如,玻璃纤维、硼、碳等)的绞合线形成,并且它们通过诸如热塑性或热固性树脂的粘合剂保持在一起。为此可以使用诸如多种传统环氧化物的任何传统热固性材料或者诸如聚丙烯的任何热塑性材料。热塑性材料是优选的,因为其可以很容易地在施工现场进行加热并粘合,并且热塑性材料的加热和粘合比热固性材料快得多。
关于本实用新型还发现,为了获得更高的载流传导性能力,可以直接使用熔融的铝。因此与标准的实施相反,铝外部护套不必在其中具有任何一种或更多种成分以在降低导电性的同时提供强度。
所述铝外层可以是绕着复合加强芯缠绕的单独铝线的形式。这些外层可以相对于所述芯的轴向中心线以例如大约五至十五度的小角度(shallow angle)缠绕。通常,所述铝外线以螺旋形式缠绕。
本实用新型还提供了用于拼接单独线缆的端部的建议方法和设备。如前所述,只能够将有限长度的线缆运载到施工现场。因此,对于长距离传输必须进行线缆长度的拼接。根据本实用新型,将所述外铝线从内复合加强芯展开(unwound)并向后弯曲。然后,以相对于彼此交错的长度对所述芯的单独部分进行切割。这样,可以将待拼接导体两端的各个单独的交错长度熔接(heat seal)在一起。因此,将一个导体的最长长度的纤维部分固定到相对导体的最短长度的芯部分上。因为导体优选地由聚丙烯或其它热塑性材料形成,所以在使端部彼此接合的施工现场,可以容易地对其再加热并使其冷却。对内芯的各个单独的部分都进行该过程。然后,通过传统技术,例如通过将铝护套定位在外线上并将其卷曲到各个间隔开的外线上,来将铝外线拼接在一起。
与试图将钢芯导体拼接在一起的情况相比,可以更快速并以更小的劳动强度来进行实际的拼接操作。另外,因为内芯由加强复合材料形成,所以拼接部分具有与整个导体的任何其它部分基本相同的强度。
本实用新型具有许多其它优点,并具有其它目的,通过考虑可以实施本发明的多种形式将更加清楚本发明的其它目的。在构成本说明书的一部分并伴随本说明书的附图中示出了这些形式。下面将详细地描述这些附图以说明本实用新型的一般原理。然而,应该理解,下面的详细说明和附图并没有限制的含义。
附图说明
已由此以概要的方式描述了本实用新型,下面将参照附图,附图中:
图1是根据本实用新型构成的并实施本实用新型的复合加强载流导体的局部立体图;
图2是与图1相似的局部立体图,表示根据本实用新型的复合加强载流导体的稍微修改形式;
图3是一局部立体图,仍然表示根据本实用新型的复合加强载流导体的另一修改形式;
图4是根据本实用新型的复合加强载流导体的另一修改形式的局部立体图,并且包含光缆;
图5是与图2至图4相似的局部立体图,表示展开以接受光缆的芯的多个部分;
图6是表示用于制造根据本实用新型的复合加强载流导体的设备的一种形式的局部立体图;
图7是表示用于本实用新型的载流导体的一种拼接方法的分解立体图;
图8是表示图7的线缆拼接技术的侧视图;以及
图9是图9A、图9B和图9C的合成,表示完成的拼接以及提供待在地平面(ground level)拼接的光缆的方法。
具体实施方式
下面将更详细地参照表示本实用新型的优选实施例的附图并参考附图标记,C1表示电传输线缆,其具有加强塑料复合承载芯10以及围绕其延伸的多个外铝线层12和14。
进一步参照图1,可以看出承载芯10包括实心加强塑料复合构件。此外,在图1所示的实施例以及随后示出和描述的实施例中,虽然存在三个外铝层12、18和14(参见图1),但是应该理解,可以根据要形成在芯上的外部导电护套的期望厚度而采用任意数量的外层。在该结构中可以看出,线缆C1在外观上与传统的钢芯线缆相似。因此,其可以按照与钢芯线缆所采用的相同方式铺设,或者按照与钢芯线缆所采用的相同方式并使用与钢芯线缆所采用的相同设备悬置。
此外,通过进一步参照图1,可以看出,铝层12和14由围绕中央芯10螺旋缠绕的单独线束16和161构成。因此,导线可以缠绕或以任何传统的方式施加在芯上。
在优选实施例中,多条加强材料的绞合线由任何合适的加强纤维构成,例如玻璃、硼、碳等。然而,用于粘合所述绞合线的树脂基体可以由任何合适的热塑性树脂或热固性树脂构成。可以使用的一些热固性树脂例如包括各种酚醛塑料和环氧树脂类、以及传统上已知用于该目的的许多聚酯。然而,热塑性树脂是优选的,并且例如包括聚丙烯、聚碳酸酯等。
可以采用多种已商品化的树脂中的任何一种来浸渍纤维。唯一重要的是,在工艺的某些阶段,该基体应该能够熔化并软化足够流遍这些纤维或细丝的时间段。
优选地与这些纤维加强绞合线的各条绞合线一起使用多条单独的热塑性树脂的绳或绞合线。因此,树脂绞合线可以与纤维绞合线混合,并且它们可以作为一束来使用。另外,树脂绞合线可以单独地与纤维绞合线一起使用。在加热时,树脂会软化并熔化,从而流遍包含多条绞合线的单独纤维。当使树脂硬化时,将因此形成内芯。
尽管未示出,但是在第一缠绕阶段施加了单独的第一铝线束层。因此,在形成中央芯之后,实际上可以将该束的铝线绕该中央芯缠绕。此后,使具有第一铝线层的中央芯经过第二缠绕阶段,在该第二缠绕阶段,将第二线束的铝线的第二外层14绕该第一外层缠绕。如果需要附加的外层,则使产品经过第三缠绕阶段等。
还应该理解的是,对于本实用新型,铝只是可以用作外层的载流导体的一种形式。因此,为此目的也可以采用铜或其它高导电性的材料。
可以通过多种方式中的任何一种来形成复合芯。例如,同样可以通过挤压来形成复合芯。然而,优选地,当将加强复合芯形成为所示实施例中的杆状(rod)时,优选地通过拉挤来形成加强复合芯。在多个美国专利(例如,授予William Brandt Goldsworthy的美国专利No.3,650,864、授予William Brandt Goldsworthy的美国专利No.3,576,705、授予William Brandt Goldsworthy的美国专利No.3,769,127、以及授予William Brandt Goldsworthy的美国专利No.3,579,402等)中描述了用于该拉挤操作的多种工艺。
图1的实施例主要仅对短长度的线缆有效。这是因为加强塑料芯10不能够进行显著的弯曲运动的事实。可以理解的是,整个线缆必须能够绕卷筒缠绕并运输相当长的距离,然后将其从卷筒展开并且悬置或铺设在使用场所。为此,中央芯10优选地由多个单独成形的芯部分20构成,如图2的线缆C2清楚所示。在该特定示例中,多个单独的部分20在装配在一起时构成圆柱形线缆22。
在如图2所示的本实用新型的实施例中,设置有六个单独的饼形部分。然而,也可以设置任意数量的部分。对于本实用新型,已经发现六个单独的部分是优选的,因为该数量的部分使得线缆能够弯曲和绕卷轴缠绕线缆,并且不会产生过大数量的构成线缆的部分。在该特定示例中,线缆也是圆柱形结构。这是优选的,因为使用钢芯的传统线缆目前被形成为具有圆柱形结构。然而,可以采用任何截面形状。
如图2的实施例所示,线缆C2还缠绕有导电材料层,例如构成两个外部导电层的单独的铝线24和26。同样地,可以使用任何期望数量的层。此外,在图2的实施例中,各条绞合线24和26绕中央承载芯22螺旋地缠绕。
根据本实用新型还可以发现,期望具有奇数数量的单独部分,例如五个、七个或九个单独的部分。这使得线缆能够更容易地绕卷筒缠绕。另外,还发现,通过使线缆的这些单独的部分在相当长的距离上成螺旋形,也可以更容易地实现线缆的缠绕。因此,当绕卷筒缠绕线缆时,可以使线缆稍微转动以使得这些单独部分的成螺旋形。通常,优选地在卷筒上每转获得一个螺旋。已经发现,这减少了线缆上的应力并减小轴向产生的拉伸-压缩应力。
对于以下所述的实施例,相同的附图标记表示相同的组件。图3表示构成本实用新型的一部分的线缆C3的实施例,其也具有经分割的中央芯22以及绕该中央芯缠绕的一对导电外层30和32。在该特定示例中,层30和32由纵向铺设在中央芯上的多条单独的导线构成。这些导线包括多条单独的导电材料带。然而,在这种特定类型的结构中,通常必须通过圆形保持带等将这些导电材料带固定在导体上。
图4表示与线缆C3相似的线缆C4的实施例,其不同之处在于,在该特定示例中,芯22的这些单独的饼形部分20形成有形成在它们的最内端处的弓形凹口34。在该特定实施例中,如图4和图5所示,最内端34形成了圆柱形中央轴向延伸孔36,其大小被形成为可以容纳光缆38。可以看出,这些单独部分仍然紧密排列以形成圆柱形承载芯22,但是其仍然形成了圆柱形光缆容纳通道36,而不会牺牲整个承载芯的固有强度。
线缆C4的该实施例非常有效,因为其不仅提供了重要的载流能力,而且还能够承载光缆以使得该光缆不会受到环境劣化或对于这种线缆所需的固定维修的影响。
对于目前采用的用于长距离传输光纤消息的光缆,拼接光缆的端部以及甚至在维修线缆方面需要复杂的方案。通常,必须将线缆下降到维修站或基本上位于地平面的拼接站。另外,对于传统的钢芯电传输线缆,没有形成轴向延伸通过该芯的中央开口的有效方法,甚至没有使光缆穿过该芯中的开口的有效方法。结果,如前面所述,将光缆缠绕在保护线的外表面。本实用新型完全克服了该问题,因为光缆可以在形成电传输线缆时直接封装在该电传输线缆内。
参照附图的图6可以看出,如前所述,可以在挤压操作或拉挤操作中预先形成各个单独的部分20。在硬化时,使这些单独的部分通过具有多个单独的管42的模板或梳理板(carding plate)40,这些单独的管具有与单独的芯部分20相同的形状,但尺寸被形成为可以容纳这些芯部分20。进一步参照图6,可以看出,使六个单独的部分20以圆柱形结构集中在一起,并且当它们集中在一起时,在其内部中央孔中封装光缆。因此,在形成电传输线缆时,将光缆有效地结合在该电传输线缆中。
结合在电传输线缆C4中的光缆自然可以绕卷筒或其它缠绕构件缠绕。在该特定示例中,由于承载芯22由多个单独的部分形成的事实,所以其同样可绕卷筒或类似构件缠绕。另外,它们都可以容易地展开,并在单个操作中悬置或铺设,而不需要在现场向电传输线缆施加光缆的附加步骤。
图7和图8表示根据本实用新型的用于拼接电传输线缆的端部的优选实施例。在该特定示例中,为了将端部拼接在一起,通过交错端部来分别拼接多个单独的线缆部分20,如图7清楚所示。因此,一根光缆50上的多个单独的部分中的一个20a的长度比该线缆50的任何其它部分都长。该特定的芯部分20a将与待拼接的相对线缆52上的最短线缆部分20b匹配并连接(mate)。这样,线缆50上的最短线缆部分20c将与线缆52中的线缆部分20d匹配并连接。这样,各个交错长度将与相对线缆的对应交错长度连接。另外,通过与将拼图(puzzle)的多个块装配在一起非常相似的方式将这些单独的线缆部分装配在一起。
在已将单独的交错部分集中在一起之后,可以对它们稍微加热以使热塑性树脂或其它树脂熔化并在交错端部之间流动,从而将交错端部粘合在一起。这样,当树脂冷却时,一根线缆的交错端部与相对线缆的交错端部形成牢固接合的连接。
此后,可以通过与目前外铝层与钢芯线缆接合相同的方式使外铝层彼此接合。通常,如图9清楚所示,可以通过使用固定在线缆的外导电层上并在接合端部上延伸的导电套筒,来将一条线缆50的外导电层与线缆52的外导电层相连接。然而,可以采用用于将一条线缆的导电层固定到相对线缆上的任何传统方法。
根据标准线缆拼接技术,尤其对于光缆,使线缆处于地平面以连接光缆部分的端部。在图9A至图9C的组合中示出了用于该设置的技术。两个线缆部分50和52在拼接完成时由外部护套60覆盖,如图9A所示。参照作为图9A的剖视图的图9B,可以看出,在拼接两个线缆部分50和52的端部之后,分别位于这些线缆部分上的外铝导体64和66在其上设置了护套60时被集中在一起。在实际安装该护套之前,为了拼接光缆,而使光缆处于地平面。参照图9C可以看出,线缆部分实际朝向地平面向下延伸,以在拼接站进行拼接,然后通过与图9C非常相似的方式升起并定位在护套60的区域中。
本实用新型的电传输导体实际上有效地普遍提高了电气系统的可靠性,因为本实用新型的导体能够更完全地承受例如由风、结冰等导致的恶劣天气条件和高负载状态。结果,本实用新型的电传输线缆在避免因线路下垂和摆动而导致的停电方面非常有利。另外,因为减少了定期安装新导体的成本,所以极大提高了电力工业的效率。
可以理解,对于传统的钢芯线缆,腐蚀具有明显的影响,尤其对于高导电性金属(例如铜或铝)和低导电性金属(例如钢)的分界面。另外,钢芯线缆不能够承受与本实用新型的线缆大致相同程度的负载。
本实用新型的电传输线缆还适于承载比相当尺寸的钢芯线缆更多的电流。这是因为在没有重量增加并且有一些重量减少的情况下,通过加强塑料芯能够比相同尺寸的钢线缆承载更多的高导电性金属(例如铝)。结果,不必重建支撑塔以适应更重的能力相当的导体。
已经发现,本实用新型的线缆实际上可以承载比钢加强铝导体多百分之五的电流。另外,在高的工作温度下可以减小机械伸长或线路下垂。此外,实际上已经确定,本实用新型的线缆比大致相同尺寸的钢加强铝导体坚固百分之二百五十,此外,比钢加强铝导体轻百分之七十五。结果,本实用新型的导体的总体经济性能超过钢芯电缆的有用性。还应该意识到,加强复合芯线缆的使用实际上不仅降低了成本,而且因为本实用新型的线缆减少了对新传输线的需求而减少了公共卫生顾虑。另外,本实用新型的线缆显著地减少了潜在的线路间隙违反(violation)。
本实用新型的导体实际上适于通过以前使用的基本上相同的设备来更换老化和过载的电力线,而无需任何附加的工具等。如上所述,本实用新型的线缆更能够承受恶劣天气和高负载状态。结果,停电远没有那么频繁,并将降低新线缆的安装费用。
因此,已经示出并描述了提供具有加强塑料复合芯的电传输线缆的独特并新颖的方法和设备,其消除了以前在形成和定位电传输线缆时遇到的许多问题。本实用新型由此实现了所寻求的所有目的和优点。对于本领域的技术人员,在阅读说明书和附图之后,许多变化、修改、变型以及其它用途和应用将显而易见。因此,没有脱离本实用新型的精神和范围的任何和所有这种变化、修改、变型以及其它用途和应用都被视为由本实用新型涵盖。
Claims (12)
1、一种用于长距离传输电流的复合加强电传输导体,所述复合加强电传输导体的特征在于包括:
a)相对实心的高抗拉强度中央承载芯,其由多个通常设置的部分芯构件形成,这些芯构件紧靠在一起,并且分别具有大致多边形的截面,并且当紧靠在一起时,限定了大致实心的圆柱形芯,每一个芯构件都由纤维加强复合材料形成,所述芯具有足够的截面尺寸,以承受在将所述导体悬置在支撑塔之间时作用在所述导体上的张力,其中所述导体能够缠绕在卷筒上;以及
b)外部高导电性载流护套,其完全包围所述承载芯,用于在所述距离上承载电流,其中所述多个部分芯构件允许将所述导体缠绕在所述卷筒上。
2、根据权利要求1所述的复合加强电传输导体,其特征还在于,所述外部护套由非合金的铝构成,以提供承载能力。
3、根据权利要求1所述的复合加强电传输导体,其特征还在于,所述加强复合材料由嵌入在热塑性复合基体中的多根对准的加强纤维构成。
4、根据权利要求1所述的复合加强电传输导体,其特征还在于,所述芯构件能够彼此分离以进行拼接。
5、根据权利要求1所述的复合加强电传输导体,其特征还在于,所述芯构件具有大致三角形截面。
6、一种用于长距离传输电流的复合加强电传输导体,所复合加强电传输导体的特征在于包括:
a)相对实心的高强度中央承载芯,其由多个通常设置的部分芯构件形成,这些芯构件紧靠在一起,并且分别具有大致多边形截面,以使得在紧靠在一起时,形成大致实心的圆柱形芯,每一个芯构件都由纤维加强复合材料形成,所述芯具有足够的截面尺寸,以承受在将所述导体悬置在支撑塔之间时作用在所述导体上的张力,并且其中所述导体能够缠绕在卷筒上;
b)外部高导电性载流护套,其完全包围所述承载芯,用于在所述距离上承载电流;
c)穿过所述芯轴向延伸的中央孔;以及
d)穿过所述中央孔延伸的光缆,以使得所述导体能够通过同一导体承载电流和光缆信号,其中所述紧靠的部分芯构件和该光缆限定了圆柱形实心的芯。
7、根据权利要求6所述的复合加强电传输导体,其特征还在于,所述外部护套由非合金的铝构成,以提供承载能力。
8、根据权利要求7所述的复合加强电传输导体,其特征还在于,所述加强复合材料由嵌入在热塑性复合基体中的多个对准的加强纤维构成。
9、根据权利要求6所述的复合加强电传输导体,其特征在于,所述芯够件能够彼此分离以进行拼接。
10、根据权利要求1所述的用于长距离传输电流的复合加强电传输导体,其特征还在于,所述载流护套由非合金的铝形成。
11、根据权利要求6所述的用于长距离传输电流的复合加强电传输导体,其特征还在于,所述载流护套由非合金的铝形成。
12、根据权利要求6所述的复合加强电传输导体,其中,所述多个部分芯构件允许将所述导体缠绕在所述卷筒上。
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