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油田抽油机节电技术的探讨

文档作者：宋协禄文档来源：吐哈油田勘察设计院		点击数：	更新时间： 2025年09月23日
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上一篇：油田电气工程的质量安全管理探讨

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油田抽油机节电技术的探讨
宋协禄　(吐哈油田勘察设计院　838202)
摘　要　简要介绍了油田抽油机的结构和工作原理, 分析了目前国内各油田在抽油井上所采
用的效果较好的几种节电技术, 提出了较适合吐哈油田工作环境和现状的节电方案。
关键词　三相异步电动机　节电器　无功功率补偿　永磁同步电动机
1　概述
电力是石油工业的主要动力, 也是完成油气生
产任务的重要保证。在我国的石油生产中, 除少量
的自喷井外, 普遍采用机械采油的方法。机械采油
分为电泵井和抽油机采油两种, 其中以抽油机井所
占比重较大。因此, 抽油机是石油生产的耗电大
户。据统计, 2001 年, 吐哈油田耗电量达216 亿
kW·h (不包括哈密生活基地) , 占原油生产成本
的21%。由于抽油机负载的特殊性, 使得抽油机
配套电动机普遍轻载运行, 造成油田配电网运行效
率和功率因数很低。针对这一问题, 各油田都采取
了一些措施, 也收到了一定的节电效果。总的来
说, 目前较有成效的节电措施主要有三种方式: 一
是在抽油机配套电动机控制上采用节电控制器; 二
是进行无功功率就地补偿; 三是采用高效永磁同步
电动机替代传统的三相异步电动机。
2　抽油机的结构及工作原理
抽油机主要由两部分构成: 机械部分和电气部
分。前者主要由抽油泵、抽油杆和平衡块等部分组
成; 后者主要由三相异步电动机和控制电路组成。
三相异步电动机的功率一般为几十千瓦, 它带动抽
油杆作往复运行, 将原油源源不断地从地下抽到地
面。抽油杆在下降时负载很轻, 相当于“空载”,
而在上升时由于要将原油抽出地面, 故负载很重,
相当于“满载”。因此, 抽油机的负载是不断变化
的, 变化周期也很短, 一般游梁式抽油机每分钟有
8～12个冲次(周期) , 每一冲次中负载变化两次,
而且重载工作时间很短。在实际生产中, 随着油田
开发的深入, 地下原油的储量逐年减少, 抽油机工
作时, “满载”的次数逐渐减少, 大部分时间是
“轻载”或“空载”。
为平衡电动机的负载和减轻电动机重载抽油时
的负担, 抽油机上都装有平衡块。当抽油杆下降
时, 由电动机将平衡块提升起来, 即将其势能存储
起来; 当抽油杆上升时, 平衡块下落, 释放所存储
的势能, “帮助”电动机将原油抽到地面。这样,
负载的变化得到了一定程度的缓和。但由于平衡块
的位置一般是在新井投产时确定的, 随着开采的进
行, 井下负载情况发生了变化, 即负载减轻了, 同
时平衡也受到了影响。另外, 抽油机在启动时或瞬
时超载时, 应充分考虑到“举”平衡块的功率,
因此在设计时, 抽油机配套电动机的功率不得不留
有较大的功率裕度, 以避免抽油机出现“卡死”
现象。这样往往导致出现抽油机的配套电动机功率
很大, 而其重载时的最大负载却很小的现象, 因
此, 抽油机配套电动机的轻载现象是非常普遍的。
根据电机学理论, 电动机在轻载时的有功损耗
和无功占用相对增加, 从而造成电网运行效率和功
率因数下降。据统计, 吐哈油田抽油机的功率因数
在015左右(采取无功功率补偿之前) 。另外, 抽
油机电机功率配置过大, 也导致了变压器容量的
增大, 线路的损耗加大。
从上述可以看出, 由于抽油机的负载特性, 决
定了抽油机运行效率低, 即“大马拉小车”现象,
电网的损耗增大。解决这一问题, 就成了各油田工
程技术人员研究的重要课题。
3　抽油机节电控制器
为了解决抽油机配套电动机的不合理运行状
况, 各油田采取了许多节电措施, 市场上也出现了
许多针对抽油机的节电产品, 这些节电产品大多是
对抽油机的控制电路进行改造, 统称为“抽油机
节电控制器”。随着电子技术和计算机控制技术的
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发展, 抽油机节电器技术也得到进一步提高, 功能
上更加完善, 尤其是更能适应油田恶劣的野外环
境。
根据抽油机节电控制器的功能, 大体可以分为
两种: 一是抽油机空抽控制器, 一是抽油机调压控
制器。
311　抽油机空抽控制器
抽油机空抽控制器, 顾名思义, 就是控制抽油
机避免空抽或少抽。随着油田开发的深入, 地层压
力不断下降, 这时抽油机的每一次抽取, 并不都是
满的, 有相当多的时候是在进行空抽或少抽。空抽
控制器就是针对这一现状而开发出的节电产品。
空抽控制器的节电原理是: 通过采用微电脑控
制技术, 自动测知油井的实际负荷, 当轻载或空载
即泵空时, 能够自动使抽油机停止工作。只有当井
内原油的蓄量满足再次连续满抽的条件时, 抽油机
才会再次启动, 开始抽取。这样, 通过调整抽油机
的运行模式, 变固定不变的机械运行为动态响应的
智能运行, 保证了抽油机的每一次抽取都是满载,
不做无用功, 减少低效或无效抽取, 从而达到节电
目的。空抽控制器的节电原理框图如图1所示。
图1　空抽控制器的节电原理框图
　　吐哈油田目前已安装了35台美国汉诺威公司
生产的空抽节电器, 实验结果表明, 可节电30%,
效果非常显著。但这种控制器并不能降低抽油杆下
降时的无功损耗及配电网的线损。因此, 它没有从
根本上解决抽油机配套电动机的不合理运行状态。
312　抽油机调压节电器
调压节电器可以解决抽油机配套电动机的不合
理运行状态。我们知道, 供给抽油机配套电动机运
行的电网电压是一定的, 它是由专门的10kV 或
6kV高压架空线(吐哈油田是10kV)经降压变压器
后提供的。在这种情况下, 电动机的励磁电流基本
恒定。在轻载条件下, 电动机的输出转矩与负载转
矩相平衡, 定子电流中的有功分量减少, 导致功率
因数降低; 而与定子电压有关的各种损耗基本不
变, 致使效率也降低。此时, 若能适当降低电动机
的定子电压, 在保证正常运转的情况下, 可使励磁
电流和有功损耗都能降低, 从而使功率因数和效率
都得到提高。这是调压节电的基本原理。三相异步
电动机的调压节电器可分为Y/Δ变换和晶闸管调
压等几种。
所谓Y/Δ变换调压节电器, 就是对原来为Δ
形接法的抽油机配套电动机, 当负载率低于40%
时, 将电动机的定子绕组改为Y形接法, 使定子
电压由380V降为220V, 达到调压节电的目的。这
是一种最简单的两点式调压装置, 具有投资少、维
修方便的特点, 但只适用于原来为Δ形接法且负
载率低于40%的场合。
晶闸管调压装置可以在一定范围内连续调节输
出电压, 以满足不同负载率的要求。目前各油田所
使用的调压节电器多为晶闸管调压装置。图2为晶
闸管移相式调压系统框图。
图2　晶闸管移相式调压系统框图
　　调压节电器是一种效果比较好的节电产品, 它
既可以减少电动机的有功损耗, 提高运行效率, 直
油田抽油机节电技术的探讨 ———宋协禄 (159) ·15·
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接减少电能的浪费, 获得有功节电效果, 又可以减
少电动机所占用的无功功率, 提高运行时的功率因
数, 从而减少供电线路上的无功损耗, 提高供电质
量, 增加电网出力, 获得无功节电效果。但是, 调
压节电器有个重大缺陷, 即输出波形较差。由于一
般晶闸管调压电路均为移相控制方式或斩波控制方
式, 输出波形不是完整的正弦波, 含有较多的高次
谐波, 且负载越轻, 输出波形越差, 谐波成分就越
大。谐波不但会产生谐波干扰, 污染电网, 影响通
讯, 而且还会在电动机内产生附加损耗, 使节电效
果降低, 产生脉动转矩。因此, 使用调压节电器时
必须采取措施抑制谐波。
总而言之, 空抽控制器和调压节电器虽然都有
其缺陷, 但从某种程度上, 均能起到节电的效果。
在实际生产中, 应根据油井的实际情况和当地的自
然环境, 合理选择节电器, 达到最佳的节电效果。
4　油田配电网无功功率就地补偿装置
上文提到, 油田抽油机配套电动机多采用三相
异步电动机, 在设计时考虑到抽油机带有储能用的
平衡块, 当停机时若平衡块处于最低位置, 则电动
机启动时需要很大的启动转矩。因而只得选用较大
容量的电动机, 加之电动机均采用直接启动方式,
于是, 变压器的容量与实际负荷相差悬殊。这就造
成初始投资增加, 浪费有色金属, 且无功功率增
大, 使整个油田配电网功率因数降低, 影响了供电
效能。
411　功率因数低对配电网运行的影响
功率因数对配电网的运行有重要的影响。对于
某输电线路或局部供电系统, 若输送相同数额的有
功功率P, 供电电压U 为常数, 由公式P =U Icosφ
可以推论, 当功率因数cosφ变低时, 则I增大,
即系统中输送的电流变大, 电流的增大会对系统造
成不利影响。
综述如下:
a1增加线损。由于△P = I2 R = ( P2 +Q2 ) R /U2
= △PP + △PQ , 式中: △PQ 系由于无功功率相应
的无功电流在设备与线路上产生的有功功率损耗
值, 它与无功电流的平方成正比, 所以无功电流的
增加将引起线损的急剧变大。
b1减小供电能力。由于系统中输送的无功电
流增加, 导致总电流变大, 从而要求系统中的变压
器、开关设备、导线、计量与保护设施的容量增
加, 对已有系统若保持容量不变, 则只有降低供电
能力。另外, 对系统中的发电设备也存在同样的问
题, 无功电流的增大, 对发电机转子的去磁效应增
加, 电压降低, 为保持发电机输出电压不变, 只得
增加励磁电流, 如过度增加励磁电流, 则使转子绕
组超过允许温升。为了保证转子绕组正常工作, 发
电机就不允许满发, 即降低发电机出力。此外, 原
动机的效率是按照有功功率衡量的, 当发电机发出
的视在功率一定时, 无功功率的增加, 会导致原动
机效率的相对降低。
c1降低供电电压质量。系统中无功电流变大
将使线路及变压器的电压损失增大, 降低供电电能
质量。
据调查, 吐哈油田单井供电线路平均功率因数
在0141～0177 之间, 均达不到规范019 的要求。
根据规范规定, 油田单井供电线路网损须小于
7% , 从统计的计算结果看, 有些单井线路网损超
过了规范规定, 全油田单井供电线路网损为39517
万kW·h /年。
412　无功功率补偿方式
为有效降低线损, 提高供电质量, 油田广泛采
用并联电容器, 进行无功补偿, 降低系统中的无功
电流。
无功补偿分集中补偿和就地补偿两种, 集中补
偿是在变电所的出口处加装补偿电容, 以“代替”
电网向用电设备提供无功功率。它的优点是电容器
利用率高、初投资少、便于维护和管理; 缺点是补
偿电容所提供的无功功率还是通过输电线路来提供
的, 故补偿效果不好。而就地补偿是就地为用电设
备直接提供无功功率, 不需要经过输电线路, 故补
偿效果好, 可以化整为零, 分散解决。目前, 各油
田普遍在35kV变电所内设有无功功率集中补偿装
置, 在10kV线路末端还没有进行补偿, 主要原因
是由于油田地处偏僻野外, 自然环境条件差, 补偿
电容器无法满足要求, 使用寿命短, 管理困难。近
年来, 随着电子技术的发展, 补偿电容器的性能有
了很大进步, 已能满足油田的需要。因此, 分散就
地补偿装置已受到各油田的重视。
吐哈油田从2001 年开始, 对所属温米油田、
丘陵油田、鄯善油田、吐鲁番油田的抽油井供电线
路进行了调查, 经过技术论证和经济分析, 决定对
上述4个油田的单井供电线路进行分散就地无功补
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偿, 并委托设计院进行设计。经过现场调查并进行
详细计算后, 确定了补偿容量, 在变压器低压侧进
行就地补偿。2002年6月, 工程施工结束并投入
运行。改造后的单井供电线路平均功率因数均达到
了019 以上, 线路平均网损率由5198%降到了
3147% , 降低了41198% , 网损降低了172 万kW
·h /年, 降低了4315% , 取得了较好的经济效益。
从上述可看出, 无功功率补偿装置在供电系统
中所承担的作用是提高电网的功率因数, 降低供电
变压器及输送线路的损耗, 提高供电效率, 改善供
电环境。所以, 无功功率补偿装置在电力供电系统
中处在一个不可缺少的非常重要的位置。
5　抽油机专用高效永磁同步电动机
我们知道, 交流电动机分为三相异步电动机和
同步电动机两种。三相异步电动机又称感应电机,
它具有构造简单、坚固耐用、工作可靠、价格便
宜、使用和维护方便等优点, 所以它的应用最为广
泛; 但是感应电机也有很大缺点, 那就是过载能力
低、功率因数低, 尤其在空载或轻载时, 功率因数
非常低。同步电动机则与感应电机正好相反, 它的
启动转矩大, 轻载运行时效率和功率因数高; 但是
它构造复杂、造价较高、起动和维护比较麻烦, 且
要求转速必须恒定。
目前, 油田抽油机上使用的电动机大多是感应
电机, 造成的结果就是运行效率低, 大马拉小车,
电网的损耗增大, 直接增加了原油的生产成本。采
用无功功率就地补偿装置对单井供电线路进行无功
补偿, 虽然能起到节电的作用, 但是这只是在事成
之后采取的一种补救措施(即人工补偿) , 并没有
彻底解决抽油机电机功率配置过大和自然功率因数
低的问题, 要彻底解决这一问题, 就要采用同步电
动机。
前文已经讲过, 油田抽油机的运行工况比较特
殊: 高启动转矩和低负载运行。如果采用普通的同
步电机, 虽然也能达到节电的效果, 但是从它的投
资、管理维护等方面进行综合经济评价, 则是不可
行的。
511　抽油机专用永磁同步电动机的特点
随着电机制造技术的提高和电力电子技术的发
展, 科技人员研制出一种抽油机专用高效永磁同步
电动机。这种新型节能电机具有比普通同步电机更
为优良的性能, 完全满足油田的生产需要。同三相
异步电动机相比, 抽油机专用高效永磁同步电动机
具有以下特点。
51111　运行效率高
抽油机专用高效永磁同步电动机为同步工作方
式, 转子转速和定子旋转磁场完全同步, 与感应电
机相比, 无转差损耗; 与普通同步电机相比, 转子
不需外加励磁电源, 消除了励磁损耗。因此, 永磁
同步电动机的额定效率可达94%以上, 高于普通
异步电机约4%。更为重要的是, 通过优化设计,
抽油机专用高效永磁同步电动机轻载时在一定范围
内的效率还高于额定值, 最高可达96% , 且此最
高效率区位于电机的平均负载率所在的区域, 使得
高效区得到了展宽, 大大提高了整个冲程内的平均
运行效率; 而轻载时异步电机的效率远低于其额定
值。且由于抽油机大部分时间是工作在轻载状态,
因此, 采用抽油机专用高效永磁同步电动机的节电
效果非常显著。
51112　运行功率因数高
同步电机功率因数的大小由其转子励磁电流来
决定, 永磁电机的功率因数则是通过其转子永磁体
磁场来决定, 因此可获得任意高的功率因数。抽油
机专用高效永磁同步电动机的额定功率因数一般设
计在0198左右, 且在轻载时还高于额定值, 甚至
在一定范围内还可起到补偿电容器的作用, 从而保
证整个冲程内平均自然功率因数在019以上。而异
步电机的平均自然功率因数只有015左右, 因此节
能效果显著。
51113　启动力矩大、过载能力强、装机功率低
永磁同步电机采用异步电机启动方式, 可以直
接启动。为了解决抽油机驱动电机的“大马拉小
车”现象, 在进行抽油机专用高效永磁同步电动
机设计时, 将其启动力矩和过载能力均提高了1个
机座号, 最大启动力矩倍数达到316倍, 这样就大
大降低了电机的装机功率, 又有效降低了电机的运
行损耗, 提高了节电效果。
51114　节省补偿电容器
由于抽油机专用高效永磁同步电动机运行后,
其自然功率因数可达019以上, 完全可以省掉补偿
电容器, 进而减少补偿设备的投资和维护费用。
51115　提高电网的利用率
采用抽油机专用高效永磁同步电动机后, 电机
视在功率降低了50%以上, 也就是说, 有一半左
油田抽油机节电技术的探讨 ———宋协禄 (161) ·17·
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右的电网容量被重新开发出来, 相当于电网的供电
能力提高了1倍, 这样就极大地提高了电网的利用
率。这对于油田自身来说, 由于油田供电网一般是
油田内部固定资产, 能够提高电网的利用率, 就可
以减少在供电系统上的部分投资, 从而降低原油生
产成本, 其意义重大。
512　吐哈油田采用高效永磁同步电动机与原配置
的感应电机的对比
由上述可知, 从理论上讲, 采用抽油机专用高
效永磁同步电动机节能效果显著, 而目前各油田大
部分抽油机电机仍采用异步电机, 抽油机专用高效
永磁同步电动机的出现立即引起各油田的高度重
视, 纷纷进行实验。吐哈油田虽然起步比内地油田
晚, 但目前已在多口抽油井上采用高效永磁同步电
动机进行实验, 以取得这方面的管理维护经验和技
术数据。首先在12型抽油机上进行了实验, 并与
原配感应电动机进行了对比, 实验数据和效率及功
率因数曲线分别见表1和图3。
表1　试验数据对比
电动机型号运行电压(V) 平均运行电流(A) 平均有功消耗( kW) 平均无功消耗( kvar) 平均功率因数
三相异步电机
Y280M28
384 4319
121409 /4冲次
(311 /冲次)
26143 /4冲次
(6161 /冲次) 01425
永磁同步电机
TYCY280M128
384 12183
71298 /218冲次
(216 /冲次)
41257 /218冲次
(1152 /冲次) 01864
节电率16% 77%
图3　两种电机的效率与功率因数比较曲线
　　实验结果表明, 高效永磁同步电动机与感应电
动机相比, 平均运行电流下降7118% , 平均功率
因数提高1 倍以上, 节省有功功率16% , 节省无
功功率77%, 节电效果非常显著。
6　节电技术应用对比
节电控制器、无功功率补偿和高效永磁同步电
动机是目前抽油机节电的主要方法。三种节电技术
应用对比见表2。
表2　三种节电技术的比较
名　　称节　电　效　果维护和管理投　资
节电控制器
空抽节
电器
可控制抽油机的每一次抽取都是满载, 不做无用功,
减少低效或无效抽取, 节能效果明显, 但不能降低抽
油杆下降时的无功损耗, 且只适用于低产井。
采取一对一方式, 可安装在抽油
机电控箱内, 并尽可能利用现有
设备, 维护管理工作量不多。
节电控制器采用较多, 投资较
大。
调压
节电器
既可以减少电动机的有功损耗, 提高运行效率, 又可
以减少电动机所占用的无功功率, 提高运行时的功率
因数, 从而减少供电线路上的无功损耗。节电效果较
好。但是, 调压节电器输出波形较差, 污染电网, 影
响通讯, 因此, 必须采取措施抑制谐波。
采取一对一方式, 能利用现有设
备, 但要增加抑制谐波设备, 维
护管理工作量增加多。
调压节电器采用较多, 且增加
抑制谐波设备, 因此投资较大。
无功就地
补偿
最常用的节电方法。但是它不能提高抽油机电机的自
然功率因数, 并对补偿电容器的质量要求较高, 节电
效果较好。
只对变压器低压侧进行改造, 保
留现有设备。但是补偿电容器的
维护困难, 且停电后需人工投切,
管理困难。
主要设备为高质量的补偿电容
器, 投资相对较少。
高效永磁
同步电机
彻底改变抽油机的驱动方式, 大幅度提高运行效率和
功率因数, 是今后的发展方向。节能效果非常显著。
改造后的维护管理工作量基本不
变。
由于要替代原异步电机, 更换
较多, 且同步电机价格高, 因
此一次投资大。
·18· (162) 建筑电气 　2005年 　第 4期
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
福州地区住宅电气设计述评
林卫东　(福建省建筑设计研究院　350001)
摘　要　根据《福建省“住宅设计规范”电气专业实施细则》, 介绍了福州地区住宅电气设
计的一些情况和做法,并针对一些问题进行了相应的述评,提出了住宅电气设计还可改进的措施。
关键词　住宅　电气设计　述评　用电负荷　弱电系统
　　在《住宅设计规范》( GB5009621999)颁布实施
后, 福建省建设厅会同省电力工业局、省广电局、
省邮电管理局等单位根据该规范及电力、通信、广
电行业的国家和地方的有关规范、标准、规定, 结
合福建省城市经济发展和人民生活水平现状, 本着
以人为本、适用、安全、经济、适度超前的原则,
组织制订了《福建省“住宅设计规范”电气专业实
施细则》(以下简称《实施细则》) 。现就福建省福
州地区大部分住宅电气设计的情况作一些阐述和评
论。
1　用电负荷及配电系统
根据《住宅设计规范》, 每套住宅的用电负荷
标准及电度表规格, 不应小于表1的规定。
而福建省《实施细则》规定: “住宅设计计算
负荷标准: 一类住宅不小于4kW; 二、三类住宅
不小于6 kW; 四类住宅不小于8 kW ”,“使用面积
　　从表2中可以看出, 空抽节电器较适用于地层
压力低, “空抽”或“少抽”情况严重的抽油井;
调压节电器较适用于采用专供线路的抽油机; 无功
就地补偿较适用于供电线路长且带油井较多的情
况; 永磁同步电机的节电效果最好, 但是由于油田
抽油井驱动电机基本上是三相异步电机, 要全部淘
汰并更换变压器, 浪费太大。因此, 它较适用于新
开发区块的抽油机。
上述三种节电技术的使用范围不是绝对的。实
际生产中, 要采用哪种节电方案, 关键是要根据供
电情况、抽油机的运行工况进行分析, 并对三种节
电方案进行经济评价, 以确定最佳的节电方案。同
时, 一种节电技术可能达不到最佳节电效果, 这时
我们应该考虑同时采用两种节电技术, 比如: 空抽
节电器和无功就地补偿同时采用。
从吐哈油田的现状来看, 目前比较适合的节电
措施应该是在老油田里采用无功功率就地补偿装置
及空抽节电器相结合的方式, 在新开发区块或边缘
井上采用永磁同步电机。目前, 吐哈油田对油井相
对集中的几大油田单井线路安装了无功功率就地补
偿装置, 同时对某些空抽严重的油井加装了空抽控
制器, 双管齐下, 取得了较好的效果, 线路损耗大
大降低, 节省了大量电能, 直接降低了原油的生产
成本。但是, 在永磁同步电机上的工作进展缓慢,
还处于实验阶段, 今后应加快实验速度, 使这一新
型节电设备早日在吐哈油田发挥作用。
7　结束语
从国家生产大计上讲, 节约电能就是节约能
源; 从企业自身来讲, 节约电能就是降低生产成
本, 这对企业提高市场竞争力至关重要。石油工业
是我国的能源支柱产业, 如何提高我国石油行业在
国际市场的竞争力? 这一问题, 尤其是在我国加入
世贸组织后, 显得尤为突出, 答案很明确, 就是降
低原油生产成本。节约原油生产中的电能损耗, 是
降低原油生产成本的重要措施。应当不遗余力地进
行节电技术研究, 并付诸实践中去, 为我国石油工
业的发展多做贡献。
参考文献
　　1　戴超仁等编1油田电网优化与节能技术1北京: 石油出版
社, 1995: 173～187
2　苏文成等编1无功补偿与电力电子技术1北京: 机械工业
出版社, 1989: 16～27
3　袁天祥编著1电动机及其系统的节能技术1北京: 化学工
业出版社, 1991: 236～248
4　许实章编著1实用节电技术1北京: 中国科学技术大学出
版社, 1990: 87～104
福州地区住宅电气设计述评 ———林卫东 (163) ·19·
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

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