发电机的继电保护
水电厂发电机变压器保护原理及继电保护措施
水电厂发电机变压器保护原理及继电保护措施1. 引言1.1 水电厂发电机变压器保护原理及继电保护措施水电厂发电机变压器是电力系统中至关重要的设备，其保护十分关键。
水电厂发电机变压器主要由发电机和变压器两部分组成，需要进行全面的保护来确保其稳定运行。
发电机变压器保护原理主要包括过电流保护、绕组温度保护和短路保护等。
过电流保护是指在发生故障时，通过检测电流大小来判断系统是否处于异常状态。
绕组温度保护则是通过监测变压器绕组温度来避免过热造成的损坏。
短路保护则是为了防止短路电流造成的设备损坏，需要及时断开故障电路。
继电保护是水电厂发电机变压器保护系统中不可或缺的一部分，其作用是监测电力系统中的各种参数，当发生故障时，及时采取措施以保护设备和人员安全。
继电保护措施包括了发电机变压器的各种保护功能，如差动保护、电流保护、零序保护等，能够有效地防止电力系统的运行异常。
水电厂发电机变压器保护的重要性不言而喻，只有做好保护工作，才能确保设备的正常运行，减少故障损失。
继电保护在保护系统中的作用举足轻重，其快速、准确地判断故障类型，能够对电力系统进行有效保护。
未来发展趋势是通过引入先进的监控技术和智能化系统，提高变压器保护系统的可靠性和安全性，以适应电力系统的不断发展和变化。
【内容结束】2. 正文2.1 发电机变压器保护原理发电机变压器是水电厂中最重要的设备之一，其正常运行对于水电厂的发电效率和设备寿命至关重要。
发电机变压器的保护工作显得尤为重要。
1. 过电流保护：通过监测发电机变压器的电流大小，一旦发生短路或过载现象，及时切断电路，确保设备和系统的安全运行。
2. 绕组温度保护：监测发电机变压器绕组的温度，一旦温度超过设定值，会对设备进行保护操作，避免由于过热而造成设备损坏。
3. 短路保护：当发生短路故障时，短路保护系统会迅速检测并切断电路，防止短路故障扩大，保护设备和人员的安全。
通过以上保护原理，可以有效保护发电机变压器的安全运行，避免设备损坏和事故发生。
发电机继电保护设计
发电机继电保护设计-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN课题：发电机继电保护设计专业：电气工程及其自动化班级：姓名：指导教师：设计日期：成绩：目录1.绪论 (1)继电保护概述 (1)继电保护基本要求 (1)2.发电机变压器参数 (2)原始资料 (2)发电厂规模 (3)主接线（一机组一出线） (4)课程设计的主要内容 (4)3.短路电流计算 (4)相关短路点及短路方式的选择 (4)短路计算点的选择 (5)整定电流选择 (7)4.发电机保护配置的选取及整定原则 (7)发电机的保护配置 (7)发电机纵差保护整定 (8)发电机的定子单相接地保护 (9)发电机的负序过电流和转子接地保护 (10)发电机的失磁保护 (10)发电机的其他保护 (10)5.继电保护整定计算 (11)发电机纵差保护整定 (11)过电流保护整定 (12)过负荷保护整定 (12)6.仿真图 (13)7.总结 (14)8.参考文献 (15)9.附录 (16)1.绪论继电保护概述电力系统在运行中，由于电气设备的绝缘老化、损坏、雷击、鸟害、设备缺陷或误操作等原因，可能发生各种故障和不正常运行状态。
最常见的而且也是最危险的故障是各种类型的短路，最常见的不正常运行状态是过负荷，最常见的短路故障是单相接地。
这些故障和不正常运行状态严重危及电力系统的安全和可靠运行，这就需要继电保护装置来反应设备的这些不正常运行状态。
所谓继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气设备所发生的故障或不正常状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。
它的基本作用是：①当电力系统发生故障时，能自动地、迅速地、有选择性地将故障设备从电力系统中切除，以保证系统其余部分迅速恢复正常运行，并使故障设备不再继续遭受损坏。
②当系统发生不正常状态时，能自动地、及时地、有选择性地发出信号通知运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。
继电保护的工作原理及应用
继电保护的工作原理及应用一、引言继电保护是电力系统中一项重要的技术手段，其主要作用是监测和保护电力设备，以确保电力系统的安全运行。
本文将介绍继电保护的工作原理及其在电力系统中的应用。
二、继电保护的工作原理继电保护的工作原理主要基于电力设备的电流、电压、频率等参数的监测和判断。
当这些参数超过设定的阈值或发生异常变化时，继电保护将发出信号，触发相应的保护动作。
下面列举了继电保护的几种常见工作原理：•过流保护：监测电流，当电流超过设定值时，保护动作触发，切断电源，以保护电力设备。
•差动保护：通过对电流进行比较，检测电流差异，当差异超过预设阈值时，触发保护动作。
•零序保护：监测电力系统的零序电流，一般用于检测接地故障。
•距离保护：测量故障点与保护装置之间的距离，判断故障类型，并触发相应的保护动作。
•欠频保护：监测电力系统频率，当频率低于设定值时，触发保护动作。
三、继电保护的应用继电保护广泛应用于电力系统的各个环节，下面列举了几个常见的应用场景：1.变电站继电保护：变电站是电力系统中的重要环节，继电保护系统在变电站中起着至关重要的作用。
它能够检测变电站中的各个电力设备，如变压器、断路器等是否正常运行，一旦检测到异常情况，能够及时发出警报并切断电源，防止事故的发生。
2.输电线路继电保护：继电保护系统在输电线路中也起到非常重要的作用。
它能够监测电流和电压的变化，检测并定位线路故障，如短路、断线等。
及时触发保护动作，使故障区间与其余正常区间隔离，确保电力系统的稳定和安全运行。
3.发电机继电保护：发电机是电力系统的核心组件之一，对于发电机的保护尤为重要。
继电保护系统能够监测发电机的电流、电压、频率、温度等参数，一旦检测到故障，能够及时切断电源，防止进一步损坏发电机。
4.用电继电保护：继电保护系统在用电过程中也有重要应用。
它能够监测用户侧的电流和电压，当电流超过额定值时，能够切断电源，防止过载引起的事故。
同时，继电保护系统还能够检测电力系统的电能质量，如电压波动、谐波等，保证用户用电的稳定和可靠。
发电机的继电保护
Ik
互感器二 I 次电流 互感器二 同相分支绕 次电流 组间的环流 I 同相分支绕 I k1 组间的环流 同相分支绕组间
k
k
I-I
I-I
Ik1
Ik1
Ik
I k1
a a1
的匝间短路 同相分支绕组内 部的匝间短路 a2 同相分支绕 组间的环流
a
Ik 2
匝间短路时分支绕组间的环流
• 同相分支绕组内部的匝间短路时，绕组间的环 流为 I k ，流入差动继电器的电流大小为：
2Ik IK nTA
• 同相分支绕组间的匝间短路时，绕组间的环流 为 I k1和 I k 2 ，流入差动继电器的电流大小为：
2 I k1 IK nTA
• 当流入差动继电器的电流大于动作电流时，横 差保护动作。
+ +
TA2
+ I
t -
磁 开 关
I-I
I-I
I-I
G
TA1
断 线 信 号
差动继 电器
断线监视 继电器
动作时间 大于后备 保护
发电机匝间短路的横差动保护
• 发电机匝间短路是指发生在同一相别 的分支绕组内部或绕组之间的电势不 同点的一种纵向不对称短路。匝间短 路的故障分析起来十分复杂，简单地 说，这种短路会在发电机分支绕组间 产生环流，当短路匝数很少时，环流 电流值很小，但短路点短路电流却很 大，对发电机有严重损害。
U S .3 1 a U N .3 a
利用 U S .3 作为动作量，利用 U N .3 作为制动 量，构成的接地保护动作范围0~50%。
定子绕组单相接地时3次谐波电压分布
α α α （１－α）
继电保护原理第 7 章 发电机继电保护讲解
短路环中的电流与短路匝数的关系曲线如图：
二、横差保护原理 正常： 匝间接地：
I1 I 2
.
I j ( I1 I 2 ) / nl 0
. . . " d " Id
.
.
.
I J ( I1 I 2 2 I ) / nl
nl
I dz
动作 保护不动
死区：（1） 同一分支：
" 0, I d 0.
" （2） 同相两分支间： 1 2, I d 0. 保护不动
三、单元件式横差保护 原理：保护用电流互感器装设于发电机两组星形中性点的连 线上。 它实质是将一组三相分支电流之和与另一组三相分支电流之 和进行比较。
保护装置的原理接线及其它有关问题
1、三次谐波滤过器：其作用是滤除三次谐波，即使三次谐波也 不会流到电流继电器线圈中。 2、励磁回路有两点接地时保护的动作行为：在一般。
7.4.2 负序定时限过电流保护
一、保护由两段式构成 ' I段 I2 act 0.5I e. f 经t1（3-5s）延时动作于跳闸 II段 I 2.dz 0.1I e. f 经t2（5-10s）延时动作于信号
二、保护动作行为分析
1、在ab段内，t1大于允许时间，对发电机不安全 2、在bc段内，t1小于允许时间，未充分利用发电机的承受负 序电流的能力； 3、在cd段内，发信号；而靠近C点时，由于运行人员处理的 时间已大于允许时间，对发电机安全来讲不利； 4、在de段内，保护根本不反应。
三、特点 简单可靠、可加装三次谐波滤过 器以提高灵敏度，适用于发电机变压器组。
7.4 发电机的负序过电流保护 7.4.1 负序过电流保护的作用 一、负序过电流的危害 在转子绕组、阻尼绕组以及转子铁芯等部件上感应100Hz的倍 频电流，该电流使得转子上电流密度很大的某些部位可能出 现局部的灼伤，甚至可能使互环受热松脱。 所产生的100Hz交变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和定子 机座上，引起100Hz的振动。
发电厂基本知识及发电机继电保护
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对发电机继电保护的二次回路进行检查和清扫，确保回 路绝缘良好，无寄生回路。
在定期检修中，应对发电机继电保护的各项功能进行全 面测试，确保其性能良好。
对发电机继电保护的定值进行复核和校验，确保其准确 性和可靠性。
发电机继电保护的故障处理与案例分析
01
02
03
04
在发电机继电保护发生故障时 ，应迅速查明原因并消除故障
输电线路
将电能从发电厂输送至用户的 导线及附属设备。
02
发电机基本知识
发电机的工作原理
电磁感应原理
发电机的工作原理基于电磁感应，即当导体在磁场中运动时，会在导体中产生 感应电动势。
转子与定子的相对运动
发电机的转子通过某种动力（如水力、风力、蒸汽等）驱动旋转，而定子则保 持固定。转子与定子之间的相对运动导致磁场变化，从而在定子绕组中产生感 应电动势。
定义
继电保护是一种能反应电力系统中电 气元件发生故障或不正常运行状态， 并动作于断路器跳闸或发出信号的一 种自动装置。
作用
在电力系统中，继电保护装置能够自 动、迅速、有选择地将故障元件从电 力系统中切除，防止故障范围扩大， 保证系统安全、稳定、经济运行。
继电保护的基本原理与分类
基本原理
继电保护装置通过测量被保护元件的物理量（如电流、电压、功率等），与给定 值进行比较，根据比较结果给出相应的逻辑信号，从而判断被保护元件是否发生 故障或不正常运行状态，并决定是否动作于断路器跳闸或发出信号。
分类
根据所用一次能源的不同，发电 厂可分为火力发电厂、水力发电 厂、核能发电厂、风力发电厂、 太阳能发电厂等。
大型发电厂的继电保护配置
大型发电厂的继电保护配置大型发电厂的继电保护配置通常包括以下几个方面的保护：1. 电气保护：电流保护、电压保护、频率保护等电流保护通常分为过流保护和差动保护两种类型。
过流保护可以检测电路中的电流是否超出了额定值，如果超出了则会触发断路器或者隔离开关进行断开，以保护设备不受过载或短路的损害。
差动保护则是利用电流差异来检测设备是否出现故障，通常用于大型设备如变压器的保护。
电压保护通常包括欠压保护、过压保护和失压保护。
欠压保护可以检测是否出现了电网欠压情况，如果欠压过大，则会触发保护。
过压保护则可以检测电网电压是否超出了额定值，如果超出则会触发保护。
失压保护通常用于检测到电网失压的情况下，发电机的自供电能力能否保证。
频率保护则可以检测电力系统的频率是否出现异常，如果频率过高或过低，则会触发保护。
这是因为频率的变化会影响设备的运行稳定性和电能质量，影响电网的稳定运行，所以需要及时进行保护。
2. 稳定控制保护：机械功率保护、安全速度保护等机械功率保护通常用于保护发电机，以防止发电机进入劣质供电状态。
安全速度保护则用于保护发电机和涡轮机等转子设备，以防止超速运行和损坏设备。
3. 过电压/过流保护：过电压保护、过流保护、防爆盘保护等过电压保护可以防范接地故障、线路短路和开路等引起的过电压，保护设备不受电压过高的损害。
过流保护可以防范短路、过载等情况出现时电路电流过大，引起设备损坏。
防爆盘保护则主要针对自愈合故障。
当故障自行消失后，为避免故障再次出现，需要设置防爆盘保护。
防爆盘保护的原理是：当自愈合故障后再次闭合时，由于破坏的电器要素已不存在，电路中电感电能被瞬间释放，若不通过防爆盘容器来消散，将会使接点大幅弹开，产生强烈的电弧，导致设备跳闸、烧毁。
4. 接地故障保护：接地保护、内部接地保护等接地故障会导致电网发生短路，产生大量电流，引起设备烧毁甚至爆炸。
因此，需要对接地故障进行保护。
接地保护可以检测到发电机中性点接地情况，内部接地保护则可以检测到设备内部电路接地情况，防止故障扩散，以保护设备安全。
第五讲 继电保护-发电机保护
六、定子绕组匝间短路保护
1、定子绕组匝间短路类型 定子绕组接线方式有两种：双星形接线和单星形接线
定子绕组匝间短路类型主要有：同相同分支；同相不同分支；不同 相间；定子开焊。
2、单元件式横差电流保护
1）基本原理 ：发生匝间短路故障时，由于双Y接线绕组的中性点连线上有电流出
现，因此，取用中性点连线上的电流可以构成定子绕组的匝间短路保护。
电流
电
机
纵
差 保
代号
KZ
Iq
Ig
U2
Is
Ict
Ie （IN）
护
定
值
整定
清 单
范围
0.1~1.8
0.05~10
0.5~10
1~30
1~20
0.8~1.2
0.5~8
单位
安
安
伏
倍数
倍数
安
（三）比率制动式发电机纵差保护 定值整定
①启动电流Iact0 按躲过正常工况下最大不平衡差流来整定。
不平衡差流产生的原因：主要是差动保护两侧 TA的变比误差，保护装置中通道回路的调整误差。对 于不完全纵差，尚需考虑发电机每相各分支电流的不 平衡。
定子绕组
A B
C
装置交流模件
专用TV
3U0
逻辑框图
为防止专用TV一次断线时保护误动，引入TV断线闭锁；另外，为防止区外 故障或其他原因（例如，专用TV回路有问题）产生的纵向零序电压使保护 误动，引入负序功率方向闭锁。负序功率方向判据采用开放式（即允许式）
发电机额定电流IN.G
n Ie IN .G
Pe
3Ue TA cos
⑦差动保护灵敏度校验
必须满足机端两相金属性短路时，差动保护的 灵敏系数:
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6. 反应100%定子绕组的接地保护 一是零序电压保护，能保护定子绕组的85%以上 二是用来消除零序电压保护不能保护的死区
发电机中性点加固定的工频偏移电压 附加直流或低频电源，将其电流注入定子绕组 利用发电机固有的三次谐波电势
23
发电机三次谐波电势的分布特点
US3
C0 f
1
U N 3 C0 f 2C0S
42
系统振荡时机端测量阻抗
X s 0 Z f gmin jX d / 2
43
4. 失磁保护的构成方式
44
转子低电压判据失磁保护方案
45
1.6 发电机-变压器组继电保护 的特点
1. 发电机-变压器组纵差保护的特点
47
2. 发变组中定子单相接地保护的特点
发变组中，发电机的中性点以不安不接地或经消 弧线圈接地
1. 发电机的故障类型及保护方式
定子绕组
• 定子绕组及引出线相间短路：采用纵差保护 • 定子绕组匝间短路：采用横差保护 • 定子绕组单相接地：采用零序电流和零序电压保护
转子绕组
• 转子绕组一点或两点接地：采用定期检测装置，或采 用一点和两点接地保护
• 转子绕组励磁电流消失：自动灭磁开关断开时连锁断 开发电机的断路器，或采用发电机失磁保护
i22dt
I
2 2*
t
A
发电机 凸级式发电
机或调相机
A
40
空气或氢气表面 冷却的隐极式发 电机
30
导线直接冷却的 100~300MW汽 轮发电机
6~15
发电机组容量越大，承受负序过负荷的能力越小，即A值越小
29
定子负序过电流保护的作用
主保护：对定子绕组电流不平衡而引起转子过热 的一种保护，是发电机的主保护之一
电力系统继电保护原理
1 发电机的继电保护 1.1 发电机的故障类型和不正常运行状态 1.2 发电机的纵差动保护和横差动保护 1.3 发电机的定子单相接地保护 1.4 发电机的负序过电流保护 1.5 发电机的失磁保护 1.6 发电机-变压器组继电保护的特点
2
1.1 发电机的故障类型和不正常 运行状态
20
5. 利用零序电压构成定子接地保护 用于发电机变压器组，动作于信号
21
定子零序电压保护的整定
① 躲开正常运行时的不平衡电压 ② 变压器高压侧接地时在发电机端产生的零序电压
提高灵敏度的措施： 加装三次谐波过滤器，消除三次谐波的影响 变压器高压侧中性点直接接地时，利用延时躲开 高压侧接地故障 变压器高压侧中性点非直接接地时，利用高压侧 的零序电压将定子接地保护闭锁或对保护实现制 动
d
e
t
定时限过电流保护的动作特性与发电机允许负序反时限过电流保护
I2 保护动作特性 I22t A at
I22t A 0
发电机允许负序 电流的特性是在 绝热条件下给出 的，考虑转子散 热条件后，对于 同一时间内所允 许的负序电流值 实际上要比用允 许负序电流曲线 t 计算出的值大
34
1.5 发电机的失磁保护
1. 发电机失磁运行及影响
失磁原因： 转子绕组故障 励磁机故障 自动灭磁开关误跳闸 半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障 误操作
36
1. 发电机失磁运行及影响
37
1. 发电机失磁运行及影响
对电力系统和发电机的影响： 失磁发电机异步运行时，需要从系统吸收大量无功 当系统无功储备不足时，将引起电压下降，严重时 可能因电压崩溃而使系统瓦解 为了防止定子绕组过电流，失磁发电机异步运行所 发出的有功比同步运行时小 失磁后发电机转速超过同步转速，转子产生差频电 流，使转子过热
内部单相接地时，流经LH0的零序电流为发电机 以外电压网络的对地电容电流 外部单相接地时，流经LH0的零序电流为发电机 本身的对地电容电流
18
4. 利用零序电流构成的定子接地保护
2
S
I 22 Z 2
Z L ZL Z2
I1
Z2
Z2 ZL Smax I12ZL / 4
利用基波零序电压构成的接地保护，可以反应靠 近定子机端侧85%范围内的单相接地故障，且故 障点越接近于出线端时，保护越灵敏
0
0.5
1
三次谐波电压保护区
基波零序电压保护区
26
1.4 发电机的负序过电流保护
1. 定子负序电流产生原因及影响
产生原因：电力系统发生不对称短路；在正常运行 情况下三相负荷不平衡
定子绕组过电压：采用带延时的过电压保护 汽轮发电机主汽门突然关闭：采用逆功率保护
5
1.2 发电机的纵差动保护和横差 动保护
1. 纵差动保护的原理
反应定子内部相间短路：动作于跳闸 反应电流互感器二次回路断线：动作于信号
7
1.1 断线监视继电器的整定
起动电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定， 原则上越灵敏越好，通常取：
c) 失步后的异步运行阶段
Zf
jX1
jX ad
R2 S
jX 2
R2 S
j( X ad
X
2
)
空载失磁时： Z f ff Zf
jX d jX d
41
3. 其它运行方式下的机端测量阻抗 1为发电机正常运行 2为发电机只发有功 3为发电机欠励运行 4为发电机失磁 5为发电机外部故障
发电机定子绕组单相接地时，流经接地点的电流 为发电机电压网络对地电容电流的总和。当接地 电流较大时，能在故障点引起电弧，将绕组绝缘 和定子铁心烧毁 当接地电容电流小于5A时，装设动作于信号的接 地保护；否则，装设动作于跳闸的接地保护
16
2. 内部单相接地时的等值电路
17
3. 外部单相接地时的等值电路
10
1.4 纵差保护的灵敏度校验
Klm
Id gmin I dz
2.0
Idmin为发电机内部故障时流过保护的最小短路电流， 需要考虑如下两种情况：
① 发电机与系统并列运行以前，在其出线端发生两
相短路
② 发电机采用自同期并列时，在系统最小运行方式
下，发电机出线端发生两相短路
11
2. 横差动保护的原理
需要采用高灵敏的零序电流互感器： 尽量提高零序电流互感器的励磁阻抗 选取继电器的阻抗与零序互感器的励磁阻抗匹配
19
定子零序电流保护的整定
① 躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流和
零序电流互感器二次侧的不平衡电流
② 零序电流保护的一次动作电流应小于发电机单相
接地电流的允许值
当起动电流不考虑发电机的暂态电容电流时，保 护需带有1~2s的动作延时 当起动电流不考虑外部相间短路时的不平衡电流 时，需要在相间保护动作时将接地保护闭锁 定子绕组中性点附近接地时，接地电流很小，定 子零序电流保护存在动作死区
Idz 0.2Iegf
为了防止外部故障时由于不平衡电流的影响而误 发断线信号，它的动作延时应大于发电机所有后 备保护的动作时限
8
1.2 差动继电器的整定
① 在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时
保护不应误动
Idz Kk Iegf Kk 1.3
② 按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定
正常运行时，发电 机中心点侧的三次 谐波电压总是大于 发电机端的三次谐 波电压
24
发电机三次谐波电势的分布特点
US3 1 a
UN3
a
当靠近中性点侧发 生单相接地时，发 电机端的三次谐波 电压大于中性点侧 的三次谐波电压
25
100%定子接地保护的特点
利用三次谐波电压构成的接地保护，可以反应定 子绕组中靠近中性点侧50%范围内的单相接地故 障，且故障点越接近于中性点时，保护越灵敏
影响： 在转子绕组、阻尼绕组及转子铁心等部件上感应 出100Hz的倍频电流，造成局部过热 产生100Hz的交变电磁转矩，并作用在转子大轴 和定子机座上，引起100Hz的振动
28
定子负序电流引起转子发热的度量
假定发电机转子为绝热体（不向周围散热），则 不使转子过热所允许的负序电流和时间的关系：
t 0
后备保护：在相邻元件发生不对称短路时，定子 负序过电流保护可以作为后备保护；需要附加装 设一个单相式的低电压起动过电流保护，以反应 三相短路
30
2. 负序定时限过电流保护原理接线
I2gdz 0.1Iegf
继电器3按躲开长期允许负序电流值和最大负荷 下的不平衡电流来整定 动作延时应保证选择性，一般取5~10s
38
2. 发电机失磁后的机端测量阻抗
a) 等有功阻抗圆(失步前)
Zf
U
2 s
2P
jX
s
U
2 s
2P
e
j
2
39
2. 发电机失磁后的机端测量阻抗
b) 临界失步阻抗圆(功角为90度，无功恒定)
Zf
j
Xd Xs 2
j
Xd
Xs 2
e j2
40
2. 发电机失磁后的机端测量阻抗
31
2. 负序定时限过电流保护原理接线
I2gdz (0.5 ~ 0.6)Iegf
继电器4按躲开短时间允许的负序电流整定，同 时与相邻元件的后备保护灵敏度配合 动作延时按后备保护逐级配合，一般取3~5s
32
3. 两段负序定时限过电流保护动作特性
I2 a
b
0.5Ie,f c
0.1Ie,f
04
10