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1、电力系统继电爱护原理电力系统继电爱护原理 曾念寅 机电工程系 科学楼 228 考试成果考试成果作业:15%点名:15%点名三次不到不及格!点名三次不到不及格!期末考试:70%教材、参考资料教材、参考资料教材教材刘学军刘学军,段慧达段慧达,辛涛辛涛.继电爱护原理继电爱护原理(第三版第三版).北京北京:中国中国电力出版社电力出版社,2012参考书参考书杨正理杨正理,黄其新黄其新,王士政王士政.电力系统继电爱护原理及应用电力系统继电爱护原理及应用.北北京:机械工业出版社京:机械工业出版社,2010.贺家李贺家李.电力系统继电爱护原理电力系统继电爱护原理 第第4版版.北京北京:中国电力出版中国电力出版
2、社社,2010.电力系统继电爱护整定计算原理与算例电力系统继电爱护整定计算原理与算例.北京北京:化学工业出化学工业出版社版社,2010.张保会张保会,尹项根尹项根.电力系统继电爱护电力系统继电爱护 第第2版版.北京:中国电北京:中国电力出版社,力出版社,2010 课程介绍课程介绍一、本课程在本专业中的地位及教学目标一、本课程在本专业中的地位及教学目标二、本课程的教学内容二、本课程的教学内容三、学习本课程的基本要求三、学习本课程的基本要求一、本课程在本专业中的地位及教学目标一、本课程在本专业中的地位及教学目标 n本课程是本专业的一门主要专业课,必修课,考试课。通过本课程的学习,能够使学生驾驭发电
3、厂、变电站继电爱护装置工作原理、配置原则,常用继电器的试验方法;n培育学生继电爱护装置整定计算和识读继电爱护装置原理图、绽开图的技能,为毕业后从事发电厂、变电站和电力系统继电爱护的设计研发、运行、安装、调试检修等工作打下基础。二、本课程的教学内容二、本课程的教学内容u继电爱护的基础元件(互感器及变换器、继电器等)继电爱护的基础元件(互感器及变换器、继电器等)u电网的继电爱护(电网的相间短路爱护、接地爱护、电网的继电爱护(电网的相间短路爱护、接地爱护、距离爱护、差动爱护、高频爱护)距离爱护、差动爱护、高频爱护)u输电线路的自动重合闸输电线路的自动重合闸u主设备爱护(如电力变压器爱护、同步发电机的
4、继主设备爱护(如电力变压器爱护、同步发电机的继电爱护、母线爱护、电力电容器爱护等)电爱护、母线爱护、电力电容器爱护等)第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 电力系统继电爱护的任务和作用电力系统继电爱护的任务和作用 其次节其次节 对继电爱护的基本要求对继电爱护的基本要求第三节第三节 继电爱护的构成及分类继电爱护的构成及分类第四节第四节 继电爱护课程的特点继电爱护课程的特点本章基本要求本章基本要求l了解电力系统的故障和不正常运行状态及引了解电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果;起的后果;l驾驭继电爱护装置的概念、继电爱护的任务驾驭继电爱护装置的概念、继电爱护的任务(作用)、原理及组成;(作用
5、)、原理及组成;l娴熟驾驭对继电爱护的基本要求。娴熟驾驭对继电爱护的基本要求。第一节电力系统继电爱护的任务和作用第一节电力系统继电爱护的任务和作用 一.电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果二.继电爱护装置三.继电爱护装置的基本任务一一.电力系统的故障和不正常运行状态及电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果引起的后果电力系统的故障:电力系统的故障:三三相相短短路路K(3)、两两相相短短路路K(2)、单单相相短短路路接接地地K(1)、两两相相短短路路接接地地K(1,1)、断断线线、变变压压器器绕绕组组匝匝间间短短路路、复合故障等。复合故障等。不正常运行状态:不正常运行状态:小小接接地地电
6、电流流系系统统的的单单相相接接地地、过过负负荷荷、变变压压器器过过热热、系统振荡、电压上升、频率降低等。系统振荡、电压上升、频率降低等。1、变压器短路故障、变压器短路故障2、带负荷拉闸、带负荷拉闸3、单相接地故障、单相接地故障发生故障可能引起的后果发生故障可能引起的后果1 1、故故障障点点通通过过很很大大的的短短路路电电流流和和所所燃燃起起的的电电弧弧,使故障设备烧坏;使故障设备烧坏;2 2、系系统统中中设设备备,在在通通过过短短路路电电流流时时所所产产生生的的热热和和电动力使设备缩短运用寿命;电动力使设备缩短运用寿命;3 3、因因电电压压降降低低,破破坏坏用用户户工工作作的的稳稳定定性性或或
7、影影响响产产品品质质量量;破破坏坏系系统统并并列列运运行行的的稳稳定定性性,产产生生振振荡,甚至使整个系统瓦解。荡,甚至使整个系统瓦解。事故事故事事故故指指系系统统的的全全部部或或部部分分的的正正常常运运行行遭遭到到破破坏坏,以以致致造造成成对对用用户户的的停停止止送送电电、少少送送电电、电电能能质质量量变坏到不能容许的程度,甚至毁坏设备等等。变坏到不能容许的程度,甚至毁坏设备等等。二、继电爱护装置二、继电爱护装置继继电电爱爱护护装装置置指指反反应应电电力力系系统统中中电电气气元元件件发发生生故故障障或或不不正正常常运运行行状状态态,并并动动作作于于断断路路器器跳跳闸闸或或发发出出信信号号的一
8、种自动装置。的一种自动装置。继继电电爱爱护护装装置置最最初初是是以以机机电电式式继继电电器器为为主主构构成成的的,现现代代继继电电爱爱护护装装置置则则已已发发展展成成以以电电子子元元件件或或微微机机、可可编编程程序序限限制制器器为为主主构构成成。“继继电电爱爱护护”一一词词泛泛指指继继电电爱爱护护技技术术或或由由各各种种继继电电爱爱护护装装置置组组成成的的机机电电爱爱护护系统系统三、继电爱护装置的基本任务三、继电爱护装置的基本任务(1)发生故障时,自动、快速、有选择地将故障元件从电力系统中切除,使非故障部分接着运行。(2)反应电气元件的不正常运行状态,并依据运行维护的条件而动作于信号,以便值班
9、员刚好处理,或由装置自动进行调整,或将那些接着运行就会引起损坏或发展成为事故的电气设备予以切除。(3)继电爱护装置还可以与电力系统中的其他自动扮装置协作,在条件允许时,实行预定措施,缩短事故停电时间,尽快复原供电,从而提高电力系统运行的牢靠性。其次节其次节 对继电爱护的基本要求对继电爱护的基本要求四性:四性:1 1、选择性;、选择性;2 2、速动性;、速动性;3 3、灵敏性;、灵敏性;4 4、牢靠性、牢靠性对四性的评价:对四性的评价:以上四条基本要求,选择性是关键,灵敏性以上四条基本要求,选择性是关键,灵敏性必需足够高,速动性达到要求即可,最重要必需足够高,速动性达到要求即可,最重要的是必需满
10、足牢靠性的要求。的是必需满足牢靠性的要求。选择性:选择性:图图1-1 单侧电源网络中有选择性动作单侧电源网络中有选择性动作 爱护装置动作时仅将故障对象从电力系统中切除,使停电爱护装置动作时仅将故障对象从电力系统中切除,使停电范围限制在最小的范围内。范围限制在最小的范围内。选择性选择性当当 K3点发生短路故障时,应由故障线路点发生短路故障时,应由故障线路WL1上的爱护上的爱护P7和和P5动作,将故障线路动作,将故障线路WL1切除,这时变电所切除,这时变电所B则仍可由非故障线路则仍可由非故障线路WL2接着供电。接着供电。当当K4点发生短路故障时,应由线路的爱护点发生短路故障时,应由线路的爱护P4动
11、作,使断路器动作,使断路器4QF跳闸,将故障线路跳闸,将故障线路WL4切除,这时只有切除,这时只有WL4停电。停电。由此可见,继电爱护有选择性的动作可将停电范围限制到最小,甚至可以做到不中由此可见,继电爱护有选择性的动作可将停电范围限制到最小,甚至可以做到不中断对用户的供电。断对用户的供电。图图1-1 单侧电源网络中有选择性动作单侧电源网络中有选择性动作 主爱护和后备爱护主爱护和后备爱护1 1)主爱护:是指装设在本元件断路器处并瞬时动作的爱护。)主爱护:是指装设在本元件断路器处并瞬时动作的爱护。我们一般都希望故障能够被主爱护动作切除。据我国某我们一般都希望故障能够被主爱护动作切除。据我国某系统
12、统计最近十年中系统统计最近十年中220KV220KV线路的主爱护动作次数占全部线路的主爱护动作次数占全部爱护动作次数的爱护动作次数的83.7%83.7%,154KV154KV线路主爱护动作次数占线路主爱护动作次数占76.3%76.3%。2 2)后备爱护:后备爱护可分为近后备和远后备两种。)后备爱护:后备爱护可分为近后备和远后备两种。近后备:装设在本元件断路器处,动作时限比主爱护近后备:装设在本元件断路器处,动作时限比主爱护长。当本元件主爱护拒动时,才由近后备爱护动作来切长。当本元件主爱护拒动时,才由近后备爱护动作来切除故障。除故障。远后备:装设在相邻上一元件断路器处,动作时限比远后备:装设在相
13、邻上一元件断路器处,动作时限比近后备爱护时限还要长。当本元件的爱护或开关拒动时,近后备爱护时限还要长。当本元件的爱护或开关拒动时,利用相邻元件的远后备爱护切除故障。利用相邻元件的远后备爱护切除故障。3 3)协助爱护:起协助作用的爱护。如为消附除方向继电器)协助爱护:起协助作用的爱护。如为消附除方向继电器的电压死区或为加速切除靠近母线旁边的线路故障而加的电压死区或为加速切除靠近母线旁边的线路故障而加装的电流速断爱护。装的电流速断爱护。考虑后备爱护的问题。当考虑后备爱护的问题。当K1点发生短路故障时,距短路点最近的爱护点发生短路故障时,距短路点最近的爱护P1应动应动作切除故障作切除故障WL5,但由
14、于某种缘由,该处的爱护或断路器拒动,故障便不能,但由于某种缘由,该处的爱护或断路器拒动,故障便不能消退,此时如其前面一条线路消退,此时如其前面一条线路(靠近电源测靠近电源测)的爱护的爱护P3动作,故障也可消退。动作,故障也可消退。此时爱护此时爱护P3所起的作用就称为相邻元件的远后备爱护。同理爱护所起的作用就称为相邻元件的远后备爱护。同理爱护P5和和P6又又应当作为爱护应当作为爱护P3的远后备爱护。如的远后备爱护。如K1点故障,爱护点故障,爱护1装置两套爱护装置即主装置两套爱护装置即主爱护和近后备爱护,当主爱护拒动时,可用近后备爱护切除故障线路爱护和近后备爱护,当主爱护拒动时,可用近后备爱护切除
15、故障线路WL5。图1-1 单侧电源网络中有选择性动作 后备爱护后备爱护二、速动性二、速动性速动性就是指继电爱护装置应能尽快地切除故障,速动性就是指继电爱护装置应能尽快地切除故障,以削减设备及用户在大电流、低电压运行的时间,以削减设备及用户在大电流、低电压运行的时间,降低设备的损坏程度,提高系统并列运行的稳定降低设备的损坏程度,提高系统并列运行的稳定性。性。故障切除时间包括爱护装置和断路器动作时间,故障切除时间包括爱护装置和断路器动作时间,一般快速爱护的动作时间为一般快速爱护的动作时间为0.06 s 0.06 s 0.12 s 0.12 s,最快,最快的可达的可达 0.02 s 0.02 s 0
16、.04s 0.04s,一般断路器的跳闸时间为,一般断路器的跳闸时间为 0.06 s0.06 s 0.15 s 0.15 s,最快的可达,最快的可达0.02s 0.02s 0.06 s 0.06 s。三、灵敏性三、灵敏性灵敏性:灵敏性:指电气设备或线路在被爱护范围内发生故障或不正常运指电气设备或线路在被爱护范围内发生故障或不正常运行状况时,爱护装置的反应实力。爱护装置的灵敏性,行状况时,爱护装置的反应实力。爱护装置的灵敏性,通常用灵敏系数来衡量,灵敏系数越大,则爱护的灵通常用灵敏系数来衡量,灵敏系数越大,则爱护的灵敏度就越高,反之就越低。敏度就越高,反之就越低。过量继电器过量继电器欠量继电器欠量
17、继电器四、牢靠性四、牢靠性u 牢靠性包括平安性和信任性,是对继电爱护最根本的要求。牢靠性包括平安性和信任性,是对继电爱护最根本的要求。所谓平安性是要求继电爱护在不须要它动作时牢靠不动作,所谓平安性是要求继电爱护在不须要它动作时牢靠不动作,即不发生误动。所谓信任性是要求继电爱护在规定的爱护范即不发生误动。所谓信任性是要求继电爱护在规定的爱护范围内发生了应当动作的故障时牢靠动作,即不拒动。围内发生了应当动作的故障时牢靠动作,即不拒动。u 以上四个基本要求是设计、配置和维护继电爱护的依据,以上四个基本要求是设计、配置和维护继电爱护的依据,又是分析评价继电爱护的基础。这四个基本要求之间是相互又是分析评
18、价继电爱护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的,但往往又存在着冲突。因此,在实际工作中,要依联系的,但往往又存在着冲突。因此,在实际工作中,要依据电网的结构和用户的性质,辩证地进行统一。据电网的结构和用户的性质,辩证地进行统一。第三节第三节 继电爱护的工作原理、构成及分类继电爱护的工作原理、构成及分类一、继电爱护的工作原理一、继电爱护的工作原理依据电力系统发生故障或不正常运行状态前后物理量依据电力系统发生故障或不正常运行状态前后物理量变更特征为基础构成继电爱护装置变更特征为基础构成继电爱护装置发生短路故障后,利用电流、电压、线路测量阻抗、发生短路故障后,利用电流、电压、线路测量阻抗、电压电流
19、间相位、负序和零序重量的出现等的变更,电压电流间相位、负序和零序重量的出现等的变更,构成相应的爱护。如过电流及电流速断爱护、低电构成相应的爱护。如过电流及电流速断爱护、低电压及电压速断爱护、功率方向爱护、序重量爱护、压及电压速断爱护、功率方向爱护、序重量爱护、距离爱护、差动爱护、高频爱护等等。距离爱护、差动爱护、高频爱护等等。电力系统故障后工频电气量变更主要特征电力系统故障后工频电气量变更主要特征1 1、电流增大。故障元件上电流增大到大大超过额定负、电流增大。故障元件上电流增大到大大超过额定负荷电流荷电流2 2、电压降低。系统各节点电压均下降,短路点电压最、电压降低。系统各节点电压均下降,短路
20、点电压最低可降至零。低可降至零。3 3、电压与电流之间的相位角发生变更、电压与电流之间的相位角发生变更 。4 4、测量阻抗发生变更。、测量阻抗发生变更。5 5、出现负序和零序重量。、出现负序和零序重量。6 6、电气元件流入和流出的电流关系发生变更。元件内、电气元件流入和流出的电流关系发生变更。元件内部故障,其流入电流不等于流出电流。部故障,其流入电流不等于流出电流。反应非工频电气量的爱护反应非工频电气量的爱护1、超高压输电线路的行波爱护。、超高压输电线路的行波爱护。2、电力变压器的气体(瓦斯)爱护。、电力变压器的气体(瓦斯)爱护。3、电力变压器绕组温度过高的过负荷爱护、电力变压器绕组温度过高的
21、过负荷爱护对于反应电气元件不正常运行状况的继电爱护,对于反应电气元件不正常运行状况的继电爱护,主要依据不正常运行状况时电压和电流变更主要依据不正常运行状况时电压和电流变更特征来构成。特征来构成。二、继电爱护装置的分类及构成二、继电爱护装置的分类及构成 (一)继电爱护装置的分类(一)继电爱护装置的分类 分为模拟型和数字型分为模拟型和数字型20世纪世纪80年头前应用的常规继电爱护装置都属于模拟年头前应用的常规继电爱护装置都属于模拟型,型,80年头后发展的继电爱护装置属于数字型。模拟年头后发展的继电爱护装置属于数字型。模拟型又分为机电型、静态型继电爱护装置。型又分为机电型、静态型继电爱护装置。1、机
22、电型继电爱护装置包括电磁型和感应型。、机电型继电爱护装置包括电磁型和感应型。2、静态型继电爱护装置是应用晶体管或集成电路等电、静态型继电爱护装置是应用晶体管或集成电路等电子元件构成。子元件构成。3、数字继电爱护爱护装置由微机系统构成、数字继电爱护爱护装置由微机系统构成 (二)继电爱护装置的构成(二)继电爱护装置的构成 1、模拟型继电爱护装置、模拟型继电爱护装置这种爱护装置由测量回路、逻辑回路和执行回路三个主要部分这种爱护装置由测量回路、逻辑回路和执行回路三个主要部分组成。组成。(1)测量部分:测量被爱护对象的有关物理量,与给定量进行)测量部分:测量被爱护对象的有关物理量,与给定量进行比较,给出
23、比较,给出“是是”或或“非非”信号。信号。(2)逻辑部分:依据测量输出的大小、性质、输出逻辑状态,)逻辑部分:依据测量输出的大小、性质、输出逻辑状态,使爱护按确定逻辑关系工作,然后确定跳闸或发信号。使爱护按确定逻辑关系工作,然后确定跳闸或发信号。图1-2 模拟型继电爱护装置原理图(3)(3)执行部分执行部分:依据逻辑部分传送的信号,最终完成爱护装依据逻辑部分传送的信号,最终完成爱护装置所担当的任务。置所担当的任务。工作原理工作原理举例说明举例说明 正常状态:正常状态:一次设备通过的电流为负一次设备通过的电流为负载电流,载电流,KAKA流过的二次电流过的二次电流小于动作值流小于动作值 KAKA不
24、动作不动作其接点不闭合其接点不闭合断路器主、辅触点爱护不动作爱护不动作。电流继电器时间继电器电流互感器脱扣器中间继电器跳闸线圈过电流爱护装置单相原理接线图过电流爱护装置单相原理接线图图1-3 线路过电流爱护装置单相原理接线图2 2、数字型微机继电爱护、数字型微机继电爱护 微机继电爱护装置由硬件部分和软件部分组成。微机继电爱护装置由硬件部分和软件部分组成。微机爱护硬件部分原理接线如图微机爱护硬件部分原理接线如图1-4所示。所示。图1-4 微机继电保护硬件部分原理框图开关量输入开关量输出(1 1)微机爱护装置的硬件结构)微机爱护装置的硬件结构l数据采集系统(模拟量输入系统)包括电压形成、数据采集系
25、统(模拟量输入系统)包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能。完成将模拟量转换为数字量。功能。完成将模拟量转换为数字量。l微机主系统包括微处理器、只读存储器、随机存微机主系统包括微处理器、只读存储器、随机存储器、定时器及并行口等。储器、定时器及并行口等。l开关量输入输出通道。由若干并行口、光电耦合开关量输入输出通道。由若干并行口、光电耦合器件及中间继电器组成。器件及中间继电器组成。l通讯接口。包括通讯接口电路及接口。通讯接口。包括通讯接口电路及接口。l电源。供应微处理器、数字电路、模拟转换芯片电源。供应微处理器、数字电路、模拟转换芯
26、片及继电器所需弱电电压。及继电器所需弱电电压。(2 2)微机爱护的工作原理)微机爱护的工作原理l微机继电爱护装置由硬件部分和软件部分组成。微微机继电爱护装置由硬件部分和软件部分组成。微机爱护硬件部分原理接线如图机爱护硬件部分原理接线如图1-4所示。被爱护元件所示。被爱护元件的模拟量(沟通电压、电流)经电流互感器的模拟量(沟通电压、电流)经电流互感器TA和电和电压互感器压互感器TV进入到微机继电爱护的模拟量输入通道。进入到微机继电爱护的模拟量输入通道。由于须要同时输入多路电压或电流(如三相电压和由于须要同时输入多路电压或电流(如三相电压和三相电流),因此要配置多路输入通道。在输入通三相电流),因
27、此要配置多路输入通道。在输入通道中,电量变换器将电流和电压变成适用于微机爱道中,电量变换器将电流和电压变成适用于微机爱护用的低电压量(护用的低电压量(5v10v),再由模拟低通滤波再由模拟低通滤波器(器(ALF)滤除直流重量、低频重量和高频重量及)滤除直流重量、低频重量和高频重量及各种干扰波后,进入采样保持电路(各种干扰波后,进入采样保持电路(S/H),将一个),将一个在时间上连续变更的模拟量转换为在时间上的离散在时间上连续变更的模拟量转换为在时间上的离散量,完成对输入模拟量的采样。量,完成对输入模拟量的采样。(2 2)微机爱护的工作原理)微机爱护的工作原理通过多路转换开关(通过多路转换开关(
28、MPX)将多个输入电气量按)将多个输入电气量按输入时间前后分开,依次送到模数转换器(输入时间前后分开,依次送到模数转换器(A/D),),将模拟量转换为数字量进入计算机系统进行运算将模拟量转换为数字量进入计算机系统进行运算处理,推断是否处理,推断是否 发生故障,通过开关量输出通道,发生故障,通过开关量输出通道,经光电隔离电路送到出口继电器发出跳闸脉冲给经光电隔离电路送到出口继电器发出跳闸脉冲给断路器跳闸绕组断路器跳闸绕组YR,使断路器跳闸,切除系统故,使断路器跳闸,切除系统故障部分。人机接口部件的作用是建立起微机型爱障部分。人机接口部件的作用是建立起微机型爱护与运用者之间的信息联系。以便对装置进
29、行人护与运用者之间的信息联系。以便对装置进行人工操作、调试和得到反馈信息。外部通信接口部工操作、调试和得到反馈信息。外部通信接口部件的作用是供应计算机局域通信网络以及远程通件的作用是供应计算机局域通信网络以及远程通信网络的信息通道。信网络的信息通道。(2 2)微机爱护的工作原理)微机爱护的工作原理软件部分是依据爱护工作原理和动作要求编制计算程软件部分是依据爱护工作原理和动作要求编制计算程序,不同原理的爱护其计算程序不同。微机爱护的计序,不同原理的爱护其计算程序不同。微机爱护的计算程序是依据爱护工作原理的数学模型即数学表达式算程序是依据爱护工作原理的数学模型即数学表达式来编制的。这种数学模型称为
30、计算机继电爱护的算法。来编制的。这种数学模型称为计算机继电爱护的算法。通过不同的算法可以实现各种爱护功能。各类型爱护通过不同的算法可以实现各种爱护功能。各类型爱护的计算机硬件和外围设备是的计算机硬件和外围设备是 通用的,只要计算程序不通用的,只要计算程序不同,就可以得到不同原理的爱护。而且计算机依据系同,就可以得到不同原理的爱护。而且计算机依据系统运行方式变更能统运行方式变更能 自动变更动作的整定值,使爱护具自动变更动作的整定值,使爱护具有更大的灵敏性。爱护用计算机有自诊断实力,不断有更大的灵敏性。爱护用计算机有自诊断实力,不断地检查和诊断爱护本身的故障,并刚好处理,大大地地检查和诊断爱护本身
31、的故障,并刚好处理,大大地提高了爱护装置的牢靠性,并能实现快速动作的要求。提高了爱护装置的牢靠性,并能实现快速动作的要求。第四节第四节 继电爱护课程的特点继电爱护课程的特点继继电电爱爱护护是是一一门门特特地地探探讨讨电电力力系系统统故故障障及及反反事事故故措措施施的的技技术术学学科科,要要留留意意提提高高对对电电力力系系统统故故障障和和异样工作状况的相识和加强故障分析计算的实力。异样工作状况的相识和加强故障分析计算的实力。继继电电爱爱护护是是理理论论与与实实践践并并重重的的课课程程,要要重重视视试试验验、实习和课程设计等实践性教学环节。实习和课程设计等实践性教学环节。学学习习继继电电爱爱护护的的基基础础理理论论(电电路路、电电机机学学、电电子子技技术术、微微机机原原理理、电电力力系系统统分分析析、发发电电厂厂电电气气部部分)。分)。电电力力系系统统电电磁磁暂暂态态和和机机电电暂暂态态分分析析是是与与继继电电爱爱护护联系亲密的课程,有助于理解继电爱护理论。联系亲密的课程,有助于理解继电爱护理论。作业作业 l第9页习题1-3,1-4,1-6。