李莎，倪臘琴，邱玉婷，李濟(jì)沅，周浩

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市310027；2.華東電網(wǎng)有限公司，上海市200120)

特高壓交流系統(tǒng)斷路器繼電保護(hù)配置與整定

李莎1，倪臘琴2，邱玉婷1，李濟(jì)沅1，周浩1

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市310027；2.華東電網(wǎng)有限公司，上海市200120)

特高壓交流輸電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能源大范圍優(yōu)化配置，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。斷路器作為其安全運(yùn)行的重要保障，一直以來(lái)都是研究熱點(diǎn)。特高壓輸電系統(tǒng)所具有的分裂導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)特性、過(guò)電壓、電磁環(huán)境等復(fù)雜電氣特征嚴(yán)重影響斷路器可靠動(dòng)作，對(duì)其動(dòng)作特性以及靈敏性提出了更高的要求。在分析國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的特高壓交流工程的基礎(chǔ)上，對(duì)以上因素給斷路器保護(hù)帶來(lái)的新特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了基于PCS-921G裝置的斷路器保護(hù)配置，并針對(duì)失靈保護(hù)，三相不一致保護(hù)，過(guò)流保護(hù)以及自動(dòng)重合閘給出了相應(yīng)的整定方案，并對(duì)其加以驗(yàn)證，為后續(xù)特高壓交流工程斷路器繼電保護(hù)提供寶貴的設(shè)計(jì)依據(jù)。

特高壓；斷路器；繼電保護(hù)；配置與整定

0 引 言

以電為中心、全球配置的能源發(fā)展格局需要不斷提高電網(wǎng)的輸送能力、配置能力和經(jīng)濟(jì)性，這也決定了電網(wǎng)技術(shù)在未來(lái)能源發(fā)展中的關(guān)鍵性作用。而特高壓電網(wǎng)具有輸送容量大、距離遠(yuǎn)、損耗低、占地省等顯著優(yōu)勢(shì)，未來(lái)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)將以其為骨架，實(shí)現(xiàn)全球清潔能源的大范圍、大規(guī)模配置[1-3]。同時(shí)，特高壓的發(fā)展也給電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

特高壓斷路器作為特高壓最重要和制造難度最大的設(shè)備之一，一直以來(lái)得到了廣泛的關(guān)注及深入的研究。受特高壓交流系統(tǒng)分裂導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)特性、過(guò)電壓以及電磁環(huán)境等復(fù)雜環(huán)境影響，斷路器保護(hù)需要有更高的獨(dú)立性以及靈敏度，這對(duì)特高壓交流工程的安全運(yùn)行極其重要。現(xiàn)有的特高壓斷路器相關(guān)文獻(xiàn)主要集中在斷路器的性能研究和測(cè)驗(yàn)，而對(duì)特高壓交流系統(tǒng)中斷路器的保護(hù)仍缺乏系統(tǒng)性的介紹與更為深入的研究，本文對(duì)已建成的1 000 kV晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)、淮南—浙北—上海等特高壓交流輸電工程的成功經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，針對(duì)斷路器保護(hù)的特點(diǎn)以及應(yīng)用展開(kāi)分析，提出基于PCS-921G裝置的斷路器保護(hù)配置以及整定方案，為后續(xù)特高壓交流工程的斷路器繼電保護(hù)與控制技術(shù)提供有力的支持。

1 特高壓斷路器保護(hù)特點(diǎn)

1.1 斷路器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

作為高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中最復(fù)雜也是最重要的一種器件，斷路器可以關(guān)合、承載、開(kāi)斷運(yùn)行回路的正常電流以及規(guī)定的過(guò)載電流(如短路電流)，因此被廣泛用于發(fā)電廠(chǎng)、變電站以及開(kāi)關(guān)站，承擔(dān)控制和保護(hù)的雙重任務(wù)。特高壓斷路器具有一般高壓斷路器的功能，同時(shí)需要盡可能降低開(kāi)合時(shí)操作過(guò)電壓，從而降低輸電線(xiàn)路及變電站設(shè)備的絕緣水平和造價(jià)成本。通過(guò)裝設(shè)分閘和合閘電阻可以達(dá)到上述目的，分閘時(shí)，先斷開(kāi)斷路器主觸頭，回路中接入分閘電阻，30 ms后，串聯(lián)在電阻側(cè)的輔助觸頭斷開(kāi)，合閘時(shí)動(dòng)作順序相反。

分合閘電阻及輔助觸頭的工作參數(shù)需要依據(jù)系統(tǒng)以及線(xiàn)路的情況進(jìn)行分析計(jì)算，通常合閘電阻選取阻值較小，分閘電阻的阻值較大[4-6]?？紤]到需要簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以及限制過(guò)電壓水平，經(jīng)常只采用合閘電阻，并且通過(guò)避雷器限制分閘的操作過(guò)電壓。

1.2 斷路器保護(hù)特點(diǎn)

1.2.1 系統(tǒng)過(guò)電壓特征對(duì)斷路器保護(hù)的影響

區(qū)別于一般超高壓系統(tǒng)，特高壓繼電保護(hù)的首要任務(wù)是杜絕系統(tǒng)中造成設(shè)備和絕緣子損壞的過(guò)電壓產(chǎn)生。相關(guān)資料表明，1 000 kV系統(tǒng)輸電線(xiàn)路允許的過(guò)電壓倍數(shù)為1.6～1.8，與500 kV系統(tǒng)的2倍相比，明顯較低，即短時(shí)間內(nèi)，特高壓輸電線(xiàn)路絕緣子允許的過(guò)電壓裕度較小[7-8]。為了保證過(guò)電壓不超過(guò)限定值，線(xiàn)路所允許的兩端斷路器切除時(shí)間差極短，遠(yuǎn)小于兩端相繼動(dòng)作以解除故障的時(shí)間。因而，特高壓斷路器必須在最短時(shí)間內(nèi)，兩端同時(shí)動(dòng)作以解除線(xiàn)路故障。

1.2.2 電容電流對(duì)斷路器保護(hù)的影響

特高壓線(xiàn)路采用分裂導(dǎo)線(xiàn)，其輸送容量大，輸電距離長(zhǎng)，弧垂較大[9]。長(zhǎng)線(xiàn)路的特征使其分布電容產(chǎn)生較大電流，從而使線(xiàn)路兩側(cè)電流幅值以及相角發(fā)生較大變化，同時(shí)也使一些差動(dòng)原理的保護(hù)受到極大干擾[10]。當(dāng)負(fù)荷電流較小時(shí)，差動(dòng)保護(hù)的靈敏度及可靠性會(huì)受到較大影響，尤其在通過(guò)大過(guò)渡電阻接地時(shí)，保護(hù)拒動(dòng)的現(xiàn)象更常見(jiàn)，對(duì)斷路器小電流開(kāi)斷性提出更苛刻的要求。

1.2.3 潛供電流對(duì)斷路器保護(hù)的影響

特高壓系統(tǒng)大電流接地時(shí)，單相接地故障占總故障數(shù)量的80%以上[11]。此時(shí)，線(xiàn)路接地相兩側(cè)的斷路器開(kāi)斷，其他健全相及相鄰電路會(huì)保持原來(lái)的相電壓與負(fù)荷電流，并通過(guò)靜電耦合和電磁耦合，使故障點(diǎn)仍流過(guò)一定電流，即潛供電流。潛供電流的大小取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行環(huán)境等，線(xiàn)路越長(zhǎng)、電壓等級(jí)越高、負(fù)荷電流越大，其值也越大。

當(dāng)發(fā)生故障單相跳閘后，潛供電流較大，電弧現(xiàn)象較高壓和超高壓系統(tǒng)將更強(qiáng)烈，特別是在斷路器開(kāi)斷短路電流時(shí)，電弧燃燒更穩(wěn)定，其熄滅-重燃-熄滅的過(guò)程將更明顯，潛供電弧難以自滅，息弧時(shí)間可達(dá)0.7 s，甚至更長(zhǎng)。而潛供電弧的存在直接影響斷路器的分?jǐn)嗄芰?，?yīng)采取措施降低二次電弧電流，繼電保護(hù)在切除故障的同時(shí)應(yīng)能與相應(yīng)的降低二次電弧電流的措施相結(jié)合。例如，采用基于電弧特性的自適應(yīng)重合閘，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確識(shí)別故障類(lèi)型并判斷二次電弧狀態(tài)。當(dāng)特高壓線(xiàn)路發(fā)生單相故障后，兩側(cè)故障相斷路器也跳開(kāi)，然后持續(xù)循環(huán)判別故障點(diǎn)電弧熄滅與否，以判斷重合閘是否開(kāi)放。若判斷結(jié)果為電弧熄滅，則立即重合閘；若電弧還未熄滅，則持續(xù)判別至到達(dá)系統(tǒng)允許運(yùn)行最長(zhǎng)非全相時(shí)限，若電弧仍未熄滅，則將非故障相斷路器斷開(kāi)[12]。

2 斷路器保護(hù)配置

特高壓系統(tǒng)電壓等級(jí)高，電氣特性復(fù)雜，其保護(hù)配置的難度也較大。1 000 kV斷路器保護(hù)應(yīng)配置獨(dú)立的斷路器保護(hù)裝置。斷路器保護(hù)包含重合閘、失靈保護(hù)、充電過(guò)流保護(hù)和三相不一致保護(hù)等功能。通過(guò)對(duì)特高壓斷路器保護(hù)特點(diǎn)的分析，可知，特高壓工程，斷路器失靈保護(hù)與超高壓工程的區(qū)別不大，線(xiàn)路重合閘功能同樣配置在斷路器保護(hù)中。特高壓交流輸電工程的重合閘應(yīng)采用單相一次重合閘。充電過(guò)流保護(hù)包括通過(guò)硬壓板投退的兩段式相過(guò)流保護(hù)，具有瞬時(shí)和延時(shí)跳閘功能。

斷路器三相不一致保護(hù)采用斷路器本體三相不一致保護(hù)，斷路器保護(hù)裝置內(nèi)三相不一致保護(hù)停用。保護(hù)裝置的三相不一致保護(hù)，通過(guò)零負(fù)序電流閉鎖，而若在系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行，線(xiàn)路電流很小時(shí)出現(xiàn)三相不一致運(yùn)行狀態(tài)，零負(fù)序電流仍較小，不足以啟動(dòng)保護(hù)裝置內(nèi)三相不一致保護(hù)，因而必須裝設(shè)本體三相不一致保護(hù)以快速切除故障。特高壓系統(tǒng)采用基于UAPC平臺(tái)開(kāi)發(fā)的PCS-921G裝置作為斷路器保護(hù)，其配置如表1所示。

3 斷路器保護(hù)原理

斷路器作為繼電保護(hù)中非常重要的元件之一，與其他元件相配合，構(gòu)成交流系統(tǒng)重要的繼電保護(hù)。從國(guó)內(nèi)外特高壓研究現(xiàn)狀來(lái)看，常見(jiàn)電氣主接線(xiàn)方式有雙母線(xiàn)雙分段接線(xiàn)、雙斷路器接線(xiàn)及3/2斷路器接線(xiàn)，表2為以上方式的綜合比較。

表1 斷路器保護(hù)配置Table 1 Breaker protection configuration

表2 3種1 OOO kV接線(xiàn)方案的綜合比較Table 2 Comprehensive comparison of three 1 OOO kV connection schemes

從可靠性角度分析，雙斷路器接線(xiàn)的母線(xiàn)任一元件發(fā)生故障都不會(huì)造成線(xiàn)路斷電，可靠性最好；3/2斷路器接線(xiàn)中，串中斷路器具有高故障率以及高檢修成本，使該方式的可靠性大為降低[13]。但從經(jīng)濟(jì)性角度分析，雙斷路器接線(xiàn)使用的斷路器數(shù)量最多，成本較高；相對(duì)而言，3/2斷路器接線(xiàn)中，使用設(shè)備數(shù)量較少，成本較低，在特高壓交流系統(tǒng)中較為適用[14]。3/2接線(xiàn)方式斷路器保護(hù)以斷路器單元進(jìn)行配置，每臺(tái)斷路器都配置一面斷路器保護(hù)屏。

(1)失靈保護(hù)。特高壓交流系統(tǒng)斷路器配有失靈保護(hù)，以防止其未能正常動(dòng)作。邊斷路器失靈時(shí)，其母線(xiàn)上的斷路器以及中斷路器均跳開(kāi)，同時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)跳功能將和邊斷路器連接的線(xiàn)路對(duì)側(cè)斷路器跳開(kāi)[15]；中斷路器失靈時(shí)，啟動(dòng)遠(yuǎn)跳功能跳開(kāi)與其連接的2個(gè)邊斷路器，同時(shí)跳開(kāi)2元件對(duì)側(cè)斷路器。

(2)自動(dòng)重合閘保護(hù)。特高壓交流系統(tǒng)中，對(duì)于3/2接線(xiàn)方式，采用斷路器保護(hù)中配置重合閘模式。重合閘中，先合斷路器合閘之后，若故障已消除，延時(shí)一段時(shí)間后將另一臺(tái)斷路器合上。若是永久性故障，先合斷路器合閘失敗，線(xiàn)路保護(hù)動(dòng)作，與此同時(shí)向2臺(tái)斷路器發(fā)出三相跳閘指令，后合斷路器不重合。

(3)過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)在電流大于設(shè)定數(shù)值時(shí)可以自動(dòng)斷開(kāi)，以保護(hù)設(shè)備不受損壞，是線(xiàn)路或主變應(yīng)急的一種保護(hù)。

(4)三相不一致保護(hù)。由于設(shè)備質(zhì)量及操作等原因，分相動(dòng)作的斷路器，工作中可能會(huì)有三相斷路器其中一相或兩相偷跳或偷合，也可能保護(hù)發(fā)出三相跳閘指令，但因?yàn)槿鄶嗦菲鞯膭?dòng)作不一致最終導(dǎo)致只有一相或兩相跳開(kāi)，處于非全相異常狀態(tài)[16]。斷路器單相跳開(kāi)后，若重合閘動(dòng)作，而斷路器由于壓力、機(jī)械、二次回路等原因未能重合成功，必須在2.5 s內(nèi)跳開(kāi)三相，并且不再重合，以防止系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間在兩相狀態(tài)下運(yùn)行，造成變壓器后備保護(hù)跳閘。

4 斷路器保護(hù)整定

4.1 斷路器失靈保護(hù)

特高壓斷路器失靈保護(hù)，一般情況下，線(xiàn)路僅考慮兩側(cè)1臺(tái)斷路器單相拒動(dòng)，主變僅考慮主變高、中、低壓側(cè)1臺(tái)斷路器單相拒動(dòng)(主變低壓側(cè)三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器需考慮三相拒動(dòng))。

(1)線(xiàn)路斷路器失靈保護(hù)電流判據(jù)。線(xiàn)路斷路器失靈保護(hù)的電流判據(jù)主要包括負(fù)序或零序電流以及相電流。失靈保護(hù)延時(shí)跳開(kāi)相鄰斷路器的時(shí)間整定按躲過(guò)斷路器可靠跳閘時(shí)間以及保護(hù)返回時(shí)間之和，再考慮一定裕度整定，取0.2 s。具體為:1)相電流按系統(tǒng)小方式下本線(xiàn)路末端短路，由靈敏度整定，并盡量躲過(guò)負(fù)荷電流，靈敏系數(shù)大于1.3。2)零序電流定值按躲過(guò)最大零序不平衡電流，且保護(hù)范圍末端發(fā)生故障有足夠靈敏度整定。3)失靈保護(hù)的負(fù)序電流定值按躲過(guò)最大不平衡負(fù)序電流，且保護(hù)范圍末端故障時(shí)有足夠靈敏度整定。

(2)主變斷路器失靈保護(hù)電流判據(jù)。主變斷路器失靈保護(hù)電流判據(jù)主要包括負(fù)序或零序電流。負(fù)序起動(dòng)電流定值一般應(yīng)保證本變壓器的低壓側(cè)故障時(shí)有足夠靈敏度，靈敏系數(shù)大于1.3。失靈保護(hù)延時(shí)跳相鄰斷路器的時(shí)間整定按躲過(guò)斷路器可靠跳閘時(shí)間以及保護(hù)返回時(shí)間之和，再考慮一定裕度整定，取0.2 s。

4.2 斷路器過(guò)流保護(hù)

對(duì)于線(xiàn)路斷路器過(guò)流保護(hù)，通常僅投Ⅰ段，其電流定值應(yīng)保證保護(hù)范圍末端故障有足夠靈敏度，并可靠躲過(guò)線(xiàn)路充電電流，時(shí)間為0。對(duì)于主變斷路器的過(guò)流保護(hù)，通常投Ⅰ段和Ⅱ段。過(guò)流Ⅰ段定值按斷路器安裝側(cè)主變套管及引線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)有足夠靈敏度整定，靈敏系數(shù)不低于2，時(shí)間取0.01～0.2 s；過(guò)流Ⅱ段應(yīng)確保在本變壓器低壓側(cè)故障有足夠靈敏度整定，靈敏系數(shù)大于1.5，時(shí)間取0.3～1.5 s。

4.3 斷路器重合閘保護(hù)

線(xiàn)路重合閘時(shí)間的整定應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)電網(wǎng)安全穩(wěn)定要求，并充分考慮斷路器本身和潛供電流的影響，由系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)提供；相鄰2個(gè)斷路器重合閘采取時(shí)間上的配合以滿(mǎn)足重合閘的先后合閘順序。在基于PCS-921G的配置中，一般邊斷路器1.0 s重合；中斷路器1.3 s合閘。

4.4 斷路器三相不一致保護(hù)

特高壓斷路器三相不一致保護(hù)應(yīng)采用本體三相不一致，3/2接線(xiàn)方式中與線(xiàn)路相關(guān)的斷路器，動(dòng)作時(shí)間原則上按可靠躲過(guò)單相重合閘時(shí)間整定，一般情況下統(tǒng)一取斷路器三相不一致時(shí)間為2.5 s。發(fā)變組等不需要和重合閘時(shí)間配合的斷路器三相不一致保護(hù)時(shí)間可整定為0.5 s。

5 斷路器保護(hù)檢驗(yàn)

基于PCS-921G裝置的斷路器保護(hù)中，過(guò)流元件整定范圍為0.1～20IN，定值誤差要求<5%，為進(jìn)一步驗(yàn)證配置的可靠性與準(zhǔn)確性，在環(huán)境溫度25.1℃，相對(duì)濕度為50%的條件下，進(jìn)行斷路器保護(hù)電流整定值檢驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)如表3所示(IN＝1 A)。

表3 斷路器保護(hù)電流整定值檢驗(yàn)Table 3 Current setting value test of breaker protection

由斷路器保護(hù)電流整定值檢驗(yàn)可以得出，在整定范圍內(nèi)，失靈保護(hù)及過(guò)流保護(hù)均可在電流允許的誤差范圍內(nèi)正常動(dòng)作，因而該配置在整定要求下均可正常運(yùn)行。斷路器保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間范圍為0.01～10 s，在環(huán)境溫度25.1℃，相對(duì)濕度為50%的條件下，根據(jù)整定要求，斷路器保護(hù)動(dòng)作時(shí)間如表4所示。

表4 斷路器保護(hù)動(dòng)作時(shí)間Table 4 Actuation time of circuit breaker protection

文中所提出的配置方案在整定要求下，其動(dòng)作時(shí)間誤差較小，均在其允許范圍內(nèi)，證明該配置方案中失靈保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、重合閘保護(hù)以及三相不一致保護(hù)均可在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)動(dòng)作，斷路器工作正常，從而保證系統(tǒng)處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

6 結(jié) 論

(1)特高壓交流系統(tǒng)電壓高、線(xiàn)路長(zhǎng)、輸送功率大、波阻抗小、分布電容大、線(xiàn)路充電電容電流大，影響斷路器保護(hù)中所用部分特征量的靈敏度以及限定值，對(duì)特高壓斷路器提出更高的要求，在高壓、超高壓斷路器功能基礎(chǔ)上有更進(jìn)一步的提升。

(2)特高壓工程對(duì)于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性有更高的要求，特高壓斷路器保護(hù)需配置獨(dú)立的斷路器保護(hù)裝置，以3/2斷路器接線(xiàn)為例，失靈保護(hù)，三相不一致保護(hù)，過(guò)流保護(hù)以及重合閘等與系統(tǒng)匹配的斷路器保護(hù)的動(dòng)作原理以及保護(hù)特點(diǎn)也有所不同。文中給出的各保護(hù)整定判據(jù)結(jié)合了已投運(yùn)特高壓工程的成功經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)電流整定值以及動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行檢驗(yàn)，為其他特高壓交流工程斷路器保護(hù)技術(shù)提供一定參考依據(jù)。

本文針對(duì)特高壓斷路器保護(hù)，提出了具體的配置以及整定方案，雖然現(xiàn)有特高壓工程運(yùn)行情況良好，但其斷路器保護(hù)仍存在許多改進(jìn)的空間，在以后的發(fā)展中需要更為深入的研究與探討。

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(編輯：張小飛)

Relay Protection Configuration and Setting of Circuit Breaker in UHV AC System

LI Sha1，NI Laqin2，QIU Yuting1，LI Jiyuan1，ZHOU Hao1
(1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.East China Grid Limited Company，Shanghai 200120，China)

UHVAC transmission can achieve the optimal allocation of energy and resources in a wide range，which can provide strong support for the coordinated and sustainable development of social economy.As an important guarantee for its safe operation，circuit breaker has been widely and deeply studied all the time.The complex electrical characteristics of UHV transmission system such as bundled conductor parameters，over voltage and electromagnetic environment greatly have great impact on the reliable action of circuit breaker，and put forward higher requirements on its motion characteristics and sensitivity.Based on the analysis of domestic UHV projects put into operation，the new characteristics of circuit breaker protection caused by the above factors were studied.The configuration based on PCS-921G device of the circuit breaker protection and the corresponding settings concerning failure protection，three-phase inconsistent protection，over-current protection，and automatic reclosing lock were presented and verified，which could provide valuable design basis for the subsequent circuit breaker relay protection in UHVAC projects.

UHV；circuit breaker；relay protection；configuration and setting

TM 561

A

1000-7229(2015)11-0103-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.016

2015-06-28

2015-09-01

李莎(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘馗邏弘娋W(wǎng)繼電保護(hù)；

倪臘琴(1973)，女，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作；

邱玉婷(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘馗邏弘娋W(wǎng)繼電保護(hù)；

李濟(jì)沅(1992)，男，碩士研究生，主要研究方特高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)；

周浩(1963)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事特高壓交直流輸電技術(shù)研究工作。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2011CB 209405)。

Project Supported by National Basic Research Program of China(973 Program)(2011CB 209405).