CN101644738B - 六氟化硫气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六氟化硫气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统，其中央控制单元连接有超高频信号接收器和超声波接收器，若测得超高频信号和超声波持续存在相关性，则多次移动超声波接收器在气体绝缘开关装置外壁上的位置，并记录各检测位置上的超高频信号的幅值特征图谱中的出现最大幅值与超声波的幅值特征图谱中的出现最大幅值的时间差，以计算放电点与各检测位置的间距，再根据绝缘开关装置的外形尺寸计算气体绝缘开关装置内的绝缘缺陷的位置。

Description

六氟化硫气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统

技术领域

本发明涉及电力系统中高压绝缘设备的安全检测的技术领域，具体是一种SF6气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统。

背景技术

气体绝缘开关装置由于占地面积小、可靠性高、受外部环境影响小，抗震能力强及维护方便等优点，在国内外得到了越来越广泛应用。气体绝缘开关装置组成结构是将诸如断路器、隔离开关、接地开关、TA(电流互感器)、TV(电压互感器)、母线等电力设备通过密封法兰和内部导电杆的金属触头连接，密封在充有一定压力的SF6气体的封闭金属腔体内，由于SF6气体良好的绝缘性能，因此相比敞开式变电站，整个气体绝缘开关装置结构尺寸可以做得较小，但同时对整个装置的制造和组装工艺也提出了更高的要求。

国内的气体绝缘开关装置设备多是在20世纪80年代求和90年代初开始投入电网运行，目前已经运行了将近20年时间，已经到了一个事故的高发阶段，最近几年关于气体绝缘开关装置的事故报道也是时有不断，因此对正在运行中气体绝缘开关装置没备的绝缘性能进行跟踪检测是非常有必要的，影响该设备绝缘性能的主要因素有：SF6气体的含水量、绝缘支撑件的内部或表面缺陷、制造过程中或运行中产生的自由金属微粒、电极表面的毛刺突起、由于螺丝松动或接触不良造成的悬浮电位及安装过程中造成的遗留物等。这些潜在的缺陷最主要的先兆表现就是局部放电。因此检测气体绝缘开关装置局部放电能发现其内部早期的绝缘缺陷，对这些早期缺陷采取相应的措施，可以避免由气体绝缘开关装置事故造成的电网停电。

由于气体绝缘开关装置在结构上是全封闭的，直接从内部检测其可能出现的故障征兆在技术上实现较麻烦，而且必须是在气体绝缘开关装置厂家在生产环节上直接将某些传感器或其他检测装置安装在气体绝缘开关装置内部，有些时候这些检测装置本身就可能是引起故障的原因之一，因此国内外大部分厂家和气体绝缘开关装置用户一般不希望采用内置式在线检测方式。

因此，现有技术无法从气体绝缘开关装置外部检测并定位其局部放电，给早期发现、定位其内部绝缘缺陷并采取相应措施造成了困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种SF6气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统，以从气体绝缘开关装置外部检测、定位其绝缘缺陷。

为解决上述技术问题，本发明的SF6气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统，包括：用于设置在气体绝缘开关装置中的盆式绝缘子外缘的超高频信号接收器、用于设置在气体绝缘开关装置外壁上的超声波接收器、以及中央控制单元；中央控制单元连续接收来自超高频信号接收器的超高频信号和超声波接收器的超声波，并判断所述超高频信号和超声波是否持续存在相关性；所述相关性是指：超高频信号的幅值、时间、相位特征图谱与超声波的幅值、时间、相位特征图谱相对应；若所述超高频信号和超声波持续存在相关性，则多次移动超声波接收器在气体绝缘开关装置外壁上的检测位置，并记录各检测位置上的超高频信号的幅值特征图谱中的出现最大幅值与超声波的幅值特征图谱中的出现最大幅值的时间差即时延，然后根据各时延计算出放电点与各检测位置的间距，并根据各检测位置及绝缘开关装置的外形尺寸计算出气体绝缘开关装置内的绝缘缺陷的位置；若所述超高频信号和超声波持续不存在相关性，但存在多个不同的相位特征图谱，则判断气体绝缘开关装置中存在多个绝缘缺陷；然后，通过多次移动超声波接收器在气体绝缘开关装置外壁上的检测位置并记录相应的超声波信号强度和幅值特征，最后确定气体绝缘开关装置内的各绝缘缺陷所在的区域。

作为另一种技术方案，将16个超高频信号接收器构成4x4阵元的方阵以构成超高频接收阵，将64个超声波接收器构成8x8阵元的方阵以构成超声波接收阵，超高频接收阵中的阵元间距相等且为2-5m，超声波接收阵中的阵元间距相等且为0.2m，且超声波接收阵置于超高频接收阵中并构成一平面传感器，且超声波接收阵与超高频接收阵的中心点重合；中央控制单元以超高频接收阵检测到的局部放电超高频电磁波信号作为时间基准，得出各超声波接收器接收到的超声波信号的时延，进而计算出放电点与各超声波接收器的间距，并根据各超声波接收器的位置和绝缘开关装置的外形尺寸计算出气体绝缘开关装置内的绝缘缺陷的位置。

进一步，所述超高频信号接收器包括：超高频信号传感器、与超高频信号传感器的信号输出端相连的前置放大器、与前置放大器的信号输出端相连的混频器、与混频器的本振信号端相连的频率综合器、与混频器的中频输出端相连的信号放大器、与信号放大器的输出端相连的低通滤波器、与低通滤波器的信号输出端相连的检波对数放大器、以及与检波对数放大器的信号输出端相连的数据采集卡；数据采集卡的输出端与中央控制单元的超高频信号输入端相连，超高频信号传感器的信号输出端与地线之间串联有过压保护器。

进一步，所述超高频信号传感器包括：依次上下粘贴的矩形金属贴片、聚苯乙烯材料的介质板和金属底板；矩形金属贴片上连接有同轴探针馈电接口，以通过50Ω同轴射频电缆把信号引给所述前置放大器；所述介质板为楔形。

进一步，所述金属底板的底部和超高频信号传感器的任意两个侧面设有金属屏蔽材料(一般为导电橡胶)，可沿两个侧面包裹住盆式绝缘子，防止干扰信号进入传感器。

本发明具有积极的效果：(1)本发明的SF6气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统中，气体绝缘开关装置上通常有很多盆式绝缘子，盆式绝缘子对外绝缘部分一般为环氧树脂浇注件和聚四氟乙烯等，局部放电所产生的高频电磁波可轻易穿透它们辐射到外部。气体绝缘开关装置内部局部放电激发的高频电磁波(300M～3GHz)经过盆式绝缘子传播时，通过环氧树脂等辐射到气体绝缘开关装置体外，同时局部放电还产生超声波信号，超声波在气体中衰减很快，但在金属中则衰减不大。同时由于超声波的波长较长，因此它的方向性较强，能量比较集中。通过附着在外壳上的超声传感器可以接收到这个声信号，通过对声信号的分析判断可以诊断出是否发生了局部放电。

(2)将超声波接收阵置于超高频接收阵内，且使它们的中心重合于同一点，目的是使放电点对超高频和超声波相控接收阵面扫描的方位角和仰角一致，以便简化计算和处理。

(3)局部放电测量通常只关心信号的峰值及其出现的相位，将超高频信号无失真地采集下来也意义不大，且数据量极大，数据处理难度高。因此，必须对信号进行处理，使得能任意选通超高频段一定带宽的某一中心频率的信号，将信号调整到普通数据采集卡能处理的频率范围，并保留其峰值和相位等特征，达到既能检测信号，避开干扰，又降低技术要求的目的。本发明的基于混频技术的超高频信号接收器便能实现这一功能。从应用角度讲，放电信号的频率降得越低，就可大大降低设备造价，然而，考虑到超高频信号比较微弱，采集信号的带宽太窄，频率就降得越低，包含的有用信息量就越少，分析起来难度较大；反之，虽然增加了检测信号的信息量，但却很容易引入通讯干扰信号，因此，降频的选取是与普通采集卡的处理范围、信号带宽和外界干扰相联系的，从全面考虑宜将频率降至40MHz左右。同时，混频技术实际上是提取所需频段信号的包络，它保留了原放电信号超高频分量的峰值与相位特征，但不能完全复原原信号，因此不宜采用多级混频，采用一级混频较为合适。

(4)本发明采用的超高频信号传感器采用了外置超高频微带天线传感器，其由矩形金属贴片粘贴在背面有导体接地板的介质板上形成的。该传感器利用金属贴片和金属底板之间的缝隙接收超高频电磁波，并转化为高频电流，用同轴探针作为馈线进行馈电，并通过50Ω的同轴射频电缆把信号传输到超高频信号接收器中的前置放大器。该传感器安装在气体绝缘开关装置中的盆式绝缘子外缘处，接收从盆式绝缘子处向外泄漏的超高频电磁波，并对周围空间电磁干扰有较好的抑制作用。其有效工作频带为400-1200MHz(驻波比＜2)，达到了宽频带天线范围，并且最大辐射和接收方向上的增益达到了5.38dBi。其中，介质板选用介电常数较低的聚苯乙烯材料，其介电常数为2.62。

超高频信号传感器的带宽可用高端频率与低端频率之差与中心频率之比的百分数表示，即

式中：f₀为中心频率。局部放电的脉冲能量几乎与频带宽度成正比，而超高频信号传感器的窄频带特性是有其高Q的谐振本性所决定的，即存贮于超高频信号传感器结构中的能量比辐射和其他的能量损耗大得多，这意味着谐振时实现了匹配，而频率偏离谐振时电抗分量急剧变动使之失配。超高频信号传感器的总品质因数Q为：

式中：Q_r、Q_c和Q_d分别代表由辐射功率Pr、导体损耗功率Pc、介质损耗功率Pd所引起的相应的Q值。为了获取更多的局部放电信息，在设计时应该展宽频带。展宽频带的方法可以从降低总的Q值的各个方面去探求，也可以用附加的匹配措施来实现。本发明采用如下方法进行展宽频带：(a)采用介电常数εr较小的基板：介质基板选用了介电常数较低的聚苯乙烯材料，目的是降低εr，天线的储能因εr的减小而变小，从而使频带变宽。(b)采用厚基板：厚度的增加辐射电导也随之增大，辐射对应的Q和总的Q值降低，使得频带加宽。(c)选用楔形基板：在相同馈电点位置，楔形介质基板谐振器的驻波比小于2的频带比普通的矩形要宽很多。实验表明采用该方法可将频带展宽一倍左右，这种基板形状变化使频带展宽的原因是：由于两辐射端口处基板厚度不同的两个谐振器经阶梯电容耦合产生的双回路现象造成的。(d)采用附加阻抗匹配网络：超高频信号传感器的等效电路可以用一个RLC并联谐振电路来描述，在背馈情况下，馈电探针可视为一个电抗，此时附加一个串联电容，与天线探针电感形成一串联谐振电路，并使它与超高频信号传感器所等效的并联谐振电路在同一频率上谐振，串并联谐振回路在谐振频率附近的电抗趋于抵消，使之避免了偏离谐振时电抗的迅速变化，从而展宽了频带。采用选择天线基板材料、厚度和形状、附加阻抗匹配网络等方法进行了频带展宽，频带展宽后的微带天线的工作频带400-1200MHz，驻波比小于2，达到宽频带天线范围；在实验室与内置圆环传感器对比测试表明，超高频信号传感器具有较高的灵敏度，实测增益达到了5.38dB，有利于微弱局部放电信号的检测；在结构上，对超高频信号传感器的背面和部分侧面采用金属材料屏蔽封装设计，提高了超高频信号传感器的抗干扰能力。对超高频信号传感器的底部和部分侧面进行屏蔽，使超高频信号传感器具有方向性，使接收的超高频电磁波得到最大增益，并使从侧面耦合的干扰信号增益较小。超高频信号传感器通过环氧树脂制成的支撑架固定在盆式绝缘子法兰上。

附图说明

图1为本发明的SF6气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统的电路框图；

图2为本发明的气体绝缘开关装置的局部剖面视图；

图3为所述局部放电检测系统中的超高频信号接收器的电路框图；

图4为所述局部放电检测系统中的超高频信号传感器的外形结构示意图。

具体实施方式

(实施例1)

见图1-4，本实施例的SF6气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统，包括：用于设置在气体绝缘开关装置中的盆式绝缘子7的外缘9的超高频信号接收器、用于设置在气体绝缘开关装置外壁上6的超声波接收器、中央控制单元1、以及与中央控制单元1相连的显示器2、与中央控制单元1相连的用于提供无线通讯的GPRS3、与中央控制单元1相连的用于与远程监控中心5通讯的局域网通讯单元4。盆式绝缘子7套在气体绝缘开关装置的内导体8上。

中央控制单元1连续接收来自超高频信号接收器的超高频信号和超声波接收器的超声波，并判断所述超高频信号和超声波是否持续存在相关性；所述相关性是指：超高频信号的幅值、相位特征图谱与超声波的幅值、相位特征图谱相对应；若所述超高频信号和超声波持续存在相关性，则多次移动超声波接收器在气体绝缘开关装置外壁上的检测位置，并记录各检测位置上的超高频信号的幅值特征图谱中的出现最大幅值与超声波的幅值特征图谱中的出现最大幅值的时间差即时延，然后根据各时延计算出放电点与各检测位置的间距，并根据各检测位置及绝缘开关装置的外形尺寸计算出气体绝缘开关装置内的绝缘缺陷的位置。

若所述超高频信号和超声波持续不存在相关性，但存在多个不同的相位特征图谱，则判断气体绝缘开关装置中存在多个绝缘缺陷；然后，通过多次移动超声波接收器在气体绝缘开关装置外壁上的检测位置并记录相应的超声波信号强度和幅值特征，最后确定气体绝缘开关装置内的各绝缘缺陷所在的区域。

以相位为变量的局部放电谱图反映了放电量及次数在工频周期内按相位的分布，将0～360度的相位分成一定数目的相位窗，观察每个相位窗内的局部放电特性，从而形成一个完整的包含所有相位的局部放电谱图。

所述超高频信号接收器包括：超高频信号传感器UHF、与超高频信号传感器UHF的信号输出端相连的前置放大器10、与前置放大器10的信号输出端相连的混频器11、与混频器11的本振信号端相连的频率综合器16、与混频器11的中频输出端相连的信号放大器12、与信号放大器12的输出端相连的低通滤波器13、与低通滤波器13的信号输出端相连的检波对数放大器14、以及与检波对数放大器14的信号输出端相连的数据采集卡15；数据采集卡15的输出端与中央控制单元1的超高频信号输入端相连，超高频信号传感器UHF的信号输出端与地线之间串联有过压保护器17。

所述超高频信号传感器UHF包括：依次上下粘贴的矩形金属贴片A、聚苯乙烯材料的介质板B和金属底板C；矩形金属贴片A上连接有同轴探针馈电接口D，以通过50Ω同轴射频电缆把信号引给所述前置放大器10；所述介质板B为楔形。

所述金属底板C的底部和超高频信号传感器UHF的任意两个侧面设有金属屏蔽材料。

超高频信号接收器在本振信号的参与下，将输入信号的频率或已调信号的载频变换到中频，而保持保留其峰值和相位等特征，这种频率变换过程称为混频。

其中：过压保护器17，可防止瞬态高能量损坏信号调理单元和数据采集卡。前置放大器10，用于保证放电信号经过远距离传输后到达信号调理单元时信号的功率幅值符合其输入范围。系统所用的宽频放大器的频带范围为0-800MHz，覆盖系统的工作频带。混频器11，主要起降频作用，即输出本振信号与输入信号的差频信号。系统中选用的混频器的本振输入范围为20MHz-1.5GHz，中频输出范围为DC-1GHz，动态范围为60dB。频率综合器16，主要功能是产生满足要求的本振信号，通过计算机并行接口程控该单元，由此可调节采集信号的中心频率。该系统可调的中心频率范围为400-1200MHz，最小步长为25MHz。信号放大器12，对混频器输出的中频信号进行放大，满足后续处理的需要。低通滤波器13，其作用是滤除混频后的和频分量，输出差频分量。系统设计了7阶切比雪夫LC低通滤波器。通过改变低通滤波器的带宽可改变选通频带的带宽，带宽设置为25、50MHz两种档位可选，该操作通过计算机的并行口实现。检波对数放大器14，对由低通滤波器输出的信号进行检波(包络提取)和放大。

经过混频调理单元后局部放电超高频信号(中心频率在400-1200MHz之间，带宽为25、50MHz可选)可降频为低于20MHz的信号，最后可将调理好的信号送入采集卡进行数据处理。

混频技术的应用相当于实现了带宽可选、中心频率可调的带通滤波器，它将局部放电超高频信号(中心频率在400-1200MHz之间，带宽为25、50MHz可选)降频为低于20MHz的信号，并保留了信号的峰值和相位等特征。用混频技术可以有效地提取气体绝缘开关装置典型局部放电模型的超高频放电信号，能准确地计算放电相关参数，既避开了干扰又包含了尽可能多的放电信息，从性能和适用性上较频谱分析仪和全频带直接检波法更加适合于进行局部放电超高频在线监测。

(实施例2)

在实施例1的基础上，本实施例的SF6气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统有如下变形：

将16个超高频信号接收器构成4x4阵元的方阵以构成超高频接收阵，将64个超声波接收器构成8x8阵元的方阵以构成超声波接收阵，超高频接收阵中的阵元间距相等且为2-5m，超声波接收阵中的阵元间距相等且为0.2cm，且超声波接收阵置于超高频接收阵中并构成一平面传感器，且超声波接收阵与超高频接收阵的中心点重合。

中央控制单元1以超高频接收阵检测到的局部放电超高频电磁波信号作为时间基准，得出各超声波接收器接收到的超声波信号的时延，进而计算出放电点与各超声波接收器的间距，并根据各超声波接收器的位置和绝缘开关装置的外形尺寸计算出气体绝缘开关装置内的绝缘缺陷的位置。

(实施例3)

在实施例1和2的基础上，本实施例的SF6气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统有如下变形：

考虑D个局部放电的窄带信号(S₁，S₂，...，S_D)入射到超高频接收阵的一个线阵上，其中阵列由M个阵元组成，阵元间隔为d(见图1)。

阵列输出向量可以表示为X(t)＝A(θ)S(t)+N(t)，--(1)

式(1)即为窄带远场信号的数学模型，其中，A(θ)＝[α(θ₁)，α(θ₂)，...，α(θ_N)]为阵列的方向矩阵或阵列流型；

α(θ_i)＝[1，e^{-j2πdSinθi/λ}，...，e^{-j(M-1)2πdSinθi/λ}]^t，为入射信号的方向向量(λ为入射信号的波长)；S(t)为入射信号向量；X(t)为接收信号向量；N(t)为阵列噪声向量。求出阵列输出向量X(t)的协方差矩阵R：

R＝E[XX^H]＝AE[SS^H]A^H+σ²I＝ARSA^H+σ²I，

其中，R_S＝E[S(t)S(t)^H]为信号协方差矩阵，σ²I＝E[n(t)n(t)^H]。A^H为A的共轭转置；σ²为噪声功率；n(t)为噪声序列。

因为A各列相互独立，且在入射信号互不相关时，R_S为非奇异阵，故：

Rank(AR_SA^H)＝D。因R_S是正定阵，则矩阵AR_SA^H是非负定的，共有D个正的特征值，和M-D个零特征值[19，20]。又因σ2＞0，AR_SA^H非负定，R为满秩阵，故R有M个实正的特征值。对R进行特征分解：

$R=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{e}_i{e}_i^H=U_s{\mathrm{\Σ}}_s{U}_s^H+U_n{\mathrm{\Σ}}_n{U}_n^H$

其中，λ₁，λ₂，...，λ_M表示R的特征值，并对特征值进行降序排列，则有：

λ₁＞λ₂...λ_D＞λ_D+1＝λ_D+2＝...＝λ_M

其中，R的D个大特征值对应的特征向量∑_S＝diag(λ₁，λ₂，...，λ_D)张成的子空间U_S＝Span{e₁，e₂，...，e_D}＝Span{α(θ₁)，α(θ₂)，...，α(θ_D)}，称为信号子空间。M-D个小特征值对应的特征向量∑_n＝diag(λ_D+1，λ_D+2，...，λ_M)所张成的子空间

U_n＝Span{e_D+1，e_D+2，...，e_M}，称为噪声子空间，根据特征分解理论可知，U_S和U_n相互正交，即：α^H(θ)U_n＝0。--(2)

经典MUSIC算法是基于上述这个性质提出的，但考虑到实际接收数据矩阵有限长，即R的最大似然估计为

对

进行特征分解可以计算得到噪声子空间特征向量矩阵因噪声的存在，α(θ)与

不能完全正交，即式(2)不成立。实际上求波达方向是以最小优化搜索实现的，即

故MUSIC算法的空间谱估计P_MUSIC公式为：

角谱P(θ)的N个峰值对应的方位角就是局部放电点的方向。

其中的MUSIC算法是多重信号分类算法，是经典的空间谱估计算法，通过将接受信号分成噪声子空间和信号子空间(这两子空间正交)达到超分辨谱估计.MUSIC算法可以完成DOA(波达方向)估计和频率估计.其实质是基于一维搜索的噪声子空间算法。

Claims (4)

1.一种六氟化硫气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统，包括：设置在气体绝缘开关装置中的盆式绝缘子外缘（9）的超高频信号接收器、设置在气体绝缘开关装置外壁上（6）的超声波接收器、以及中央控制单元（1）；其特征在于：

中央控制单元（1）连续接收来自超高频信号接收器的超高频信号和超声波接收器的超声波，并判断所述超高频信号和超声波是否持续存在相关性；所述相关性是指：超高频信号的幅值、时间、相位特征图谱与超声波的幅值、时间、相位特征图谱相对应；若所述超高频信号和超声波持续存在相关性，则多次移动超声波接收器在气体绝缘开关装置外壁上的检测位置，并记录各检测位置上的超高频信号的幅值特征图谱中的出现最大幅值与超声波的幅值特征图谱中的出现最大幅值的时间差即时延，然后根据各时延计算出放电点与各检测位置的间距，并根据各检测位置及绝缘开关装置的外形尺寸计算出气体绝缘开关装置内的绝缘缺陷的位置；

若所述超高频信号和超声波持续不存在相关性，但存在多个不同的相位特征图谱，则判断气体绝缘开关装置中存在多个绝缘缺陷；然后，通过多次移动超声波接收器在气体绝缘开关装置外壁上的检测位置并记录相应的超声波信号强度和幅值特征，最后确定气体绝缘开关装置内的各绝缘缺陷所在的区域。

2.根据权利要求1所述的六氟化硫气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统，其特征在于：所述超高频信号接收器包括：超高频信号传感器（UHF）、与超高频信号传感器（UHF）的信号输出端相连的前置放大器（10）、与前置放大器（10）的信号输出端相连的混频器（11）、与混频器（11）的本振信号端相连的频率综合器（16）、与混频器（11）的中频输出端相连的信号放大器（12）、与信号放大器（12）的输出端相连的低通滤波器（13）、与低通滤波器（13）的信号输出端相连的检波对数放大器（14）、以及与检波对数放大器（14）的信号输出端相连的数据采集卡（15）；数据采集卡（15）的输出端与中央控制单元（1）的超高频信号输入端相连，超高频信号传感器（UHF）的信号输出端与地线之间串联有过压保护器（17）。

3.根据权利要求2所述的六氟化硫气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统，其特征在于：所述超高频信号传感器（UHF）包括：依次上下粘贴的矩形金属贴片（A）、聚苯乙烯材料的介质板（B）和金属底板（C）；矩形金属贴片（A）上连接有同轴探针馈电接口（D），以通过50Ω同轴射频电缆把信号引给前置放大器（10）；所述介质板（B）为楔形。

4.根据权利要求3所述的六氟化硫气体绝缘全封闭组合电气的局部放电检测系统，其特征在于：所述金属底板（C）的底部和超高频信号传感器（UHF）的任意两个侧面设有金属屏蔽材料。

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