CN101772865A - 真空断路器 - Google Patents

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CN101772865A CN200880101951A CN200880101951A CN101772865A CN 101772865 A CN101772865 A CN 101772865A CN 200880101951 A CN200880101951 A CN 200880101951A CN 200880101951 A CN200880101951 A CN 200880101951A CN 101772865 A CN101772865 A CN 101772865A
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Abstract

描述了示例性的真空断路器。

Description

真空断路器
相关申请
本专利申请要求2007年6月5日递交、标题为“Vacuum Fault Interrupter(真空故障断路器)”的美国专利申请No.11/785,136和2007年7月30日递交、标题为“Contact Backingfor a Vacuum Interrupter(用于真空断路器的接触背衬)”的美国专利申请No.11/881,852的优先权。上面标出的优先权申请的完整公开内容在此通过引用被完全并入本文。
背景
本描述涉及真空断路器(interrupter)，例如轴向磁场真空断路器。
附图说明
图1是示例性真空故障断路器处于闭合位置的横截面侧视图。
图2是图1的示例性真空故障断路器处于打开位置的横截面侧视图。
图3是另一示例性真空故障断路器处于闭合位置的横截面侧视图。
图4是图3的示例性真空故障断路器处于打开位置的横截面侧视图。
图5是另一示例性真空故障断路器处于闭合位置的横截面侧视图。
图6是图5的示例性真空故障断路器处于打开位置的横截面侧视图。
图7是另一示例性真空故障断路器处于闭合位置的横截面侧视图。
图8是图7的示例性真空故障断路器处于打开位置的横截面侧视图。
图9(包括图9A和图9B)是描绘使用图7和8的示例性真空故障断路器的示例性电力系统(power system)的框图。
具体实施方式
以下对示例性实施方案的描述涉及附图，其中贯穿数幅附图类似的数字指示类似的部件。
图1和2是示例性真空故障断路器100的横截面侧视图。真空故障断路器100包括容器130，所述容器130被设计为相对于其中包封的部件维持真空密封的完整性。空气从真空容器130中被去除，留下具有高压耐受和期望的电流断路能力的深度真空117。真空容器130包括绝缘体115，所述绝缘体115包括陶瓷材料，并且具有一般为圆柱形的形状。例如，陶瓷材料可以包括诸如氧化铝的含铝的材料。容器130内的可移动电极结构122可操作为移向固定电极结构124以及从固定电极结构124移离，由此允许或阻止电流流经真空故障断路器100。真空容器130内的波纹管118包括褶皱的(convoluted)挠性材料，所述挠性材料被配置为在可移动电极结构122移向或移离固定电极结构124的移动期间维持真空容器130的完整性。可移动电极结构122移向或移离固定电极结构124的移动在下面更详细地描述。
固定电极结构124包括电接触体101和管状线圈导体105，在所述管状线圈导体105中加工有缝138。电接触体101和管状线圈导体105通过结构支撑杆109而在机械上被加强。例如，管状线圈导体105可以包括铜或其他适当材料的一件或更多件，并且结构支撑杆109可以包括不锈钢或其他适当材料的一件或更多件。外部导电杆107附接到结构支撑杆109以及导体盘120和121。例如，导电杆107可以包括铜或其他适当材料的一件或更多件。结构支撑杆109或导电杆107可以包括一道或更多道螺纹，以便利将电流导经真空故障断路器100或者使真空故障断路器100打开或闭合所必要的电连接或机械连接。
可移动电极结构122包括电接触体102、导体盘123和其中加工有缝144的管状线圈导体106。例如，管状线圈导体106可以包括铜或其他适当材料的一件或更多件。导体盘123附接到波纹管118和管状线圈导体106，从而电接触体102可以被移入或移出与固定电极结构124的电接触体101的接触。每一个电接触体101和102可以包括铜、铬和/或其他适当材料。例如，每个接触体101和102可以包括包含70％铜和30％铬的组合物或者包括35％铜和65％铬的组合物。
可移动电极结构122通过结构支撑杆110而在机械上被加强，所述结构支撑杆110延伸出真空容器130并附接到移动杆108。例如，结构支撑杆110可以包括不锈钢或其他适当材料的一件或更多件，并且移动杆108可以包括铜或其他适当材料的一件或更多件。移动杆108和支撑杆110充当真空故障断路器100和外部电路(未示出)之间的外部导电连接点，以及用于致动真空故障断路器的机械连接点。结构支撑杆110或导电杆108可以包括一道或更多道螺纹(例如螺纹119)，以便利将电流导经真空故障断路器100或者使真空故障断路器100打开或闭合所必要的电连接或机械连接。
绝缘体115各端的真空密封是通过金属端帽111和112提供的，所述金属端帽111和112在联接处125-126处被焊(brazed)到绝缘体115的金属化表面上。连同端帽111，端部屏蔽113保护真空故障断路器100的完整性。端帽111和端部屏蔽113两者均附接在导体盘120和121之间。类似地，端部屏蔽114设置在波纹管118和端帽112之间。
当真空故障断路器100处于如图1中所示的闭合位置时，电流例如可以从固定电极结构124的管状线圈导体105、固定电极结构124的电接触体101和可移动电极结构122的电接触体102流动到可移动电极结构122的管状线圈导体106，从而，相对于接触体101和102，电流可以直接流经分别在管状线圈导体105和管状线圈导体106中的缝138和144的端部。管状线圈导体105中的缝138被配置为电流在进入电接触体101之前遵循基本上圆周形的路径。类似地，管状线圈导体106中的缝144被配置为迫使从电接触体102出来的电流在经由移动杆108离开真空故障断路器100之前遵循基本上圆周形的路径。得益于本公开内容的本领域普通技术人员将认识到，电流可以反向。
接触背衬(contact backing)103设置在固定电极结构124的电接触体101和管状线圈导体105之间。类似地，接触背衬104设置在可移动电极结构122的电接触体102和管状线圈导体106之间。每个接触背衬103和104可以包括铜、不锈钢和/或其他适当材料的一件或更多件。接触背衬103和104以及管状线圈导体105和105的缝138和144可以被用来产生与电极结构122和124、电接触体101和102以及绝缘体115的公共纵轴平行的磁场(在这之后被称为“轴向磁场”)。
如图2中所图示的，当真空故障断路器100处于打开位置时，换言之，当电接触体101和102分离时，电接触体101和102将带电弧(arc)，直至下次电流基本上为零(在这之后被称为“过零”或“零电流”)。通常，60Hz的AC电流每秒过零120次。接触背衬103和104以及管状线圈导体105和106的缝138和144所产生的轴向磁场可以控制电接触体101和102之间的电弧。例如，轴向磁场可以导致电接触体101和102之间的扩散型电弧。
电弧包含金属蒸汽(普遍被称为“等离子体”)，所述金属蒸汽是从每个电接触体101、102的表面沸升的。来自每个电接触体101、102的大多数金属蒸汽沉积在另一电接触体101、102上。其余的蒸汽分散在真空容器130内。可以被电弧等离子体填充的主要区域基于从接触体101和102的视线是可以容易地估算的，并且在图2中被示出为项目220。可以基于电弧等离子体的反射和反弹来标识的电弧等离子体次要区域可以是小的，并且在本文中将不会详细描述。
中心设置的金属屏蔽116被配置为包容导电的电弧等离子体220，并且防止其沉积在绝缘体115的表面上。类似地，端部屏蔽113和114被配置为包容路经中心屏蔽116端部的导电的电弧等离子体220。端部屏蔽113和114可以防止电弧等离子体220沉积在绝缘体115的某些表面上，并且可以保护在绝缘体115端部处的联接处125-126不受大的电应力(电场)影响。每个屏蔽113、114、116可以包括铜、不锈钢和/或其他适当材料的一件或更多件。
取决于与真空故障断路器100相关联的电力系统的性质，在电弧已经清除之后可以即刻出现大(substantial)电压(换言之，瞬态恢复电压或“TRV”)——大大超过电力系统的标称电压。例如，对于38kV的电路系统，TRV可以具有高至71.7kV或者甚至95.2kV的峰值。该电压可以在非常短的时间(在20至70微秒的数量级)中出现。真空故障断路器100可以被配置为耐受这些或其他远超出系统电压的瞬态电压。例如，对于38kV的设备，断路器100可以被配置为在70kV ACRMS(均方根)或者150kV或170kV峰值基本脉冲水平(“BIL”)的电压值时耐受或者维持开路电路。仅以实施例的方式，这些电压可以得自于电力系统内或外的开关部件或者对电力系统的雷击。
电接触体101和102分别的面101a和102a上以及接触背衬103和104分别的背侧103a和104a上的棱角(corner)，连同端部屏蔽113和114以及中心屏蔽116的尖梢呈现出可以导致大的电应力(电场)的锐角棱角和边缘。得益于本公开内容的本领域普通技术人员将认识到，电应力可以被三种主要的因素改变：电压、距离和大小。例如，在接触体之间的电压差越高之处，两个接触体之间的电应力越高。在接触体分开越远之处，两个接触体之间的电应力越低。类似地，物体的大小(即尺寸和形状)可以影响电应力。一般来说，具有小的凸形尺寸和锐圆角半径(sharp radii)特征的物体将具有大的电应力。过度强的电场可以导致物体或其他介质不能耐受电压。
金属蒸汽的高温还可以降低真空故障断路器100耐受高电压的能力。例如，如果热的电弧等离子体220经过屏蔽113、114和116之一尖梢的紧邻近旁，屏蔽113、114和116可能变得太热而不能耐受期望的电压量。施加到接触体101和102以及屏蔽113、114和116的尖梢的热和电应力可能导致接触体101和102以及屏蔽113、114和116的尖梢释放额外的电弧等离子体。这样的电弧可能导致金属蒸汽沉积在绝缘体115的内表面上，引起真空故障断路器100电压耐受能力的劣化。蒸汽可以沉积在绝缘体115的内表面上，即使该表面并不在接触体101和102的直接视线上。
图3和4是另一示例性真空故障断路器300的横截面侧视图。除了某些屏蔽部件的差异外，真空故障断路器300与之前参照图1和2描述的真空故障断路器100等同。贯穿图1-4使用了类似的标号来指示在真空故障断路器300和真空故障断路器100之间共同的特征。之前参照图1-2详细描述了这些类似的特征，因此在这之后不会详细描绘。
在示例性真空断路器300中，每个中心屏蔽316以及端部屏蔽313和314包括卷曲的端部316a、313a和314a。卷曲的曲率半径显著地比可以在真空故障断路器100的屏蔽113、114和116尖梢处加工的大。较大的半径降低屏蔽313、314和316端部处的电应力，由此相对于真空断路器100的电压耐受水平增加真空断路器300的电压耐受水平。
中心屏蔽316端部316a的卷曲形状部分屏蔽电弧等离子体420使其不路过中心屏蔽316的端部，因此保护中心屏蔽316的端部不受电弧等离子体420热能的影响。通过保护中心屏蔽316的端部不受热能的影响，该卷曲形状降低中心屏蔽316端部损毁或带电弧的可能性。
屏蔽313、314和316的卷曲端部313a、314a和316a可能制造成本高，而且难以处理和清洁到对于包括在真空断路器中所必须要求的低水平污染。通常，真空断路器的铜和不锈钢部件必须被电解抛光，以实现该要求的清洁度水平。由于其完全的杯状，屏蔽313、314和316的卷曲端部313a、314a和316a处的卷曲可以在电解抛光期间捕获空气、酸或其他污染物。捕获的空气可以导致对屏蔽313、314和316的非恰当清洁。捕获的酸或其他污染物可以被携带到真空断路器300的后续组件。在任一情况中，捕获的空气、酸或其他污染物可以导致真空断路器300劣化的性能。可以通过从数个清洁的件来组装中心屏蔽316来降低劣化的可能性。然而，这样的组装增加零部件个数、复杂性和成本。
图5和6是另一示例性真空故障断路器500的横截面侧视图。类似于之前参照图1和2描述的真空故障断路器100，图5和6的真空故障断路器500包括容器530，所述容器530被设计为相对于其中包封的部件维持真空密封的完整性。空气从真空容器530中被去除，留下具有高压耐受和期望的电流断路能力的深度真空517。真空容器530包括绝缘体515，所述绝缘体515包括陶瓷材料，并且具有一般为圆柱形的形状。容器530内的可移动电极结构522可操作为移向固定电极结构524以及从固定电极结构524移离，由此允许或阻止电流流经真空故障断路器500。真空容器530内的波纹管518包括褶皱的挠性材料，所述挠性材料被配置为在可移动电极结构522移向或移离固定电极结构524的移动期间维持真空容器530的完整性。可移动电极结构522移向或移离固定电极结构524的移动在下面更详细地描述。
固定电极结构524包括电接触体501和管状线圈导体505，在所述管状线圈导体505中加工有缝538。电接触体501和管状线圈导体505通过结构支撑杆509而在机械上被加强。例如，管状线圈导体505可以包括铜或其他适当材料的一件或更多件，并且结构支撑杆509可以包括不锈钢或其他适当材料的一件或更多件。外部导电杆507附接到结构支撑杆509。例如，导电杆507可以包括铜或其他适当材料的一件或更多件。结构支撑杆509或导电杆507可以包括一道或更多道螺纹，以便利将电流导经真空故障断路器500或者使真空故障断路器500打开或闭合所必要的电连接或机械连接。
可移动电极结构522包括电接触体502和其中加工有缝544的管状线圈导体506。例如，管状线圈导体506可以包括铜或其他适当材料的一件或更多件。导体盘523附接到波纹管518和管状线圈导体506，从而电接触体502可以被移入或移出与固定电极结构524的电接触体501的接触。每一个电接触体501和502可以包括铜、铬和/或其他适当材料。例如，每个接触体501和502可以包括包含70％铜和30％铬的组合物或者包括35％铜和65％铬的组合物。
可移动电极结构522通过结构支撑杆510而在机械上被加强，所述结构支撑杆510延伸出真空容器530并附接到移动杆508。例如，结构支撑杆510可以包括不锈钢或其他适当材料的一件或更多件，并且移动杆508可以包括铜或其他适当材料的一件或更多件。移动杆508和支撑杆510充当真空故障断路器500和外部电路(未示出)之间的外部导电连接点，以及用于致动真空故障断路器的机械连接点。结构支撑杆510或导电杆508可以包括一道或更多道螺纹(例如螺纹519)，以便利将电流导经真空故障断路器500或者使真空故障断路器500打开或闭合所必要的电连接或机械连接。
真空故障断路器500的每个管状线圈导体505和506具有与其分别的接触直径成比例的、比图1和2的真空故障断路器100的管状线圈导体105和106大的直径。例如，每个管状线圈导体505和506可以分别具有大致等于电接触体501和502直径的直径。管状线圈导体505和506的较大直径可以要求管状线圈导体505和506包括比图1和2的真空故障断路器100的管状线圈导体105和106多的铜或其他材料。因此，较大的直径可以导致管状线圈导体505和506花费比图1和2的真空故障断路器100的管状线圈导体105和106高的成本。类似地，可移动管状线圈导体506的较大直径可以导致管状线圈导体506具有比可移动管状线圈导体106大的质量，因此与致动器以相同的要求操作速度使真空故障断路器100打开和闭合所需相比，对致动器以该要求的操作速度来使真空故障断路器500打开和闭合带来了更重的负担。
绝缘体515每端处的真空密封是通过金属端部屏蔽511和512提供的，所述金属端部屏蔽511和512在联接处525-526处被焊到绝缘体515的金属化表面上。端部屏蔽511和512保护真空故障断路器500的完整性。端部屏蔽511附接在导体盘507和管状线圈导体505之间。端部屏蔽512设置在波纹管518和导体盘513之间。端部屏蔽511和512是圆角的并且弯曲到真空容器530的空间中。端部屏蔽511和512的作用如同端帽和端部屏蔽两者，基本上类似于图1的真空故障断路器100的端帽111和112以及端部屏蔽113和114。
当真空故障断路器500处于如图5中所示的闭合位置时，电流例如可以从固定电极结构524的管状线圈导体505、固定电极结构524的电接触体501和可移动电极结构522的电接触体502流动到可移动电极结构522的管状线圈导体506，从而，相对于接触体501和502，电流可以直接流经分别在管状线圈导体505和管状线圈导体506中的缝538和544的端部。管状线圈导体505中的缝538被配置为迫使电流在进入电接触体501之前遵循基本上圆周形的路径。类似地，管状线圈导体506中的缝544被配置为从电接触体502出来的电流在经由移动杆508离开真空故障断路器500之前遵循基本上圆周形的路径。得益于本公开内容的本领域普通技术人员将认识到，电流可以反向。
接触背衬503设置在固定电极结构124的电接触体501和管状线圈导体505之间。类似地，接触背衬504设置在可移动电极结构522的电接触体502和管状线圈导体506之间。每个接触背衬503和504可以包括铜、不锈钢和/或其他适当材料的一件或更多件。接触背衬503和504以及管状线圈导体505和505的缝538和544可以被用来创建轴向磁场。
如图6中所图示的，当真空故障断路器500处于打开位置时，电接触体501和502将带电弧，直至下次电流过零。接触背衬503和504以及管状线圈导体505和506的缝538和544所产生的轴向磁场可以控制电接触体501和502之间的电弧。例如，轴向磁场可以导致电接触体501和502之间的扩散型电弧。
电弧包含金属蒸汽，所述金属蒸汽是从每个电接触体501、502的表面沸升的。来自每个电接触体501、502的大多数金属蒸汽沉积在另一电接触体501、502上。其余的蒸汽分散在真空容器530内。可以被电弧等离子体填充的主要区域基于从接触体501和502的视线是可以容易地估算的，并且在图6中被示出为项目620。可以基于电弧等离子体的反射和反弹来标识的电弧等离子体次要区域可以是小的，并且在本文中将不会详细描述。
中心设置的金属屏蔽516被配置为包容导电的电弧等离子体620，并且防止其沉积在绝缘体515的表面上。端部屏蔽511和512被配置为包容路经中心屏蔽516端部的导电的电弧等离子体620。端部屏蔽511和512可以防止电弧等离子体620沉积在绝缘体515的表面上，并且可以保护在绝缘体515端部处的联接处525-526不受大的电应力影响。每个屏蔽511、512和516可以包括铜、不锈钢和/或其他适当材料的一件或更多件。
中心屏蔽516包括比图1的真空故障断路器100中心屏蔽116厚的规格(gage)材料，允许在中心屏蔽516端部处加工较大的半径。中心屏蔽516端部处较大的半径以及组合的端帽/端部屏蔽511和512中较大地形成的半径可以降低真空断路器500中的电应力，导致提高的电压耐受性能。类似地，管状线圈导体505和506、电接触体501和502，以及接触背衬503和504基本上相等的直径可以降低接触体501和502的面501a和502a棱角处连同接触体501和502外径以及接触背衬503和504处的电应力，因此导致提高的电压耐受性能。降低电接触体501和502上的电应力还可以导致电接触体501和502上较少的电弧和接触蚀损，造成较长的有效产品寿命。然而，电弧等离子体620的热仍旧可以导致中心屏蔽516以及端部屏蔽511和512的尖梢在故障中断期间放电或电弧，引起由于蒸汽沉积而造成的绝缘体515的劣化。
图7和8是另一示例性真空故障断路器700的横截面侧视图。除了某些屏蔽、接触背衬以及管状线圈部件的差异外，真空故障断路器700与之前参照图5和6描述的真空故障断路器500等同。贯穿图5-8使用了类似的标号来指示在真空故障断路器700和真空故障断路器500之间共同的特征。之前参照图5和6详细描述了这些类似的特征，因此在这之后不会详细描绘。
相对于图5和6中真空故障断路器500的接触尺寸，图7和8的真空故障断路器700的每个管状线圈导体705和706具有比管状线圈导体505和506小的直径。例如，每个管状线圈导体705和706可以具有与图1和2中真空故障断路器100的管状线圈导体105和106类似的尺寸。管状导体线圈705和706较小的直径可以导致管状线圈导体705和706花费比图5和6的真空故障断路器500的管状线圈导体505和506低的成本。类似地，与可移动电极组件722相关联的可移动管状线圈导体706的较小直径可以导致管状线圈导体706具有比可移动管状线圈导体506小的质量，因此与致动器以相同的要求操作速度使真空故障断路器500打开和闭合所需相比，对致动器以该要求的操作速度来使真空故障断路器700打开和闭合带来较轻的负担。
类似于图1-6中真空故障断路器100、300和500的接触背衬103、104、503和504，图7-8中真空故障断路器700的接触背衬703和704被配置来调整可移动电极组件722和固定电极组件724的电接触体501和502上的磁场。
接触背衬703和704还被配置为调整电应力。接触背衬703延伸为垂直于管状线圈导体705的轴线，在管状线圈导体705的直径之外，重叠管状线圈导体705的至少部分。类似地，接触背衬704延伸为垂直于管状线圈导体706的轴线，在管状线圈导体706的直径之外，重叠管状线圈导体706的至少部分。该配置允许设置为与电接触体501和502相对的每个接触背衬703、704的棱角具有宽的半径703b、704b，并且因此具有低的电应力。该配置还可以在接触体501和502的面501a和502a棱角处以及在接触体501和502外径连同接触背衬703和704上提供降低的电应力，这是由邻近接触背衬703和704较大的轴向长度而导致的。
因此，接触背衬703和704可以导致较高的电压恢复或耐受，以及电接触体501和502蚀损的减少。这些特性可以导致真空故障断路器700具有比图1和2的真空故障断路器100高的故障中断电流水平或者电压额定值。例如，较高的故障中断电流水平或电压额定值可以与图5和6中真空故障断路器500的故障中断电流水平或电压额定值相比拟。
接触背衬703和704可以包括不锈钢或另一种适当材料的一件或更多件。例如，接触背衬703和704可以包括提供比已经用在其他真空故障断路器接触背衬的其他材料(例如铜)高的电压耐受水平的材料。
接触背衬703包括凹口703a，所述凹口703a被配置为接纳管状线圈导线705中相应的凸起705a。类似地，接触背衬704包括凹口704a，所述凹口704a被配置为接纳管状线圈导线706中相应的凸起706a。每个接触背衬703、704设置在接触背衬相应凸起705a、706a和电接触体501、502之间的部分具有足够薄的厚度以使从每个管状导体705、706到每个电接触体501、502的电流阻碍最小化，但是还是足够厚以便更改电流流动，从而允许对电接触体501和502上磁场的调整。
真空故障断路器700的中心屏蔽716具有基本上为双“S”的弯曲形状，有着两个张开的端部716a。每个端部716a包括向内延伸离开绝缘体515的段716aa和向外延伸向绝缘体515的段716ab。在示例性实施方案中，段716aa和716ab产生卷曲，所述卷曲具有与上面描述的图3和4中真空故障断路器300中心屏蔽316的每个卷曲端部316a的半径类似的半径。在可替换的示例性实施方案中，段716aa和716ad可以具有不同的卷曲半径。这些卷曲可以帮助降低中心屏蔽716的电应力。
中心屏蔽716的尖梢端716ac指向为从电压应力源离开，被设置在中心屏蔽716其余部分的电压电势和应力阴影中。例如，每个尖梢716ac可以被设置为相对于管状线圈导体705和706的纵轴大致成90度的角。可替换地，尖梢716ac可以被设置为相对于管状线圈导体705和706的纵轴成锐角或钝角。尖梢716ac不在电弧等离子体820在电弧期间的直接路径中。因此，尖梢716ac被保护免受电弧等离子体820的影响，由此降低或消除由于电弧等离子体820的热输入而造成的尖梢716ac的损毁。
因为中心屏蔽716端部716a处的卷曲如同图3和4中真空故障断路器300的中心屏蔽316中的卷曲那样不形成杯状，所以中心屏蔽716可以容易地以工业中已知的工艺制造和清洁。中心屏蔽716的使用，连同组合的端帽/端部屏蔽511和512，可以导致真空断路器700中较低的电应力，导致较高的电压恢复或耐受水平。在某些可替换的示例性实施方案中，可替换的端帽和端部屏蔽，例如上面参照图1-4描述的那些，可以被用来替代组合的端帽/端部屏蔽511和512。
每个屏蔽716、511和512可以包括铜、不锈钢和/或其他适当材料或其组合物的一件或更多件。例如，在某些示例性实施方案中，屏蔽716可以包括靠近联接在一起的两个金属件，以在一件或两件上生成凸起739，其中凸起739被配置为接合绝缘体515上相应的凹口740。用于将屏蔽716固定/对准到绝缘体515或者在真空场断路器700中的真空容器730内以其他方式固定/对准屏蔽716的可替换手段是适当的。例如，屏蔽716可以包括凹口，用于接纳绝缘体515的相应凸起。为了简洁，屏蔽716和绝缘体515耦合在一起所在的位置在本文中被称为“连接点”738。
屏蔽716的两段716ad设置在连接器738的相对侧。屏蔽716的段716aa设置在段716ad和段716ab之间。段716ab和段716ad之间的轴向距离比段716aa和段716ad之间的轴向距离大。段716aa的第一端716aaa耦合到段716ad，而段716aa的第二端716aab耦合到段716ab。段716aa设置为靠近固定电极组件724的第一端716aaa设置在固定电极组件724的接触背衬703和屏蔽511之间。段716aa以曲线的方式从第一端716aaa向屏蔽511延伸。类似地，段716aa设置为靠近可移动电极组件722的第一端716aaa设置在可移动电极组件722的接触背衬704和屏蔽512之间，并且以曲线的方式从第一端716aaa向屏蔽512延伸。
图9是描绘使用图7和8的示例性真空故障断路器700的示例性电力系统900的框图。电源905(例如从电厂或另一公共事业机构引出的高压传输线)将电能经由变电站910、配电线950、开关装置955和配电变压器960传输到消费者935。尽管图9中描绘的示例性电力系统900仅包括一个变电站910以及仅一套示例性的配电线950、开关装置955、配电变压器960和消费者935的组合，但是得益于本公开内容的本领域普通技术人员将认识到，电力系统900可以包括任何数量的变电站910、配电线950、开关装置955和配电变压器960。
为了解释已经简化了变电站910的内容，并且变电站910的内容可以在变压器920一侧包括高压开关装置915，并且在变压器920的另一侧包括中压(普遍被称为“配电级(distribution class)”)开关装置925。电源905可以在高压线缆907上将电能传输到高压开关装置915，所述开关装置915可以将电能经由变压器920传输到中压(mediumvoltage)开关装置925。中压开关装置925可以将电能传输到配电线950。
术语“高压”在本文中被用于指具有比38kV高的电压的电能。术语“低压”在本文中被用于指具有在约120V和240V之间的电压的电能。术语“中压”在本文中被用于指用于配电线的在“高压”和“低压”之间的电压。
变压器920通过磁耦合将能量从一个电路转移到另一个电路。例如，变压器920可以包括两个或更多个耦合的绕组和用来集中磁通的磁芯。施加到一个绕组的电压在芯中创建时变的磁通，该磁通在其他绕组中感生电压。改变相对匝数决定绕组之间的电压比，由此将电压从一个电路转变到另一个。
配电线950从变电站910的中压开关装置925接收电能并将接收的电能传输到消费者935。一个变电站910可以向多个不同的配电馈送器970提供电能。在第一配电馈送器970a中，变电站910经由配电线950将电能直接传输到消费者935。在其他配电馈送器970b和970c中，变电站910经由配电线950将电能提供给多个消费者以及耦合到其的一个或更多个开关装置955。例如，每个开关装置955可以包括被配置为隔离配电线950中故障的真空断路器700。开关装置955可以隔离故障而不中断其他可用配电线950中的供电业务。
在配电馈送器970c中，配电线950分成多段970ca和970cb。每段970ca、970cb包括被配置为隔离段970ca和970cb中故障的开关装置955。该配置允许段970cb中的开关装置955隔离段970cb中的故障而不中断其他可用段970ca中的供电业务。
消费者935可以直接从配电线950或者从耦合到配电线950的配电变压器960接收中压电能。配电变压器960被配置为将来自配电线950的中压电能步降为低压，例如120V或240V交流的家庭电压。每个配电变压器960可以为一个或更多个消费者935提供低压电能。
每个开关装置915、925和955包括包含故障断路器的壳体，所述故障断路器被配置为中断耦合到开关装置915、925、955的电路内的电流故障。例如，每个开关装置955可以包括真空故障断路器700、熔断器和/或电路断开器(circuit breaker)。
图9中图示的示例性系统900仅仅是用于向消费者提供电能的部件的代表。其他实施方案可能不具有图9中标识的所有部件，或者可以包括额外的部件。例如，得益于本公开内容的本领域普通技术人员将认识到，尽管图9中描绘的示例性电力系统900包括三个配电馈送器970以及两段970ca和970cb，但是电力系统900可以包括任意数量的配电馈送器970以及段970ca和970cb。
测试数据
故障中断测试：
已经进行了多个测试来确定某些具有前述机械和结构特征中的一些的示例性真空故障断路器的性能特性。测试包括评估示例性真空故障断路器在综合测试电路和全功率测试电路中的性能特性。在全功率测试电路中，故障电流和恢复电压来自于发电机或电力系统。在综合测试电路中，故障电流和恢复电压来自于充电的电容组。
综合测试经常用在开发和测试新的真空故障断路器中，因为其是一种更受控的测试并且可以具有比功率测试精确的量测。功率测试经常用于对完全设计好的设备的最终认证和测试，并且包括对真空故障断路器、使真空故障断路器打开的致动器和机构、与真空故障断路器相关联的绝缘系统，以及与真空故障断路器相关联的电子控制的测试。
通常，在综合测试和功率测试两者中，真空故障断路器被测试以遵循建立的测试标准，例如IEEE标准C37.60-2003。具体来说，如可应用的，真空故障断路器被测试以遵循根据C37.60-2003的表6的标准故障中断水平和要求的“任务(duty)”，以及根据C37.60-2003的表10a和10b的标准TRV(分别包含三相和单相系统的TRV值和时间)。根据IEEEC37.60-2003，典型的任务要求真空故障断路器在三个不同的故障电流和电压水平进行操作。例如，对于额定为12.5千安的38千伏三相，真空故障断路器必须在故障额定值(为12.5千安)的90％和100％以71.7千伏的峰值TRV中断16个故障。它还必须在故障额定值的45％和55％(5.6千安-6.9千安)以78.1千安的峰值TRV中断56个故障以及在故障额定值的15％和20％(1.9千安-2.5千安)以82.4千伏的峰值TRV中断44个故障。TRV水平一般随故障电流的增加而降低。因此，典型的任务要求真空故障断路器中断总共116个故障。在某些实施方案中，真空故障断路器的性能可以通过执行两次任务(导致232次总故障中断操作)来确认。
对单相设备——具有一个真空故障断路器的设备——要求的任务一般比三相设备——具有三个真空故障断路器的设备——繁重。在三相设备中，任何一个真空故障断路器可以从另两个真空故障断路器接受帮助。在很多应用中，头两个真空故障断路器打开将完成三相设备中所有的工作。使用随机打开时间，可以平均地将任务和努力分布到设备中所有的三个真空故障断路器。在单相设备中，这一个真空故障断路器必须自己中断所有116(或232)次故障中断。加重单相真空故障断路器的负担的是这样的事实，即对单相中断要求的TRV水平比对三相中断要求的高。例如，与对于三相设备要求的82.4kV、78.1kV和71.7kV相比，对单相设备要求的38千伏TRV水平是95.2kV、90.2kV和82.8kV。
以下表格总结了某些具有与真空故障断路器100和500基本类似的机械结构的示例性真空故障断路器的性能，所述示例性真空故障断路器具有三英寸外径和1.75英寸直径的电接触体：
真空故障断路器100和500：故障中断测试结果
  基本上类似于示例性断路器的断路器 接触体材料 接触背衬材料   功率或综合测试  单相或三相(仅功率) 中断额定值(kA) 电压等级(kV)   峰值TRV(kV)*   故障总数#**  #未正常清除(仅综合测试)
  1   100   Cu35/Cr65   铜   功率   单相   8.0kA   27kV   67.6kV   232   -
  2   100   Cu35/Cr65   铜   功率   三相   12.0kA   27kV   58.6kV   232   -
  3   100   Cu70/Cr30   无   功率   单相   12.5kA   27kV   67.6kV   232   -
  4   100   Cu70/Cr30   无   功率   三相   12.5kA   27kV   58.6kV   232   -
  5   100   Cu70/Cr30   无   功率   三相   12.5kA   38kV   82.4kV   232   -
  6   500   Cu70/Cr30   不锈钢   综合   -   16.0kA   27kV   67.6kV   116   1-2
  7   500   Cu70/Cr30   不锈钢   综合   -   12.5kA   38kV   92.2kV   116   9-13
  8   500   Cu70/Cr30   不锈钢   综合   -   12.5kA   38kV   92.2kV   120***   20
  9   500   Cu70/Cr30   不锈钢   功率   单相   12.5kA   27kV   67.6kV   232   -
  10   500   Cu70/Cr30   不锈钢   功率   三相   16.0kA   27kV   58.6kV   232   -
  11   500   Cu70/Cr30   不锈钢   功率   三相   12.5kA   38kV   82.4kV   232   -
*对于功率测试，并非所有操作均在峰值TRV水平，取决于故障电流水平
**根据IEEE C37.602003，并非所有尝试(shot)均在90-100％故障电流水平，一些是在15-20％和44-55％
***对于该序列，所有尝试均以不同的非对称水平在100％电流水平
如上表中图示的，示例性真空故障断路器在功率测试中成功地在38千伏三相TRV水平或27千伏单相TRV水平完成了一次或两次C37.60-2003下要求的任务。然而，示例性的真空故障断路器未成功地以38千伏单相TRV水平完成测试。
对某些综合测试数据的检视显示，在较高的TRV水平下，示例性的真空故障断路器远远不那么可能在第一零电流之后成功地清除(中断)故障电流。对示例性真空故障断路器的检视显示，尽管真空故障断路器的接触体磨耗和蚀损的程度以及沉积在绝缘体内表面上蒸汽的量对于较低的电压额定值是可接受的，但是当TRV水平接近对38千伏单相操作要求的水平时，这两者均变得过度。具体来说，真空故障断路器显示出来自屏蔽尖梢以及来自接触体的电弧的迹象。
对某些具有与真空故障断路器700基本类似的机械结构的示例性真空故障断路器进行了类似的测试。这些测试的结果总结在下表中：
真空故障断路器700：故障中断测试结果
基本上类似于示例性断路器的VFI 接触体材料 接触背衬材料 功率或综合测试 单相或三相(仅功率) 中断额定值(kA) 电压等级(kV) 峰值TRV(kV)* 故障总数#**   #未正常清除(仅综合测试)
 1   700/100   Cu70/Cr30   不锈钢   综合   -   12.5kA   38kV   92.2kV   120***   13-17
 2   700   Cu35/Cr65   铜   综合   -   12.5kA   38kV   92.2kV   116   14
 3   700   Cu35/Cr65   不锈钢   综合   -   12.5kA   38kV   92.2kV   116   12
 4   700   Cu70/Cr30   不锈钢   综合   -   12.5kA   38kV   92.2kV   116   5-7
 5   700   Cu70/Cr30   不锈钢   功率   单相   12.5kA   38kV   95.2kV   232   -
*对于功率测试，并非所有操作均在峰值TRV水平，取决于故障电流水平
**根据IEEE C37.602003，并非所有尝试均在90-100％故障电流水平，一些是在15-20％和44-55％
***对于该序列，所有尝试均以不同的非对称水平在100％电流水平
测试的第一真空故障断路器具有基本上与图7的真空故障断路器700的屏蔽716基本类似的屏蔽，以及与图1的真空故障断路器100的接触背衬103和104基本类似的接触背衬。使用100％故障电流尝试(故障)以变化的非对称水平测试了个真空故障断路器，而不是用根据IEEE C37.60-2003的任务的综合测试。然而，该测试的结果可以与对真空故障断路器500的类似测试相比较，所述类似测试在上面针对真空故障断路器100和500(8号)的结果表中讨论。尽管真空故障断路器在第一零电流时未成功清除的故障数量(13-17)相对于真空故障断路器500在第一零电流时未成功清除的故障数量(20)被减少，但是在真空故障断路器中仍旧存在对接触体磨耗和蚀损的迹象。
测试的第二和第三真空故障断路器700包括电接触体501和502以及接触背衬，所述电接触体501和502由包含35％铜和65％铬的合金构成，所述接触背衬基本上类似于图7中真空故障断路器700的接触背衬703和704。第二真空故障断路器700包括铜接触背衬703和704。第三真空故障断路器700包括不锈钢接触背衬703和704。这些真空故障断路器700具有与如上面在真空故障断路器100和500(7号)的结果表中讨论的在相同电压针对相同任务测试的真空故障断路器500中在第一零电流时未成功清除的故障数量(9-13)类似的在第一零电流时未成功清除的故障量(12-14)。
第四真空故障断路器700包括电接触体501和502以及不锈钢接触背衬，所述电接触体501和502由包含70％铜和30％铬的合金构成，所述接触背衬基本上类似于图7中真空故障断路器700的接触背衬703和704。当被综合测试时，该真空故障断路器700具有基本上减少的在第一零电流时的未成功清除故障数量(5-7)。在测试之后进行检视时，电接触体701和702显示出很少或没有磨耗和蚀损的迹象；类似地，在绝缘体515上存在非常少的蒸汽沉积，并且在屏蔽716、511和513上存在很少或没有电弧的迹象。
具有与第四真空故障断路器基本等同的结构的第五真空故障断路器700也在功率测试中良好。在38千伏单相测试中，真空故障断路器700成功地完成了两次IEEEC37.60-2003故障中断任务，证明了真空故障断路器中断并耐受与该任务相关联的高38千伏单相TRV水平的能力，即：对90％到100％故障水平中断的82.8kV，对45％到55％故障水平中断的90.2kV，对15％到20％故障水平中断的95.2kV。
基本脉冲水平(BIL)测试：
已经使用了BIL生成器在流体绝缘和固体绝缘两者中进行了多次测试，以仿真示例性真空断路器的各种设计在各种瞬态条件(例如雷涌)下的耐受水平。真空故障断路器被测试以遵循建立的测试标准，包括IEEE标准C37.60-2003，尤其是其标题为“Lightning impulsewithstand test voltage(闪电脉冲耐受测试电压)”的第6.2.1.1章。IEEE标准C37.60-2003要求断路器耐受(即维持电压而不放电)在1.2毫秒内升至预定峰值并且随后在50毫秒内降至峰值一半的波。真空故障断路器需要在四种条件下耐受电压：当固定端接地时在移动端以正电压和负电压两者激励，以及当移动端接地时在固定端以正电压和负电压两者激励。在每种情况期间，断路器必须耐受三种高压脉冲。如果真空故障断路器未能耐受任何这些高压脉冲，则真空故障断路器必须成功耐受九种额外的电压脉冲(而不能有任何耐受失败)，以遵循所述标准。可替换地，可以让真空故障断路器在每种条件下经受15个脉冲波，其中真空故障断路器可以最多未能耐受两个，以遵循标准IEC 60060-1-1989-11。
通常，对于27千伏的系统，期望真空故障断路器耐受125千伏的BIL。通常对于38千伏的系统，期望真空故障断路器耐受150千伏的BIL。然而，由于对电力系统增加的期望，越来越普遍期望真空断路器耐受170千伏。
基于大量的测试结果，下表给出对于具有与真空故障断路器100、500和700基本类似的结构的某些示例性真空故障断路器可以期望的典型BIL耐受范围。每个断路器具有三英寸外径和1.75英寸直径的电接触体。在一些情况中，BIL仅针对一些条件被测试，导致表格中的空格。同样，在一些情况中，测试了很少的样本，导致小于用于测量的分布的典型分散。
真空故障断路器100、500和700的BIL测试结果
  基本上类似于示例性断路器的VFI 接触体材料   接触背衬   典型的BIL，移动端+(kV)   典型的BIL，移动端-(kV)   典型的BIL，固定端+(kV)   典型的BIL，固定端-(kV)
  100   Cu70/Cr30   无   140-160   140-160   140-160   140-160
  500   Cu70/Cr30   不锈钢   145-160   145-160   145-160   145-160
  700/100*   Cu70/Cr30   不锈钢   145-175   160-170    -   -
  700   Cu35/Cr65   铜   170   160-170    -   -
  700**   Cu35/Cr65   不锈钢   150+   150+    -   -
  700   Cu70/Cr30   不锈钢   155-175   160-175   160-175   155-175
*断路器基本上类似于700，但是使用100的不锈钢接触背衬
**断路器未在高于150千伏下被测试
如从这些结果可以看到的，尽管期望具有基本上类似于示例性真空断路器100和500的设计的真空断路器具有大致145千伏到160千伏的BIL耐受，但是期望具有基本上类似于示例性真空断路器700的设计的真空断路器具有大致160千伏到175千伏的BIL耐受。
总之，前述示例性实施方案使得真空故障断路器可行。很多其他的修改、特征和实施方案对于得益于本公开内容的本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，本文描述的实施方案的一些或所有可以被调适以供在其他类型的真空开关装置中使用，例如用于隔离配电线的部分、开启或关闭负载电流，或者开启或关闭用于控制功率指令的电容器组的真空开关。很多这些其他的真空产品面临高压应用和长有效寿命的要求，对此可以应用和/或调适本文描述的某些实施方案。因此应该意识到，除非以其他方式明确陈述，否则本发明的很多方面在上面仅仅是通过实施例的方式描述的，并且并不打算作为本发明的必要或关键要素。还应该理解，本发明并不限于图示的实施方案，并且可以在所附权利要求书的精神和范围内进行各种修改。

Claims (41)

1.一种真空断路器，包括：
电极组件，所述电极组件包括电接触体；
绝缘体，所述绝缘体包括基本上绕所述电极组件设置的电绝缘材料；以及
屏蔽，所述屏蔽设置在所述绝缘体和所述电极组件之间，并且被配置为阻止来自所述电极组件的所述电接触体的电弧等离子体沉积在所述绝缘体表面的至少部分上，所述屏蔽包括被配置来使所述屏蔽与所述绝缘体对准的第一段、从所述绝缘体延伸离开的第二段，以及延伸向所述绝缘体并包括所述屏蔽的尖梢的第三段，
其中所述第一段和所述第三段之间的轴向距离大于所述第一段和所述第二段之间的轴向距离。
2.如权利要求23所述的真空断路器，还包括第二电极组件，所述第二电极组件包括电接触体，所述第二电极组件设置在相对于所述另一电极组件的公共纵轴上，并且被配置为沿所述公共纵轴移向或移离所述另一电极组件。
3.如权利要求2所述的真空断路器，其中所述电极组件的至少之一还包括接触背衬和管状线圈导体，所述接触背衬基本设置在所述电接触体和所述管状线圈导体之间并且在所述管状线圈导体的直径外以轴向延伸。
4.如权利要求23所述的真空断路器，其中所述尖梢设置为相对于所述电极组件的纵轴成大致90度的角。
5.如权利要求23所述的真空断路器，其中所述屏蔽包括两个从所述绝缘体延伸离开的第二段，以及两个延伸向所述绝缘体的第三段，每个所述第三段包括所述屏蔽的尖梢。
6.如权利要求23所述的真空断路器，其中所述电极组件还包括接触背衬和管状线圈导体，所述接触背衬基本设置在所述电接触体和所述管状线圈导体之间并且在所述管状线圈导体的直径外以轴向延伸。
7.如权利要求6所述的真空断路器，其中所述接触背衬被配置为降低所述真空断路器的电应力。
8.如权利要求6所述的真空断路器，其中所述接触背衬包括不锈钢。
9.如权利要求6所述的真空断路器，其中所述接触背衬包括凹口，用于接纳所述管状线圈导体的凸起。
10.如权利要求23所述的真空断路器，其中所述真空断路器是真空故障断路器。
11.如权利要求23所述的真空断路器，其中所述真空断路器是被配置来隔离配电线区段的真空开关。
12.如权利要求23所述的真空断路器，其中所述真空断路器是被配置来开关负载电流的真空开关。
13.如权利要求23所述的真空断路器，其中所述真空断路器是被配置来开关电容器组的真空开关。
14.一种真空断路器的屏蔽，包括：
细长构件，所述细长构件包括汇集到一点的两个部分，每个所述部分包括被配置为从真空故障断路器的绝缘体延伸离开的第一段和被配置为延伸向所述绝缘体的第二段，每个所述部分的所述第二段包括各部分的尖梢，
其中所述点和所述第二段之间的轴向距离大于所述点和所述第一段之间的轴向距离，以及
其中所述细长构件被配置为阻止来自所述真空断路器的电接触体的电弧等离子体沉积在所述绝缘体表面的至少部分上。
15.如权利要求30所述的屏蔽，其中每个所述部分的所述尖梢设置为相对于所述屏蔽的纵轴成大致90度的角。
16.一种包括权利要求15的所述屏蔽的真空断路器。
17.一种包括权利要求15的所述屏蔽的真空故障断路器。
18.一种配电系统，包括：
配电线，所述配电线被配置为为至少一个消费者提供电能；以及
开关装置，所述开关装置耦合到所述配电线，并且被配置为隔离所述配电线中的电流故障，所述开关装置包括：
真空断路器，所述真空断路器包括：
电极组件，所述电极组件包括电接触体；
绝缘体，所述绝缘体包括基本上绕所述电极组件设置的电绝缘材料，以及
屏蔽，所述屏蔽设置在所述绝缘体和所述电极组件之间，并且被配置为阻止来自所述电极组件的所述电接触体的电弧等离子体沉积在所述绝缘体表面的至少部分上，所述屏蔽包括被配置来使所述屏蔽与所述绝缘体对准的第一段、从所述绝缘体延伸离开的第二段，以及延伸向所述绝缘体并包括所述屏蔽的尖梢的第三段，其中所述第一段和所述第三段之间的轴向距离大于所述第一段和所述第二段之间的轴向距离。
19.如权利要求18所述的配电系统，其中所述真空断路器还包括第二电极组件，所述第二电极组件包括电接触体，所述第二电极组件设置在相对于所述另一电极组件的公共纵轴上，并且被配置为沿所述公共纵轴移向或移离所述另一电极组件。
20.如权利要求19所述的配电系统，其中所述电极组件的至少之一还包括接触背衬和管状线圈导体，所述接触背衬基本设置在所述电接触体和所述管状线圈导体之间并且在所述管状线圈导体的直径外以轴向延伸。
21.如权利要求18所述的配电系统，其中所述电极组件还包括接触背衬和管状线圈导体，所述接触背衬基本设置在所述电接触体和所述管状线圈导体之间并且在所述管状线圈导体的直径外以轴向延伸。
22.如权利要求18所述的配电系统，还包括变电站，所述变电站被配置为将电能提供到所述配电线。
23.一种真空断路器的接触背衬，包括：
构件，所述构件被配置为基本上设置在真空断路器的电极组件的电接触体和所述电极组件的线圈导体之间，所述构件在所述线圈导体的直径外以轴向延伸。
24.如权利要求23所述的接触背衬，其中所述构件包括不锈钢。
25.如权利要求23所述的接触背衬，其中所述构件包括凹口，所述凹口被配置为接纳所述管状线圈导体的凸起。
26.如权利要求23所述的接触背衬，其中所述构件具有基本上等于所述电接触体外径的直径。
27.如权利要求23所述的接触背衬，其中所述构件在所述线圈导体的直径外以所述轴向延伸的部分具有凸型的弯曲几何布局。
28.如权利要求23所述的接触背衬，其中所述接触背衬被配置为降低所述真空断路器的电应力。
29.如权利要求23所述的接触背衬，其中所述真空断路器是真空故障断路器。
30.一种真空断路器的接触背衬，包括：
构件，所述构件被配置为基本上设置在真空断路器的电极组件的电接触体和所述电极组件的线圈导体之间，所述构件在所述线圈导体的直径外以轴向延伸，
其中所述构件包括凹口，所述凹口被配置为接纳所述管状线圈导体的凸起。
31.如权利要求30所述的接触背衬，其中所述构件包括不锈钢。
32.如权利要求30所述的接触背衬，其中所述构件具有基本上等于所述电接触体外径的直径。
33.如权利要求30所述的接触背衬，其中所述构件在所述线圈导体直径的外部在所述轴向上延伸的部分具有凸型的弯曲几何布局。
34.如权利要求30所述的接触背衬，其中所述接触背衬被配置为降低所述真空断路器的电应力。
35.如权利要求30所述的接触背衬，其中所述真空断路器是真空故障断路器。
36.一种真空断路器，包括：
电接触体；
线圈导体；以及
接触背衬，所述接触背衬包括不锈钢，并且基本上设置在所述电接触体和所述线圈导体之间，所述接触背衬在所述线圈导体的直径外以轴向延伸。
37.如权利要求36所述的真空断路器，其中所述接触背衬包括凹口，所述凹口被配置为接纳所述管状线圈导体的凸起。
38.如权利要求36所述的真空断路器，其中所述接触背衬具有基本上等于所述电接触体外径的直径。
39.如权利要求36所述的真空断路器，其中所述接触背衬在所述线圈导体直径的外部在所述轴向上延伸的部分具有凸型的弯曲几何布局。
40.如权利要求36所述的真空断路器，其中所述接触背衬被配置为降低所述真空断路器的电应力。
41.如权利要求36所述的真空断路器，其中所述真空断路器是真空故障断路器。
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