CN102543323B - 一种阶变介电常数复合绝缘子 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合绝缘子技术领域，特别涉及一种阶变介电常数复合绝缘子。所述复合绝缘子高压端所用外绝缘材料的介电常数高于常规复合绝缘子硅橡胶外绝缘材料，使用长度从高压端起计不大于整串绝缘子长度的50%。本发明提供的阶变介电常数复合绝缘子可以很好的优化复合绝缘子电场分布情况，避免因场强分布过于集中、电位分布不均匀造成的闪络、电蚀、脆断、憎水性丧失、老化等运行故障。

Description

一种阶变介电常数复合绝缘子

技术领域

本发明属于复合绝缘子技术领域，特别涉及一种阶变介电常数复合绝缘子。

背景技术

自20世纪50年代国外开始研究和使用复合绝缘子以来，复合绝缘子的发展和应用至今已有50多年的历史。我国对复合绝缘子的研制开发始于20世纪80年代初，尽管起步较晚，但起点高。在吸取国外经验教训的基础上，一开始就研制生产出高温硫化硅橡胶绝缘子。国产复合绝缘子1985年首次挂网试运行，截止2010年12月，66kV及以上电压等级交/直流输电线路上在运的绝缘子共11336713串（支），其中复合绝缘子4196235支，占所有类型绝缘子串（支）数的37.02%。从电压等级来看，1000kV、±800kV、750kV、±500kV线路中复合绝缘子的使用比例较大，均达到55.0%以上。

同时，复合绝缘子在运行中也出现了闪络、电蚀、脆断、憎水性丧失、老化、产品质量等运行故障，虽然，近几年全国范围内复合绝缘子故障率在0.01%左右，但由于其用量大，造成的危害不容忽视。国内外对复合绝缘子运行中出现的问题已经进行了广泛的研究，并提出了不同理论解释。目前，普遍认为复合绝缘子常发事故主要是由恶劣环境下的绝缘子电场分布不均造成的。

为解决复合绝缘子电场分布不均匀的问题，国内外学者做了各方面的努力。其中，国内外对绝缘子及其在覆冰、污秽等条件下电场分布计算机模拟计算研究较多，如重庆大学武坤等用分域迭代法计算特高压线路绝缘子电场分布（高电压技术，2009，Vol 35, No 6, P1279-1283）。华中科技大学袁小娴等对330kV线路复合绝缘子电位和电场分布的有限元计算（电瓷避雷器，2006,4期，P9-12）。武汉大学龚宇清等对500kV户外绝缘子染污下电场有限元分析（中国新技术新产品，No 19，P17）。西安电子科技大学李庆等对UHV输电线路中绝缘子串电位分布的仿真计算，综合考虑了芯棒、伞裙、球头球窝、导线、连接金具、铁塔、均压环等因素对1000 kV特高压输电线路中的绝缘子表面电场分布的影响（电子科技，Vol 23, No 2, P29-32）。辽宁电力公司董恩伏对冰雪条件下户外绝缘子的电场特性进行计算研究（东北电力技术，2002,12期，P17-20）。Volat C等对覆冰绝缘子电场分布计算机模拟计算（IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, Vol 20, No 3, P2006-2021）。研究结果都显示复合绝缘子在高压端电位分布不均，电场强度过高。因此，人们开始研究改善电场分布的方法。

在改善绝缘子电场分布研究方面，主要集中在均压环配置上，如西安电瓷研究所孙西昌等对±800 kV直流系统用棒形支柱瓷芯复合绝缘子电场分布计算及均压环配置优化（电瓷避雷器，2009,1期，P1-6）。国网电科院霍峰等对750 kV绝缘子串电位分布仿真及试验研究采用有限元数值分析法，针对750 kV交流输电线路绝缘子片数及均压环配置，对绝缘子串电位分布进行了计算分析，比较了均压环均压深度、环径、管径及绝缘件介电常数对绝缘子电位分布的影响（高压电器，2010，Vol 46, No 3, P49-52）。西安交通大学江汛等对棒形悬式复合绝缘子电场计算和优化均压环的环径、管径和环的抬高距进行了优化计算（高压电器，2005，Vol 41, No 5, P340-342）。新疆大学张强等在这些重污闪地区采用增加均压环来降低绝缘子对塔杆和导线的电容,进而达到改善电场分布的目的（华北电力技术，2010，No6，P10-12）。

也有研究人员通过改善绝缘子形状优化绝缘子电场分布，如四川电力试验研究院贾志杰等通过对绝缘子的形状进行优化改进，使其表面的电场强度法向分量达到最小，就尽可能地减少表面电荷积聚（高压电器，2010，Vol 46, No 6, P18-21）。华北电力大学徐志钮等对RTV和增爬裙对支柱绝缘子电场和电位分布影响的研究（华北电力大学学报，Vol 37, No 4, P1-6）。Chakravorti S对复合绝缘子污秽条件下伞裙分布对电场的影响（IEEE，Trans. Electrical. Insulation，2002, Vol 7，No 2, P169-176）。

其他优化绝缘子电场分布的方法也有报道，如重庆大学司马文霞通过在复合绝缘子导线端串联玻璃绝缘子，从而对其电场分布的改善（高电压技术，2010，Vol 36, No 7, P1630-1637）；西安交通大学罗勇芬等采用内电极和均压环配置法优化复合绝缘子的沿面电场和电位分布，该方法是在复合绝缘子的玻璃纤维芯棒两端内嵌细金属内电极；导线侧配置内电极和均压环，而杆塔侧仅配置内电极。在复合绝缘子的导线侧，内电极、金具和均压环之间形成低电场区，降低了该部分绝缘承担的电位分布。在杆塔侧，内电极与杆塔侧金具等电位，内电极所伸入、涵盖的绝缘处于内电极与杆塔侧金具形成的轴向低电场区，降低了该部分绝缘承担的电位；而内电极尖端及以下形成较高电场，抬升了内电极尖端以下的部分绝缘所承担的电压（电瓷避雷器，2009,1期，P7-11）。陕西电力科学研究院惠华等也做了内插入电极式结构缓和绝缘子场强及电位分布试验研究（研究与分析，2009，P23-26）。

目前所见报道中，复合绝缘子电场优化方法在实际应用效果、加工工艺和后期应用中，均有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阶变介电常数复合绝缘子，可以通过调整复合绝缘子外绝缘材料的介电常数，同时控制复合绝缘子串具有不同介电常数外绝缘材料的分布，来优化复合绝缘子电场分布。

本发明采用的技术方案如下：

一种阶变介电常数复合绝缘子，所述复合绝缘子高压端所用外绝缘材料的介电常数高于常规复合绝缘子硅橡胶外绝缘材料，使用长度从高压端起计不大于整串绝缘子长度的50%。

本发明提到的介电常数都是指工频下数值。所述常规复合绝缘子硅橡胶外绝缘材料指现行行业通用硅橡胶材料，具体其技术参数参照中华人民共和国电力行业标准DL/T 376-2010 复合绝缘子用硅橡胶绝缘材料通用技术条件。

进一步，低压端所用外绝缘材料的介电常数高于常规复合绝缘子硅橡胶外绝缘材料，使用长度为从低压端起计不大于整串绝缘子长度的30%。

所述高压端和/或低压端所用外绝缘材料的介电常数为3-100。

所述高压端用外绝缘材料和低压端用外绝缘材料的介电常数在复合绝缘子上阶变分布，其变化趋势与场强分布趋势一致。

随着电压从高到低，高压端绝缘材料的介电常数逐渐减小；低压端随着电压从高到低，绝缘材料的介电常数逐渐增大。

具体到高低压端绝缘材料介电常数如何分布，可根据以下规律进行布局：高介电常数外绝缘材料介电常数越高，从高介电常数材料到普通硅橡胶材料介电常数阶变过度越平缓，对场强集中位置的缓和作用越好，复合绝缘子电场优化的作用越明显。但同时，应用高介电常数材料时，若相邻两种材料介电常数差别较大，最大场强会出现在两种材料的交界面上，即相邻两种材料介电常数差别比例越大，场强畸形突变越明显，因此最好把高压端和/或低压端复合绝缘子分成更多段，使得介电常数逐段过渡至普通值，从而避免分界面两侧材料介电性能相差过大造成的场强畸变。

所述高压端和低压端所用绝缘材料即高介电常数外绝缘材料可以通过现有技术获得，也可以按照本发明提供的以下方法获得：以高分子材料为基材，以巨介电常数陶瓷粉体和导电/半导电粉体为功能材料，通过添加相应配合剂后混合获得。

所述的高分子基材可以选择硅橡胶、三元乙丙橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、聚偏二氟乙烯、环氧树脂、交联聚乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯吡咯烷酮、氰酸酯、异氰酸酯、聚对氯甲基苯乙烯、聚乙烯缩丁醛、聚酰亚胺、聚氨酯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚醚砜。

所述的巨介电常数陶瓷粉料为表面经过或未经过化学改性处理的钛酸铜钙、Li和/或Ti改性NiO、钛酸钡、钛酸锶钡、导电陶瓷粉末TiC、锆钛酸钙钡、铌镁酸铅-钛酸铅、锆钛酸铅或者Li或Ti掺杂的BT/BST/CCTO，所述粉料的粒径为0.01-50μm。

所述的导电或半导电粉料为表面经过或未经过化学改性处理的金属粒子、金属氧化物、有机粉体以及无机粉料之一，所述粉料的粒径在0.01-100μm。具体的，所述的金属粒子如Ag、Al、Cu、Ni等，导电/半导电有机粉体如聚苯胺（PANI）、酞菁铜齐聚物（CuPc）等，金属氧化物如氧化钛（TiO2）、氧化镉（CrO）、氧化钨（WO2）、氧化锌（ZnO）、氧化铋（Bi2O3）等，无机导电/半导电粉料如炭黑、碳纤维、多臂/单臂碳纳米管、氧化锡锑ATO、云母粉、钛白粉、氧化硅、硫酸钡、导电玻璃微球、碳化硅、稀土铁合金粒子以及它们的导电处理粉料等。

下面以高分子基材选择硅橡胶为例说明绝缘材料的制备：

原料重量份组成如下：硅橡胶生胶17-50份、巨介电常数陶瓷粉料15-83份、导电或半导电粉料0-25份、补强填料0-15份、配合剂1-3份。所述的配合剂由以下重量份的物质组成：结构控制剂0-1.5份、交联剂0-1份、硫化剂0.001-0.5份，三者之和不低于1份。

所述的硅橡胶生胶为分子量分布在50-80万的线型聚有机硅氧烷。

所述的硅橡胶生胶为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、含氟乙烯基硅橡胶或含腈乙烯基硅橡胶。

所述补强填料为气相/沉淀法白炭黑。

所述结构控制剂为二元醇、二有机基环硅醚、二有机硅二醇、烷氧基硅烷、低分子量羟基硅油、含Si-N键有机硅化合物或含Si-O-B键的有机硅化合物；所述的交联剂为甲基乙烯基链节（MeViSiO）摩尔含量为8-12%的多乙烯基硅氧烷或含氢质量分数为0.5-1.6%的甲基含氢低聚硅氧烷；硫化剂为过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯、2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷、2,4-二氯过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酸叔丁基或过氧化二叔丁基。

所述的混合为溶剂分散混合、本体混合、螺杆挤出混合或密炼机混合。

以上混合工艺都是常规技术，如溶剂分散混合是将高分子基材和功能粉料分散于溶剂中，得到均匀分散混合液，然后蒸发出溶剂而得到。如将聚偏二氟乙烯（PVDF）粉料100份分散于无水乙醇中，超声振动分散均匀，将0.05μm的钛酸钡（BT）粉料100分散于无水乙醇中，超声振动分散均匀，然后将两个溶液混合，超声振动分散均匀后，减压蒸出乙醇溶剂，得到PVDF/BT复合材料。

本体混合是将高分子基材与功能材料直接共混，机械搅拌下添加所需其他助剂制备得到。如将乙烯基液体硅橡胶（黏度25mPaS，乙烯基质量含量0.5%，氯铂酸催化剂，换算铂质量含量为5ppm）100份倒入搅拌釜中，加入110份钛酸锶钡（BST），机械搅拌中加入A151-2份，KH560-2份，加入20份白炭黑后强力搅拌均匀，然后加入10份乙烯基硅油和含氢硅油的混合物（含氢硅油5份），搅拌均匀后得到糊状的共混物。

螺杆挤出混合是将高分子基材与功能材料和助剂一起通过螺杆共混，挤出成型得到。如将低密度聚乙烯100份、钛酸铜钙100份、氧化锌3份、增塑剂2份、导电炭黑15份共同加入进料口，螺杆挤出得到。

密炼机混合是将高分子基材与功能材料和助剂在密炼机中完成共混。如将乙烯基硅橡胶（乙烯基质量含量0.1%，分子量61万）100份加入密炼机中密炼，分批加入白炭黑25份，混合均匀后加入锆钛酸铅（PZT）120份、A151-2份、乙烯基硅油2份、羟基硅油5份、KH-560-1份、含氢硅油1份、甲基硅油2份，在密炼机中混合均匀后，80℃减压蒸馏30分钟。

具体混合工艺可以根据高分子基材性质不同由本领域技术人员进行选择。

本发明最终的目的在于优化复合绝缘子电场分布，避免因场强分布过于集中、电位分布不均匀造成的闪络、电蚀、脆断、憎水性丧失、老化等运行故障。本发明绝缘子高低压端所用高介电常数绝缘材料以高分子材料为基体材料，通过控制添加陶瓷粉体和导电/半导电粉体等功能材料，得到不同介电常数的0-3型高分子复合材料。将此高介电常数绝缘材料用于复合绝缘子外绝缘材料，通过优化调整其在复合绝缘子上的分布，使其介电常数在复合绝缘子外绝缘上阶变分布，得到电位分布均匀、电场优化的复合绝缘子。具体的，将高介电常数材料压制伞裙、护套，分布在复合绝缘子高、低压端，从而优化复合绝缘子的电位分布和电场分布。

本发明采用计算机模拟计算，分析了复合绝缘子外绝缘材料介电常数分布对电场强度的影响，观察到，复合材料在外电场作用下，高介电常数外绝缘材料介电常数越高，从高介电常数材料到普通硅橡胶材料介电常数阶变过度越平缓，对场强集中位置的缓和作用越好，复合绝缘子电场优化的作用越明显。最终，通过采用本发明方案可以明显优化复合绝缘子电场分布情况。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

本发明提供的阶变介电常数复合绝缘子可以很好的优化复合绝缘子电场分布情况，避免因场强分布过于集中、电位分布不均匀造成的闪络、电蚀、脆断、憎水性丧失、老化等运行故障。

附图说明

图1为在3％串长上使用介电常数两段阶变材料的复合绝缘子高压端100mm上的场强分布，对应实施例表3中的方案1；

图2为在3％串长上使用介电常数三段阶变材料的复合绝缘子高压端100mm上的场强分布，对应实施例表3中的方案2；

图3为在3％串长上使用介电常数四段阶变材料的复合绝缘子高压端100mm上的场强分布，对应实施例表3中的方案3；

图4为在3％串长上使用介电常数四段阶变材料的复合绝缘子高压端100mm上的场强分布，对应实施例表3中的方案4；

图5-15分别为实施例11-21的场强分布图。

具体实施方式

   以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1-10为可用于高、低压端的高介电常数外绝缘材料的制备方法

实施例1 

乙烯基硅橡胶100份，白炭黑30份，乙烯基硅油1份，A151-1份，含氢硅油1份，羟基硅油4份，钛酸铜钙150份，密炼机密炼，制备高介电外绝缘材料，介电常数7.06。

实施例2

乙烯基硅橡胶100份，白炭黑30份，乙烯基硅油1份，A151-1份，含氢硅油1份，羟基硅油4份，钛酸铜钙150份，导电炭黑15份，密炼机密炼，制备高介电外绝缘材料，介电常数8.89。

实施例3

乙烯基硅橡胶100份，白炭黑30份，乙烯基硅油2份，A151-1份，含氢硅油1份，羟基硅油4份，钛酸铜钙150份，导电炭黑20份，密炼机密炼，制备高介电外绝缘材料，介电常数28.5。

实施例4

乙烯基硅橡胶100份，白炭黑30份，乙烯基硅油2份，A151-3份，含氢硅油1份，羟基硅油4份，钛酸铜钙150份，导电炭黑20份，氧化铋20份，密炼机密炼，制备高介电外绝缘材料，介电常数58.6。

实施例5

乙烯基硅橡胶100份，白炭黑30份，乙烯基硅油2份，A151-3份，含氢硅油1份，羟基硅油4份，钛酸铜钙150份，导电炭黑25份，密炼机密炼，制备高介电外绝缘材料，介电常数92.5。

实施例6

乙烯基硅橡胶100份，白炭黑30份，乙烯基硅油2份，A151-3份，含氢硅油1份，羟基硅油4份，钛酸铜钙150份，导电炭黑25份，导电ATO-25份，密炼机密炼，制备高介电外绝缘材料，介电常数99.9。

实施例7

乙烯基液体硅橡胶100份，白炭黑25份，乙烯基硅油1份，A151-1份，含氯铂酸乙烯基双封头2份，钛酸锶钡150份，含氢硅油1.5份，前期机械搅拌，后期开炼机混合，制备高介电外绝缘材料，介电常数4.22。

实施例8

乙烯基液体硅橡胶100份，白炭黑25份，乙烯基硅油1份，A151-1份，含氯铂酸乙烯基双封头2份，钛酸锶钡150份，导电碳纤维20份，含氢硅油1.5份，前期机械搅拌，后期开炼机混合，制备高介电外绝缘材料，介电常数7.36。

实施例9

乙烯基液体硅橡胶100份，白炭黑25份，乙烯基硅油1份，A151-1份，含氯铂酸乙烯基双封头2份，钛酸锶钡150份，导电碳纤维20份，导电钛白粉20份，含氢硅油1.5份，前期机械搅拌，后期开炼机混合，制备高介电外绝缘材料，介电常数11.9。

实施例10

乙烯基液体硅橡胶100份，白炭黑25份，乙烯基硅油1份，A151-1份，含氯铂酸乙烯基双封头2份，钛酸锶钡150份，导电碳纤维50份，导电钛白粉25份，含氢硅油1.5份，前期机械搅拌，后期开炼机混合，制备高介电外绝缘材料，介电常数47.7。

以下采用Ansys软件计算机模拟计算的方法对高介电常数外绝缘材料在高压端阶变分布进行模拟计算，并给出复合绝缘子电场优化效果。

以常规220kV交流复合绝缘子为例，表1是其设计参数。

表1

金具形式	绝缘高度	芯棒半径	护套厚度	伞形	伞数
						普通/ 220mm长	1900mm	17mm	2mm	一大两小	17/32

常规型复合绝缘子沿面电场分布不均造成沿串长各伞裙耐受电压差异极大，通过对220kV复合绝缘子仿真计算可知， 接近12%串长承受了80%的线路电压，即是说，剩余88%串长仅承受了20%的电压值，说明沿绝缘子串各伞裙利用率极低。表2为常规复合绝缘子承担不同电压的垂直绝缘距离。

表2

承担电压百分比(%)	20%	40%	60%	80%
					垂直绝缘距离(mm)	12.972	36.651	81.875	220.042
占串长百分比(%)	0.68%	1.93%	4.31%	11.58%

电场均匀绝缘子设计

改变复合绝缘子（设计参数见表1）高压端伞裙和护套材料的介电常数，计算机模拟计算其复合绝缘子的电场分布。表3为在3％串长（从高压端起计）上使用阶变介电常数材料方案以及对应的最大场强（其场强分布图分别见图1-4）。其中方案4已经将最大场强降到了25.59kV/cm，可见，高压端分段越多，均压效果越好，且肯定优于在3％串长上使用单一材料。

表3

以下实施例11-15中的复合绝缘子为220kV复合绝缘子，绝缘子结构高度2150（mm），最短干弧距离1945（mm），爬电距离6430（mm），伞形一大一小150/115(mm)。场强分布针对整支复合绝缘子进行电场计算而得。

实施例11

普通复合绝缘子，伞裙和护套介电常数为3.0，计算机模拟计算电场分布。电场云图中最大场强 Emax=33.69kV/cm。其场强分布图见图5。

实施例12

整支复合绝缘子外绝缘材料介电常数为34，计算机模拟计算电场分布。电场云图中最大场强Emax=28.59kV/cm。其场强分布图见图6。

实施例13

从高压端金具与护套交界处到第一小伞下伞裙以下介电常数为34，其余部分为3，计算机模拟计算电场分布。电场云图Emax=23.87kV/cm. 其场强分布图见图7。

实施例14

高压端金具与护套交界处到第一小伞以下介电常数为34，第一小伞为10，其余部分为3。计算机模拟计算电场分布，电场云图Emax=25.82kV/cm。其场强分布图见图8。

实施例15

从高压端金具与护套交界处到第一小伞下伞裙以下介电常数为34，低压端金具与护套交界处到第一大伞以上介电常数为34，其余部分介电常数为3。计算机模拟计算电场分布，电场云图Emax=23.84kV/cm。其场强分布图见图9。

以下实施例16-21以110kV电压等级12大12小伞裙布置方式的复合绝缘子为例，所述复合绝缘子结构高度1190（mm），最短干弧距离1040（mm），爬电距离3200（mm），伞形一大一小150/115（mm），改变复合绝缘子高压端伞裙和护套材料的介电常数。

实施例16

整支复合绝缘子外绝缘材料介电常数均为34，计算机模拟计算电场分布，电场云图中最大电场强度为 Emax=19.92kV/cm。其场强分布图见图10。

实施例17

高压端金具与护套交界处到第一大伞上伞裙与护套交界处介电常数为34，其余部分为3。计算机模拟计算电场分布，电场云图Emax=17.89kV/cm。其场强分布图见图11。

实施例18

高压端金具与护套交界处到第一小伞上伞裙与护套交界处介电常数为34，第一小伞以上到第一大伞上伞裙与护套交界处为8，其余部分为3。计算机模拟计算电场分布，电场云图Emax=17.41kV/cm。其场强分布图见图12。

实施例19

高压端金具到第一小伞上伞裙与护套交界处介电常数为34，第一小伞以上到第一大伞上伞裙与护套交界处为18，其余部分为3。计算机模拟计算电场分布，电场云图Emax=15.45kV/cm。其场强分布图见图13。

实施例20

高压端金具到第一小伞下伞裙与护套交界处向下约1cm处介电常数为34，第一小伞下伞裙与护套交界处向下约1cm处到第一小伞上伞裙与护套交界处为12，第一小伞上伞裙与护套交界处到第一大伞上伞裙与护套交界处为6，其余部分3。计算机模拟计算电场分布，电场云图Emax=15.50kV/cm。其场强分布图见图14。

实施例21

高压端金具到第一小伞上伞裙与护套交界处介电常数为34，第一小伞以上到第一大伞上伞裙与护套交界处为18，低压端金具到第一大伞下伞裙与护套交界处为34，其余部分3。计算机模拟计算电场分布，电场云图Emax=14.97kV/cm。其场强分布图见图15。

上述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明所作的改变均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种阶变介电常数复合绝缘子，其特征在于：所述复合绝缘子高压端和/或低压端所用外绝缘材料的介电常数为3-100，且在复合绝缘子上阶变分布，高压端随着电压从高到低，绝缘材料的介电常数逐渐减小，低压端随着电压从高到低，绝缘材料的介电常数逐渐增大；所述高压端用外绝缘材料使用长度从高压端起计不大于整串绝缘子长度的50%，所述低压端用外绝缘材料使用长度为从低压端起计不大于整串绝缘子长度的30%；所述外绝缘材料是以高分子材料为基材，以巨介电常数陶瓷粉体和导电/半导电粉体为功能材料，通过添加配合剂后混合获得，原料重量份组成如下：高分子基材17-50份、巨介电常数陶瓷粉料15-83份、导电或半导电粉料0-25份、补强填料0-15份、配合剂1-3份。

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