CN103221829A - 电器设备和用于确定电器设备中的断相的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定电器设备（1）中的断相的方法，该电器设备用于控制或监控三相的交流电动机（2），其中，电器设备（1）包括第一、第二和第三线路（6，7，8）。为了在三相电器设备（1）中、尤其是软启动设备（1）中识别线路（8）的断相，根据对第一和第二线路（6，7）的分析确定第三线路（8）中的断相，其中，该分析包括以下步骤：确定表征第一和第二线路（6，7）中的电流之间的相位移动的值；如果确定的值处于表征第三线路（8）中的断相的值范围中，则输出信号。

Description

电器设备和用于确定电器设备中的断相的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定电器设备中的断相的方法以及一种电器设备，利用该电器设备能确定电器设备中的断相。

背景技术

在工业自动化技术的领域内，为了控制或监控三相的交流电动机，使用了例如像软启动设备，过载继电器设备或电动机启动器的电器设备。

对用于交流电动机的电软启动设备来说，除了三相控制的软启动设备（三相交流调速器）外还使用了2相控制的软启动设备。在三相控制的软启动设备中大多存在用于控制和测量软启动设备的三个线路（相位）中的电流的变流器。在2相控制的软启动设备中，桥接了软启动设备的三个线路（相位）之一且原则上可以放弃变流器（在桥接的线路中），以便执行电动机的软启动。通过软启动设备的三个线路引导并控制与软启动设备连接的交流电动机的能量供给装置，从而例如可以产生交流电动机的定义的启动行为。

此外，软启动设备的变流器的电流测量信号也可以用于识别断相。然而在此当变流器的线路（相位）中不存在变流器时是有问题的。因此不能识别出不存在变流器的线路中的断相且电动机将基于两个相位继续运转，直至另一个保护机构使电动机断电。当断相时尤其在线路内部出现待传输电流的中断。

也可以根据模拟的电压测量执行断相识别。当线路中的电压低于确定的阈值时，电压的故障能相对容易地识别。然而为此需要相应的硬件和固件，以便能实现这种识别。

迄今为止，基于电流的断相识别利用三个变流器转换。如果线路的电流低于确定的阈值，则能由此出发，即在线路中不存在电压。

发明内容

本发明的目的在于，在三相的电器设备中，尤其在软启动设备中识别线路的断相。

在此尤其应该仅通过分析电器设备的两个线路（相位）而能确定电器设备的另一个线路（相位）的断相。

该目的通过根据权利要求1所述的方法实现，也就是说通过一种用于确定电器设备中的断相的方法实现，该电器设备用于控制或监控三相的交流电动机，其中，电器设备包括第一、第二和第三线路，其中，根据对第一和第二线路的分析确定第三线路中的断相，其中，该分析包括以下步骤：

-确定表征第一和第二线路中的电流之间的相位移动的值；

-如果确定的值处于表征第三线路中的断相的值范围中，则输出信号，

以及该目的通过根据权利要求12所述的设备实现，也就是说通过一种用于控制或监控三相的交流电动机的电器设备实现，其中，电器设备包括：第一、第二和第三线路，以及处理单元；和电流测量件，该电流测量件用于确定第一和第二线路中的电流，其中，利用该电流测量件能确定表征第一和第二线路中的电流之间的相位移动的值，以及如果确定的值处于表征第三线路中的断相的值范围中，则利用处理单元能输出信号。

在从属权利要求2至11中以及13至16中给出了本发明的有利的改进方案。

电器设备优选是软启动设备、过载继电器设备或电动机启动器。通过电器设备的第一、第二和第三线路（相位）进行对与电器设备相连接的交流电动机的供电。该方法尤其用在交流电动机的工作中并进而用在电器设备的工作状态中。

在例如仅在两个相位（第一和第二线路）中具有电流测量件的三相电器设备中，可以根据分析第一和第二线路中的两个电流以及尤其是它们的相对彼此的相位移动识别第三线路（相位）中的断相。

在正常情况（线路之一中没有断相）下，存在所有三个电源电压且电流在三个线路中分别相位移动120°。

当在具有现有的电流测量件的两个线路之一中出现断相时，能根据电流高度且根据两个电流的不对称性识别断相。此时如果在第三线路-其中不存在变流器-中（第三线路中发生断相）不存在电压，则不能识别不对称性。两个电流此时相位移动180°。因此，通过分析第一和第二线路中电流的相位移动能得出第三线路中断相的结论。通过这种方式可以仅通过分析电器设备的两个线路确定电器设备的另一个线路中的断相。

一旦根据对第一和第二线路之间的相位移动的分析识别出，不存在符合规定的相位移动，而是存在表征了第三线路中断相的相位移动，则输出信号，从而通知上级系统这种断相的情况。优选地，表征相位移动的值必须在确定的时间段内存在，该值表征第三线路中的断相且进而处于值范围内，从而短时的偏差-该偏差未在该时间段中持续-不导致输出指示断相的信号。

因此，为了监控相位，电器设备不必针对每个相位都具有用于监控断相的传感器且进而可以更价廉地制造以及设计得更紧凑。

在对第一和第二相位中的电流之间的相位移动的分析中，不必确定第一和第二线路中电流之间的实际相位移动。同样地，确定表征相位移动的值就足够了，可以把该值与值范围进行比较，从而可以得到关于第三线路中的断相的信息。因此，值范围描述了关于确定的值的范围，该范围表征了第三线路中的断相。表征第一和第二线路中电流之间的相位移动的值尤其反映了关于第一和第二相位的电流的现有的相位移动的直接的信息。该特征值优选直接反映了第一和第二线路中电流之间的相位移动。

在本发明的一个有利的实施方式中，值范围表征了在第一和第二线路之间的从150°至210°的相位移动。因此，如果在第一和第二相位之间的相位移动处于从150°至210°之间，尤其是180°，则确定的表征相位移动的值落入表征了第三线路中的相位移动的值范围中。因此，输出表征了第三线路中的断相的信号。

在本发明的另一个有利的实施方式中，仅根据对第一和第二线路的分析确定第三线路中的断相。因此，第三线路不必包括用于确定断相的传感器。因此可以节省成本。

在本发明的另一个有利的实施方式中，通过在第一和第二线路中电流的过零和/或峰值的时刻进行测量从而确定表征了第一和第二线路中电流之间的相位移动的值。例如，可以根据第一线路的电流相对于第二线路的电流的过零和/或峰值的时刻之间的时间差确定相位移动或特征值。同样可以根据观察在该时刻的电流得到关于相位移动的结论。

在本发明的另一个有利的实施方式中，在时间窗内多次确定表征了第一和第二线路中的电流之间的相位移动的值以及将确定的值与值范围进行比较。例如优选提前设定的时间窗是电流的周期持续时间。因此在第一和第二线路的电流的周期内多次确定表征相位移动的值。优选在预先设定的时间窗内至少5次确定该值和进而确定相位移动。优选地，将相应确定的值分别与值范围进行比较。

在本发明的另一个有利的实施方式中，当确定的，表征处于值范围中的相位移动的值满足另一个参数时，才输出信号。例如，该参数表征了相对于时间段（例如电流的周期持续时间）内的确定，相位移动的处于值范围中相互一致的确定的值的频率。如果存在足够的频率，则输出信号。该参数同样可以是关于相位移动的、处于值范围中的相互一致的确定的值的数量的阈值。如果存在相互一致的足够的数量，则输出该信号。关于参数的分析优选在定义的时间段内重复进行。参数同样可以定义一时间段，在该时间段内相位移动的特征值的重复确定的相互一致性应该处于值范围中。同样可设想，关于参数的分析由多个该标准以及其它标准的组合形成。

在本发明的另一个有利的实施方式中，该分析包括以下步骤：

a）同时确定第一和第二线路中的电流的流动方向；

b）确定相互区别的情况的数量，其中，在步骤a）中确定的、第一线路的流动方向与同时确定的、第二线路的流动方向区别开；

c）确定在步骤a）中进行的确定的数量；

d）一旦在时间窗内，相互区别的情况的数量与执行的确定的数量之比在0%至10%之间或90%至100%之间，则输出信号。

同时确定流动方向的概念同样可以理解为伴随着略微的时间偏差的确定。两个线路中流动方向的确定越同步，则最后在电器设备中的分析就进行得越精确。

为了确定流动方向，优选在第一和第二线路中分别使用电流传感器。在此如果用于确定流动方向的单个的电流传感器以相同方式安装（也就是说，相对于第一和第二相位的流动方向观察流动方向的相同的定向），则在断相时，偏差在90-100%之间。然而，如果两个电流传感器以相反方式安装（也就是说，相对于第一和第二相位的流动方向观察流动方向的相反的定向），则在断相时存在的偏差在0-10%之间。

如果存在180°的相位移动且进而在第三线路中存在断相，则除了过零之外，流动方向还具有相反的定向。借助于分析第一和第二线路内的电流的流动方向可以得到关于存在的相位移动和尤其是关于第三线路中存在的断相的结论。

在本发明的另一个有利的实施方式中，该分析包括以下步骤：

a）同时确定第一和第二线路中的电流的流动方向；

b）确定相互一致的情况的数量，其中，在步骤a）中确定的、第一线路的流动方向与同时确定的、第二线路的流动方向相互一致；

c）确定在步骤a）中进行的确定的数量；

d）一旦在时间窗内，相互一致的情况的数量与执行的确定的数量之比在11%至89%之间，则输出信号。

在本发明的另一个有利的实施方式中，电器设备包括处理单元和电流测量件，其中借助于该电流测量件进行步骤a）以及借助于处理单元进行步骤b），c）和d）。电流测量件优选针对每个相位/线路包括至少一个电流传感器，该电流传感器可以确定线路内的流动方向。电流测量优选同样也通过电流测量件进行。

在本发明的另一个有利的实施方式中，在时间窗内至少执行5次步骤a）。优选在电源频率为50Hz时至少每400毫秒执行步骤a）。

在本发明的另一个有利的实施方式中，优选地在时间窗结束之后，将在步骤b）中确定的数量以及确定的、在步骤a）中进行的确定的数量复位。

在本发明的另一个有利的实施方式中，处理单元包括第一和第二计数器，其中，利用第一计数器对在步骤b）中确定的数量进行计数以及利用第二计数器对在步骤c）中确定的数量进行计数。

在本发明的另一个有利的实施方式中，时间窗为第一或第二线路中的电流的至少一个周期持续时间。时间窗优选在工厂方面预先设定。因此，其持续了电流的至少一个周期持续时间。

在本发明的另一个有利的实施方式中，电器设备能仅在第一和第二线路中进行电流测量。优选地，在电器设备中在各个线路处，除了在第一和第二线路中的电流测量之外，不进行其它的电流测量和/或电压测量。

在本发明的另一个有利的实施方式中，利用电流测量件同时能确定第一和第二线路中的电流的流动方向以及利用处理单元：

-能确定相互区别的情况的数量，其中，通过电流测量件确定的、第一线路的流动方向与同时确定的、第二线路的流动方向区别开；

-能确定通过电流测量件进行的、同时对第一和第二线路中的电流的流动方向进行确定的数量；以及

-一旦在时间窗内，相互区别的情况的数量与执行的确定的数量之比在0%至10%之间或90%至100%之间，则能输出信号。

在本发明的另一个有利的实施方式中，利用电流测量件同时能确定第一和第二线路中的电流的流动方向以及利用处理单元：

-能确定相互一致的情况的数量，其中，通过电流测量件确定的、第一线路的流动方向与同时确定的、第二线路的流动方向相互一致；

-能确定通过电流测量件进行的、同时对第一和第二线路中的电流的流动方向进行确定的数量；以及

-一旦在时间窗内，相互一致的情况的数量与执行的确定的数量之比在11%至89%之间，则能输出信号。

确定的相互一致的情况或相互区别的情况的数量以及通过电流测量件进行的同时的对第一和第二线路中电流的流动方向进行确定的数量优选在时间窗之后能通过处理单元复位。

在本发明的另一个有利的实施方式中，处理单元包括至少一个计数器，利用该计数器能对确定的相互一致的情况或相互区别的情况的数量以及能对通过电流测量件进行的同时的确定的数量进行计数。

优选在工厂方面被预先设定的时间窗优选为第一或第二线路中的电流的至少一个周期持续时间。

在本发明的另一个有利的实施方式中，电器设备是软启动设备。

附图说明

下面根据附图中示出的实施例进一步描述和解释本发明以及本发明的设计方案。附图示出：

图1是连接在三相的交流电动机上的电器设备的示意性图示；

图2是当所有三个电压都存在时，第一和第二线路中电流的示意性图示；以及

图3是当第三线路中存在断相时，第一和第二线路中电流的示意性图示。

具体实施方式

图1示出电器设备1的示意性示图，该电器设备连接在三相的交流电动机2上。交流电动机2的三个相位通过电器设备1与供电网连接，从而能为交流电动机2供电。此处描述的电器设备1是软启动设备1。软启动设备1针对每个相位具有输入侧的连接点3以及输出侧的连接点4，这些连接点借助于软启动设备的内部线路6，7，8可彼此导电地连接。

通过输出侧连接的线路5把为交流电动机设置的能量从供电网供给到软启动设备1中。通过与输出侧的连接点4连接的外部线路5向三相的交流电动机2传递能量。因此，软启动设备1具有三个相位。软启动设备1的第一线路6在此反映了系统（软启动设备1和交流电动机2）的第一相位。第二线路7反映了系统的第二相位。第三线路8反映了系统的第三相位。

此外，软启动设备1包括电流测量件9以及处理单元10。通过电流测量件9进行第一和第二线路6，7中的电流的电流测量。在软启动设备1中，第三线路8不与电流传感器有效连接，因此第三线路8中的电流不能通过软启动设备1测量。因此，如果在第三线路8处存在断相，则第三线路8不包括能检测断相的电流传感器。此外，软启动设备1不包括能在第一、第二和第三线路6，7，8方面确定电压的电压传感器。电流测量件9包括第一和第二电流传感器，其中，第一电流传感器可以确定第一线路6中的电流且第二电流传感器可以确定第二线路7中的电流。通过电流测量件9和其电流传感器可以确定第一和第二线路6，7中电流的流动方向。通过电流测量件9和其电流传感器同样能确定在第一和第二线路6，7中的电流的流动方向。电流测量件9与处理单元10如此连接，即电流测量件9的确定的测量值可传输至处理单元10。处理单元10可以从电流测量件9的确定的测量值得到关于在第一和第二线路6，7之间的电流的存在的相位移动的结论。因此，电流测量件9提供了表征了第一和第二线路6，7中的电流之间的相位移动的值。处理单元10可以把该确定的值与值范围进行比较。该值范围表征了第三线路8中的断相。因此，如果确定的值处于该值范围内，则在第三线路8中存在断相。因为确定的值表征了在第一和第二线路6，7中的电流之间的相位移动，所以根据第一和第二线路6，7中的电流之间的相位移动进行对第三线路8中的断相的确定。

在正常情况下（也就是说，不存在断相且在所有三个相位6，7，8处存在电源电压），电流在三个相位6，7，8中分别相位移动120°。因此，在第一和第二线路6，7中的电流之间的相位移动为120°。因此，在正常工作中确定的、表征了在第一和第二线路6，7中的电流之间的相位移动的值反映了约120°的相位移动。将确定的值与值范围进行比较可能会得出，该值不处于值范围内且进而在第三线路8中不存在断相。

相反，如果在第三线路8中存在断相，则在第一和第二线路6，7中的电流之间的相位移动约为180°。因此对表征在第一和第二线路6，7中的电流之间的相位移动的值的确定导致了与在正常工作期间的确定的情况下相比不同的值。如果将该确定的值与该值范围进行比较，则处理单元10识别出，表征在第一和第二线路6，7之间的约180°的相位的，确定的值处于值范围内且因此在第三线路8中存在断相。值范围优选在150°和210°之间。

这种软启动设备1的优点特别在于，仅通过监控第一和第二线路6，7能得到关于第三线路8中的断相的结论。设备1可以设计为更紧凑的，且此外可以节省成本，这是因为不需要设置用于第三线路8的、关于第三线路8中的断相的测量件。

当在第一和第二线路6，7中存在断相时，可以根据电流的高度和两个电流的不对称性识别断相。可以通过电流测量件9确定该值。

用于确定第三线路8中的断相的以下方法已证明是特别有利的。借助于模拟数字扫描在通电的交流电动机2中重复地分析第一和第二线路6，7中的两个电流的流动方向。例如，每400ms扫描每个电流并分析扫描值的符号。为此，存在两个计数器，在（第一或第二相位的）电流周期开始时，该计数器设为零。其中一个计数器对时间段内所有扫描值的数量计数，以及当两个电流具有不同的符号（流动方向相反）时，第二计数器在扫描期间始终加一地计数。在电流周期（即50Hz时每20ms）的末尾，该计数器被转换为一种比例并被分析。这在处理单元10内进行。当第三线路8（第三相位）中的发生断相时，该比例在一个周期内在0至10%（覆盖）之间或在90至100%（无覆盖）之间。两个不同的百分比范围取决于第一线路6的电流传感器相对于第二线路7的电流传感器的安装，这是因为电流传感器的安装确定流动方向且进而确定了相应的线路6，7的电流的符号。通过借助于电流测量件9和处理单元10有针对性地分析第一和第二线路6，7中的电流的两个现有的电流曲线可以放弃用于第三线路8的第三电流传感器。此外，在所有三个线路6，7，8中不需要模拟的电压测量。即可在没有其它辅助工具的情况下仅由两个电流传感器（变流器）识别所有三个相位6，7，8中的断相。

图2示出，当所有三个电压在电器设备的三个相位处都存在时，在第一和第二线路中的电流的示意性图示。因此，在第一、第二和第三线路处不存在断相。通过描述的笛卡尔坐标系形象化了第一和第二线路的电流随着时间的时间走向。通过横坐标轴描述了电流（纵坐标轴）的时间走向。坐标系描述了第一线路的第一电流曲线11以及第二线路的第二电流曲线12。第一线路的电流相对于第二线路的电流相位移动了120°。这在三相系统中表示工作正常。在电流曲线11，12中示例性部分地描述了各个电流曲线11，12的峰值16以及过零15。时间窗13表征了第一电流曲线11的周期。时间窗14表征了第二电流曲线12的周期。第一和第二电流曲线11，12的过零15具有时间的偏差17。在第一电流曲线11和第二电流曲线12之间的相位移动反映了在交流电动机的正常能量供给时软启动设备的正常状态。也就是说，在软启动设备的相位中不存在断相。

图3示出当第三线路中存在断相时，第一和第二线路中的电流的示意性图示。与图2相比，此处第一电流曲线11相对于第二电流曲线12具有180°的相位移动。根据分析在第一线路和第二线路中的电流之间的相位移动以及进而根据比较第一电流曲线11和第二电流曲线12，可以得到关于第三线路（第三相位）的状态的结论。因为在第一电流曲线11和第二电流曲线12之间的相位移动不是120°而是180°，所以在第三线路中必然存在断相。因为软启动设备执行了对相位移动的分析或者对表征了相位移动的值与表征了断相的值范围的分析，所以仅根据对软启动设备的第一和第二线路的分析可以得到关于第三相位的正常工作的结论。当同时确定第一和第二电流曲线11，12的流动方向时以及比较两个流动方向时和当比较两个流动方向时，流动方向在180°的相位偏差的情况下，除了过零15之外始终相反地设计。因此，可以根据对第一电流曲线11的流动方向相对于第二电流曲线12的流动方向的分析得到关于第三相位的状态的结论。例如，通过按百分比方式地分析流动方向相对于确定的相互区别的情况可以检测第三线路的断相。

Claims (16)

1.一种用于确定电器设备（1）中的断相的方法，所述电器设备用于控制或监控三相的交流电动机（2），其中，所述电器设备（1）包括第一、第二和第三线路（6，7，8），其中，根据对所述第一和第二线路（6，7）的分析确定所述第三线路（8）中的所述断相，其中，所述分析包括以下步骤：

-确定表征所述第一和第二线路（6，7）中的电流之间的相位移动的值；

-如果确定的值处于表征所述第三线路（8）中的所述断相的值范围中，则输出信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述值范围表征了在所述第一和第二线路（7，8）之间的从150°至210°的相位移动。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，仅根据对所述第一和第二线路（6，7）的分析确定所述第三线路（8）中的所述断相。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在时间窗内多次确定表征了在所述第一和第二线路（6，7）中的电流之间的相位移动的值以及将所述确定的值与所述值范围进行比较。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，当确定的、表征处于所述值范围中的相位移动的所述值满足另一个参数时，才输出所述信号。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述分析包括以下步骤：

a）同时确定所述第一和第二线路（6，7）中的电流的流动方向；

b）确定相互区别的情况的数量，其中，在所述步骤a）中确定的、所述第一线路（6）的流动方向与同时确定的、所述第二线路（7）的流动方向区别开；

c）确定在所述步骤a）中进行的确定的数量；

d）一旦在时间窗内，所述相互区别的情况的数量与执行的确定的数量之比在0%至10%之间或90%至100%之间，则输出信号。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述分析包括以下步骤：

a）同时确定所述第一和第二线路（6，7）中的电流的所述流动方向；

b）确定相互一致的情况的数量，其中，在所述步骤a）中确定的、所述第一线路（6）的所述流动方向与同时确定的、所述第二线路（7）的所述流动方向相互一致；

c）确定在所述步骤a）中进行的确定的数量；

d）一旦在时间窗内，所述相互一致的情况的数量与执行的确定的数量之比在11%至89%之间，则输出信号。

8.根据权利要求6至7中任一项所述的方法，其中，所述电器设备（1）包括处理单元（10）和电流测量件（9），其中，借助于所述电流测量件（9）进行所述步骤a）以及借助于所述处理单元（10）进行所述步骤b），c）和d）。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，优选地在所述时间窗结束之后，将在所述步骤b）中确定的数量以及确定的、在所述步骤a）中进行的确定的数量复位。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，所述处理单元（10）包括第一和第二计数器，其中，利用所述第一计数器对在所述步骤b）中确定的数量进行计数以及利用所述第二计数器对在所述步骤c）中确定的数量进行计数。

11.根据权利要求4至11中任一项所述的方法，其中，所述时间窗为所述第一或第二线路（6，7）中的电流的至少一个周期持续时间。

12.一种用于控制或监控三相的交流电动机（2）的电器设备（1），其中，所述电器设备（1）包括：第一、第二和第三线路（6，7，8）；以及处理单元（10）；和电流测量件（9），所述电流测量件用于确定所述第一和第二线路（6，7）中的电流，其中，利用所述电流测量件（9）能确定表征所述第一和第二线路（6，7）中的电流之间的相位移动的值，以及如果所述确定的值处于表征所述第三线路（8）中的断相的值范围中，则利用所述处理单元（10）能输出信号。

13.根据权利要求12所述的电器设备（1），其中，所述电器设备（1）能仅在所述第一和第二线路（6，7）中进行电流测量。

14.根据权利要求12至13中任一项所述的电器设备（1），其中，利用所述电流测量件（9）同时能确定所述第一和第二线路（6，7）中的电流的流动方向以及利用所述处理单元（10）：

-能确定相互区别的情况的数量，其中，通过所述电流测量件（9）确定的、所述第一线路（6）的流动方向与同时确定的、所述第二线路（7）的流动方向区别开；

-能确定通过所述电流测量件（9）进行的、同时对所述第一和第二线路（6，7）中的电流的所述流动方向进行确定的数量；以及

-一旦在时间窗内，所述相互区别的情况的数量与执行的确定的数量之比在0%至10%之间或90%至100%之间，则能输出信号。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的电器设备（1），其中，利用所述电流测量件（9）同时能确定所述第一和第二线路（6，7）中的电流的所述流动方向以及利用所述处理单元（10）：

-能确定相互一致的情况的数量，其中，通过所述电流测量件确定的、所述第一线路（6）的所述流动方向与同时确定的、所述第二线路（7）的所述流动方向相互一致；

-能确定通过所述电流测量件（9）进行的、同时对所述第一和第二线路（6，7）中的电流的所述流动方向进行确定的数量；以及

-一旦在时间窗内，所述相互一致的情况的数量与执行的确定的数量之比在11%至89%之间，则能输出信号。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的电器设备（1），其中，所述电器设备（1）是软启动设备（1）。

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