CN103336259A - 气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测系统及方法，该方法包括检测校验GIS局部放电超声传感器；检测校验GIS局部放电UHF传感器；检测校验GIS局部放电超声、UHF传感器定位系统；该系统包括系统GIS罐体、高压套管、均压环、盆式绝缘子、内置摄像头、典型GIS缺陷模型、标准UHF传感器、待测UHF传感器、超声信号注入口、UHF信号注入口、超声传感器、超声局放定位系统和UHF局放定位系统。本发明解决了各个厂家之间的超声传感器和特高频（UHF）传感器性能差异比较和各个厂家之间的GIS局放检测系统性能比较的问题。

Description

气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种智能电器领域的系统和方法，具体讲涉及一种气体绝缘组合电器（GIS）局部放电检测传感器的检测校验系统及方法。

背景技术

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS)因具有占地面积小、维护工作量少、绝缘性能优良、可靠性高等优点而被广泛应用于高压输电领域。随着电网电压等级和系统容量的不断增加，GIS设备的内部故障也随之增多，当GIS发生故障时，维修复杂，修复时间长，影响面积大，后果严重，因此寻找有效评估GIS内部状态的方法尤为重要。目前国际上主要通过局部放电的检测得以实现。局部放电（局放）信号包含了丰富的绝缘状态信息，不仅能检测到GIS制造与安装过程中引入的缺陷，而且在线监测中能有效检测出绝缘故障的发生及严重程度，局部放电测量是绝缘状态监测的重要手段。局部放电不仅是GIS设备绝缘劣化的先兆和表现形式，而且能够引起绝缘的进一步劣化，致使GIS的电气绝缘性能降低，最终导致绝缘击穿或沿面闪络。GIS局部放电严重程度的辨识与评估一直是一个悬而未解的难题，是GIS内部状态评估急待解决的问题。

脉冲电流法是检测局部放电最常用的方法，也是目前唯一具有国际标准(IEC 60270)的定量检测方法，该方法通过测量局部放电所产生的脉冲电流在检测阻抗两端响应的脉冲电压进行检测，其特点是可以在很宽的频率范围内保持良好的传输特性，并具有灵敏度高、放电量可以标定等诸多优点。然而其缺点是测量频率较低、易受电磁干扰、无法有效适用于现场监测。目前GIS的局放检测方法主要有超声波局放检测方法和超高频（UHF）局放检测方法。

基于超声波法的局部放电检测是一种对电力设备很重要的、非破坏性的检测手段。电力设备内部发生局放时表现为一个小范围的气体击穿，气体分子的相互撞击会产生超声波脉冲，不同的电气设备、环境条件和绝缘状况产生的声波频谱都不相同。GIS中沿SF。气体传播的只有纵波，而在GIS外腔体中，既可以传播横波又可以传播纵波。GIS中局部放电激发的超声波可以看作是以点源的方式向四周传播，由于超声波的波长较短，因而其方向性较强、能量较为集中，可以通过外壁的超声传感器收集放电时产生的超声信号并对其进行分析。

基于超高频（UHF）法的局部放电检测是利用装设在GIS内部或外部的超高频天线（传感器）接收局部放电激发并传播的300～3000MHz频段的UHF信号进行检测和分析。该方法具有检测频段高，具有良好的抗干扰能力、检测频带宽、检测灵敏度高、可用于故障源定位和故障类型识别等优点。

目前，国内尚无测量GIS局部放电用超声传感器和特高频（UHF）传感器校准标准，导致各个厂家之间的超声传感器和特高频（UHF）传感器性能差异无法比较、各个厂家之间的GIS局放检测系统性能无法比较的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种气体绝缘组合电器（GIS）局部放电检测传感器的检测校验系统及方法；通过本发明的检测校验系统及其方法可实现对各个制造厂家生产的用于GIS局部放电超声传感器和超高频（UHF）传感器及由其构成的检测定位系统的性能评估。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验方法，其改进之处在于：所述方法包括检测校验GIS局部放电超声传感器；检测校验GIS局部放电UHF传感器；检测校验GIS局部放电超声、UHF传感器定位系统。

进一步的，所述检测校验GIS局部放电超声传感器包括以下步骤：

I、发出超声信号；

II、将待测超声传感器和标准超声传感器对称分布于GIS罐体表面，传感器的测量端子与示波器相连；

III、测量并比对待测超声传感器和标准超声传感器信号结果；

IV、获得待测超声传感器灵敏度性能。

进一步的，所述步骤I中发出波形特性已知的超声信号或GIS局部放电模型产生的局放激发超声信号；

所述波形特性已知的超声信号由超声信号注入口注入；

所述GIS局部放电模型产生局放激发超声信号由外部向高压套管加压产生。

进一步的，所述步骤IV中的待测超声传感器灵敏度性能包括波形特性已知情况下和GIS局部放电情况下的待测超声传感器灵敏度性能。

进一步的，所述检测校验GIS局部放电UHF传感器包括：

I、GIS罐体内部放置GIS局部放电模型模拟GIS局部放电故障，通过均压环对GIS局部放电模型加压放电，产生局部放电故障；

II、当局部放电故障发生时，通过示波器记录两传感器接收到的频谱图，并保存频谱图至计算机，并通过局部放电检测仪获得视在放电量；

III、采用纳秒脉冲发生器向UHF信号注入口注入人造局部放电脉冲，示波器记录UHF传感器接收的频谱图，并保存频谱图至计算机；

IV、与步骤II中UHF传感器记录的频谱图进行比对，调整纳秒脉冲发生器的幅值和上升时间，使频谱图比对误差为±20%以内，将调整后的纳秒脉冲发生器作为重复放电脉冲源；

V、采用调整后的纳秒脉冲发生器重复产生所述视在放电量，将所述重复放电脉冲注入GIS罐体内部，对待检UHF传感器与标准UHF传感器检测结果进行比对；

VI、获得频谱图，对比分析UHF传感器具有的灵敏度性能。

进一步的，所述检测校验GIS局部放电超声定位系统、UHF传感器定位系统包括以下步骤：

I、选定参考坐标原点，测量并记录放电点的坐标；

II、模拟单点放电、多点放电的GIS的放电情况，选择不同的放电模型，用待测GIS局放超声、UHF定位系统进行测量；

III、将定位结果与记录的放电点坐标进行比对，作误差对比分析。

一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验系统，所述系统包括水平放置的GIS罐体，其改进之处在于：高压套管与所述GIS罐体垂直且下端连通，所述高压套管上端设有均压环，所述高压套管两侧的GIS罐体对称设有盆式绝缘子；所述高压套管对称处的GIS罐体设有支撑座；

所述GIS罐体表面设有压力表和充放气嘴，所述GIS罐体内置耦合电容器，所述耦合电容器与GIS罐体外表面安装的接线柱连接；

所述GIS罐体外部垂直连接两对对称放置的GIS局部放电模型，所述GIS局部放电模型上部设有观察GIS罐体内部情况的红外高清摄像头；

所述摄像头一侧的GIS罐体表面设有标准UHF传感器孔和待测UHF传感器孔，所述标准UHF传感器孔和待测UHF传感器孔在同一轴线上，所述GIS罐体一端设有超声信号注入口和UHF信号注入口。

进一步的，所述接线柱与局部放电检测装置连接；

所述GIS局部放电模型为推杆式GIS局部放电模型，在更换模型时将相应模型的推杆进行操作且所述操作不改变GIS罐体的气密性。

进一步的，超声传感器贴于所述GIS罐体表面；所述超声局放定位系统连接所述超声传感器；UHF局放定位系统连接所述待测UHF传感器、所述标准UHF传感器和所述UHF信号注入口。

进一步的，所述传感器的测量端子与示波器连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过检测校验系统，可实现对各个制造厂家生产的用于GIS局部放电超声传感器和超高频（UHF）传感器及由其构成的检测定位系统的性能评估。

（2）本发明采用推杆式GIS局部放电模型，在更换模型时不必对罐体反复进行充放气操作，只需要将相应模型的推杆进行操作且该操作不改变GIS罐体的气密性，不影响测试数据的准确性。

（3）本发明中通过对比待测与标准传感器，通过同一示波器或定位系统显示，结果更直观准确，效果更好。

（4）本发明可通过放电模型的不同，施加电压产生局部放电，测量不同放电类型的超声信号频谱图，经过图形辨识后建立专家库，为后续GIS局部放电故障类型诊断提供辨识比对源，用于识别不同绝缘缺陷类型。

（5）本发明通过放电模型的不同，施加电压产生局部放电，测量不同放电类型的UHF频谱图，经过图形辨识后建立数据库，为后续GIS局部放电故障类型诊断提供辨识比对源，用于识别不同绝缘缺陷类型。

（6）本发明提供的一种GIS局部放电UHF传感器的检测校验方法及系统，针对目前国内尚无GIS局放UHF传感器的性能检测、评价的相关标准的现状，对今后行业标准的制订具有参考价值。

（7）本发明提供的一种GIS局部放电UHF传感器的检测校验方法及系统，适用于其他采用UHF传感器检测局放的场合，如变压器局放UHF检测等。

附图说明

图1为GIS局部放电超声、UHF传感器检测校验系统正视图；

图2为GIS局部放电超声、UHF传感器检测校验系统侧视图；

图3为GIS局部放电超声、UHF传感器定位系统检测校验系统图；

其中，1-GIS局部放电模型；2-高压套管；3-均压环；4-盆式绝缘子；5-内置摄像头；6-GIS局部放电模型；7-标准UHF传感器；8-待测UHF传感器；9-超声信号注入口；10-UHF信号注入口；11-超声传感器；12-超声局放定位系统；13-UHF局放定位系统；14-推杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，图1为GIS局部放电超声、UHF传感器检测校验系统正视图；图中，GIS局部放电超声、UHF传感器检测校验系统包括GIS罐体、高压套管、均压环、盆式绝缘子、内置摄像头、GIS局部放电模型、标准UHF传感器、待测UHF传感器、超声信号注入口和UHF信号注入口。

GIS罐体与高压套管垂直并下端连通，高压套管上端设有均压环，GIS罐体于高压套管两侧和标准UHF传感器、待测UHF传感器两侧对称设有盆式绝缘子，用于罐体的连接；高压套管对称处的GIS罐体表面设有支撑座；盆式绝缘子之间的GIS罐体表面设有压力表和充放气嘴，两侧分别内置耦合电容器和GIS局部放电模型，耦合电容器与GIS罐体外表面安装的接线柱连接；GIS局部放电模型为两对对称垂直连接GIS罐体外部的放电模型；GIS局部放电模型上部设有观察GIS罐体内部情况的红外高清摄像头，摄像头一边设有标准UHF传感器和待测UHF传感器安装端，测量时，标准UHF传感器和待测UHF传感器分别安装于标准UHF传感器孔和待测UHF传感器孔，所述标准UHF传感器孔和待测UHF传感器孔在GIS罐体同一轴线上；即测量时，所述标准UHF传感器和待测UHF传感器在罐体的统一轴线上；GIS罐体一端设有超声信号注入口和UHF信号注入口。其中，接线柱与局放检测装置连接。

如图2所示，图2为GIS局部放电超声、UHF传感器检测校验系统侧视图；GIS局部放电模型为推杆式GIS局部放电模型，GIS罐体在充入SF6气体前，将推杆式GIS局部放电模型置于罐体中，由于GIS罐体内布置有多个GIS局放模型，一次试验只是对这些模型中的一种或是几种进行试验，当对选定的GIS局部放电模型进行试验时，只需将对应的推杆向前推进，推杆运动不影响GIS罐体整体气密性。通过内置摄像头观察模型是否放置到位。GIS罐体外表面安装有接线柱，其与GIS罐体内置耦合电容器相连，可与局放检测设备连接检测局放信号；GIS罐体表面装有压力表用于监测SF6气体压力，充放气嘴用于向GIS罐体内部充入或抽出SF6气体。

GIS局放超声传感器检测校验系统中，待测超声传感器与标准超声传感器对称布置与GIS罐体的表面。GIS局部放电模型发生局部放电时会产生超声波信号，通过待测超声传感器测量信号与标准超声传感器测量信号的比对，评估待测传感器的性能。另外，可在超声信号注入口9，向GIS罐体内部注入一特性已知的超声波信号，通过待测超声传感器测量信号与标准超声传感器测量信号的比对，评估待测传感器的性能。

GIS局放UHF传感器检测校验系统中，待测UHF传感器与标准UHF传感器安装在GIS罐体的指定位置。GIS局部放电模型发生局部放电时会产生UHF信号，通过待测UHF感器测量信号与标准UHF传感器测量信号的比对，可评估待测传感器的性能。另外，可在UHF信号注入口10，向GIS罐体内部注入一特性已知的UHF信号，通过待测UHF传感器测量信号与标准UHF传感器测量信号的比对，可评估待测传感器的性能。

如图3所示，图3为GIS局部放电超声、UHF传感器定位系统检测校验系统图；该系统还包括超声局放定位系统12和UHF局放定位系统13；测试时，超声传感器11贴于所述GIS罐体表面；超声局放定位系统12连接超声传感器；UHF局放定位系统13连接待测UHF传感器、标准UHF传感器和UHF信号注入口。超声传感器和UHF传感器的测量端子与示波器连接。该检测校验系统，在安装典型GIS放电模型时将其相对罐体的参考坐标测量并记录下来。不同放电模型可用于模拟不同坐标点的放电，超声传感器11的数量和位置可由厂家选定，传感器通过馈线连接到定位系统，开展对超声定位系统定位与实际放电位置进行误差试验，检测校验定位系统的灵敏度（多大局放量可开展定位检测）和定位准确度。UHF定位系统检测校验前，需将UHF传感器安装与待检UHF传感器8孔位，UHF信号注入口10安装有一个UHF传感器发射UHF信号，当试验条件需要（如开展UHF定位研究）时该孔位也能安装其他（如定位）用UHF传感器。

GIS局部放电超声、UHF传感器检测校验系统对应GIS局部放电超声检测校验方法和UHF传感器检测校验方法；其中，

GIS局部放电超声检测校验方法包括两种方法；

方法一包括以下步骤：超声信号注入口9注入波形特性已知的超声信号，将待测超声传感器和标准超声传感器对称分布于GIS罐体1表面，两者的测量端子与示波器相连，通过两者测量结果比对分析，以检测校验待测超声传感器在超声源特性已知的情况下的性能情况。

方法二包括以下步骤：外部通过高压套管2加压，GIS局部放电模型16发生局放激发超声信号，将待测超声传感器和标准超声传感器对称分布于GIS罐体1表面，两者的测量端子与示波器相连，通过两者测量结果比对分析，以检测校验待测超声传感器在类似实际GIS局放的情况下的性能情况。

标准传感器的灵敏度是已知的，通过同一超声源（局放激发）的激励，对比待检超声传感器与标准传感器的检测结果，既可获得灵敏度。

本系统可通过放电模型的不同，施加电压产生局部放电，测量不同放电类型的超声信号频谱图，经过图形辨识后建立专家库，为后续GIS局部放电故障类型诊断提供辨识比对源，用于识别不同绝缘缺陷类型。

GIS局部放电UHF传感器检测校验方法；

UHF传感器灵敏度是GIS局部放电在线监测系统的重要参数，利用GIS局部放电UHF传感器检测校验系统，可实现UHF传感器灵敏度检测，包括以下：

步骤一：在GIS罐体内部采用放电模型用于模拟GIS局部放电故障，通过均压环对GIS局部放电模型加压放电，产生局部放电故障。

由于不同故障类型、不同类型传感器、不同位置，对UHF测量的频谱图均造成影响；因此，在开展UHF传感器检测校验工作的同时，需要尽量明确上述三种变量（即故障类型、传感器类型、传感器位置），通常取同一种放电故障类型，同一种类型传感器进行比对，系统设计时，UHF传感器位置固定。

GIS故障模拟平台能够实现UHF传感器在相近位置进行比对试验，将选择的GIS局部放电模型通过其推杆14固定到位，其他模型的拉杆相应拉出。所述其他模型指内置于GIS罐体内部，但不参与本次局放试验的模型，如，当对左侧模型进行试验时，推左侧的拉杆，而不推进右侧及对称测的两个的推杆。

步骤二：当局部放电故障发生时，同时通过示波器记录两传感器接收到的频谱图，将此频谱图存入计算机；通过局部放电检测仪获得实在放电量；两个UHF传感器的布置方式分别安装于待测UHF传感器孔和标准UHF传感器孔。

步骤三：采用纳秒脉冲发生器，通过UHF信号注入口10注入人造局部放电脉冲，通过示波器记录UHF传感器接收到频谱图，并将频谱图存入到计算机；通过局部放电检测仪获得视在放电量。

步骤四：与第一步中UHF传感器记录的频谱图进行比对，并通过调整改变纳秒脉冲发生器的幅值和上升时间，使频谱图比对误差为±20%以内，此时调整好的纳秒脉冲发生器作为重复放电脉冲源，重复放电脉冲源的频率可为50HZ；

步骤五：通过上述测试建立的纳秒脉冲发生器与局部放电量（pC）间的关系，采用已调整好的纳秒脉冲发生器可重复产生此前确认的视在放电量，对于待检测的同类型UHF传感器或已经安装在现场GIS上的传感器，将重复放电脉冲注入GIS罐体内部，对待检UHF传感器与标准UHF传感器检测结果进行比对，如能检测到频谱图，说明此传感器具有规定的灵敏度检测能力。

此处规定一视在放电量，通过在检测室内对放电模型的调整，使局放视在放电量达到更低，检测更高灵敏度的UHF传感器。当待检传感器满足GIS局部放电故障模拟装置的UHF传感器工装设计时，可实现多种不同类型传感器的检测校验。

步骤六：获得频谱图，对比分析UHF传感器具有的灵敏度性能。

灵敏度检测方法在检测室可检测UHF传感器的最小灵敏度值，同时通过检测室内调制获得的重复人造纳秒脉冲源可用于现场安装好的UHF传感器校准和测试回路的调试。现场GIS局放UHF在线监测有两种以上传感器时，可通过在检测室内GIS故障模拟平台工装实现对现场UHF传感器安装方式及位置的模拟，调制好用于现场同类型UHF传感器校准的可重复纳秒脉冲源。

本系统通过放电模型的不同，施加电压产生局部放电，测量不同放电类型的UHF频谱图，经过图形辨识后建立专家库，为后续GIS局部放电故障类型诊断提供辨识比对源，用于识别不同绝缘缺陷类型。

GIS局部放电超声、UHF传感器定位系统检测校验系统所对应的检测校验方法包括：试验前选定参考坐标原点，测量并记录放电点的坐标；模拟单点放电、多点放电的实际中GIS的放电情况，选择研制的不同的GIS局部放电模型；用待测GIS局放超声、UHF定位系统进行测量，将定位结果与记录的放电点坐标进行比对，作误差对比分析。

实际中GIS的局部放电点是任意的，不同厂商生产的产品进行定位时定位误差不易比较，从而不能比较各厂商产品性能的优劣性。GIS局部放电超声定位检测检验系统，模拟GIS实际局放情况，但放电点的位置为已知的，故能为不同厂商生产的产品提供一个性能比对的平台。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验方法，其特征在于：所述方法包括检测校验GIS局部放电超声传感器；检测校验GIS局部放电UHF传感器；检测校验GIS局部放电超声、UHF传感器定位系统。

2.如权利要求1所述的一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验方法，其特征在于：所述检测校验GIS局部放电超声传感器包括以下步骤：

I、发出超声信号；

II、将待测超声传感器和标准超声传感器对称分布于GIS罐体表面，传感器的测量端子与示波器相连；

III、测量并比对待测超声传感器和标准超声传感器信号结果；

IV、获得待测超声传感器灵敏度性能。

3.如权利要求2所述的一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验方法，其特征在于：所述步骤I中发出波形特性已知的超声信号或GIS局部放电模型产生的局放激发超声信号；

所述波形特性已知的超声信号由超声信号注入口注入；

所述GIS局部放电模型产生局放激发超声信号由外部向高压套管加压产生。

4.如权利要求2所述的一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验方法，其特征在于：所述步骤IV中的待测超声传感器灵敏度性能包括波形特性已知情况下和GIS局部放电情况下的待测超声传感器灵敏度性能。

5.如权利要求1所述的一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验方法，其特征在于：所述检测校验GIS局部放电UHF传感器包括：

I、GIS罐体内部放置GIS局部放电模型模拟GIS局部放电故障，通过均压环对GIS局部放电模型加压放电，产生局部放电故障；

II、当局部放电故障发生时，通过示波器记录两传感器接收到的频谱图，并保存频谱图至计算机，并通过局部放电检测仪获得视在放电量；

III、采用纳秒脉冲发生器向UHF信号注入口注入人造局部放电脉冲，示波器记录UHF传感器接收的频谱图，并保存频谱图至计算机；

IV、与步骤II中UHF传感器记录的频谱图进行比对，调整纳秒脉冲发生器的幅值和上升时间，使频谱图比对误差为±20%以内，将调整后的纳秒脉冲发生器作为重复放电脉冲源；

V、采用调整后的纳秒脉冲发生器重复产生所述视在放电量，将所述重复放电脉冲注入GIS罐体内部，对待检UHF传感器与标准UHF传感器检测结果进行比对；

VI、获得频谱图，对比分析UHF传感器具有的灵敏度性能。

6.如权利要求1所述的一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验方法，其特征在于：所述检测校验GIS局部放电超声定位系统、UHF传感器定位系统包括以下步骤：

I、选定参考坐标原点，测量并记录放电点的坐标；

II、模拟单点放电、多点放电的GIS的放电情况，选择不同的放电模型，用待测GIS局放超声、UHF定位系统进行测量；

III、将定位结果与记录的放电点坐标进行比对，作误差对比分析。

7.一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验系统，所述系统包括水平放置的GIS罐体，其特征在于：高压套管与所述GIS罐体垂直且下端连通，所述高压套管上端设有均压环，所述高压套管两侧的GIS罐体对称设有盆式绝缘子；所述高压套管对称处的GIS罐体设有支撑座；

所述GIS罐体表面设有压力表和充放气嘴，所述GIS罐体内置耦合电容器，所述耦合电容器与GIS罐体外表面安装的接线柱连接；

所述GIS罐体外部垂直连接两对对称放置的GIS局部放电模型，所述GIS局部放电模型上部设有观察GIS罐体内部情况的红外高清摄像头；

所述摄像头一侧的GIS罐体表面设有标准UHF传感器孔和待测UHF传感器孔，所述标准UHF传感器孔和待测UHF传感器孔在同一轴线上，所述GIS罐体一端设有超声信号注入口和UHF信号注入口。

8.如权利要求7所述的一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验系统，其特征在于：所述接线柱与局部放电检测装置连接；

所述GIS局部放电模型为推杆式GIS局部放电模型，在更换模型时将相应模型的推杆进行操作且所述操作不改变GIS罐体的气密性。

9.如权利要求7所述的一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验系统，其特征在于：超声传感器贴于所述GIS罐体表面；所述超声局放定位系统连接所述超声传感器；UHF局放定位系统连接所述待测UHF传感器、所述标准UHF传感器和所述UHF信号注入口。

10.如权利要求9所述的一种气体绝缘组合电器局部放电检测传感器的检测校验系统，其特征在于：所述传感器的测量端子与示波器连接。

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