CN103415971B - 用于高压直流输电组件的布线装置的分离点 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高压直流输电组件,例如高压直流输电变压器的布线装置的分离点。导线(22)在套管(21a,21b,21i)的内部导引,所述套管优选是金属的。按本发明,这些套管与涂层(25)一起由已处理的纤维素材料或塑料制成,其中,按本发明该料层的电阻率与变压器油的电阻率匹配,所述电压器油提供在套管与其他绝缘的固体屏蔽件(23a,23b,23c)之间的间隙(24)内。通过绝缘材料与变压器油的电阻率匹配,可以有利地改善所使用屏蔽件的击穿强度,因此,形成的用于分离点的间隙扩大。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于高压直流输电组件、尤其是高压直流输电变压器或高压直流输电扼流阀的布线装置的分离点。所述布线装置在在分离点上通过至少一个外部套管和与所述外部套管搭接的内部套管形成。在这些套管内可以导引电导线。套管通常为实现电屏蔽而由导电的、尤其是金属材料、例如铜制成并且可以作为电极连接到地电位上。此外,套管通过多个内外嵌套的固体屏蔽件错接,其中,在套管与相邻固体屏蔽件之间并且在所述固体屏蔽件相互之间留出环形缝隙以便用变压器油填充。因此,形成一种多壳式结构,其中,该结构以变压器油浸渍。由此可以用变压器油填充环形缝隙,并且固体屏蔽件在由吸附性材料,尤其是纤维素材料构成时可以用变压器油浸透。
背景技术
开头所述类型的分离点例如从DE102006008922A1中已知。分离点由两个套管组成,其中,位于分离点区域外部的套管理解为外部套管。第二套管的直径在分离点区域内减小为,使得它可以插入外部套管中并因此在分离点区域内形成内部套管。此外,在出现公差时,通过内部套管在外部套管中移动一段距离,分离点能够实现轴向补偿。同样地适用于包围分离点的、由压榨纸板构成的固体屏蔽件。为使更容易移动和安装,分离点的各个元件设有滑动面和在端侧上加厚的端部,这意味着一定的制造耗费。
高压直流输电组件一般理解为用于传输高压直流电并且包含导引电流的元件的组件。尤其在此需要变压器或扼流阀作为高压直流输电组件。当然,也需要不同的高压直流输电组件来电连接。其他的高压直流输电组件是在这些布线装置或绝缘套管中通过壳体部件的分离点,在壳体部件中装有另外的高压直流输电组件。除了待导引的高压直流电外,交流电也例如出现在变压器线圈和扼流线圈中。按本发明的高压直流输电组件应当适合用于传输至少100kV的高压直流电,优选适合用于传输大于500kV的高压直流电。
由US4,521,450已知,将可浸渍的、由纤维素纤维构成的实心材料浸入水性的氧化剂,例如由三氯化铁(III)溶液,硫酸铈(IV),铁(III)氰化钾或磷钼酸组成的弱酸性溶液中。
然后,湿润的纤维素材料与液态或蒸汽态的吡咯化合物在室温下一直处理,直到吡咯与氧化剂的浓度有关地聚合为止。将这样浸渍过的纤维素材料在室温下干燥24小时。氧化剂一方面保证吡咯化合物的聚合,此外还保证增大导电性。因此,这种浸渍过的纤维素材料的电阻率ρ会受到吡咯的浓度和氧化剂的种类受影响。
此外,如果涉及形成电场的情况下、例如在电导体的绝缘层上减小峰值,已知纳米复合物也可以用作分级电场的材料。为此,按WO2004/038735A1也可以使用例如由聚合物组成的材料。在这种材料中分散有填料,其颗粒是纳米颗粒,也就是说具有最大100nm的平均直径。按US2007/0199729A1,对于这种纳米颗粒还可以使用半导体材料,其禁带宽度处于0eV到5eV的范围内。借助所使用的、例如由ZnO组成的纳米颗粒可以调节纳米复合物的电阻。若在混入纳米颗粒时超过一定的体积份额,该份额视纳米颗粒的大小而定地为10至20%体积百分比,则纳米复合物的电阻率明显减小,其中,纳米复合物的导电性可以以这种方式调节并且可以与所需条件匹配。尤其可以调节数量级1012Ωm的电阻率。因此,若通过纳米复合物达到电压降,该电压降导致电势更均匀的分布并因此也以适合的方式使所产生的电场梯度化。由此可以减小所产生的电场峰值,从而有利地提高了击穿强度。
在电导体受到交流电压时,同样存在电场梯度化效果,当然该电场梯度化效果依照另外的机制。纳米复合物削弱电场的效果在此与纳米复合物的电容率有关,其中,电容率ε是材料可透过电场的能力的一个度量。该电容率也称作介电常数,其中,下面应使用概念“电容率”。人们也将通过电容率εr=ε/ε0表示的材料电容率ε与电场常数ε0(真空电容率)所成的比率称作相对电容率。相对电容率越高,所使用的材料相比真空削弱电场的效果也就越大。下面仅涉及所使用材料的电容率。
此外,WO2006/122736A1描述一种由纤维素纤维和纳米管,优选碳纳米管(下面称CNT)组成的系统,其中,可以设定由6至75Ωm换算的电阻率。该纳米复合物例如应当用作电阻加热装置,其中,考虑材料从电能转换成热能的能力来设计传导性。为此,需要碳纳米管对纤维素纤维有足够的覆盖度。
WO2006/131011A1描述一种插槽,该插槽还可以由浸渍过的纸卷构成。材料BN也被用作浸渍的材料。该材料也可以以掺杂的形式使用。此外,应当使用具有在纤维素材料中的浓度低于渗滤阈值的颗粒,以便不会出现颗粒的相互电接触。由于此原因,纳米复合物的电阻率基本上不被影响。
从本申请时刻之后公开的、申请号为DE102010041630.4的申请中已知一种具有半导体或非导体纳米颗粒的纳米复合物,这些纳米颗粒分散在纤维素材料,例如压榨纸板中,该纤维素材料在变压器中可以用作使电场梯度化的材料。分散在纤维素材料中的纳米颗粒的至少一部分具有由导电聚合物制成的包皮。例如可以使用纸、纸板或压榨纸板作为纤维素材料。该纤维素材料具有由纤维素纤维制成的结构,该结构在其整体上构成纤维素材料的结合。例如可以使用Si,SiC,ZnO,BN,GaN,A1N或C,尤其是氮化硼纳米管(下面称作BNNT)作为半导体或非导体的纳米颗粒。可以使用在DE102007018540A1中提及的聚合物作为导电的聚合物。例如聚吡咯、聚苯胺,聚噻吩,聚对苯撑,聚对苯撑乙烯和所述聚合物的衍生物,称作导电的聚合物。PEDOT是这种聚合物特别的例子,该PEDOT的商品名为Baytron,由拜耳公司生产。PEDOT以其分类学名称也称作聚(3,4-乙烯二氧噻吩)。
按本申请时刻之前公开的申请号为DE102010041635.5的申请,也可以规定,浸渍物由聚合物组成,该聚合物由负电荷的离聚物(尤其是PSS)和正电荷的离聚物交联而成。可以使用优选PEDOT或PANI。已提及的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)称作PEDOT作为正电荷的离聚物。PANI是聚苯胺,PSS是聚磺苯乙烯。负电荷和正电荷的离聚物的使用能够有利地实现纤维素材料特别简单的制造。离聚物会很容易在水中溶解并因此输送给同样基于水的纤维素材料的制造过程。通过在制造纤维素材料之后交联离聚物,纤维素材料的电阻率下降。在此离聚物聚合并且在纤维素材料中形成导电网络,该导电网络负责减小电阻率。尤其也可以使用所述的离聚物,以便包封已提及的半导体或非导体的纳米颗粒。
按本申请的时刻之前公开的、申请号为DE102009033267.7的申请,纳米复合物也可以以半导体的纳米颗粒浸渍,该半导性的纳米颗粒至少部分由BNNT组成,并且分散在纤维素或聚合物中。为提高至少一部分分散在绝缘材料中的BNNT的有效传导性而规定,给BNNT掺杂适合的掺杂材料或在BNNT上以金属或掺杂的半导体涂层。BNNT的浓度可以选择为,使得纳米复合物具有数量级为1012Ωm的电阻率ρ。按该变型,可以不使用传导性的聚合物作为BNNT的包皮。
实现掺杂的方法是,BNNT通过添加适合的掺杂材料如下改性,使得掺杂材料原子形成电子态,该电子态使BNNT形成p导体(亦即,形成由价带边捕获电子的电子态)或形成n导体(亦即,达到由于热激励通过导带边发射电子的电子态)。考虑例如Be作为用于p掺杂的掺杂材料,Si作为用于n掺杂的掺杂材料。这种BNNT的掺杂可以在原位进行,其中,在BNNT生长时例如由气相或液相构成掺杂材料原子。还可行的是,掺杂可以在BNNT生长之后的其他步骤中执行,其中,掺杂材料一般在热处理BNNT的影响下添加。通过将掺杂材料加入BNNT,可以将电阻率降低为对于掺杂的半导体来说在0.1到1000Ωcm之间的典型值。
按本申请时刻之后公开的、申请号为DE102009033268.5的申请,由纤维素材料制成的纳米复合物还可以以半导体的纳米颗粒浸渍,其中,也为了提高至少一部分分散在绝缘材料中的纳米颗粒的有效传导性,规定给纳米颗粒掺杂一些掺杂材料。使用半导性的纳米颗粒,尤其是BNNT的优点是,在绝缘材料中小的填充度,最高5%体积百分比,优选甚至最高2%百分比足以导致纳米微粒的渗滤并因此提高纳米复合物的导电性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种用于高压直流输电组件的布线装置的分离点,该分离点具有比较高的抗电击穿的安全性并因此创造一种附加的用于该结构的成形间隙。
该技术问题通过开头所述的布线装置的分离点如下解决,至少内部的套管具有绝缘材料,其电阻率ρcomp为变压器油的电阻率ρo的1至20倍。由此有利地实现,在需要通过套管以及固体屏蔽件形成的绝缘段时,以高压直流输电直流电压使电压降更大程度地转移到变压器油上,使得减轻所使用的固体屏蔽件以及套管上的绝缘材料的负荷。该减轻负荷的效果通过纤维素材料的电阻率与变压器油的电阻率相等而实现。减轻负荷的效果有利地还导致在形成分离点时更大的结构间隙。它可以按本发明以简化的几何形状制造,从而节省了制造费用。可以产生由套管和固体屏蔽件构成的连接。套管与固体屏蔽件一样在分离点区域内分别获得封闭的管形壳,从而绝缘段在分离点处未中断。在此,固体屏蔽件例如可以分别通过多个内外嵌套的管构成。因此,这些管共同形成固体屏蔽件,其中,环形缝隙形成这些管的另外的连接,这些另外的连接构成另一个或多个另外的固体屏蔽件。
在复合物的电阻率ρcomp最高为5×1013Ωm时,通过电压降更大程度地也发生在变压器油上,可以有利地很好地利用所描述的、对于本发明重要的减轻纤维素材料负荷的效果。特别有利地可以规定,复合物的电阻率ρcomp按数量级相当于变压器油的电阻率。按数量级意思是,复合物的电阻率ρcomp最高与变压器油的电阻率相差一个数量级(也就是说最高相差10倍)。
电阻率ρo,ρp和ρcomp与本发明有关地,应当分别在室温和现行参考场强1kV/mm下测量。在该条件下,电阻率ρo在1012到1013Ωm之间。但要注意,变压器油的电阻率ρo在按本发明提供的更强的负载下通过在变压器油上下降的电压更确切地说减小。因此,在下面还进一步描述的实施例中,变压器油中的电阻率ρo从1012Ωm起。
按分离点的一个有利的结构方案规定,绝缘材料设计成由已处理的纤维素材料组成的复合物。具有相比未处理的纤维素材料的电阻率ρp更小的电阻率的颗粒以高于渗滤阈值的浓度分散在该纤维素材料中作为形成复合物的浸渍物。作为补充或备选可以规定,在纤维素材料中,具有相比未处理的纤维素材料的电阻率ρp更小的电阻的传导性聚合物的相互联结的网络穿过复合物。颗粒的使用和由传导性聚合物构成的网络的形成自动地致使按本发明争取达到的、复合物电阻率相比未处理的纤维素材料的电阻率减小。在此,可以有利地通过颗粒的浓度调节期望的电阻率。
电阻率的调节也可以按本发明的另一种结构方案由此实现,绝缘材料设计成由聚合物组成的复合物,具有相比未处理的绝缘材料的电阻率更小的电阻率的颗粒以高于渗滤阈值的浓度分散于该复合物中。由此,可以有利地提供一种其电阻率可以调节为预定值的塑料。该塑料必须满足对于用作高压直流输电组件的绝缘段的部件的电气条件。
在至少所述一个外部套管或多个外部套管和/或至少一个固体屏蔽件,优选所有固体屏蔽件也具有带有减小的电阻率的绝缘材料时,获得按本发明的分离点特别有利的结构方案。由此可以进一步提高整个绝缘段的电负荷能力。尤其也可以进一步增大形成的间隙。例如由于各个组件更高的负荷能力可以省去固体屏蔽件。备选地,固体屏蔽件也可以设有更小的壁厚,以便可以制造节省空间的备选结构。
此外可以有利地规定,外部套管和内部套管由导电的材料,尤其由铜组成,并且在内部套管的外面至少设有由按本发明的绝缘材料的料层。当然尤其有利的是,外部套管也可以设有按本发明的绝缘材料。以这种方式,在外部套管和内部套管之间的、设计为轴向补偿的重叠区域内实现了防止电压击穿的特别好的安全性,因为在此按本发明的绝缘材料设置在两个料层中。
本发明的另一种特别有利的实施形式规定,外部套管和另一个外部套管布置在分离点的两侧,其中,两个外部套管由导电材料,尤其是铜组成。此外,内部套管这样地布置在两个外部套管的内部,使得它跨接分离点。在此,有利地产生按本发明的分离点特别简单的实施形式。它具有两个直径基本上相等的外部套管,如它在AC分离点中已使用那样,因为它不必具有相对直流电压的击穿强度。附加地,内部套管按本发明规定,其分离点的跨接或分离点中存在的套管端部之间的间隔的跨接导致,在施加直流电压的情况下在高压直流输电导线中减轻分离点的负荷。但同时,按本发明的分离点的此结构和制造费用保持很少,因为内部套管具有简单的几何形状,外部套管的几何形状基本上不必修改并且只须进行内部套管在至少一个外部套管中的定位。
内部套管可以优选也由导电材料,例如铜组成。但在内部套管仅由电绝缘的材料组成时,获得本发明的一个特别的结构方案。它必须由按本发明建议的绝缘材料制成,因此电阻率减低为,使得可以省去金属材料。在此,尤其可以使用改性的塑料,该塑料本身提供足够的机械稳定性,以便可以省去通过金属管的机械支承。该实施形式有利地尤其简单地制造,因为可以不需要金属的内部套管的涂层,而已经可以将它作为绝缘体使用。
在多个套管和固体屏蔽件具有绝缘材料时特别有利的是,各个套管的料层和固体屏蔽件的电阻率这样地分级,使得它们从外向内减小。由此可以有利地实现,分别使用的固体屏蔽件或套管的电阻率与各安装位置上现有的电场的场强变化曲线匹配。这能够实现有利地最佳投入要使用的浸渍材料。
同样可以规定,由已处理的纤维素材料组成的固体屏蔽件的壁厚相比在代替复合物使用相关未处理的纤维素材料时所需要的厚度减小。在此,充分利用浸渍的(已处理的)纤维素材料的更高的负荷能力,此更高的负荷能力允许具有更小壁厚的固体屏蔽件的结构。在此,固体屏蔽件的壁厚有利地应为至少1mm,因为这是就固体屏蔽件所需的稳定性而言在结构上的极限。有利地,固体阻挡层可以设计具有1至3mm之间的壁厚。
附图说明
下列根据附图描述本发明的其他细节。相同或相应的附图元件分别以相同的附图标记标示并因此仅多次阐述各附图之前的区别。附图中:
图1是按本发明构造的、起始于套管并且具有固体屏蔽件的绝缘段的实施例的剖面,以及
图2和图3是用于按本发明的分离点的不同的实施例的纵剖面。
具体实施方式
按图1的电绝缘段18一般具有多个由纤维素材料19制成的层(或甚至由其他的绝缘材料,如塑料制成的层,但这在图1中未示出),在这些多个层之间具有油层20。纤维素材料19也用油浸湿,这在图1中未进一步示出。为此,在图1中,在纤维素材料的内部可见浸渍物11。按图1所示的绝缘层包围例如用于布线装置的分离点,其中,未示出的、待导引的导线是由铜制成的套管21。
当存在交流电压时,变压器的电绝缘必须在工作情况下防止电击穿。在这种情况下,绝缘层的绝缘特性与绝缘层的组分的电容率有关。对于油,电容率εo约为2,而纤维素材料的电容率εp为4。因此,在要求交流电压下绝缘时,为各个绝缘组件的负载获得在油上的电压Uo约是纤维素材料上的电压Up的两倍。若使用纳米复合物,其中,纤维素材料19按本发明浸渍,则浸渍物11不影响在按本发明的绝缘材料中的电压分布,因为电容率εBNNT同样约为4并因此浸渍过的纤维素材料的电容率εcomp也约为4。因此,即使在按本发明绝缘时,作用在油上的电压Uo也约为形成于纳米复合物(纤维素材料)上的电压Ucomp的两倍。
同时,在直流电压作用下,在高压直流输电组件中,绝缘材料的击穿强度是重要的。因此,当然在各个绝缘组分上存在的电压分布不与电容率有关,而与各个组分的电阻率有关。油的电阻率ρo在1013到1012Ωm之间。要考虑到,按本发明进行更大部分的电压降以便减轻油中的纤维素材料的载荷并且油的电阻率在存在电压时减小,更确切地说,如图1所示,电阻率ρo从1012Ωm起。与之相应地,纤维素材料的ρp高出三个数量级并且为1015Ωm。这导致,当存在直流电压时,油上的电压Uo为纤维素材料上的电压Up的千分之一(假设ρo=1013Ωm时是至少百分之一至五百分之一)。这种不平衡隐藏的危险是,在给绝缘材料施加直流电压时导致纤维素材料中的击穿并且电绝缘失灵。
按本发明引入纤维素材料19的浸渍物11例如可以由BNNT组成并且通过适合的由PEDOT:PSS构成的BNNT料层并且可能时通过附加地给BNNT掺杂具有其电阻率(在0.1和1000Ωm之间)的掺杂材料这样地调节,使得纤维素材料ρp的电阻率降低。这也通过唯一使用PEDOT:PSS或唯一使用BNNT实现。因此,可以调节按本发明的复合物的电阻率ρcomp,该电阻率ρcomp接近电阻率ρo并且在理想情况下约等于该电阻率ρo。当电阻率ρcomp最高为5×1013Ωm时,形成于油上的电压Uo按数量级在形成于复合物上的电压Ucomp的范围内,以便调节绝缘材料中的补偿的电压分布。由此有利地改善绝缘材料的击穿强度,因为纤维素材料的载荷明显降低。
按图2的分离点具有高压直流输电导线22,该高压直流输电导线22导引通过两个外部的套管21a,21b。在分离点的区域内,轴向补偿a由此实现:外部套管21a,21b允许相对地轴向移动。距离a通过内部套管21i跨接以便可靠地绝缘。以相似的方式,固体屏蔽件23a,23b围绕外部套管21a,21b同心地布置,其中,它们也可以在区域a内轴向地相对移动。该距离a在此通过固体屏蔽件23c跨接,以便在该区域内也防止绝缘段的中断。在套管和固体屏蔽件之间分别提供一个缝隙24,该缝隙以未示出的方式用变压器油填充。
该电极管21a,21b,21i分别在外侧上具有由按本发明的纤维素材料组成的料层25。该料层25例如可以通过纸卷产生,其中纸的电阻率以按本发明的方式相比未处理的纤维素材料降低。由此,相比未处理的纤维素材料要使用的复合物的电场梯度化的效果更好。固体屏蔽件23a,23b,23c也可以由压榨纸板制成,该压榨纸板也以按本发明的方式降低它的电阻率。
在断裂线26的下方,可见内部套管21i备选的结构。它由塑料制成,在该塑料中以高于渗滤阈值的浓度添加降低该塑料的电阻率的材料的颗粒。已表明,该塑料管21i的机械稳定性足以省掉金属管的使用。备选的塑料管21i同时用于电场梯度化,以便该距离a可以通过此管跨接。
在图3中,示出分离点的另外的结构。该结构仅具有两个套管。外部套管21a以分离点为端部。另一个套管具有理解为内部管21i的区域,因为它的直径减小并因此它可以插入外部套管21a中。在具有减小的直径的区域上连接有套管的另一个区域,该另一个区域具有与套管21a一样大的直径。该区域理解为套管的区域21b,并且起到外部套管的作用。两个套管以按本发明的纤维素材料(例如纸卷)的料层25包围。通过两个套管的搭接以已述的方式形成轴向补偿a,该轴向补偿也可以通过分别搭接的固体屏蔽件23a,23b跨接(虽然固体屏蔽件的重叠区域相比套管的重叠区域轴向地错开)。
Claims (14)
1.一种用于高压直流输电组件的布线装置的分离点,其中
·所述布线装置在所述分离点上通过至少一个外部套管(21a)和与所述外部套管(21a)搭接的内部套管(21i)形成,在所述内部套管内导引有电导线并且
·所述套管通过多个内外嵌套的固体屏蔽件(23a,23b,23c)错接,其中,在套管与相邻固体屏蔽件之间并且在所述固体屏蔽件相互之间留出环形缝隙(24)以便用变压器油填充,
其特征在于,至少所述内部套管(21i)具有绝缘材料,其绝缘材料的电阻率ρcomp为变压器油电阻率ρo的1至20倍,
固体屏蔽件(23a,23b,23c)与外部套管(21a)和内部套管(21i)同样地重叠地布置,其中所述重叠形成轴向补偿(a),所述绝缘材料设计成由已处理的纤维素材料构成的复合物,
在所述纤维素材料中,具有相比未处理的纤维素材料的电阻率ρp更小的电阻率的颗粒以高于渗滤阈值的浓度分散,和/或
在所述纤维素材料中,具有相比未处理的纤维素材料的电阻率ρp更小的电阻的传导性聚合物的相互联结的网络穿过复合物。
2.按权利要求1所述的分离点,其特征在于,所述绝缘材料设计成由聚合物组成的复合物,在所述聚合物中以高于渗滤阈值的浓度分散具有相比未处理的绝缘材料的电阻率更小的电阻率的颗粒。
3.按权利要求1所述的分离点,其特征在于,所述绝缘材料的电阻率ρcomp最高为5×1013Ωm。
4.按权利要求3所述的分离点,其特征在于,所述绝缘材料的电阻率ρcomp按数量级相当于变压器油的电阻率。
5.按权利要求1所述的分离点,其特征在于,至少一个外部套管(21a)和/或至少一个固体屏蔽件(23a,23b,23c)也具有所述绝缘材料。
6.按权利要求1所述的分离点,其特征在于,所述外部套管(21a)和所述内部套管(21i)由导电材料组成并且至少所述内部套管(21i)的外部设有由绝缘材料制成的料层(25)。
7.按权利要求1至5之一所述的分离点,其特征在于,所述外部套管(21a) 和另一个外部套管(21b)布置在所述分离点的两侧,其中,两个外部套管由导电材料制成并且所述内部套管(21i)这样地布置在所述两个外部套管的内部,使得它跨接所述分离点。
8.按权利要求7所述的分离点,其特征在于,所述内部套管(21i)仅由电绝缘材料组成。
9.按前述权利要求1至5之一所述的分离点,其特征在于,多个套管(21a,21b,21i)和固体屏蔽件(23a,23b,23c)具有所述绝缘材料。
10.按权利要求9所述的分离点,其特征在于,所述套管(21a,21b,21i)的料层(25)和固体屏蔽件(23a,23b,23c)的电阻率这样地分级,使得它们从外向内减小。
11.按前述权利要求1或2所述的分离点,其特征在于,由已处理的纤维素材料组成的固体屏蔽件(23a,23b,23c)的壁厚相比在代替所述复合物使用相关未处理的纤维素材料时所需要的壁厚减小。
12.按前述权利要求1所述的分离点,其特征在于,所述高压直流输电组件是高压直流输电变压器或高压直流输电扼流阀。
13.按前述权利要求6所述的分离点,其特征在于,所述导电材料是铜。
14.按前述权利要求7所述的分离点,其特征在于,所述导电材料是铜。
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