CN1049058A - 电力系统过电压在线监测装置 - Google Patents

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CN1049058A CN 89106209 CN89106209A CN1049058A CN 1049058 A CN1049058 A CN 1049058A CN 89106209 CN89106209 CN 89106209 CN 89106209 A CN89106209 A CN 89106209A CN 1049058 A CN1049058 A CN 1049058A
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Abstract

电力系统过电压在线监测装置,属于瞬变电信号 的数字测量领域。本发明采用了光纤、数字测量、微 机处理和电源隔离抗干扰技术。特别是在数据采集 系统中,采用了高速模-数变换器、分段循环存储器、 过电压绝对值触发器和双层金属屏蔽外壳。本装置 能直接接入电网长期工作,操作简单,运行可靠,测量 准确,不使用感光材料。大大简化了对电力系统过电 压瞬变过程的监测录波和分析研究。

Description

本发明涉及一种在线自动测量电力系统过电压瞬变过程的数字测量装置。
经联机查寻国内外专利文献,尚未发现与本发明相同或类似的装置。八十年代以来,在数字测量技术的基础上研制成波形记录器(如HP5180A  waveform  recorder)及磁带录波器(如Honey  well  Model  101  Magnetic  tape  recorder),只能记录予计在短时间(数秒)内发生的电气瞬变过程,不能长期处于在线监测状态捕捉随机出现的电信号,也难以抗御电力系统在瞬变过程中出现的危及其安全的地电位升高和各种电干扰。目前,电力系统常用的具有记忆功能的故障录波器,如FY-96型,虽然可接入电力系统对某些电量进行在线监测,但其频率响应低,测量的电信号是取自电压、电流互感器的二次侧,所以无法用于测量系统的过电压过程。
本发明的目的在于:解决上述存在的问题,提供一种测量准确,结构合理,运行可靠,操作方便,自动测量的电力系统过电压在线监测装置,从而可长期直接测量高电压系统随机或瞬时发生的各种过电压过程。
以下结合附图,说明本发明的任务是以如下方式完成的:电力系统过电压在线监测装置,由UPS电源,Ⅰ型、Ⅱ型、连环耦合隔离变压器,电容分压器C1、C2,光纤隔离传输系统,数据采集、报警系统,微机系统等组成,如附图1所示。Ⅰ型电源通过交直流变换后作为光纤隔离传输系统的电-光转换器供电电源,Ⅱ型电源作为其他所有部分的供电电源,电容器C1、C2串联回路的两端接入高压监测线路,用较短的同轴电缆线将低压臂电容器C2两端的电压信号引入光纤隔离传输系统传送到数据采集、报警系统,当过电压时,在微机的控制下自动进行各种数据存储、分析、结果处理等。
本发明所述的光纤隔离传输系统,其联接方式如附图2所示,是由输入匹配器[A1]、发光器[A2]、光导纤维[A3]、光检器[A4]等电路组成的模拟信号传输系统。附图2中,[A1]和[A2]又称之为“电-光”转换器,[A3]和[A4]又称之为“光-电”转换器。取自低压臂电容器C2两端的原始电信号,经输入匹配器[A1]进入发光器[A2],发光器[A2]将模拟电信号变成模拟光信号,该光信号通过光纤材料[A3]到达光检器[A4],光检器[A4]再将光信号变成模拟电信号,输入到数据采集、报警系统。由于光纤材料的良好电气绝缘性能,实现了可能处于瞬时高电位的部分监测元件(如输入匹配器[A1]和发光器[A2])与处于较低电位的监测系统主体之间的电气隔离。
本发明若不使用光纤隔离传输系统时,测量误差不大于2.%,若使用时,对低频信号(如零至1千赫)误差也在2%左右,对高频信号(如1千赫至20千赫)最大测量误差小于10.%。
本发明所述的数据采集、报警系统,其联接方式如附图3所示,该系统由放大器[B1]、[B3]、衰减器[B2]、采样保持器[B4]、模数变换器[B5]、循环存储器RAM[B6]、接口[B7]、控制器[B8]、启动予置器[B9]、绝对值触发器[B10]、负或非门电路[B11]、报警器[B12]、数模变换器[B13]、电子示波器[B14]等电路组成。来自光检器[A4]的电信号,经放大器[B1]、衰减器[B2]、放大器[B3]的调整,使进入采样保持器[B4]的信号达到合适的电平,采样保持器[B4]把随时间连续变化的模拟电信号波形,按采样频率和时序分割为不连续的点状阶梯电压,模数变换器[B5]又将该离散化的点状电压变换成数字电压,存储于循环存储器RAM[B6]中;经衰减器[B2]衰减后的信号还进入绝对值触发器[B10],它与来自启动予置器[B9]的予置电平相比较,予置电平的大小,用装置中设置的电位器进行调整,按过电压实际采集需要来整定最小过电压的倍数。由于信号电平有正、负,予置电平也分正、负,因此,绝对值触发器[B10]中,每个通道有两个比较器,分别对正、负值起作用。如果任何一个通道中信号电平绝对值超过予置电平绝对值,则绝对值触发器就输出触发脉冲,进入负或非门电路[B11]产生输出信号,即只要任一通道有过电压信号,则全部通道都进行有效的数据采集。该负或非门电路[B11]的输出信号,一方面去启动报警器[B12]发出音响信号,告诉值班员有高于予置电平的过电压信号出现,另一方面去控制器[B8],发出控制信号,使循环存储器RAM[B6]进行有效的数据记录,此时,RAM[B6]中的地址计数器从予置地址数开始计数,当计满地址单元数8K(RAM分三段)或24K(RAM不分段)时,控制器[B8]停止RAM[B6]“写入”工作,分段时处于等待状态;不分段时立即发“读出”控制信号,同时启动微机系统工作,若微机系统处于准备好等待工作状态,便产生“准备好”回答信号,此时RAM[B6]中所记录的数据通过接口[B7]传送到微机系统,并存入事先准备好的磁盘中,再送回微机内存,自动进行数据分析、计算、打印、绘图等结果处理工作。完后,微机发出“音响”召唤信号,通知值班员换盘,为下一次过电压过程的监测录波和结果处理作好准备。
已经写入RAM[B6]中的数据,当需要时,可通过数模变换器[B13]变成模拟电压信号,在地址指针的循环作用下,RAM[B6]中的数字化数据将周而复始地变成周期性稳定的模拟电压信号,以供普通电子示波器[B14]观察监示。
由于电力系统分A、B、C三相,本装置从[B1]到[B6]的通道数至少为3个,如果需要同时监测电网中N个点的过电压,则[B1]到[B6]的通道数应为3N个。
采样保持器[B4]和模数变换器[B5]的节拍脉冲,由控制器[B8]提供。采样频率可由控制器中的波段开关选择,即设定各个与门的输入点,达到选择频率之目的。采样频率与所选“模-数”板有关,对内过电压一般最高选为500千赫,对大气过电压一般最高选为20000千赫,以适应各种信号的捕捉。本装置的采样时间,可调低到秒级、毫秒级采样。采样分A采、B采两部分,在控制器[B8]上先用手动分别整定A采和B采的频率。A采是追忆采样,应用较低采样频率,B采是过电压正规记录,应用较高采样频率。在过电压信号出现时(即绝对值触发器[B10]产生触发脉冲时),采样频率自动由A采转入B采,以记录过电压过程,而前面的追忆信号时间过程,由预置RAM[B6]地址单元数和追忆采样频率A采两者决定。
本发明的循环存储器[B6],容量为24K,可任意扩充。借助于装置面板上的旋钮,RAM可分三段或不分段,分三段的目的是为了适应电力系统可能连续三次出现过电压过程,例如,开关“分”-“重合”-“再分”,就会出现三次过电压过程。平时,采样保持器[B4]和模数变换器[B5]在不停地工作,将输入的模拟电信号变换成数字电信号,存储于RAM[B6]中,当电力系统没有过电压信号时,在地址计数器的推动下,各通道RAM[B6]按循环方式不断地写入被采集的数据,当RAM[B6]存满后,又从头开始,后面的数据将取代前面的数据。当有过电压信号出现(即绝对值触发器[B10]输出触发脉冲时),存储器RAM[B6]的地址计数器从予置地址数开始计数,当总数计满8K(RAM分三段)或24K(RAM不分段)时,控制器使RAM[B6]停止“写入”,使已经写入的过电压信号保持住。在RAM分段时(即计满8K单元后),装置处于等待状态,若又有过电压信号出现,其绝对值超过予置电平时,第二段RAM开始工作,又重复上述过程,于是第二段RAM中写入的过电压信号又保持住。同理,若又有过电压信号出现时,第三段RAM又开始工作,又重复上述过程。在等待状态中,时间持续约30秒还没有下一次过电压信号出现,或者RAM[B6]已经全部完成“写入”,控制器将自动命令RAM[B6]由“写”态转入“读”态,以致进行如前所述的数据存储处理工作。
绝对值触发器[B10],启动予置器[B9],负或非门电路[B11],报警器[B12]组成的电路,其联接方式,如附图6所示。每个通道绝对值触发器[B10]由LF353线性双运放中的一个和两路各有一个LM311比较器、一个74LS123双可再触发单稳态多谐振荡器、74LS00中的两个与非门及电阻、二极管电子元件等组成。启动予置器[B9]由启动予置电平调节器(4.7K电位器)、三级LM741运放电路和电阻元件等组成,该电路的输出分别为各个比较器的可调基准电源。报警器[B12]由D型触发器,三个振荡电路(分别由六个反相器中的各两个反相器及各有一组决定振荡频率的电阻、电容组成),一个LA4100功放电路和其附属电阻、电容、晶体管电子元件及扬声器[Y]等组成。首先将启动予置电平设定在需要采集的最小过电压倍数上,对于附图6,予置器[B9]的第一级、第三级运放分别产生正、负基准电压,第二级运放跟随器作为正、负基准电源之间的隔离。第一级、第三极输出的正、负基准电压,分别各经三个相同的电阻接到A相、B相、C相的正、负电平比较器,实现了启动予置电平的予置目的。[CH1]来自数据采集系统,经[B1]、[B2]放大及衰减后的信号经线性运放LF353放大调整后与基准电压比较,该信号为正时在正比较器中比较,为负时在负比较器中比较,若绝对值电压信号大于基准电压,即有过电压出现时,比较器输出一个触发脉冲经74LS123双可再触发单稳态多谐振荡器整形后,再经74LS00中的两个与非门到负或非门电路[B11],[B11]产生一个输出信号,一路经三个与非门到控制器[B8],另一路使D型触发器输出一个信号电平,两只复合三极管[3DK]导通,继电器[J]中有电流通过,于是其常开接点[J1]吸合,接通各振荡器的工作电源,使得三个振荡器起振,前一个振荡器输出信号的正、负半周,分别控制后两个振荡器的起振和停振,以达到周期性输出不同频率的信号,该信号经功放LA4100放大后,使扬声器发出“音响”报警信号,以示有过电压信号出现。
附图7所示为绝对值触发器[B10]、启动予置器[B9]、负或非门电路[B11]的又一组合形式电路。绝对值触发器[B10]由一个前置LF353运放电路和两个LF353双运放及多只电阻、二极管构成的线性全波检波器、LM311比较器、74LS123双可再触发单稳态多谐振荡器、74LS00中的两个与非门和其他附属的电阻电子元件等组成。启动予置器[B9]由启动予置电平调节器(4.7K电位器)、LM741运放电路和电阻元件组成。启动予置电平设定后经LM741运放电路跟随输出一个正的基准电压,经三个相同的电阻分别到A相、B相、C相的比较器,[CH1]来自数据采集系统的[B2]衰减器的信号不论是正是负,先经过LF353运放再经由LF353运放和两个二极管及电阻构成的线性全波检波器后,输出总是一个与原来绝对值相同的正电压信号,与比较器中的基准电压相比较,若大于基准电压时,比较器输出一个触发脉冲,触发74LS123双可再触发单稳态多谐振荡器,使之输出一个信号经74LS00中的两个与非门进入负或非门电路[B11],产生输出信号,一路经三个与非门到控制器[B8],另一路去启动报警电路,使之发出“音响”信号,以示有过电压信号出现。
附图6、附图7所示的电路,根据主电路配置使用。
附图6、附图7所示电路为A相通道电路,B相、C相通道电路与A相完全相同。
整个数据采集系统被屏蔽于双层金属壳之中,外层屏蔽壳对地能耐受工频30千伏以上1分钟瞬时高电压的冲击,内、外层之间设置有低压绝缘,有效地防止了瞬时“地电位”升高的危害及空间电磁场的干扰,确保监测系统运行可靠,使用安全。
本发明所述的微机系统(全称微型计算机系统)由微机(包括主机、操作键盘、显示器、两个磁盘驱动器)和打印机、绘图机等组成。磁盘驱动器1放置自动过电压监测装置的工作程序,磁盘驱动器2放置空磁盘用于存入过电压原始数据。开机后,磁盘驱动器1自动将工作程序送入内存,并执行程序使微机系统处于“准备好”等待状态,当采集系统RAM[B6]由“写”态转入“读”态后,由汇编语言程序控制,自动将RAM[B6]中的数据通过接口[B7]经微机存入磁盘2,磁盘按文件名依次顺序写入数据。存完后,磁盘数据按文件名各相依次送回微机内存,各相过电压用BASIC语言程序判别代数值大小,得出最大与最小值,然后打印最大、最小代数值及过电压过程的波形图,打印完后,发出换磁盘及剪纸的“音响召唤”信号。换盘后,采集系统的存储器RAM[B6]又由“读”态转入“写”态。因此,整个过电压过程的监测、录波和结果处理是全自动化的。
对所记录的过电压过程的处理,可以在以后由过电压研究人员在离线情况下统一处理,也可以送回微机通过接口[B7]到存储器RAM[B6]中,经数模变换器[B13],输入到电子示波器观察其过电压波形。
本发明所使用的电源是由UPS电源、Ⅰ型、Ⅱ型电源(Ⅰ型、Ⅱ型电源全称为:Ⅰ型、Ⅱ型连环耦合隔离变压器电源)及交直流变换部分等组成,联接方式如附图4所示。
所述的Ⅰ型、Ⅱ型电源,其变压器原理、结构相似,如附图5所示。一次线圈[2]均匀绕制在园环型铁芯[1]上,二次线圈[3]穿过园环型铁芯[1]的中心集中绕制成紧密的束状,两者固定在绝缘支架[4]、[5]、[6]、[7]上,一二次线圈之间的最小距离不小于5厘米,以获得一、二次线圈之间可能达到的最高绝缘强度以及较小的分布电容,Ⅰ型的分布电容小于15PF,Ⅱ型的分布电容小于30PF,一、二次间的绝缘强度不小于工频30千伏耐压试验1分钟。这种连环耦合隔离变压器可以隔离来自各种“地电位梯度”升高的影响。
目前,测量电力系统过电压,只能在停止电力系统正常运行,人为地设计和模拟各种可能的故障,在一定电网参数下进行断路器的分闸或合闸操作,采用人工同步的方法来记录瞬间发生的过电压过程,这种测量方法组织工作量大,试验所涉及的电力设备可能会受到额外过电压的冲击,造成设备绝缘不必要的损伤,试验需要电网停止正常运行,会造成经济损失,而且往往难以很好的再现在实际运行中各种过电压过程的真实情况。对这些,本发明正是具有其他任何过电压测量设备无法比拟的优越性,它的监测工作,不影响系统的正常运行,就能捕捉被测系统随机出现的各种过电压过程,及时发出报警信号,召唤运行人员分析和处理。并且,通过对各种采集数据的进一步分析、统计、研究,就可为改进高压电网绝缘配合及反事故措施提供依据。
与传统的具有记忆功能的故障录波器和现代数字波形记录器相比,本发明还具有以下优点:1.全部工作过程是自动化、智能化的,操作简单,维护量少,一般电气值班人员易于掌握,不需专门培训;
2.不用感光材料,避免了冲洗胶卷和感光纸的麻烦,降低了运行费用,缩短了数据处理时间,改善了对记录进行分析处理的工作条件;
3.记录精度高;
4.可任意检索或以列表方式给出每个RAM单元中的电压瞬时值。
附图说明
:附图1为本发明的原理框图。
附图2为光纤隔离传输系统的原理框图。
附图3为数据采集、报警系统的原理框图。
附图4为供电电源系统的原理框图。
附图5为Ⅰ型、Ⅱ型连环耦合隔离变压器结构图。
附图6为具有两路比较器的绝对值触发器、基准电压、负或非门电路、报警系统等电气原理图。
附图7为具有一路比较器的绝对值触发器、基准电压、负或非门电路等电气原理图。
附图8为云南省禄丰变电站内过电压在线监测实施例的电气原理图。
附图9为110千伏B相过电压过程波形图。
附图10为35千伏B相过电压过程、谐振波形图。
附图11、附图12、附图13为对应附图10的部分内存单元波形展开图。
以下结合附图说明实施例:按上述原理、方法研制成的“电力系统过电压在线监测装置”,经过现场大量的试验监测录波工作,取得了十分丰富的过电压数据,同时装置也承受了高压电网安全性能方面的考验。实践证明,该装置的各部分工作是正确的,运行是可靠的,数据采集监测录波是准确的,微机处理操作是直观的、方便的。本发明革新了电力系统过电压过程的研究方法,对分析瞬间变量提供了一种十分有效可行的工具。现将在云南省禄丰变电站作过的试验,部分列举如下:试验线路原理图如附图8所示,其中:T为110KV/35KV/10KV,20MVA电力变压器;
PT为JDJJ35型电压互感器组;
FZ1、FZ2、MOA为避雷器;
FU为熔断器。
例1.将本装置接于110千伏侧,如附图8中右上方所示。选择采样时间,触发前追忆为50微秒/字(追忆1K  RAM单元),触发后为正规记录5微秒/字。选择电容分压器分压比为C2/C1=299000。然后从110KV侧用SW6型少油断路器切空载变压器。本装置所记录的过电压过程波形图如附图9所示,图形的横坐标为RAM单元号码(RAM单元数与采样时间的乘积即为时间坐标),纵坐标为电压瞬时值。在图形的下方,根据需要将打印出以下数据:DATA-B-1  (N1=0  N2=8191)(MAX.DATA)  NO.(104)=90.896(KV)(MIN.DATA)  NO.(3090)=-174.616(KV)DATA-B-1  (N1=0  N2=900)(MAX.DATA)  NO.(104)=90.896(KV)(MIN.DATA)  NO.(304)=-90.896(KV)从第一段零到8K  RAM单元看出,3090号单元中记录了最大绝对值为174.616千伏(极性为负),304号单元中记录了B相对地工频电压稳态幅值为90.896千伏(极性为负),过电压倍数为Kb=174.616/90.896=1.92(倍)。
第二段、第三段已进入稳态,约为零值。磁盘中对应每相24K  RAM中各都记录了过电压的瞬变过程,如有必要,也可用表格形式打印之。
例2.本装置接于35千伏侧,如附图8中右下方所示。选择采样时间,触发前后均为50微秒/字,触发前仍追忆1K  RAM单元。选择电容分压器分压比C2/C1=299000,C0为机械电子示波器分压电容(对C1的影响可忽略)。在附图8中,禄舍线保留5千米空载线,母线和线路侧各有一组JDJJ35型电压互感器,发生C相瞬间接地后,迅速断开接地点,引起分频谐振过程。本装置所记录的过电压过程波形图如附图10所示,图形的横坐标为RAM单元号码(RAM单元数与采样时间的乘积即为时间坐标),纵坐标为电压瞬时值。附图11为附图10中500号到1500号单元的波形展开图,附图12为附图10中1500号到2500号单元的波形展开图,附图13为附图10中2500号到3500号单元的波形展开图。附图10下面,根据需要将打印出以下数字:DATA-B-1  (N1=0  N2=8191)(MAX.DATA)  NO.(998)=62.8584(KV)(MIN.DATA)  NO.(1160)=-57.144(KV)DATA-B-1  (N1=10  N2=900)(MAX.DATA)  NO.(196)=33.14352(KV)(MIN.DATA)  NO.(10)=-33.14352(KV)DATA-B-1  (N1=2000  N2=8191)(MAX.DATA)  NO.(2622)=45.7152(KV)(MIN.DATA)  NO.(3192)=-50.28672(KV)附图10记录了B相第一段过电压瞬变过程,1K  RAM单元前为正常运行的B相对地工频电压稳态值,大约在1K至2K  RAM单元之间为C相接地后,B相对地电压升高至线电压值,同时在C相接地瞬间B相对地工频线电压叠加了高频振荡。998号单元中记录了高频振荡幅值为62.8584千伏,而追忆的B相对地正常运行的工频电压稳态值为196号单元中记录的33.14352千伏。上述高频过程过电压倍数为:KL=62.8584/33.14352≈1.9(倍)。
大约在2K  RAM单元以后,因C相解除接地状态而又激发起三相的分频谐振过电压,其中B相谐振过电压最大绝对值记录在3192号单元为50.28672千伏(极性为负),相对于B相对地正常运行工频电压稳态幅值33.14352千伏(极性为负),过电压倍数为:Kr=50.28672/33.14352≈1.52(倍)。

Claims (8)

1.一种电力系统过电压在线监测装置,由UPS电源,Ⅰ型、Ⅱ型连环耦合隔离变压器,电容分压器C1、C2,光纤隔离传输系统,数据采集、报警系统,微机系统等组成,其特征在于:Ⅰ型连环耦合隔离变压器的输出电源通过交直流变换后作为光纤隔离传输系统的电-光转换器供电电源,Ⅱ型电源作为其他部分的供电电源,电容器C1、C2串联回路的两端接入高压监测线路,用较短的同轴电缆线将低压臂电容器C2两端的电压信号引入光纤隔离传输系统传送到数据采集、报警系统,当过电压时,在微机的控制下自动进行各种数据存储、分析、结果处理等。
2.如权利要求1所述的电力系统过电压在线监测装置,其特征在于:所述的光纤隔离传输系统是由输入匹配器[A1]、发光器[A2]、光导纤维[A3]、光检器[A4]等电路组成的模拟信号传输系统。
3.如权利要求1所述的电力系统过电压在线监测装置,其特征在于:所述的数据采集、报警系统是由放大器[B1]、[B3],衰减器[B2],采样保持器[B4],模数变换器[B5],循环存储器RAM[B6],接口[B7],控制器[B8],启动予置器[B9],绝对值触发器[b10],负或非门电路[B11],报警器[B12],数模转换器[B13],电子示波器[B14]等电路组成。
4.如权利要求3所述的电力系统过电压在线监测装置,其特征在于:所述的数据采集系统被屏蔽于双层金属壳之中,外层屏蔽壳对地能耐受工频30千伏以上1分钟瞬时高电压的冲击,内、外层之间设置有低压绝缘。
5.如权利要求3所述的电力系统过电压在线监测装置,其特征在于:所述的绝对值触发器[B10]是由LF353线性双运放中的一个和两路各有一个LM311比较器、一个74LS123双可再触发单稳态多谐振荡器、74LS00中的两个与非门及电阻、二级管电子元件等组成,也可以由一个前置LF353运放电路和两个LF353双运放及多只电阻、二级管构成的线性全波检波器,LM311比较器,74LS123双可再触发单稳态多谐振荡器、74LS00中的两个与非门和其他附属的电阻电子元件等组成。
6.如权利要求3所述的电力系统过电压在线监测装置,其特征在于:所述的启动予置器[B9]是由启动予置电平调节器(4.7K电位器)、三级LM741运放电路和电阻元件等组成,也可以由启动予置电平调节器(4.7K电位器)、LM741运放电路和电阻元件组成。
7.如权利要求3所述的电力系统过电压在线监测装置,其特征在于:所述的报警器[B12]是由D型触发器、三个振荡电路(分别由六个反相器中的各两个反相器及各有一组决定振荡频率的电阻、电容组成),一个LA4100功放电路和其附属电阻、电容、晶体管电子元件及扬声器[Y]等组成。
8.如权利要求1所述的电力系统过电压在线监测装置,其特征在于:所述的Ⅰ型、Ⅱ型连环耦合隔离变压器:(1)一次线圈[2]均匀绕制在园环型铁芯[1]上;(2)二次线圈[3]穿过园环型铁芯[1]的中心集中绕制成紧密的束状;(3)两者固定在绝缘支架[4]、[5]、[6]、[7]上;(4)一、二次线圈之间的最小距离不小于5厘米,以获得一、二次线圈之间可能达到的最高绝缘强度及较小的分布电容,Ⅰ型的分布电容小于15PF,Ⅱ型的分布电容小于30PF;(5)一、二次之间的绝缘强度不小于工频30千伏耐压试验1分钟;(6)可以隔离来自各种“地电位梯度”升高的影响。
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