CN108683160B - 一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，属于直流配电网继电保护技术领域。在充分考虑了直流线路故障电流特性后，利用正、负极电流瞬时值和最大负荷电流比较，先判断故障发生与否和故障类型，再利用不同故障类型下的线路电流特性差异判断故障类型，最后用线路上的故障电流暂态能量差异和延时动作判断故障发生位置，能够快速、精确的判断故障区段，且不需要线路通讯就能够可靠动作，灵敏度高，适合直流配电系统线路保护使用，有助于完善直流配电工程线路保护。

Description

一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法

技术领域

本发明属于直流配电网继电保护技术领域，涉及一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法。

背景技术

近年来，直流输电技术得到了广泛的应用，直流输电具有功率传输稳定、输电容量大、传输效率高、可实现远距离输电等优点，已成为大能源基地电力外送、异步电网互联的重要方式。直流输电线路工作环境恶劣，跨越地区的环境复杂，发生故障的概率大，当线路发生故障时，换流站阀侧并联滤波电容对故障点放电，并瞬间产生巨大电流，使故障点电流迅速上升，危害线路安全。线路保护能否快速可靠地检测故障对直流输电系统的安全运行意义重大。

在直流配电系统中，当线路发生故障时，有学者利用“握手”法则，通过交流断路器和快速隔离开关将直流网络划分为多个区域，发生故障时仅隔离故障所在区域，该方法可以保证故障后系统不停运，但不能确定具体故障位置，且容易导致大范围停电；还有专家基于IEC61850的快速通信系统，通过直流断路器配合继电器快速检测并隔离故障，使用电力换流器和电力电子模块设备提高保护系统性能，提高系统可靠性、效率，但对通信依赖过重。此外，采用分段故障检测及隔离的方法，通过比较线路两端电流差作为动作判据的方案同样也需要通信，在电网中，通信装置过多会对电网造成电磁兼容和电压波动等影响。故研究一种快速、精确的确定故障区段，且不需要通信的直流配电系统线路保护方案十分重要。

发明内容

本发明提供了一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，解决了现有直流输电线路不能快速精确的判断故障区段，且依赖线路通讯造成灵敏度低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、实时采集与各级直流输电线路正、负极相连的保护装置处的电流瞬时值i_pi，i_ni；

步骤2、将采集的电流瞬时值i_pi，i_ni和对应的每一级线路末端最大负荷电流i_maxi进行比较，当i_pi或i_ni＞K×i_maxi，则判断配电系统线路上发生故障；K为可靠系数，K一般选取1.2～1.3，i_maxi是线路末端最大负荷电流，×表示乘以。

步骤3、启动保护流程，根据不同故障线路下i_pi、i_ni电流特性差异，判断故障类型；

步骤4、根据故障类型将保护装置处的故障电流的电气量利用小波变换得到故障电流暂态能量；

步骤5、比较各级线路的故障电流暂态能量差异，判断故障发生的线路位置；

步骤6、启动故障线路的保护装置动作，切断和排除故障。

本方案的特点还在于：

进一步地，所述步骤3在判断故障类型时，当i_pi+i_ni＝0，则发生极间故障；当|i_pi|＞|i_ni|，则发生正极单极接地故障；当|i_ni|＞|i_pi|，则发生负极单极接地故障。

进一步地，所述步骤4中小波变换采用dbN小波作为基函数，得到固定频段的故障电流暂态能量。

进一步地，所述dbN小波选取阶数N为5，进行5层小波分解法去提取故障信号特征量。

进一步地，所述步骤4故障电流暂态能量的表达式为：

公式中，f为采样频率200kHz，i为第i段线路i，n为发生故障后采样点个数，T为时间窗代表的时间长度，A_k为小波变换2^k尺度(故障电流经过dbN小波分解N次后，得到2¹、2²、2³...2^N-1、2^N尺度下的各数据)下的低频系数，K取5；

其中，

公式中，A_k为小波变换下的低频系数，c为尺度因子，d为平移因子，ψ(t)为小波函数，t为时间，S为故障电流信号。

进一步地，所述步骤1中直流输电线路包括线路L1、线路L2和线路L3且分别相连有与之对应的线路保护装置，保护装置分别为保护1、保护2和保护3；所述步骤5中判断故障发生的线路位置的方法为当保护1处计算的暂态能量大于保护2和保护3处的暂态能量M倍，则线路L1处的保护1动作，判断故障发生在线路L1；当保护1和保护2处计算的暂态能量较为接近，都大于保护3处计算的暂态能量M倍，根据靠近电源侧的保护时间比相邻线路保护延迟一个动作阶梯Δt，则线路L2处的保护2动作，故判断故障发生在线路L2；保护1、保护2和保护3计算的暂态能量都较为接近，根据靠近电源侧的保护时间比相邻线路保护延迟一个动作阶梯Δt，则线路L3处的保护3动作，判断故障发生在线路L3，其中，M＝5～10。

进一步地，所述步骤1中直流输电线路包括线路L1、线路L2和线路L3且分别对应相连有保护1、保护2和保护3；步骤6中保护装置动作的条件包括：

保护1的动作条件：

保护2的动作条件：

保护3的动作条件：

其中，E_set.1＝0.5E_1.end

E_set.2＝0.5E_2.end

E_set.3＝0.5E_3.end

E₁、E₂、E₃是保护1、保护2、保护3处的故障电流暂态能量值；E_set.1、E_set.2、E_set.3是保护1、保护2、保护3的动作整定值，Δt是保护装置的时间动作阶梯；T₁是直流断路器固有动作时间；E_1.end、E_2.end、E_3.end是线路L1末端、线路L2末端、线路L3末端发生故障时利用db5小波变换计算出的2⁵尺度下的故障电流暂态能量值，其中，取系数0.5是为了满足保护的选择性。

本发明的有益效果是，通过电流瞬时值和dbN小波变换得到故障电流暂态能量，能够快速、精确的判断故障区段，且不需要线路通讯就能够可靠动作，灵敏度高，非常适合直流配电系统线路保护使用，有助于完善直流配电工程线路保护。

附图说明

图1是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法流程示意图；

图2是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法中五层小波多尺度分析图；

图3是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法中直流配电系统结构图；

图4是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法中直流配电线路保护示意图；

图5a是采用本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法在正极接地故障的仿真结果的各段线路正极电流；

图5b是采用本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法在正极接地故障的仿真结果的保护动作信号；

图5c是采用本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法在正极接地故障的仿真结果的故障类型判断结果；

图6a是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法在负极接地故障的仿真结果的各段线路负极电流；

图6b是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法在负极接地故障的仿真结果的保护动作信号；

图6c是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法在负极接地故障的仿真结果的故障类型判断结果；

图7a是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法在极间故障的仿真结果的各段线路极间电流；

图7b是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法在极间故障的仿真结果的保护动作信号；

图7c是本发明一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法在极间故障的仿真结果的故障类型判断结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明并不限于这些方式。

一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、实时采集与各级直流输电线路正、负极相连的保护装置处的电流瞬时值i_pi，i_ni；

步骤2、将采集的电流瞬时值i_pi，i_ni和对应的每一级线路末端最大负荷电流i_maxi进行比较，当i_pi或i_ni＞K×i_maxi，则判断配电系统线路上发生故障；加入可靠系数K，K一般选取1.2～1.3，i_maxi是线路末端最大负荷电流，×表示乘以。

步骤3、启动保护流程，根据不同故障线路下i_pi、i_ni电流特性差异，判断故障类型。在判断故障类型时，当i_pi+i_ni＝0，则发生极间故障；当|i_pi|＞|i_ni|，则发生正极单极接地故障；当|i_ni|＞|i_pi|，则发生负极单极接地故障。

步骤4、根据故障类型将保护装置处的故障电流的电气量利用小波变换得到故障电流暂态能量，电气量是指电流值。

小波变换采用dbN小波作为基函数，得到固定频段的故障电流暂态能量。小波变换是一种基于傅立叶变换的信号处理方法，它不同于傅立叶的全局变换，是一种基于信号时间-频率的分析方法。依据数据的采样精度可将小波变换分为连续小波变换和离散小波变换，依据分辨率则可将小波变换分为单尺度小波变换和多尺度小波变换。

选择dbN小波作为基函数，当阶数N选取太高时，信号的高频系数就越小，小波分解后的信号能量就更集中，但计算量增加，影响计算速度，实时性变差；当阶数N选取太小时，频带划分过于粗糙。故在选择阶数N时，既要考虑算法精度效果也要兼顾算法效率，dbN小波选取阶数N为5，进行5层小波分解法去提取故障信号特征量，如图2所示，S为故障电流信号即电流幅值，a1、a2、a3、a4、a5为低频部分，d1、d2、d3、d4、d5为高频部分。各尺度下小波变换下的低频系数见公式(1)：

公式中，A_k为小波变换下的低频系数，c为尺度因子，d为平移因子，ψ(t)为小波函数，t为时间，S为故障电流信号。

故障电流暂态能量见公式(2)：

公式中，f为采样频率200kHz，i为第i段线路i，n为发生故障的采样点，T为时间窗代表的时间长度，A_k为小波变换2^k尺度下(故障电流经过dbN小波分解N次后，得到2¹、2²、2³...2^N-1、2^N尺度下的各数据)的低频系数，K取5；

步骤5、比较各级线路的故障电流暂态能量，判断故障发生的线路位置。

如图3所示，直流输电线路包括线路L1、线路L2和线路L3且线路上分别相连有与之对应的线路保护装置，保护装置分别为保护1、保护2和保护3，保护装置采用直流断路器；步骤5中利用线路上的故障电流暂态能量差异作为各级线路保护动作的判据。以图3为例，如果保护1处计算的暂态能量大于保护2和保护3处的暂态能量M倍，M取5，则线路L1处的保护1动作，判断故障发生在线路L1；如果保护1和保护2处计算的暂态能量较为接近，都大于保护3处计算出的暂态能量M倍，M取5，根据靠近电源侧的保护时间比相邻线路保护延迟一个动作阶梯Δt(保证保护的选择性)，则线路L2处的保护2动作，故判断障发生在线路L2；保护1、保护2和保护3计算的暂态能量都较为接近，根据靠近电源侧的保护时间比相邻线路保护延迟一个动作阶梯Δt，则线路L3处的保护3动作，判断故障发生在线路L3。

如图1所示，当故障发生的位置确定后即故障发生在本段线路，由故障线路的断路器跳闸，其他线路的断路器不动作，不跳闸，例如判断出L1线路发生故障，L1处的断路器动作，L2、L3线路的断路器不动作，同时向电源端发出重启信号，返回进入步骤2过程，本次故障判断的过程结束；当故障发生的位置未确定在本段线路时，数据重置保护返回，同时向电源端发出重启信号，返回进入步骤2过程，本次故障判断的过程结束。

步骤6、启动故障线路的保护装置动作，切断和排除故障。

启动故障线路的保护装置动作，具体采用以下公式说明保护装置动作，动作的条件包括：

保护1的动作条件：

保护2的动作条件：

保护3的动作条件：

其中，E_set.1＝0.5E_1.end

E_set.2＝0.5E_2.end

E_set.3＝0.5E_3.end

E₁、E₂、E₃是保护1、保护2、保护3处的故障电流暂态能量值；E_set.1、E_set.2、E_set.3是保护1、保护2、保护3的动作整定值，t₁、t₂、t₃代表的是保护1、保护2、保护3的动作时间，Δt是保护装置的时间动作阶梯；T₁是直流断路器固有动作时间；E_1.end、E_2.end、E_3.end是线路L1末端、线路L2末端、线路L3末端发生故障时利用db5小波变换计算出的2⁵尺度下的故障电流暂态能量值，其中，取系数0.5是为了满足保护的选择性。

实施例1

在MATLAB/SIMULINK中搭建了如图3所示的放射状直流配电系统拓扑结构模型。该直流配电线路由三段直流线路组成，分别称之为线路L1、线路L2和线路L3，各线路上对应相连有线路保护装置，保护装置采用直流断路器，线路保护装置分别为保护1、保护2和保护3，同时分别对应相连有负载1、负载2和负载3。负载1，2，3分别为100kW，总负载为300kW，直流配电线路总长为3km，各段线路长度均为1km，系统的直流电压U_dc为±750V，极间电压为1500V。如图4所示，一个由三段线路组成的直流配电系统，各段线路的首端分别装设保护装置，保护装置包括霍尔电流传感器1、保护判断模块2和保护操作机构3。保护装置分别为保护1、保护2、保护3。

设仿真的时间窗T为2ms，在固定时间窗内经db5小波变换后的低频系数平方和，可以表征固定频段的故障电流能量，各尺度下低频系数计算如公式(1)；

公式中，A_k为小波变换下的低频系数，c为尺度因子，d为平移因子，ψ(t)为小波函数，t为时间，S为故障电流信号。

各尺度下低频系数的电流暂态能量表达式如公式(2)：

式中：f为采样频率200kHz，i代表的是第i段线路，如线路L1、线路L2和线路L3；

n为发生故障后采样点个数，T的时间窗代表时间长度，A_k为小波变换2^k尺度(故障电流经过dbN小波分解N次后，得到2¹、2²、2³...2^N-1、2^N尺度下的各数据)下的低频系数，K取5。

启动故障线路的保护装置动作，具体采用以下公式说明保护装置动作，动作的条件包括：

保护1的动作条件如式(3)：

保护2的动作条件如式(4)：

保护3的动作条件如式(5)：

E_set.1＝0.5E_1.end (6)

E_set.2＝0.5E_2.end (7)

E_set.3＝0.5E_3.end (8)

其中E₁、E₂、E₃是保护1、保护2、保护3采样电流值经过公式(2)计算出的故障电流能量值；E_set.1、E_set.2、E_set.3是保护1、保护2、保护3的动作整定值，Δt是保护的时间动作阶梯；T₁是直流断路器固有动作时间；E_1.end、E_2.end、E_3.end是线路L1末端、线路L2末端、线路L3末端发生故障时利用db5小波变换所计算出的2⁵尺度下的电流能量值，其中，取系数0.5是为了满足保护的选择性。

利用小波变换的暂态能量保护整定方法：

1、在动作整定值上，躲过各段线路保护按本段线路末端发生故障时所计算出的暂态电流能量值，可以根据公式(6)、(7)、(8)计算。

2、在动作时间上，根据公式(3)、(4)、(5)计算。靠近电源侧的保护动作时间比相邻线路的保护动作，多一个动作阶梯Δt，保证保护的选择性不误动，如图4所示。为了保证一定的裕度，选取Δt＝20ms。

故障电流的暂态能量保护方法步骤如下：

步骤1、采用电流互感器实时采集线路L1、线路L2、线路L3末端保护装置处的正、负极电流瞬时值i_pi，i_ni。

步骤2、将采集的电流瞬时值i_pi，i_ni和对应的每一级线路末端最大负荷电流i_maxi进行比较，加入可靠系数K，即i_pi或i_ni＞K×i_maxi，则判断配电系统线路上发生故障；K选取1.25，i_maxi是线路末端最大负荷电流。

步骤3、启动保护流程，根据不同故障线路下i_pi、i_ni电流特性差异，判断故障类型。当线路正负极电流之和i_pi+i_ni＝0，则发生极间故障；当线路正负极电流|i_pi|＞|i_ni|，则发生正极单极接地故障；当线路正负极电流|i_ni|＞|i_pi|，则发生负极单极接地故障。

步骤4、使用db5小波对直流线路的保护装置安装处的故障电流进行变换，由公式(2)得到固定频段的故障电流暂态能量。

步骤5、比较各级线路的故障电流暂态能量，判断故障发生的线路位置，启动故障线路的保护装置动作，切断和排除故障。

根据不同故障类型，计算比较各级线路的故障电流暂态能量，现分别以三种故障类型进行说明。

A、正极单极接地故障

设过渡电阻R_f＝0.2Ω，发生正极单极接地故障时，不同故障位置下利用公式(2)计算出2⁵尺度下的电流暂态能量为表1所示：

表1正极接地故障下的电流暂态能量

当线路L3末端(2.97km)处发生正极接地故障，根据公式(6)、(7)、(8)和表1计算出各段线路保护在正极接地故障的动作整定值，如表2所示：

表2动作整定值

仿真的故障类型：

假设线路L3末端(2.97km)处发生正极接地故障，如图5a、图5b和图5c所示，根据步骤1和步骤2判断发生正极接地故障，图5a是SIMULINK仿真中各级电路的电流波形，图5c是SIMULINK仿真的故障类型判断结果(0代表单极接地故障，1代表极间故障)，理论判断和仿真结果一致；根据步骤4和步骤5可以判断线路L3发生故障。图5b是SIMULINK仿真中各级线路保护的动作信号(0代表分断，1代表闭合)，在t＝0.205s时线路L3的保护对断路器发出分断信号，切断了故障电流，理论判断和仿真结果一致。

比较理论计算判断的结果和SIMULINK模型仿真的结果相同，比较，说明该保护方案可判断并有选择地切除故障线路。

B、负极单极接地故障

设过渡电阻R_f＝0.2Ω，发生负极接地故障时，不同故障位置下利用公式(2)计算出2⁵尺度下的电流暂态能量为表3所示：

表3负极接地故障下的电流暂态能量

线路L3末端(2.97km)处发生正极接地故障，根据公式(6)、(7)、(8)和表3计算的各段线路保护负极接地故障的动作整定值，如表4所示：

表4动作整定值

仿真的故障类型：

假设线路L3末端(2.97km)处发生负极接地故障，如图6a、图6b和图6c所示，根据步骤1和步骤2判断发生负极接地故障，图6a是SIMULINK仿真中各级电路的电流波形，图6c是SIMULINK仿真的故障类型判断结果(0代表单极接地故障，1代表极间故障)，理论判断和仿真结果一致；根据步骤4和步骤5可以判断线路L3发生故障。图6b是SIMULINK仿真中各级线路保护的动作信号(0代表分断，1代表闭合)，在t＝0.205s时线路L3的保护对断路器发出分断信号，切断了故障电流，理论判断和仿真结果一致。

比较理论计算判断的结果和SIMULINK模型仿真的结果相同，比较，说明该保护方案可判断并有选择地切除故障线路。

C、极间故障

设过渡电阻R_f＝0.2Ω，发生极间故障时，不同故障位置下利用公式(2)计算出2⁵尺度下的电流暂态能量为表5所示：

表5极间故障下的电流暂态能量

在线路L3末端(2.97km)处发生极间故障，根据公式(6)、(7)、(8)和表5计算整定值，如表6所示：

表6动作整定值

仿真的故障类型：

假设线路L3末端(2.97km)处发生极间故障，如图7a、图7b和图7c所示，根据步骤1和步骤2判断发生极间故障，图7a是SIMULINK仿真中各级电路的电流波形，图7C是SIMULINK仿真的故障类型判断结果(0代表单极接地故障，1代表极间故障)，理论判断和仿真结果一致；根据步骤4和步骤5可以判断线路L3发生故障。图7b是SIMULINK仿真中各级线路保护的动作信号(0代表分断，1代表闭合)，在t＝0.205s时线路L3的保护对断路器发出分断信号，切断了故障电流，理论判断和仿真结果一致。

比较理论计算判断的结果和SIMULINK模型仿真的结果相同，比较，说明该保护方案可判断并有选择地切除故障线路。

通过采用上述暂态能量保护方法，能够快速、精确的判断故障区段，且不需要线路通讯就能够可靠动作，灵敏度高，非常适合直流配电系统线路保护使用，有助于完善直流配电工程线路保护。

Claims (6)

1.一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、实时采集与各级直流输电线路正、负极相连的保护装置处的电流瞬时值i_pi，i_ni；

步骤2、将采集的电流瞬时值i_pi，i_ni和对应的每一级线路末端最大负荷电流i_maxi进行比较，当i_pi或i_ni＞K×i_maxi，则判断配电系统线路上发生故障；K取1.2～1.3，i_maxi是线路末端最大负荷电流；

步骤3、启动保护流程，根据不同故障线路下i_pi、i_ni电流特性差异，判断故障类型；

步骤4、根据故障类型将保护装置处的故障电流的电气量利用小波变换得到故障电流暂态能量；

步骤5、比较各级线路的故障电流暂态能量差异，判断故障发生的线路位置；

步骤6、启动故障线路的保护装置动作，切断和排除故障；

所述步骤1中直流输电线路包括线路L1、线路L2和线路L3且分别相连有与之对应的线路保护装置，保护装置分别为保护1、保护2和保护3；所述步骤6中保护装置动作的条件包括：

保护1的动作条件：

保护2的动作条件：

保护3的动作条件：

其中，E_set.1＝0.5E_1.end

E_set.2＝0.5E_2.end

E_set.3＝0.5E_3.end

E₁、E₂、E₃是保护1、保护2、保护3处的故障电流暂态能量值；E_set.1、E_set.2、E_set.3是保护1、保护2、保护3的动作整定值，t₁、t₂、t₃代表的是保护1、保护2、保护3的动作时间，Δt是保护装置的时间动作阶梯；T₁是直流断路器固有动作时间；E_1.end、E_2.end、E_3.end是线路L1末端、线路L2末端、线路L3末端发生故障时利用db5小波变换计算出的2⁵尺度下的故障电流暂态能量值。

2.根据权利要求1所述的一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，其特征在于，所述步骤3在判断故障类型时，当i_pi+i_ni＝0，则发生极间故障；当|i_pi|＞|i_ni|，则发生正极单极接地故障；当|i_ni|＞|i_pi|，则发生负极单极接地故障。

3.根据权利要求1所述的一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，其特征在于，所述步骤4中小波变换采用dbN小波作为基函数，得到固定频段的故障电流暂态能量。

4.根据权利要求3所述的一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，其特征在于，所述dbN小波选取阶数N为5，进行5层小波分解法提取故障信号特征量。

5.根据权利要求1所述的一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，其特征在于，所述步骤4故障电流暂态能量的表达式为：

公式中，f为采样频率200kHz，i为第i个线路i，n为发生故障的采样点，T为时间窗代表的时间长度，A_k为小波变换2^k尺度下的低频系数，K取5；

其中，

公式中，A_k为小波变换下的低频系数，c为尺度因子，d为平移因子，ψ(t)为小波函数，t为时间，S为故障电流信号。

6.根据权利要求1所述的一种用于直流输电线路故障电流的暂态能量保护方法，其特征在于，所述步骤1中直流输电线路包括线路L1、线路L2和线路L3且分别相连有与之对应的线路保护装置，保护装置分别为保护1、保护2和保护3；所述步骤5中判断故障发生的线路位置的方法为当保护1处计算的暂态能量大于保护2和保护3处的暂态能量M倍，则线路L1处的保护1动作，判断故障发生在线路L1；当保护1和保护2处计算的暂态能量较为接近，都大于保护3处计算的暂态能量M倍，根据靠近电源侧的保护时间比相邻线路保护延迟一个动作阶梯Δt，则线路L2处的保护2动作，故判断故障发生在线路L2；保护1、保护2和保护3计算的暂态能量都较为接近，根据靠近电源侧的保护时间比相邻线路保护延迟一个动作阶梯Δt，则线路L3处的保护3动作，判断故障发生在线路L3，其中，M＝5～10。

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