CN109001600B - 主动式全频段在线局部放电检测方法及系统 - Google Patents

主动式全频段在线局部放电检测方法及系统 Download PDF

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CN109001600B CN201810830066.1A CN201810830066A CN109001600B CN 109001600 B CN109001600 B CN 109001600B CN 201810830066 A CN201810830066 A CN 201810830066A CN 109001600 B CN109001600 B CN 109001600B
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Abstract

本发明提供主动式全频段在线局部放电检测方法及系统，其中，主动式全频段在线局部放电检测方法，通过主动发射全频段电磁波，对高压电柜内部进行实时扫描，评估局部放电类型；根据局部放电类型发射特定频率电磁波，捕获叠加有局部放电信号的特性回波；将特性回波与数据库对比分析确认局部放电情况。本发明提供的主动式全频段在线局部放电检测方法及系统，能够在线实时对不同类型的局部放电进行检测，并且，无需多种传感装置；解决了现有技术中不同类型的局部放电检测需要不同的传感装置，导致检测设备繁琐、复杂的问题；另外，通过在线实时监测，实现了判断预警及历史数据处理。

Description

主动式全频段在线局部放电检测方法及系统
技术领域
本发明涉及局部放电检测领域，特别涉及主动式全频段在线局部放电检测方法及系统。
背景技术
开关柜是电网的重要组成部分，其运行的稳定性直接影响到电网安全运行，开关柜依靠以往的巡视、试验和检测技术，往往难以达到及时掌握设备缺陷的要求。传统的停电预防性试验技术主要是依靠耐压试验进行绝缘性能检查，由于开关柜预防性试验周期的时间间隔为3～6年，很难发现在两次预防性试验间隔之间发展的绝缘缺陷，这都容易造成绝缘不良事故。而根据实际运行经验发现发生故障前在事故潜伏期内应该都可能有放电现象产生，局部放电是导致开关柜设备绝缘劣化、发生绝缘故障的主要原因，其检测和评价已经成为绝缘状况监测的重要手段，因此，在开关柜设备实际运行中采取合适的局部放带电测试方法具有重大意义。
由于高压开关柜属于柜外壳全金属的密闭高压设备，且柜子比较紧凑,其外壳相当于一个很好的屏蔽层,外面的无线信号几乎不能穿透或干扰到内部,内部的信号也很难泄漏出柜外,内部的无线信号只能在柜内传输;高压电柜生产厂家众多、设备造价低、开关柜不可能采取像变压器、GIS设备那样的在线监测技术，所以目前以状态检修来提高开关柜可靠性的重要技术手段。
局部放电是指高压电器中的绝缘介质在高电场强度作用下，发生在电极之间的未贯穿的放电，可以发生在导体附近，也可以发生在其他地方。当高压电气产生局部放电现象时，会产生电磁波、超声波、发光、发热、臭氧等物理现象，这是局部放电表现形式的多样性特征。不同类型的局部放电或不同阶段的局部放电又具有其表现形式的主次性特征，如空气中表面放电以声发射特征为主，绝缘内部放电的电磁高频特征较为常见。目前主流的检测方法为电测量法（暂态地电压、超高频、高频电流测量法）、超声波测量法。
由于局部放电模式的多样化，故需要通过多种检测手段才能进行较为准确的检测；而各种检测手段需要的传感装置不同，导致不同测试需要更换不同的传感器,检测效率低；另外，现有的放电检测的数据通常需要人工输入,浪费时间和人力成本，并且难以实现对数据的管理、处理分析、历史数据比较、预警等。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的问题，本发明提供主动式全频段在线局部放电检测方法及系统，其中，主动式全频段在线局部放电检测方法，通过主动发射全频段电磁波，对高压电柜内部进行实时扫描，评估局部放电类型；根据局部放电类型发射特定频率电磁波，捕获叠加有局部放电信号的特性回波；将特性回波与数据库对比分析完成局部放电检测。
进一步地，评估局部放电类型的具体方法如下：
在高压电柜内部发射全频段电磁波；并实时接收电磁波回波信号，将电磁波回波信号的dB值或频谱值与设置阈值进行比较，进行局部放电信号评估，确认局部放电信号频谱范围；
进一步地，根据局部放电类型选中频道范围，发射特定频率载波；所述频道范围为局部放电频率±偏移量。
进一步地，完成局部放电检测的方法具体如下：
捕获叠加有局部放电信号的特性回波；将特性回波信号放大、过滤、调解、解码得到局部放电信号的频谱；
将局部放电信号的频谱与局部放电信号特征库比较,获得局部放电信号的强度频谱及放电分析报告；完成局部放电检测。
进一步地，所述设置阈值为主动发射的电磁波的dB值或频谱值。
进一步地，通过信号幅值比较与频谱特性进行局部放电信号筛选，再评估局部放电类型。
进一步地，所述解码的方法如下：
S441、对于输入信号x(t)用采样频率进行抽样，获得抽样信号
Figure 698597DEST_PATH_IMAGE002
；所述抽样信号
Figure 435609DEST_PATH_IMAGE002
的频谱为原信号频谱的多次叠加；
S442、抽样信号
Figure 21311DEST_PATH_IMAGE004
(t)进行数字滤波；滤波公式如下:
Figure 264204DEST_PATH_IMAGE006
；其中：
x(n)为输入的抽样信号；Y(n)为输出；h(n)为冲激响应；
S443、根据cordic算法进行信号瞬时特征提取；
S444、经过cordic算法后，提取瞬时幅度a(t)、瞬时相位Ǿ(t)、瞬时频率f(t)= Ǿ(t)/2的值以表格形式存于ROM中。
进一步地，所述抽样信号
Figure 568147DEST_PATH_IMAGE002
如下:
Figure 843270DEST_PATH_IMAGE008
Figure 798326DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 195809DEST_PATH_IMAGE012
；所述P(t)为周期冲击函数。
进一步地，通过信号瞬时特征提取得到如下公式：
Figure 924731DEST_PATH_IMAGE014
；
其中：a(t)为瞬时幅度；Ǿ(t)为瞬时相位；
Figure 816594DEST_PATH_IMAGE016
为信号源的频率。
本发明提供的主动式全频段在线局部放电检测方法，能够在线实时对不同类型的局部放电进行检测，并且，无需多种传感装置；解决了现有技术中不同类型的局部放电检测需要不同的传感装置，导致检测设备繁琐、复杂的问题；另外，通过在线实时监测，实现了判断预警及历史数据处理。
本发明另外提供的主动式全频段在线局部放电检测系统，包括采集器、多通道发射天线、宽频带载波频率发生器和宽频段接收器；所述多通道发射天线、宽频带载波频率发生器和宽频段接收器置于被检测设备内部；
所述多通道发射天线用于发射全频段电磁波和/或特定频率电磁波;
所述宽频段接收器用于捕获特性回波和/或接收全频段电磁波的回波;
所述宽频带载波频率发生器根据所述宽频段接收器接收的全频段电磁波的回波，评估局部放电类型；
所述采集器用于将特性回波与数据库对比分析完成局部放电检测。
本发明另外提供的主动式全频段在线局部放电检测系统，实现了在线带电监测，通过采集器、多通道发射天线、宽频带载波频率发生器和宽频段接收器常年安装在被检测的高压电柜上，来进行检测；实现了在带电运行状态下进行局部放电安全隐患检测；通过本发明提供的主动式全频段在线局部放电检测系统，可以依据设备运行状况灵活安排检测周期，便于及时发现设备的隐患，了解隐患的变化趋势等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的主动式全频段在线局部放电检测方法的系统框图；
图2为主动式全频段在线高压电柜局部放电检测结构示意图；
图3为宽频带载波频率发生器电路结构图；
图4为宽频带载波频率发生器发射的电磁波的频率与强度图；
图5为局部放电的频谱图；
图6为局部放电的频谱图；
图7为特性频谱图。
附图标记：
10多通道发射天线 20 宽频带载波频率发生器 30 宽频段接收器
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定与物理或者机械的连接，而是可以包括电性的连接、光连接等，不管是直接的还是间接的。
本发明实施例提供本发明提供主动式全频段在线局部放电检测方法及系统，其中，主动式全频段在线局部放电检测方法，通过主动发射全频段电磁波，对高压电柜内部进行实时扫描，评估局部放电类型；根据局部放电类型发射特定频率电磁波，捕获叠加有局部放电信号的特性回波；将特性回波与数据库对比分析确认局部放电情况。
局部放电信号的频谱范围如下：
1）超声检测技术：放电信号频率高于20kHZ的声波；
2）高频检测技术：放电信号频率在40kHZ-300MHZ之间电磁波；
3）超高频检测技术：放电信号频率在300MHZ-1.5GHZ之间电磁波。
以上局部放电的三种体现形式都有一个共同的特性：就是电磁波特性。本发明提供的主动式全频段在线局部放电检测方法，通过主动发射电磁波，在局部放电时产生的特性电磁波全范围进行实时扫描捕获；捕获叠加有局部放电信号的特性回波；再进行特性对比来实现对局部放电进行检测,分析,评估及判断,并且保存采集的数据。
本发明提供的主动式全频段在线局部放电检测方法，通过主动发射局部放电频谱信号的电磁波,若高压电柜存在这个频谱特性的局部放电,电磁波会产生叠加效应,则会接收到叠加后的特性电磁回波；通过对比发射的电磁波进行频谱特性分析，判断高压电柜的局部放电的状态；再将获得的局部放电状态频谱与局部放电特征库比较,获得局部放电的强度频谱及放电分析报告
本发明提供的主动式全频段在线局部放电检测方法，能够在线实时对不同类型的局部放电进行检测，并且，无需多种传感装置；解决了现有技术中不同类型的局部放电检测需要不同的传感装置，导致检测设备繁琐、复杂的问题；另外，通过在线实时监测，实现了判断预警及历史数据处理。
具体实施时，如图1所示；所述方法步骤具体如下：
S10、在高压电柜内部发射全频段电磁波；并实时接收电磁波回波信号，将电磁波回波信号的dB值或频谱值与设置阈值进行比较，进行局部放电信号评估，确认局部放电类型；该步骤中，设置阈值为主动发射的电磁波的dB值或频谱值；全频段包括但不限于局部放电频率范围；另外，通过信号幅值比较与频谱特性进行局部放电信号评估方法如下；
通过比较信号幅值检测出信号强弱；若信号弱，则直接排除;若信号强，则通过频谱特性进行对比排除；因为每一种局部放电的频谱在频率上不是连续的,如在某一局部放电的频率上有可能是干扰信号,这种信号必须要加以滤除,包括两个方法：信号幅值比较法和频谱特性分析法；如信号弱，则信号幅值小于设定阈值（如-20dB，设定阈值可根据实际需要设定），就直接排除;如信号强，则信号幅值大于设定阈值（如-20dB）,则使用频谱的对比来排除。
S20、根据局部放电类型选中频道范围，然后发射特定频率载波；
上述步骤10、步骤20均由宽频带载波频率发生器实现；
S30、接收带有局部放电信号的特性回波；该步骤中，通过前述主动发射的局部放电频谱信号的电磁波；若高压电柜有这个频谱特性的局部放电,电磁波会产生叠加效应，则特性回波为叠加电磁波；
S40、将特性回波信号放大、过滤、调解、解码得到局部放电信号的频谱；
S50、将局部放电的频谱与局部放电特征库比较,获得局部放电信号的强度频谱及放电分析报告；
S60、保存局部放电信号的强度频谱及放电分析报告。
优选地，若接收到的局部放电信号的频率为A，则发射频率为A±B；B为偏移量，用于消除误差；
具体地：接收到的局部放电信号的频率为A；
若A大于20kHZ，则发射频率为A±B；
若A为40kHZ-300MHZ，则发射频率为A±B；
若A为300MHZ-1.5GHZ，则发射频率为A±B；其中，B为边移量。
该步骤中B的值可根据实际情况而定； B的值包括但不限于50Khz、1000 Khz、10Mhz、20Mhz、50Mhz等；
如何判断是属于局部放电,例如步骤S10中检测到的局部放电的频率为1300Mhz（超高频）,则分别发射频率为1280Mhz以及1320Mhz的电磁波，其强度均为+5dB（包括但不限-5dB、±4 dB、±1 dB、±2 dB，该强度可根据实际情况调整）的余弦信号,若存在局部放电则上述余弦信号会与局部放电信号产生叠加,接收回来的特性回波信号为叠加信号；将特性回波信号放大、过滤、调解、解码得到局部放电的频谱；通过发射频率为A±B的设计，能够减小误差，避免误判。
上述如何判断是属于局部放电中，存在局部放电时，叠加信号的频率与发射的频率存在明显的差异；如发射频率为1300Mhz（如图4所示），强度为-5dB的电磁波，若接收到强度为-1dB（允许误差，如图6所示，接收到的强度为-1.05dB）或-10dB等与发出的电磁波的强度存在明显差异，则说明存在该频道范围内的局部放电情况；若接收到的强度为-5dB（允许存在误差，如图5所示，如接收到强度为-5.66dB），则证明无该频道范围内的局部放电。为避免误判通过再次发射强度-5dB，频率为1280Mhz、1320Mhz的电磁波进行检验。超声局部放电及高频局部放电的检测原理与如上所述的超高频局部放电的判断原理相同。
优选地，步骤S40中的解码方法如下：
解码原理为：设一个频率带限信号x(t),其频带限制在(0,
Figure 376889DEST_PATH_IMAGE018
)内,如果以不小于
Figure 148536DEST_PATH_IMAGE020
=2
Figure 410759DEST_PATH_IMAGE018
的采样速率对x(t)进行等间隔采样,得到时间离散的采样信号x(n)=x(n
Figure 355581DEST_PATH_IMAGE022
)（其中
Figure 521114DEST_PATH_IMAGE024
称为采样间隔),则原信号x(t)将被所得到的采样值x(n)完全确定。
S441、对于输入信号x(t)用采样频率进行抽样，获得抽样信号
Figure 463662DEST_PATH_IMAGE002
；所述抽样信号
Figure 963914DEST_PATH_IMAGE002
的频谱为原信号频谱的多次叠加；该步骤中，发明人经过自主研发设计了如下抽样信号
Figure 384531DEST_PATH_IMAGE002
:
引入冲击函数δ(t)(也称为δ函数),构成周期冲击函数P(t)；
Nyquist公式:P(t)
Figure 162826DEST_PATH_IMAGE026
；其中，δ函数的性质如下：
Figure 338592DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 263823DEST_PATH_IMAGE030
为在原点连续的任意信号,并把P(t)用傅里叶级数展开,得到如下公式;
Figure 424994DEST_PATH_IMAGE034
；
对于x(t)用采样频率
Figure 709345DEST_PATH_IMAGE020
进行抽样，抽样信号
Figure 433456DEST_PATH_IMAGE002
如下：
Figure 523772DEST_PATH_IMAGE008
Figure 705354DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 708076DEST_PATH_IMAGE012
，所述P(t)为周期冲击函数；
S442、然后进行数字滤波；滤波公式如下:
Figure 670216DEST_PATH_IMAGE006
；其中：
x(n)为输入的抽样信号；Y(n)为输出；h(n)为冲激响应；
该步骤用离散卷积符号*可简单表示为Y(n)=h(n) *x(n)；通过离散卷积进行时域与频域的转换；
S443、再根据cordic算法进行信号瞬时特征提取；该步骤中，通过信号瞬时特征提取得到如下公式：
Figure 236327DEST_PATH_IMAGE014
；
其中：a(t)为瞬时幅度；Ǿ(t)为瞬时相位；
Figure 849580DEST_PATH_IMAGE016
为信号源的频率；
S444、经过cordic算法后，提取瞬时幅度a(t)、瞬时相位Ǿ(t)、瞬时频率f(t)= Ǿ(t)/2的值以表格形式存于ROM中。
通过如上发明人自主设计的算法，对接收到的特性回波进行解码，得出瞬时幅度a(t)、瞬时相位Ǿ(t)、瞬时频率f(t)等信息，用于评价局部放电类型、局部放电严重情况以及局部放电位置等局部放电情况。特性频谱图，如图7所示， 图中右上角的大图中显示发生的局部放电的频率为852.450MHz； 图中的中下部的小图表示发出与接收到的电磁波的相位差，相位差越大判断环境对局部放电的影响；图中右下角的小图为幅值图，表示局部放电的严重情况，凸起越多表示局部放电越严重。
如图2所示，本发明另外提供的主动式全频段在线局部放电检测系统，包括PC端、采集器、多通道发射天线10、宽频带载波频率发生器20和宽频段接收器30；多通道发射天线10、宽频带载波频率发生器20和宽频段接收器30置于被检测设备内部；
多通道发射天线10用于发射电磁波; 多通道发射天线10为三频道发射天线，包括TEV检测发射天线，超声波检测发射天线和UHF检测发射天线；
宽频段接收器30用于接收电磁波; 宽频段接收器30包括TEV检测接收天线，超声波检测接收天线和UHF检测接收天线；宽频段接收器30是本系统很重要的单元，其具备信号放大,滤波,ADC高速转换和解调功能。
宽频带载波频率发生器20（宽频带载波频率发生器20电路图如图3所示，）用于评估宽频段接收器30接收的信号，判断多通道发射天线10是否发射特定频率载波；宽频带载波频率发生器是载波信号形成的关键部件,在宽频段接收器30接收到局部放电信号时，宽频带载波频率发生器20内的MCU进行频谱幅值比较后,在确认是否触发信号激励单元及数字调制单元而产生对应的发射特定频率载波（即局部放电特征的载波频率）；
采集器用于分析局部放电信号的频谱，进行局部放电信号强度评估；采集器为对比分析器；
PC端用于接收并处理采集单元的评估数据与局部放电信号的特征数据，输出实时曲线、报警触发等。
本发明另外提供的主动式全频段在线局部放电检测系统，利用在金属密闭空间的高压电柜安装的多通道发射天线10主动发射电磁波进行扫描；宽频段接收器30接收高压电柜内的电池波，并将接收到信息发送至宽频带载波频率发生器20；宽频带载波频率发生器20接收宽频段接收器30的信息，并对其进行信号放大,滤波,ADC高速转换和解调，进行频谱幅值比较后,确认是否触发信号激励单元及数字调制单元而产生对应的带有局部放电特征的电磁波；宽频带载波频率发生器20将是否发射带有局部放电特征的电磁波的信号发送至多通道发射天线10；
当多通道发射天线10发射带有局部放电特征的电磁波时，如果高压电柜有这个频谱特性的局部放电,电磁波会产生叠加效应, 宽频段接收器30会接收到叠加后的电磁波,通过信号馈线传送到柜外的采集单元,采集单元对比发射的电磁波进行频谱特性分析判断高压电柜的局部放电的状态,对局部放电的强度进行评估,把评估数据与局部放电的特征数据发送到后台PC端, PC端通过数据库处理后保存并输出实时曲线,报警触发等。
本发明另外提供的主动式全频段在线局部放电检测系统，实现了在线带电监测，通过采集器、多通道发射天线、宽频带载波频率发生器和宽频段接收器常年安装在被检测的高压电柜上，来进行检测；实现了在带电运行状态下进行局部放电安全隐患检测；通过本发明提供的主动式全频段在线局部放电检测系统，可以依据设备运行状况灵活安排检测周期，便于及时发现设备的隐患，了解隐患的变化趋势等。尽管本文中较多的使用了诸如局部放电、瞬时相位、瞬时幅度等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.主动式全频段在线局部放电检测方法，其特征在于：通过主动发射全频段电磁波，对高压电柜内部进行实时扫描，评估局部放电类型，所述局部放电类型根据局部放电信号频谱范围划分；根据局部放电类型发射特定频率电磁波，捕获叠加有局部放电信号的特性回波；将特性回波与数据库对比分析完成局部放电检测；
评估局部放电类型的具体方法如下：
在高压电柜内部发射全频段电磁波；并实时接收电磁波回波信号，将电磁波回波信号的dB值或频谱值与设置阈值进行比较，其中设置阈值为主动发射的电磁波的dB值或频谱值；进行局部放电信号评估，确认局部放电类型；
完成局部放电检测的方法具体如下：
捕获叠加有局部放电信号的特性回波；将特性回波信号放大、过滤、调解、解码得到局部放电信号的频谱；
将局部放电信号的频谱与局部放电信号特征库比较,获得局部放电分析报告；完成局部放电检测。
2.根据权利要求1所述的主动式全频段在线局部放电检测方法，其特征在于：根据局部放电类型选中频道范围，发射特定频率载波；所述频道范围为局部放电频率±偏移量。
3.根据权利要求1所述的主动式全频段在线局部放电检测方法，其特征在于：通过信号幅值比较与频谱特性进行局部放电信号筛选，再评估局部放电类型。
4.根据权利要求1所述的主动式全频段在线局部放电检测方法，其特征在于：所述解码的方法如下：
S441、对于输入信号x(t)用采样频率进行抽样，获得抽样信号Xs(t)；所述抽样信号Xs(t)的频谱为原信号频谱的多次叠加；
S442、抽样信号Xs(t)进行数字滤波；滤波公式如下:
Figure FDA0002833290650000021
其中：
x(n)为输入的抽样信号；Y(n)为输出；h(n)为冲激响应；
S443、根据cordic算法进行信号瞬时特征提取；
S444、经过cordic算法后，提取瞬时幅度a(t)、瞬时相位
Figure FDA0002833290650000022
瞬时频率
Figure FDA0002833290650000023
的值以表格形式存于ROM中。
5.根据权利要求4所述的主动式全频段在线局部放电检测方法，其特征在于：所述抽样信号Xs(t)如下:
Figure FDA0002833290650000024
其中，
Figure FDA0002833290650000025
所述P(t)为周期冲击函数。
6.根据权利要求4所述的主动式全频段在线局部放电检测方法，其特征在于：通过信号瞬时特征提取得到如下公式：
Figure FDA0002833290650000026
其中：a(t)为瞬时幅度；
Figure FDA0002833290650000027
为瞬时相位；f0为信号源的频率。
7.主动式全频段在线局部放电检测系统，使用如权利要求1-6任一项所述的主动式全频段在线局部放电检测方法，其特征在于：包括采集器、多通道发射天线(10)、宽频带载波频率发生器(20)和宽频段接收器(30)；所述多通道发射天线(10)、宽频带载波频率发生器(20)和宽频段接收器(30)置于被检测设备内部；
所述多通道发射天线(10)用于发射全频段电磁波和/或特定频率电磁波；
所述宽频段接收器(30)用于捕获特性回波和/或接收全频段电磁波的回波；
所述宽频带载波频率发生器(20)根据所述宽频段接收器(30)接收的全频段电磁波的回波，评估局部放电类型；
所述采集器用于将特性回波与数据库对比分析完成局部放电检测。
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