CN111111051B - 一种提升水雾电气绝缘能力的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升水雾电气绝缘能力的方法及系统，包括水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统，通过水雾带电灭火自动控制方法，实时调控系统各节点参数，实现了水的绝缘安全应用。该方法和系统将连续的水破碎雾化，通过调控水雾的雾滴直径、雾滴均匀度、雾滴间隙，获得满足绝缘应用条件的水雾，解决了水不能带电应用的难题，可广泛应用至电气火灾带电灭火、电力设备带电降温与带电清洁等适合应用水，但又有高的电气绝缘要求的应用领域，极大地扩大了水作为清洁环保介质的应用场合，安全、经济且环保。
Description
技术领域
本发明涉及电网安全领域，具体涉及一种提升水雾电气绝缘能力的方法及系统。
背景技术
电网作为电力能源供应的命脉，是电力系统中各种电压的变电所以及输配电线路组成的整体，主要包含输电线路、变压器、绝缘子等各类电力设备。随着我国能源互联网和特高压电网的快速发展，电力设备带电电压越来越高，最高达1100kV，这也使得电力设备在各种复杂的气候条件下的长期稳定运行面临诸多安全风险。
例如，处于山间的输电线路下方的山火容易导致线路跳闸，2013年山火先后导致国家电网公司1000kV特高压交流长南 I 线故障停运 3 次、±800kV特高压锦苏直流单级相继闭锁，严重威胁电力供应；大型变压器内部含有上百吨可燃变压器油，其发生故障后极易发生火灾并造成周边带电设备连锁火灾，2018年我国多个换流站发生了变压器火灾，烧毁了多台变压器及其相连的阀厅，经济损失十分巨大。
进一步的，如果架空输电线路下方发生山火且火势发展迅猛，由于输电线路带电运行无法做到停电灭火，那么消防人员在线路下方利用消防射流水灭火时存在触电风险，因此对于输电线线路的火灾需要带电灭火。现有的变压器灭火系统通常是设置为长时间自动运行，如果变压器发生火灾，可能存在因人为或系统故障发生误喷的风险，因此变压器灭火系统需要带电灭火，且即使系统误动作也不造成变压器短路跳闸，确保变压器安全。而目前已有的气体、液体灭火和干粉灭火无法满足电网设备带电灭火要求，因此目前国内外输电线路山火和变压器火灾等电力设备火灾灭火通常都采用停电后进行灭火的方法。然而按照电力公司的安全操作规程，电力设备停电操作时间很长，影响及时灭火；而且特高压等重要线路输送功率大，线路停运将造成大面积停电将会给社会生产生活造成不良影响，因此通常无法做到停电灭火。
进一步的，电网中的变压器设备通常在夏天重负荷情况下运行温度升高，长时间的高温将会加速变压器的绝缘老化，严重时可导致变压器损坏、起火爆炸等危险状况。但是变压器夏天运行时负荷大，难以停电，因此需要进行带电降温。此外电力设备中的高压套管、绝缘子等长期室外运行，容易染污，染污破坏电气设备绝缘，因此需要定期清洗。同样由于电力设备运行过程中难以停电，也需要对高压套管和绝缘子进行带电清洁。现有技术中在电力设备的带电降温和清洁方面，专利CN103956254A记载了一种在变压器器身上安装透气通道，利用干冰在透气通道中循环，实现变压器降温的方法，专利CN103433241A提出了一种利用干冰清洗绝缘子的方法与设备。干冰虽然具有绝缘能力，可以带电应用，但是干冰不易储存，需要一个复杂的存储和循环应用系统，且利用干冰降温和清洗电力设备的操作过程复杂，经济性也差。
因此为了电网设备消防安全中实现带电操作，有必要提出既能满足电网设备绝缘性要求，又能降低消防处理复杂性的技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现今常规水由于含有大量导电离子而导电，绝缘能力低，不能带电应用的难题，提出一种提升水雾电气绝缘能力的方法及系统，其利用将连续的射流水雾化成一定雾滴直径、雾滴均匀度和雾滴间隙距离的水雾，使得水雾的击穿电压高于空气的击穿电压，实现水的绝缘应用。
一种提升水雾电气绝缘能力的方法，包括：
步骤1，建立水雾电气绝缘能力测试平台；所述测试平台包括水压系统控制的生成水雾喷头，以及由电源控制的模拟电极；测试平台所在环境条件模拟应用水雾进行带电操作的场所条件；
步骤2，通过调整喷头向模拟电极间隙喷出的不同参数的水雾，测试获得满足要求的水压系统的供水流量和供水压力；所述参数包括雾滴直径、雾滴间隙和雾滴均匀度；
步骤3，确定应用水雾进行带电操作的场所水雾系统的管网参数，构建所述水雾系统的拓扑连接矩阵。
其中所述测试平台包括模拟电极、电源、电压测量装置、水压系统、雾滴物性测量装置、喷头、压力与流量测量设备；
所述电源和电压测量装置连接模拟电极，分别用于给电极提供电压以及获得电压值；所述水压系统和压力与流量测量设备连接喷头，分别用于向喷头提供水源供给和测量水流量和压力；所述喷头向模拟电极间隙喷出的水雾，由所述雾滴物性测量装置测量水雾的各种参数。
所述测试平台所在环境条件包括气压值，其采用应用水雾进行带电操作的场所环境下的气压值。
其中步骤2进一步包括：
步骤2.1，利用水雾喷头将水破碎雾化，通过调节水压系统的供水流量W和供水压力P，以及喷头的结构参数，获得一定雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；利用喷头向电极间隙间喷射雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；
步骤2.2，利用电源向模拟电极间施加电压，直至电极间隙被击穿，获得水雾间隙的击穿电压U水雾；
步骤2.3，利用电源向模拟电极间施加电压，不喷射水雾，直至电极间空气间隙被击穿，获得空气间隙的击穿电压U空气；
步骤2.4，若
，则此时的供水流量为安全供水流量Wa，此时的供水压
力为安全供水压力Pa；若
，则重复以上步骤，直至获得满足要求的Wa范围和Pa范
围；
其中所述应用水雾进行带电操作的场所水雾系统包含水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统；
所述水源与水压系统、管道、节点、喷头终端依次相连，产生水雾；
位于节点与终端上的压力信号采集装置获得各节点与终端的压力信号，位于节点与终端上的流量信号采集装置获得各节点与终端的流量信号；
位于节点上的节点控制元件获得来自控制系统的控制信号，通过调节节点的开闭程度，调控通过各节点的供水流量与供水压力，从而进一步控制喷头产生的水雾；
控制系统控制各节点的压力与流量，以及各节点控制元件的参数，使得喷头产生满足带电绝缘条件的水雾。
其中调节水雾雾滴的雾滴直径、雾滴均匀度和雾滴间隙距离的方法包括调节水压系统的供水流量和供水压力，以及调节喷头的结构参数。
其中所述步骤3进一步包括以下步骤：
步骤3.1，初始设置所述水雾系统的总供水流量为Wz，Wz满足
的要求，n
为水雾喷头的数量；初始设置水雾系统的总供水压力Pz为安全供水压力Pa；
步骤3.2，采用传感器直接反馈节点供水流量Wj和节点供水压力Pj，获得终端供水流量We和终端供水压力Pe；
步骤3.3，根据终端供水流量We和终端供水压力Pe，调节总供水流量为Wz和总供水压力Pz，以及各节点的开闭程度，使所有终端的供水流量We和终端供水压力Pe始终处于所述安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围，实现带电应用；
步骤3.4，当终端供水流量We和终端供水压力Pe偏离安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围，自动关闭所述水雾系统，停止应用。
其中所述步骤3.2中采用传感器直接反馈的方式替换为建立系统多参数水流控制方程，利用非线性解耦的方法计算水雾系统各节点供水流量Wj和节点供水压力Pj，具体步骤包括：
通过分析水雾系统管网拓扑和参数，结合质量守恒定律和动量守恒定律得到水流圣维南方程组：
其中p表示在管道中水压，q表示流量，x表示水流方向的距离；A表示垂直于方向的管道的横截面积，d为特征长度，V为流体的速度；整个系统方程可以简化为以下形式：
其中X为未知参数向量，Y0为限定条件（喷头终端所需求的安全供水压力Pa与安全供水流量Wa）或观测向量（监测的供水流量Wj和供水压力Wp），X和Y0均以矩阵的形式表达；采用迭代的方法对其进行求解，若通过k次迭代求解，逐步逼近系统每一个节点真实的压力和流量，从而可以调节系统的泵组和阀门以满足应用水雾带电操作要求；
采用泰勒级数展开的方法将上式线性化：
其中
为参数向量的雅克比矩阵，即：
从而实现供水流量和供水压力的非线性解耦求解，然后将计算值与监测节点的监测值进行对比，并反馈至控制系统中。
其中所述雾滴直径的物理含义为：99%的雾滴颗粒均在某雾滴直径值下，则该值为雾滴直径；
所述雾滴间隙为雾滴间的平均间隙长度；
所述雾滴均匀度由下式定义：
其中di为颗粒雾滴直径，d为水雾的Dv0.50平均雾滴直径，Wi为雾滴直径为di的颗粒占雾滴群总体的体积百分比；其中Dv0.50定义为：50%的雾滴颗粒均在某雾滴直径下，该值即为Dv0.50平均雾滴直径。
其中所述测试平台以及所属应用水雾进行带电操作的场所水雾系统中，在生成水雾所用的水中添加0.01%-0.5%的光吸收剂或光转化剂。
其中所述光吸收剂或光转化剂为N,N'-二水杨醛-1,3-丙二胺、单苯甲酸间苯二酚酯、聚乙二醇-二羟基二苯甲酮聚合物、二苯甲酮聚氧乙烯醚、2,4-二羟基-5-磺酸基二苯甲酮、二氧化钛、氧化锌中的一种或多种的组合。
一种应用于提升水雾电气绝缘能力的方法的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括模拟电极、电源、电压测量装置、水压系统、雾滴物性测量装置、喷头、压力与流量测量设备；
所述电源和电压测量装置连接模拟电极，分别用于给电极提供电压以及获得电压值；所述水压系统和压力与流量测量设备连接喷头，分别用于向喷头提供水源供给和测量水流量和压力；所述喷头向模拟电极间隙喷出的水雾，由所述雾滴物性测量装置测量水雾的各种参数。
一种应用于提升水雾电气绝缘能力的方法的水雾系统，其特征在于，所述水雾系统设置在应用水雾进行带电操作的场所；
所述水雾系统包含水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统；
所述水源与水压系统、管道、节点、喷头终端依次相连，产生水雾；
位于节点与终端上的压力信号采集装置获得各节点与终端的压力信号，位于节点与终端上的流量信号采集装置获得各节点与终端的流量信号；
位于节点上的节点控制元件获得来自控制系统的控制信号，通过调节节点的开闭程度，调控通过各节点的供水流量与供水压力，从而进一步控制喷头产生的水雾；
控制系统控制各节点的压力与流量，以及各节点控制元件的参数，使得喷头产生满足带电绝缘条件的水雾。
一种输电线路山火水雾带电灭火系统，其特征在于包括测试系统以及水雾系统。
一种变压器水雾带电灭火系统，其特征在于包括测试系统以及水雾系统。
一种变压器带电降温系统，其特征在于包括测试系统以及水雾系统。
一种高压套管水雾带电清洁系统，其特征在于包括测试系统以及水雾系统。
由于常规水导电不能带电应用，而本发明通过将连续的射流水破碎成一定雾滴直径、雾滴均匀度和雾滴间隙距离的水雾，利用水雾雾滴间的空气绝缘间隙，以及水雾表面水分子的电负性，吸收放电电子和光子，提升了水的绝缘能力，解决了水的带电应用问题，从而使水可以广泛应用至电气火灾带电灭火、电力设备带电降温与带电清洁等适合应用水，但又有高的电气绝缘要求的应用领域，极大地扩大了水作为清洁环保介质的应用场合，经济、环境与安全效益显著。
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。
图1为水雾放电光谱分析试验示意图。
图2为水雾雾滴直径与电场畸变程度的关系图。
图3为水雾雾滴间隙与电场畸变程度的关系图。
图4为水雾雾滴均匀度与电场畸变程度的关系图。
图5为一种提升水雾绝缘能力的方法示意图。
图6为获得
的水雾的安全供水流量Wa与安全供水压力Pa的测试平台
示意图。
图7为一种提升水雾电气绝缘能力的系统示意图。
具体实施方式
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
现有技术中水是一种常见的用于灭火、降温和清洁的介质，同时水广泛存在于大自然，廉价易得，不污染环境，环保性好，不仅是扑灭火灾的优良介质，也具有很好的吸热、降温、清洁功能。但是，常规的市政水、河流与湖泊水的导电性，不能够用于带电作业。但是如果能解决常规水的导电性问题，提升其绝缘性能，将其应用至输电线路山火和变压器等电力设备火灾灭火，以及变压器等电力设备的降温，以及高压套管、绝缘子等设备的清洁，则可以显著提升电网的安全性和稳定性，产生极大的经济、环境与安全效益。
经过大量的试验和理论研究（J. Fire Sci., 2018, 36 (4), pp. 395-314; Fire Tech., 2019, 55 (4), pp. 1671-1690, CN106880916A）表明：虽然连续的水流是导电的，但将连续的水破碎雾化成水雾，水雾雾滴间可以形成空气间隙，显著提升绝缘。
但是，仅仅将水破碎雾化，虽然可以在一定程度上提升水的电气绝缘能力，但还不能实现完全安全的带电灭火，因为目前电气设备与人及其它设备的安全间距是根据带电体在空气间隙下的击穿电压来设计的。按照现有的电气安全规程，在空气间隙下，只有当人和设备距离电气设备带电端的距离大于规定的安全间距时，才能安全带电作业与应用，所以如果水雾的击穿电压低于空气的击穿电压，即使水雾的绝缘能力较连续的水流更高，但人和设备距离电气设备带电端的距离还是不能满足带电安全应用的要求。因此，只有当水雾的间隙击穿电压等于或者高于同条件下空气的间隙击穿电压时，水雾才能在现有的电气安全间距下实现完全安全的带电应用。
进一步的研究表明，水雾雾滴表面的水分子具有电负性，可以通过雾滴表面的水
分子吸收间隙放电流柱发展所需的电子，进一步提升水雾间隙的绝缘。可以利用发射光谱
分析技术验证了水雾对电子的吸收现象，试验设计示意图如图1，试验装置由冲击电压发生
器、分压器、绝缘子、上下方电极、光纤光谱仪器和水雾喷放平台构成。首先采用由上下方电
极构成的棒-板电极为试验电极，通过水雾喷放平台向电极间隙中喷射水雾，然后利用光纤
光谱仪采集空气和水雾间隙击穿的放电光谱。通过分析水雾放电光谱中
谱线的半峰宽，
利用公式1获得了空气和水雾间隙放电通道的电子密度。其中，HMLW是半峰宽，N e 为电子密
度。
试验结果可以看出，在给定试验条件下，空气间隙放电的电子密度为0.913968*1023m-3，而水雾间隙放电的电子密度为0.861645*1023m-3。后者较前者降低了5.7%。由此可知，水雾在间隙放电过程中可以吸收电子，阻碍放电流柱的发展，提升空气间隙的绝缘能力。
更进一步的试验与理论研究还表明，水雾的绝缘性能同时与水雾的雾滴直径、雾滴间隙、雾滴均匀度有关。水雾的雾滴直径越小，水雾的绝缘性能越高；水雾的雾滴间隙越大，水雾的绝缘性能越高；水雾的雾滴均匀度越高，水雾的绝缘性能能越高。分析其原因发现，雾滴直径越小，雾滴间隙越大，水雾雾滴颗粒越均匀，水雾雾滴对电场畸变的影响越小，因此水雾间隙的击穿电压越高。
图2、图3、图4分别为雾滴直径、雾滴间隙尺寸、雾滴均匀度对电场畸变的影响。从图中可以看出，雾滴直径的减小、雾滴间隙的增大、雾滴均匀度的增加，可以显著降低电场畸变程度。而当电场畸变程度下降至一定值，通过雾滴颗粒表面的水分子吸收放电过程中的电子和光子，就可以实现水雾的击穿电压高于空气的击穿电压。而当水雾间隙的击穿电压高于空气间隙的击穿电压时，将水雾喷射到电气设备间隙中，就可以确保水雾在应用过程中不引起人身和设备安全问题，实现水雾的带电安全应用。
进一步研究表明，针对一定的应用场合，通过调节水雾产生的供水流量和供水压力，以及喷头的结构参数，可以获得特定范围值内的雾滴直径、雾滴间隙、雾滴均匀度范围，在此范围内，水雾间隙的击穿电压始终高于空气间隙的击穿电压，满足安全应用要求。
基于以上研究即能提出一种提升水雾电气绝缘能力的方法和系统，其可以将连续的射流水雾化成一定雾滴直径、雾滴均匀度和雾滴间隙距离的水雾，使得水雾的击穿电压高于空气的击穿电压，并利用以下操作步骤实现水的绝缘应用：
将水破碎雾化成不连续的水雾雾滴；通过调节水雾雾滴的雾滴直径D、雾滴均匀度Dr和雾滴间隙距离S，获得间隙击穿电压高于空气的水雾，以及获得该水雾的安全供水流量Wa与安全供水压力Pa；其中，安全供水流量Wa为水雾间隙击穿电压U水雾高于空气间隙击穿电压U空气时水雾的供水流量，安全供水压力Pa为水雾间隙击穿电压U水雾高于空气间隙击穿电压U空气时水雾的供水压力。
雾滴直径D的物理含义为：99%的雾滴颗粒均在某雾滴直径值下，则该值为雾滴直径D。雾滴空气间隙S为雾滴间的平均间隙长度。水雾的雾滴均匀度以Dr表示如公式2。
其中di为颗粒雾滴直径，d为水雾的Dv0.50平均雾滴直径，Wi为雾滴直径为di的颗粒占雾滴群总体的体积百分比；其中Dv0.50定义为：50%的雾滴颗粒均在某雾滴直径下，该值即为Dv0.50平均雾滴直径。
调节水雾雾滴的雾滴直径D、雾滴均匀度Dr和雾滴间隙距离S的方法包括调节水压系统的供水流量W和供水压力P，以及调节水雾喷头的结构参数。
水雾喷头为螺旋式喷头与直射-螺旋式喷头中的一种。采用带有螺旋式结构的喷头的原因在于：螺旋式喷头可以利用喷头内部的螺旋水道，以离心力作用将水甩出，实现雾化。离心产生的水雾在喷头出口处就实现了与喷头分离。因此，螺旋式结构喷头产生的水雾雾化速度更快，也更彻底，绝缘性能更好。
直射-螺旋式喷头可以在直射与离心的耦合作用下，大幅提高水雾的射程，并保持较小的水雾雾径，可以实现长射程带电应用。
调节喷头的结构参数，主要包括调节喷孔的直径尺寸、螺旋结构的角度、喷孔出口的圆柱状长度、喷孔出口的收缩角等。
喷头采用圆形喷头、椭圆形喷头、方形喷头、环形喷头的一种或多种的组合，其中优选圆形喷头和椭圆形喷头中的一种或两种的组合。圆形喷头和椭圆形喷头可以起到均匀电场的作用，可在一定程度上提升间隙的绝缘强度。
水雾所用的水为普通市政水、雨水、湖泊水、河流水等，水的电导率不大于
。
可以在水中添加0.01%-0.5%重量百分比的光吸收剂或光转化剂，这些光吸收剂或光转化剂为N,N'-二水杨醛-1,3-丙二胺、单苯甲酸间苯二酚酯、聚乙二醇-二羟基二苯甲酮聚合物、二苯甲酮聚氧乙烯醚、2,4-二羟基-5-磺酸基二苯甲酮、二氧化钛、氧化锌中的一种或多种的组合。光吸收剂或光转化剂可以吸收间隙放电流柱中的光子，特别是紫外波长范围内的光子，抑制放电过程中的光电离，改善间隙的绝缘性能。
需要说明的时，由于应用场合的不同，满足带电应用要求的雾滴直径D、雾滴均匀度Dr和雾滴间隙距离S不同。这是由于应用场合不同，温度、湿度、大气压、带电端结构等均不同。因此需要针对特点的应用场合，开展相应的模拟试验，获得满足该带电应用要求的雾滴直径D、雾滴均匀度Dr和雾滴间隙距离S，以及产生该水雾的安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa，指导带电应用。
获得满足
条件的安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围的方法为：
步骤1，搭建测试平台，平台包括模拟电极、电源、电压测量装置、水压系统、雾滴物性测量装置、喷头、压力与流量测量设备；
步骤2，利用水雾喷头将水破碎雾化，通过调节水压系统的供水流量W和供水压力P，以及喷头的结构参数，获得一定雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；
步骤3，利用喷头向电极间隙间喷射雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；
步骤4，利用电源向模拟电极间施加电压，直至电极间隙被击穿，获得水雾间隙的击穿电压U水雾；
步骤5，利用电源向模拟电极间施加电压，不喷射水雾，直至电极间空气间隙被击穿，获得空气间隙的击穿电压U空气；
步骤6，若
，则此时的供水流量为安全供水流量Wa，此时的供水压力为安
全供水压力Pa。
后续，可以根据应用水雾进行带电操作的场所的条件，确定应用水雾进行带电操作的场所水雾系统的管网参数，构建水雾系统的拓扑连接矩阵。
其中，水雾系统的拓扑连接矩阵是指，在实际应用时，用于形成满足安全供水流量和安全供水压力的水雾的管网连接结构。水雾系统的拓扑连接矩阵包括沿水流方向顺次连接的水源、水压系统、管道、节点以及喷头终端。水雾系统的拓扑连接矩阵还可以包括节点控制元件，该节点控制元件与节点连接，用于控制节点的开闭程度。
水雾系统的管网参数，也可称为需要搭建的水雾系统的拓扑连接矩阵的相关参数，即影响水雾系统形成的水雾的雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、以及雾滴间隙距离S中至少一个值的参数。示例性地，水雾系统的管网参数，包括但不限于喷头的个数、管道的内径、管道的长度、节点的位置、节点的开关状态、管道或节点处的压力、以及管道或节点处的流量等。
“确定应用水雾进行带电操作的场所水雾系统的管网参数，构建水雾系统的拓扑连接矩阵”的实质是，根据需要应用水雾进行带电操作的场所的实际情况，确定水雾系统的拓扑连接矩阵的相关参数；基于该水雾系统的拓扑连接矩阵的相关参数，构建或调整水雾系统的拓扑连接矩阵的具体连接方式、节点的开闭程度、总供水流量、和总供水压力等，使得所搭建的水雾系统的拓扑连接矩阵能够形成满足带电绝缘条件的水雾。
示例性地，初始设置水系统的总供水流量Wz，Wz满足
的要求，n为水雾
喷头的数量；初始设置系统的总供水压力Pz为安全供水压力Pa。
建立系统多参数水流控制方程，利用非线性解耦的方法计算水系统各节点供水流量Wj和节点供水压力Pj的方法，或者采用传感器直接反馈节点供水流量Wj和节点供水压力Pj的方法，或者利用这两种方法的结合，获得终端供水流量We和终端供水压力Pe。
根据终端供水流量We和终端供水压力Pe，调节总供水流量为Wz和总供水压力Pz，以及各节点的开闭程度，使所有终端的供水流量We和终端供水压力Pe始终处于安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围，实现带电应用。
当终端供水流量We和终端供水压力Pe偏离安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围，自动关闭系统，停止应用。
提升水雾电气绝缘能力的系统包括水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统；所述水源与水压系统、管道、节点、喷头终端相连接，产生水雾；所述节点与终端压力信号采集装置获得各节点与终端的压力信号；所述节点与终端流量信号采集装置获得各节点与终端的流量信号；所述节点控制元件获得控制系统的控制信号，通过调节节点的开闭程度，调控通过各节点的供水流量与供水压力；控制系统监测各节点的压力与流量，以及控制各节点控制元件，获得满足带电绝缘条件的水雾。
节点控制元件为电动球阀、电动蝶阀、气动阀、定压释放接头中的一种或多种的组合，实现控制供水流量与供水压力。
综上所述，可以通过对水雾的物理参数进行设置从而提高其绝缘性能，能够具体应用在灭火、降温和清洁等各种带电消防操作中。
实施例1：输电线路山火水雾带电灭火方法及系统，实现方法如图5。具体步骤说明如下：
某输电线路的电压类型为交流电，电压等级为1000kV，即电压U为1100kV。采用直
射-离心雾化喷头产生水雾灭火。直射-离心雾化喷头的雾化距离可达25m以上，有利于远距
离带电灭火。喷头的形状为圆形，有利于改善喷头周围的电场分布，改善灭火设备绝缘性
能。采用野外溪水为灭火介质，溪水的电导率为
。
搭建图6所示的安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围测试平台，平台包括模拟电极、电源、电压测量装置、水压系统、雾滴物性测量装置、喷头、压力与流量测量设备；电源和电压测量装置连接模拟电极，分别用于给电极提供电压以及获得电压值；水压系统和压力与流量测量设备连接喷头，分别用于向喷头提供水源供给和测量水流量和压力；喷头向模拟电极间隙喷出的水雾，可以由雾滴物性测量装置测量水雾的各种参数。测试环境的条件模拟现实应用的场所条件，比如气压值采用现实应用环境下的气压值，或者可在应用场所直接进行测试。
测试平台中模拟电极采用喷头-导线模型，测试具体步骤如下：
S101，利用水雾喷头将水破碎雾化，通过调节水压系统的供水流量W和供水压力P，以及喷头的结构参数，获得一定雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾，利用喷头向电极间隙间喷射雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；
S102，利用电源向模拟电极间施加电压，直至电极间隙被击穿，获得水雾间隙的击穿电压U水雾；
S103，利用电源向模拟电极间施加电压，不喷射水雾，直至电极间空气间隙被击穿，获得空气间隙的击穿电压U空气；
S104，若
，则此时的供水流量为安全供水流量Wa，此时的供水压力为
安全供水压力Pa；若
，则重复S101-S103，直至获得满足要求的Wa范围和Pa范围；
S105，确定水雾系统的管网参数，构建应用场所的水雾系统的拓扑连接矩阵。
输电线路山火灭火系统的水雾系统具体结构的参见图7，包含水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统。水源与水压系统、管道、节点、喷头终端依次相连，产生水雾。位于节点与终端上的压力信号采集装置获得各节点与终端的压力信号，位于节点与终端上的流量信号采集装置获得各节点与终端的流量信号。位于节点上的节点控制元件获得来自控制系统的控制信号，通过调节节点的开闭程度，调控通过各节点的供水流量与供水压力。控制系统控制各节点的压力与流量，以及各节点控制元件的参数，使得喷头产生满足带电绝缘条件的水雾。
输电线路山火属于户外开阔场所的火灾，每一套输电线路山火灭火系统只设置了
1-2个灭火喷头终端。由于输电线路山火带电灭火系统的灭火终端较少，所以系统可以采用
传感器直接反馈流量和压力的方法获得终端供水流量We和终端供水压力Pe，简单易行。初始
化输电线路山火带电灭火系统，设置水系统的总供水流量为Wz，
乘以喷头的个数
n，n为喷头的数量。设置水系统的总供水压力Pz为安全供水压力Pa。利用传感器反馈获得的
终端供水流量We和终端供水压力Pe，调节总供水流量为Wz和总供水压力Pz，使终端供水流量
We和终端供水压力Pe始终处于安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa的范围，实现带电应
用。当终端供水流量We和终端供水压力Pe偏离安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围，
自动关闭喷头与水系统，停止应用。
实施例2：变压器水雾带电灭火方法及系统，实现方法如图5，具体说明如下：
以特高压换流变为例，某换流变压器的运行电压为800kV，即电压U为800kV。根据
国家标准GB50210-2014要求，用于保护特高压换流变压器的供水强度不低于
。
采用直射-离心旋转雾化喷头产生水雾用于灭火，采用市政水为灭火介质，市政水的电导率
为
。由于变压器形状不规整，因此需要几十至上百个喷头作为灭火终端，围绕在变
压器周边，保护变压器。
搭建图6所示的安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围测试平台，平台包括模拟电极、电源、电压测量装置、水压系统、雾滴物性测量装置、喷头、压力与流量测量设备。测试环境的条件模拟现实应用的场所条件，比如气压值采用现实应用环境下的气压值，或者可在应用场所直接进行测试。
测试平台中模拟电极采用喷头-套管模型，测试步骤具体如下：
S201，利用水雾喷头将水破碎雾化，通过调节水压系统的供水流量W和供水压力P，以及喷头的结构参数，获得一定雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；利用喷头向电极间隙间喷射雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；
S202，利用电源向模拟电极间施加电压，直至电极间隙被击穿，获得水雾间隙的击穿电压U水雾；
S203，利用电源向模拟电极间施加电压，不喷射水雾，直至电极间空气间隙被击穿，获得空气间隙的击穿电压U空气；
S204，若
，则此时的供水流量为安全供水流量Wa，此时的供水压力为安
全供水压力Pa；若
，则重复以上步骤，直至获得满足要求的Wa范围和Pa范围；
S205，确定水雾系统的管网参数，构建水雾系统的拓扑连接矩阵。
变压器带电灭火系统的水雾系统具体结构的参见图7，具体结构与实施例1类似，包含水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统。水源与水压系统、管道、节点、直射螺旋雾化喷头依次相连，产生水雾。
根据变压器带电灭火应用要求，设置水系统的总供水流量为Wz，Wz值满足国家标准
GB50210-2014的要求。同时，
乘以喷头的个数 n，n为喷头的数量，设置水系统的总
供水压力Pz为安全供水压力Pa。由于保护变压器火灾的灭火终端数量较多，达几十至上百
个，因此节点众多。变压器灭火系统可以看成一个整体，即牵一发而动全身，改变一个节点
的流量或压力会导致各节点流量、压力的变化。如果全部利用压力与流量信号采集装置采
集系统节点与终端的压力和流量，将造成系统控制复杂，可靠性下降，且成本较高。因此，采
用只对局部节点供水流量Wj和供水压力Wp进行监测，其余大多数节点和终端流量和压力利
用多参数水流控制方程控制的方法进行整体控制，使整个系统结构简单且更可靠。具体方
法如下：
首先通过分析变压器灭火系统管网拓扑和参数，结合质量守恒定律和动量守恒定律得到适用于变压器灭火系统的水流圣维南方程组（式3）。
其中p表示在管道中水压，q表示流量，x表示水流方向的距离；A表示垂直于水流方向的管道的横截面积，d为特征长度，V为流体的速度。最终，整个系统方程可以简化为以下形式：
其中X为未知参数向量，Y0为限定条件（喷头终端所需求的安全供水压力Pa与安全供水流量Wa）或观测向量（监测的供水流量Wj和供水压力Wp），X和Y0均以矩阵的形式表达。采用迭代的方法对其进行求解，若通过k次迭代求解，逐步逼近灭火系统每一个节点真实的压力和流量，从而可以调节变压器灭火系统的泵组和阀门以满足灭火要求。
采用泰勒级数展开的方法将上式线性化：
其中
为参数向量的雅克比矩阵，即：
从而实现供水流量和供水压力的非线性解耦求解。系统的示意图如图7。最后，将计算值与监测节点的监测值进行对比，并反馈至控制系统中，调节总供水流量为Wz和总供水压力Pz，以及节点的开闭程度，使终端供水流量We和终端供水压力Pe始终处于安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa的范围，实现带电应用。当终端供水流量We和终端供水压力Pe偏离安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围，自动关闭喷头与水系统，停止应用。
实施例3：变压器带电降温方法及系统，实现方法如图5，具体说明如下：
以500kV变压器为例，500kV变压器的运行电压为500kV，电压类型为交流电，即电
压峰值U为500kV。用于带电降温应用喷头的供水强度设置为
。采用直射-离心雾
化喷头产生水雾带电降温。采用市政水为灭火介质，市政水的电导率为
。由于变
压器器身不规则，因此，变压器带电降温同样需要几十至上百个喷头。
搭建图6所示的安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围测试平台，平台包括模拟电极、电源、电压测量装置、水压系统、雾滴物性测量装置、喷头、压力与流量测量设备。测试环境的条件模拟现实应用的场所条件，比如气压值采用现实应用环境下的气压值，或者可在应用场所直接进行测试。
测试平台中模拟电极采用喷头-套管模型，具体测试步骤如下：
S301，利用水雾喷头将水破碎雾化，通过调节水压系统的供水流量W和供水压力P，以及喷头的结构参数，获得一定雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾。利用喷头向电极间隙间喷射雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；
S302，利用电源向模拟电极间施加电压，直至电极间隙被击穿，获得水雾间隙的击穿电压U水雾；
S303利用电源向模拟电极间施加电压，不喷射水雾，直至电极间空气间隙被击穿，获得空气间隙的击穿电压U空气；
S304，若
，则此时的供水流量为安全供水流量Wa，此时的供水压力为
安全供水压力Pa。若
，则重复以上步骤，直至获得满足要求的Wa范围和Pa范围；
S305，确定水雾系统的管网参数，构建水雾系统的拓扑连接矩阵。
变压器带电降温系统的水雾系统具体结构的参见图7，具体结构与实施例1、2类似，包含水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统。水源与水压系统、管道、节点、直射螺旋雾化喷头依次相连，产生水雾。
根据变压器降温应用要求，设置水系统的总供水流量为Wz，Wz值的设置满足喷头的
供水强度
的要求。同时，
乘以喷头的个数 n，n为喷头的数量，设置
水系统的总供水压力Pz为安全供水压力Pa。由于保护变压器火灾的灭火终端数量较多，达几
十至上百个，因此节点众多。变压器带电降温系统可以看成一个整体，即牵一发而动全身，
改变一个节点的流量或压力会导致各节点流量、压力的变化。如果全部利用压力与流量信
号采集装置采集系统节点与终端的压力和流量，将造成系统控制复杂，可靠性下降，且成本
较高。因此，采用只对局部节点供水流量Wj和供水压力Wp进行监测，其余大多数节点和终端
流量和压力利用多参数水流控制方程控制的方法进行整体控制，使整个系统结构简单且更
可靠。具体实现方法和实施例2相同。
实施例4：高压套管水雾带电清洁方法及系统。高压套管等染污造成闪络跳闸，需要带电清洁，实现方法如图5，具体说明如下：
某变压器的高压套管电压等级为500kV，即电压U为500kV。采用直射-离心旋转雾
化喷头产生水雾。采用野外溪水为清洁介质，溪水的电导率为
。
搭建图6所示的安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围测试平台，平台包括模拟电极、电源、电压测量装置、水压系统、雾滴物性测量装置、喷头、压力与流量测量设备。测试环境的条件模拟现实应用的场所条件，比如气压值采用现实应用环境下的气压值，或者可在应用场所直接进行测试。
测试平台中模拟电极采用喷头-套管模型，具体测试步骤如下：
S401，利用水雾喷头将水破碎雾化，通过调节水压系统的供水流量W和供水压力P，以及喷头的结构参数，获得一定雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；利用喷头向电极间隙间喷射雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；
S401，利用电源向模拟电极间施加电压，直至电极间隙被击穿，获得水雾间隙的击穿电压U水雾；
S403，利用电源向模拟电极间施加电压，不喷射水雾，直至电极间空气间隙被击穿，获得空气间隙的击穿电压U空气；
S404，若
，则此时的供水流量为安全供水流量Wa，此时的供水压力为
安全供水压力Pa。若
，则重复以上步骤，直至获得满足要求的Wa范围和Pa范围；
S405，确定水雾系统的管网参数，构建水雾系统的拓扑连接矩阵。
高压套管水雾带电清洁系统的水雾系统具体结构的参见图7，具体结构与实施例1-3类似，包含水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统。水源与水压系统、管道、节点、喷头终端依次相连，产生水雾。位于节点与终端上的压力信号采集装置获得各节点与终端的压力信号。位于节点与终端上的流量信号采集装置获得各节点与终端的流量信号。位于节点上的节点控制元件控制各节点的供水流量与供水压力。控制系统控制各节点的压力与流量，以及各节点控制元件，获得满足带电绝缘条件的水雾。
根据高压套管清洁应用要求，高压套管水雾带电清洁系统只设置了2-4个喷头终端，因此n等于2-4。由于终端较少，所以系统采用传感器直接反馈流量和压力的方法获得终端供水流量We和终端供水压力Pe，简单易行。初始化高压套管水雾带电清洁系统，设置水系统的总供水流量为Wz，Wz等于Wa乘以喷头的个数 n。设置水系统的总供水压力Pz为安全供水压力Pa。利用传感器反馈获得的终端供水流量We和终端供水压力Pe，调节总供水流量为Wz和总供水压力Pz，使终端供水流量We和终端供水压力Pe始终处于安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa的范围，实现带电应用。当终端供水流量We和终端供水压力Pe偏离安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围，自动关闭喷头与水系统，停止应用。
本发明通过将连续的射流水破碎成一定雾滴直径、雾滴均匀度和雾滴间隙距离的水雾，利用水雾雾滴间的空气绝缘间隙，以及水雾表面水分子的电负性，吸收放电电子和光子，提升了水的绝缘能力，解决了水的带电应用问题，从而使水可以广泛应用至电气火灾带电灭火、电力设备带电降温与带电清洁等适合应用水，但又有高的电气绝缘要求的应用领域，极大地扩大了水作为清洁环保介质的应用场合，经济、环境与安全效益显著。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种提升水雾电气绝缘能力的方法，其特征在于：
步骤1，建立水雾电气绝缘能力测试平台；所述测试平台包括水压系统控制的生成水雾喷头，以及由电源控制的模拟电极；测试平台所在环境条件模拟应用水雾进行带电操作的场所条件；
步骤2，通过调整喷头向模拟电极间隙喷出的不同参数的水雾，测试获得满足要求的水压系统的供水流量和供水压力；所述参数包括雾滴直径、雾滴间隙和雾滴均匀度；
步骤3，确定应用水雾进行带电操作的场所水雾系统的管网参数，构建所述水雾系统的拓扑连接矩阵；
所述测试平台包括模拟电极、电源、电压测量装置、水压系统、雾滴物性测量装置、喷头、压力与流量测量设备；
所述电源和电压测量装置连接模拟电极，分别用于给电极提供电压以及获得电压值；所述水压系统和压力与流量测量设备连接喷头，分别用于向喷头提供水源供给和测量水流量和压力；所述喷头向模拟电极间隙喷出的水雾，由所述雾滴物性测量装置测量水雾的各种参数；
步骤2进一步包括：
步骤2.1，利用水雾喷头将水破碎雾化，通过调节水压系统的供水流量W和供水压力P，以及喷头的结构参数，获得一定雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；利用喷头向电极间隙间喷射雾滴直径D、雾滴均匀度Dr、雾滴间隙距离S的水雾；
步骤2.2，利用电源向模拟电极间施加电压，直至电极间隙被击穿，获得水雾间隙的击穿电压U水雾；
步骤2.3，利用电源向模拟电极间施加电压，不喷射水雾，直至电极间空气间隙被击穿，获得空气间隙的击穿电压U空气；
步骤2.4，若
，则此时的供水流量为安全供水流量Wa，此时的供水压
力为安全供水压力Pa；若
，则重复以上步骤，直至获得满足要求的Wa范围
和Pa范围；
所述步骤3进一步包括以下步骤：
步骤3.1，初始设置所述水雾系统的总供水流量为Wz，Wz满足
的要
求，n为水雾喷头的数量；初始设置水雾系统的总供水压力Pz为安全供水压力Pa；
步骤3.2，采用传感器直接反馈节点供水流量Wj和节点供水压力Pj，获得终端供水流量We和终端供水压力Pe；
步骤3.3，根据终端供水流量We和终端供水压力Pe，调节总供水流量为Wz和总供水压力Pz，以及各节点的开闭程度，使所有终端的供水流量We和终端供水压力Pe始终处于所述安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围，实现带电应用；
步骤3.4，当终端供水流量We和终端供水压力Pe偏离安全供水流量Wa范围与安全供水压力Pa范围，自动关闭所述水雾系统，停止应用。
2.根据权利要求1所述的提升水雾电气绝缘能力的方法，其特征在于：所述测试平台所在环境条件包括气压值，其采用应用水雾进行带电操作的场所环境下的气压值。
3.根据权利要求1所述的提升水雾电气绝缘能力的方法，其特征在于：所述应用水雾进行带电操作的场所水雾系统包含水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统；
所述水源与水压系统、管道、节点、喷头终端依次相连，产生水雾；
位于节点与终端上的压力信号采集装置获得各节点与终端的压力信号，位于节点与终端上的流量信号采集装置获得各节点与终端的流量信号；
位于节点上的节点控制元件获得来自控制系统的控制信号，通过调节节点的开闭程度，调控通过各节点的供水流量与供水压力，从而进一步控制喷头产生的水雾；
控制系统控制各节点的压力与流量，以及各节点控制元件的参数，使得喷头产生满足带电绝缘条件的水雾。
4.根据权利要求1所述的一种提升水雾电气绝缘能力的方法，其特征在于：调节水雾雾滴的雾滴直径、雾滴均匀度和雾滴间隙距离的方法包括调节水压系统的供水流量和供水压力，以及调节喷头的结构参数。
5.根据权利要求1所述的提升水雾电气绝缘能力的方法，其特征在于：所述步骤3.2中采用传感器直接反馈的方式替换为建立系统多参数水流控制方程，利用非线性解耦的方法计算水雾系统各节点供水流量Wj和节点供水压力Pj，具体步骤包括：
通过分析水雾系统管网拓扑和参数，结合质量守恒定律和动量守恒定律得到水流圣维南方程组：
其中p表示在管道中水压，q表示流量，x表示水流方向的距离；A表示垂直于方向的管道的横截面积，d为特征长度，V为流体的速度；整个系统方程可以简化为以下形式：
其中X为未知参数向量，Y0为限定条件或观测向量，X和Y0均以矩阵的形式表达；采用迭代的方法对其进行求解，若通过k次迭代求解，逐步逼近系统每一个节点真实的压力和流量，从而可以调节系统的泵组和阀门以满足应用水雾带电操作要求；
采用泰勒级数展开的方法将上式线性化：
其中
为参数向量的雅克比矩阵，即：
从而实现供水流量和供水压力的非线性解耦求解，然后将计算值与监测节点的监测值进行对比，并反馈至控制系统中。
6.根据权利要求1所述的提升水雾电气绝缘能力的方法，其特征在于：所述雾滴直径的物理含义为：99%的雾滴颗粒均在某雾滴直径值下，则该值为雾滴直径；
所述雾滴间隙为雾滴间的平均间隙长度；
所述雾滴均匀度由下式定义：
其中di为颗粒雾滴直径，d为水雾的Dv0.50平均雾滴直径，Wi为雾滴直径为di的颗粒占雾滴群总体的体积百分比；其中Dv0.50定义为：50%的雾滴颗粒均在某雾滴直径下，该值即为Dv0.50平均雾滴直径。
7.根据权利要求1所述的提升水雾电气绝缘能力的方法，其特征在于：所述测试平台以及所属应用水雾进行带电操作的场所水雾系统中，在生成水雾所用的水中添加0.01%-0.5%重量百分比的光吸收剂或光转化剂。
8.根据权利要求7所述的提升水雾电气绝缘能力的方法，其特征在于：所述光吸收剂或光转化剂为N,N'-二水杨醛-1,3-丙二胺、单苯甲酸间苯二酚酯、聚乙二醇-二羟基二苯甲酮聚合物、二苯甲酮聚氧乙烯醚、2,4-二羟基-5-磺酸基二苯甲酮、二氧化钛、氧化锌中的一种或多种的组合。
9.一种应用于权利要求1-8任一项所述的提升水雾电气绝缘能力的方法的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括模拟电极、电源、电压测量装置、水压系统、雾滴物性测量装置、喷头、压力与流量测量设备；
所述电源和电压测量装置连接模拟电极，分别用于给电极提供电压以及获得电压值；所述水压系统和压力与流量测量设备连接喷头，分别用于向喷头提供水源供给和测量水流量和压力；所述喷头向模拟电极间隙喷出的水雾，由所述雾滴物性测量装置测量水雾的各种参数。
10.一种应用于权利要求1-8任一项所述的提升水雾电气绝缘能力的方法的水雾系统，其特征在于，所述水雾系统设置在应用水雾进行带电操作的场所；
所述水雾系统包含水源、水压系统、管道、节点、节点控制元件、喷头终端、节点与终端压力信号采集装置、节点与终端流量信号采集装置、控制系统；
所述水源与水压系统、管道、节点、喷头终端依次相连，产生水雾；
位于节点与终端上的压力信号采集装置获得各节点与终端的压力信号，位于节点与终端上的流量信号采集装置获得各节点与终端的流量信号；
位于节点上的节点控制元件获得来自控制系统的控制信号，通过调节节点的开闭程度，调控通过各节点的供水流量与供水压力，从而进一步控制喷头产生的水雾；
控制系统控制各节点的压力与流量，以及各节点控制元件的参数，使得喷头产生满足带电绝缘条件的水雾。
11.一种输电线路山火水雾带电灭火系统，其特征在于包括权利要求9所述的测试系统，以及权利要求10所述的水雾系统。
12.一种变压器水雾带电灭火系统，其特征在于包括权利要求9所述的测试系统，以及权利要求10所述的水雾系统。
13.一种变压器带电降温系统，其特征在于包括权利要求9所述的测试系统，以及权利要求10所述的水雾系统。
14.一种高压套管水雾带电清洁系统，其特征在于包括权利要求9所述的测试系统，以及权利要求10所述的水雾系统。
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