CN111145991A - 新型绕组交错式配电变压器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型配电变压器。综合了现行的壳式变压器和心式变压器的结构优点，可以完全替代现行的配电变压器。成本大幅度降低，突发短路试验合格率基本100%。变压器绕组的冷却效果好、过载能力强，极限容量大，运输方便。极限容量的优点要优于壳式。立式运输不便时，可以倒装运输，降低运输高度。结构紧凑，外观体积小，整体重量轻，结构紧凑，引线安装方便，电容分布均匀，绝缘可靠，抗雷击和操作过电压能力强。

Description

新型绕组交错式配电变压器

技术领域

本发明是一种新型的配电变压器，用于取代现有的配电变压器。

背景技术

配电变压器是应用于电网和电力系统中的一种重要电力设备，主要由铁心和绕组（两者构成变压器器身）构成，绕组也叫线圈。配电变压器主要是心式变压器，绕组同心式排列。

配电变压器基本结构如图1所示（三相），铁心柱截面为圆形、放置方式为立放，线圈截面也为圆形，高、低压线圈依次同心地套在铁心柱上，线圈包围铁心，线圈为同心式排列。铁心柱截面是由多级不同片宽、不同厚度的铁心片叠成，铁心柱截面的外接形状为外接圆，故叫铁心柱截面是圆形。

我国和国外绝大多数厂家均生产绕组同心式心式变压器，只有很少的变压器厂生产壳式变压器。通常对于壳式变压器的生产厂，其所生产的壳式电力变压器的容量大于120MVA，一般电压大于330KV，在小于这一规格时，壳式变压器生产厂也使用心式变压器技术。

心式变压器与壳式变压器在电磁理论上最主要区别是线圈漏磁方向不同，造成线圈所受电动力的方向不同，所以其线圈、铁心结构各有特点。另外，还有一点是铁心磁通计算与分布两者区别较大。

铁心一般由心柱（套装绕组的铁心柱）、铁轭构成，或包括旁柱。心柱截面是圆形，就叫铁心截面是圆形，无论铁轭和旁柱形状，故心柱截面形状，就是铁心截面形状。

心式变压器抗突发短路能力差，对绕组的圆度要求极高，如绕组圆度稍差，抗突发短路能力急剧下降。配电变压器由于市场环境的需要，对成本要求极端苛刻，现国内各企业均以牺牲短路能力为代价，采用长圆形铁心和绕组获得成本的降低。配电变压器突发短路试验通过率极低，目前国内不超10%，甚至很多企业无一合格。由于成本和产品合格率原因，国内一些生产和科研院所又设计了一批心式椭圆绕组的配电变压器，规格主要是10KV电压，容量在30—1600KVA，成本降低了，但据国网公司抽查，突发短路试验合格率不超30%，按国家标准规定突发短路未通过属不合格产品。

变压器端部电场是指绕组端部对上、下铁轭和对相邻绕组的端部之间及绕组端部对油箱及其他接地零部件之间的电场。绕组端部往往承受较高幅值的工频和冲击电压的作用。当电场状况差时，变压器体积和重量增加，因此要求在不降低应有的绝缘强度的前提下，尽可能减小端部的绝缘距离，但端部电场状况极复杂，它是一个容易发生沿面爬电的结构，解决放电问题的办法是增加绝缘距离或者增加角环。

为改善绕组端部的电场分布，高压绕组端部电场改善措施之一就是采用角环。角环是变压器主绝缘最重要一种，角环分正角环和反角环，如图2、3。

绝缘端圈包括铁轭绝缘、铁轭垫块及纸板圈上粘有垫块的各种端部绝缘。它们是变压器主绝缘之一，主要作用是分割油隙、增加爬距、增加击穿强度。铁轭垫块是粘合在铁轭绝缘上的垫块，是构成油隙的主要零部件，外形相似于砖块。

在传统同心式变压器中绝缘端圈就是对绕组端部和铁心铁轭之间的防护。但在绕组交错排列的心式变压器和壳式变压器中，它们即是绕组端部和铁心铁轭之间的防护，也是相邻绕组端部之间的防护。

上述绝缘的主要问题在于：

首先，绕组交错式配电变压器和壳式变压器大多数状况下绕组无法使用反角环。在绕组交错排列配电变压器的某一绕组端部的铁心一侧（绕组内侧），当需要与铁心和另一绕组相同侧（绕组内侧）的端部进行防护时，可以用正角环。在绕组交错排列配电变压器某一绕组端部的非铁心一侧（绕组外侧）的端部进行防护时，大多数状况下无法使用反角环，因为绕组交错排列配电变压器绕组高度极矮，当采用外角环时，会把整个绕组包住，变压器油无法流动，绕组温升会达到无法接受的程度。

其次，绕组交错式配电变压器和壳式变压器如取消反角环，必须靠增大两绕组端部绝缘距离的办法来增加沿面爬电距离，造成成本大升。

从目前国内市场状况分析，决定变压器企业存亡的两大难题：变压器成本和突发短路试验合格率。

发明内容

新型绕组交错式配电变压器（简称新型变压器，下文同），特征是：包括变压器铁心，变压器绕组；

其中，所述变压器铁心采用心式结构；

其中，所述变压器绕组排列方式是交错式；

其中，所述变压器铁心磁通计算方法与心式变压器相同；

其中，所述变压器阻抗计算方法与壳式变压器相同。

铁心和绕组是变压器的最核心部件，是电磁理论的体现，其他部件都是为这两大部件服务的。因此本发明主要指出核心部件铁心、绕组与传统变压器的核心部件主要区别。变压器的其他组件、零部件包括变压器的六大部件（油箱、铁心、线圈、绝缘、引线、装配等）的结构可以采用传统结构和一切符合本专利特点的结构和组件、部件、零件。在本专利基础上开发的新型结构和零部件均属本专利范畴。

新型绕组交错式配电变压器，特征是：所述变压器铁心截面和所述变压器绕组截面是长圆形（多组曲线和直线组合成的形状）、或是椭圆形、或是长方形、或是方形、或是由多组曲线组合成的形状。

新型绕组交错式配电变压器（包括壳式变压器），特征是：新型绕组交错式配电变压器（包括壳式变压器）采用U型平底围屏，U型平底围屏由具有规定厚度、规定长度、规定宽度的绝缘纸板构成，在所述绝缘纸板的规定长度或宽度方向上弯成U形， U型平底围屏就是U字形的底是一个平底或带有一定弧形，一个平底和两个立板围成一个平底的U字形，并在U型平底围屏的平底中间部位开孔；

U字形的底带有一定弧形，原因之一是适应电场等位线，但是等位线极复杂，故弧形是半径夹角小于180°的半圆或是各种曲线或是适应等位线的异形，一般在电压不是很高的情况下可不用弧形，简单增加平底或立板的厚度。

U型平底围屏的平底多是平直的，平底与所述立板具有大于等于90°的角度或稍小于90°的角度；

U型平底围屏的平底位置放在新型绕组交错式配电变压器两个绕组的端部之间或绕组端部与铁轭之间；两个立板放在要求防护的绕组两侧并且两个立板处在变压器器身的相间位置即短轴方向（圆形绕组可不考虑长短轴）；

U型平底围屏的U形开口可向上或向下。如图4、5、6。

U型平底围屏在高压、超高压、特高压电场中，在变压器绕组的任意一个端面上可以使用多个U型平底围屏（类似使用多个角环的情况），以增加击穿电压和爬电距离。因为现在的配电变压器的高压已达到110KV（即行业所说的110KV直降），将来会更高。

U型平底围屏，在绕组上下端部均需绝缘防护时，此时U形开口一向上、一向下，可直接制作成口字形。

U型平底围屏的平底底部和立板的宽度、长度、厚度可以不同，因为所处电场位置不同，所需击穿电压和爬电距离不同。

U型平底围屏的尺寸标注方式和示意如图5、图6。

新型绕组交错式配电变压器，特征是：新型绕组交错式配电变压器（包括壳式变压器）采用L型平底围屏（U型平底围屏的一种形式），L型平底围屏由具有规定厚度、规定长度、规定宽度的绝缘纸板构成，在规定长度或规定宽度方向上弯成L型平底围屏，所述L型平底围屏的平底就是L字形的底部是平直的或有一定的弧形，平底和立板围成一个L字形，平底与立板有大于等于90°的角度或稍小于90°的角度，平底底部和立板的规定宽度、规定长度、规定厚度可以不同，如图7、8。L型平底围屏是U型平底围屏的一种，可以单独使用，也可以两个L型平底围屏组成一个U型平底围屏。

U型平底围屏的平底中部开孔，开孔的形状可以与变压器铁心心柱、线圈截面形状相同，开孔尺寸大于变压器铁心心柱截面外形尺寸，所述U型平底围屏能够从开孔处套装在铁心心柱上；

U型平底围屏的平底与两个立板之间相连处弯成规定尺寸的圆角，避免形成尖角。

U型平底围屏规定厚度、规定长度、规定宽度的绝缘纸板可由多层纸板粘合成规定的厚度、长度、宽度，每层纸板由固定形状和尺寸的小纸板组成，纸板对接，每层接缝均要错开，以保证有足够的绝缘距离。

U型平底围屏的平底底部的上下面可以放有绝缘垫块，代替绝缘端圈的功能。

绝缘纸板只是一切绝缘板的代称，绝缘纸板可以是具有一定厚度，一定宽度、一定长度、一定机械强度并具有绝缘强度的板形绝缘材料。

U型平底围屏一般成组使用，绕组上下端部均需绝缘防护，此时U形开口一向上、一向下，两者合成一个口字形。

在变压器绝缘结构中，不可避免的存在“爬电结构”。要提高这种绝缘结构的放电电压，一般采取的两个办法是：增加爬电距离或阻碍放电的发展。如果这种爬电结构出现在绕组的端部对铁心柱或两个绕组端部之间，则可以在这些部位放置角环，以阻碍放电的发展。如果出现在其他部位，则单纯的采用增加爬电距离的办法（如壳式变压器），但是本技术出现后，可以使用U型平底围屏。

图9是U型平底围屏在新型变压器一次绕组的相间放置示意图，壳式变压器与此相同。

图10是长圆形绕组用加长型绝缘端圈。例如：长圆形绕组使用加长型绝缘端圈之一种方法，其他形状依实际情况类推，绕组长轴方向上延长绝缘端圈的外径的直线部分，内径直线部分不变、形状不变。

当用底和立板长度相等的U型平底围屏时，可能绕组短轴方向上绝缘防护程度有余，而在绕组长轴方向上绝缘防护程度不足。当一定要用等长的U型平底围屏时，可以在绕组长轴方向上延长绝缘端圈的外径增加绝缘防护程度，采用加长型绝缘端圈。加长型绝缘端圈即在绕组长轴方向，让绝缘端圈的外径延长，端圈上的垫块也可以一起延长，短轴方向可以不考虑（短轴方向再延长即是U型平底围屏），作用是增加绕组端部长轴方向的爬距，一般与U型平底围屏合用，加长型绝缘端圈此时具有角环的功能。

U型平底围屏（加工制造在底上无孔时的示意图）当平底长度大于立板长度时，我们把平底长度大于立板长度的延长部分叫平底出头。平底出头可以不按铁心、绕组的形状，按当时电场、引线支撑等实际情况，平底出头可以是方形、圆形、八角形或其他形状。

图11是U型平底围屏（加工制造在底上无孔时）的平底和立板展开平面示意图。其中，虚线是平底和立板、平底与平底出头的分界线。

图12是U型平底围屏（加工制造在底上无孔时）平底出头为八角形尺寸标注方法示意图，其余与此类同。

平底的作用是增加绕组端部电场击穿电压，增加爬距等。立板的作用是增加绕组端部电场击穿电压，增加爬距，增加相间方向与其他零部件的绝缘防护等。平底出头的作用是增加绕组端部电场在绕组长轴方向的击穿电压和爬距，延长形绝缘端圈可以代替平底出头的作用。凡是有此作用的平底和立板不管外形如何，是弯、是直、是各种曲线都是本专利的U型平底围屏。

型平底围屏的平底和立板厚度，规定厚度、规定长度、规定宽度的计算方法：

U型平底围屏的平底厚度由处于该位置的电气强度决定，即所用绝缘材料在该规定厚度的击穿电压必须大于该位置的电气强度，并要有一定的裕度。

U型平底围屏的立板规定厚度由处于该位置的电气强度决定，即所用绝缘材料在该规定厚度的击穿电压必须大于该位置的电气强度，并要有一定的裕度。

U型平底围屏平底和立板的规定长度、规定宽度由设计计算时所需要增加的爬电距离决定，但要注意有时需要除2。

本技术主要采用心式铁心，壳式交错式绕组型式，因此对绕组和铁心形式进行原理性分析是必要的。

三相新型变压器铁心，可以认为当一次绕组施加三相对称正弦形线电压时，铁心中各磁通也三相对称的正弦形磁通。在所有瞬时，三相磁通代数和等于零，即

Φ_A+Φ_B+Φ_C=0

当三相新型变压器没有联结成三角形绕组时，由于三相磁路本身的不对称（三相铁心），或者三个单相铁心由于各相磁路在各瞬时饱和程度不同，在所有瞬时，三相磁通的代数和并不总等于零，即

Φ_A+Φ_B+Φ_C=Φ₀

由上可知，在各相正弦形磁通中叠加了一个附加磁通，使三相磁通不对称，造成各相磁通不是正弦形，则各绕组感应电压不对称。但由上式可推断Φ₀只改变各相磁通的波形，不改变各相相位。

当三相变压器有联结成三角形的绕组时，铁心中的Φ₀在三角形绕组中引起一个环流，根据楞次定律，它产生的磁势将完全是使Φ₀去磁。这种情况下各相磁通基本是正弦形，从而保证感应电压是正弦形。

由以上三相磁路分析可知，新型变压器在有联结成三角形绕组的情况下，三相电压是对称的，波形为正弦波。当没有三角形绕组时，小容量的波形畸变可以忽略，大容量则需慎重，这一点与心式变压器相似，而本专利主要是配电变压器，容量较小，故采用Y，yn0的联结组别时其波形的畸变是可以接受的。

本技术主要从成本和突发短路试验合格率两项指标进行研究。成本方面以心式结构为主进行改变，并通过铁心截面和变压器绕组截面是长圆形等技术方法降低成本和损耗。短路方面采用交错式绕组。计算方法综合两者之长。

变压器绕组交错式（交叠式）排列是高中低压线圈沿铁心柱高度相互交错排列，一般低压线圈邻近铁心的铁轭（在两端），高中压线圈排列在中间，结构简图如图13，图13是有两个漏磁组的结构。从安匝平衡来看，一个高压与两个低压取得安匝平衡的效果最好，这一组合我们也叫一个磁平衡组（或叫漏磁组）。平衡组的分界点就是磁势图所经过的0点，每相邻的两个0点间就是一个磁平衡组（如图14），图14是两个磁平衡组磁势分布图。

关于铁心和绕组的截面，心式变压器主要是圆形，壳式主要是长方形。主要原因是心式变压器绕组的短路电动力方向沿辐向分布，按电动力分析，圆形受力效果是最好的，故心形绕组对圆度要求极高。壳式变压器的短路电动力方向主要沿轴向分布，按电动力分析，对绕组截面形状无要求，故均采用长方形绕组，用长方形主要是为减小两铁心柱间的距离。

绕组交错排列变压器的铁心和绕组截面一般是长圆形或椭圆形。壳式变压器的铁心和绕组一般是长方形。

新型变压器的铁心截面和变压器绕组截面或是长圆形、或是椭圆形、或是长方形、或是方形、或是由多组曲线组合成的形状。长圆形截面就是两端是直径相等的半圆，中间用直线相连，半圆的直径叫绕组短轴，半圆的直径与直线长度的和叫绕组长轴，图15是长圆铁心截面图。椭圆形好理解，就是铁心和绕组截面的外接形式是椭圆形，也分长轴和短轴（如图16）。多组曲线组合成的形状就是外接形态是由多种曲线或直线组合成的形状，如图17就是由以A1、A2、B1、B2四点为圆心的四组圆形曲线组合成的类似椭圆形的截面。如图18是圆形截面。综上，变压器的绕组分成长轴方向和短轴方向，短轴方向与绕组相间是一个方向。变压器的相间就是变压器器身任意相邻的两个绕组之间，例如：变压器A相绕组和B相绕组之间。

配电变压器绕组多采用圆筒式绕组，也叫层式绕组，如图19，通常由圆导线或扁导线一匝挨着一匝绕制，匝间无空隙，如此连续绕制的多匝形成一层，每层的两端最外面两根导线放置一定宽度的绝缘，叫端绕组，与导线固定在一起。可以连续的绕制任意多的层数，层与层间放置层间绝缘。它可分为单层圆筒式、双层圆筒式、多层圆筒式等。

新型变压器非圆形绕组技术原理分析可知，短路电动力方向主要是轴向，辐向电动力小且可控，因此绕组可以采用非圆形结构。

在中小型变压器上，U型平底围屏可以用绝缘端圈的纸板圈代替，增加纸板圈的外径尺寸，在变压器相间折弯，形成类似于U型平底围屏的结构。或者把这种结构视为在U型平底围屏的底上粘垫块，成为绝缘端圈。

新型变压器承受短路电动力能力优于传统心式配电变压器。新型变压器绕组可以采用多个磁平衡组，每组漏磁均小，相应的短路应力无论辐向和轴向均小。辐向作用于导线上的应力只有传统心式的20%左右。一般心式轴向漏磁大，壳式辐向漏磁大，新型变压器铁心窗内的绕组部分外形可以为直线型，可以方便的用垫块挤压，外部可以为圆形，故承受短路机械力极强。

技术效果

第一，在突发短路方向的产品合格率大幅度提高。由原来的不足10%提升到理论上可接近100%。

第二，在相同性能标准中，材料成本低于传统心式配电变压器。在相同材料消耗的情况下，各项性能指标远优于传统心式配电变压器。

第三，机械强度高，抗短路能力强。

第四，新型变压器绕组的冷却效果好、过载能力强，高压电场比心式变压器更均匀。

第五，结构紧凑，引线安装方便。

第六，电容分布均匀、绝缘可靠，抗雷击和操作过电压能力强。

第七，极大减小变压器绕组端部的绝缘距离。例如当10KV绕组交错排列变压器原来高低压间主绝缘距离25mm，现在按某厂的绝缘材料质量核算15mm即可，绝缘距离减小40%。

第八，在绕组长轴方向上延长平底尺寸或绝缘端圈的外径增加绝缘防护程度时，可以利用增加部分具有很大的机械强度（一般厚度较大且下面垫有垫块），在其上穿孔做引线的支撑件，减少了木导线夹的使用，让器身更整洁。

第九，与角环制造相比，工艺难度大幅度降低，各变压器生产厂可以自行制造。

附图说明

图1是一种心式配电变压器示意图。

图2是正角环。

图3是反角环。

图4是U型平底围屏示意图。

图5是U型平底围屏剖面示意图。

图6是U型平底围屏侧视图。

图7是L型平底围屏示意图。

图8是L型平底围屏主视图。

图9是U型平底围屏在新型变压器一次绕组的相间放置示意图。

图10是长圆形绕组用加长型绝缘端圈纸板圈加长方法之一种的示意图。

图11是U型平底围屏（加工制造在底上无孔时）的平底和立板展开平面示意图。

图12是U型平底围屏（加工制造在底上无孔时）平底出头为八角形尺寸标注方法示意图。

图13是一种带两个漏磁组的新型变压器示意图。

图14是一种带两个漏磁组的新型变压器漏磁势分布图之一类。

图15是新型变压器铁心长圆形截面示意图。

图16是新型变压器铁心椭圆形截面示意图。

图17是新型变压器铁心多组曲线组合成的形状截面示意图。

图18是新型变压器铁心圆形截面示意图。

图19是心式变压器层式绕组示意图。

其中，

1是变压器铁心。

2是变压器绕组。

3是U型平底围屏立板。

4是U型平底围屏平底底板。

5是一次绕组第一层U型平底围屏。

6是一次绕组第二层U型平底围屏。

7是新型变压器漏磁势分布之一种。

8是变压器铁心截面外接线形。

9是变压器铁心叠片示意图。

10是变压器层式绕组端绝缘。

11是变压器绕组导线。

σ是绝缘端圈的纸板圈厚。

R1加长型绝缘端圈纸板圈内径的小圆半径。

R2加长型绝缘端圈纸板圈外径的大圆半径。

具体实施方式

选择S13—400/10±2×0.25%／0.4变压器做实施方案。以目前行业上最通用的一套图纸对比，对照组型号为SB13—400/10±2×0.25%／0.4，铁心和绕组截面为椭圆形，心式变压器，同心式绕组。

实例1、S13—400/10±2×0.25%／0.4

国标：负载损耗Pk=4200W

空载损耗P0=410W

空载电流百分数I0%=0.8%

阻抗电压百分数Uk%=4%

总损耗P=4930 W

一、新型变压器S13—400/10±2×0.25%／0.4

设计方案：铁心绕组截面选择长圆形

铁心长短轴比为1：1.49，铁心小圆直径Φ155mm，铁心主级加厚33mm，铁心截面积为280.006cm²。铁心磁密Bm=1.546T，M₀=255mm，Hw=400mm。

绕组结构形式：交错式，六磁平衡组。

高压绕组：为盘式绕组带拉平结构，匝数为630匝，600匝，570匝。线规ZB—0.32.12×4。每双磁平衡组15匝／层，共15层。

低压绕组：为螺旋板式带拉平结构，匝数24匝，线规5×40裸铜排，匝间垫0.5mm纸板。每磁平衡组6匝。

高低压绕组沿铁心柱（铁心套装绕组的柱叫心柱）的轴向排列方式：

上铁轭——低压绕组——高压绕组——低压绕组——低压绕组——高压绕组——低压绕组——低压绕组——高压绕组——低压绕组——下铁轭

绝缘结构：低压线圈采用U型平底围屏（因高压线圈在中部，防护低压即防护了高压），每个高压线圈端部用一个U型平底围屏，纸板厚1.0mm，高=60mm，宽=244mm，长=250mm，上下U型平底围屏在高度方向重合，装配后粘合上下U型平底围屏立板，成口字形，因为底和立板等长，故高低压间采用外径加长型绝缘端圈20mm。

二、S13-400/10新型变压器与目前行业上通用型变压器对照表

三、突发短路。

由于采用交错式绕组，突发短路能力远远优于同心式排列的配电变压器。

Claims (8)

1.新型绕组交错式配电变压器，特征是：包括变压器铁心、变压器绕组，以及或包括U型平底围屏；

其中，所述变压器铁心采用心式结构；

其中，所述变压器绕组是交错式排列；

其中，所述变压器铁心磁通分布与心式变压器相同；

其中，所述变压器绕组漏磁通分布与壳式变压器相同。

2.根据权利要求1所述新型绕组交错式配电变压器，特征是：所述变压器铁心截面和变压器绕组截面是长圆形，或是椭圆形，或是长方形，或是方形、或是由多组曲线组合成的形状。

3.根据权利要求1所述新型绕组交错式配电变压器，特征是：所述变压器铁心截面和变压器绕组截面是圆形。

4.根据权利要求1所述新型绕组交错式配电变压器，特征是：新型绕组交错式配电变压器采用U型平底围屏，所述U型平底围屏是由具有规定厚度、规定长度、规定宽度的绝缘纸板制成，在所述绝缘纸板的规定长度或宽度方向上弯成U形，U型平底围屏的平底是U字形的底是一个平底或带有一定弧形，一个平底和两个立板围成U字形，并在U型平底围屏的平底中间部位开孔；

其中，所述U型平底围屏的平底位置在新型绕组交错式配电变压器两个绕组的端部之间或绕组端部与铁轭之间；两个立板放在要求绝缘防护的绕组两侧并且两个立板处在变压器器身的相间位置。

5.根据权利要求4所述新型绕组交错式配电变压器，特征是：所述U型平底围屏的绝缘纸板可用任意具有一定厚度、一定长度、一定宽度的板形绝缘材料代替。

6.根据权利要求4所述新型绕组交错式配电变压器，特征是：所述U型平底围屏的平底底部和立板的宽度、长度、厚度可不同。

7.根据权利要求1所述新型绕组交错式配电变压器，特征是：新型绕组交错式配电变压器采用U型平底围屏，所述U型平底围屏由具有规定厚度、规定长度、规定宽度的绝缘纸板构成，在所述绝缘纸板的规定长度或规定宽度方向上弯成L形，所述L型平底围屏的平底就是L字形的底部是平直的或有一定的弧形，平底和立板围成一个L字型，平底和立板的规定宽度、规定长度、规定厚度可不同。

8.根据权利要求7所述新型绕组交错式配电变压器，特征是：所述U型平底围屏的绝缘纸板可用任意具有一定厚度、一定长度、一定宽度的板形绝缘材料代替。

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