CN112505475A - 低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法及系统，该方法包括步骤：在同一输电线路上间隔安装多个监测终端，且监测终端设于输电线路杆塔的构架上，监测终端包括电压传感器和磁阻传感器；监测终端持续监测相应位置的工频电压和磁场强度，根据监测到的工频电压和磁场强度分别计算电压变化量和磁场变化量，并判断电压变化量和磁场变化量是否均发生突变；若电压变化量和磁场变化量均发生突变，则确定线路发生故障，再根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端，即定位出故障区间。本申请的故障区间定位方法，适用范围广，成本低，故障定位准确，方式更加灵活，可靠性高。

Description

低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法及系统

技术领域

本申请涉及输电线路技术领域，特别涉及一种低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法及系统。

背景技术

输电线路因线路较长、线路走廊环境复杂或跨越不同地形等，故障后不易寻找故障点，存在停电时间长、抢修效率低、人力消耗大的问题。因此，需要对输电线路进行故障定位。

相关技术中，使用较多的对输电线路进行故障定位的方法主要有两种，一种是变电站内继电保护装置的测距技术，分阻抗测距和行波测距两种；另一种是基于行波定位技术的分布式故障诊断系统。

两种故障定位技术已广泛应用，具有各自的优势，但在某些情况仍不适用：

一方面，对于线路继电保护装置来说，阻抗测距功能定位精度不高，受系统运行方式和故障点阻抗影响较大；行波测距保护通常应用于220kV及以上的长距离输电线路，110kV及以下线路保护通常只有阻抗测距功能，且35kV线路甚至很多没有测距功能。

另一方面，分布式故障诊断系统虽然定位精度和可靠性均较高，但终端数量较多，需要使用到专用的高精度授时芯片，要求系统算法能够准确识别波头，技术要求高、设备成本高，且需在线路停电期间安装。

因此，对于某些35kV～110kV、甚至是220kV的输电线路，一方面由于线路继电保护未配置故障测距功能，或测距结果可靠性低，又或是线路存在分支、T接的情况，造成故障排查困难；另一方面，又因为线路负荷重要性不高，或者设备成本问题，无法装置分布式故障诊断系统，使得这些线路的故障查找面临巨大困难。

发明内容

本申请实施例提供一种低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法及系统，以解决相关技术中适用范围有限、监测难度大、成本高的技术问题。

第一方面，提供了一种低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，所述方法包括步骤：

在同一输电线路上间隔安装多个监测终端，且所述监测终端设于输电线路杆塔的构架上，所述监测终端包括电压传感器和磁阻传感器，且所述监测终端位于输电线路导线的下方；

所述监测终端持续监测相应位置的工频电压和磁场强度，根据监测到的工频电压和磁场强度分别计算电压变化量和磁场变化量，并判断所述电压变化量和磁场变化量是否均发生突变；

若电压变化量和磁场变化量均发生突变，则确定线路发生故障，再根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端，即定位出故障区间。

一些实施例中，所述判断所述电压变化量和磁场变化量是否均发生突变的具体步骤包括：

先判断电压变化量是否超过预设的电压突变阈值，若否，则不操作；

若是，则判断磁场变化量是否超过预设的磁场突变阈值，若磁场变化量超过预设的磁场突变阈值，则确定线路发生故障。

一些实施例中，所述预设的电压突变阈值与输电线路正常运行电压、监测终端安装位置及电压传感器的测量误差均相关。

一些实施例中，所述预设的电压突变阈值的计算步骤包括：

根据电压等级偏差的要求计算第一不平衡电压，所述第一不平衡电压ΔU1的计算公式为：

ΔU1＝0.1U

式中，U为输电线路正常运行的电压；

根据监测终端安装位置，计算由安装点不对称导致的第二不平衡电压，所述第二不平衡电压ΔU2的计算公式为：

式中，d_A、d_B、d_C分别为监测终端与三相导线的距离；

根据电压传感器的测量误差计算第三不平衡电压，计算所述第三不平衡电压的计算公式为：

ΔU3＝0.05U；

根据所述第一不平衡电压、第二不平衡电压和第三不平衡电压，计算电压突变阈值，所述电压突变阈值Uset的计算公式为：

Uset＝K*(ΔU1+ΔU2+ΔU3)

式中，K为阈值系数。

一些实施例中，K的取值范围为1.1～1.3。

一些实施例中，所述在同一输电线路上间隔安装多个监测终端的步骤包括：

在存在T接的线路上安装监测终端时，T接节点所在的杆塔上不安装监测终端，距离T接节点最近的监测终端和T接节点之间至少间隔一个杆塔。

一些实施例中，所述磁阻传感器为双轴各向异性磁阻传感器，所述方法还包括步骤：

根据磁阻传感器两个方向的检测结果进行故障选相。

一些实施例中，所述根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端的步骤包括：

在确定线路发生故障后，根据故障时刻附近若干个工频周期的电压和磁场数据进行滑窗计算，得到若干不同周期对应的电压和磁场的突变量幅值；

根据电压和磁场的突变量幅值，得到突变量最大的两个监测终端，即为故障点最近的监测终端，即定位出故障区间。

一些实施例中，所述电压传感器为金属片和带电导线形成的电容分压结构。

第二方面，提供了一种低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位系统，包括：

多个监测终端，其用于间隔安装在同一输电线路上不同位置的杆塔的构架上，其包括电压传感器、磁阻传感器和处理器，所述电压传感器用于持续监测相应位置的工频电压，所述磁阻传感器用于持续监测相应位置的磁场强度；

计算终端，其用于根据监测到的工频电压和磁场强度分别计算电压变化量和磁场变化量，判断所述电压变化量和磁场变化量是否均发生突变；并在电压变化量和磁场变化量均发生突变时，确定线路发生故障，再根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端，即定位出故障区间。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：适用范围广，成本低，故障定位准确，方式更加灵活，可靠性高。

本申请实施例提供了低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，一方面，由于监测终端安装在输电线路杆塔的构架上，不与导线直接接触，实现了非接触式的故障区间定位，且可根据定位精度需求来设置监测区间长度，监测终端布置方式灵活；另一方面，采用电压和磁场配合来进行故障确认和定位，可适用于10kV及以上的架空输电线路，适用范围广，无需专用的高精度授时芯片，成本较低，只需要监测工频电压，无需采集高频信号，监测难度小，并且，通过电压和磁场配合，双重确认和定位，使得故障区间定位更加准确，可靠性更好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法的具体步骤流程图；

图3为本申请实施例提供的输电线路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的电压传感器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的电压传感器的等效电路示意图；

图6为本申请实施例提供的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位系统的结构框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，本申请实施例提供了一种低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，所述方法包括步骤：

A1：在同一输电线路上间隔安装多个监测终端，且所述监测终端设于输电线路杆塔的构架上，所述监测终端包括电压传感器和磁阻传感器，且所述监测终端位于输电线路导线的下方；

A2：所述监测终端持续监测相应位置的工频电压和磁场强度，根据监测到的工频电压和磁场强度分别计算电压变化量和磁场变化量，并判断所述电压变化量和磁场变化量是否均发生突变；

A3：若电压变化量和磁场变化量均发生突变，则确定线路发生故障，再根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端，即定位出故障区间。

当输电线路正常运行时，电压传感器测量电压为正弦周期量，发生故障时，测量电压幅值会发生突变，若故障后线路跳闸，则电压波形会在突变后迅速变为0。输电线路故障时，线路电流会产生突变，根据电磁场的基本理论可知，输电线路周围磁场会随着线路中电流的变化而变化，即磁场的变化能够反映线路中电流的变化，线路正常运行时，磁阻传感器检测量均为正弦周期量；线路故障时，磁阻传感器检测量也会出现突变，若故障后跳闸，则检测量在突变后迅速变为0，因此，本申请实施例可以通过电压变化量和磁场变化量来进行故障区间定位。

本申请实施例提供了低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，一方面，由于监测终端安装在输电线路杆塔的构架上，不与导线直接接触，实现了非接触式的故障区间定位，且可根据定位精度需求来设置监测区间长度，监测终端布置方式灵活；另一方面，采用电压和磁场配合来进行故障确认和定位，可适用于10kV及以上的架空输电线路，适用范围广，无需专用的高精度授时芯片，与价格昂贵的专用的高精度授时芯片相比，本方案的成本较低，只需要监测工频电压，无需采集高频信号，监测难度小，并且，通过电压和磁场配合，双重确认和定位，使得故障区间定位更加准确，可靠性更好。

更进一步地，在本申请实施例中，所述判断所述电压变化量和磁场变化量是否均发生突变的具体步骤包括：

先判断电压变化量是否超过预设的电压突变阈值，若否，则不操作；

若是，则判断磁场变化量是否超过预设的磁场突变阈值，若磁场变化量超过预设的磁场突变阈值，则确定线路发生故障。

在本申请实施例中，一方面，先判断电压是否突变，通过电压突变触发启动机制后，再去进行故障确认及数据存储发送流程，避免了无效数据处理或误报，从而可以降低系统功耗，节约资源。另一方面，相对于电压传感器而言，磁阻传感器的输出量较小，需要较大的放大倍数，且没有零磁场参考点，因此，先判断电压是否突变，通过电压突变触发启动机制，使得方法更为可靠。

参见图2所示，更进一步地，在本申请实施例的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法的具体步骤包括：

S1：在同一输电线路上间隔安装多个监测终端，且所述监测终端设于输电线路杆塔的构架上，所述监测终端包括电压传感器和磁阻传感器，且所述监测终端位于输电线路中间相导线的正下方；

S2：所述监测终端持续监测相应位置的工频电压和磁场强度，根据监测到的工频电压和磁场强度计算电压变化量和磁场变化量；

S3：判断电压变化量是否超过预设的电压突变阈值，若是，则转入S4，若否，则不操作；

S4：判断磁场变化量是否超过预设的磁场突变阈值，若是，则确定线路发生故障，转入步骤S5，若否，则不操作；

S5：根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端，即定位出故障区间。

本申请实施例中，计算电压变化量的过程为：

以滑动窗计算的方式，以工频半个周期采样值的有效值作为比较量，将前后两个比较量进行计算，即可得到电压变化量。可以理解的是，此处的电压变化量为后一个比较量与前一个比较量的差值与前一个比较量的比值。

参见图3所示的输电线路结构示意图，假设故障点位于监测终端2和3之间且靠近终端2，则可根据电压和磁场的突变判断是否发生故障；确定发生故障后，比较故障时刻沿线监测终端1～4的电压和磁场变化量大小，由于电压和磁场的突变量在故障点处最大，距离故障点越远，突变量逐渐变小，计算得到的电压和磁场变化量大小为：终端2>终端3>终端1>终端4，则可判断故障点位于监测终端2和3之间且靠近终端2。

更进一步地，在本申请实施例中，所述预设的电压突变阈值与输电线路正常运行电压、监测终端安装位置及电压传感器的测量误差均相关。

在设置电压突变阈值时，需要考虑多方面的影响因素。具体地，所述预设的电压突变阈值的计算步骤包括：

B1：根据电压等级偏差的要求计算第一不平衡电压，所述第一不平衡电压ΔU1的计算公式为：

ΔU1＝0.1U

式中，U为输电线路正常运行的电压；

在本申请实施例中，由于根据电网对35kV及以上电压等级偏差的要求，电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定值的10％，因此，此处第一不平衡电压与正常运行电压的系数选取为0.1；

B2：根据监测终端安装位置，计算由安装点不对称导致的第二不平衡电压，所述第二不平衡电压ΔU2的计算公式为：

式中，d_A、d_B、d_C分别为监测终端与三相导线的距离；

B3：根据电压传感器的测量误差计算第三不平衡电压，计算所述第三不平衡电压的计算公式为：

ΔU3＝0.05U；

在本申请实施例中，由于电压传感器的测量误差通常在±5％，因此，此处第三不平衡电压与正常运行电压的系数选取为0.05；

B4：根据所述第一不平衡电压、第二不平衡电压和第三不平衡电压，计算电压突变阈值，所述电压突变阈值Uset的计算公式为：

Uset＝K*(ΔU1+ΔU2+ΔU3)

式中，K为阈值系数。

优选地，在本申请实施例中，K的取值范围为1.1～1.3，通过设置阈值系数K可以尽量减少监测终端的误触发，达到降低功耗和数据传输量的目的。

所述在同一输电线路上间隔安装多个监测终端的步骤包括：

在存在T接的线路上安装监测终端时，T接节点所在的杆塔上不安装监测终端，距离T接节点最近的监测终端和T接节点之间至少间隔一个杆塔。

也就是说，距离T接节点最近的杆塔上不安装监测终端，距离T接节点最近的第二个杆塔开始安装监测终端，使得监测终端不配置在线路转角杆塔，或T接点所在的杆塔上，可以避免导线之间的耦合影响检测的可靠性。

优选地，在本申请实施例中，相邻两个监测终端的间距不超过10km。

更进一步地，在本申请实施例中，所述磁阻传感器为双轴各向异性磁阻传感器，所述方法还包括步骤：

根据磁阻传感器两个方向的检测结果进行故障选相。

本申请实施例中，当有故障选相的需求时，则所述磁阻传感器为可根据故障选相的需求选择双轴各向异性磁阻传感器，从而实现故障选相功能。

更进一步地，在本申请实施例中，所述根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端的步骤包括：

在确定线路发生故障后，根据故障时刻附近几个工频周期的电压和磁场数据进行滑窗计算，得到若干不同周期对应的电压和磁场的突变量幅值；

根据电压和磁场变化量的比幅计算，得到突变量最大的两个监测终端，即为故障点最近的监测终端，即定位出故障区间。

在本申请实施例中，在检测到电压突变之后，若检测到磁阻传感器也发生突变，则确定发生故障，随后系统将该线路所有终端在故障时刻前后5个工频周期的数据进行召回，进入突变量比幅计算，得出定位结果。

参见图4所示，更进一步地，在本申请实施例中，所述电压传感器为金属片和带电导线形成的电容分压结构，所述电压传感器的等效电路图如图5所示。

本申请实施例的电压传感器的工作原理为：

被测带电导线位于金属片上方，被测带电导线与金属片之间会形成耦合电容C1，金属片与地形成对地电容C2，C1和C2会形成电容分压电容，如图5所示，金属片与上方导线相对位置不变时，C1和C2仅受导线运行环境影响变化较小，短时间内可视为不变，因此可根据此原理测量导线电压U1。

由于监测终端不分相别，终端上方三相导线都会通过电压传感器输出电压量，因此电压传感器测量的电压量为上方三相导线电压的合成量，当线路正常运行时，此合成电压量也按正弦周期变化。

需要说明的是，在本申请实施例中，监测终端安装于线路杆塔的构架上，每个安装点仅需1台，在保持安全距离的情况下尽量靠近导线；无论是导线三角排列，还是平行排列，终端应安装在中间相导线的正下方。由于空间电磁感应与距离有直接联系，因此，为保证系统可靠性，不同安装点的终端，与上方导线的相对位置应尽量保持一致。

参见图6所示，本申请实施例还提供了一种低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位系统，包括多个监测终端和一个计算终端。

监测终端用于间隔安装在同一输电线路上不同位置的杆塔的构架上，其包括电压传感器、磁阻传感器和处理器，所述电压传感器用于持续监测相应位置的工频电压，所述磁阻传感器用于持续监测相应位置的磁场强度；

计算终端用于根据监测到的工频电压和磁场强度分别计算电压变化量和磁场变化量，判断所述电压变化量和磁场变化量是否达到判定阈值；并在电压变化量和磁场变化量均超过阈值时，确定线路发生故障，再根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端，即定位出故障区间。

本申请实施例的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位系统，一方面，先判断电压是否突变，通过电压突变触发启动机制后，再去进行故障确认及数据存储发送流程，避免了无效数据处理或误报，从而可以降低系统功耗，节约资源。另一方面，相对于电压传感器而言，磁阻传感器的输出量较小，需要较大的放大倍数，且没有零磁场参考点，因此，先判断电压是否突变，通过电压突变触发启动机制，使得方法更为可靠。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

在同一输电线路上间隔安装多个监测终端，且所述监测终端设于输电线路杆塔的构架上，所述监测终端包括电压传感器和磁阻传感器，且所述监测终端位于输电线路导线的下方；

所述监测终端持续监测相应位置的工频电压和磁场强度，根据监测到的工频电压和磁场强度分别计算电压变化量和磁场变化量，并判断所述电压变化量和磁场变化量是否均发生突变；

若电压变化量和磁场变化量均发生突变，则确定线路发生故障，再根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端，即定位出故障区间。

2.如权利要求1所述的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，其特征在于，所述判断所述电压变化量和磁场变化量是否均发生突变的具体步骤包括：

先判断电压变化量是否超过预设的电压突变阈值，若否，则不操作；

若是，则判断磁场变化量是否超过预设的磁场突变阈值，若磁场变化量超过预设的磁场突变阈值，则确定线路发生故障。

3.如权利要求2所述的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，其特征在于：

所述预设的电压突变阈值与输电线路正常运行电压、监测终端安装位置及电压传感器的测量误差均相关。

4.如权利要求3所述的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，其特征在于，所述预设的电压突变阈值的计算步骤包括：

根据电压等级偏差的要求计算第一不平衡电压，所述第一不平衡电压ΔU1的计算公式为：

ΔU1＝0.1U

式中，U为输电线路正常运行的电压；

根据监测终端安装位置，计算由安装点不对称导致的第二不平衡电压，所述第二不平衡电压ΔU2的计算公式为：

式中，d_A、d_B、d_C分别为监测终端与三相导线的距离；

根据电压传感器的测量误差计算第三不平衡电压，计算所述第三不平衡电压的计算公式为：

ΔU3＝0.05U；

根据所述第一不平衡电压、第二不平衡电压和第三不平衡电压，计算电压突变阈值，所述电压突变阈值Uset的计算公式为：

Uset＝K*(ΔU1+ΔU2+ΔU3)

式中，K为阈值系数。

5.如权利要求4所述的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，其特征在于，K的取值范围为1.1～1.3。

6.如权利要求1所述的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，其特征在于，所述在同一输电线路上间隔安装多个监测终端的步骤包括：

在存在T接的线路上安装监测终端时，T接节点所在的杆塔上不安装监测终端，距离T接节点最近的监测终端和T接节点之间至少间隔一个杆塔。

7.如权利要求1所述的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，其特征在于，所述磁阻传感器为双轴各向异性磁阻传感器，所述方法还包括步骤：

根据磁阻传感器两个方向的检测结果进行故障选相。

8.如权利要求1所述的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，其特征在于，所述根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端的步骤包括：

在确定线路发生故障后，根据故障时刻附近若干个工频周期的电压和磁场数据进行滑窗计算，得到若干不同周期对应的电压和磁场的突变量幅值；

根据电压和磁场的突变量幅值，得到突变量最大的两个监测终端，即为故障点最近的监测终端，即定位出故障区间。

9.如权利要求1所述的低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位方法，其特征在于，所述电压传感器为金属片和带电导线形成的电容分压结构。

10.一种低成本非接触式的架空输电线路故障区间定位系统，其特征在于，包括：

多个监测终端，其用于间隔安装在同一输电线路上不同位置的杆塔的构架上，其包括电压传感器、磁阻传感器和处理器，所述电压传感器用于持续监测相应位置的工频电压，所述磁阻传感器用于持续监测相应位置的磁场强度；

计算终端，其用于根据监测到的工频电压和磁场强度分别计算电压变化量和磁场变化量，判断所述电压变化量和磁场变化量是否均发生突变；并在电压变化量和磁场变化量均发生突变时，确定线路发生故障，再根据故障时刻该线路所有监测终端的电压变化量和磁场变化量大小，得到距故障点两侧最近的监测终端，即定位出故障区间。

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