CN113960458A - 估计电气开关装置的特性的方法及实现这些方法的装置 - Google Patents
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Abstract
用于估计电气开关装置的特性的方法包括以下步骤:‑检测(100)所述开关装置的电触头(10,14)的超过断开阈值的移动;‑对于所述电气装置的至少一个相,测量(102)穿过所述相的电流;‑对于所述电气装置的至少一个相,评估(104)与所述相相关联的电触头之间的电弧的电压;‑至少对于所述电气装置的所述相,通过对测得的电流和估计的电压的乘积进行数值积分,计算(106)与电弧相关联的能量值,该积分在从检测到所述电触头的移动开始的时间间隔内执行。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于估计电气开关装置的特性的方法,以及用于实现这些方法的相关装置。
更具体地,本发明涉及包括电磁致动器的电接触器,该电磁致动器包括线圈。
背景技术
这种电气开关装置配置为用于在断开状态和闭合状态之间切换,例如以便控制对电气负载的供电。移动电触头通常连接到致动器的移动部件,当合适的电流通过线圈时,该移动部件会因为线圈产生的磁场的作用而移动。
期望能够在装置运行时自动估计装置的一个或多个特性,例如以便发现其状态和/或检测故障的出现并因此提供合适的预防性维护。
一些装置具有用于测量装置特性的专用传感器,例如用于测量温度或电触头的磨损状态。然而,这些传感器增加了装置的生产成本。此外,并非总是可以将新传感器集成到现有装置中。
更具体地,本发明旨在通过提出用于估计电气开关装置的一个或多个特性的方法来克服这些缺点。
发明内容
为此,本发明的一个方面涉及一种用于估计电气开关装置的特性,特别是在装置的断开阶段期间的电弧的能量值的方法,该方法包括以下步骤:
-检测开关装置的电触头的超过断开阈值的运动;
-对于电气装置的至少一个相,测量穿过该相的电流;
-对于电气装置的至少一个相,评估与该相相关联的电触头之间的电弧的电压;
-通过对测得的电流和估计的电压的乘积进行数值积分,至少对于电气装置的所述相计算与电弧相关联的能量值,该积分在从检测到电触头的移动开始的时间间隔内执行。
由于本发明,当电触头在断开期间分开时,很容易确定出现在电触头处的电弧的能量水平。该确定在装置运行期间以简单的方式执行,仅基于通过电测量发现的值并且不需要专用传感器。
有利地,可以随后使用关于电弧能量水平的信息来估计电触头的磨损状态。
根据一些有利但非强制性的方面,这种方法可以合并以下一个或多个特征,这些特征可以单独使用,也可以以任何技术上允许的组合使用:
-如果能量值超过预定阈值,则识别异常情况。
其中I是针对电气装置的所述相位测量的电流,x是电气装置的该相的电触头的移动,并且a、b、c和d是数值参数。
-时间间隔在预定周期终止时结束。
-预定周期等于50ms或100ms。
-当针对该电相位测量的电流达到零值时,时间间隔结束。
-开关装置是包含电磁致动器的接触器。
根据另一方面,一种用于估计电气开关装置的电触头的磨损状态的方法包括以下步骤:
-通过根据本发明的方法,估计与在触头断开阶段期间出现在装置的相的电触头之间的电弧相关的能量值;
-计算代表与该电相位相关联的电触头的磨损状态的值,该计算通过用取决于计算出的能量值的量递增先前值来迭代地执行。
根据另一方面,针对电气装置的每一相测量电触头之间的电流和电压,其中在计算磨损时仅考虑首先检测到断开的电相位。
根据另一方面,电气开关装置包括电子控制装置,用于估计电气开关装置的特性,特别是在装置的断开阶段期间电弧的能量值,该电子控制装置配置为:
-检测开关装置的电触头的超过断开阈值的运动;
-对于电气装置的至少一个相,测量穿过该相的电流;
-对于电气装置的至少一个相,评估与该相相关联的电触头之间的电弧的电压;
-通过对测得的电流和估计的电压的乘积进行数值积分,至少对于电气装置的所述相计算与电弧相关联的能量值,该积分在从检测到电触头的移动开始的时间间隔内执行。
附图说明
参考附图,仅通过示例的方式提供本方法的实施例的以下描述,本发明将被阐明,并且本发明的其它优点将更加清楚,其中:
图1是根据本发明实施例的包括电磁致动器的电气开关装置的示意图;
图2是图1的开关装置的电磁致动器的控制电路的示例的示意图;
图3是表示图2的电磁致动器在多个操作阶段中的电控制电流的变化的曲线图;
图4示出了对于根据实施例的三相开关装置,每一相的电流和连接到开关装置的每个电相位的上游和下游相导体之间的电压随时间的变化。
图5是根据本发明的实施例的方法的示例。
具体实施方式
图1示出了例如接触器的电气开关装置2。
装置2配置为在允许电流流动的闭合状态和阻止电流流动的断开状态之间切换。
例如,装置2可以安装在电气设施中以控制由电能源对例如电机的电气负载的供电。能源例如是供电网络或发电机。
在所示示例中,装置2一方面连接到上游电线4,另一方面连接到下游电线6。
电线4和6可以包括多个电相位,例如以便承载三相交流电。不管相位的数量如何,装置2配置为中断或替代地允许电流在每个相中流动。然而,为了简化图1,对于电线4和6中的每一条仅示出了一个电相位导体。
装置2包括例如外壳8。
对于每个电相位,装置2包括布置在移动部件12上的可分离触头10和连接到上游电线4和下游电线6的固定触头14。触头10和14中的每一个包括接触垫16,在这种情况下,接触垫16由金属制成,优选地为银合金或任何等效材料。
装置2的移动部件12可以在闭合位置和断开位置之间移动,在闭合位置,动触头10与固定触头14接触,在断开位置,如图1所示,动触头10与固定触头14分离。
装置2还包括电磁致动器20,电磁致动器配置为在闭合位置和断开位置之间移动移动部件12。
电磁致动器20包括线圈22,线圈22配置为当它被提供控制电流时产生磁场,以便移动移动部件12。
例如,线圈22包括导电线的绕组。移动部件12可以与磁芯一体地安装,该磁芯与线圈22同轴布置并且当线圈22通过适当电流的输入被激励时通过线圈22产生的磁场的作用而移动。
装置2还包括电源电路24,配置为向线圈12供电,以及电子控制装置26,用于控制电源电路24。
在许多实施例中,装置2包括输入接口,例如包括控制电极,其配置为用于接收来自用户的打开或关闭指令。例如,可以在控制电极之间施加控制电压。
在许多实施例中,装置2还包括电流传感器28,其配置用于测量在上游线路4的每一相中流动的电流。
图2示出了电源电路24的实施例。
在所示示例中,电源电路24包括电源总线Vc,其适于由外部电源或由装置2接收的控制信号供电。
优选地,电源电路24包括配置为测量电源总线Vc和电路24的电接地GND之间的电压值的测量装置。
例如,测量装置包括与二极管Dt串联连接在电源总线Vc和电接地GND之间的两个电阻器R1和R2。在这种情况下,位于电阻器R1和R2之间的第一测量点可以用于收集代表存在于电源总线Vc和电接地GND之间的电压的第一测量电压V1。
电源电路24还包括连接到线圈22的一个或多个电源开关,用于选择性地将线圈22连接到电源总线Vc和接地GND或从电源总线Vc和接地GND断开。
例如,第一开关T1连接在线圈22和接地GND之间。第二开关T2连接在线圈22和电源总线Vc之间。
例如,当两个开关T1和T2闭合时,取决于电压Vc的电压被施加到线圈22的端子,并且激励电流在线圈22中流动。当仅第二开关T2打开时,线圈22可以放电并且剩余电流可以暂时继续在线圈22中流动。
开关T1和T2例如由电子控制装置26控制。根据实施例的示例,开关T1和T2是半导体型功率开关,例如Mosfet晶体管、晶闸管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或任何其他等效装置。
在所示示例中,称为续流二极管的二极管Dr1连接在第二开关T2和接地GND之间。齐纳二极管Dz可以与第一开关T1并联连接。二极管D1可以放置在第二开关T2和测量装置之间的电源总线Vc上,以防止任何电流返回到后者。
在许多实施例中,电阻器Rsh与第一开关T1串联连接以收集代表在线圈22中流动的电流的第二测量电压V2。
电源电路24的架构不作限制,且有其他可能的实施方式。
作为一般规则,电子控制装置26配置为当它接收到适当的控制指令时使装置2进行切换。
有利地,电子控制装置26还配置为在装置2的操作期间估计装置2的至少一种特性,尤其是线圈22的一种或多种特性,例如线圈22的电阻、线圈22的电感和线圈22的温度,这将通过阅读以下文本而更容易明白。
在许多实施例中,电子控制装置26由一个或多个电子电路实现。
例如,电子控制装置26包括例如可编程微控制器或微处理器之类的处理器,以及用于记录计算机可读数据的计算机存储器或任何介质。
根据示例,存储器是ROM或RAM或EPROM或闪存或等效类型的非易失性存储器。存储器包括可执行指令和/或计算机代码,用于在由处理器执行时使控制装置26根据下面描述的一个或多个实施例进行操作。
根据变型,电子控制装置26可包括信号处理处理器(DSP)、或可重编程逻辑部件(FPGA)、或专用集成电路(ASIC)、或任何等效元件。
图3示出了曲线图40,其图示了在装置2切换到闭合状态然后再次切换到断开状态的情况下,在装置2的不同连续操作阶段(表示为P1、P2、P3和P4)中的时间(t)期间在线圈22中流动的电流(I)的变化。该电流在下文中称为“线圈电流”。
第一阶段P1是装置2稳定处于断开状态的初始阶段。实际上,第二开关T2保持断开,线圈电流保持为零。
可选地,如图中所见,电流脉冲可以被注入线圈22以用于估计所述特性。
第二阶段P2是闭合阶段,在装置2接收到闭合指令之后。例如,开关T1和T2闭合。线圈电流增加直到达到阈值,高于该阈值时,移动部件12开始从其断开位置移动到其闭合位置。在闭合阶段的其余部分,当动触头14接触到静触头10时,线圈电流增加到平稳值。于是,装置2处于闭合状态。
在称为保持阶段的第三阶段P3中,线圈电流继续保持在阈值以上。实际上,在这个保持阶段,线圈电流可以保持在闭合阶段达到的平稳值以下。
可选地,如图中所见,线圈电压可以周期性地变化,以便在保持线圈电流高于所述阈值的同时尽可能地减小线圈电流,以避免不必要的能量损失。
在所示示例中,通过以预定义的斩波频率交替地打开和闭合第二开关T2来获得线圈电压的周期性变化,从而根据预定义的轮廓产生线圈电压的振荡。因此,线圈电流也在两个强度值之间具有振荡42。在此期间,第一开关T1可以保持闭合。
为了防止由这些振荡引起的机械振动产生人耳可察觉的噪声,有利地选择斩波频率低于100Hz或高于25kHz。在所示示例中,斩波频率低于100Hz。
当电子控制装置26接收到打开指令时,打开阶段P4开始。开关T1和T2都打开。
现在将参考图4和5描述用于估计装置2的特性的方法的操作的示例。例如,该方法由控制装置26执行。
该方法更特别地适用于上述打开阶段P4,用于估计当触头10和14彼此分离时出现在接触垫16之间的电弧所释放的能量的量。
更一般地,该方法包括以下步骤:
-检测电触头10、14超过断开阈值的运动(步骤100);
-对于电气装置的至少一个相,测量该相中的电流(步骤102),即,在与该相相关联的电触头之间流动的电流;
-对于电气装置的至少一个相,评估与该相相关联的电触头之间的电弧的电压(步骤104);
-通过对测得的电流和估计的电压的乘积进行数值积分,至少对于电气装置的所述相计算与电弧相关联的能量值,该积分在从检测到电触头的移动开始的时间间隔内执行(步骤106)。
但是,作为变型,可以以不同的顺序执行步骤。某些步骤可能会省略。在其他实施例中,所描述的示例不阻止与所描述的步骤联合和/或顺序地实施其他步骤。
图4示出了对于根据实施例的三相开关装置2,每一相的电流(曲线52,54,56,也称作相电流)和每一相的固定触头10和动触头14之间的电压(分别为曲线58,60和62)随时间(水平轴线)的变化。
在所示示例中,电流曲线52、54和56具有正弦形状并且彼此相移。为了中断电流,装置2在t=223ms的时刻左右切换到断开状态。从这一时刻起,对于每一相,接触垫16之间的电压随着动触头14远离固定触头10移动而增加,该电压表明这些垫16之间存在电弧。
如果需要,当触头相距足够远并且相电流(通常呈正弦形状周期性)通过零时,每个相的电弧都会中断。替代地,当电弧移向装置2的灭弧室时可以熄灭电弧。
电弧的消失由电压峰值(在曲线58、60和62中分别表示为A58、A60和A62)的存在来指示。在所示示例中,对于每个相,在出现电压峰值之后,电压降低直到等于网络电压,在这种情况下,网络电压由电气装置的能源提供。
例如,在装置2已经接收到打开命令之后,当装置2处于闭合状态(例如在上述操作阶段P3中)时,可以开始上述方法。
在许多实施例中,电流测量和电压测量可以随时间重复,优选地周期性地重复。
例如,电压值的每次采样与电流值的采样同时进行。
电流测量可以用电流传感器28进行。
电流测量和/或电压测量也可以在步骤100之前开始,例如装置2一投入运行就开始。
有利地,在计算步骤104中,装置2的每个电相位(或极)的触头10和14之间的电压U(或者更准确地,触头10和14的相应接触垫16之间的电压)使用以下公式计算:
其中:
I是对于电气装置的所述相测量的电流,
x是电气装置的该相的电触头的运动,以及
-a、b、c和d是数值参数,例如定义为装置2和/或致动器的构造特性的函数。
举例来说,作为第一近似,电弧电压U可以估计为等于阴极和阳极电压降(每个大约15伏)的总和,并对其加上与移动部件12的移动x成比例的附加电压值。该附加电压值对应于由于电弧伸长而产生的电压,通常估计等于约3V/mm。在双断路开关的当前情况下,电压U可能介于30V和50V之间。
该公式能够以高精度估计电弧电压。然而,可以使用其他公式来计算该电压。
例如,移动x被定义为致动器20的移动部件相对于致动器的固定部分(例如线圈22)的位置的变化,该移动部件配置为沿着移动轴线相对于线圈22平移。移动部件可以是承载与每个电相位相关联的一个或多个动触头14的移动板。实际上,装置2的所有极的动触头14同时移动。
优选地,该移动x基于对动触头14(或者在这种情况下为移动部件)的位置的估计来计算。
例如,该位置可以用专用的位置传感器确定,或者优选地,它可以基于电量的测量来估计。
根据可能的示例,可以基于包括以下步骤的方法来估计位置,该方法可以由控制装置26实现:
a)在接收到打开指令后,例如通过向线圈22注入激励电流来使电磁致动器20开启;
b)在装置2切换到断开状态期间,测量并记录线圈两端的电压值(UBOB)和流过线圈的电流(IBOB);
c)通过对线圈电流、线圈电压的记录值以及线圈的电阻值(RBOB)和电感值(LBOB)的积分,计算穿过线圈22的磁通量(φ)的值,这些电阻值和电感值是提前已知的,并且可能例如已经预先记录在控制装置26中;
d)基于磁通量(φ)和线圈电流(IBOB)的值,基于电磁致动器的特性数据表评估和记录电磁致动器20的芯部的位置(x),该数据表已经先前记录在控制装置26中并且定义了芯部的位置(x)、磁通量(φ)和线圈电流(IBOB)之间的一对一关系。
例如,芯部形成装置2的移动部件12的一部分。
在前文中,线圈电流(IBOB)定义为流过线圈的激励电流。
脱扣电流ID定义为线圈电流IBOB的阈值,当致动器1处于打开状态时,一旦线圈电流(IBOB)上升到脱扣电流ID以上,就会使致动器1移动到关闭状态。
堵转电流IS定义为线圈电流IBOB的阈值,当致动器1处于关闭状态时,一旦线圈电流IBOB下降到堵转电流IS以下,就会使致动器1移动到打开状态。
例如,磁通量(φ)的值与线圈电压和线圈电流IBOB的值通过由公式1表示的以下等式相关:
其中N是线圈22的匝数,φ是穿过线圈22的每一匝的磁通量。
通过在公式1中推导φ,我们获得了控制致动器1中电磁量的通用方程公式2:
不考虑感应电流,磁路具有磁阻Rel,该磁阻一方面是(移动部件12的)移动芯的位置x与线圈电流IBOB的函数,另一方面通过以下关系:
Rel(x,IBOB)·φ=N·IBOB与磁通量φ和线圈电流IBOB相关联。
换句话说,磁通量φ是位置x和线圈电流IBOB的函数,磁通量φ可以以解析关系的形式表达,或者,为了更精确,由用于模拟装置2的磁路的工具生成的二维响应表面来表达。
在绝大多数情况下,表面φ=f(x,IBOB)是一对一的类型;换言之,对于给定的线圈电流IBOB,位置x的给定数据值对应于磁通量φ的唯一值。这使得可以重构反函数x=g(φ,IBOB),其给出位置值x作为磁通量φ和线圈电流IBOB的函数。
该表面φ=f(x,IBOB)或其反函数x=g(φ,IBOB)被记录在控制装置26的存储器中,例如以电磁致动器的特性数据表的形式,该数据表定义了芯部的位置x、线圈磁通量φ和线圈电流IBOB之间的一对一关系。
磁通量φ也由公式1相对于时间的积分给出。这导致下面的公式3:
其中UBOB和IBOB是测量的,N、dt和RBOB是已知的,并且φ0是积分区间开始时磁通量φ的初始值。在本发明的上下文中,积分区间优选地在控制装置26命令致动器打开的时刻开始,即在时刻t2'。
通过电子控制装置40实施的数值计算方法,可以使用公式3计算磁通量φ。
积分时间间隔dt越短,即积分步长越短,计算误差越小。该间隔dt例如与电子控制装置40的计算逻辑单元的时钟频率的倒数成正比。根据示例,装置40的时钟频率是1kHz。
实现这一点的一种方法称为自动校正方法,它基于这样一个事实,即只要线圈电流IBOB大于堵转电流IS,也就是说,在堵转时刻t2”之前,只要芯部在闭合位置静止,移动芯在打开阶段P4期间就在闭合位置静止。
换言之,在t2'和t2”之间的每个时刻t(其中t2'是装置26命令装置2断开的时刻),只要线圈电流IBOB大于堵转电流IS,当磁通量φ使用公式3计算并使用反函数x=g(φ,IBOB)从中推导出t时刻的位置x时,如果计算出的位置不恒定,换句话说x(t)≠x(t2′),则初始通量的估计值存在误差。
然后,补偿t时刻的磁通量φ以校正该误差,该补偿采用重新估计初始通量的形式。在多次连续计算期间以及在t2'和t2”之间的时刻t期间,多次应用通量φ的校正,直到初始通量的估计值与实际通量φ0收敛。作为自动校正方法的结果,初始通量φ0中的误差得到精确补偿。
因此,当线圈电流IBOB降低到低于堵转电流IS并且芯部开始移动时,磁通量φ的准确了解使得可以准确计算位置x。
在变型中,可以以不同方式估计位置。
因此,在步骤104结束时,提供了对移动x的估计,或者以等效的方式,提供了电触头的位置。
在步骤106中,在从检测到电触头的移动开始的时间间隔内执行积分。
优选地,当在变平处移动已经达到待机值但可移动电触头14没有与固定触头10分离时,间隔开始。
在实践中,当电弧熄灭时,或者当电弧已经移向装置2的灭弧室时,时间间隔结束。
有利地,所述时间间隔在预定周期到期时结束。例如,预定周期等于50ms或100ms。
在大多数情况下,这些值确保电弧将在预定周期到期时熄灭。
例如,预定周期可以是相电流的半周期的至少五倍,装置2配置为在相电流的两个或三个半周期之后中断电流。
在替代实施例中,当针对该电相位测量的电流达到零值时,例如当电流传感器28检测到在相应的相中永久保持为零的电流时,所述时间间隔结束。
有利地,上述方法可以用于估计装置2的电触头10、14的磨损状态,或者更具体地,接触垫16的磨损状态。
这是因为,实际上,电弧通过去除触头10和14的每个开口上的材料而逐渐损坏接触垫16。在某些情况下,接触垫16可能会损坏到损害装置2的正确操作的程度,例如因为它们已经改变了形状,或者它们的厚度已经减小到在闭合状态下不再提供高质量电接触的程度。
优选地,电触头10、14的磨损状态的估计基于能量值。
因此,在一些实施例中,在步骤108中,在步骤106之后,自动计算代表与该电相位相关联的电触头14的磨损状态的值。优选地,该计算通过用取决于在步骤106中计算的能量值的量递增先前值来迭代地执行。
优选地,为装置2的每个相定义代表磨损状态的值。当触头打开时,这些值中的每一个都随着对应电相位的估计电弧能量值而递增。
例如,代表磨损状态的值被记录在控制装置24的存储器中,优选地对于每个电相位记录该值。代表磨损状态的值的初始值可以预先记录在存储器中,例如在工厂中。
因此,每当装置2切换到断开状态时,电触头10、14的磨损状态就被更新。
如果至少一个相的累积值超过预先记录的警报阈值,则会自动识别异常情况。
例如,警告消息可以发送给远程用户和/或可以显示在装置2的显示屏上或通过装置2的指示灯显示。
以此方式,可以容易地检测到装置2的任何磨损。因此促进了预防性维护操作的性能。
可选地,针对电气装置的每一相测量电触头之间的电流和电压,在计算磨损时仅考虑首先检测到断开的电相位。
这使操作员能够在至少一极上出现显著磨损时尽快进行干预,而无需等待其他极完全退化。事实上,在某些电气设施和/或某些情况下,电弧可能首先出现在特定相上,然后电弧出现在其他相上,这主要是由于相之间电流的相移。因此,一些极比其他极磨损得更快。
有利地,如果在步骤106中为装置2的电相位估计的能量值超过预定阈值,也可以识别异常情况。这使得可以检测电弧在切换到断开状态期间会发出如此多的能量以致接触垫16会损坏的情况。
上述实施例或变型之一的任何特征可以在其他描述的实施例和变型中实现。
Claims (10)
1.一种用于估计电气开关装置(2)的特性、特别是在所述装置的断开阶段期间的电弧的能量值的方法,该方法包括以下步骤:
-检测(100)所述开关装置的电触头(10,14)的超过断开阈值的移动;
-对于所述电气装置的至少一个相,测量(102)穿过所述相的电流;
-对于所述电气装置的至少一个相,评估(104)与所述相相关联的电触头之间的电弧的电压;
-至少对于所述电气装置的所述相,通过对测量的电流和评估的电压的乘积进行数值积分,计算(106)与电弧相关联的能量值,该积分在从检测到所述电触头的移动开始的时间间隔内执行。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,如果所述能量值超过预定阈值,则识别异常情况。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述时间间隔在预定周期期满时结束。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,所述预定周期等于50ms或100ms。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其中,当针对电相位测量的电流达到零值时,所述时间间隔结束。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述开关装置是包括电磁致动器的接触器。
8.一种用于估计电气开关装置(2)的电触头的磨损状态的方法,包括以下步骤:
-通过根据前述权利要求中任一项所述的方法,估计(100,102,104,106)与在触头断开阶段期间出现在所述装置的相的电触头之间的电弧相关的能量值;
-计算(108)代表与该电相位相关联的电触头的磨损状态的值,该计算通过用取决于计算出的能量值的量递增先前值来迭代地执行。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,针对所述电气装置的每一相测量电触头之间的电流和电压,并且其中,在计算磨损时仅考虑首先检测到发生断开的电相位。
10.一种电气开关装置(2),包括电子控制装置(26),用于估计所述电气开关装置的特性,特别是在所述装置的断开阶段期间的电弧的能量值,所述电子控制装置(26)配置为:
-检测(100)所述开关装置的电触头(10,14)的超过断开阈值的移动;
-对于所述电气装置的至少一个相,测量(102)穿过所述相的电流;
-对于所述电气装置的至少一个相,评估(104)与所述相相关联的电触头之间的电弧的电压;
-至少对于所述电气装置的所述相,通过对测量的电流和评估的电压的乘积进行数值积分,计算(106)与电弧相关联的能量值,该积分在从检测到所述电触头的移动开始的时间间隔内执行。
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