CN115730491A - 一种变压器内温度场分布的计算方法及相关设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种变压器内温度场分布的计算方法及相关设备，所述方法包括：获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上预设点的温度值；基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。通过线性差值法为计算目标变压器的目标温度场分布的过程提供更精准的边界条件，通过提高边界条件的准确度，提高温度场分布的准确性。

Description

一种变压器内温度场分布的计算方法及相关设备

技术领域

本发明涉及变压器内温度场分布的计算技术领域，尤其涉及一种变压器内温度场分布的计算方法及相关设备。

背景技术

如何准确、快捷地掌握变压器内部温度分布、获取绕组热点温度对优化变压器结构设计、合理利用变压器最大负载能力、提高经济效益、延长变压器寿命都具有重要意义。在仿真计算中，在基于预设边界条件计算变压器内部温度场分布时，所述预设边界条件往往不能体现实际情况，因此基于预设边界条件所得的变压器内部温度场分布的准确性较低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种变压器内温度场分布的计算方法及相关设备，用于解决现有技术中基于预设边界条件所得的变压器内部温度场分布的准确性较低的问题。为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本申请提出一种变压器内温度场分布的计算方法，包括：

获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；

基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上两个预设点的温度值；

基于所述温度值通过线性差值样条获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。

可选的，所述获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布的步骤，包括：

基于所述目标变压器自然对流几何结构和所述材料参数利用有限元软件构建所述目标变压器的初始仿真模型；

根据所述网格剖分参数对所述初始仿真模型进行有限元划分，得到所述目标变压器的仿真耦合计算模型；

设置预设边界条件，所述预设边界条件为：对于层流接口，将固体面作为无滑移边界、将垂直重力的两个面作为开放边界、将平行重力的流体面作为滑移边界；对于流体传热接口，将固体面作为热源边界，将平行于重力的流体面作为热通量边界；

基于所述仿真耦合计算模型和所述预设边界条件计算所述目标变压器的初始温度场分布。

可选的，在所述基于所述仿真耦合计算模型和所述预设边界条件计算所述目标变压器的初始温度场分布的步骤之前，还包括：

定义仿真耦合计算模型的初始温度；

设定所述目标变压器的外界环境温度，并假设外界环境温度恒定；

获取所述目标变压器等效对流换热系数，并设置辐射表面发射率，所述等效对流换热系数表示为：h_e＝h(S₁+S₂)，其中：S₁为油箱箱体的表面积，S₂为散热片的总面积，h为油箱及散热片的对流换热系数。

可选的，所述基于所述仿真耦合计算模型和所述预设边界条件计算所述目标变压器的初始温度场分布的步骤，包括：

当设外界环境温度恒定，变压器热源在单位时间恒定产热，并且变压器的内部产热和散热达到平衡时，所述仿真耦合计算模型的控制方程为：

其中，x轴向坐标、y径向坐标、u流体轴向速度、v流体径向速度、ρ流体密度、f_x流体轴向外力密度大小、f_y流体径向外力密度大小、μ流体动力粘度系数、c_p定压比热容、T导体温度、λ热传导系数、S_T热源，并基于所述控制方程计算所述目标变压器的初始温度场分布；

当设外界环境温度恒定，变压器热源在单位时间恒定产热，所述目标变压器的内部产热和散热不平衡时，基于所述等效对流换热系数和所述仿真耦合计算模型的控制方程计算所述目标变压器的初始温度场分布。

可选的，所述基于所述控制方程计算所述目标变压器的温度场分布的步骤，包括：

计算所述目标变压器按照控制方程运行时的广义向内热通量；

基于所述广义向内热通量计算所述目标变压器的温度场分布。

可选的，所述计算所述目标变压器按照控制方程运行时的广义向内热通量的步骤，包括：

按照公式：

计算所述目标变压器按照控制方程运行时的广义向内热通量，其中，q₀为广义向内热通量，P为热源的功率，S为模型表面积。

可选的，所述基于所述温度值通过线性差值样条获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布的步骤，包括：

将所述温度值作为线性差值函数的端点，获得目标线边界条件；

将所述目标线边界条件替换所述热通量边界，得到目标边界条件，所述目标边界条件为：对于层流接口，将固体面作为无滑移边界、将垂直重力的两个面作为开放边界、将平行重力的流体面作为滑移边界；对于流体传热接口，将固体面作为热源边界，目标线边界条件；

基于所述目标边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。

另一方面，本申请提供了一种变压器内温度场分布的计算装置，包括：

数据采集模块，用于获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；

采样模块，用于基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上预设点的温度值；

计算模块，用于基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。

另一方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过所述总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如上述的变压器内温度场分布的计算方法的步骤。

另一方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上述的变压器内温度场分布的计算方法的步骤。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

通过获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上预设点的温度值；基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。通过线性差值法为计算目标变压器的目标温度场分布的过程提供更精准的边界条件，通过提高边界条件的准确度，提高温度场分布的准确性。

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，下面描述中的附图仅仅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。

其中：

图1是本申请实施例提供的一种变压器内温度场分布的计算方法的流程图；

图2为一个实施例中根据某变压器参数构建的有限元温度场计算模型；

图3为一个实施例中根据某变压器参数计算得到的变压器温度空间分布示意图；

图4是本申请实施例提供的一种变压器内温度场分布的计算装置的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种存储介质的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本申请提出一种变压器内温度场分布的计算方法，如图1所示，包括：

S101、获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；

示例性的，利用滑移边界来计算目标变压器的温度场分布，实现了有限元法对自然对流下变压器温度场分布的计算，避免有限元法在计算流体场时难以收敛的问题。

S102、基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上两个预设点的温度值；

示例性的，基于所述初始温度场分布测量平行于重力的流体面上的任意两个点的点温度值。

S103、基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。

通过获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上预设点的温度值；基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。通过线性差值法为计算目标变压器的目标温度场分布的过程提供更精准的边界条件，通过提高边界条件的准确度，提高温度场分布的准确性。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述目标变压器自然对流几何结构、材料参数和网格剖分参数构建仿真耦合计算模型的步骤，包括：

基于所述目标变压器自然对流几何结构和所述材料参数利用有限元软件构建所述目标变压器的初始仿真模型；

根据所述网格剖分参数对所述初始仿真模型进行有限元划分，如图2所示，得到所述目标变压器的仿真耦合计算模型；

设置预设边界条件，所述预设边界条件包括：对于层流接口，将固体面作为无滑移边界、将垂直重力的两个面作为开放边界、将平行重力的流体面作为滑移边界；对于流体传热接口，将固体面作为热源边界，将平行于重力的流体面作为热通量边界。

示例性的，油箱高度设置为1070mm，宽度255mm；铁心高度为840mm，宽度为87.5mm；低压绕组分为两层，高度均为438mm，宽度均为8.75mm，两层之间的油隙宽5mm；高压绕组高度为378mm，宽度为40mm；铁心与低压绕组间油隙宽6.5mm，低压与高压绕组之间油隙宽20mm，高压绕组与油箱壁之间油隙宽75mm；铁心距离油箱底部12mm，高低压绕组与铁心居中对齐，利用有限元软件，例如，COMSOL软件，构建与所述目标变压器比例为1：1的初始仿真模型：在铁心、低压绕组和高压绕组的边缘处采用极端细化网格剖分，其他区域采用标准细化网格剖分，网格剖分总单元数为2086，得到所述目标变压器的仿真耦合计算模型；

设置预设边界条件，所述预设边界条件包括：对于层流接口，将固体面作为无滑移边界、将垂直重力的两个面作为开放边界、将平行重力的流体面作为滑移边界；对于流体传热接口，将固体面作为热源边界，将平行于重力的流体面作为热通量边界。

在一种可能的实施方式中，在所述基于所述仿真耦合计算模型计算所述目标变压器的温度场分布的步骤之前，还包括：

定义仿真耦合计算模型的初始温度；

设定所述目标变压器的外界环境温度，并假设外界环境温度恒定；

获取所述目标变压器等效对流换热系数，并设置辐射表面发射率，所述等效对流换热系数表示为：h_e＝h(S₁+S₂)，其中：S₁为油箱箱体的表面积，S₂为散热片的总面积，h为油箱及散热片的对流换热系数。

示例性的，具体在本实施例中，设置变压器外界环境温度为293.15K，忽略油箱壁的厚度，对流换热系数需将忽略的散热片的面积考虑进去，按照忽略散热片前后散热面积之比同比例增大变压器外壳的对流换热。油箱箱体的表面积S1＝5073000m2，散热片总面积S2＝9472000m2，考虑油箱及散热片的对流换热系数均为h＝5W·m-2·K-1，此时等效对流换热系数he＝h(S1+S2)/S1计算得，等效对流换热系数he为14.3W·m-2·K-1。同时设置了辐射表面发射率。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述仿真耦合计算模型计算所述目标变压器的温度场分布的步骤，包括：

当设外界环境温度恒定，变压器热源在单位时间恒定产热，并且变压器的内部产热和散热达到平衡时，所述仿真耦合计算模型的控制方程为：

其中，x轴向坐标、y径向坐标、u流体轴向速度、v流体径向速度、ρ流体密度、f_x流体轴向外力密度大小、f_y流体径向外力密度大小、μ流体动力粘度系数、c_p定压比热容、T导体温度、λ热传导系数、S_T热源，并基于所述控制方程计算所述目标变压器的初始温度场分布；

当设外界环境温度恒定，变压器热源在单位时间恒定产热，所述目标变压器的内部产热和散热不平衡时，基于所述等效对流换热系数和所述仿真耦合计算模型的控制方程计算所述目标变压器的初始温度场分布。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述控制方程计算所述目标变压器的温度场分布的步骤，包括：

计算所述目标变压器按照控制方程运行时的广义向内热通量；

基于所述广义向内热通量计算所述目标变压器的初始温度场分布。

在一种可能的实施方式中，所述计算所述目标变压器按照控制方程运行时的广义向内热通量的步骤，包括：

如图2所示，以边FC为无滑移边界，边ED为滑移边界，边FE、边CD为开放边界，并且边ED为热通量边界。

按照公式：

计算所述目标变压器按照控制方程运行时的广义向内热通量，其中，q₀为广义向内热通量，P为热源的功率，S为模型表面积。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布的步骤，包括：

将所述温度值作为线性差值函数的端点，获得目标线边界条件；

将所述目标线边界条件替换所述热通量边界，得到目标边界条件，所述目标边界条件为：对于层流接口，将固体面作为无滑移边界、将垂直重力的两个面作为开放边界、将平行重力的流体面作为滑移边界；对于流体传热接口，将固体面作为热源边界，目标线边界条件；

基于所述目标边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。

示例性的，如图2所示，取热通量边界条件下的边ED上的两个点的温度，把这两个点的值作为线性插值函数的两个端点，假如测得两个点的值分别为(z₁,T₁)、(z₀,T₀)，则线段ED的方程为：

其中z纵坐标，T温度。假设方程两边的值为α，那么这个值就是插值系数从z₀到z的距离与从z₀到z₁距离的比值。由于z值已知，所以可以从公式得到α的值

同理，

则，在代数上就表示为：

T＝(1-α)T₀+αT₁

或者，

T＝T₀+α(T₁-T₀)

进而通过α得到T。实际上，即使z不在z₀到z₁之间并且α也不是介于0到1之间，上述公式也是成立的。

具体的，采用本发明实施例所提供的变压器自然对流散热下绕组温度场的计算方法，根据本例采用变压器的变压器铁芯、线圈、箱体的几何结构、线圈匝数、线圈材料参数、油材料参数、额定电流所建立的变压器二维流热强耦合的有限元温度场计算模型如图2所示，相应的变压器自然对流散热下绕组温度空间分布如图3所示。

另一方面，如图4所示，本申请提供了一种变压器内温度场分布的计算装置，包括：

数据采集模块201，用于获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；

采样模块202，用于基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上两个预设点的温度值；

计算模块203，用于基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。

在一种可能的实施方式中，如图5所示，本申请提供了一种计算机可读存储介质300，其上存储有计算机程序311，该计算机程序311被处理器执行时实现：获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上两个预设点的温度值；基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布的步骤。

在一种可能的实施方式中，如图6所示，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质400，其上存储有计算机程序411，该计算机程序411被处理器执行时实现：获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上两个预设点的温度值；基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布的步骤。

本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于：电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

本领域普通技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里上述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种变压器内温度场分布的计算方法，其特征在于，包括：

获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；

基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上两个预设点的温度值；

基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。

2.如权利要求1所述的变压器内温度场分布的计算方法，其特征在于，所述获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布的步骤，包括：

基于所述目标变压器自然对流几何结构和所述材料参数利用有限元软件构建所述目标变压器的初始仿真模型；

根据所述网格剖分参数对所述初始仿真模型进行有限元划分，得到所述目标变压器的仿真耦合计算模型；

设置预设边界条件，所述预设边界条件为：对于层流接口，将固体面作为无滑移边界、将垂直重力的两个面作为开放边界、将平行重力的流体面作为滑移边界；对于流体传热接口，将固体面作为热源边界，将平行于重力的流体面作为热通量边界；

基于所述仿真耦合计算模型和所述预设边界条件计算所述目标变压器的初始温度场分布。

3.如权利要求2所述的变压器内温度场分布的计算方法，其特征在于，在所述基于所述仿真耦合计算模型和所述预设边界条件计算所述目标变压器的初始温度场分布的步骤之前，还包括：

定义仿真耦合计算模型的初始温度；

设定所述目标变压器的外界环境温度，并假设外界环境温度恒定；

获取所述目标变压器等效对流换热系数，并设置辐射表面发射率，所述等效对流换热系数表示为：h_e＝h(S₁+S₂)，其中：S₁为油箱箱体的表面积，S₂为散热片的总面积，h为油箱及散热片的对流换热系数。

4.如权利要求3所述的变压器内温度场分布的计算方法，其特征在于，所述基于所述仿真耦合计算模型和所述预设边界条件计算所述目标变压器的初始温度场分布的步骤，包括：

当设外界环境温度恒定，变压器热源在单位时间恒定产热，并且变压器的内部产热和散热达到平衡时，所述仿真耦合计算模型的控制方程为：

其中，x轴向坐标、y径向坐标、u流体轴向速度、v流体径向速度、ρ流体密度、f_x流体轴向外力密度大小、f_y流体径向外力密度大小、μ流体动力粘度系数、c_p定压比热容、T导体温度、λ热传导系数、S_T热源，并基于所述控制方程计算所述目标变压器的初始温度场分布；

当设外界环境温度恒定，变压器热源在单位时间恒定产热，所述目标变压器的内部产热和散热不平衡时，基于所述等效对流换热系数和所述仿真耦合计算模型的控制方程计算所述目标变压器的初始温度场分布。

5.如权利要求4所述的变压器内温度场分布的计算方法，其特征在于，所述基于所述控制方程计算所述目标变压器的温度场分布的步骤，包括：

计算所述目标变压器按照控制方程运行时的广义向内热通量；

基于所述广义向内热通量计算所述目标变压器的温度场分布。

6.如权利要求5所述的变压器内温度场分布的计算方法，其特征在于，所述计算所述目标变压器按照控制方程运行时的广义向内热通量的步骤，包括：

按照公式：

计算所述目标变压器按照控制方程运行时的广义向内热通量，其中，q₀为广义向内热通量，P为热源的功率，S为模型表面积。

7.如权利要求2所述的变压器内温度场分布的计算方法，其特征在于，所述基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布的步骤，包括：

将所述温度值作为线性差值函数的端点，获得目标线边界条件；

将所述目标线边界条件替换所述热通量边界，得到目标边界条件，所述目标边界条件为：对于层流接口，将固体面作为无滑移边界、将垂直重力的两个面作为开放边界、将平行重力的流体面作为滑移边界；对于流体传热接口，将固体面作为热源边界，目标线边界条件；

基于所述目标边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。

8.一种变压器内温度场分布的计算装置，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于获取在将平行重力的流体面作为滑移边界的条件下，目标变压器的初始温度场分布；

采样模块，用于基于所述初始温度场分布获取所述目标变压器内平行于重力的流体面上预设点的温度值；

计算模块，用于基于所述温度值通过线性差值获得目标线边界条件，并基于所述目标线边界条件计算目标变压器的目标温度场分布。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过所述总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如权利要求1至7中任一项所述的变压器内温度场分布的计算方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至7中任一项所述的变压器内温度场分布的计算方法的步骤。

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