CN115864272B - 一种gis母线气室微粒陷阱结构及其布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压输配电技术领域，公开一种GIS母线气室微粒陷阱结构及其布置方法，其中，微粒陷阱结构包括均设置在气室内并位于绝缘子凸出侧的第一拔孔陷阱、楔型陷阱和第二拔孔陷阱；所述第一拔孔陷阱设置在绝缘子与高压电极结合点下方，所述第二拔孔陷阱远离绝缘子凸出侧设置，所述楔型陷阱位于所述第一拔孔陷阱、所述第二拔孔陷阱之间。本发明的组合式微粒陷阱结构使得陷阱间的电场分布发生变化，在电场力驱动下，金属微粒向拔孔陷阱方向运动并进入陷阱，因此可以主动捕获金属微粒，从而能够主动保护绝缘子。

Description

一种GIS母线气室微粒陷阱结构及其布置方法

技术领域

本发明属于高压输配电技术领域，特别涉及一种GIS母线气室微粒陷阱结构及其布置方法。

背景技术

GIS（Gas Insulated Switchgear，气体绝缘开关设备）凭借其抗电磁干扰能力强、传输量大、运行稳定性高等优点，被大量投入工程用途。但设备内部运动的金属微粒是造成绝缘故障的重要原因，以及设备内部绝缘子处属于故障高危区域。

微粒陷阱是抑制金属微粒的重要措施之一，现有技术提出了多种微粒陷阱设计方案，其中楔型陷阱是一种便于布置，对入陷微粒有较好抑制效果的陷阱；而拔孔陷阱已在不同电压等级GIS中获得广泛应用。为提高设备绝缘水平，需要显著抑制设备绝缘子处金属微粒，但是单独在绝缘子附近放置楔型陷阱或拔孔陷阱时，微粒会静止在陷阱边缘或在陷阱附近运动，对金属微粒的捕捉率较低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种GIS母线气室微粒陷阱结构及其布置方法，采用以下技术方案：

一种GIS母线气室微粒陷阱结构，包括均设置在气室内并位于绝缘子凸出侧的第一拔孔陷阱、楔型陷阱和第二拔孔陷阱；

其中，所述第一拔孔陷阱设置在绝缘子与高压电极结合点下方，所述第二拔孔陷阱远离绝缘子凸出侧设置，所述楔型陷阱位于所述第一拔孔陷阱、所述第二拔孔陷阱之间。

进一步的，所述第一拔孔陷阱一侧端部位于绝缘子凸出侧与高压电极结合点的正下方。

进一步的，所述楔型陷阱包括多个楔型贯穿性槽孔，相邻所述槽孔之间按照设定间距布置。

进一步的，所述第一拔孔陷阱、所述楔型陷阱、所述第二拔孔陷阱与GIS母线的外壳内表面连接，所述第一拔孔陷阱、所述楔型陷阱、所述第二拔孔陷阱的中心线与GIS母线的中轴线切面的中心线重合。

进一步的，所述楔型陷阱的底部与所述第一拔孔陷阱、所述第二拔孔陷阱的顶部位于同一平面。

进一步的，所述第一拔孔陷阱、所述楔型陷阱和所述第二拔孔陷阱的材质均为铝合金材质。

进一步的，所述第一拔孔陷阱和所述第二拔孔陷阱的直径为18cm，深度为15cm。

进一步的，所述楔型陷阱侧壁与上表面倾斜角度为50°。

进一步的，所述楔型陷阱的厚度为5mm，总长度为15cm，相邻所述槽孔的间距为4mm，所述槽孔的宽度为4mm，所述槽孔的数量为15。

本发明还提供一种GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法，包括以下步骤：

建立模型步骤：根据所述的微粒陷阱结构建立微粒陷阱仿真模型，并设置模型参数；

金属微粒运动特性仿真步骤：在微粒陷阱仿真模型中，设置仿真条件，并随机释放设定数量的目标微粒，获得目标微粒设定时间内的运动特性；

计算微粒陷阱结构捕捉概率步骤：根据目标微粒设定时间内的运动特性，统计微粒陷阱结构捕捉的目标微粒数量，并计算微粒陷阱结构的目标微粒捕获率；

改变楔型陷阱与第一拔孔陷阱、第二拔孔陷阱的距离，重复进行建立模型步骤、金属微粒运动特性仿真步骤和计算微粒陷阱结构捕捉概率步骤；

比较楔型陷阱与第一拔孔陷阱、第二拔孔陷阱不同距离下的目标微粒的捕获率，获得微粒陷阱结构最优的布置方案。

进一步的，根据微粒陷阱结构建立微粒陷阱仿真模型，并设置模型参数，具体如下：

根据GIS母线结构，以及第一拔孔陷阱、楔型陷阱、第二拔孔陷阱的位置和尺寸建立微粒陷阱仿真模型；

在微粒陷阱仿真模型中，定义微粒的碰撞反射随机角模型；

在微粒陷阱仿真模型中，定义微粒的受力模型；

在微粒陷阱仿真模型中，定义陷阱捕获率与微粒陷阱结构布置方案的优化函数。

进一步的，微粒的碰撞反射随机角模型，具体如下：

式中，mu为均值、sigma为标准差、v表示微粒入射速度，θ ₀ 表示微粒入射角度，lognrnd表示生成对数正态分布随机数的函数，θ表示微粒的碰撞反射随机角。

进一步的，微粒的受力模型，具体如下：

式中，G为微粒重力，m为微粒质量，g为重力加速度，F _E 为库仑力，q为微粒带电量，E为微粒位置处电场强度，F _f 为微粒所受气体阻力，r为微粒半径，v为微粒的运动速度，η为气体阻力系数，F _grad为电场梯度力。

进一步的，陷阱捕获率与微粒陷阱结构布置方案的优化函数，具体如下：

式中，L _distance为第一拔孔陷阱、第二拔孔陷阱与楔型陷阱的距离，p _capture为微粒陷阱结构的微粒捕获率。

进一步的，目标微粒为互不干扰的自由球形或线形金属微粒。

进一步的，获得微粒陷阱结构最优的布置方案，具体如下：

确定目标微粒的捕获率＞90%时，楔型陷阱与第一拔孔陷阱、第二拔孔陷阱的最大距离为最优的布置方案。

本发明的有益效果：本发明的组合式微粒陷阱结构使得陷阱间的电场分布发生变化，在电场力驱动下，金属微粒向拔孔陷阱方向运动并进入陷阱，因此可以主动捕获金属微粒，从而能够主动保护绝缘子。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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示出了单独布置楔型微粒陷阱的GIS俯视图；

图2示出了单独布置楔型微粒陷阱的GIS正视图；

图3示出了单独布置拔孔微粒陷阱的GIS俯视图；

图4示出了单独布置拔孔微粒陷阱的GIS正视图；

图5示出了根据本发明实施例的一种GIS母线气室微粒陷阱结构俯视图；

图6示出了根据本发明实施例的一种GIS母线气室微粒陷阱结构正视图；

图7示出根据本发明实施例的一种GIS母线气室微粒陷阱结构布置方法的流程示意图；

图8示出了微粒捕获率与微粒陷阱结构的关联示意图。

图中：1、外壳；2、高压导体；3、绝缘子；4、第一拔孔陷阱；5、楔型陷阱；6、第二拔孔陷阱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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做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。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。

本发明实施例提供一种GIS母线气室微粒陷阱结构及其布置方法，楔型陷阱5与拔孔陷阱共同布置并保持一定间距，使得陷阱间的电场分布发生变化，在电场力驱动下，金属微粒向拔孔陷阱方向运动并进入陷阱，因此可以主动捕获金属微粒，从而能够主动保护绝缘子3。

如图5和图6所示，一种GIS母线气室微粒陷阱结构，其中，GIS母线包括外壳1、高压导体2和绝缘子3，外壳1内部具有气室，高压导体2设置在气室内，气室内填充有绝缘气体，绝缘子3套接在高压导体2上。

微粒陷阱结构包括均设置在气室内并位于绝缘子3凸出侧的第一拔孔陷阱4、楔型陷阱5和第二拔孔陷阱6，第一拔孔陷阱4设置在绝缘子3与高压电极结合点下方，第二拔孔陷阱6远离绝缘子3凸出侧设置，楔型陷阱5位于第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6之间，楔型陷阱5的底部与第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6的顶部位于同一平面。

金属微粒在绝缘子3附近时会受到附近电场的影响，可能会落在绝缘子3表面或在绝缘子3表面跳动，从而造成绝缘事故。本发明实施例在绝缘子3附近布置该陷阱组合，能够有效实现对绝缘子3的全面保护。由于拔孔陷阱附近电场的分布特性，拔孔陷阱附近的金属微粒会朝陷阱方向运动，而楔型陷阱5附近电场会使金属微粒朝远离陷阱方向运动，因此楔型陷阱5能够增加拔孔陷阱的抑制范围，从而实现该陷阱组合对绝缘子3的全面保护。

在一个实施例中，第一拔孔陷阱4与第二拔孔陷阱6的直径与GIS母线的外壳1内半径相同，深度为15cm，当应用于252kVGIS，第一拔孔陷阱4与第二拔孔陷阱6的直径可以为18cm。

进一步的，第一拔孔陷阱4设置在绝缘子3凸出侧，第一拔孔陷阱4左侧端部位于绝缘子3凸出侧与高压电极结合点的正下方。

在一个实施例中，楔型陷阱5包括多个楔型贯穿性槽孔，相邻槽孔之间保持一定间距，避免形成尖端造成电场过度畸变。例如，楔型陷阱5侧壁与上表面倾斜角度为50°，厚度为5mm，相邻槽孔的间距为4mm，槽孔的宽度为4mm，槽孔的数量为15，楔型陷阱5的总长度为15cm。

在一个实施例中，第一拔孔陷阱4、楔型陷阱5和第二拔孔陷阱6的材质均为铝合金材质，第一拔孔陷阱4、楔型陷阱5、第二拔孔陷阱6与GIS母线的外壳1内表面焊接连接，第一拔孔陷阱4、楔型陷阱5、第二拔孔陷阱6的中心线与GIS母线的中轴线切面的中心线重合。

为验证本发明实施例的微粒陷阱结构有效性，采用实验的方式，分别对比单独布置楔型陷阱5、单独布置拔孔陷阱以及本发明实施例组合式陷阱得到的结果。

实验以252kV GIS系统为平台，以直径0.3mm的球形微粒与半径0.5mm长度2mm的线形微粒来模拟运行GIS中的金属微粒，实验中采用的楔型陷阱5侧壁与上表面倾斜角度为50°，厚度为5mm，相邻槽孔的间距为4mm，槽孔宽度为4mm，槽孔数量为15，总长度为15cm；拔孔陷阱直径为18cm、深度为15cm。陷阱对微粒的抑制效果通过金属微粒捕获率以及拔孔陷阱的有效捕获范围评价其捕获效果，陷阱捕获范围以陷阱附近轴向电场值为参考界定，微粒捕获率的定义具体如下：

其中，p _cap为微粒捕获率，N _cap为捕获微粒数，N _all为放置微粒总数，微粒捕获率越大，说明该方案抑制微粒效果越好。

1、单独布置楔型陷阱5。

如图1和图2所示，球形金属微粒布置于楔型陷阱5左侧即陷阱与绝缘子3中间，线形微粒布置于楔型陷阱5右侧。

根据实验结果，加压至设备额定电压时，楔型陷阱5附近部分微粒运动至陷阱内，进入陷阱的金属微粒会停止运动，由此可知单独布置楔型陷阱5时，楔型陷阱5对其附近的金属微粒具有一定的捕获效果；同时实验中发现，陷阱左侧部分微粒会向远离楔型陷阱5即绝缘子3方向运动，而陷阱右侧的部分微粒也会向远离楔型陷阱5方向运动，这种运动方式不利于微粒被陷阱捕获，通过计算得知单独布置楔型陷阱5时，楔型陷阱5的捕获率为0.21。

2、单独布置拔孔陷阱

研究拔孔陷阱的捕获效果时，拔孔陷阱的布置如图3、图4所示，球形微粒与线形微粒布置于两个拔孔陷阱间。

根据实验结果，拔孔陷阱对于分布在两拔孔陷阱之间的金属微粒无法完全捕获，部分微粒仍滞留于拔孔陷阱中间，两拔孔陷阱对金属微粒的捕获率为0.55。

3、本发明实施例组合式陷阱

采用本实施例的组合式陷阱得到的GIS如图5、图6所示，球形金属微粒布置于楔型陷阱5左侧，线形微粒布置于楔型陷阱5右侧。

根据实验结果，所有微粒均落入本发明实施例组合式陷阱中，表明拔孔陷阱与楔型陷阱5的协同布置方案能够有效抑制绝缘子3附近的金属微粒，但本次实验中拔孔陷阱与楔型陷阱5的距离较近，为获得拔孔陷阱与楔型陷阱5协同配合的最大有效距离，如图7所示，本发明实施例还提供一种GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法，包括以下步骤：

S1、建立模型步骤：根据微粒陷阱结构建立微粒陷阱仿真模型，并设置模型参数，微粒陷阱仿真模型考虑微粒受力分析与运动随机性。

根据微粒陷阱结构建立微粒陷阱仿真模型，并设置模型参数具体如下：

S101、根据GIS母线结构，以及第一拔孔陷阱4、楔型陷阱5、第二拔孔陷阱6的位置和尺寸建立微粒陷阱仿真模型。

例如，根据真实GIS母线尺寸，建立微粒陷阱仿真模型具体如下：具体半径为3cm的铝合金高压导体2，半径18cm的铝合金外壳1，第一拔孔陷阱4和第二拔孔陷阱6的直径18cm，深度15cm；楔型陷阱5厚度为5mm，相邻槽孔之间的间距为4mm，槽孔宽度为4mm，槽孔数量为15，楔型陷阱5总长度为15cm。

S102、在微粒陷阱仿真模型中，定义微粒的碰撞反射随机角模型，具体如下：

式中，mu为均值、sigma为标准差、v表示微粒入射速度，θ ₀ 表示微粒入射角度，lognrnd表示生成对数正态分布随机数的函数，θ表示微粒的碰撞反射随机角。

S103、在微粒陷阱仿真模型中，定义微粒的受力模型，具体如下：

式中，G为微粒重力，m为微粒质量，g为重力加速度，F _E 为库仑力，q为微粒带电量，E为微粒位置处电场强度，F _f 为微粒所受气体阻力，r为微粒半径，v为微粒的运动速度，η为气体阻力系数，F _grad为电场梯度力。

S104、在微粒陷阱仿真模型中，定义陷阱捕获率与微粒陷阱结构布置方案的优化函数，具体如下：

式中，L _distance为第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6与楔型陷阱5的距离，p _capture为微粒陷阱结构的微粒捕获率。

如图8所示，本步骤中，随着第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6与楔型陷阱5距离的增加，微粒陷阱结构的微粒捕获率逐渐降低，因此，本发明实施例的布置方法用于获得单一楔型陷阱5与单一拔孔陷阱协同布置的最大捕获范围（微粒捕获率＞90%的最大距离）。考虑楔型陷阱5与拔孔陷阱协同布置的协同机理为两陷阱附近电场的协同配合，因此，楔型陷阱5与两侧的第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6的间距为本发明实施例的布置方法获得的最大距离即可。

S2、金属微粒运动特性仿真步骤：在微粒陷阱仿真模型中，设置仿真条件，并随机释放设定数量互不干扰的自由球形或线形金属微粒作为目标微粒，获得目标微粒设定时间内的运动特性。

S3、计算微粒陷阱结构捕捉概率步骤：根据目标微粒设定时间内的运动特性，统计微粒陷阱结构捕捉的目标微粒数量，并计算微粒陷阱结构的目标微粒捕获率。

S4、改变楔型陷阱5与第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6的距离，重复进行步骤S1-S3。

S5、比较楔型陷阱5与第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6不同距离下的目标微粒的捕获率，获得微粒陷阱结构最优的布置方案。

具体的，确定目标微粒的捕获率＞90%时，楔型陷阱5与第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6的最大距离为最优的布置方案。

例如，在微粒陷阱仿真模型中，设置仿真条件为GIS中充满0.4MPa的纯SF6，其中放置直径为0.3mm的球形微粒与半径0.5mm、长2mm的线形微粒，施加电压635kV电压持续15min，改变第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6与楔型陷阱5之间的距离，第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6与楔型陷阱5之间距离的取值范围为5cm~50cm，比较不同距离下微粒陷阱结构的捕捉概率，得出第一拔孔陷阱4、第二拔孔陷阱6与楔型陷阱5相距35cm时，微粒捕获率＞90%，可实现对绝缘子3最大范围的有效保护，获得微粒陷阱结构最优的布置方案。

本发明实施例的GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法弥补了使用单一类型陷阱时对绝缘子3附近金属微粒捕获的不足，本发明实施例在绝缘子3附近协同布置拔孔陷阱与楔形陷阱能够实现陷阱组合对绝缘子3的主动保护，相比现有技术的被动保护，可以更有效的抑制GIS绝缘子3附近金属微粒的运动，提高GIS绝缘水平。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种GIS母线气室微粒陷阱结构，其特征在于，包括均设置在气室内并位于绝缘子凸出侧的第一拔孔陷阱、楔型陷阱和第二拔孔陷阱；

其中，所述第一拔孔陷阱设置在绝缘子与高压电极结合点下方，所述第二拔孔陷阱远离绝缘子凸出侧设置，所述楔型陷阱位于所述第一拔孔陷阱、所述第二拔孔陷阱之间。

2.根据权利要求1所述的GIS母线气室微粒陷阱结构，其特征在于，所述第一拔孔陷阱一侧端部位于绝缘子凸出侧与高压电极结合点的正下方。

3.根据权利要求1所述的GIS母线气室微粒陷阱结构，其特征在于，所述楔型陷阱包括多个楔型贯穿性槽孔，相邻所述槽孔之间按照设定间距布置。

4.根据权利要求1所述的GIS母线气室微粒陷阱结构，其特征在于，所述第一拔孔陷阱、所述楔型陷阱、所述第二拔孔陷阱与GIS母线的外壳内表面连接，所述第一拔孔陷阱、所述楔型陷阱、所述第二拔孔陷阱的中心线与GIS母线的中轴线切面的中心线重合。

5.根据权利要求1所述的GIS母线气室微粒陷阱结构，其特征在于，所述楔型陷阱的底部与所述第一拔孔陷阱、所述第二拔孔陷阱的顶部位于同一平面。

6.根据权利要求1所述的GIS母线气室微粒陷阱结构，其特征在于，所述第一拔孔陷阱、所述楔型陷阱和所述第二拔孔陷阱的材质均为铝合金材质。

7.根据权利要求1-6任一所述的GIS母线气室微粒陷阱结构，其特征在于，所述第一拔孔陷阱和所述第二拔孔陷阱的直径为18cm，深度为15cm。

8.根据权利要求3所述的GIS母线气室微粒陷阱结构，其特征在于，所述楔型陷阱侧壁与上表面倾斜角度为50°。

9.根据权利要求8所述的GIS母线气室微粒陷阱结构，其特征在于，所述楔型陷阱的厚度为5mm，总长度为15cm，相邻所述槽孔的间距为4mm，所述槽孔的宽度为4mm，所述槽孔的数量为15。

10.一种GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立模型步骤：根据权利要求1-9任一所述的微粒陷阱结构建立微粒陷阱仿真模型，并设置模型参数；

金属微粒运动特性仿真步骤：在微粒陷阱仿真模型中，设置仿真条件，并随机释放设定数量的目标微粒，获得目标微粒设定时间内的运动特性；

计算微粒陷阱结构捕捉概率步骤：根据目标微粒设定时间内的运动特性，统计微粒陷阱结构捕捉的目标微粒数量，并计算微粒陷阱结构的目标微粒捕获率；

改变楔型陷阱与第一拔孔陷阱、第二拔孔陷阱的距离，重复进行建立模型步骤、金属微粒运动特性仿真步骤和计算微粒陷阱结构捕捉概率步骤；

比较楔型陷阱与第一拔孔陷阱、第二拔孔陷阱不同距离下的目标微粒的捕获率，获得微粒陷阱结构最优的布置方案。

11.根据权利要求10所述的GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法，其特征在于，根据微粒陷阱结构建立微粒陷阱仿真模型，并设置模型参数，具体如下：

根据GIS母线结构，以及第一拔孔陷阱、楔型陷阱、第二拔孔陷阱的位置和尺寸建立微粒陷阱仿真模型；

在微粒陷阱仿真模型中，定义微粒的碰撞反射随机角模型；

在微粒陷阱仿真模型中，定义微粒的受力模型；

在微粒陷阱仿真模型中，定义陷阱捕获率与微粒陷阱结构布置方案的优化函数。

12.根据权利要求11所述的GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法，其特征在于，微粒的碰撞反射随机角模型，具体如下：

式中，mu为均值、sigma为标准差、v表示微粒入射速度，θ ₀ 表示微粒入射角度，lognrnd表示生成对数正态分布随机数的函数，θ表示微粒的碰撞反射随机角。

13.根据权利要求11所述的GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法，其特征在于，微粒的受力模型，具体如下：

式中，G为微粒重力，m为微粒质量，g为重力加速度，F _E 为库仑力，q为微粒带电量，E为微粒位置处电场强度，F _f 为微粒所受气体阻力，r为微粒半径，v为微粒的运动速度，η为气体阻力系数，F _grad为电场梯度力。

14.根据权利要求11所述的GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法，其特征在于，陷阱捕获率与微粒陷阱结构布置方案的优化函数，具体如下：

式中，L _distance为第一拔孔陷阱、第二拔孔陷阱与楔型陷阱的距离，p _capture为微粒陷阱结构的微粒捕获率。

15.根据权利要求10所述的GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法，其特征在于，目标微粒为互不干扰的自由球形或线形金属微粒。

16.根据权利要求11-15任一所述的GIS母线气室微粒陷阱结构的布置方法，其特征在于，获得微粒陷阱结构最优的布置方案，具体如下：

确定目标微粒的捕获率＞90%时，楔型陷阱与第一拔孔陷阱、第二拔孔陷阱的最大距离为最优的布置方案。

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