CN1653663A - 包括电绝缘层的开关装置 - Google Patents

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Abstract

一种开关装置(5)，包括：连接电缆联结(33)的断路器(12)、可选地，用于接通或断开电缆联结(33)和干线系统(15)之间的导电联结的断连器(14)、以及电绝缘层(10)。电绝缘层(10)包围至少运行于电压下的从断路器(12)到干线系统(15)的部分，包括对于开关装置(5)的每相连接干线系统的干线(15)的支线(18)，而且，在电绝缘层(10)的内部，所述开关装置可以包括场控装置和/或电压密封装置(22、25、37)。

Description

包括电绝缘层的开关装置
技术领域
本发明涉及开关装置，该开关装置尤其适用于高于1000V的电压，该开关装置包括：连接电缆联结的断路器，还可包括用于在电缆联结和干线系统(rail system)之间接通和断开导电联结的断连器，以及用于屏蔽运行于电压下的开关装置的元件的电绝缘层。
背景技术
因为大多数开关装置都是三相设计，因此，每个功能单元(也称为场)也具有三组上述的每个元件，每一相的这些元件在物理上和电气上相互隔离。
而且，将这种开关装置的各相作为实体一起设置在闭合开关盒中，其中，由于较大的电势差，必须在开关盒的各个电压承载部分和其它导电部分之间保持一定的距离，以防止这些不同部分之间的电火花或电击穿。除了使用的电压以外，该距离还依赖于所使用的断路器的类型，例如空气断路器、油断路器、真空断路器等；以及在开关装置的各部分之间使用的绝缘介质，例如气体(空气、SF6等)、液体(油)、固体(铸模树脂)等。
由于所占据的空间以及更高的材料和传动成本，所希望地是，制造尽可能紧凑的开关装置，并且利用断路器和绝缘介质的组合实现紧凑的设计。例如，为得到紧凑的开关装置，真空断路器和SF6绝缘的组合得到了广泛使用。虽然由于SF6对环境的不良后果，希望不使用SF6作为绝缘介质，但是该气体仍得到了广泛使用，因为没有足够的其它的尤其以实现紧凑设计为目的的选择。
例如，从美国专利申请2001/0005306可获知基于提供紧凑设计的目的的开关装置，该装置包括电缆联结和干线系统，在上述二者之间设置有真空断路器装置可以使电缆和干线(rail)相互连接。上述装置还包括驱动机构和用于断开电缆和干线的断连器装置，以及接地特征。所公开的装置包括多个室，例如电缆室、干线室、以及开关室。利用开关装置中的绝缘墙，将特定元件与其它特定元件电屏蔽开。
已知的开关装置的缺点是，由于将在开关装置的各部分使用高压，如果利用空气保证充分的电绝缘，则需要较大的尺寸。还使用多个绝缘墙，但是不是针对开关装置的所有相关元件。而且，装配已知的开关装置需要较多的工作。
而且，美国专利4,879,441公开了一种开关装置，其中利用包括绝缘板的电介质层，将所述板设置成形成相互垂直的三面。将以这种方法形成的板固定在每相的每个真空断路器的周围，使真空断路器和驱动杆的部分的三面由所述板包围，绝缘板的开放面位于前面、顶面和底面。
增加这种层保证增加了特定部分之间的介电强度，从而在具有不同电势的所述部分之间可以使用较高的电压或较短的距离。
虽然增加已知的电介质层实现了显著的改进，仍可以进行进一步的改进，尤其在关于所述开关装置的紧凑度的方面。
发明内容
因此，本发明的一个目的是，提供一种开关装置，其具有电介质屏蔽，从而可以不必使用隔离介质SF6，而实现最优紧凑度以及使开关装置的元件组成整体的简单装配，尽管公知的是，SF6的介电强度大于空气的介电强度。
为实现该目的，本发明提供一种在前文中定义的开关装置，其中电绝缘层至少包围运行于电压下的从断路器到干线系统的部分，包括单独地用于开关装置的每相的、连接干线系统的一条干线的支线。所述电绝缘层防止其它相和包围的开关盒与处于电压下的部分发生电火花或电击穿。
还可以用电绝缘层包围断路器和可选断连器的致动组件。通过用电绝缘层包围开关装置的每相的所有相关元件，在开关装置的不同相之间、在开关装置的一相的元件和开关装置的全部金属壳之间产生了充分的并且运行可靠的电绝缘作用。这使开关装置可以设计得更加紧凑。
虽然本发明现在可以实现更加紧凑得开关装置，由于电绝缘层防止了在不同相之间、或各相和开关盒之间的可能的电火花或电击穿，在所述电绝缘层中还可以包括相互之间具有较大电势差的元件。而且，由于开关操作，对每个元件来说，电势差可能有较大的涨落，例如由于开关元件，例如真空断路器的一端电路接地。为处理该问题，可以在各个元件之间保持充分的距离。然而，这可能导致开关装置的设计不够紧凑。
因此，本发明的另一个目的是，进一步增加所述开关装置的紧凑度，并且，为实现该目的，本发明提供一种电绝缘层，其中设置于所述层内的并运行于电压下的断路器和干线系统之间的部分、以及断路器和支线，在具有相关的最高场强密度的最高电势差的位置、和/或在具有高电势差的部分之间的距离可能导致电火花的位置，包括场控(field controlling)装置和/或电压密封装置。
通过适当地选择所述位置和装置，可以使在特定环境下的并具有较大的电势差的位置相互之间更加接近，从而进一步增加紧凑度。
根据本发明的一个实施例，电绝缘层内的电场分布得到优化，并且在将致动组件固定在断路器上的位置、在断路器和断连器的联结位置、在将致动器固定在断连器上的位置、在断连器和支线之间的可断联结的位置、在断路器和电绝缘层的联结位置、以及/或在支线连接干线的位置，设置场控装置和/或电压密封装置。所述场控装置和/或电压密封装置优选地可以以一种方式相互匹配，使试图逃逸的电子通过电压密封装置，到达借助于场控装置的作用而产生的没有场的位置。这样具有的优点是，在这些位置，可以使用本身不必完全封闭所有漂移路径(creeping path)的电压密封装置，因为无场空间捕获了上述电子。
而且，场控装置优选地包括电绝缘外层。这样具有的优点是，可以将场控装置设置得彼此更加接近，而不存在电火花的危险，因为电火花的可能路径位于无场空间中，从而得到了屏蔽。
在一个实施例中，将电绝缘层制造成完整的单元，例如(注)模。利用已知技术，这是容易制造和处理的。在另一个实施例中，电绝缘层的绝缘材料是光学上透明的。这使其可以在一个位置或多个位置设置，用于(直接地或间接通过它们的致动组件的位置)检测例如断路器和/或断连器在电绝缘层中的位置的视窗。
通过将开关装置的每相的电绝缘层设计成完整的单元，本发明不仅可以应用电功能(绝缘和场控)，还可以应用机械和结构功能。该第二功能既可以使相的各种部件和元件相对于彼此设置和装配，也可以将相的各种部件和元件设置和装配在相对于包围的开关盒的固定位置。为了将每相设置在所述开关盒中，将电绝缘层的形状设计为，例如这样一种方式，使其可以紧密配合地固定在(真空)断路器的周围。为紧密配合地包围(真空)断路器，优选地使用由既具有良好的电绝缘性质又具有良好的机械性质的材料(例如橡胶)形成的弹性衬垫，从而可以使需要的固定和电压密封结合在一起。
为了可以使用不同直径的真空断路器，而在每种情况下的电绝缘层不必匹配该直径，本发明将电绝缘层固定在同一固定装置上，而通过所述固定装置将真空断路器固定在包围的开关盒上。通过调节弹性衬垫的厚度，则可以在电和机械方面都获得良好的固定。
而且，电绝缘层可以在层的一面或多面包括固定装置。例如，可以将断路器和断连器的致动装置的驱动机构固定在电绝缘层的顶面。在所述层的正面上的固定装置将所述层固定在开关装置的包围盒上。还优选地，使在正面上的固定装置与开关盒上的视窗结合。
在另一个实施例中，设计电绝缘层使其在固定位置固定干线系统的干线，所述电绝缘层包括紧密包围干线的衬套、以及用于电连接包括在每相中的支线的联结开口。在这种情况下，也优选地使用弹性衬垫，通过弹性衬垫将干线在机械和电方面都可靠地安装到电绝缘层上。
作为对紧凑度最优化的结果、以及因此由电绝缘层包围更小空间的结果，由通过开关装置的电流产生的热量将在较短的时间内超过设置的最大极限。因此，在电绝缘层的另一个实施例中，所述电绝缘层包括至少一个开口，使热空气通过对流与环境空气进行交换。以这样一种方式选择该开口，使其不会以任何方式损害所述层的电绝缘性质。
在另一方面，本发明涉及一种开关装置，包括：优选地位于第一方向(例如垂直方向、y方向)的直线上的电绝缘层、断路器、断路器的致动组件、以及断路器的驱动机构，沿基本垂直于第一方向的第二方向(例如水平方向、x方向)延伸的干线系统的干线。这使开关装置具有更紧凑的结构，因为不需要任何额外的传动装置用于致动断路器等。
在另一个实施例中，断路器和干线之间的断连器，在闭合态下，沿同时基本垂直于第一和第二方向的第三方向(z方向)延伸(因此，在该示例中也在水平面内延伸)，在这种情况中，通过转动断连器可以将其切换到打开态或接地态。该方法还保证开关装置是紧凑的和运行可靠的结构，还可以更进一步使用电绝缘层的第二、机械和结构功能。
为实现该目的，在另一个实施例中，设计电绝缘层为在第一位置、第二位置以及可选地第三位置之间导引断连器，其中，在第一位置，断连器接触相干线，在第二位置，断连器不再接触相干线，以及在第三位置，断连器接触接地点。这可以通过例如移动导轨的装置实现，所述移动导轨由在电绝缘层的内面上的弯曲槽或凸起形成，其与连接断连器的导销相互作用。这可以对由单个驱动杆装置致动的断连器进行确定的、并因此安全和运行可靠的导滑。这还通过电绝缘层的侧墙防止了断连器侧向偏离，所得的结果是，尽管断连器的长度较长，但是其可以准确的接触支线或接地点。
在另一个实施例中，有利地利用根据本发明的电绝缘层的机械和结构功能，以在固定位置将支线固定在干线系统的相应的相干线上，将支线的一端设计成可断地接触断连器远离开关元件(例如真空断路器)的一端。对于开关装置中的每一相，都需要连接三相干线系统的一条干线。通过在电绝缘层中对支线使用固定装置，可以以对环境更友好的方法将其设计成具有高度的灵活性和统一性。
在另一个实施例中，还以这样一种方式设计所述电绝缘层，使易于将电压密封和/或场控装置设置在干线系统的支线的位置，并保持在该位置，为实现该目的，所述电绝缘层在内面上包括槽，用于在支线的位置纳入电压密封和/或场控装置，将所述槽设计成可以纳入用于在固定位置固定支线和保持电压密封和/或场控装置的绝缘支持部分。优选地将所述电压密封装置设计成包围支线的屏蔽盖。这些盖在支线的可断联接位置以这样一种方式匹配场控装置，使得不必将屏蔽盖设计成完全密封。
附图说明
下面将参考附图，基于多个示例实施例详细描述本发明，其中：
图1示出了开关装置的简化截面图，其中包括根据本发明的一个实施例的电绝缘层；
图2示出了根据本发明另一个实施例的电绝缘层的侧视图；
图3示出了如图2所示的电绝缘层的俯视图；
图4示出了如图2所示的电绝缘层的主视图；以及
图5示出了如图2所示的电绝缘层的截面图，其中包括开关装置的多个元件。
具体实施方式
图1示出了用于中等或较高电压的电开关装置5的简化截面图，其中使用了根据本发明的电绝缘层10。所述开关装置5包括金属制成的闭合外壳30，在外壳30中装有开关装置5的元件。将外壳安装在固定架34上。在所示示例中，开关装置5用于在连接电缆联接33的电源线35和三相干线系统中的一条干线15之间接通或断开电联结。用导体连接电缆联结33和断路器12的底部联结，所述断路器为真空断路器，其由驱动杆16致动。在开关装置5中，将断路器12用于接通或断开电流。在所示示例中，通过滑动导电联结将断路器12的另一个联结连接到由驱动杆17致动的断连器14的一端。滑动导电联结意味着，无论断路器12和断连器14的位置如何，在断路器12和断连器14之间总存在电触点。在闭合位置，断连器14的另一端接触支线18，支线18连接垂直附图平面延伸的一条干线15。利用驱动杆17装置，断连器14也可以断开电缆联结33和干线15之间的导电路径。断连器14还可以接触接地点29，从而可以使从断路器12开始的整个电路接地。驱动机构11操作断路器12和断连器14各自的驱动杆16、17，驱动机构11位于在图1中用粗线表示的闭合外壳30的上部。除了该机构11以外，在外壳30的上部还有包括第二设备31(例如安全、测量以及记录设备)和控制面板32的室。
图1所示的截面图只示出了开关装置5的一相的部分。本领域的技术人员应该清楚，开关装置5的另外两相的部分位于垂直于附图平面的方向，在每种情况下，相应的支线18将连接干线系统的不同干线15。上述三相的部分一起形成功能单元，也称为场。因此，在完整的开关装置5中，可以相邻安装多个功能单元。
通过使断路器12、驱动杆16和驱动机构11位于垂直线上，使干线系统的干线15位于水平方向，以及使断连器18在垂直于这两个方向的方向上延伸，可以得到开关装置5的非常紧凑的结构。
在所示实施例中，用电绝缘层10包围断路层12的顶端、其驱动杆16、断连器14及其驱动杆17、支线18、接地点29以及干线15的部分，所述电绝缘层10用于对相邻相和闭合外壳30进行电介质隔离(或绝缘)。因此，电绝缘层10用作电绝缘层。因此，电绝缘层10由绝缘材料，例如绝缘塑料制成。
如果电绝缘层10由透明绝缘塑料制成，则可以通过视窗23，直接地、或通过驱动杆16、17的位置检测断路器12和断连器14的位置。例如：通过在闭合外壳30的正面上开孔，可以在控制面板32的正下方得到该视窗23。如图1中的实施例所示，可以用也透明的窗口36保护视窗23，当在开关装置5中突然发生高压的情况，电绝缘层10可能会突然打开(在视窗23)，窗口36特别用于在这种情况中提供保护。虽然实际上从未发生过这种情况，但为了安全起见，必须考虑这种由内部电弧导致高压的可能性。
除上述电绝缘层10的绝缘功能和观测功能外，如果选择合适的材料，电绝缘层10也可以用于各种机械功能，例如用于固定开关装置5的元件。下面将参考如图2、3和4中所示的电绝缘层的侧视图、俯视图和主视图对此进行说明，图2、3和4中没有示出开关装置5的任何元件。图5示出了其中装有开关装置5的元件的电绝缘层10的截面图。
在几点处将电绝缘层10自身固定在开关装置5中。电绝缘层10的下端具有开口27(图1，2和4)，可选地，利用紧密配合的(橡胶)衬垫(未示出)，将其恰好装配到断路器12的顶部，从而还得到电压密封。由模制片将断路器12固定到架34上(图1)，从而形成对电绝缘层的坚固支持。可以将视窗23的形状制成这样，使其相对于闭合外壳30形成固定点。而且，电绝缘层10包括多个用于将其固定到驱动机构11上的固定点(例如凸出部分)28，和多个用于将电绝缘层10固定到闭合外壳30上的固定点28。所述各个元件则包括孔或凹进部分，用于接纳固定点28。另外，电绝缘层10包括用于干线系统的干线15的纳入部分40。优选地，使这些部分的形状形成为可以在电绝缘层10的宽度内完全纳入干线15，并且，这些部分包括将支线18固定到一条干线15上的开口。根据本发明，利用橡胶衬垫将干线15固定在纳入部分40中。从而，在用于连接支线18的开口位置，得到既是机械的又具有电压密封作用的固定。当在开关装置5中装配多个电绝缘层10以形成功能单元后，在多个断连器外壳10上延伸的干线15，也用于对在所述功能单元中的电绝缘层进行机械固定、定位和连接。
在内部，电绝缘层10包括多个机械装置，用于固定和/或导滑开关装置5的元件。其中最重要的涉及断连器14的功能。断连器14可以位于闭合位置，其中在断路器12的顶部联结和支线18之间有电联结。在断路器12侧，驱动杆17可以驱动断连器14绕支点26转动(参考图1)。为给断连器14提供良好的引导，断连器14包括两个与其垂直的引导销20，并在位于电绝缘层10内面上的两个弯曲凹槽21(图5)上被引导。当然，还可以使用与断连器中的槽相互作用的向上突出的肋条代替凹槽21。从而，既提供了移动方向的导引，又提供了垂直于移动方向的导引，这意味着，断连器14的端点在支线18和接地点29之间具有清晰的机械上确定的路径。
支线18也固定在电绝缘层10上。根据开关装置5的开关布局，支线18必须电连接一条干线15。在所示实施例中，这通过固定支线18的两个塑料部分19(图5)的装置实现。由两个凹槽41形成的插入式安装的联结将塑料部分19固定在电绝缘层10中，凹槽41在电绝缘层10的两个内面上(参考图2和3)。
在电绝缘层10的内侧，在断连器14和支线18之间的可断触点的位置的两侧还安装了两个盘状场控屏蔽22(图5)。盘状屏蔽22包括放置在由绝缘材料形成的托架上的金属盘；需要使至少面向断连器14和支线18的金属盘面部分保持未被覆盖，从而该盘可以保持与支线18相同的电位，以实现场控功能。将所述托架固定在合适的位置，例如在电绝缘层10的凹槽42中。屏蔽22负责电场控制，以及相对于开关装置5的相邻相部分和可能打开的断连器14的导电部分的电压屏蔽。在该位置处，导电路径上有时候是高压，有时候没有电压或是零电压。屏蔽22意味着对开关装置5的相邻相部分和可能打开的断连器14有充分的场控屏蔽。
另一个场控电压屏蔽25位于驱动杆16、17分别连接断路器12和断连器14的位置。从图2中可以看到，电绝缘层10在断路器12处于装配位置的上侧具有固定装置43。固定装置43由凸缘形成，并包围开口44(参考图3)，在操作中，断路器12的顶部联结和驱动杆16从开口44伸出。另一个场控电压屏蔽25可以固定在固定装置43上。在这种情况下，例如由于打开断连器的结果，也可能发生可观的电压变化，从而需要额外的屏蔽。
在支线18之上有电压屏蔽37，其固定在位于电绝缘层10的内侧上的凹槽41上。电压屏蔽37由具有良好电绝缘性质的材料形成，并且，通过将其制成合适的形状，可以延长自由电子通过绝缘表面的漂移路径，并可以引导这些电子使其最后被场控装置之间的零场空间俘获。而且，合适的形状还可以使本发明的电压屏蔽功能与多个机械功能结合，例如在固定位置同时支持支线和场控装置22，以及在场控装置22的金属部分和支线18之间提供导电弹簧触点。塑料部分19又固定电绝缘层10中的电压屏蔽37。
场控电压屏蔽25和22用于在电绝缘层10中确保提供合适的场分布，从而该装置可以具有紧凑设计。场控电压屏蔽22和25优选地包括由绝缘层包围的金属部分。所述绝缘层使所述场控电压屏蔽可以彼此更加接近地放置，有助于使设计尽可能的紧凑。
通过在接近干线15的面上和连接驱动机构11的顶面上包括开口24，电绝缘层10还可以实现另一个功能。这些开口使通过电绝缘层10形成气流，该气流在电绝缘层10中驱散当电流通过导电元件(例如断路器12、断连器14)时产生的热量。显而易见，应该这样设置开口24，使其对电绝缘层的绝缘性不产生不利的影响。在电绝缘层10中或相间的任何故障或短路由闭合外壳30吸收，因此，不对在开关装置5的操作侧工作的人员构成危险。
上文已根据附图所示的实施例对本发明进行了说明。对于本领域的技术人员显而易见地是，在本发明构思下，可以对本发明进行多种变化和修改。
例如，在附图中示出的电绝缘层具有开放顶面。如果在电绝缘层中的电压承载部分和该顶面之间的距离大到可以防止电火花，这不是问题。如果所希望，例如，进一步增加紧凑度，而因此减少该距离，根据本发明的电绝缘层可以具有顶面的电绝缘罩板。为了使其还可以在顶面连接接地点，其可以具有可闭合屏蔽盖。
这些变化和修改将被认为在由所附权利要求书定义的本发明的保护范围内。

Claims (18)

1.一种开关装置(5)，包括：断路器(12)，其连接到电缆联结(33)上；可选地，断连器(14)，用于接通或断开电缆联结(33)和干线系统(15)之间的导电联结；以及电绝缘层(10)，用于屏蔽运行于电压下的开关装置(5)的元件，其特征在于，电绝缘层(10)包围至少运行于电压下的从断路器(12)到干线系统(15)的部分，包括对于开关装置(5)的各相，连接干线系统的一条干线(15)的支线(18)。
2.根据权利要求1的开关装置，其中所述电绝缘层(10)还包围所述断路器(12)和可选断连器(14)的致动组件(16，17)。
3.根据权利要求1或2的开关装置，其中所述断路器(12)和干线系统之间的部分，包括位于所述电绝缘层(10)中并处于电压下的断路器(12)和支线(18)，在具有高场强密度的最高电势差的位置和/或在具有高电势差的部分之间的距离可能导致电火花的位置，包括场控装置和/或电压密封装置(22、25、37)。
4.根据权利要求3的开关装置，其中场控装置和/或电压密封装置(22、25、37)被置于这样的位置，即所述致动组件(16)被固定到所述断路器(12)上的位置、所述断路器(12)和所述断连器(14)的联结位置、所述致动组件(17)被固定到所述断连器(14)上的位置、所述断连器(14)和所述支线(18)的可断联结位置、所述断路器(12)和所述电绝缘层(10)的联结位置、以及/或所述支线(18)连接所述干线(15)的位置。
5.根据权利要求3或4的开关装置，其中所述场控装置和/或电压密封装置(22、25、37)包括电绝缘外层。
6.根据权利要求1到5之一的开关装置，其中所述电绝缘层(10)被制成完整的单元。
7.根据权利要求1到6之一的开关装置，其中用于制造电绝缘层的材料在光学上是透明的。
8.根据权利要求1到7之一的开关装置，其中用于固定所述断路器(12)的所述电绝缘层(10)的形状为，将电绝缘层紧密配合地固定在所述断路器(12)上。
9.根据权利要求8的开关装置，其中利用弹性衬垫使所述断路器(12)和所述电绝缘层(10)互相固定。
10.根据权利要求1到9之一的开关装置，其中所述电绝缘层(10)在一面或多面上具有所述固定装置(28)。
11.根据权利要求1到10之一的开关装置，其中电绝缘层(10)被设计成在固定位置固定干线系统的所述干线(15)，所述电绝缘层(10)包括紧密包围干线的衬套(40)和用于电连接提供给每相的所述支线(18)的联结开口。
12.根据权利要求11的开关装置，其中至少在用于电连接所述支线(18)的联结开口的位置衬套(40)具有橡胶衬垫，借助于橡胶衬垫干线(15)被固定到所述衬套(40)上，从而相对于电压和机械应力都形成密封。
13.根据权利要求1到12之一的开关装置，其中所述电绝缘层(10)还包括用于与环境换气的至少一个开口(24)。
1 4.根据权利要求1到13之一的开关装置，其中所述断路器(12)、其致动组件(16)及驱动机构(11)位于第一方向的直线上，并且干线系统的所述干线(15)在基本垂直于第一方向的第二方向上延伸。
15.根据权利要求14的开关装置，其中所述断路器(12)和干线(15)之间的所述断连器(14)在闭合状态下在同时垂直于第一和第二方向的方向上延伸，在这种情况下，通过转动所述断连器(14)可以使其切换到打开状态。
16.根据权利要求1到15之一的开关装置，其中所述电绝缘层(10)被设计成在第一位置、第二位置以及可选的第三位置之间导引断连器(14)，其中，在第一位置，所述断连器(14)接触支线(18)；在第二位置，所述断连器(14)不接触支线(18)；在第三位置，所述断连器(14)接触接地点(29)。
17.根据权利要求1到16之一的开关装置，其中电绝缘层(10)被设计成在固定位置将支线(18)固定到干线系统的一条干线(15)上，支线(18)的一端被设计成可断地接触所述断连器(14)远离所述断路器(12)的一端。
18.根据权利要求17的开关装置，其中电绝缘层(10)在内侧上包括槽(41)，用于在支线(18)的位置接收电压密封和/或场控装置(37)，槽(41)还被设计成接收用于在固定位置固定支线(18)、并保持电压密封和/或所述场控装置(37)的绝缘支持部分(19)。
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