DE102004013606A1 - Vorrichtung zur Messung von Störungen oder Unterbrechungen in der inneren Glättungsschicht in Mittel- und Hochspannungskabeln - Google Patents

Vorrichtung zur Messung von Störungen oder Unterbrechungen in der inneren Glättungsschicht in Mittel- und Hochspannungskabeln Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Messung von Störungen oder Unterbrechungen der inneren Glättungsschicht oder der äußeren Halbleiterschicht in Mittel- und Hochspannungskabeln mit einer Ummantelung aus Kunststoff nach Herstellung der einzelnen Schichten durch Koextrusion und Aushärten des Kunststoffes in einer Vernetzungsstrecke, wobei eine relativ kurze, zylindrische Meßelektrode vorgesehen ist, mit Hilfe einer Spannungsquelle eine hochfrequente Spannung zwischen der zylindrischen Meßelektrode und der inneren Glättungsschicht bzw. dem Leiter aufgebaut wird, auf beiden Seiten der Meßelektrode zylindrische, mit der Spannungsquelle verbundene Äquipotentialelektroden angeordnet sind, deren Länge ein Vielfaches der Meßelektrode, die Äquipotentialelektroden bzw. die Meßelektrode so bemessen sind und/oder das Potential der Äquipotentialelektroden so gewählt ist, daß zwischen der Meßelektrode und der Glättungsschicht bzw. dem Leiter ein weitgehend homogenes radiales oder ein Feld mit konzentrierter Feldliniendichte im Bereich der Meßelektrode erzeugt wird, Meßelektrode, Äquipotentialelektroden und Kabel in Wasser eingetaucht sind, und eine Meßvorrichtung den Strom zwischen Meßelektrode und der Glättungsschicht bzw. dem Leiter mißt und ein Fehlersignal abgibt, wenn die Glättungsschicht oder die äußere Halbleiterschicht unterbrochen ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Störungen oder Unterbrechungen der inneren Glättungsschicht in Mittel- und Hochspannungskabeln nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Der grundsätzliche Aufbau eines Mittel- oder Hochspannungskabels mit einer Ummantelung aus Kunststoff ist derart, daß der Leiter, üblicherweise ein aus mehreren Drähten verseilter Leiter von einer Glättungsschicht umgeben ist. Diese ist ihrerseits von einer mehr oder weniger dicken Isolationsschicht aus Kunststoffmaterial umgeben, und diese wiederum von einer äußeren Halbleiterschicht. Die Halbleiterschichten, die relativ dünn sind im Verhältnis zur Isolationsschicht bestehen ebenfalls aus Kunststoff und haben halbleitende Eigenschaft. Üblicherweise wird zu diesem Zwecke dem Material für diese Schichten Graphit zugemischt, um eine schwach leitende Eigenschaft zu gewährleisten. Sinn dieser halbleitenden Schichten ist die Beeinflussung der elektrischen Feldstärke, die innerhalb der Isolation besteht.
  • Die aus den einzelnen Schichten bestehende Ummantelung wird üblicherweise im Extrusionsverfahren mit Hilfe eines Dreifachspritzkopfes auf den Leiter aufgebracht. In einer sich an den Extruder anschließenden Vernetzungsstrecke wird das Kunststoffmaterial vernetzt und härtet aus. Zahlreiche Prüf- und Meßvorrichtungen sind bekannt, um die gewünschten Eigenschaften und Qualitäten des Kabels zu überprüfen. Ein wichtiges Kriterium ist der Durchmesser des Kabels. Hierfür gibt es zahlreiche Vorschläge, die zumeist auf optischen Meßverfahren beruhen. Ein weiteres Kriterium ist die Lage des Leiters innerhalb der Ummantelung. Exzentrizitäten führen zu einer Verringerung der Dicke der Isolation zu einer Seite hin und können eine Durchschlagsgefahr bedeuten. Ein Verfahren zur Messung der Exzentrizität eines Leiters in einer Isolation bei einem Kabel ist etwa in DE 44 12 122 C1 beschrieben. Es ist ferner bekannt, eine Wanddickenmessung vorzusehen. Dabei wird die Differenz zwischen dem Außendurchmesser des Leiters und dem Außendurchmesser der Ummantelung gemessen.
  • Zur Messung der Wanddicke und auch des Durchmessers, insbesondere auch der aus einzelnen Schichten aufgebauten Ummantelung ist auch bekannt geworden, das Kabel mit Röntgenstrahlung zu durchstrahlen und die so gebildeten Schatten auf einem Röntgenempfänger abzubilden. Mit einem derartigen Verfahren ist es auch möglich, innere Glättungsschicht und äußeren Halbleiter im Hinblick auf die Dicke zu bestimmen.
  • Um eine möglichst umfassende Bestimmung zu erzielen, ist auch bekannt, zwei Meßstrecken senkrecht zueinander anzuordnen (XY-Achse).
  • Das beschriebene Herstellungsverfahren für Hochspannungskabel schließt nicht aus, daß in der Glättungsschicht Störungen oder Unterbrechungen auftreten. Sie bergen die Gefahr, daß im Betrieb an diesen Stellen der Isolation die elektrische Feldstärke erhöht ist und damit ein Durchschlag entstehen kann. Mit Hilfe der beschriebenen Röntgenmessung lassen sich kurzzeitige Unterbrechungen der Glättungsschicht nicht ohne weiteres feststellen, insbesondere wenn sie außerhalb der Meßachsen liegen.
  • Aus EP 0 394 525 A1 ist bekannt geworden, ein Kabel durch mindestens zwei hintereinander liegende ringförmige Sonden zu bewegen, die jeweils Kondensatoren mit dem Leiter bilden, wobei die Kondensatoren mittels einer Spannungsquelle derart aufgeladen sind, daß bei Fehlern in der Isolation der Kondensator von einem Durchschlagstrom kurz geschlossen wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich Isolationsfehler ermitteln und auch örtlich identifizieren. Störungen oder Unterbrechungen in inneren Glättungsschicht lassen jedoch mit dem bekannten Verfahren nicht ermitteln. Diese tragen nämlich zur Gesamtisolation der Kabelummantelung nur geringfügig bei. Bei dem bekannten Verfahren würde daher kein Durchschlag erfolgen, wenn die äußere Halbleiterschicht oder die innere Glättungsschicht über einen bestimmten Bereich unterbrochen sind.
  • Vorrichtungen oder Verfahren, mit denen auf einfache Weise und mit einfachen Mitteln zuverlässig Unterbrechungen oder Störungen der Leiterglättung an Mittel- und Hochspannungskabeln festgestellt werden können, sind bisher nicht bekannt geworden.
  • Für Kabel, die der Signalübertragung dienen und im Niederspannungsbereich betrieben werden, ist bekannt geworden, die spezifische Kapazität zu messen, wie etwa in GB 2 003 613 A beschrieben. Das zumeist mit einer einschichtigen Isolation umgebene Kabel wird durch ein mit Wasser gefülltes Meßrohr hindurchgeführt, an dem eine hochfrequente Meßspannung angelegt wird. Der Strom, der zwischen dem Meßrohr und dem Leiter fließt, ist von der Dielektrizität des Isoliermaterials sowie von dessen Dicke in Verbindung mit dem Außendurchmesser abhängig. Bei der Herstellung derartiger Kabel ist die Einhaltung einer vorgegebenen spezifischen Kapazität (Kapazität pro Längeneinheit) wichtig, da die Größe der Kapazität zusammen mit der Induktivität den Wellenwiderstand des Kabels bestimmt. Der Anwender des Kabels will von einem vorgegebenen Wellenwiderstand ausgehen können. Aus DE 198 09 890 C1 ist ferner bekannt geworden, in der Kühlstrecke einer Extrusionsanlage nach einer ersten Meßelektrode zur Bestimmung der spezifischen Kapazität eine zweite Meßelektrode von deutlich geringerer Länge als die erste Meßelektrode vorzusehen und den Strom zwischen der zweiten Meßelektrode und dem Leiter ebenfalls zu messen. Die zweite Meßelektrode dient dazu, kurzzeitige Kapazitätsschwankungen zu messen. Treten kurzzeitige Kapazitätsschwankungen periodisch auf, dann führt das bei Datenübertragungs- oder Hochfrequenzkabeln zu Reflektionen und damit zu Verlusten bei diskreten Übertragungsfrequenzen. Es entsteht ein sog. „structural return loss", der naturgemäß gering sein sollte.
  • Bei Mittel- oder Hochspannungskabeln wird die Kapazität nicht gemessen, da ihre Kenntnis für den Betrieb der Kabel nicht notwendig ist.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der auf einfache unaufwendige Weise Störungen oder Unterbrechungen in innerer Glättungsschicht in Mittel- und Hochspannungskabeln detektiert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist das Mittel- oder Hochspannungskabel durch einen mit Wasser gefüllten Metallzylinder relativ geringer Länge hindurchgeführt, der an eine Hochfrequenzquelle angeschlossen ist. Die Hochfrequenzquelle wird z.B. mit 20 kHz betrieben. Eine Meßvorrichtung mißt den zwischen Zylinderelektrode und dem geerdeten Leiter fließenden Strom und gibt ein Signal ab, wenn der Strom z.B. bei einer Unterbrechung der Leiterglättung unterhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt. Vorzugsweise wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung der Mittelwert des Stromes zunächst bestimmt und anschließend die Abweichung vom Mittelwert gemessen. Überschreitet diese Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert, wird ein Signal ausgelöst.
  • Zu beiden Seiten der Meßelektroden sind zylindrische Äquipotentialelektroden aus Metall angeordnet, deren Länge ein Vielfaches der Länge der Meßelektrode ist, z.B. bis zum Fünfzigfachen, und die auf dem gleichen oder etwas höheren Potential wie die Meßelektrode liegen.
  • Die Kapazität eines koaxial aufgebauten Kabels wird bekanntermaßen wie folgt be stimmt:
    Figure 00050001
    oder als Größengleichung die Kapazität in pF pro Meter:
    Figure 00060001
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die halbleitenden Schichten mit ihrem Leitwert bezüglich der Kapazitätsbestimmungen wie ein Leiter zu betrachten sind und deshalb die Kapazität eines Mittel- oder Hochspannungskabels im Wesentlichen durch das Isolationsmaterial und dessen geometrische Abmessungen bestimmt ist.
  • Zu beachten ist, dass der spezifische Widerstand p in Ωcm des äußeren Halbleiters deutlich geringer ist als der spezifische Widerstand ρ in Ωcm des umgebenden Wassers. Das bedingt, daß die Äquipotentialelektroden in einer solchen Lage und Abmessung anzuordnen sind bzw. ihr Potential so zu wählen ist, daß die Feldlinien im unmittelbaren Bereich der Meßelektroden radial verlaufen oder sich zum Leiter hin verdichten (Fokussiereffekt) und in der äußeren Halbleiterschicht in der Umgebung der Meßelektrode keine Potentialunterschiede bestehen, die einen Stromfluß in Längsrichtung verursachen würden.
  • Die Kapazität ist also bestimmt durch:
    Figure 00060002
    mit
    • R
    = dem Außenradius der Isolation (ohne äußeren Halbleiter) und
    r1
    = dem Innenradius der Isolation (Leiter + innere Halbleiterschicht)
  • Im Falle einer Störung der inneren Halbleiterschicht wird r1 zu r2, dem Radius des Leiters, da die Störstelle produktionsbedingt mit Isolationsmaterial aufgefüllt wird. Der äußere Radius R wird bei diesem Vorgang praktisch nicht beeinflusst. Damit ergibt sich kurzzeitig ein anderer Kapazitätswert C2.
  • Figure 00070001
  • Während für bekannte Kapazitätsmeßgeräte die Länge der Abschirmelektroden etwa die gleiche Länge wie die Meßelektroden haben, ist für den Fall, daß die Leitfähigkeit der äußeren Halbleiterschicht etwa zehnfach besser als die von Wasser ist, das Verhältnis der Länge der Äquipotentialelektroden zur Meßelektrode etwa 10:1 bis 50:1, um zwischen der Meßelektrode und dem Leiter bzw. der Leiterglättung einen radialen oder konzentrierten Feldverlauf zu erzielen.
  • Sind die Äquipotentialelektroden nicht ausreichend lang, würde das elektrische Feld der Meßelektrode in Längsrichtung des Kabels durch den äußeren Halbleiter aufgeweitet. Kurzzeitige Unterbrechungen in der Leiterglättung könnten damit nicht erkannt werden.
  • Die Länge der Äquipotentialelektroden bestimmt, in welchem Maß ein weitgehend radiales homogenes Feld im Bereich der Meßelektrode erzielt wird. Es ist jedoch auch denkbar, anstelle eines homogenen Feldes ein Feld mit größerer Feldliniendichte im Mittenbereich der Meßelektrode zu erzeugen, was praktisch eine Fokussierung der Feld linien in Richtung auf den Leiter bedeutet. Mit Hilfe einer solchen Maßnahme läßt sich die Länge der Äquipotentialelektroden reduzieren. Um eine solche Fokussierung zu erhalten bzw. um eine Inhomogenität zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn z.B. die Meßelektrode einen größeren Durchmesser aufweist als die Äquipotentialelektroden. Eine zusätzliche fokussierende oder zumindest kompensierende Wirkung kann auch dadurch erhalten werden, daß das Potential der Äquipotentialelektroden etwas höher gelegt wird als für die Meßelektrode.
    •
  • Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Messung von Unterbrechungen oder Störungen mit einem Längenmeßsignal einer Längenmeßvorrichtung gekoppelt, um den Ort der Störung zu identifizieren. Längenmeßvorrichtungen, beispielsweise mit Hilfe sogenannter Impulsgeber, sind seit langem bekannt geworden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch den grundsätzlichen Schichtaufbau eines Mittel- oder Hochspannungskabels und den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 2 zeigt perspektivisch die Meßvorrichtung zur Messung der Fehlerfreiheit von innerer Glättungsschicht und des Kabels nach 1.
  • 3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 1, jedoch mit anders bemessener Meßelektrode.
  • 4 zeigt eine ähnliche Darstellung wie die 1 und 3, jedoch in einer etwas abgeänderten Ausführungsform.
  • 1 und 2 zeigen im Schnitt ein Hochspannungskabel 10, mit einem z.B. aus mehreren Einzeldrähten bestehenden Leiterstrang 12, einer den Leiterstrang 12 umgebenden halbleitenden Glättungsschicht 16, einer Isolationsschicht 14 aus einem geeigneten Kunststoff-Isoliermaterial und einer äußeren Halbleiterschicht 18. Die Schichten 16, 18 sind dicker angegeben als sie normalerweise in Relation zu den übrigen Dimensionen ausgelegt sind. Sie haben wegen ihrer halbleitenden Eigenschaften einen feldsteuernden bzw. feldbegrenzenden Effekt.
  • Ein Kabel 10 mit dem beschriebenen Aufbau wird durch Koextrusion des Kunststoffmaterials auf den Leiterstrang 12 hergestellt. Es kann geschehen, daß insbesondere auch die Schichten 16 und 18 Störungen oder Unterbrechungen aufweisen. Eine solche ist bei 20 angezeigt. Um diese aufzufinden, ist die gezeigte Vorrichtung vorgesehen.
  • Das Kabel 10 wird in Richtung Pfeil 28 durch eine zylindrische Anordnung bewegt, die insbesondere in Wasser 16a eingetaucht ist. Diese weist eine zylindrische Meßelektrode 2 von kurzer Länge auf, z.B. 10 mm, die über eine Leitung 27 an eine Hochfrequenzquelle angeschlossen ist. Die Hochfrequenzquelle hat z.B. eine Frequenz von 20 kHz und eine Spannung von z.B. 20 Volt. In der Leitung 27 zur Meßelektrode 2 ist ein Strommeßgerät 29 angeordnet.
  • An beiden Enden der Meßelektrode 2 schließen sich in geringem Abstand Äquipotentialelektroden 1, 3 von gleichem Durchmesser an. Ihre Länge ist z.B. das Dreißigfache der Länge der Meßelektrode, also z.B. 300 mm. Meßelektrode 2 und Äquipotentialelektroden 1, 3 befinden sich innerhalb einer zylindrischen Abschirmelektrode 4 und diese befindet sich auf dem gleichen Potential wie die Elektroden 1 und 3, indem sie über eine Leitung 31 mit der Hochfrequenzquelle verbunden sind. Die relativ langen, koaxial zur Meßelektrode 2 liegenden Äquipotentialelektroden 1, 3 ermöglichen innerhalb der Meßelektrode 2 ein homogenes, radiales elektrisches Feld um das Kabel 10 herum und durch den äußeren Halbleiter 18 hindurch bis an die Leiterglättung 16 bzw. an den Leiter 12.
  • Die gezeigte Anordnung kann ihrerseits von einer Isolierung umgeben sein und diese von einem leitenden Gehäuse (nicht gezeigt), das, wie z.B. der Leiter 12, an Erde liegt. Auch das Wasser 16a liegt außerhalb der Meßanordnung auf Erdpotential.
  • Die in 3 dargestellten Teile gleichen denen nach 1 und sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Meßelektrode 2 einen etwas größeren Durchmesser als die Äquipotentialelektroden 1, 3 aufweist. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird eine Kompensation dafür erhalten, daß insbesondere an den Enden der Meßelektrode 2 die Gefahr besteht, daß die radialen Feldlinien zur Seite hin abgelenkt werden und damit die Ansprechempfindlichkeit der Meßelektrode drastisch herabsetzen. Der größere Durchmesser der Meßelektrode 2 kompensiert diesen Vorgang. Es ist auch denkbar, eine Überkompensation in der Weise zu erhalten, daß die radialen Feldlinien in Richtung Leiter verdichtet werden, was einen fokussierenden Effekt bewirkt. In diesem Fall kann die Länge der Äquipotentialelektroden 1 und 3 reduziert werden.
  • Bei der Ausführungsform nach 4 sind Teile, die denen nach 1 und 3 gleichen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Aufbau ist identisch dem nach 1. Man erkennt jedoch, daß an die Äquipotentialelektroden 1 und 3 bzw. die Abschirmelektrode 4 eine Spannung angelegt wird, die gegenüber der Spannung, die an der Meßelektrode 2 anliegt, etwas erhöht ist. Auch dadurch werden Inhomogenitäten an der Meßelektrode kompensiert oder gegebenenfalls überkompensiert, wie bereits beschrieben.
  • Ist das Kabel 10 einwandfrei, wird im wesentlichen ein konstanter Strom I gemessen. Naturgemäß können gewisse Schwankungen auftreten. Daher wird zweckmäßig zunächst eine Mittelung des Stroms durchgeführt, bevor eine Messung auf Fehler erfolgt. Fehler können, wie eingangs schon beschrieben, durch Störungen oder Unterbrechung der halbleitenden Schichten 16 und 18 auftreten, was sich in einer Kapazitätsänderung bemerkbar macht und damit in einer Änderung des Stromflusses. Wird eine solche Stromänderung festgestellt, die eine vorgegebene Abweichung von einem Mittelwert aufweist, dann wird ein Fehlersignal abgegeben. Der erkannte Fehler bedingt unter Umständen eine Beseitigung des fehlerhaften Kabelstücks. Um den Ort des Fehlers zu identifizieren, ist es zweckmäßig, gleichzeitig mit der Vorbewegung des Kabels 10 eine Län genmessung, z.B. über einen Impulszähler, durchzuführen. Die Längenmeßvorrichtung ist nicht dargestellt.
  • Das Wasser 16a dient als Koppelmedium und hat die Wirkung, daß die hochfrequente Spannung unmittelbar an die äußere Schicht 18 des Kabels 10 angelegt wird.
  • Es reicht aus, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren den Strom zu messen. Es ist zwar denkbar, auch die Kapazität zu bestimmen. Die Kapazität ist jedoch bei Hochspannungskabeln keine Größe, die gemessen wird und ein gefordertes Kriterium für derartige Kabel darstellt.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Messung von Störungen oder Unterbrechungen der inneren Glättungsschicht oder der äußeren Halbleiterschicht in Mittel- und Hochspannungskabeln mit einer Ummantelung aus Kunststoff nach Herstellung der einzelnen Schichten durch Koextrusion und Aushärten des Kunststoffes in einer Vernetzungsstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß eine relativ kurze, zylindrische Meßelektrode (2) vorgesehen ist, mit Hilfe einer Spannungsquelle eine hochfrequente Spannung zwischen der zylindrischen Meßelektrode (2) und der inneren Glättungsschicht (16) bzw. dem Leiter (12) aufgebaut wird, auf beiden Seiten der Meßelektrode (2) zylindrische, mit der Spannungsquelle verbundene Äquipotentialelektroden (1, 3) angeordnet sind, deren Länge ein Vielfaches der Meßelektrode (2), die Äquipotentialelektroden (1, 3) bzw. die Meßelektrode (2) so bemessen sind und/oder das Potential der Äquipotentialelektroden (1, 3) so gewählt ist, daß zwischen der Meßelektrode (1) und der Glättungsschicht (16) bzw. dem Leiter (12) ein weitgehend homogenes radiales oder ein Feld mit konzentrierter Feldliniendichte im Bereich der Meßelektrode (2) erzeugt wird, Meßelektrode (2) und Äquipotentialelektroden (1, 3) und Kabel (10) in Wasser eingetaucht sind, und eine Meßvorrichtung (29) den Strom zwischen Meßelektrode (2) und der Glättungsschicht (16) bzw. dem Leiter (12) mißt und ein Fehlersignal abgibt, wenn die Glättungsschicht (16) oder die äußere Halbleiterschicht (14) unterbrochen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge der Äquipotentialelektroden zur Länge der Meßelektrode an das Verhältnis des spezifischen Widerstands der äußeren Halbleiterschicht zu dem des Wassers angepaßt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Äquipotentialelektroden (1, 3) mindestens die zehnfache bis fünfzigfache Länge der Meßelektrode (2) haben.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (2) im Durchmesser größer ist als die Äquipotentialelektroden (1, 3) (3).
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der Äquipotentialelektroden (1, 3) größer ist als das der Meßelektrode (2) (4).
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Äquipotentialelektroden (1, 3) und die Meßelektrode (2) von einer zylindrischen Abschirmelektrode (24) umgeben sind, die auf dem gleichen Potential wie die Meßelektroden (1, 3) liegt.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung aus den gemessenen Stromwerten einen Mittelwert bestimmt und die Abweichung des anschließend gemessenen Stroms vom Mittelwert gemessen wird.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Längenmeßvorrichtung dem Kabel (10) zugeordnet ist und die Meßvorrichtung (29) ein Fehlersignal dem Längenmeßwert des Kabels (10) am Ort der Meßelektrode (26) zuordnet.
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