DE102016200461A1 - Vertikale Wicklungsanordnung - Google Patents

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Abstract

Um eine Wicklungsanordnung (8) mit einer Anzahl von in axialer Richtung übereinander angeordneten Wicklungsabschnitten (2a ... 2n), die unter Ausbildung einer Reihenschaltung elektrisch miteinander verbunden sind, und Haltemitteln zum Halten der Wicklungsabschnitte mit Abstand zueinander bereitzustellen, die die hohe Spannungsfestigkeit aufweist und bei der die Scheibenwicklung mit geringem Abstand miteinander verbunden sind, wird vorgeschlagen, dass die Haltemittel wenigstens ein Halteelement (9a, 9b) aufweisen, das sich in wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Wicklungsabschnitte (2a ... 2n) hinein erstreckt, wobei das besagte Halteelement (9a, 9b) fest mit den Wicklungsabschnitten (2a ... 2n) verbunden ist, in die hinein es sich erstreckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung mit einer Anzahl von in axialer Richtung hintereinander angeordneten Wicklungsabschnitten, die unter Ausbildung einer Reihenschaltung elektrisch miteinander verbunden sind, und Haltemitteln zum Halten der Wicklungsabschnitte mit Abstand zueinander.
  • Eine solche Wicklungsanordnung ist aus der ständigen Praxis bekannt. So ist in der hier beigefügten 1 eine Wicklungsanordnung gemäß dem Stand der Technik gezeigt, bevor diese mit einem Gießharz vergossen oder mit anderem Worten in diesen eingebettet wird. Es ist erkennbar, dass die Wicklungsanordnung 1 aus vertikal übereinander gestapelten Wicklungsabschnitten 2a, 2b, ..., 2n besteht, wobei die Wicklungsabschnitte 2a, 2b, ..., 2n elektrisch miteinander verbunden sind, so dass eine Reihenschaltung ausgebildet ist. Die Wicklungsabschnitte 2a ... 2n bestehen aus übereinander gewickelten Wicklungslagen, wobei jeder Wicklungsabschnitt 2a ... 2n durch das Aufwickeln der Wicklungslagen in radialer Richtung vergrößert wird. Solche Wicklungsabschnitte werden in der Praxis üblicherweise als Scheibenwicklungen 2a, ..., 2n bezeichnet. Um die Scheibenwicklungen 2a, ..., 2n übereinander mit einem gewissen Abstand zueinander zu stapeln, der aufgrund der geforderten Spannungsfestigkeit der Wicklungsanordnung einzuhalten ist, sind Halteklötze 3 vorgesehen, die als Haltemittel zwischen die Scheibenwicklungen 2a, ..., 2n eingebracht sind. Einem solchen klotzförmigen Haltemittel haftet der Nachteil an, dass es die Isolierung zwischen den Scheibenwicklungen 2a, ..., 2n großflächig überbrückt. Darüber hinaus wird der Überstand der isolierenden Folien platt gedrückt, die ggf. als Leiterisolation in die Wicklungsabschnitte eingewickelt sind. Dies verschlechtert ebenfalls die spätere Feststoffisolierung.
  • 2 zeigt schematisch die Wicklungsanordnung 1 gemäß 1, wobei diese in eine feste Wicklungsisolierung 4 aus einem Wicklungsisolierstoff eingebettet ist. Die Wicklungsanordnung 1 bildet eine Oberspannungswicklung aus, von der lediglich die rechte Seite im Schnitt gezeigt ist. Es ist erkennbar, das die Oberspannungswicklung eine Unterspannungswicklung 5 umgibt, die wiederum um einen Schenkel 6 eines Eisenkerns umschließt. Die Unterspannungswicklung 5 sowie die eine Oberspannungswicklung ausbildende Wicklungsanordnung 1 sind Teil eines Transformators, der in 2 schematisch als Stand der Technik verdeutlicht ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist und bei der die Wicklungsabschnitte mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Haltemittel wenigstens ein Halteelement aufweisen, das sich in wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Wicklungsabschnitte hinein erstreckt, wobei das besagte Halteelement fest mit den Wicklungsabschnitten verbunden ist, in die hinein es sich erstreckt.
  • Erfindungsgemäß ist ein Halteelement vorgesehen, das sich in die Wicklungsabschnitte hinein erstreckt und mit diesen flächig verbunden ist. Im Rahmen der Erfindung sind klotzförmige Halteelemente vermieden, die eine spätere durch Vergießen aufgebrachte Isolierung zwischen den Wicklungsabschnitten überbrücken könnten. Darüber hinaus ist ein Plattdrücken einer Folienisolation ausgeschlossen. Erfindungsgemäß können die Halteelemente beim Wickeln der Wicklungsabschnitte zwischen die gegeneinander isolierten elektrischen Leiter der Wicklungslagen eingelegt werden. Auf diese Weise erstrecken sie sich zwischen zwei aufeinander liegenden Wicklungslagen und können so mit diesen flächig verbunden werden.
  • Vorteilhafterweise ist jeder Wicklungsabschnitt mit wenigstens einem Halteelement verbunden. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung sind alle Wicklungsabschnitte der Wicklungsanordnung über Halteelemente miteinander verbunden. Die gesamte Wicklungsanordnung ist mit anderen Worten ausschließlich über die erfindungsgemäßen Halteelemente miteinander verbunden.
  • Zweckmäßigerweise ist jedes Halteelement als flacher Einlegestreifen ausgebildet. Ein flacher Einlegestreifen kann bequem zwischen die Wicklungslagen beim Wickeln der Wicklungsabschnitte eingelegt werden.
  • Der Einlegestreifen erstreckt sich beispielsweise lediglich in zwei nebeneinander angeordnete Wicklungsabschnitte. Abweichend hiervon ist der Einlegestreifen so lang ausgebildet, dass er sich einstückig durch alle Wicklungsabschnitte der Reihenschaltung hindurch erstreckt. Ein flacher Einlegestreifen weist den Vorteil auf, dass dieser sich über eine große Fläche an die Wicklungsabschnitte anlegt, in diese hinein sich der Einlegestreifen erstreckt.
  • Zweckmäßigerweise weist jeder Wicklungsabschnitt übereinander gewickelte Wicklungslagen auf, wobei die Wicklungslagen gegeneinander isoliert sind und einen elektrischen Leiter aufweisen. Der elektrische Leiter ist beispielsweise ein bandförmiger flächiger Metallleiter, wobei zwischen den Metallleitern isolierende Folien eingewickelt werden, die die notwendige elektrische Isolierung zwischen den elektrischen Leitern bereitstellen. Abweichend hiervon weist der elektrische Leiter einen isolierenden Lack auf.
  • Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung erstreckt sich jedes Halteelement zwischen aufeinander gewickelte Wicklungslagen und ist mit zumindest einer von diesen Wicklungslage fest verbunden. Vorteilhafterweise ist jedes Halteelement mit beiden Wicklungslagen fest verbunden zwischen die es sich erstreckt.
  • Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung sind die Halteelemente paarweise angeordnet und erstrecken sich mit radialem Abstand zwischen den Wicklungsabschnitten. Mit anderen Worten erstrecken sich die beiden Halteelemente eines Paares in radialer Richtung nebeneinander als Doppelhalterung.
  • Zweckmäßigerweise sind zur weiteren Stabilisierung eines Wicklungsabschnittes Wicklungslagen zumindest teilweise fest miteinander verbunden. Die Verbindung der Wicklungslagen miteinander erfolgt zweckmäßigerweise durch ein ausgehärtetes Harz. Dieses Harz kann beispielsweise zwischen die Wicklungslagen eingebracht werden. Das Harz kann auch als Komponente eines Prepregs eingebracht werden, wobei das Harz im B-Zustand vorliegt. Das Prepreg weist dann bei Raumtemperatur Klebeeigenschaften auf, so dass die Wicklungslagen bereits beim Wickeln miteinander verknüpft sind. Durch eine Vorerwärmung der gesamten Wicklungsanordnung härtet das Prepreg aus, so dass anschließend eine stabile Verbindung zwischen den Wicklungslagen bereitgestellt ist. Diese zusätzliche Stabilisierung erhöht die mechanische Festigkeit der Wicklungsanordnung und vereinfacht das sich anschließende Vergießen der Reihenschaltung mit Harz. Der Begriff „Prepreg“ kommt aus dem Englischen und ist eine Kurzform für „pre-impregnated fibres“, ein Ausdruck der ins Deutsche mit „vorimprägnierte Fasern“ übersetzt werden könnte. Der Begriff Prepreg wird hier für ein Fasergebilde verwendet, das mit einem nicht vollständig ausgehärteten Harz imprägniert ist.
  • Zweckmäßigerweise ist jedes Halteelement aus einem mit Harz und insbesondere Epoxidharz imprägnierten Glasfasergewebe gebildet. Bei einer diesbezüglich vorteilhaften Weiterentwicklung ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Halteelementes an den Ausdehnungskoeffizienten der späteren Harzisolierung für die gesamte Wicklungsanordnung angepasst.
  • Zweckmäßigerweise ist jedes Halteelement mit den Wicklungsabschnitten verklebt, in die hinein es sich erstreckt. Das Verkleben der Halteelemente mit den Wicklungsabschnitten erfolgt wieder durch ein zweckmäßigerweise nicht vollständig ausgehärtetes Prepreg. Durch das Einbringen von Wärme härtet das Prepreg aus, so dass die Verbindung zwischen Halteelement und jeweiligen Wicklungsabschnitten verstärkt wird.
  • Zweckmäßigerweise ist jeder Wicklungsabschnitt eine scheibenförmig ausgestaltete Scheibenwicklung. Scheibenwicklungen sind kranzförmig ausgebildet. Die Wicklungslagen einer Scheibenwicklung erstrecken sich ausschließlich in einer gemeinsamen horizontalen Lagen oder Schicht. Beim Wickeln vergrößert jede Wicklungslage die Scheibenwicklung ausschließlich in axialer Richtung.
  • Die Wicklungsabschnitte sind beispielsweise durch einen einzigen Leiter gebildet, der durchgängig gewickelt ist.
  • Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, ist es zweckmäßig, dass die Wicklungsabschnitte zumindest teilweise in eine Wicklungsisolierung eingebettet werden, die aus einem festen Wicklungsisolierstoff besteht. Ein solcher fester Wicklungsisolierstoff ist beispielsweise ein dem Fachmann bestens bekanntes Epoxidharz. Eine solche durch einen Festkörper isolierte Wicklungsanordnung wird auch als Gießharzwicklung bezeichnet.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Fußelement vorgesehen, das mit einem der Wicklungsabschnitte verbunden und zum Tragen der gesamten Wicklungsanordnung eingerichtet ist. Dabei weist zweckmäßigerweise jedes Fußelement einen Fußisolierabschnitt auf, der aus einem elektrisch isolierenden festen Isolierstoff besteht. Der Endbereich des Fußelementes wird auf einem Bauteil abgestellt, wobei der Fußisolierabschnitt die notwendige elektrische Isolierung bereitstellt. Die Wicklungsabschnitte liegen bei Betrieb auf einem Hochspannungspotential. Das Fußelement ermöglicht einen stehenden Verguss der in Reihe geschalteten Wicklungsabschnitte und somit das Ausbilden einer starken dicken inneren Wandung der festen Wicklungsisolierung. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung bei gleicher Dimensionierung für höhere Spannungen ausgesetzt werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Wicklungsanordnung, bei dem Wicklungsabschnitte gewickelt werden, die Wicklungslagen aus voneinander isolierten elektrischen Leitern aufweisen, wenigstens ein Halteelement beim Wickeln zwischen die Wicklungslagen eingebracht wird, so dass es zwischen wenigstens zwei Wicklungsabschnitten erstreckt, die Wicklungsanordnung stehend mit einem Isolierstoff vergossen und zum Aushärten des Isolierstoffes erwärmt wird.
  • Zweckmäßigerweise wird die Wicklungsanordnung nach dem Einbringen der Halteelemente vorgewärmt, so dass sie jedes Halteelement mit den Wicklungsabschnitten verbindet, in die hinein es sich erstreckt. Durch das Vorwärmen der Wicklungsanordnung kann nicht nur jedes Halteelement mit den jeweiligen Wicklungsabschnitten verbunden werden. Darüber hinaus ist bei den vorteilhaften Varianten der Erfindung auch eine Verbindung eines Prepregs zwischen Wicklungslagen der Scheibenwicklungen ermöglicht.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
  • 1 eine Wicklungsanordnung gemäß dem Stand der Technik vor dem Vergießen,
  • 2 schematisch Schnitt durch einen Gießharztransformator mit einer Wicklungsanordnung gemäß 1 nach dem Vergießen,
  • 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung nach dem Vergießen und
  • 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch verdeutlichen.
  • Die 1 und 2 zeigen eine Wicklungsanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik vor beziehungsweise nach dem Vergießen und wurden bereits weiter oben beschrieben.
  • 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel mit einem Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Transformators 7 mit einem Schenkel 6 eines Eisenkerns sowie einer Unterspannungswicklung 5 und einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung 8, die hier als Oberspannungswicklung dient. Es ist erkennbar, dass sich zwischen den Scheibenwicklungen 2a, 2b, ..., 2n Haltemittel 9a und 9b erstrecken. Die Haltemittel 9a und 9b sind jeweils als flacher Einlegestreifen ausgebildet und erstrecken sich jeweils einstückig durch alle Scheibenwicklungen 2a, 2b, ..., 2n der Wicklungsanordnung 8 hindurch. Ferner sind in 3 die Wicklungslagen 10 eines jeden Wicklungsabschnittes 2a, 2b, ..., 2n erkennbar. Die Wicklungslagen 10 sind in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel von einer inneren Seite, die dem Schenkel 6 zugewandt ist in radialer Richtung 11 nach außen gewickelt. Mit zunehmender Anzahl der Wicklungslagen 10 vergrößert sich daher ein jeder Wicklungsabschnitt 2a, ..., 2n von innen nach außen. Die Haltemittel 9a und 9b erstrecken sich zwischen den Wicklungslagen und sind mit diesen fest verbunden, so dass die Wicklungsabschnitte 2a, ..., 2n von den Haltemitteln 9a und 9b mit Abstand zueinander gehalten sind. Aus diesem Grunde ist es möglich, den Wicklungsisolierstoff ohne einen Wicklungsträger frei stehend in flüssiger Form mit den Wicklungsabschnitten 2a, 2b, ..., 2n zu vergießen und anschließend durch Erwärmen den Wicklungsisolierstoff vollständig auszuhärten. Auf diese Weise ist eine Wicklungsanordnung 8 bereitgestellt, die kostengünstig ist, wobei der Wicklungsisolator 4 eine frei wählbare innere Wandstärke von 1 mm bis 50 mm aufweisen kann. Aus 3 ist ferner erkennbar, dass sich die Wicklungslagen 10 kranzförmig in einer horizontalen Schicht erstrecken, so dass die Wicklungsabschnitte 2a, ..., 2n sogenannte Scheibenwicklungen ausbilden. Die Scheibenwicklungen 2a, ..., 2n sind umfänglich geschlossen, wobei sich im Inneren einer jeden Scheibenwicklung der Schenkel 6 zusammen mit der Unterspannungswicklung 5 erstreckt.
  • 4 zeigt das Einwickeln eines Halteelements 9a in die Wicklungsabschnitte 2a, ..., 2n. Es ist erkennbar, dass ein metallischer Bandleiter 12 beispielsweise aus Aluminium zusammen mit einer Isolierfolie 13 auf eine bereits ausgewickelte Wicklungslage 10 gewickelt wird. Dabei wird zunächst der Einlegestreifen 9a als Haltemittel eingelegt. Der Einlegestreifen 9a besteht aus einem Glasfaser-Prepreg. Das Prepreg des Einlegestreifens 9a ist nicht vollständig ausgehärtet. Das so eingewickelte Halteelement 9a wird, nachdem das Halteelement 9b in einer späteren Wicklungslage eingewickelt wurde, vorgewärmt, so dass sich zwischen den jeweiligen Wicklungsabschnitten oder Scheibenwicklungen 2a, ..., 2n und den Prepregs 9a, 9b eine feste Verbindung einstellt. Anschließend kann der Wicklungsträger entfernt werden, wobei die Halteelemente 9a und 9b die Scheibenwicklungen 2a, ..., 2n – ohne Wicklungsisolation 4 – mit Abstand zueinander halten. Auf klotzförmige Abstandshalter gemäß dem Stand der Technik kann verzichtet werden.
  • In 4 ist ferner erkennbar, dass auf der Isolierfolie 13 rautenförmige Bereiche ausgebildet sind. In diesen rautenförmigen Bereichen ist die Isolierfolie 13 mit einem punkförmig aufgebrachten Harz 14 im so genannten B-Zustand als Lagenverbindungsmittel beidseitig imprägniert. Ein solches Harz im B-Zustand, das auch in Gestalt eines Prepregs eingebracht werden kann, weist Klebeeigenschaften auf. Wie das Prepreg der Halteelemente 20a und 20b härtet auch das Harz des Lagenverbindungsmittels 14 beidseitig aus, so dass die aufeinander gewickelten Lagen mechanisch fest miteinander verbunden sind.
  • Auf diese Weise ist ein fester Verbund der Wicklungsabschnitte 2a, ..., 2n bereitgestellt, so dass der Wicklungsträger 15 insbesondere nach dem Vorwärmen der Prepregs entfernt und die Wicklungsanordnung stehend mit dem flüssigen Wicklungsisolierstoff vergossen werden kann. Weitere Vorteile werden erzielt, wenn der Wicklungsabschnitt 2a mit figürlich nicht dargestellten Fußelementen ausgerüstet wird, auf denen die Wicklungsabschnitte 2a, ..., 2n als Stapel abgestellt werden können.

Claims (18)

  1. Wicklungsanordnung (8) mit – einer Anzahl von in axialer Richtung übereinander angeordneten Wicklungsabschnitten (2a ... 2n), die unter Ausbildung einer Reihenschaltung elektrisch miteinander verbunden sind, und – Haltemitteln zum Halten der Wicklungsabschnitte mit Abstand zueinander, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltemittel wenigstens ein Halteelement (9a) aufweisen, das sich in wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Wicklungsabschnitte (2a ... 2n) hinein erstreckt, wobei das besagte Halteelement (9a) fest mit den Wicklungsabschnitten (2a ... 2n) verbunden ist, in die hinein es sich erstreckt.
  2. Wicklungsanordnung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wicklungsabschnitt mit wenigstens einem Halteelement verbunden ist.
  3. Wicklungsanordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halteelement als flacher Einlegestreifen (9a, 9b) ausgebildet ist.
  4. Wicklungsanordnung (8) nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wicklungsabschnitt (2a ... 2n) übereinander gewickelte Wicklungslagen (10) aufweist, wobei die Wicklungslagen (10) gegeneinander isoliert sind und einen elektrischen Leiter aufweisen.
  5. Wicklungsanordnung (8) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halteelement (9a, 9b) sich zwischen aufeinander gewickelte Wicklungslagen (10) erstreckt und mit wenigstens einer dieser Wicklungslagen (10) fest verbunden ist.
  6. Wicklungsanordnung (8) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (9a, 9b) sich paarweise mit radialem Abstand zueinander zwischen den Wicklungsabschnitten (2a ... 2n) erstrecken.
  7. Wicklungsanordnung (8) nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungslagen (10) zumindest teilweise fest miteinander verbunden sind.
  8. Wicklungsanordnung (8) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungslagen (10) mittels eines ausgehärteten Harzes fest miteinander verbunden sind.
  9. Wicklungsanordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halteelement (9a, 9b) aus Prepreg gebildet ist.
  10. Wicklungsanordnung (8) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepreg mit Glasgewebe gebildet ist.
  11. Wicklungsanordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halteelement (9a, 9b) mit den Wicklungsabschnitten (2a ... 2n) verklebt ist, in die hinein es sich erstreckt.
  12. Wicklungsanordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wicklungsabschnitt eine scheibenförmig ausgestaltete Scheibenwicklung (2a ... 2n) ist.
  13. Wicklungsanordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, eine die Wicklungsabschnitte (2a ... 2n) zumindest teilweise umschließende Wicklungsisolierung (n), die aus einem festen Wicklungsisolierstoff besteht.
  14. Wicklungsanordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein Fußelement, das mit einem Wicklungsabschnitt (2a ... 2n) verbunden und zum Tragen der gesamten Wicklungsanordnung (8) eingerichtet ist.
  15. Wicklungsanordnung (8) nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass jedes Fußelement einen Fußisolierabschnitt aufweist, der aus einem elektrisch isolierenden festen Fußisolierstoff besteht.
  16. Wicklungsanordnung (8) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußisolierstoff in eine Wicklungsisolierung eingebettet ist, die aus einem festen Wicklungsisolierstoff besteht.
  17. Verfahren zum Herstellen einer Wicklungsanordnung, bei dem – Wicklungsabschnitte (2a ... 2n) gewickelt werden, die Wicklungslagen (2a ... 2n) aus voneinander isolierten elektrischen Leitern aufweisen, – wenigstens ein Halteelement (9a, 9b) beim Wickeln zwischen die Wicklungslagen (10) eingebracht wird, so dass es zwischen wenigstens zwei Wicklungsabschnitten (2a ... 2n) erstreckt, – die Wicklungsanordnung (8) stehend mit einem Isolierstoff vergossen und – zum Aushärten des Isolierstoffes erwärmt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsanordnung (8) nach dem Einbringen der Halteelemente (9a, 9b) vorgewärmt wird, so dass sich jedes Halteelement (9a, 9b) mit den Wicklungsabschnitten (2a ... 2n) verbindet, in die hinein es sich erstreckt.
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