DE2458530A1 - Erdschluss-ueberwachungseinrichtung - Google Patents
Erdschluss-ueberwachungseinrichtungInfo
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Description
136/74
He.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. , Baden (Schweiz)
Erds chlus s-Ueberwachungs e inrichtung
Die Erfindung betrifft eine Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung für galvanisch vom Netz getrennte Wechsel-, Dreh- oder
Gleichstromsysteme, insbesondere für Wicklungen von Wechseloder Drehstrommaschinen, bei denen zwischen das zu überwachende
System und Erde eine Zusatzspannungsquelle mit mindestens einer von der Netzfrequenz verschiedenen Frequenz
eingeschaltet ist, und der Zusatzspannungsquelle eine Vergleichseinrichtung zur Unterscheidung zwischen erdschlussfreiem
Zustand und Erdschlussfall zugeordnet ist.
Am Sternpunkt eines erdschlussfreien Wechselstromnetzes tritt
im Fall der Symmetrie keine Spannung gegen Erde auf, während bei Erdschluss im Abstand vom Sternpunkt zwischen diesem und
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Erde eine Verlagerungsspannung auftritt, von der grundsätzlich ein Erdschluss-Kennzeichnungssignal abgeleitet werden kann.
Diese Anordnung versagt jedoch bei Erdschluss unmittelbar am Sternpunkt, wobei trotz Fehler keine Verlagerungsspannung zur
Verfügung steht, und auch im Fall von stärkeren Unsymmetrien im zu überwachenden System, die bei einwandfreier Anlage einen
Erdschluss vortäuschen können. Man hat deshalb bereits zwischen dem Sternpunkt des zu überwachenden Systems und Erde eine Zusatzspannungsquelle
eingeschaltet, deren Stromfluss im Erdschlussfall als Fehlerkennzeichen Verwendbar ist.
Eine Erdschlussüberwachungseinrichtung der eingangs genannten Art mit netzfrequenzfremder Zusatzspannung, die von einem entsprechend
gesteuerten Wechselrichter geliefert wird, ist aus der DT-PS 1 463 574 bekannt. Diese Anordnung setzt eine Gleichstromquelle
sowie eine hinreichend genaue und stabile Frequenzsteuerung für den Wechselrichter voraus. Die Fehlerdetektion
erfolgt dabei auf der Gleichstromseite des Wechselrichters mittels eines Gleichstromrelais, so dass durch das Auftreten
von Leckströmen oder ähnlichen Fehlern innerhalb des Wechselrichters selbst ein Fehlerfall vorgetäuscht werden kann.
Darüber hinaus mangelt es bekannten Anordnungen der genannten Art an der Flexibilität bezüglich Anpassung an die jeweiligen
zu überwachenden Systeme. Bei deren Inbetriebnahme lassen sich
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in den seltensten Fällen diejenigen Frequenzen vorherbestimmen
oder abschätzen, die in dem System auftreten und die Frequenz des Wechselrichters festlegen. Eine nachträgliche Möglichkeit
zur Aenderung der Frequenz des Wechselrichters ist somit unumgänglich, was wiederum aufwendig ist. Doch selbst bei geeigneter
Anpassung dieser Frequenz ist die bekannte Anordnung immer noch anfällig gegenüber Störeinflüssen aus dem Netz.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung
zu schaffen, welche die genannten Mängel nicht aufweist und welche selbst unter ungünstigen Bedingungen Erdschlüsse
in dem zu überwachenden System einwandfrei zu detektieren gestattet.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung der eingangs genannten
Art dadurch, dass als Zusatzspannungsquelle die Ausgangsspannung eines Signalgenerators mit mindestens einer mindestens
um die Hälfte kleineren Frequenz als die Netzfrequenz vorgesehen ist und dass die Vergleicheinrichtung Mittel zur
Wiedererkennung des Signalverlaufs der Signalgenerator-Ausgangsspannung
enthält.
Der Erfindung liegt dabei die folgende Ueberlegung zugrunde: Man leitet in das zu überwachende System ein Signal ein, das
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" k " 136/74
sich von allen zu erwartenden Störsignalen unterscheidet.
Dieses "codierte11 Signal erzeugt im System eine Verlagerungsspannung, die einen bestimmten Strom zur Folge hat. Dieser
Strom weist die dem eingeleiteten Signal typische Signalform auf. Die an das System angeschlossene Vergleichseinrichtung
ist derart ausgebildet, dass sie diese typische Signalform wiedererkennt. Im Erdschlussfall bewirkt die Verlagerungsspannung eine Stromerhöhung. Die Vergleicheinrichtung betätigt
eine ihr nachgeschaltete Auslöseeinrichtung, wenn der
genannte Strom einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das die
Verlagerungsspannung erzeugende Signal eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die der Hälfte oder einem Viertel der
Netzfrequenz entspricht; die Mittel zur Wiedererkennung des Signals bestehen dabei im einfachsten Fall aus einem Filter
mit einer entsprechend bemessenen oberen Grenzfrequenz oder aus einem Integrator, dessen Integrations zeit einer ungeradzahligen
Vielzahl von Halbperioden des Signals entspricht und der zwischen zwei bzw. mehrenen Nulldurchgängen des Signals
die genannte Wechselspannung aufintegriert. Auf diese
Weise lassen sich sämtliche netzfrequenten und höheren Komponenten
eliminieren, im Falle f = f/1+ sogar die l.Subharmonische
der Netzfrequenz f.
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Eine zweite Aus führungsform der Erfindung sieht vor, dass
die Signal-Generator-Ausgangsspannung einen intermittierenden Signalverlauf aufweist, derart, dass während eines ersten Zeitabschnittes, der Messzeit, die Signalamplitude einen periodischen Funktionsverlauf besitzt, während eines zweiten Zeitabschnittes, der Prüfzeit, die Signalamplitude Null ist. In jedem der beiden Zeitabschnitte wird in der Vergleichseinrichtung der Signal-Generator-Ausgangsstrom oder eine von diesem abgeleitete Grosse getrennt integriert und miteinander verglichen. Im Erdschlussfall weisen beide Integrationsergebnisse charakteristische Abweichungen voneinander auf.
die Signal-Generator-Ausgangsspannung einen intermittierenden Signalverlauf aufweist, derart, dass während eines ersten Zeitabschnittes, der Messzeit, die Signalamplitude einen periodischen Funktionsverlauf besitzt, während eines zweiten Zeitabschnittes, der Prüfzeit, die Signalamplitude Null ist. In jedem der beiden Zeitabschnitte wird in der Vergleichseinrichtung der Signal-Generator-Ausgangsstrom oder eine von diesem abgeleitete Grosse getrennt integriert und miteinander verglichen. Im Erdschlussfall weisen beide Integrationsergebnisse charakteristische Abweichungen voneinander auf.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung
nach der Erfindung,
Fig. 2 das zugehörige Impuls-Zeit-Diagramm
In Fig.l ist ein Begrenzungswiderstand 1 in Reihe mit einem
Transformator 2 zwischen den Sternpunkt eines Generators 3
und Erde geschaltet. Parallel zum Widerstand 1 liegt, angekoppelt über einen Wandler 4 ein Erdschlussrelais 5 üblicher
Bauart, das den sogenannten "80%-Schutz" übernimmt.
Transformator 2 zwischen den Sternpunkt eines Generators 3
und Erde geschaltet. Parallel zum Widerstand 1 liegt, angekoppelt über einen Wandler 4 ein Erdschlussrelais 5 üblicher
Bauart, das den sogenannten "80%-Schutz" übernimmt.
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Der Transformator 2 wird gespeist von einem Verstärker 6 mit sehr niedrigem Innenwiderstand. Auf diese Weise ist dessen
Ausgangsstrom nur abhängig von den Impedanzen in seinem Ausgangskreis. Ueber einen mit Netzspannung gespeisten Wandler 7 wird ein astabiler Multivibrator 8 synchronisiert, dem ein Frequenzteiler 9 nachgeschaltet ist. Ein 4-Bit-Zähler Io erzeugt zusammen mit einem Dekodierer 11 ein Taktraster zur
Steuerung des Signalgenerators 12 und der gesamten Messwertverarbeitung., (vgl. Fig.2 Kurven A ,...,A-). Ein an die Ausgänge A , A1 und A_ angeschlossenes NOR-Glied 13 steuert zusammen mit einem UND-Glied 14 den Signal-Generator 12, einen Rechteck-Sinus-Wandler, der seinerseits an den Verstärker 6
angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung des Signalgenerators 12 ist während eines ersten Zeitabschnitts T eine Sinus-Span
Ausgangsstrom nur abhängig von den Impedanzen in seinem Ausgangskreis. Ueber einen mit Netzspannung gespeisten Wandler 7 wird ein astabiler Multivibrator 8 synchronisiert, dem ein Frequenzteiler 9 nachgeschaltet ist. Ein 4-Bit-Zähler Io erzeugt zusammen mit einem Dekodierer 11 ein Taktraster zur
Steuerung des Signalgenerators 12 und der gesamten Messwertverarbeitung., (vgl. Fig.2 Kurven A ,...,A-). Ein an die Ausgänge A , A1 und A_ angeschlossenes NOR-Glied 13 steuert zusammen mit einem UND-Glied 14 den Signal-Generator 12, einen Rechteck-Sinus-Wandler, der seinerseits an den Verstärker 6
angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung des Signalgenerators 12 ist während eines ersten Zeitabschnitts T eine Sinus-Span
nung mit der Frequenz f = f /4, während eines zweiten Zeit-
^ ο η
abschnitts T ist sie Null (vgl. Kurve u in Fig.2). Diese
ρ ** ο
ρ ** ο
Spannung wird im weiteren Verlauf mit "codiertes Signal" bezeichnet.
Der Ausgangsstrom des Verstärkers 6 wird mittels eines Wandlers
15 in eine Spannung u umgeformt. Diese gelangt in ein
Tiefpassfilter 16 mit einer oberen Grenzfrequenz f,_ = f .
Das Filter 16 ist über einen Schalter 17 mit einem Integrator 18 verbunden, der neben seinem Signaleingang einen Reset-Eingang E_ aufweist. An diesen Integrator schliesst sich über ei
Tiefpassfilter 16 mit einer oberen Grenzfrequenz f,_ = f .
Das Filter 16 ist über einen Schalter 17 mit einem Integrator 18 verbunden, der neben seinem Signaleingang einen Reset-Eingang E_ aufweist. An diesen Integrator schliesst sich über ei
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nen weiteren Schalter 19 ein Komparator 20 an, dessen Triggerschwelle
einstellbar ist. Der Ausgang des Komparators 20 ist über ein NAND-Glied 21 bzw. ein UND-Glied mit einem invertierenden
Eingang und einem nichtinvertierenden Eingang mit zwei resetierbaren Speichern 23 bzw. 24 verbunden; letztere sind
beispielsweise sogenannte Set-Reset-Flipflops. Die beiden Speicherausgänge
sind an ein weiteres UND-Glied 25 geführt. Ein Schaltschütz 26 ist über ein Impulsverbreiterungsstufe 27, z.B.
ein monostabiler Multivibrator, an den Ausgang des genannten UND-Gliedes 25 angeschlossen. Zur Blockierung der gesamten Einrichtung
dient ein weiteres, zwischen UND-Glied 25 und Impulsverbreiterungsstufe 27 geschaltetes UND-Glied 28.
Die Betätigung des Schalters 17, dessen Schliesszeit die Integrationszeit
des Integrators 18 bestimmt erfolgt über ein ODER-Glied 29, und zwar in Abhängigkeit von der AusgangsSpannung
des Frequenzteilers 9 bzw. in logischer Verknüpfung dieser Spannung
mit den Ausgangsspannungen A , ΑΊ, A0 und A- des Taktrastergebers
T über das ODER-Glied 13 und UND-Glied 30 bzw. UND-Glied 31, das einen invertierenden und einen nichtinvertierenden
Eingang aufweist.
Der Schalter 19, der die Messzeit des Komparators 20 bestimmt,
wird über das ODER-Glied 32 und einen nachgesehalteten monostabiler
Multivibrator 33 eingeschaltet ist, aktiviert.
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Die Resetierung des Integrators 18 erfolgt durch ein weiteres ODER-Glied 34, das einen invertierenden Ausgang aufweist, durch
ODER-Verknüpfung der Ausgangsspannung uo„ des monostabilen MuI-tivibrators
33 und der Ausgangsspannung des ODER-Gliedes
Die Wirkungsweise der in Fig.l dargestellten Einrichtung wird
nachstehend unter Zuhilfenahme des Impuls-Zeit-Diagramms der Fig.2 erläutert. Für Fig.2 gilt dabei das folgende Bezeichnungsschema:
*
v··
517 18 34 19 20 23 24 25
Ausgangsspannung des Frequenzteilers codiertes Signal .,a_ : Ausgangsspannungen der Ausgänge A ,...,A-
des Taktrastergebers T Schliesszeit des Schalters Ausgangsspannung des Integrators
Resetiersignal für den Integrator Schliesszeit des Schalters
Ausgangsspannung des Komparators
im Speicher 23 gespeicherter logischer Pegel im Speicher 24 gespeicherter, logischer Pegel
Ausgangsspannung des UND-Gliedes 2 5 = Auslöseimpuls
Ein Erdschluss in dem zu überwachenden System, z.B. im Generator 3, hat eine Erhöhung des AusgangsStroms des Verstärkers
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zur Folge. Im Wandler 15 wird diese Stromerhöhung in eine entsprechende
Spannung umgewandelt. Das Tiefpassfilter 16 befreit diese von höherfrequent.en Komponenten. Zu diesem Zweck liegt
die (obere) Eckfrequenz des Filters bei ca. f /1^* die Dämpfung
bei Netzfrequenz soll dabei mindestens 30 bis 40 dB betragen. Innerhalb einer Halbperiode der Ausgangsspannung ug des Frequenzteilers
9 wird das codierte Signal im Integrator 18 aufintegriert. Die Steuerung der Integrations zeit erfolgt dabei
über den Schalter 17, dessen Schliesszeit S17 aus ug, a, und
a- durch logische Verknüpfung dieser Spannungen abgeleitet
wird. Während einer vollen Periode T + T des codierten Sig-
m ρ
nals erfolgt dieser Vorgang jeweils innerhalb der Messzeit T
und innerhalb der Prüfzeit T einmal. Noch bevor der Integrator
18 durch die Ausgangsspannung des ODER-Gliedes 34 resetiert
wird, schliesst Schalter 19. Im Komparator 20 wird nun der Momentanwert der Integrator-Ausgangespannung u,g mit einem
einstellbaren Grenzwert verglichen. Ist dieser Momentanwert grosser als dieser Grenzwert, ändert der Komparatorausgang seinen
logischen Pegel von 0 in L. Dieser Wert wird, sofern am UND-Glied 22 die UND-Bedingung vorliegt, d.h. a1 = 0 ist, im
Speicher 24 gespeichert. Letzteres kann nur innerhalb der Messzeit
T der Fall sein,
m
m
Liegt ausser dem Erdschluss im System keine weitere Störung
vor, so wird das codierte Signal und infolge der Filterwirkung
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sowohl von Filter 16 als auch Integrator 18 keine Aenderung des logischen Pegels am Ausgang des Komparators 20 innerhalb
der Prüfzeit T bewirken. Ueber das NAND-Glied 21 wird daher P
im Speicher 23 ebenfalls der logische Pegel L gespeichert. Dann ist aber die UND-Bedingung am Eingang des UND-Gliedes
25 erfüllt,und das Schaltschütz 26 wird aktiviert.
Anders liegen die Verhältnisse, wenn neben dem codierten Signal Signalkomponenten auch während der Prüfzeit T den Integrator
18 derart beaufschlagen, dass seine Ausgangsspannung
über den Schwellwert des Komparators 20 ansteigt. Dann ändert sich auch innerhalb der Prüfzeit T der logische Pegel des
Komparators derart, dass via UND-Glied 22 und Speicher 2H zwar
am einen Eingang des UND-Gliedes 25 der logische Pegel L anliegt, doch die Ausgangsspannung des Speichers 23 Null ist.
Ein (Fehl-)Alarm kann demnach nicht ausgelöst werden.
Wie aus dem Impuls-Zeit-Diagramm ersichtlich ist, erfolgt die Integration des codierten Signals nicht sofort mit. mit Beginn
der Messzeit T , sondern es wird zunächst eine volle Periode m
abgewartet, um den möglichen störenden Einflüssen von Einschwingvorgängen
und dergl. zu begegnen.
T Durch eine andere Dimensionierung des Taktrastergebers ist es
weiterhin möglich, die Integrationszeit t ,- t innerhalb der
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" n " 136/74
Messzeit T bzw. die Integrations zeit t .- t innerhalb der
m ° PP
Prüfzeit T zu verlängern, z.B. auf eine ungeradzahlige Anzahl
von Halbperioden des codierten Signals.
Die Speisung der gesamten Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung
ist wegen ihres vergleichsweise geringen Strombedarfs aus einer Batterie möglich. Auf diese Weise lässt sich das System auch
beim Stillstand des Generators überwachen.
Die vorgeschlagene Ueberwachungseinrichtung lässt sich sowohl
für den Statorkreis als auch für den Rotorkreis von elektrischen
Maschinen einsetzen. Selbstverständlich müssen dann -zwei getrennte Einrichtungen vorgesehen sein, die jedoch beide auf
dem gleichen Prinzip basieren, wobei die Ankopplung des codierten Signals an den Rotorkreis auf kapazitivem Wege erfolgt.
Der beschriebene Erdschluss-Schutz bringt gegenüber bisherigen Lösungen eine wesentliche Verbesserung der Sicherheit im Erkennen
von Erdschlüssen. Es ist nicht mehr nötig, die Kapazität der Wicklungen des Generators, oder allgemein der elektrischen
Anlage, gegen Erde zu berücksichtigen oder zu berechnen, da deren Einfluss vollständig ausgeschaltet ist. Kippschwingungen,
Resonanzerscheinungen und sonstige Störeinflüsse aus dem Netz werden eleiminiert ohne die Ansprechempfindlichkeit des Schutzes
zu erniedrigen.
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Die erzielbare Selektivität macht die Anwendung der vorgeschlagenen
Erdschluss-Schutzeinrichtung insbesondere für Läufer mit Thyristor-Erregung, die in der Regel mit zusätzlichen Schutzkondensatoren
ausgerüstet sind, interessant.
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Claims (8)
1. Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung für galvanisch vom Netz getrennte Wechsel-, Dreh- oder Gleichstromsysteme,
insbesondere für Wicklungen von Wechsel- oder Drehstrommaschinen, bei denen zwischen das zu überwachende System
und Erde eine Zusatzspannungsquelle mit mindestens einer von der Netzfrequenz verschiedenen Frequenz eingeschaltet
ist, und der Zusatzspannungsquelle eine Vergleicheinrichtung zur Unterscheidung zwischen erdschlussfreiem Zustand
und Erdschlussfall zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzspannungsquelle die Ausgangsspannung eines
Signal-Generators (Q) mit mindestens einer mindestens um die Hälfte kleineren Frequenz (f ) als die Netzfrequenz
(f ) vorgesehen ist und dass die Vergleicheinrichtung Mittel zur Wiedererkennung des Signalverlaufs der Signal-Generator-Ausgangsspannung
enthält.
2. Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vergleicheinrichtung Mittel zur Integration des AusgangsStroms des Signal-Generators
(Q) oder einer von diesem Strom abgeleiteten Grosse aufweist,
wobei die Integration zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der Generator-Ausgangsspannung (u )
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erfolgt, und die Integrationszeit (t , - t ) eine ungeradzahlige Anzahl von Halbperioden dieser Spannung beträgt.
3. Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-Generator-Ausgangsspannung
(u ) einen intermittierenden Signalverlauf aufweist, derart, dass in einem ersten Zeitabschnitt (T ) diese
Spannung einen periodischen Verlauf besitzt und dass in einem sich daran anschliessenden zweiten Zeitabschnitt (T )
diese Spannung Null ist.
4. Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleicheinrichtung Mittel
(17, 18, 23, 24) zur Integration und Speicherung der durch
die genannte Spannung (u ) erzeugten Verlagerungsspannung im zu überwachenden System während jedem der beiden Zeitabschnitte
(Tm; T) aufweist.
5. Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taktrastergeber (T) vorgesehen
ist zur abschnittsweisen Steuerung von Integration und Speicherung,
6. Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung nach Anspruch 3, da- · durch gekennzeichnet, dass während des genannten ersten
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Zeitabschnitts (T ) die Signal-Generator-Ausgangsspannung (u ) einen sinusförmigen Verlauf aufweist, deren Periodendauer
(T ) ein geradzahliges Vielfaches der Periodendauer (T ) der Netzfrequenz (f ), vorzugsweise 4T , beträgt.
7. Erdschluss-Ueberwachungseinricht.ung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitabschnitt (T )
• . πι
mindestens 6, vorzugsweise mindestens 12 Periodendauern (T ) der Netzspannung beträgt, der zweite Zeitabschnitt
(T ) gleich lang wie der erste ist.
8. Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung nach Anspruch 3, 4 oder
6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur zeitlichen Steuerung der Integration innerhalb der genannten beiden Zeitabschnitte
vorgesehen sind, welche derartige Kenndaten aufweisen, dass Beginn und Ende der Integrationszeit (t , - t ;
t , - t ) jeweils mindestens 2, vorzugsweise 4 Periodendauern (T ) der Netzfrequenz nach Beginn bzw. Ende des jeweiligen
Zeitabschnitts (T bzw. T ) liegen.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=4407066
Family Applications (1)
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