ES2316280B1 - Procedimiento y sistema de puesta en practica para la medida de la potencia de desequilibrio en instalaciones electricas, asi como el dispositivo para su calibracion. - Google Patents

Procedimiento y sistema de puesta en practica para la medida de la potencia de desequilibrio en instalaciones electricas, asi como el dispositivo para su calibracion. Download PDF

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Abstract

Procedimiento y sistema de puesta en práctica para la medida de la potencia de desequilibrio en instalaciones eléctricas, así como el dispositivo para su calibración.
Procedimiento y sistema de puesta en práctica para la medida de la potencia de desequilibrio de una instalación o sistema eléctrico que comprende:
i) adquirir valores instantáneos de tensión (V_{A}, V_{B}, V_{C}) e intensidad (i_{A}, i_{B}, i_{C}) de cada una de las fases A, B, C de la instalación, y descomponerlos en sus componentes a frecuencia fundamental (V_{A1}, V_{B1}, V_{C1}), (i_{A1}, i_{B1}, i_{C1});
ii) obtener valores eficaces de tensión e intensidad y ángulos de desfase inicial entre tensión e intensidad, y a partir de estos valores eficaces obtener potencias activas ((P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) para cada una de las fases;
iii) a partir de las potencias activas y reactivas, obtener (4) un fasor potencia de desequilibrio (\overline{A}_{U}), según la siguiente expresión:
200
donde a=1_{| \ 120^{o}} y \overline{p} y \overline{q} son fasores unitarios ortogonales. La invención también se refiere a un dispositivo calibrador (21) de instrumentos de medida de esta potencia de desequilibrio.

Description

Procedimiento y sistema de puesta en práctica para la medida de la potencia de desequilibrio en instalaciones eléctricas, así como el dispositivo para su calibración.
Objeto de la invención
La presente invención se relaciona de forma general con la medida y la calibración de instrumentos de medida del fenómeno del desequilibrio en instalaciones eléctricas, y más particularmente con sistemas eléctricos trifásicos a tres y a cuatro hilos.
Antecedentes de la invención
Es conocida en la literatura técnica la potencia de desequilibrio, magnitud que cuantifica los efectos del fenómeno del desequilibrio en las instalaciones eléctricas. Se han desarrollado diferentes formulaciones para esta potencia de desequilibrio -atendiendo a distintas teorías establecidas de la potencia eléctrica- que únicamente dan su magnitud, un número real. La potencia de desequilibrio no es conservativa, es decir, no cumple el Principio de Conservación de la Energía y, por tanto, la potencia de desequilibrio de una instalación eléctrica no es igual a la suma de las potencias de desequilibrio correspondientes a cada una de sus elementos integrantes. Esto limita y dificulta en gran manera su aplicación para la medida de los efectos de los desequilibrios en la práctica industrial.
La formulación de la potencia de desequilibrio en forma compleja es desconocida en la literatura técnica en el momento presente. Esta magnitud, que se ha denominado "fasor potencia de desequilibrio" por los autores de esta invención, permite determinar el valor de la potencia de desequilibrio en cualquier instalación eléctrica conociendo los desequilibrios de sus partes integrantes. El sistema y procedimiento de medida que se reivindica permite realizar esta función.
Por otro lado, no son conocidos en la práctica industrial calibradores de instrumentos de medida de la potencia de desequilibrio formados por elementos pasivos.
Descripción de la invención
La invención se refiere a un procedimiento y a un sistema para la medida de la potencia de desequilibrio en una instalación eléctrica y a un dispositivo para su calibración, de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2 y 6, respectivamente. Realizaciones preferidas del procedimiento y sistema se definen en las reivindicaciones dependientes.
Para ello, se establece como aportación fundamental el concepto de "fasor potencia de desequilibrio", magnitud cuyo módulo es la potencia de desequilibrio y cuyo argumento indica la fase o fases en las que el desequilibrio es mayor, así como si inciden más sobre el desequilibrio las cargas resistivas o las reactivas. Una de las propiedades, entre otras, de esta nueva magnitud, que no es un número real sino complejo, es que el fasor potencia de desequilibrio de un sistema o instalación eléctrica es igual a la suma de los fasores potencia de desequilibrio de cada una de las partes del sistema o instalación eléctrica, lo cual simplifica considerablemente la obtención del valor de la potencia de desequilibrio total del sistema.
En la actualidad no es conocida en la literatura técnica esta magnitud "fasor potencia de desequilibrio" y, por tanto, los equipos de medida de la potencia de desequilibrio tanto comerciales como los existentes a nivel de investigación, no pueden obtener el valor de la potencia de desequilibrio del sistema a partir de cada uno de sus subsistemas o partes integrantes.
La presente invención proporciona un procedimiento y sistema para medida de potencia de desequilibrio de un sistema o instalación eléctrica, magnitud que se expresa como un número complejo, con módulo y argumento, superando con ello las limitaciones mencionadas anteriormente. La formulación en forma compleja de la potencia de desequilibrio hace posible que el fasor potencia de desequilibrio total de una instalación o sistema eléctrico sea igual a la suma de los fasores potencia de desequilibrio de cada una de sus elementos; así es posible obtener el valor y los efectos de los desequilibrios en una parte de una instalación eléctrica a partir de los valores de los desequilibrios en cada una de sus componentes.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, ésta se refiere a un procedimiento de medida del fasor potencia de desequilibrio de una instalación o sistema eléctrico que comprende:
i)
adquirir valores instantáneos de tensión (V_{A}, V_{B}, V_{C}) e intensidad (i_{A}, i_{B}, i_{C}) de cada una de las fases A, B, C de la instalación o sistema eléctrico, y descomponerlos en sus componentes a frecuencia fundamental (V_{A1}, V_{B1}, v_{C1}), (i_{A1}, i_{B1}, i_{C1});
ii)
obtener valores eficaces de tensión e intensidad y ángulos de desfase inicial entre tensión e intensidad, y a partir de estos valores eficaces obtener potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) para cada una de las fases;
iii)
a partir de las potencias activas y reactivas, se obtiene un fasor potencia de desequilibrio (\overline{A}_{U}), según la siguiente expresión:
100
en donde a = 1_{| \ 120^{o}}, y \overline{p} y \overline{q} son fasores unitarios ortogonales.
De acuerdo con una posible realización del procedimiento de la invención, en el paso ii) se obtienen valores eficaces de tensión (V_{A1}, V_{B1}, V_{C1}) e intensidad (I_{A1}, I_{B1}, I_{C1}) y ángulos de desfase (\varphi_{A1}, \varphi_{B1}, \varphi_{C1}) entre tensión e intensidad para la frecuencia fundamental; y las potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) para cada una de las fases se calculan de acuerdo con la siguiente expresión:
101
Alternativamente, en el paso ii) se obtienen valores eficaces de tensión de secuencia positiva y frecuencia fundamental (V_{A1+}, V_{B1+}, V_{C1+}) y ángulos de desfase (\varphi_{A1+}, \varphi_{B1+} \varphi_{C1+}) entre tensión e intensidad para la frecuencia fundamental (I_{A1}, I_{B1}, I_{C1}); las potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) para cada una de las fases se calculan de acuerdo con la siguiente expresión:
102
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, ésta se refiere a un sistema de medida de la potencia de desequilibrio de una instalación o sistema eléctrico, que comprende:
-
un módulo de adquisición configurado para adquirir valores instantáneos de tensión (V_{A}, V_{B}, V_{C}) e intensidad (i_{A}, i_{B}, i_{C}) para cada una de las fases A, B, C de dicha instalación eléctrica;
-
un módulo de análisis configurado para obtener valores eficaces de tensión (V_{A1}, V_{B1}, V_{C1}) e intensidad (I_{A1}, I_{B1}, I_{C1}) y ángulos de desfase (\varphi_{A1}, \varphi_{B1}, \varphi_{C1}) entre tensión e intensidad para la frecuencia fundamental;
-
un módulo de potencias activas y reactivas configurado para obtener potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) para cada una de las fases;
-
un módulo fasor configurado para obtener un número complejo en forma polar o en forma binómica o fasor potencia de desequilibrio \overline{A}_{U}, a partir de los valores de potencias activas y reactivas de acuerdo con la siguiente expresión:
103
en donde a = 1_{| \ 120^{o}}, y \overline{p} y \overline{q} son fasores unitarios ortogonales.
De acuerdo con una realización preferida el módulo de potencias activas y reactivas calcula dichas potencias de acuerdo con la siguiente expresión:
104
\newpage
Según otra posible realización el sistema además incluye un módulo de simétricas configurado para obtener valores eficaces de tensión de secuencia positiva y frecuencia fundamental (V_{A1+}, V_{B1+}, V_{C1+}) y ángulos de desfase (\varphi_{A1+}, \varphi_{B1+}, \varphi_{C1+}) entre tensión e intensidad para la frecuencia fundamental; y en tal porque el módulo de potencias activas y reactivas calcula éstas de acuerdo con la siguiente expresión:
105
El sistema además incluye preferiblemente un módulo de visualización configurado para representar una o más magnitudes obtenidas en o utilizadas por en los diferentes módulos que componen el sistema.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, ésta se refiere a un dispositivo calibrador de instrumentos de medida de la potencia de desequilibrio de una instalación o sistema eléctrico, que comprende:
-
una fuente de alimentación trifásica estabilizada, equilibrada y sinusoidal, encargadas de suministrar las energías correspondientes a la ineficiencia por desequilibrio; y
-
al menos un circuito patrón de desequilibrio formado por elementos pasivos, bobinas y condensadores o sus equivalentes formados por convertidores electrónicos, siendo los valores de dichos elementos pasivos función del módulo del fasor potencia de desequilibrio \overline{A}_{U}, calculándose éste según lo indicado en lo anterior.
El o los circuitos patrones de la potencia de desequilibrio absorben las corrientes de desequilibrio, calibradas a un valor prefijado.
Estos dispositivos calibradores aportan sencillez, economía y fundamento físico a la medida de la potencia de desequilibrio frente a otros posibles calibradores electrónicos, comercializados o no, menos aptos para ambientes industriales.
Breve descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con ejemplos preferentes de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción de un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La Figura 1 es un diagrama que muestra la secuencia operacional del procedimiento de la invención.
La Figura 2 es un diagrama que representa una posible realización del dispositivo para la medida del fasor potencia de desequilibrio de la invención.
La Figura 3 es un diagrama que representa una estructura posible del calibrador de la potencia de desequilibrio.
La Figura 4 es un diagrama que representa un procedimiento posible para la obtención del fasor potencia de desequilibrio.
La Figura 5 es un diagrama que representa un procedimiento alternativo posible para la determinación del fasor potencia de desequilibrio.
La figura 6 es un diagrama que muestra la constitución del patrón para el calibrador de la potencia de desequilibrio.
Descripción de una realización preferida de la invención
Como se muestra en la figura 1, una posible realización del procedimiento para la medida del fasor potencia de desequilibrio en una instalación eléctrica, objeto de la presente invención, comprende las siguientes operaciones:
-
Procesado digital 1 de las señales muestreadas obtenidas por el sistema físico 6 (véase figura 2) de medida y adquisición de señales eléctricas del dispositivo, obteniéndose las matrices de valores eficaces y fases iniciales de tensión e intensidad a frecuencia fundamental para cada fase, en total seis matrices para cada fase de tensión e intensidad.
-
Con estas matrices se obtienen (en 3) las matrices de valores eficaces y fases iniciales para las componentes de secuencia positiva con una matriz para las tensiones de secuencia positiva.
-
A partir de las matrices de valores eficaces y fases iniciales de tensión e intensidad para la frecuencia fundamental, se obtienen las potencias activas y reactivas para cada una de las fases (en 2).
-
A partir de las potencias activas y reactivas se obtiene el fasor potencia de desequilibrio (en 4), según la expresión (1) indicada más adelante.
-
La información gráfica y numérica del fasor potencia de desequilibrio, así como ciertos valores de las magnitudes físicas utilizadas durante el procedimiento, son visualizados (en 5) en un dispositivo de visualización.
El dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento de medida, como se muestra en la figura 2, está formado por un sistema físico 6 de medida y adquisición de señales eléctricas -hardware- y un programa de medida 7 de la potencia eléctrica.
El sistema físico 6 se compone de unos sensores de medida 8 de tensión e intensidad, que miden sus valores instantáneos; de unos acondicionadores de señal 9 que adaptan la corriente del secundario de cada sensor a la tensión aplicable a las entradas analógicas de la tarjeta de adquisición; de tal tarjeta de adquisición 10 o dispositivo equivalente que convierte las señales analógicas de tensión e intensidad en una serie de muestras discretas que se utilizan como entrada en el programa de medida; de un sistema procesador 11 con una placa base en la que se coloca la tarjeta de adquisición 10 para que se puedan intercambiar las muestras discretas de las señales de tensión e intensidad con el programa de medida 7; y de una pantalla LCD táctil 12 o dispositivo de visualización en el que se visualiza toda la información sobre las formas de onda y el valor de todas las magnitudes eléctricas relacionadas con la medida del fasor potencia de desequilibrio: tensiones, intensidades, potencias activas y reactivas, componentes simétricas, fasor potencia de desequilibrio energías.
El Programa de medida 7 se compone de los siguientes módulos:
- Módulo de adquisición 13 que adquiere muestras de tensión e intensidad, y las guarda en un vector para cada una de ellas.
- Módulo de análisis 14 que obtiene las matrices de las tensiones e intensidades en valor eficaz y en fase para la frecuencia fundamental, a partir de las muestras adquiridas en el módulo anterior; además se obtienen por integración numérica los valores eficaces de todas las tensiones e intensidades de cada una de las fases.
- Módulo de simétricas 16 que obtiene las matrices de las componentes de secuencia positiva, en valor eficaz y en fase de las tensiones para la frecuencia fundamental, a partir de las matrices obtenidas en el módulo anterior.
- Módulo de potencias activas y reactivas 15 encargado de obtener los valores de las potencias activas y reactivas para cada tipo de topología de la instalación eléctrica.
- Módulo fasor 17 de potencia de desequilibrio encargado de obtener el valor del fasor de potencia de desequilibrio.
Una aplicación típica que ilustra lo anteriormente comentado es, entre otras, el proceso de obtención del fasor potencia de desequilibrio en uno de los centros de transformación de una población o de una factoría.
La figura 4 muestra esquemáticamente un posible proceso de cálculo de la citada magnitud. Los valores instantáneos de tensiones (V_{A}, V_{B}, V_{C}) y corrientes (i_{A}, i_{B}, i_{C}) de las diferentes fases son registrados y descompuestos en sus componentes de frecuencia fundamental (V_{A1}, V_{B1}, V_{C1}) (i_{A1}, i_{B1}, i_{C1}), 50/60 Hz, y en sus componentes armónicos. A continuación, se obtienen los valores eficaces y los ángulos de desfase de las tensiones y corrientes de fase de frecuencia fundamental (V_{A1}, V_{B1}, V_{C1}) (I_{A1}, I_{B1}, I_{C1}) (\varphi_{A1}, \varphi_{B1}, \varphi_{C1}). Con estos valores, se obtienen las potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) de cada fase según las siguientes expresiones:
106
Finalmente, los valores de potencia activa y reactiva de cada fase son sustituidos en la siguiente expresión del fasor potencia de desequilibrio (\overline{A}_{U}):
107
expresión que es original, y en la cual a = 1_{| \ 120^{o}}, y \overline{p} y \overline{q} son fasores unitarios ortogonales.
Como se muestra esquemáticamente en la figura 5, otro procedimiento alternativo para obtener con muy buena aproximación el valor del fasor potencia de desequilibrio, consiste en calcular las potencias activas y reactivas de cada fase a partir de las componentes simétricas de las tensiones de fase, de frecuencia fundamental. Al igual que en el caso anterior, los valores instantáneos de tensiones (V_{A}, V_{B}, V_{C}) y corrientes (i_{A}, i_{B}, i_{C}) de las diferentes fases son registrados y descompuestos en sus componentes de frecuencia fundamental (V_{A1}, V_{B1}, V_{C1}) (i_{A1}, i_{B1}, i_{C1}), 50/60 Hz, y en sus componentes armónicos. Aplicando las expresiones del Teorema de Stokvis-Fortescue se obtienen los valores eficaces de las tensiones de secuencia positiva y frecuencia fundamental (V_{A1+}, V_{B1+}, V_{C1+}) y los ángulos de desfase (\varphi_{A1+}, \varphi_{B1+}, \varphi_{C1+}) de estas tensiones con las corrientes de frecuencia fundamental; y a partir de éstos se obtienen las potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) de acuerdo con las siguientes expresiones:
108
para su posterior sustitución en la expresión [1) del fasor potencia de desequilibrio.
Por último, el programa de medida 7 incluye un módulo de visualización 18, encargado de representar en pantalla la información gráfica y numérica del fasor potencia de desequilibrio, así como los valores de magnitudes físicas, tales como: valores eficaces de las tensiones e intensidades; potencias activas y reactivas para cada fase; componentes simétricas a frecuencia fundamental.
La figura 3 muestra una posible realización del calibrador 21 de instrumentos de medida de la potencia de desequilibrio. Está formado por una fuente de alimentación trifásica 19 y por circuitos patrones de medida de la potencia de desequilibrio 20.
La fuente de alimentación trifásica 19 es el dispositivo encargado de suministrar las energías correspondientes a la ineficiencia por desequilibrio. Es una fuente de alimentación trifásica, estabilizada, de 50/60 Hz de frecuencia.
Los circuitos patrones de la potencia de desequilibrio 20 son dispositivos pasivos, formados por bobinas y condensadores, o por sus equivalentes formados por circuitos electrónicos, que absorben las corrientes y potencias de desequilibrio, calibrados a un valor prefijado. Una configuración preferente de un circuito patrón de la potencia de desequilibrio 20 se muestra en la figura 6 y posibles valores de los elementos constituyentes del mismo se indican a continuación:
109
donde Au es la potencia de desequilibrio.
La invención ha sido descrita según realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.

Claims (8)

  1. \global\parskip0.950000\baselineskip
    1. Procedimiento de medida de la potencia de desequilibrio de una instalación o sistema eléctrico, que comprende:
    i)
    adquirir valores instantáneos de tensión (V_{A}, V_{B}, V_{C}) e intensidad (i_{A}, i_{B}, i_{C}) de cada una de las fases A, B, C de la instalación o sistema eléctrico, y descomponerlos en sus componentes a frecuencia fundamental (V_{A1}, V_{B1}, V_{C1}), (i_{A1}, i_{B1}, i_{C1});
    ii)
    obtener valores eficaces de tensión (V_{A1}, V_{B1}, V_{C1}) e intensidad (I_{A1}, I_{B1}, I_{C1}) y ángulos de desfase (\varphi_{A1}, \varphi_{B1}, \varphi_{C1}) inicial entre tensión e intensidad para la frecuencia fundamental;
    iii)
    a partir de estos valores eficaces para la frecuencia fundamental obtenidos en el paso anterior, obtener potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) para cada una de las fases; y
    iv)
    a partir de las potencias activas y reactivas, se obtiene (4) un fasor potencia de desequilibrio (\overline{A}_{U}), según la siguiente expresión:
    110
    en donde a = 1_{| \ 120^{o}}, y \overline{p} y \overline{q} son fasores unitarios ortogonales.
  2. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) para cada una de las fases se obtienen de acuerdo con la siguiente expresión:
    111
  3. 3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque a partir de dichos valores eficaces para la frecuencia fundamental se obtienen valores eficaces de tensión de secuencia positiva y frecuencia fundamental (V_{A1+}, V_{B1+}, V_{C1+}) y ángulos de desfase (\varphi_{A1+}, \varphi_{B1+}, \varphi_{C1+}) entre tensión e intensidad para la frecuencia fundamental, y las potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) para cada una de las fases se obtienen de acuerdo con la siguiente expresión:
    112
  4. 4. Un sistema de medida de la potencia de desequilibrio de una instalación o sistema eléctrico, que comprende:
    -
    un módulo de adquisición (13) configurado para adquirir valores instantáneos de tensión (V_{A}, V_{B}, V_{C}) e intensidad (i_{A}, i_{B}, i_{C}) para cada una de las fases A, B, C de dicha instalación eléctrica;
    -
    un módulo de análisis (14) configurado para obtener valores eficaces de tensión (V_{A1}, V_{B1}, V_{C1}) e intensidad (I_{A1}, I_{B1}, I_{C1}) y ángulos de desfase (\varphi_{A1}, \varphi_{B1}, \varphi_{C1}) entre tensión e intensidad para la frecuencia fundamental;
    -
    un módulo de potencias activas y reactivas (15) configurado para obtener potencias activas (P_{A}, P_{B}, P_{C}) y reactivas (Q_{A}, Q_{B}, Q_{C}) para cada una de las fases;
    -
    un módulo fasor (17) configurado para obtener un número complejo en forma polar o en forma binómica o fasor potencia de desequilibrio (\overline{A}_{U}), a partir de los valores de potencias activas y reactivas de acuerdo con la siguiente expresión:
    113
    en donde a = 1_{| \ 120^{o}}, y \overline{p} y \overline{q} son fasores unitarios ortogonales.
    \global\parskip1.000000\baselineskip
  5. 5. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado porque el módulo de potencias activas y reactivas (15) las calcula de acuerdo con la siguiente expresión:
    114
  6. 6. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado porque además incluye un módulo de simétricas (16) configurado para obtener valores eficaces de tensión de secuencia positiva y frecuencia fundamental (V_{A1+}, V_{B1+}, V_{C1+}) y ángulos de desfase (\varphi_{A1+}, \varphi_{B1+}, \varphi_{C1+}) entre tensión e intensidad para la frecuencia fundamental (I_{A1}, I_{B1}, I_{C1});
    y porque el módulo de potencias activas y reactivas (15) las calcula de acuerdo con la siguiente expresión:
    115
  7. 7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 4-6, caracterizado porque además incluye un módulo de visualización (18), configurado para representar una o más magnitudes obtenidas en, o utilizadas por, los diferentes módulos que componen el sistema.
  8. 8. Dispositivo calibrador (21) de instrumentos de medida de la potencia de desequilibrio de una instalación o sistema eléctrico, que comprende:
    -
    una fuente de alimentación trifásica (19) estabilizada, equilibrada y sinusoidal; y
    -
    al menos un patrón de desequilibrio (20) formado por elementos pasivos, bobinas (L_{ip}, L_{hp}) y condensadores (C_{ip}, C_{hp}) o sus equivalentes formados por convertidores electrónicos, siendo los valores de dichos elementos pasivos función del módulo del fasor potencia de desequilibrio \overline{A}_{U}, calculándose éste según lo indicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
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