JP2012065461A - サージ防護デバイス保護システム及びサージ防護システム - Google Patents

Abstract

【課題】長期間に亘り高い信頼性をもって運用することができ、安価なシステム構成で、多くの設備に共通してサージ防護デバイスを保護する回路を構成することでき、良好に雷サージを含むサージから電気・電子機器を保護することができる技術を提供する。
【解決手段】サージ防護デバイス保護システム１０は、商用電力を伝送する電力線５と大地との間に設置されたサージ防護デバイス１と電力線５との間に設置される過電流遮断器２と、電力線５と過電流遮断器２との間に直列接続されるコイル３と、コイル３及び過電流遮断器２の直列回路に対して並列接続される放電ギャップ４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、配電系統に接続される電気・電子機器を配電系統への直撃雷や近接雷による雷サージを含むサージから保護する技術に関する。

商用電力を伝送する送電線や配電線などの電力線や、電力線に並走して配接されることも多い通信線に対する雷サージや開閉サージの影響を抑制する種々の対策が講じられている。電力線や通信線と、大地との間に配接されるサージ防護デバイス（SPD : surge protective device）などの避雷器は、そのような対策の一例である。避雷器は、雷電流を大地に放流することによって、雷によるインパルス電圧を制限電圧内に制限する。これにより、電力線を介して電力を供給される電気・電子機器や、通信線に接続される電気・電子機器へ供給される電源や信号は、それらの機器に許容される許容電圧内に抑制される。

特開２００８−１８７８９２号公報（特許文献１）には、そのような避雷器を用いた雷サージ保護技術が開示されている。法的には、電力線と大地との間に接続される避雷器の電力線側において直列に過電流遮断器を設置することが求められる。過電流遮断器としては、ＭＣＣＢ（molded case circuit breaker）や、特許文献１の第３段落にも記載されているようなヒューズが用いられる。図６は、そのような避雷器１００の電力線５０の側において、直列にヒューズ２００が設置される雷サージ防護システムの構成を模式的に示している。このようなヒューズ２００の機能に対しては、
（１）雷サージによる雷電流では溶断しないこと、
（２）雷サージ終息後の低周波数の商用電源側からの続流に対しては直ちに溶断して、電源やＳＰＤの損傷を最小限に抑えること、が求められる。尚、続流とは、ＳＰＤが雷サージに対して動作した後、雷サージが終息後もＳＰＤが通電状態を保持し、商用電源と大地とがほぼ短絡状態となって、商用電源側から大地へ流れる電流のことである。

一般的に、ヒューズの定格は、ＳＰＤを製造し提供する製造者により推奨値が示され、その推奨値に応じて送配電設備の管理者・設計者などが実装する。但し、商用電源の設備容量や配電設備の構成などにより続流の大きさも異なるので、この推奨値は明確な根拠を有するものではない。このため、選定されたヒューズの定格値は、その設備における続流に対して、過大であったり過小であったりする場合がある。ヒューズの定格値が過大な場合には、続流によるヒューズの溶断時間が長い、あるいは溶断しないことにより、ＳＰＤを劣化・損傷させる可能性がある。一方、ヒューズの定格値が過小な場合には、雷サージが終息するまでにヒューズが溶断してしまい、雷電流がＳＰＤを介して大地へ放流されず、雷サージが充分に抑制されないまま電気・電子機器に到達する可能性がある。ＭＣＣＢの容量が過小であったり、過大であったりした場合も同様である。

また、ヒューズは、高温環境下や、雷電流の頻繁な通電など、実際の設置環境によって劣化することがあり、雷サージの発生時に本来の機能を発揮できない可能性がある。特に、既に劣化による破断や溶断を生じている状況下で雷サージが発生すると、ＳＰＤにより雷サージを抑制することができなくなる。このため、定期的にヒューズの機能を確認し、必要に応じて交換する保守点検が必要となる。しかし、このような保守点検は、基本的には巡回点検であるから、迅速な対応ができず、雷の発生時に部品交換が完了していない可能性もある。また、近年は、気候変動の影響もあるのか雷の発生回数は増加し、一方で、小型化・集積回路化する電気・電子機器の対雷能力（絶縁耐力）は低下している。このため、雷により、電気・電子機器が故障する雷被害は増加傾向にある。保守点検回数を増やすなどの対策は、保守費用の増大、送配電コストの増大を招き、個人や企業はもとより社会全体においても経済的損失が大きい。

特開２００８−１８７８９２号公報

上記背景に鑑みて、長期間に亘り高い信頼性をもって運用することができ、安価なシステム構成で、多くの設備に共通してサージ防護デバイスを保護する回路を構成することができ、雷サージを含むサージから良好に電気・電子機器を保護することができる技術の提供が望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係るサージ防護デバイス保護システムの特徴構成は、商用電力を伝送する電力線と大地との間に設置されたサージ防護デバイスと前記電力線との間に設置されて、過電流に応じて前記電力線と前記サージ防護デバイスとの接続を遮断可能な過電流遮断器と、前記電力線と前記過電流遮断器との間に直列接続されるコイルと、前記コイル及び前記過電流遮断器の直列回路に対して並列接続される放電ギャップと、を備える点にある。

この特徴によれば、例えば雷サージのようにインパルス性で周波数の高いサージ電流は、高周波信号に対して高いインピーダンスとなるコイルによって通電が妨げられる。従って、サージ電流の多くは、コイルに直列接続された過電流遮断器には流れ込まない。一方、放電ギャップは、一種のコンデンサであるから、高周波信号に対して低いインピーダンスとなる。このため、高周波数のサージ電流の多くは、放電ギャップを流れ、サージ防護デバイスを介して大地へ放流される。サージ防護デバイスは、雷サージ電流が終息した後も、直ちに遮断されず、大地と電力線とが短絡された状態となるため、いわゆる続流が生じる。この続流の周波数は、電力線を介して供給される商用電力の周波数であるから、低周波数である。低周波数に対しては、コイルは低インピーダンスとなり、放電ギャップは高インピーダンスとなるから、続流のほとんどが、コイルを介して過電流遮断器を通って流れることとなる。続流に対して、過電流遮断器としてのヒューズが溶断したり、過電流遮断器としてのブレーカがトリップ（電極の切断）動作したりすることにより、大地と電力線との短絡状態が解消される。また、過電流遮断器にはサージ電流がほとんど流れないので、過電流遮断器としてのヒューズやブレーカの定格は雷サージの大きさを考慮することなく、多くの設備に共通して同様の過電流遮断器を利用でき、あるいは少ない種類の過電流遮断器により対応することができる。その結果、本構成によれば、安価なシステム構成で良好に雷サージなどのサージから電気・電子機器を保護することができる。

上述したように、過電流遮断器には、サージ電流がほとんど流れないため、大きなサージ電流を流すことができ、さらにサージ電流に対して絶縁耐力を有した大容量の過電流遮断器は必要ではない。従って、前記過電流遮断器は、前記電力線から電力を供給される負荷機器と前記電力線との間に配接される主幹配線用遮断器の容量以下の容量を有するものであると好適である。つまり、過電流遮断器は、配電系統と電気・電子機器との間に配接される主幹配線用遮断器と同程度、あるいはそれ以下の小容量の遮断器でよい。従って、安価で小型なシステム構成により、サージ防護デバイスを保護できると共に、雷サージを含むサージから電気・電子機器を保護することができる。

ここで、前記過電流遮断器が、開閉器を備えた配線用遮断器であると好適である。配線用遮断器は、ヒューズと異なり溶断したり、破断したりするものではなく、温度変化などにも強い。従って、長期間に亘り高い信頼性をもって運用することができる。また、配線用遮断器は、ヒューズのように過電流によって溶断するものではないので、続流によるトリップ動作後に交換を要するようなメンテナンス上の負担もなく、部品コストも低減できる。さらに、配線用遮断器には、トリップ動作後に自動復帰するものもあり、そのような遮断器であればさらにメンテナンス性が向上する。また、続流に対しても、ヒューズのように細かい定格の設定が必要なく、多くの設備に共通してサージ防護デバイスを保護する配線用遮断器を設置することができる。

また、前記電力線が、多相交流を伝送する複数の電力線であるとき、本発明に係るサージ防護デバイス保護システムは、前記過電流遮断器と前記コイルと前記放電ギャップとが、多相交流の各相に対応する各電力線に対してそれぞれ備えられ、各過電流遮断器が、それぞれ他の過電流遮断器と所定の離隔距離をおいて設置されると好適である。送配電効率を考慮して、交流電力は、３相交流などの多相交流で送電されることが多い。この場合、本発明のサージ防護デバイス保護システムも３相の電力線にそれぞれ備えられると好ましい。この際、３相分のサージ防護デバイス保護システムが１つの筐体内に設置されるなど、小型に構成されると好ましい。しかし、各相のシステムの絶縁が不充分であると、相間短絡を生じる可能性がある。過電流遮断器が所定の離隔距離をおいて備えられることにより、相間短絡を生じる可能性を抑制することができる。尚、本発明に係るサージ防護デバイス保護システムにおいては、過電流遮断器にはサージ電流の多くは流入しない。従って、例えば雷サージを考慮した高い絶縁耐力を備えた離隔距離を設ける必要はない。このため、サージ防護デバイス保護システムを小型に構成することができる。例えば、送配電容量にあまり関係せず、２〜３種類の小型配線用遮断器（ＭＣＣＢ）を用いて当該システムを構築することも可能である。

また、上述したサージ防護デバイス保護システムと、前記サージ防護デバイスとを備えて、本発明に係るサージ防護システムが構成されると好適である。長期間に亘り高い信頼性をもって運用することができ、安価なシステム構成で、多くの設備に共通して良好に雷サージを含むサージから電気・電子機器を保護することができる。

サージ防護システムの構成を模試的に示す図 サージ防護システムの等価回路 サージ電流の時間的な変化を模式的に示す図 サージ印加時にサージ防護デバイスを流れる電流の試験結果を示す波形図 サージ印加時に放電ギャップを流れる電流の試験結果を示す波形図 ヒューズを用いたＳＰＤ保護回路の一例を示す図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、３相交流の商用電源の配電系統に本発明のサージ防護システム２０が適用された例を示している。ここでは、商用電源の配電系統は、１００Ｖ〜６００Ｖの低圧配電系統である（日本国においては、１００Ｖ、２００Ｖ及び４００Ｖが多い。）。図１に示すように、３相交流の電力線５は、主幹配線用遮断器（主幹ＭＣＣＢ：molded case circuit breaker）７を介して、電気・電子機器などの負荷機器９へ電力を供給する。主幹ＭＣＣＢ７は、配電設備容量及び負荷容量により、その大きさが決まり、２、３相一体型が一般的である。

図１に示すように、主幹ＭＣＣＢ７よりも配電元側において、３相各相の電力線５（５ａ，５ｂ，５ｃ）と大地との間にサージ防護デバイス（ＳＰＤ）１（１ａ，１ｂ，１ｃ）が備えられる。換言すれば、大地に対して設置されたサージ防護デバイス（ＳＰＤ）１（１ａ，１ｂ，１ｃ）が、各相の電力線５（５ａ，５ｂ，５ｃ）に接続される。各ＳＰＤ１と各電力線５との間には、本発明の過電流遮断器に相当する配線用遮断器（ＭＣＣＢ）２(２ａ，２ｂ，２ｃ)が設置される。各電力線５と各ＭＣＣＢ２との間には、それぞれコイル３（３ａ，３ｂ，３ｃ）が直列接続される。また、各コイル３及び各ＭＣＣＢ２により構成される各直列回路に対して、それぞれ放電ギャップ４（４ａ，４ｂ，４ｃ）が並列接続される。詳細は、後述するが、ＭＣＣＢ２、コイル３、放電ギャップ４により、本発明のサージ防護デバイス保護システム（ＳＰＤ保護システム）１０が構成される。また、ＳＰＤ１とＳＰＤ保護システム１０とにより、本発明のサージ防護システム２０が構成される。ＳＰＤ１には、酸化亜鉛素子型、放電管式、酸化亜鉛素子型と放電管式とを組み合わせた方式など、種々の方式のものがある。

本実施形態においては、ＭＣＣＢ２は、単極配線用遮断器である。また、ＭＣＣＢ２は、本実施形態では、主幹ＭＣＣＢ７と同等以下の容量の遮断器である。多相の配線用遮断器が一体化された、例えば３相一体型遮断器は、サージ防護システム２０の全体を小規模に構成する上では好ましいが、相間の絶縁破壊が発生し易い。従って、本実施形態においては、単極配線用遮断器を用いて、各ＭＣＣＢ２が適切に絶縁された状態でサージ防護システム２０を構成する。ＭＣＣＢ２は、所定の離隔距離ｄを確保して３相各相に配接される。離隔距離ｄが短すぎると、相間短絡が生じる可能性があり、離間距離ｄが長すぎると、サージ防護システム２０の規模が大きくなる。単純に、ＳＰＤ１に対して直列にＭＣＣＢ２が接続される場合、この離隔距離ｄは、ＳＰＤ１の絶縁電圧以上の絶縁耐力が確保できる長さとされる。しかし、本実施形態においては、後述するように、ＳＰＤ１に比べてＭＣＣＢ２には雷サージなどによるサージ電流が流れる量が少ない。従って、離隔距離ｄは、最大でもＳＰＤ１の絶縁電圧における絶縁耐力が確保できる長さで充分である。逆に、ＳＰＤ１の絶縁電圧に準じた絶縁耐力を有する一般的な離隔距離ｄが確保された場合には、相関短絡を生じる可能性を非常に低下させることができ、信頼性の高いシステムが構築される。

以下、ＳＰＤ保護システム１０を含むサージ防護システム２０の動作について説明する。図１のＡ点に、雷サージ（直撃雷）が侵入したものとする。インパルス性の雷サージは、発生の初期には数１００ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの高い周波数成分を有している。このため、高周波数に対して高インピーダンスとなるコイル（インダクタ）３により、サージ電流（雷サージ電流）がＭＣＣＢ２へ流入することが妨害される。一方、放電ギャップ４は、一種のコンデンサ（キャパシタ）であるから、高周波数に対しては低インピーダンスとなり、サージ電流は放電ギャップ４の側へ流れこむ。放電ギャップ４を経由したサージ電流は、ＳＰＤ１に印加される。サージ電流が上昇すると、ＳＰＤ１が作動して、ＳＰＤ１の入出力間が短絡状態となる。そして、サージ電流によって放電状態となった放電ギャップ４、及びＳＰＤ１を介して、サージ電流の大部分が大地へ放流される。一方、上述したように、ＭＣＣＢ２に対しては、高インピーダンスとなるコイル３によってサージ電流はほとんど流入しない。従って、ＭＣＣＢ２は、トリップ（過電流による遮断動作）することなく、通常の動作状態が維持される。

図２の等価回路に示すように、コイル３及びＭＣＣＢ２の直列回路のインピーダンスをＺ２、放電ギャップ４を含んでこの直列回路に並列接続される回路のインピーダンスをＺ１とし、それぞれＺ１及びＺ２を流れる電流をＩ１及びＩ２とする。サージ電流Ｉは、
Ｉ１ ＝ Ｚ２ × （Ｉ／（Ｚ１ ＋ Ｚ２））
Ｉ２ ＝ Ｚ１ × （Ｉ／（Ｚ１ ＋ Ｚ２））
の関係により、それぞれの回路のインピーダンスＺ１，Ｚ２に逆比例して分流する。インピーダンスＺ２の大部分はコイル３のリアクタンスである。従って、ＭＣＣＢ２に流れるサージ電流Ｉ２が、ＭＣＣＢ２の遮断電流以下に抑制されるようにコイル３のリアクタンスを決定すると、サージ電流Ｉが継続している間、ＭＣＣＢ２を実質的に切り離し、不動作とすることができる。

図３に示すように、時刻ｔ０で発生した直撃雷サージによるサージ電流Ｉは短時間でほぼ終息し、ＳＰＤ１通電後は、商用電源から供給される続流が流れ始めることになる。この続流は、数１００ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの雷サージの周波数成分に対して、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚと低周波数であるから、コイル３のインピーダンスは低くなり、概ね、サージ電流Ｉ発生時の１／１０００以下となる。従って、コイル３を経由してＭＣＣＢ２に大きな続流が流れることとなる。一方、放電ギャップ４は、商用電源の交流電圧がゼロ電圧となる時点で放電を停止する。続流は、低周波数に対して高インピーダンスとなる容量性負荷の放電ギャップ４により遮断され、続流のほぼ全量がＭＣＣＢ２を経由してＳＰＤ１へ流れることとなる。ＭＣＣＢ２は、続流に対してトリップ（過電流による遮断動作）し、ＳＰＤ１及び配電設備を保護する。

以下、ＳＰＤ保護システム１０を含むサージ防護システム２０の回路構成部品について、具体的な数値例を用いた試算例を示す。直撃雷サージは、図３に示すように、ピークまでの立ち上がり時間（フロント時間）１０μｓ、サージ波形の半値までの時間３５０μｓ、サージ電流のピーク値２５ｋＡ（以下、「１０／３５０μｓ，２５ｋＡ」と示す。）の標準試験値とした。この標準試験値は、ＩＥＣ６２３０５−１：２００６ ＡｎｎｅｘＢに示される理論雷電流式に基づき、実際に発明者らが試験を実施した試験機で採用した値であり、ＪＩＳＣ５３８１−１に基づくピーク値２５ｋＡを採用したものである。サージ電流の主要周波数は、約１４〜１５ｋＨｚとなる。サージ終息後の周波数は、商用電源の周波数である５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである。また、ＳＰＤ保護システム１０の直並列回路の分岐点Ｂから放電ギャップ４を介して分岐点（合流点）Ｃに至る電線距離を０．２ｍ以内として、インピーダンスＺ１に含まれるリアクタンスＬ１を０．２μＨとする。上記分岐点Ｂからコイル３及びＭＣＣＢ２を介して分岐点Ｃに至る経路のインピーダンスＺ２に含まれるリアクタンスＬ２は、１７μＨ以下とする。ＭＣＣＢ２のリアクタンスは約０．２μＨであり、配線のリアクタンスを考慮しても、リアクタンスＬ２は、ほぼコイル３のインダクタンスで決定される。

図２の等価回路を用いて上述したように、
Ｉ１ ＝ Ｚ２ × （Ｉ／（Ｚ１ ＋ Ｚ２））
Ｉ２ ＝ Ｚ１ × （Ｉ／（Ｚ１ ＋ Ｚ２））
であり、
Ｚ１ ≦ ２π×１５×１０³×０．２×１０^-6≒１．８８×１０^-2［Ω］
Ｚ２ ≦ ２π×１５×１０³×１７×１０^-6≒４４．２７×１０^-2［Ω］
であるから、
Ｉ１ ≒ ２４．７［ｋＡ］
Ｉ２ ≒ ０．３［ｋＡ］
となる。

ＭＣＣＢ２において、電流を遮断するために電極を開放する動作を引き外しと称する。本実施形態のＭＣＣＢ２では、瞬時引き外し電流が定格電流（５０Ａ）の１０〜１５倍であり、５００〜７５０Ａであるとする。また、瞬時引き外し電流は、周波数が上昇すると大きくなることが知られている。ＭＣＣＢのサプライヤーによると、周波数が６０Ｈｚから４００Ｈｚに上昇すると、瞬時引き外し電流が約２倍に上昇することが教示されている。上述したように、Ｉ２は、０．３ｋＡ＝３００Ａであり、周波数特性を考慮するまでもなく、引き外し電流未満の値である。さらに、周波数特性を考慮して、例えば引き外し電流が２〜４倍に上昇するとすれば、確実に引き外し電流未満の値である。従って、サージ電流が継続している間には、ＭＣＣＢ２は、トリップ（過電流による遮断動作）することはない。

図４及び図５は、上述した回路のパラメータを用いて、サージ試験を行った結果を示している。上述したインパルス電流（１０／３５０μＳ，２５０ｋＡ）を、低圧配電系の商用電源（２００Ｖ，６０Ｈｚ）のピーク時に印加した。図４は、ＳＰＤ１を流れる電流を示しており、図５は、放電ギャップ４を流れる電流を示している。図４に示すように、ＳＰＤ１には、２５ｋＡのインパルス電流（サージ電流）が流れた後、５００Ａの商用周波数の続流電流が観測された。一方、図５に示すように、放電ギャップ４には、２２．５ｋＡのインパルス電流（サージ電流）が流れるが、印加されたサージが終息した後には、商用周波数の続流電流は観測されない。

図５に示された２２．５ｋＡの電流は、上述したＩ１に相当し、ほぼ期待通りの結果が得られた。つまり、サージ電流２５ｋＡの９０％は、放電ギャップ４を介してＳＰＤ１に導かれ、ＭＣＣＢ２には残りの１０％の２．５ｋＡの電流が流れることになる。この２．５ｋＡの電流は、上述したＩ２に相当する。周波数の上昇により瞬時引き外し電流が上昇することを考慮して、例えば２〜４倍に上昇するとすれば、引き外し電流は２〜３ｋＡ程度となるから、引き外し電流未満の値となる。当然ながら、コイル３のインダクタンスを大きくすれば、ＭＣＣＢ２に流れるサージ電流Ｉ２はさらに削減可能である。一方、商用周波数の続流電流は、放電ギャップ４では全く観測されず、全てがＭＣＣＢ２を経由してＳＰＤ１に流れている。本試験では、商用電源のピーク時にサージを印加しているので、サージ印加後、商用周波数の１／４周期で商用電源の交流電圧がゼロとなり、放電ギャップ４がアーク放電を終了する（消弧する）。従って、ＭＣＣＢ２の単体の機能により、必要に応じてトリップ（過電流による遮断動作）することによって、ＳＰＤ１に流入する続流を遮断することができる。

尚、上記実施形態においては、図１に例示したように３相の配電システムを例として説明したが、当然ながら、単相の配電システムにおいても、本発明を適用することが可能である。また、上記実施形態においては、本発明の過電流遮断器として、配線用遮断器（ＭＣＣＢ）を例として説明した。しかし、過電流遮断器としてヒューズを利用してもよい。ヒューズは、電流が流れることによって劣化していくが、上述したように、過電流遮断器にはサージ電流がほとんど流れないから、ヒューズの劣化は大幅に抑制される。その結果、ヒューズの点検や交換などの保守コストも大幅に削減される。ヒューズは、配線用遮断器（ＭＣＣＢ）に比べて安価であるから、高い信頼性を有し、保守コストが低減された安価なシステムを構築することが可能となる。尚、サージ防護デバイスには、避雷器、アレスタも含まれる。

本発明は、配電設備において、雷サージを含むサージを防護するサージ防護システムに適用することができる。また、雷サージに関しては、誘導雷サージに留まらず、直撃雷サージに対しても良好に防護することができるサージ防護システム（雷サージ防護システム）に適用することができる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ：サージ防護デバイス
２，２ａ，２ｂ，２ｃ：配線用遮断器（過電流遮断器）
３，３ａ，３ｂ，３ｃ：コイル
４，４ａ，４ｂ，４ｃ：放電ギャップ
５，５ａ，５ｂ，５ｃ：電力線
１０：サージ防護デバイス保護システム
２０：サージ防護システム
ｄ：離隔距離

Claims (5)

1. 商用電力を伝送する電力線と大地との間に設置されたサージ防護デバイスと前記電力線との間に設置されて、過電流に応じて前記電力線と前記サージ防護デバイスとの接続を遮断可能な過電流遮断器と、
   前記電力線と前記過電流遮断器との間に直列接続されるコイルと、
   前記コイル及び前記過電流遮断器の直列回路に対して並列接続される放電ギャップと、を備えるサージ防護デバイス保護システム。
2. 前記過電流遮断器は、前記電力線から電力を供給される負荷機器と前記電力線との間に配接される主幹配線用遮断器の容量以下の容量を有する請求項１に記載のサージ防護デバイス保護システム。
3. 前記過電流遮断器は、開閉器を備えた配線用遮断器である請求項１又は２に記載のサージ防護デバイス保護システム。
4. 前記電力線は、多相交流を伝送する複数の電力線であり、前記過電流遮断器と前記コイルと前記放電ギャップとは、多相交流の各相に対応する各電力線にそれぞれ備えられ、各過電流遮断器は、それぞれ他の過電流遮断器と所定の離隔距離をおいて設置される請求項１〜３の何れか一項に記載のサージ防護デバイス保護システム。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のサージ防護デバイス保護システムと、前記サージ防護デバイスとを備えたサージ防護システム。

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