JP4977003B2 - 回路遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、回路遮断器に関し、特に直流配電システムに使用される回路遮断器に関するものである。

従来、電力系統（商用電力系統）から供給される交流電力を交流／直流変換した直流電力を屋内に配電する直流配電システムが提供されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されている直流配電システムでは、交流／直流変換装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）や二次電池の他、交流／直流変換装置又は二次電池から出力される直流電圧を所望レベルの直流電圧に変換する直流／直流変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を、分岐開閉器と同形態の絶縁性容器に収納したものが分電盤に内装されていた。
特開２００５−２２４０６６号公報（図６、段落００２８）

ところで、上記従来例では直流電力系統の直流電圧を直流／直流変換装置で所望レベルまで昇圧して負荷に給電しているため、全ての負荷で消費される電力の合計よりも高い容量が必要であった。そのために直流／直流変換装置における損失の影響が相対的に大きくなってシステム全体の効率が低下してしまうという問題や直流／直流変換装置が大型化することで分電盤内における分岐開閉器の設置スペースが減少するといった問題があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、分電盤内における設置スペースの減少を抑えつつ直流／直流変換手段における損失の影響による直流配電システム全体の効率低下を抑えることができる回路遮断器を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、直流電圧が印加される一次側端子と、負荷に接続される二次側端子と、一次側端子と二次側端子を繋ぐ電路に設けられた主接点と、主接点を開閉する開閉機構と、電路に過電流が流れたときに開閉機構を釈放して主接点を開放させる引き外し手段と、一次側端子に入力端子が並列接続され当該入力端子に入力される直流電圧を所望レベルの直流電圧に変換し二次側端子に直列接続された出力端子より出力する降圧型の直流／直流変換手段と、直流／直流変換手段の入力電圧を監視して当該入力電圧が所定のしきい値以上の場合に直流／直流変換手段を停止する制御手段と、直流／直流変換手段の出力端子に並列接続され直流／直流変換手段が停止しているときに導通するバイパス回路とを備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、直流電力系統の直流電圧に直流／直流変換手段が出力する直流電圧が重畳されて負荷に給電されるため、直流電力系統の直流電圧を直流／直流変換手段で所望レベルまで昇圧して負荷に給電する場合と比べて直流／直流変換手段に必要な電力容量が少なくなり、負荷電力は主にバイパス回路を通して供給されるため、直流／直流変換手段での損失を低減することができる。その結果、直流／直流変換手段の小型化によって分電盤内における設置スペースの減少を抑えつつ直流／直流変換手段における損失の影響による直流配電システム全体の効率低下を抑えることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、バイパス回路は、直流／直流変換手段の低電位側の出力端子にアノードが接続されるとともに直流／直流変換手段の高電位側の出力端子にカソードが接続されたダイオードからなることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、バイパス回路の構成が簡素化できるとともにバイパス回路の電源が不要であるから直流配電システム全体の効率低下をさらに抑えることができる。

本発明によれば、分電盤内における設置スペースの減少を抑えつつ直流／直流変換手段における損失の影響による直流配電システム全体の効率低下を抑えることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。ここで、本実施形態の回路遮断器を分岐開閉器ＳＢ２として用いる直流配電システムの一例を図２に示す。

この直流配電システムは、図２に示すように電力系統（商用電力系統）ＡＣに接続される主開閉器ＭＢ、主開閉器ＭＢを介して分岐された複数の分岐路に接続される複数の分岐開閉器ＳＢ１、主開閉器ＭＢを介して電力系統ＡＣから供給される交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換装置ＡＤを内部に収納した主分電盤ＰＢ１と、配電路Ｌｐを介して交流／直流変換装置ＡＤの出力側に分岐接続された複数の分岐開閉器ＳＢ２，…を内部に収納した複数の分散分電盤ＰＢ２₁，ＰＢ２₂，…とを備えている。

主分電盤ＰＢ１は、例えば、一般的な交流配電用の住宅分電盤における内器のスペース（例えば、リミッタスペース）に交流／直流変換装置ＡＤを収納して構成されるものであり、複数の分岐開閉器ＳＢ１を介して分岐されている分岐回路には１００ボルト又は２００ボルトの交流電力が配電される。

交流／直流変換装置ＡＤは、昇圧、降圧又は昇降圧型のコンバータ回路からなり、１００ボルト又は２００ボルトの交流電力を所望レベル（例えば、２４ボルト）の直流電力に変換するものである。但し、このような交流／直流変換装置ＡＤについては従来周知であるから詳細な構成についての図示並びに説明を省略する。

次に、本発明に係る回路遮断器（分岐開閉器ＳＢ２）について説明する。

本実施形態の回路遮断器は、図１に示すように直流電圧が印加される一次側端子１と、負荷に接続される二次側端子２と、一次側端子１と二次側端子２を繋ぐ電路に設けられた一対の主接点３と、これら一対の主接点３を開閉する開閉機構４と、電路に過電流（過負荷電流や短絡電流）が流れたときに開閉機構４を釈放して主接点３を開放させる引き外し部５と、一次側端子１に入力端子Ｔ１，Ｔ１が並列接続され当該入力端子Ｔ１，Ｔ１に入力される直流電圧Ｖ１を所望レベルの直流電圧Ｖ２に変換し二次側端子２に直列接続された出力端子Ｔ２，Ｔ２より出力する降圧型の直流／直流変換部６と、直流／直流変換部６の出力端子Ｔ２，Ｔ２と並列接続されたダイオードからなるバイパス回路７と、直流／直流変換部６の動作を入切制御する制御手段８と、これらの構成要素を収納した絶縁性の容器（図示せず）とを備えている。

開閉機構４は容器の外に露出する操作ハンドル（図示せず）の手動操作によって主接点３を開放・投入するとともに、引き外し部５によって釈放されることで自動的に主接点３を開放するものである。引き外し部５は、電路に流れる過電流を検出して開閉機構４を釈放するものである。但し、このような開閉機構４並びに引き外し部５は従来周知であるから詳細な構造についての図示並びに説明を省略する。

直流／直流変換部６は、フライバックトランスＴ、ダイオードＤ、平滑コンデンサＣ０、スイッチング素子Ｑを有する従来周知のフライバックコンバータ回路からなり、駆動回路６ａによってスイッチング素子Ｑを高周波でスイッチングすることにより入力電圧Ｖ１よりも低い所望レベルの出力電圧Ｖ２を生成するものである。ここで、電路には出力端子Ｔ２，Ｔ２と並列に平滑コンデンサＣ１が接続されており、平滑コンデンサＣ１の両端電圧Ｖ１に直流／直流変換部６の出力電圧Ｖ２が重畳されることでＶ１＋Ｖ２の直流電圧が二次側端子２に印加されることになる。尚、直流／直流変換部６が停止している場合、バイパス回路７が導通することで直流／直流変換部６の出力端子Ｔ２，Ｔ２間がバイパスされて二次側端子２には一次側端子１に印加された直流電圧Ｖ１がそのまま印加されることになる。

制御手段８は、直流／直流変換部６の出力電圧Ｖ１＋Ｖ２と基準電圧Ｖｒとの差に応じた信号を出力するアンプＡＰと、一次側端子１に印加される直流電圧（入力電圧）Ｖ１を所定のしきい値電圧Ｖthと比較するコンパレータＣＰと、制御信号（ＰＷＭ信号）を伝送することでアンプＡＰの出力信号がほぼゼロとなるように駆動回路６ａを介してスイッチング素子ＱをＰＷＭ制御するとともにコンパレータＣＰの出力に応じて駆動回路６ａの動作をオン・オフする制御回路８ａとを備えている。ここで、負荷に必要な電圧が、例えば２４ボルトであるとした場合、基準電圧Ｖｒは前記電圧である２４ボルトに設定され、しきい値電圧Ｖthは前記電圧よりも低い値、例えば、２０ボルトに設定される。故に、コンパレータＣＰからは入力電圧Ｖ１がしきい値電圧Ｖth以上であればハイレベルの信号が出力され、入力電圧Ｖ１がしきい値電圧Ｖth未満であればローレベルの信号が出力される。

制御回路８ａでは、コンパレータＣＰからローレベルの信号が出力されているときは駆動回路６ａにＰＷＭ信号を出力することで直流／直流変換部６を動作させてアンプＡＰの出力をゼロとするようにＰＷＭ制御を行い、コンパレータＣＰからハイレベルの信号が出力されているときは駆動回路６ａにＰＷＭ信号を出力しないことで直流／直流変換部６を停止させる。

ここで、交流／直流変換装置ＡＤから分散分電盤ＰＢ２_nの各分岐開閉器ＳＢ２に至る配電路Ｌｐの配線長に応じて直流／直流変換部６の入力電圧Ｖ１の低下度合が変化し、さらに、負荷の消費電力が大きくなるにつれて配電路Ｌｐに流れる電流量が増大するとともに配電路Ｌｐにおける電圧降下も大きくなる。しかしながら、負荷における電力消費が多い（重負荷）ことなどによって配電路Ｌｐにおける電圧降下が大きい場合、直流／直流変換部６の入力電圧Ｖ１がしきい値電圧Ｖthを下回るためにコンパレータＣＰの出力がローレベルとなり、制御回路８ａが直流／直流変換部６を動作させることで負荷には入力電圧Ｖ１を降圧した出力電圧Ｖ２が重畳されることになる。一方、負荷における電力消費が少ない（軽負荷）ことなどによって配電路Ｌｐにおける電圧降下が小さい場合、直流／直流変換部６の入力電圧Ｖ１がしきい値電圧Ｖth以上となるためにコンパレータＣＰの出力がハイレベルとなり、制御回路８ａが駆動回路６ａにＰＷＭ信号を出力しないことで直流／直流変換部６を停止させる。

而して、一次側端子１に入力される直流電力系統の直流電圧Ｖ１に直流／直流変換部６が出力する直流電圧Ｖ２が重畳されて二次側端子２より負荷に給電されるため、直流電力系統の直流電圧Ｖ１を昇圧型の直流／直流変換装置で所望レベルまで昇圧して負荷に給電する場合と比べて、降圧型の直流／直流変換部６に必要な電力容量が少なくなり、負荷電力が主にバイパス回路７を通して供給されるために直流／直流変換部６での損失が低減される。その結果、直流／直流変換部６における損失の影響による直流配電システム全体の効率低下を抑えることができるとともに直流／直流変換部６を小型化することで分電盤内における分岐開閉器の設置スペースの減少を防ぐことができる。しかも、制御手段８によって直流／直流変換部６の動作を入／切制御しているから、必要なときにだけ直流／直流変換部６を動作させ不要なときには直流／直流変換部６を停止することで、直流／直流変換部６における損失の影響による直流配電システム全体の効率低下をさらに抑えることができる。尚、本実施形態ではバイパス回路７をダイオードで構成しており、バイパス回路７の構成が簡素化できるとともにバイパス回路７の電源が不要であるから直流配電システム全体の効率低下をさらに抑えることができるという利点がある。

ここで、本実施形態の回路遮断器を用いた直流配電システムの他のシステム構成例を図３に示す。当該システムは、戸建て住宅や集合住宅などの種々の住宅Ｈに適用されるものである。この住宅Ｈには、直流電力を出力する直流電力供給部１０１と、直流電力により駆動される負荷としての直流機器１０２とが設けられ、直流電力供給部１０１の出力端部に接続した直流供給線路Ｗｄｃを通して直流機器１０２に直流電力が供給される。そして、直流電力供給部１０１と直流機器１０２との間に、本実施形態の回路遮断器（以下では「直流ブレーカ」と呼ぶ。）１１４が設けられる。

直流供給線路Ｗｄｃは、直流電力の給電路であるとともに通信路としても兼用されており、高周波の搬送波を用いてデータを伝送する通信信号を直流電圧に重畳することにより直流供給線路Ｗｄｃに接続された機器間での通信を可能にしている。この技術は、交流電力を供給する電力線において交流電圧に通信信号を重畳させる電力線搬送技術と類似した技術である。

直流供給線路Ｗｄｃは、直流電力供給部１０１を介して宅内サーバ１１６に接続される。宅内サーバ１１６は、宅内の通信網（以下、「宅内網」という）を構築する主装置であり、宅内網において直流機器１０２が構築するサブシステムなどと通信を行う。

図示例では、サブシステムとして、パーソナルコンピュータ、無線アクセスポイント、ルータ、ＩＰ電話機のような情報系の直流機器１０２からなる情報機器システムＫ１０１、照明器具のような照明系の直流機器１０２からなる照明システムＫ１０２，Ｋ１０５、来客対応や侵入者の監視などを行う直流機器１０２からなるインターホンシステムＫ１０３、火災感知器のような警報系の直流機器１０２からなる住警器システムＫ１０４などがある。各サブシステムは、自立分散システムを構成しており、サブシステム単独でも動作が可能になっている。

上述した直流ブレーカ１１４は、サブシステムに関連付けて設けられており、図示例では、情報機器システムＫ１０１、照明システムＫ１０２およびインターホンシステムＫ１０３、住警器システムＫ１０４、照明システムＫ１０５に関連付けて４つの直流ブレーカ１１４を設けている。１つの直流ブレーカ１１４に複数個のサブシステムを関連付ける場合には、サブシステムごとに直流供給線路Ｗｄｃの系統を分割する接続ボックス１２１が設けられる。図示例においては、照明システムＫ１０２とインターホンシステムＫ１０３との間に接続ボックス１２１が設けられている。

情報機器システムＫ１０１としては、壁コンセントあるいは床コンセントの形態で住宅Ｈに先行配置（住宅Ｈの建築時に施工）される直流コンセント１３１に接続される直流機器１０２からなる情報機器システムＫ１０１が設けられる。

照明システムＫ１０２、Ｋ１０５としては、住宅Ｈに先行配置される照明器具（直流機器１０２）からなる照明システムＫ１０２と、天井に先行配置される引掛シーリング１３２に接続する照明器具（直流機器１０２）からなる照明システムＫ１０５とが設けられる。引掛シーリング１３２には、住宅Ｈの内装施工時に施工業者が照明器具を取り付けるか、または家人自身が照明器具を取り付ける。

照明システムＫ１０２を構成する直流機器１０２である照明器具に対する制御の指示は、赤外線リモコン装置を用いて与えるほか、直流供給線路Ｗｄｃに接続されたスイッチ１４１から通信信号を用いて与えることができる。すなわち、スイッチ１４１は直流機器１０２とともに通信の機能を有している。また、スイッチ１４１の操作によらず、宅内網の別の直流機器１０２あるいは宅内サーバ１１６から通信信号により制御の指示がなされることもある。照明器具への指示には、点灯、消灯、調光、点滅点灯などがある。

上述した直流コンセント１３１、引掛シーリング１３２には、任意の直流機器１０２を接続することができ、接続された直流機器１０２に直流電力を出力するから、以下では直流コンセント１３１、引掛シーリング１３２を区別する必要がない場合には「直流アウトレット」と呼ぶ。

これらの直流アウトレットは、直流機器１０２に直接設けた接触子（図示せず）または接続線を介して設けた接触子（図示せず）が差し込まれる差込式の接続口が器体に開口し、接続口に差し込まれた接触子に直接接触する接触子受けが器体に保持された構造を有している。すなわち、直流アウトレットは接触式で給電を行う。直流アウトレットに接続された直流機器１０２が通信機能を有する場合には、直流供給線路Ｗｄｃを通して通信信号を伝送することが可能になる。直流機器１０２だけではなく直流アウトレットにも通信機能が設けられている。

宅内サーバ１１６は、宅内網に接続されるだけではなく、インターネットを構築する広域網ＮＴに接続される接続口を有している。宅内サーバ１１６が広域網ＮＴに接続されている場合には、広域網ＮＴに接続されたコンピュータサーバであるセンタサーバ２００によるサービスを享受することができる。

センタサーバ２００が提供するサービスには、広域網ＮＴを通して宅内網に接続された機器（主として直流機器１０２であるが通信機能を有した他の機器も含む）の監視や制御を可能にするサービスがある。このサービスにより、パーソナルコンピュータ、インターネットＴＶ、移動体電話機などのブラウザ機能を備える通信端末（図示せず）を用いて宅内網に接続された機器の監視や制御が可能になる。

宅内サーバ１１６は、広域網ＮＴに接続されたセンタサーバ２００との間の通信と、宅内網に接続された機器との間の通信との両方の機能を備え、宅内網の機器に関する識別情報（ここでは、ＩＰアドレスを用いるものとする）の取得の機能を備える。

宅内サーバ１１６は、センタサーバ２００との通信機能を用いることにより、広域網ＮＴに接続された通信端末からセンタサーバ２００を通して宅内の機器の監視や制御を可能にする。センタサーバ２００は、宅内の機器と広域網ＮＴ上の通信端末とを仲介する。

通信端末から宅内の機器の監視や制御を行う場合は、監視や制御の要求をセンタサーバ２００に記憶させ、宅内の機器は定期的に片方向のポーリング通信を行うことにより、通信端末からの監視や制御の要求を受信する。この動作により、通信端末から宅内の機器の監視や制御が可能になる。

また、宅内の機器において火災検知など通信端末に通知すべきイベントが生じたときには、宅内の機器からセンタサーバ２００に通知し、センタサーバ２００から通信端末に対して電子メールによる通知を行う。

宅内サーバ１１６における宅内網との通信機能のうち重要な機能は、宅内網を構成する機器の検出と管理である。宅内サーバ１１６では、ＵＰｎＰ（Universal Plug and Play）を応用して宅内網に接続された機器を自動的に検出する。宅内サーバ１１６はブラウザ機能を有する表示器１１７を備え、検出した機器の一覧を表示器１１７に表示する。この表示器１１７はタッチパネル式もしくは操作部が付設された構成を有し、表示器１１７の画面に表示された選択肢から所望の内容を選択する操作が可能になっている。したがって、宅内サーバ１１６の利用者（施工業者あるいは家人）は、表示器１１７の画面上で機器の監視ないし制御が可能になる。表示器１１７は宅内サーバ１１６とは分離して設けてもよい。

宅内サーバ１１６では、機器の接続に関する情報を管理しており、宅内網に接続された機器の種類や機能とアドレスとを把握する。したがって、宅内網の機器を連動動作させることができる。機器の接続に関する情報は上述のように自動的に検出されるが、機器を連動動作させるには、機器自身が保有する属性により自動的に関係付けを行うほか、宅内サーバ１１６にパーソナルコンピュータのような情報端末を接続し、情報端末のブラウザ機能を利用して機器の関係付けを行うこともできる。

機器の連動動作の関係は各機器がそれぞれ保持する。したがって、機器は宅内サーバ１１６を通すことなく連動動作することができる。各機器について、連動動作の関係付けを行うことにより、たとえば、機器であるスイッチの操作により、機器である照明器具の点灯あるいは消灯の動作を行うことが可能になる。また、連動動作の関係付けはサブシステム内で行うことが多いが、サブシステムを超える関係付けも可能である。

ところで、直流電力供給部１０１は、基本的には、商用電源のように宅外から供給される交流電源（商用電力系統）ＡＣの電力変換により直流電力を生成する。図示する構成では、交流電源ＡＣは、分電盤１１０に内器として取り付けられた主幹ブレーカ（主開閉器）１１１を通して、スイッチング電源を含むＡＣ／ＤＣコンバータ１１２に入力される。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２から出力される直流電力は、協調制御部１１３を通して各直流ブレーカ１１４に接続される。

直流電力供給部１０１には、交流電源ＡＣから電力が供給されない期間（たとえば、商用電源ＡＣの停電期間）に備えて二次電池１６２が設けられている。また、直流電力を生成する太陽電池１６１や燃料電池１６３を併用することも可能になっている。交流電源ＡＣから直流電力を生成するＡＣ／ＤＣコンバータ１１２を備える主電源に対して、太陽電池１６１や二次電池１６２や燃料電池１６３は分散電源になる。なお、図示例において、太陽電池１６１、二次電池１６２、燃料電池１６３は出力電圧を制御する回路部を含み、二次電池１６２は放電だけではなく充電を制御する回路部も含んでいる。

分散電源のうち太陽電池１６１や燃料電池１６３は必ずしも設けなくてもよいが、二次電池１６２は設けるのが望ましい。二次電池１６２は主電源や他の分散電源により適時充電され、二次電池１６２の放電は、交流電源ＡＣから電力が供給されない期間だけではなく必要に応じて適時に行われる。二次電池１６２の充放電や主電源と分散電源との協調は、協調制御部１１３により行われる。すなわち、協調制御部１１３は、直流電力供給部１０１を構成する主電源および分散電源から直流機器１０２への電力の配分を制御する直流電力制御部として機能する。なお、太陽電池１６１、二次電池１６２、燃料電池１６３の出力を交流電力に変換し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２の入力電力として用いる構成を採用してもよい。

直流ブレーカ１１４、すなわち、本実施形態の回路遮断器は直流／直流変換部６を具備しているから、機器に応じた複数種類の電圧から選択される任意の直流電圧を直流機器１０２に給電することができる。

上述の構成例では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２を１個だけ図示しているが、複数個のＡＣ／ＤＣコンバータ１１２を並設することが可能であり、複数個のＡＣ／ＤＣコンバータ１１２を設けるときには、負荷の大きさに応じて運転するＡＣ／ＤＣコンバータ１１２の台数を増減させるのが望ましい。

上述したＡＣ／ＤＣコンバータ１１２、協調制御部１１３、直流ブレーカ１１４、太陽電池１６１、二次電池１６２、燃料電池１６３には通信機能が設けられており、主電源および分散電源や直流機器１０２を含む負荷の状態に対処する連携動作を行うことを可能にしている。この通信に用いる通信信号は、直流機器２に用いる通信信号と同様に直流電圧に重畳する形式で伝送する。

上述の例では主幹ブレーカ１１１から出力された交流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ１１２により直流電力に変換するために、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２を分電盤１１０内に配置しているが、主幹ブレーカ１１１の出力側において分電盤１１０内に設けた分岐ブレーカ（図示せず）で交流供給線路を複数系統に分岐し、各系統の交流供給線路にＡＣ／ＤＣコンバータを設けて系統ごとに直流電力に変換する構成を採用してもよい。

この場合、住宅Ｈの各階や各部屋を単位として直流電力供給部１０１を設けることができるから、直流電力供給部１０１を系統別に管理することができ、しかも、直流電力を利用する直流機器１０２との間の直流供給線路Ｗｄｃの距離が小さくなるから、直流供給線路Ｗｄｃでの電圧降下による電力損失を低減させることができる。また、主幹ブレーカ１１１および分岐ブレーカを分電盤１１０に収納し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２と協調制御部１１３と直流ブレーカ１１４と宅内サーバ１１６とを分電盤１１０とは別の盤に収納してもよい。

本発明の実施形態を示す要部のブロック図である。 同上を用いた直流配電システムのシステム構成図である。 同上を用いた他の直流配電システムのシステム構成図である。

符号の説明

１ 一次側端子
２ 二次側端子
３ 主接点
４ 開閉機構
５ 引き外し部（引き外し手段）
６ 直流／直流変換部
７ バイパス回路
８ 制御手段

Claims (2)

1. 直流電圧が印加される一次側端子と、負荷に接続される二次側端子と、一次側端子と二次側端子を繋ぐ電路に設けられた主接点と、主接点を開閉する開閉機構と、電路に過電流が流れたときに開閉機構を釈放して主接点を開放させる引き外し手段と、一次側端子に入力端子が並列接続され当該入力端子に入力される直流電圧を所望レベルの直流電圧に変換し二次側端子に直列接続された出力端子より出力する降圧型の直流／直流変換手段と、直流／直流変換手段の入力電圧を監視して当該入力電圧が所定のしきい値以上の場合に直流／直流変換手段を停止する制御手段と、直流／直流変換手段の出力端子に並列接続され直流／直流変換手段が停止しているときに導通するバイパス回路とを備えたことを特徴とする回路遮断器。
2. バイパス回路は、直流／直流変換手段の低電位側の出力端子にアノードが接続されるとともに直流／直流変換手段の高電位側の出力端子にカソードが接続されたダイオードからなることを特徴とする請求項１記載の回路遮断器。

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