JP5135442B2 - ガス絶縁開閉装置 - Google Patents
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Description
このため、従来の開閉器では、例えば日本の特許公開公報2002−245909号(特許文献1)に記載のように、接地側に金属製レバーやギヤを用いてその回転運動を直線運動に変換してから絶縁操作ロッドを介して可動子を駆動する構造、又は例えば日本の特許公開公報2008−176942号(特許文献2)及び日本の特許公開公報平成8−298040号(特許文献3)に記載のように、絶縁操作ロッドの円弧運動を可動子との接触連結を利用して直線運動に変換する構造が、異物発生抑制に優れたものとして提案されている。
特に、後者の絶縁操作ロッドの円弧運動を用いた構造は、部品点数の削減や小形化を図りやすい特徴を有している。この種の構成における絶縁操作ロッドとしては、その素材としてガラス繊維を主体とした所謂繊維強化プラスチック(FRP)が一般的に用いられ、機械強度が高く、比較的低コストである。
しかし、FRPは製造時にホローファイバーが使用する樹脂の中に混入すると、絶縁操作ロッドの絶縁耐力が著しく低下することや、分解ガスによってガラス繊維が侵されるため経年劣化により絶縁耐力が低下するため、ホローファイバーレスFRPの実現やコーティング技術の向上により課題を解決している。
しかしながら、従来のガス絶縁開閉装置では、上述した絶縁操作ロッドの円弧運動を用いた構造の場合、FRP製の絶縁操作ロッドと高圧電極或いは接地電極との間には微小ギャップができてしまうため、電界が集中して絶縁の弱点となり易くなる。これを改善するため、一般的には微小ギャップ部の周りを電界緩和用シールドで覆うことが考えられるが、この電界緩和シールドが開閉器全体としての小形化の妨げになってしまうという問題があった。
本発明の目的は、小形でかつ部品点数を低減することができるようにしたガス絶縁開閉装置を提供することである。
好ましくは、前記絶縁操作ロッドは他端側に接触面を形成し、前記接触面を前記可動子に接触連結すると共に、前記接触面は開閉動作時における前記可動子の中心軸線上のほぼ一点で接触するように形成したことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
また好ましくは、前記回転軸の軸方向中間部の径大部は、絶縁ロッドの軸方向には径大で幅方向に径小の楕円形状に形成したことを特徴とする。
更に好ましくは、前記樹脂の素材としてはエポキシ樹脂又はフェノール樹脂のいずれかを用いたことを特徴とする。
また更に好ましくは、前記樹脂に充填するフィラーとしてアルミナ又はシリカのいずれかを用いたことを特徴とする。
発明の効果
本発明によるガス絶縁開閉装置によれば、樹脂に充填したフィラーによる耐摩耗性の向上のみならず、補強効果の向上、残留応力の低減により、機械的強度を大幅に向上させ、従来のFRP製の絶縁操作ロッドに比べて絶縁耐力の向上を図ることができ、絶縁信頼性を確保しながらガス絶縁開閉装置の小形化及び部品点数の削減を図ることができる。
その上、絶縁操作ロッドの一端側に、フィラーを充填した樹脂で一体注型する回転軸の軸方向中間部の径大部は、この断面形状を楕円形に形成すると、絶縁操作ロッドの絶縁耐力をより一層の向上させることができる。
また、絶縁操作ロッドを注型する樹脂の素材としてエポキシ樹脂やフェノール樹脂を使用すると、従来のFRP製のもので必要であったコーティング作業を省略しても、耐水性や耐SF6分解ガス性に優れた絶縁操作ロッドを得ることができる。しかも、注型する樹脂に充填するフィラーとして、アルミナ又はシリカのいずれかを用いるようにすると、絶縁操作ロッドの耐摩耗性や機械的強度を大幅に向上させることができる。
更に、本発明のガス絶縁開閉装置では、絶縁操作ロッドが所定角度の範囲で回動したときに接触面における可動子との接触位置は変化するが、両者の接触点は常に可動子のほぼ中心軸線上となる。従って、絶縁操作ロッドを回動して可動子を閉路方向に駆動したとき、可動子はその中心軸線上を直線的に円滑に移動することになる。
絶縁操作ロッドにおける可動子との接触面を円状にした場合、絶縁操作ロッドが回動するにつれて可動子との接触点が可動子の中心軸線から外れてしまい、絶縁操作ロッドから駆動力を伝達すると、可動子の中心軸線に対して直角方向の成分が生じ、全体として可動子の中心軸線に対して斜めに作用する力が作用するようになり、摩擦抵抗が増大して摺動部から金属性異物などを発生させてしまう。しかし、上述の接触面形状とすることによって絶縁物から成る絶縁操作ロッドと金属材料から成る可動子に加わる摺動摩擦力が大幅に低減することになり、可動子はその中心軸線上を滑らかに移動し、同部からの金属性異物の発生を抑えることができる。
図2は、図1に示したガス絶縁開閉装置の開路状態を示す断面図である。
図3は、図1に示したガス絶縁開閉装置の要部を示す斜視図である。
図4は、樹脂に対するアルミナ充填量と摩耗量の関係を示す特性図である。
図5は、樹脂に対するアルミナ充填量と強度の関係を示す特性図である。
図6は、樹脂に対するアルミナ充填量と線膨張係数の関係を示す特性図である。
図7は、図1に示したガス絶縁開閉装置の要部の寸法関係を示す拡大図である、
図8は、絶縁操作ロッドの回動変化に対する接触位置の移動量変化曲線を示す特性図である。
図9は、図1に示したガス絶縁開閉装置の要部を模式的に示す拡大図である。
図10は、従来のガス絶縁開閉装置の要部を模式的に示す正面図である。
図11は、図1に示したガス絶縁開閉装置の要部を示す拡大図である。
図12は、従来のガス絶縁開閉装置の要部を拡大して示す正面図である。
図13は、図1に示したガス絶縁開閉装置の要部を拡大して示す平面図である。
図14は、図1に示したガス絶縁開閉装置の要部を拡大して示す断面図である。
図15は、本発明の他の実施例であるガス絶縁開閉装置の要部を拡大して示す平面図である。
図16は、図15に示したガス絶縁開閉装置の要部断面図である。
図17は、本発明の更に他の実施例であるガス絶縁開閉装置の要部を拡大して示す平面図である。
図18は、図17に示したガス絶縁開閉装置の要部断面図である。
図1は、本発明の一実施の形態によるガス絶縁開閉装置としての断路器を示す断面図である。
加圧状態の窒素、乾燥空気、SF6ガスなどの絶縁媒体を封入して接地した密閉容器1内には、絶縁スペーサ4、5によって密閉容器1から電気的に絶縁した状態で高電圧導体2、3が支持されている。
絶縁スペーサ4の中心導体6には固定側接触子7が取り付けられ、この固定側接触子7の外周部には電界緩和用シールド8が配置されている。また、絶縁スペーサ5の中心導体9には、可動側筒状導体10を介して可動側接触子11が取り付けられ、この可動側接触子11の外周部には電界緩和用シールド12が配置されている。
固定側接触子7と可動側接触子11間を開閉可能に橋絡した可動子13は、その中心軸線上を開閉動作するように絶縁操作ロッド14の一端側、つまり自由端側に接触連結されている。この絶縁操作ロッド14の他端側には、気密を保持しながら密閉容器1外に導出した回転軸15が連結され、この回転軸15には図示しない操作器が連結されている。
可動子13と絶縁操作ロッド14との接触連結構造については詳細を後述するが、絶縁操作ロッド14における自由端側の両面には、可動子13と接触する部分を工夫した曲面をそれぞれ有しており、一方、この両曲面と接触する可動子13における部分は平面であり、両者はほぼ一点で接触することになる。
独特の曲面構造によって、絶縁操作ロッド14から可動子13を図示の左方に駆動する閉路時、また絶縁操作ロッド14から可動子13を図示の右方に駆動する開路時に、可動子13と絶縁操作ロッド14間の接触点は常時、可動子13のほぼ中心軸線上に保たれるようにしている。
今、図示しない操作器によって回転軸15を時計方向に回動すると、この回転軸15と一体的に形成した絶縁操作ロッド14は、回転軸15を中心にしてその自由端側を時計方向に回転し、接触連結した可動子13をその中心軸線上で右方の断路方向に駆動することになる。
やがて、可動子13の先端側は固定側接触子7から開離し、電界緩和用シールド12内にまで移動して図2に示した断路状態となる。一方、図2の断路状態から図示しない操作器によって回転軸15を反時計方向に回動すると、この回転軸15と一体的に形成した絶縁操作ロッド14は、回転軸15を中心にしてその自由端側を反時計方向に移動する。絶縁操作ロッド14は、接触連結した可動子13をその中心軸線上で左方の閉路方向に駆動することになるから、可動子13の先端側が固定側接触子7に接触して図1に示した閉路状態となる。
図3は、絶縁操作ロッド14と回転軸15の連結部を拡大して示す斜視図である。
回転軸15は棒柱状であり、その軸方向の中間部には外周部に電界緩和用の丸みを施した一体型の径大部16を有している。この一体型の径大部16は、例えば、絶縁ロッド14の軸方向には径大で幅方向に径小の楕円形状に形成されている。回転軸15の径大部16は上記した楕円形状に限定されるものではなく、角部分を面取りした多角形に形成して使用することもでき、これにより電界集中や応力集中を防止することができる。
通常、絶縁操作ロッド14はFRP製のものが使用されるが、ここでは径大部16における回転軸15の軸方向両端面16a、16bまで包含して、詳細を後述するエポキシ樹脂にフィラーとしてアルミナを充填した樹脂で一体注型して製作している。これにより、樹脂が硬化する時の収縮により絶縁操作ロッド14と回転軸15の径大部16との両者間の隙間をなくして、樹脂と回転軸15及び径大部16との間に微小ギャップが発生することを防止している。
図4は、エポキシ樹脂にフィラーとしてアルミナ又はシリカを充填した場合における充填量と耐摩耗性能の関係を示す特性図である。図4から分かるようにアルミナを充填した実線で示す摩耗曲線17A及びシリカを充填した破線で示す摩耗曲線17Aは、双方ともアルミナ又はシリカの充填量が多くなるに従って、剛性の高いアルミナ又はシリカがエポキシ樹脂の摩耗を抑える効果が顕著に表れることを示している。なお、これらフィラーとして用いるアルミナ又はシリカの充填量は、45から75Wt%が実用範囲である。
また図5は、エポキシ樹脂にフィラーとしてアルミナ又はシリカを充填した場合における充填量と強度の関係を示す特性図である。図5から分かるように細実線と太実線で示す静的強度曲線18A及び疲労強度曲線19Aは、アルミナの充填量を一定量以上にすると、剛性の高いアルミナ粒子が樹脂内部の応力を分担して微小な剥離を抑える補強効果のために、樹脂のみの場合に比べて静的強度及び疲労強度が向上することを示している。エポキシ樹脂にシリカを充填した場合も、細破線と太破線で示すように静的強度曲線18B及び疲労強度曲線19Bともに同様の特性となっている。
更に、図6は、エポキシ樹脂にフィラーとしてアルミナ又はシリカを充填した場合における充填量と線膨張係数の関係を示す特性図である。図6に実線及び破線でそれぞれ示すアルミナ又はシリカの線膨張曲線20AとBは、いずれもエポキシ樹脂中のアルミナ充填量を多くしていくと線膨張係数が小さくなり、鉄の線膨張係数(1.3×10−5/℃)、銅の線膨張係数(1.7×10−5/℃)、アルミニウムの線膨張係数(2.5×10−5/℃)との差が小さくなることを示している。
例えば、エポキシ樹脂を用いた場合、アルミナの充填量を50Wt%程度にすると、線膨張係数をアルミニウムと同等にすることができる。エポキシ樹脂に充填するフィラーとしてのアルミナ又はシリカは、使用するアルミニウムや銅や鉄をとの組み合せ時の線膨張係数を考慮して使用することができる。
従って、図3に示したように絶縁操作ロッド14の製作に際して、エポキシ樹脂にフィラーとしてアルミナ又はシリカを充填し、鉄、銅、アルミニウムなど金属製の回転軸15を一体注型すると、この樹脂の線膨張係数を回転軸15のそれに近づけて残留応力を低減することが可能となる。
このようにして絶縁操作ロッド14と回転軸15とを一体注型した場合、フィラーによる耐摩耗性の向上のみならず、補強効果の向上、残留応力の低減により、機械的強度を大幅に向上できる。また、機械的信頼性を損なうことなく絶縁操作ロッド14の薄肉化を図ることが可能となる。更に、樹脂の貫通耐電圧性能の向上も期待でき、絶縁操作ロッド14の長さをフィラー無し樹脂の場合と比べて短くすることができる。
なお、樹脂材としてはエポキシ樹脂に限らずフェノール樹脂などの耐水性や耐分解ガス性の高い樹脂を使用することができ、フィラーとしてはアルミナに限られず、上述した如くシリカを用いてもほぼ同様の効果を期待することができる。
上述したようにガス絶縁開閉装置における断路器、また同様の構成である接地開閉器や遮断器で、開閉動作する可動子13に操作器側からの開閉操作力を伝達する絶縁操作ロッド14として、フィラー充填樹脂を使用して回転軸15と一体注型した構成とすることにより、従来のFRP製の絶縁操作ロッドに比べて絶縁耐力の向上を図ることができ、絶縁信頼性を確保しながらガス絶縁開閉装置の小形化及び部品点数の削減を図ることができる。
また、絶縁操作ロッド14を注型する樹脂の素材としてエポキシ樹脂やフェノール樹脂を使用すると、従来のFRP製で必要であったコーティング作業を省略しても、耐水性や耐SF6分解ガス性に優れた絶縁操作ロッド14を得ることができる。
次に、絶縁操作ロッド14の自由端側における可動子13との連結構造について説明する。図7は、絶縁操作ロッド14の自由端側における可動子13との連結部を示した拡大図である。
絶縁操作ロッド14は、上述したようにその自由端側で可動子13と接触することになる両側の接触面21を、可動子13の中心軸線上で常に可動子13とほぼ一点で接触するような曲面にしている。より具体的に説明すると、絶縁操作ロッド14の自由端側における可動子13との接触面21を楕円曲率としており、楕円の短径をa、長径をbとしての楕円をXY平面で定式化すると、次の数式1のようになる。
このとき、図7に示したように絶縁操作ロッド14における可動子13と接触する接触面21は、図7に点線で示したように楕円形状の全体を有するものでも良いし、また図7に実線で示したように実際に可動子13と接触する部分を残して、それ以外の上方部分は切り落としたものでも良い。
実用範囲を考えると、数式3で示す範囲であれば、可動子13の中心軸線に対して接触点26の移動量は3mm以下となり、実現範囲に保持することができる。
前者の場合、移動量はR(1−cosθ)として計算でき、回転半径R=300mm、回転角θ=20°とし、接触面21の円を半径r=25mm、半径r=50mm、半径r=75mmとしたときのそれぞれの接触点26の移動は、曲線22、曲線23、曲線24のように絶縁操作ロッド14の回転に伴って変化する。
これに対して、上述したように絶縁操作ロッド14における可動子13との接触面21を楕円極率にした場合、移動量変化曲線25で示すように接触点26の移動量をより小さく抑えることができる。
上述したように接触面21を数式3で示した範囲に設定した場合、可動子13と実際に接触する接触点26の移動量は、図9に示したように可動子13の中心軸線に対して3mm以下となり、可動子13の中心軸線上のほぼ一点で接触していることになる。
これに対して、接触面21を半径r=25mmの円とした場合、図10に示したように可動子13と実際に接触する接触点は、回転するのに従って可動子13の中心軸線を外れ、接触点26aから接触点26bへと約18mmも移動することになってしまう。
次に、上述した絶縁操作ロッド14を開閉器用として使用した場合について説明する。
上述したように絶縁操作ロッド14は、一方の端部に一体的に注型した回転軸15を有し、この回転軸15を中心にして自由端側となる他端が円弧状に回転するように構成し、この他端を可動子13の端面と接触連結するようにしている。
同部の平面図である図13及び同部の拡大図である図14に示したように、可動子13の連結側端部には、絶縁操作ロッド14の上部の自由端側を挿入した貫通孔27が形成されている。この貫通孔27の形状によって、可動子13の中心軸線に対して直角な一対の端面28a、28bを形成している。そして、この一対の端面28a、28bに接触する部分の絶縁操作ロッド14は、その左右側にそれぞれ上述した楕円状の接触面21を形成している。
つまり、絶縁操作ロッド14の反時計方向の回転は可動子13の端面28aを押圧して閉路動作として伝達され、また絶縁操作ロッド14の時計方向の回転は可動子13の端面28bを押圧して開路動作として伝達され、それぞれの端面28a、28bに接触する部分の絶縁操作ロッド14に、上述した楕円状の接触面21を形成している。
このような接触連結構造であるため、絶縁操作ロッド14が所定角度の範囲で回動したとき可動子13に接触する接触面21の接触位置は変化するが、両者の接触点26は常に可動子13のほぼ中心軸線上となる。
従って、図11に示したように絶縁操作ロッド14を矢印方向に回動して可動子13を閉路方向に駆動したとき、可動子13はその中心軸線上を直線的に移動することになる。一方、比較のために示した図12のように可動子13との接触面21を円状にした場合、絶縁操作ロッド14が回動するにつれて可動子13との接触点26が可動子13の中心軸線から外れてしまう。従って、絶縁操作ロッド14から可動子13に伝達される駆動力は、可動子13の中心軸線に対して矢印で示した直角方向の成分が生じ、全体として矢印で示すように可動子13の中心軸線に対して斜めに作用する力が作用するようになる。
これらの比較から分かるように、図12に示した接触連結構成では、絶縁物から成る絶縁操作ロッド14と金属材料から成る可動子13に加わる摺動摩擦力が大きくなり、しかも可動子13の中心軸線に対して垂直方向の成分を持つことになり、接触子13の閉路動作時に過度の偏った力が作用してしまう。
このような場合、可動子13と可動側接触子11や固定側接触子7とにおける金属同士の擦れが発生し、同部から金属性異物が発生する原因となる。また、このような偏った力が大きくなると、金属性異物の発生だけでなく可動側接触子11や固定側接触子7と可動子13との間のかじりや曲がりが起こってしまい、開閉器の動作不能まで引き起こされる危険がある。
これに対して、上述したように図11に示した接触構成では、可動子13と絶縁操作ロッド14との接触点26が常に可動子13の中心軸線上から殆ど変化しないため、絶縁物から成る絶縁操作ロッド14と金属材料から成る可動子13に加わる摺動摩擦力が大幅に低減することになり、可動子13はその中心軸線上を滑らかに移動し、同部からの金属性異物の発生を抑えることができる。
ガス絶縁開閉装置は他の電気機器とは異なり、高電圧導体を内部に配置した密閉容器1内に金属性異物が存在すると、耐電圧性能は著しく低下する恐れがあり、そのために金属性異物が混入しないように注意深く管理されている。
しかし、組み立て時に混入する金属性異物の他に、開閉器の開閉動作時に金属性異物が発生する可能性がある。特に、開閉器部分では、その開閉動作時に作動するレバーやギア等の機構部以外にも、開閉動作時に移動する可動子13と電気的な接触を保持する他の接触子7、11間の摺動によって金属性異物が発生する可能性がある。
例えば、図11に示した可動側接触子11のように可動子13の動作中でも電気的な接触を良好に保持するために、可動子13の外周部に各接触片を配置したチューリップ型接触子では、複数のばね27で接触力を作用させている。このため、各接触子7、11を有する場合、可動子13の外周面に均等にばね力が作用するようにするのが望ましい。
この点、上述したように可動子13はその中心軸線上を移動するため、固定側接触子7や可動側接触子11によるばね力が外周面に均等に作用することになり、同摺動部からの金属性異物の発生を抑制することができる。
通常、このような金属の擦れる部分の摩擦力を低下させるために、グリースなどの潤滑材を塗布して滑らかに動作させる方法が取られるが、グリースを塗布しない場合は摩擦力が大きく、擦れによる線状の金属性異物や粉状の金属性異物が発生する可能性が高い。また、グリースが塗布されていても、経年使用によるグリース劣化やグリース枯渇などの原因によりグリース性能が悪化すると、摺動部の滑らかな動作ができなくなることがある。
しかしながら、上述したように絶縁操作ロッド14と可動子13との接触点26が常時、可動子13の中心軸線上にほぼ位置するようにすると、同部の摺動摩擦力が低下するため、グリースを使用しないグリースレスが実現可能となる。
グリースを使用した場合、上述したようにグリースの経年劣化は避けられないので、通常グリース使用部は機器の点検時にグリース補充を行うが、ガス絶縁開閉装置では開閉器が密閉容器1内に構成されるため、簡単には金属容器1を開放することができずグリース補充が難しい。従って、金属の摺動部をグリースレスにできると、従来のような分解点検を実施しなくてもよくなり、長期にわたってガス絶縁開閉装置の高い信頼性を持続させることができる。
絶縁操作ロッド14の自由端側における接触面21の構成は、上述の場合と同様である。そして、可動子13は、左方の電気的な通電を行う導体部分とは別に、右方の絶縁操作ロッド14との連結を行うホルダ部分29を有している。ホルダ部分29は、図13で説明した貫通孔27を有しており、ねじ30で導体部分に分離可能に固定している。
図11における可動子13と可動側接触子11との関係からも分かるように、導体部分とは別体にしたホルダ部分29には電流が流れないため、その構成材料としては金属材料でも良いし絶縁材料でも良い。しかし、絶縁材料でホルダ部分29を構成した場合、絶縁操作ロッド14と接触するのはこの絶縁材料のホルダ部分29であるから、両者が擦れたとしても金属性異物を発生させることはなく、ガス絶縁開閉装置としての信頼性をより高めることができる。
また一般的には、同一材料における摺動のほうが摩擦力を低くすることができるので、ホルダ部分29を構成する絶縁材料としては上述した絶縁操作ロッド14と同じ材料にすると、摩擦力を一層低く抑えることができる。例えば、絶縁操作ロッド14をフィラー入りエポキシ樹脂製にする場合はホルダ部分29もフィラー入りエポキシ樹脂製とすると良い。
また図15及び図16に示した他の実施例では、ホルダ部分29の全体を同一材料にするのではなく、絶縁操作ロッド14に接触する部分にだけ絶縁操作ロッド14と同じ絶縁材料を貼り付けても良い。この場合も、同じ絶縁材料同士の摺動部となるので、摩擦力をかなり低下させることができ、グリースなどの潤滑材を塗布しなくても滑らかに摺動する接触連結部を得ることができる。
この例は、図15及び図16に示したものと同様の接触連結構成で、可動子13のホルダ部分29と絶縁操作ロッド14と接触部分に、固体潤滑材の薄膜31a、31bを設けている。この固体潤滑材料としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂などを使用することができる。
ホルダ部分29の全体を固体潤滑材料にすることも可能であるが、機械強度を確保することが難しくなるため、図示のように接触部分だけに薄膜31a、31bを配置することが最も実用的である。この固体潤滑材の薄膜31a、31bにより摩擦力を大きく低減できるので、金属性異物などの異物の発生を大きく低減することが可能となる。
Claims (5)
- 絶縁性ガスを封入した密閉容器内に、操作器によって駆動されて前記密閉容器内の気密を保持しながら回転する棒柱状の回転軸と、前記回転軸に一端側を固定しかつ回転軸の回転によって他端側を弧運動させる絶縁操作ロッドと、前記絶縁ロッドの他端側に連結されて軸方向に駆動されて開閉を行う可動子とを有するガス絶縁開閉装置において、前記回転軸の軸方向中間部に径大部を一体的に形成し、前記絶縁操作ロッドは一端側にフィラーを充填した樹脂で一体注型して前記回転軸の径大部を埋め込んで構成したことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
- 請求項1において、前記絶縁操作ロッドは他端側に接触面を形成し、前記接触面を前記可動子に接触連結すると共に、前記接触面は開閉動作時における前記可動子の中心軸線上のほぼ一点で接触するように形成したことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
- 請求項1又は2において、前記回転軸の軸方向中間部の径大部は、絶縁ロッドの軸方向には径大で幅方向に径小の楕円形状に形成したことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
- 請求項1から3において、前記樹脂の素材としてはエポキシ樹脂又はフェノール樹脂のいずれかを用いたことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
- 請求項1から4において、前記樹脂に充填するフィラーとしてアルミナ又はシリカのいずれかを用いたことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
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