JP5396309B2 - 給電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、伝送システムの中継器などの高電圧機器に給電する給電装置に関する。
インターネット通信のバックボーン・ネットワークとして海底伝送システムが普及している。海底伝送システムの中継器に給電する給電装置は、給電停止を回避することが求められる。そこで、現用系電源と予備系電源との2つの電源を設けることが提案されている(たとえば、非特許文献1参照)。この構成では、現用系電源を保守点検などにより停止させても、予備系電源を用いることにより給電停止を回避することができる。
現用系電源と予備系電源とを備えるシステムでは、両者の電源を切り替える際、予備系電源の電流値および電圧値を、現用系電源の電流値および電圧値にほぼ一致させる必要がある。そこで、予備系電源をダミー負荷に接続し、その抵抗値を可変させることにより、予備系電源の電流値および電圧値を、現用系電源の電流値および電圧値にできるだけ近づけてから、予備用電源に切り替える手法が用いられている。
「海底光伝送システム用給電装置」,FUJITSU DENSO REVIWE, Vol.9, No.1 1999 (http://jp.fujitsu.com/group/ftn/downloads/review/no14/r05.pdf)
海底伝送システムの中継器などの高電圧機器に給電する装置にて上記手法を採用する場合、抵抗値を広範囲に可変できるダミー負荷を用いる必要がある。従来、ダミー負荷に、摺動抵抗器などが用いられていたがコスト高となっていた。
ダミー負荷を低コストで構成するには、抵抗ストリングと、その抵抗ストリングを構成する複数の抵抗をそれぞれ短絡させるための複数のスイッチとを用いて構成することが有効である。この構成では、当該複数のスイッチによるオンオフ制御により、抵抗ストリングの分圧比を調整することができ、抵抗値を可変できる。
この構成では、スイッチの切り替わり時にサージ電圧(以下、過渡電圧という)が発生する。すなわち、あるスイッチがオンされると、そのスイッチと並列に接続された抵抗がショートされ、その抵抗の内部インダクタンス成分により、他のスイッチに過渡電圧が印加されてしまうことがある。その過渡電圧が大きい場合、スイッチの絶縁を破ってしまう可能性がある。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで信頼性が高いダミー負荷を構成する技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の給電装置は、第1電源および第2電源を備える給電装置であって、第1電源と第2電源とを、給電対象とすべき対象負荷に選択的に接続する切替部と、対象負荷に接続されていないほうの電源を接続するためのダミー負荷と、ダミー負荷の抵抗値を調整するための調整部と、を備える。ダミー負荷は、複数の抵抗が直列に接続された抵抗ストリングを有する。調整部は、複数の抵抗のそれぞれに、それぞれ並列に接続される複数の短絡スイッチと、複数の短絡スイッチのうち、二つ以上が同時にオンしないよう保護する保護部と、を有する。「対象負荷」は、海底伝送システムの中継器であってもよい。
この態様によると、ダミー負荷を抵抗ストリングで構成し、抵抗ストリングの抵抗値を可変するための複数の短絡スイッチのうち、二つ以上が同時にオンしないよう保護する保護部を設けたことにより、低コストで信頼性が高いダミー負荷を構成することができる。
保護部は、抵抗ストリングの一端から他端に向けて、複数の抵抗にそれぞれ接続された複数の短絡スイッチを順番にオン可能な状態に制御してもよい。
調整部は、複数の短絡スイッチのそれぞれに通電するための複数の入力スイッチをさらに有してもよい。複数の入力スイッチは、作業員によりそれぞれ手動で操作される複数の操作スイッチと一対一に接続されてもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、低コストで信頼性が高いダミー負荷を構成することができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る給電装置100の構成を示す図である。給電装置100は、海底伝送システム500の中継器200に給電する装置である。海底伝送システム500は、光ファイバケーブルを用いた海底光伝送システムであってもよい。給電装置100は陸上に設置され、中継器200は海底に設置されるため、両者は比較的長い給電ケーブルで接続される。この給電ケーブルの導体損や地電位変動の影響を小さくするため、給電装置100は、中継器200に定電流で給電する。
給電装置100は、第1電源10a、第2電源10b、第1電圧計20a、第2電圧計20b、第1電流計30a、第2電流計30b、切替部40、ダミー負荷50、調整部60および操作部70を備える。
第1電源10aおよび第2電源10bは、直流電源であり、給電対象とすべき対象負荷(ここでは、中継器200)に選択的に給電する。当該対象負荷に給電しているほうの電源が現用系電源となり、給電していないほうの電源が予備系電源となる。本実施の形態にて、第1電源10aおよび第2電源10bの出力電圧範囲は、片端給電で0〜15300V、両端給電で−7650〜+7650Vである。第1電源10aおよび第2電源10bの定格規格電流は、±1Aである。なお、これらの値は一例であり、この値に限定されるものではない。
第1電圧計20aは、第1電源10aと並列に接続され、第1電源10aの出力電圧値を測定する。第1電流計30aは、第1電源10aと切替部40とを結ぶ電流路に挿入され、第1電源10aの出力電流値を測定する。同様に、第2電圧計20bは、第2電源10bと並列に接続され、第2電源10bの出力電圧値を測定する。第2電流計30bは、第2電源10bと切替部40とを結ぶ電流路に挿入され、第2電源10bの出力電流値を測定する。これらの電圧値および電流値は、図示しないメーターパネルに表示されてもよいし、図示しないPCのディスプレイに表示されてもよい。当該メーターパネルは操作部70に設置されてもよい。
切替部40は、第1電源10aと第2電源10bとを、中継器200に選択的に接続する。切替部40は、四つのスイッチ(第1スイッチSW1、第2スイッチSW2、第3スイッチSW3および第4スイッチSW4)がHブリッジ状に接続されたHブリッジ回路を含む。当該Hブリッジ回路の四つの接続点のうち、第1接続点(第1スイッチSW1と第4スイッチSW4との接続点)が第1電源10aと接続し、第1接続点に対向する第2接続点(第2スイッチSW2と第3スイッチSW3との接続点)が第2電源10bと接続し、第3接続点(第1スイッチSW1と第2スイッチSW2との接続点)が中継器200と接続し、第3接続点に対向する第4接続点(第3スイッチSW3と第4スイッチSW4との接続点)がダミー負荷50と接続する。
当該Hブリッジ回路にて、第1電源10aが現用系電源で第2電源10bが予備系電源の場合、第1スイッチSW1および第3スイッチSW3がオンに制御され、第2スイッチSW2および第4スイッチSW4がオフに制御される。第2電源10bが現用系電源で第1電源10aが予備系電源の場合、第2スイッチSW2および第4スイッチSW4がオンに制御され、第1スイッチSW1および第3スイッチSW3がオフに制御される。
この現用系電源と予備系電源との切替は、保守点検時や障害検出時などに実行される。当該切替は、作業員による操作にもとづいて実行される。
ダミー負荷50は、第1電源10aおよび第2電源10bのうち、中継器200に接続されていないほうの電源を接続するための負荷である。上記切替時、中継器200の誤作動や不具合を抑制するために、その時点で中継器200に供給されている電圧値および電流値と、切替後の電源から供給される電圧値および電流値とをできるだけ一致させる必要がある。ダミー負荷50は、切替後の電源から供給される電圧値および電流値を調整するための可変抵抗として機能する。調整部60は、ダミー負荷50に接続され、ダミー負荷50の抵抗値を調整するためのものである。
図2は、ダミー負荷50および調整部60の構成例1を示す図である。ダミー負荷50は、複数の抵抗(第1抵抗R1、第2抵抗R2、第3抵抗R3、・・・)が直列に接続された抵抗ストリングを含む。当該複数の抵抗の抵抗値は、基本的にすべて同じあることを想定するが、そのうちのいくつかが重み付けされていてもよい。
調整部60は、上記複数の抵抗(第1抵抗R1、第2抵抗R2、第3抵抗R3、・・・)のそれぞれの両端に、それぞれ並列に接続される複数の短絡スイッチ(第1短絡スイッチSWs1、第2短絡スイッチSWs2、第3短絡スイッチSWs3、・・・)を含む。各短絡スイッチは、半導体スイッチで構成される。図2では、バイポーラ型トランジスタ(NPN型)を採用した例を描いている。
各短絡スイッチは、オンすることにより各抵抗の両端をショートし、電流をバイパスすることができる。すなわち、短絡スイッチがオンしている抵抗は、抵抗ストリング内で無効となる。したがって、抵抗ストリング内にて、短絡スイッチをオフして有効とする抵抗の数と、短絡スイッチをオンして無効とする抵抗の数との比を調整することにより、抵抗分圧比を調整することができる。よって、ダミー負荷50を可変抵抗として機能させることができる。
調整部60は、複数の直流電源(第1直流電源Vc1、第2直流電源Vc2、第3直流電源Vc3、・・・)、複数の入力スイッチ(第1入力スイッチSWi1、第2入力スイッチSWi2、第3入力スイッチSWi3、・・・)、および複数の電流変換抵抗(第1電流変換抵抗Rc1、第2電流変換抵抗Rc2、第3電流変換抵抗Rc3、・・・)をさらに含む。なお、短絡スイッチをFETで構成した場合、複数の電流変換抵抗を設ける必要はない。
当該複数の入力スイッチは、上記複数の短絡スイッチのそれぞれに通電するためのスイッチである。当該複数の入力スイッチのそれぞれの一端は、当該複数の直流電源のそれぞれに接続され、それぞの他端は上記複数の電流変換抵抗を介して、上記複数の短絡スイッチにそれぞれ接続される。当該複数の入力スイッチは、後述する複数の操作スイッチ(図5参照)と一対一に接続され、作業員が当該複数の操作スイッチのそれぞれを手動で操作することにより、複数の入力スイッチのそれぞれがオンオフ制御される。
作業員は、ダミー負荷50に接続されているほうの電源の電圧値および電流値と、中継器200に接続されているほうの電源の電圧値および電流値を、図示しないメーターパネルまたはディスプレイで確認しながら、上記操作スイッチを操作することにより、両者の電圧値の差および電流値の差を所定の許容誤差範囲内に収める。本実施の形態では、所定の許容誤差範囲は、たとえば両者の電圧値の差が±10V以下および両者の電流値の差が±0.2%以下に設定される。
当該構成例1は、ダミー負荷50を抵抗ストリングで構成することにより低コスト化を図ることができる。ただし、短絡スイッチの切り替わり時に過渡電圧が発生する。作業員によって上記複数の操作スイッチのうちの、二つ以上が同時にオンされてしまうと、上記複数の短絡スイッチのうちの、二つ以上が同時にオンされてしまう。この同時にオンされる短絡スイッチの数が多くなるほど、過渡電圧が増大する。この過渡電圧が増大するほど、短絡スイッチの絶縁が破れるリスクも増大する。
図3は、ダミー負荷50および調整部60の構成例2を示す図である。構成例2は、構成例1に、上記複数の短絡スイッチのうちの、二つ以上が同時にオンしないようにするためのシーケンス機能を追加したものである。すなわち、複数の短絡スイッチのうち、二つ以上が同時にオンしないよう保護するための保護部が追加される。
この保護部は、上記抵抗ストリングの一端から他端に向けて、複数の抵抗にそれぞれ接続された複数の短絡スイッチを順番にオン可能な状態に制御するための回路である。図3では、この保護部をリレーおよび容量で構成する例を描いている。
まず、構成例2では短絡スイッチとしてフォトカプラを採用している。フォトカプラは発光素子(たとえば、発光ダイオード)と受光素子(たとえば、フォトトランジスタ)により構成される。フォトカプラは、光信号により受光素子をスイッチング制御する構成であるため、ダミー負荷50と調整部60とを電気的に絶縁することができる。よって、上記過渡電圧の影響を低減することができる。なお、図3ではフォトカプラの受光素子を一つのトランジスタ記号で描いているが、実際には、増幅率を上げるためにダーリントン接続された複数のトランジスタで構成されることが一般的である。
第1短絡スイッチSWs1に含まれる発光ダイオードのアノード側は、第1電流変換抵抗Rc1および第1入力スイッチSWi1を介して、直流電源Vcに接続され、カソード側はグラウンドに接続される。当該発光ダイオードと第1電流変換抵抗Rc1との直列回路と並列に、第1リレーの駆動コイルRL1および第1容量C1が接続される。なお、これらは、第1入力スイッチSWi1より第1短絡スイッチSWs1側に接続される必要がある。
図3では、第1駆動コイルRL1の両端に第1保護用ダイオードDr1が接続される。この第1保護用ダイオードDr1は、第1駆動コイルRL1により発生する逆起電圧から、第1駆動コイルRL1自身を保護するためのダイオードである。直流電源Vcからの電源電圧を供給する電源電圧ラインと、第1駆動コイルRL1および第1容量C1の電源側端との間には、第1逆流防止用ダイオードDs1が挿入される。
第2短絡スイッチSWs2に含まれる発光ダイオードのアノード側は、第2電流変換抵抗Rc2、第1リレーの接点rl1と第2リレーの接点rl2との接点並列回路、および第2入力スイッチSWi2を介して、直流電源Vcに接続され、カソード側はグラウンドに接続される。当該発光ダイオードと第2電流変換抵抗Rc2との直列回路と並列に、第2リレーの駆動コイルRL2および第2容量C2が接続される。なお、これらは、当該接点並列回路より第2短絡スイッチSWs2側に接続される必要がある。第2リレーの駆動コイルRL2および第2容量C2にも、第1リレーの駆動コイルRL1および第1容量C1と同様に、第2保護用ダイオードDr2および第2逆流防止用ダイオードDs2が接続される。
第3短絡スイッチSWs3に含まれる発光ダイオードのアノード側は、第3電流変換抵抗Rc3、第1リレーの接点rl1と第2リレーの接点rl2との直列回路と第3リレーの接点rl3とを並列接続した接点直並列回路、および第3入力スイッチSWi3を介して、直流電源Vcに接続され、カソード側はグラウンドに接続される。当該発光ダイオードと第3電流変換抵抗Rc3との直列回路と並列に、第3リレーの駆動コイルRL3および第3容量C3が接続される。なお、これらは、当該接点直並列回路より第3短絡スイッチSWs3側に接続される必要がある。第3リレーの駆動コイルRL3および第3容量C3にも、第1リレーの駆動コイルRL1および第1容量C1と同様に、第3保護用ダイオードDr3および第3逆流防止用ダイオードDs3が接続される。
各リレーの接点rlはノーマルオープン型であり、対応するリレーの駆動コイルRLに電流が流れるとクローズする。第2短絡スイッチSWs2と第2入力スイッチSWi2との間には、第1リレーの接点rl1が挿入されているため、第1リレーの駆動コイルRL1に電流が流れない限り、第2入力スイッチSWi2がオンされても、第2短絡スイッチSWs2に電流が供給されない。当該第1リレーの接点rl1と並列に接続されている第2リレーの接点rl2は、第1リレーの接点rl1により通電が遮断されている第2リレーの駆動コイルRL2に電流が流れない限りクローズしないため、第1リレーの接点rl1より先にクローズすることはない。
なお、当該第2リレーの接点rl2は、第2短絡スイッチSWs2がオンした後、第2入力スイッチSWi2がオフに制御される以外の制御により、第2短絡スイッチSWs2がオフされないようにするために設けられる。当該第2リレーの接点rl2が設けられない場合、第1入力スイッチSWi1がオフに制御されると、第1リレーの接点rl1がオープンになるため、第1短絡スイッチSWs1とともに第2短絡スイッチSWs2もオフされてしまう。
第3短絡スイッチSWs3と第3入力スイッチSWi3との間に、第1リレーの接点rl1と第2リレーの接点rl2との直列回路が挿入されているため、第1リレーの駆動コイルRL1および第2リレーの駆動コイルRL2の両方に電流が流れない限り、第3入力スイッチSWi3がオンされても、第3短絡スイッチSWs3に電流が供給されない。当該直列回路と並列に接続されている第3リレーの接点rl3は、当該直列回路により通電が遮断されている第3リレーの駆動コイルRL3に電流が流れない限りクローズしないため、第1リレーの接点rl1および第2リレーの接点rl2より先にクローズすることはない。
なお、当該第3リレーの接点rl3は、第3短絡スイッチSWs3がオンした後、第3入力スイッチSWi3がオフに制御される以外の制御により、第3短絡スイッチSWs3がオフされないようにするために設けられる。当該第3リレーの接点rl3が設けられない場合、第1入力スイッチSWi1および第2入力スイッチSWi2の少なくとも一方がオフに制御されると、第3短絡スイッチSWs3もオフされてしまう。
このように、第2短絡スイッチSWs2へ通電可能な状態になるには、第1短絡スイッチSWs1への通電を条件としており、第3短絡スイッチSWs3に通電可能な状態になるには、第1短絡スイッチSWs1および第2短絡スイッチSWs2への通電を条件としている。
第1リレーの駆動コイルRL1には並列に第1容量C1が設けられているため、第1短絡スイッチSWs1の発光ダイオードに電流が流れ出すタイミングより、第1リレーの駆動コイルRL1に電流が流れ出すタイミングが遅れる。第2リレーの駆動コイルRL2および第3リレーの駆動コイルRL3についても同様である。したがって、仮に、第1入力スイッチSWi1、第2入力スイッチSWi2および第3入力スイッチSWi3が同時にオンしても、第1短絡スイッチSWs1、第2短絡スイッチSWs2および第3短絡スイッチSWs3の順番でそれぞれ時間差を伴ってオンする。これにより、上記シーケンス機能を実現している。図3に示す構成では、第1短絡スイッチSWs1、第2短絡スイッチSWs2、第3短絡スイッチSWs3の順番でしか、オンできないように構成されている。
なお、図示しないが第3抵抗の後段に接続される第4抵抗以降も同様に構成することができる。ただし、第4抵抗では、第1リレーの接点rl1、第2リレーの接点rl2および第3リレーの接点rl3の直列回路と、第4リレーの接点とを並列接続した接点直並列回路を設け、第5抵抗では、第1リレーの接点rl1、第2リレーの接点rl2、第3リレーの接点rl3および第4リレーの接点の直列回路と、第5リレーの接点とを並列接続した接点直並列回路を設ける。
このように、先行するすべての短絡スイッチに現に通電されていることを条件として、対象となる短絡スイッチへ通電可能な状態に遷移させる構成では、後段にいくにしたがって、リレーの接点数が多くなり、回路規模が大きくなり、コスト高ともなる。これに対し、先行する一つ前の短絡スイッチに通電されていることを条件として、対象となる短絡スイッチへ通電可能な状態に遷移させる構成では、いずれの段でも(初段を除く)、リレーの接点数を一つ(対象となる短絡スイッチと並列に接続されたリレーの駆動コイルに対する接点を除く)にすることができる。この場合、回路規模を最小限に抑えることができる。ただし、先行する一つ前の短絡スイッチに通電されていることのみを条件としているため、安定性が低くなる。この構成では、一つの接点がノイズなどにより誤ってクローズされてしまうと、対象となる短絡スイッチへの通電が可能な状態に遷移してしまう。
図4は、構成例2の変形例を示す図である。図4では、図面を簡略化するため、リレーの駆動コイル、リレーの接点、入力スイッチ以外の構成を省略して描いている。当該変形例では、ダミー負荷50に、二十の抵抗が直列に接続された抵抗ストリングが用いられることを想定する。図3に示したように、リレーの接点の数を、後段にいくにしたがって単純に増やしていく構成では、回路規模が大きくなってしまう。
そこで、抵抗ストリングに含まれる複数の抵抗を複数のグループに分類して、各グループ内では、先行するすべての短絡スイッチに通電されていることを条件として、対象となる短絡スイッチへ通電可能な状態に遷移させる構成とし、各グループ間では先行するグループの最後の短絡スイッチに通電されていることを条件として、後続するグループの最初の短絡スイッチへ通電可能な状態に遷移させる構成とした。これにより、回路規模と安定性のバランスがとれた回路を構成することができる。
図5は、操作部70のスイッチ領域70aに設置される複数の操作スイッチSWo1〜SWo20の一例を示す図である。複数の操作スイッチSWo1〜SWo20は、複数の入力スイッチSWi1〜SWi20と一対一に接続されている。ここでは、図4に示したようにダミー負荷50に、二十の抵抗が直列に接続された抵抗ストリングが用いられることを想定している。
図4に示した調整回路を前提とすると、作業員は、スイッチ領域70aの最も左の操作スイッチSWo1から最も右の操作スイッチSWo2に向けて、順番に操作スイッチをオンしていく。そして、作業員は、ダミー負荷50に接続されているほうの電源の電圧値および電流値と、中継器200に接続されているほうの電源の電圧値および電流値とのそれぞれ差が、最も小さく、かつ所定の許容誤差範囲内に収まる時点で、複数の操作スイッチSWo1〜SWo20の手動切替を終了する。作業員は、この状態で図示しない別の操作スイッチをオンするなどの操作により、現用系電源と予備系電源とを切り替える。
図5に示すように、複数の操作スイッチSWo1〜SWo20は、それぞれ隣接して配置されるため、作業員が誤って複数の操作スイッチSWo1〜SWo20のうちの二つ以上の操作スイッチ(とくに、隣接する二つの操作スイッチ)を同時にオンしてしまう可能性がある。その場合、図2に示した回路では、二つ以上の入力スイッチが同時にオンし、二つ以上の短絡スイッチも同時にオンしてしまい、大きな過渡電圧が発生してしまう。これに対し、図3および図4に示した回路では、二つ以上の入力スイッチが同時にオンしても、二つ以上の短絡スイッチが同時にオンすることはない。したがって、大きな過渡電圧の発生を抑制することができる。
以上説明したように本実施の形態によれば、給電装置内のダミー負荷を抵抗ストリングを用いて構成することにより、低コスト化することができる。また、作業員が当該抵抗ストリングの抵抗値を手動で調整する場合、マイクロプロセッサなどを用いる必要がなく、その分のコストを低減することができる。また、抵抗ストリングを構成する複数の抵抗をそれぞれ短絡させるための複数の短絡スイッチが同時にオンしないよう保護機能を設けたことにより、大きな過渡電圧の発生を抑制し、信頼性を確保することができる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
上述した実施の形態では、中継器200に接続されているほうの電源とダミー負荷50に接続されているほうの電源との切替の際、作業員が当該抵抗ストリングの抵抗値を手動で調整する例を説明したが、プロセッサにより調整されてもよい。この場合、上記保護部はリレーおよび容量ではなく、当該プロセッサから当該複数の入力スイッチに供給する信号タイミングをずらす制御自体を指す。なお、当該切替自体も当該プロセッサにより自動的に実行されてもよい。
10a 第1電源、 10b 第2電源、 20a 第1電圧計、 20b 第2電圧計、 30a 第1電流計、 30b 第2電流計、 40 切替部、 50 ダミー負荷、 60 調整部、 70 操作部、 100 給電装置、 200 中継器、 500 海底伝送システム。
Claims (4)
- 第1電源および第2電源を備える給電装置であって、
前記第1電源と前記第2電源とを、給電対象とすべき対象負荷に選択的に接続する切替部と、
前記対象負荷に接続されてないほうの電源を接続するためのダミー負荷と、
前記ダミー負荷の抵抗値を調整するための調整部と、を備え、
前記ダミー負荷は、複数の抵抗が直列に接続された抵抗ストリングを有し、
前記調整部は、前記複数の抵抗のそれぞれに、それぞれ並列に接続される複数の短絡スイッチと、前記複数の短絡スイッチのうち、二つ以上が同時にオンしないよう保護する保護部と、を有することを特徴とする給電装置。 - 前記保護部は、前記抵抗ストリングの一端から他端に向けて、前記複数の抵抗にそれぞれ接続された前記複数の短絡スイッチを順番にオン可能な状態に制御することを特徴とする請求項1に記載の給電装置。
- 前記対象負荷は、海底伝送システムの中継器であることを特徴とする請求項1または2に記載の給電装置。
- 前記調整部は、前記複数の短絡スイッチのそれぞれに通電するための複数の入力スイッチをさらに有し、
前記複数の入力スイッチは、作業員によりそれぞれ手動で操作される複数の操作スイッチと一対一に接続されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の給電装置。
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