JP6694554B2 - 誘導性素子の保護 - Google Patents

Description

本発明は一般に、無停電電源システムに関する。より詳細には、本発明は、多相無停電電源システムのための保護装置、及びそのような保護装置を含む多相無停電電源システムに関する。

無停電電源（ＵＰＳ）システムは、データセンターなどの負荷へ電力を供給するために使用され得る。そのようなシステムは、グリッド（送電網）に接続されたケーブルと１つ以上の負荷との間に多くのＵＰＳモジュールを含む多相システムであり得る。各ＵＰＳモジュールは、誘導性素子を含み得る。誘導性素子は、タップポイントにより分けられた相毎に、直列接続されて、磁気的に結合されている２つの巻き線と、タップポイントに接続されたコンバータ（変換器）の形態の補助電源と、を含む。誘導性素子は、三相すべてにおけるすべての巻き線が互いに磁気的に結合されている自動変圧器の形態にて提供され得る。

グリッド側には、電圧ディップ、位相跳躍、及び電圧増加を引き起こす故障が起こる。また、グリッドに接続されたケーブル内にも故障は起こる。これらの故障から負荷を分離するために、ケーブルとＵＰＳモジュールとの間にサーキットブレーカが接続され得る。

しかし、サーキットブレーカが真空サーキットブレーカの場合、その真空サーキットブレーカが開くことにより、ＵＰＳモジュールにて高い過渡電圧が生じ得る。したがって、保護の必要があり得る。

一般的に使用される種類の保護部品は、サージアレスタである。サージアレスタは、例えば、ＥＰ３０２３９９８及びＵＳ２０１６／０１４９３９６などに見られる乾式変圧器などの変圧器を保護するために使用されることが知られている。

しかし、これらの変圧器はまた、他の環境においても使用されることが知られている。例えばＵＳ２０１３／０３２１９５９は、電源コンバータユニットを開示する。サージアレスタはここでは、相間に接続されており、また、保護目的のインダクタの前後において、相とグラウンドとの間に接続されている。

したがって、そのようなＵＰＳモジュールの、誘導性素子の第１の巻き線などの部品を保護することが目的となる。

本発明は、多相無停電電源システムの誘導性素子の保護に向けられている。

この目的は、多相無停電電源システムのための保護装置を通して実現される、本発明の第１の態様に係る。多相無停電電源システムは、誘導性素子に直列に接続された真空サーキットブレーカを含む。誘導性素子は、各相に、タップポイントにより分けられ、直列接続され、磁気的に結合されている２つの巻き線を含む。

保護装置は、相毎の保護部品の第１の群を１つ含む。第１の群のそれぞれは、真空サーキットブレーカと誘導性素子との間のリンクに接続された第１の端と、対応するタップポイントに接続された第２の端と、を有する第１の保護部品を含む。第１の群のそれぞれにおける少なくとも１つの保護部品は、サージアレスタである。

本目的は、無停電電源システムを通して実現される、本発明の第２の態様に係る。無停電電源システムは、誘導性素子に直列に接続された真空サーキットブレーカと、第１の態様に係る保護装置と、を含む。

上記の誘導性素子はまた、すべての巻き線が互いに磁気的に結合されている自動変圧器であってもよい。

本発明は、多くの利点を有する。本発明は、過電圧に対して、特に、第１のサーキットブレーカの作動により第１の巻き線に渡って発生する過電圧に対して、誘導デバイスを保護する。

添付図面を参照して、本発明を以下に説明する。

図１は、相毎に直列接続されて、磁気的に結合されている２つの巻き線を含む誘導性素子に直列な第１のサーキットブレーカをそれぞれが含む多くの分岐を含む電源システムを模式的に示す。 図２は、保護回路の第１の実施形態を、第１のサーキットブレーカ及び誘導性素子と共に模式的に示す。 図３は、保護回路の第２の実施形態を、第１のサーキットブレーカ及び誘導性素子と共に模式的に示す。 図４は、保護回路の第３の実施形態を、第１のサーキットブレーカ及び誘導性素子と共に模式的に示す。 図５は、保護回路の第４の実施形態を、第１のサーキットブレーカ及び第１の誘導性素子の半分と共に模式的に示す。 図６は、保護回路の第５の実施形態を、第１のサーキットブレーカ及び第１の誘導性素子の半分と共に模式的に示す。 図７は、保護回路の別の変形例を、第１のサーキットブレーカ及び誘導性素子と共に模式的に示す。

本発明の好適な実施形態を以下に詳細に説明する。

図１は、負荷へ電力を提供するための電源システム１０を模式的に示す。この負荷は、一例として、データセンターであってよい。データセンターは、多くのサーバと、そのようなデータセンター用の冷却システムと、を含む。電源システム１０は好適には中電圧（ＭＶ）多相電源システムであり、例えば配電システム又はグリッド（図示せず）から、第１の変圧器Ｔ１を介して電力を受け取る。第１の変圧器Ｔ１は続いて、第１のケーブルＣＢ１に接続される。第１のケーブルＣＢ１はまた、上流ケーブルとも称される。なぜなら各負荷は、このケーブルＣＢ１の下流に配置されるからである。このケーブルには、多くの負荷が接続され得る。このケーブルは、一例として、１１ｋＶなどの中電圧を提供してよい。

更に、電源システム１０は無停電電源（ＵＰＳ）システムであってよい。このため、このケーブルと、対応する負荷との間には、並列に接続された多くのＵＰＳ分岐が提供されてよい。図１は、負荷を備える多くのそのような分岐を示す。これらの分岐はすべて同様に実現されているため、ここでは、負荷ＬＤ１に接続され、ＵＰＳモジュール１２を含む最下位の分岐が強調されている。

図１からわかるように、最下位の分岐にはまた、３つのサーキットブレーカＳ１、Ｓ２、及びＳ３もある。第１のサーキットブレーカＳ１及び第３のサーキットブレーカＳ３はそれぞれ直列に、ＵＰＳモジュール１２の対向する両側面に接続されている。第２のサーキットブレーカＳ２は、これら２つのサーキットブレーカＳ１及びＳ３並びにＵＰＳモジュール１２と並列に接続されている。サーキットブレーカＳ１、Ｓ２、及びＳ３は、保守点検又は故障によりＵＰＳモジュール１２をバイパスさせる際に使用する。ＵＰＳモジュールの通常の作動では、第２のサーキットブレーカＳ２は開いており、第３のサーキットブレーカＳ３は閉じている。第１のサーキットブレーカＳ１は、作動状況に応じて開閉する。

第１及び第３のサーキットブレーカＳ１及びＳ３に直列に接続されたＵＰＳモジュール１２を、図１内の点線で囲われたボックス内に詳細に示す。多相システムが三相システムである場合、ＵＰＳモジュール１２及びサーキットブレーカはそれぞれ、三相モジュール及び三相サーキットブレーカであることがわかる。これにより、第１のサーキットブレーカ及び第３のサーキットブレーカはそれぞれ、各相に１つずつの、３つの回路遮断素子Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、及びＳ１ｃ、並びにＳ３ａ、Ｓ３ｂ、及びＳ３ｃを含む。

更に、ＵＰＳモジュール１２が、誘導性素子１４を含むことがわかる。誘導性素子１４は、直列接続されて、磁気的に結合されている多くの巻き線を含む。各相には、直列接続されて、磁気的に結合されている巻き線が２つある。したがって、第１の巻き線Ｌ１ａは、分岐の第１の相において、第１の回路遮断素子Ｓ１ａと第３の回路遮断素子Ｓ３ａとの間に、第２の巻き線Ｌ２ａに直列に接続されていることがわかる。第１の巻き線Ｌ１ａは、第２の巻き線Ｌ２ａに磁気的に結合されている。これらの巻き線の間には、タップポイントＴａがある。分岐の第２の相において、第１の回路遮断素子Ｓ１ｂと第３の回路遮断素子Ｓ３ｂとの間には、第２の巻き線Ｌ２ｂに直列に接続された第１の巻き線Ｌ１ｂもまたある。第１の巻き線Ｌ１ｂは、第２の巻き線Ｌ２ｂに磁気的に結合されている。これらの巻き線の間には、タップポイントＴｂがある。更に、分岐の第３の相において、第１の回路遮断素子Ｓ１ｃと第３の回路遮断素子Ｓ３ｃとの間には、第２の巻き線Ｌ２ｃに直列に接続された第１の巻き線Ｌ１ｃもまたある。第１の巻き線Ｌ１ｃは、第２の巻き線Ｌ２ｃに磁気的に結合されている。これらの巻き線の間には、タップポイントＴｃがある。ＵＰＳモジュール１２は、第１のサーキットブレーカＳ１への接続のための第１の接続端子と、第３のサーキットブレーカＳ３への接続のための第２の接続端子と、を備えてよい。第１の接続端子は、誘導性素子１４の第１の巻き線Ｌａ、Ｌｂ、及びＬｃに提供される。

タップポイントＴａ、Ｔｂ、及びＴｃのそれぞれは、第２の三相変圧器Ｔ２の一次巻き線に接続されており、第２の三相変圧器Ｔ２の二次巻き線は、多くの電圧源ＶＳａ、ＶＳｂ、及びＶＳｃに接続されていることもわかる。そのような電圧源ＶＳａ、ＶＳｂ、及びＶＳｃのそれぞれと並列に、コンデンサの形態のエネルギストレージ手段もまた提供される。更に、インダクタが、電圧源ＶＳａ、ＶＳｂ、ＶＳｃとコンデンサとの間、及び、第２の変圧器Ｔ２の一次巻き線とコンデンサとの間に接続されている。第２の変圧器Ｔ２の二次側におけるこれらの実体はここでは、エネルギストレージを備えるコンバータ１６の形態の補助電源である。補助電源は通常、ケーブル電圧レベルよりも低い電圧レベル、例えば４８０Ｖにて作動する。エネルギストレージを備えるコンバータ１６は、ケーブルが負荷へ電力を供給できない場合に、負荷へ電力を供給するために使用する。この種類の作動モードは独立型作動モードである。一方、グリッドが負荷へ電力を供給する作動は、名目上の作動モードである。

上記の誘導性素子はまた、三相すべてにおけるすべての巻き線が、互いに磁気的に結合されている自動変圧器であってよいことも理解されよう。しかし、同じ相の巻き線間の磁気的接続は、相間の磁気的接続よりも強い。

ケーブルＣＢ１は、上述するように、負荷ＬＤ１に必要な電力の供給をできない場合がある。電力の一部又は不十分な電力のみを供給できない場合もある。これは、ケーブルＣＢ１又は第１の変圧器Ｔ１において、若しくは、配電システム又は電力グリッドにおいて故障があるという事実による場合がある。そのような状況が発生した場合、ＵＰＳモジュール１２を備える分岐の接続を、ケーブルＣＢ１から解放する必要があり得る。この接続の解放は通常、第１のサーキットブレーカＳ１を用いて行われる。グリッド又は上流ケーブルにおける電圧が降下した場合又は名目値から大きく逸脱した場合、真空サーキットブレーカである、図１における第１のサーキットブレーカＳ１はしたがって開く。

例えば、上流ケーブルＣＢ１における三相のラインとグラウンドとの間の故障の結果として第１のサーキットブレーカＳ１が開くと、重大な過電圧が第１の接続端子に生じる恐れがある。これは、第１のサーキットブレーカにて発生する再発弧（再点弧）によるものと考えられる。これらの過電圧は、１００ｋＶにも上る場合がある。

したがって、誘導性素子１４の少なくとも第１の巻き線Ｌａ、Ｌｂ、及びＬｃの、過電圧に対する保護が必要である。

これは、電源システム１０における保護装置の使用を通して行われる本発明の態様に係る。保護装置は、相毎の保護部品の第１の群を１つ含む。第１の群のそれぞれは、第１の保護部品を含む。第１の保護部品は、第１のサーキットブレーカと誘導性素子との間のリンクに接続された第１の端と、対応するタップポイントに接続された第２の端と、を有する。保護部品の第１の群において、少なくとも１つの保護部品はサージアレスタである。更に、１つのそのような第１の群は、第１の保護部品の端とグラウンドとの間に接続された第２の保護部品を含むことができる。この場合、第１の保護部品の端とグラウンドとの間に接続された少なくとも１つの部品をサージアレスタとすることができる。このサージアレスタは、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ又はＭＯ）サージアレスタであってよい。

図２は、誘導性素子１４の第１の巻き線Ｌａ、Ｌｂ、及びＬｃのための保護装置１８の第１の実施形態を模式的に示す。保護装置１８において、第１の群は各相に、タップポイントＴａ、Ｔｂ、及びＴｃと、第１の巻き線Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１Ｃと第１の回路遮断素子Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、及びＳ１ｃとの間のリンクとの間に接続された第１の保護部品を含む。第１の保護部品の第１の端は、巻き線Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、及びＬ１ｃと回路遮断素子Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、及びＳ１ｃとの間のリンクに接続されている。第２の端は、タップポイントＴａ、Ｔｂ、及びＴｃに接続されている。更に、第１の群のそれぞれにおいて、第１の保護部品の端とグラウンドとの間に接続された第２の保護部品がある。この第１の実施形態では、第２の保護部品は、第１の保護部品の第１の端に接続されている。したがって第２の保護部品は、第１の保護部品の第１の端とグラウンドとの間に接続されている。第１の保護部品はサージアレスタＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、及びＳＡ１ｃであり、第２の保護部品もまたサージアレスタＳＡ２ａ、ＳＡ２ｂ、及びＳＡ２ｃであることもわかる。

この第１の実施形態は、第１の巻き線間に渡る電圧を制限するという、第１の巻き線の保護における利点を有する。このようにして、第１の巻き線に影響するいかなる過電圧をも、サージアレスタにより直接制限できる。同時に、第１の巻き線とグラウンドとの間の電圧を、第２の保護部品により制限する。別の利点として、グリッドが正常であれば、誘導性素子１４の第１の接続端子とタップポイントとの間の電圧は比較的低いことが挙げられる。したがって、リーク電流、つまりはこれらのサージアレスタにおける損失も、名目上の作動中及び独立モードにて作動中は、非常に小さくなる。

保護装置１８の第２の実施形態を、図３に模式的に示す。この場合、第２の保護部品は、第１の保護部品の第２の端とグラウンドとの間に接続されている。この実施形態において、第１の保護部品も同様にサージアレスタＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、及びＳＡ１ｃであるが、第２の保護部品は、高周波コンデンサなどのコンデンサＣａ、Ｃｂ、及びＣｃである。また、第１の保護部品の第１の端とグラウンドとの間に接続された第３の保護部品もある。第３の保護部品もまたこの場合、サージアレスタＳＡ２ａ、ＳＡ２ｂ、及びＳＡ２ｃである。

第２の実施形態は、第１の巻き線に渡る過電圧及び第１の巻き線とグラウンドとの間の過電圧に対する保護と、第２の変圧器Ｔ２の過電圧に対する保護と、を組み合わせる。タップポイントＴａ、Ｔｂ、及びＴｃに接続されたサージアレスタＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、及びＳＡ１ｃを通る電流が、巻き線Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、及びＬ１ｃを通って戻らない場合、これはタップポイントにおける電圧の上昇を引き起こす。高周波コンデンサＣａ、Ｃｂ、及びＣｃは、これらの高い過電圧を防止する。

過渡保護のための高周波コンデンサは通常、小型である。第１の巻き線と第２の巻き線との間のタップポイントに、グラウンドに（又は、ライン間）接続された一般的なコンデンサを、更なる改善のために加えることができる。これらの付加的コンデンサは、第１の巻き線の反応的電力消費を補償しつつ、同時に、タップポイントに接続されたサージアレスタに、不必要に高い過電圧を引き起こすことなく大電流を流すことが可能なサイズとすることができる。したがって、タップポイントＴａ、Ｔｂ、及びＴｃ間にデルタ接続されたコンデンサ、又は、タップポイントＴａ、Ｔｂ、及びＴｃとグラウンドとの間に接続されたコンデンサを更に含む保護部品の更なる群があってよい。

保護装置１８の第３の実施形態を、図４に模式的に示す。この実施形態は、第３の保護部品がないという事実を通して、第２の実施形態とは異なる。サージアレスタＳＡ２ａ、ＳＡ２ｂ、及びＳＡ２ｃはしたがって、省略されている。これにより、第１の巻き線Ｌａ、Ｌｂ、及びＬｃとグラウンドとの間の保護を犠牲にして、第２の実施形態と比較して多くの保護部品が削減されている。取り除かれたサージアレスタにおけるリーク電流により生じ得る損失もまた、存在しない。残りのサージアレスタに渡る電圧は、名目上の作動及び独立作動の双方において低く、これらのサージアレスタに渡る電圧は、故障時にのみ増加することに留意されたい。更に、タップポイントに接続されたコンデンサは、コンバータの損失を最小化するために、独立モードでのコンバータにより提供されなければならない反応的電力を、コンデンサを追加することで最小化するサイズとすることができる。

保護装置の第４の実施形態を、図５に模式的に示す。図５は、第１の巻き線Ｌａ、Ｌｂ、及びＬｃを含む第１の誘導性素子の半分のみを示す。この実施形態は、第１の保護部品がコンデンサＣａ、Ｃｂ、及びＣｃであり、第２の保護部品がサージアレスタＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、及びＳＡ１ｃであることを通して、第３の実施形態とは異なる。更に、第１の保護部品の第１の端にて、すなわち、誘導性素子１４の第１の接続端子にて、相間にデルタ接続されたサージアレスタＳＡａｃ、ＳＡａｂ、及びＳＡｂｃを含む保護部品の第２の群がある。換言すると、サージアレスタの第２の群は、誘導性素子１４と第１のサーキットブレーカとの間のリンクの相間にデルタ接続されている。

この実施形態は、グラウンドに接続されている場合と対照的に、第１の接続端子でのライン間保護を、名目上の作動でのコンデンサに渡る低電圧と共に提供するという利点を有する。これはまた、コンデンサによる低電流をも達成する。

保護装置の第５の実施形態を、図６に模式的に示す。この実施形態は、保護部品の第２の群が省略されていることを通して、第４の実施形態とは異なる。これにより、ＵＰＳモジュール１２の第１の接続端子でのライン間保護を犠牲にして、第４の実施形態と比較して多くの保護部品が削減されている。

保護装置の更なる変形例を図７に示す。この変形例は、誘導性素子１４と第１のサーキットブレーカＳ１との間のリンクにて、相間に接続された、サージアレスタＳＡａｂ、ＳＡｂｃ、及びＳａａｃの第２の群を含む点において、図５に示す第４の実施形態と同様である。しかし、第１の保護部品が省略されている。代わりに、誘導性素子１４と第１のサーキットブレーカＳ１との間のリンクにて、グラウンドに接続されたサージアレスタＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、及びＳＡ１ｃがある。したがって、デルタ構成にてライン間接続された３つのサージアレスタと組み合わせて、ＵＰＳモジュール１２の第１の接続端子にて直接、ライン−グラウンド接続された３つのサージアレスタがある。このようにして、ライン間及びライン−中立間の電圧の双方が、サージアレスタにより制限されている。

上記説明より、本発明が多数の様式にて異なり得ることが明白である。例えば、上記の誘導性素子が、上記すべての実施形態において自動変圧器であり得ることが理解されよう。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ制限されることが理解されよう。

Claims (15)

1. 各相に、タップポイント（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ）により分けられ、直列接続され、磁気的に結合されている２つの巻き線（Ｌ１ａ、Ｌ２ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂ、Ｌ１ｃ、Ｌ２ｃ）を含む誘導性素子（１４）に直列に接続された真空サーキットブレーカ（Ｓ１）を含み、前記真空サーキットブレーカ（Ｓ１）は変圧器およびケーブルを介して配電システムまたはグリッドに接続される、多相無停電電源システムのための保護装置（１８）であって、
   相毎の保護部品の第１の群を１つ含み、
   前記第１の群のそれぞれは、前記真空サーキットブレーカ（Ｓ１）と前記誘導性素子（１４）との間のリンクに接続された第１の端と、対応する前記タップポイント（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ）に接続された第２の端と、を有する第１の保護部品（ＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、ＳＡ１ｃ；Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ）を含み、
   前記第１の群のそれぞれにおける少なくとも１つの前記保護部品は、サージアレスタである、
   保護装置（１８）。
2. 前記第１の群のそれぞれは、前記第１の保護部品の一端とグラウンドとの間に接続された第２の保護部品（ＳＡ２ａ、ＳＡ２ｂ、ＳＡ２ｃ；Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ；ＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、ＳＡ１ｃ）を更に含む、
   請求項１に記載の保護装置（１８）。
3. 前記第２の保護部品（Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ；ＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、ＳＡ１ｃ）は、前記第１の保護部品の前記第２の端とグラウンドとの間に接続されている、
   請求項２に記載の保護装置（１８）。
4. 前記第１の保護部品はサージアレスタ（ＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、ＳＡ１ｃ）であり、
   前記第２の保護部品はコンデンサ（Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ）である、
   請求項３に記載の保護装置（１８）。
5. 前記第１の保護部品はコンデンサ（Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ）であり、
   前記第２の保護部品はサージアレスタ（ＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、ＳＡ１ｃ）である、
   請求項３に記載の保護装置（１８）。
6. 前記第１の保護部品の前記第１の端とグラウンドとの間に接続された第３の保護部品（ＳＡ２ａ、ＳＡ２ｂ、ＳＡ２ｃ）を更に含む、
   請求項３から５のいずれか一項に記載の保護装置（１８）。
7. 前記第３の保護部品はサージアレスタである、
   請求項６に記載の保護装置（１８）。
8. 前記タップポイント間にデルタ接続された、又は、前記タップポイントとグラウンドとの間に接続されたコンデンサの形態の保護部品の更なる群を含む、
   請求項３から７のいずれか一項に記載の保護装置（１８）。
9. 前記第２の保護部品は、前記第１の保護部品の前記第１の端とグラウンドとの間に接続されている、
   請求項２に記載の保護装置（１８）。
10. 前記第１の保護部品及び前記第２の保護部品はサージアレスタ（ＳＡ１ａ、ＳＡ１ｂ、ＳＡ１ｃ、ＳＡ２ａ、ＳＡ２ｂ、ＳＡ２ｃ）である、
    請求項９に記載の保護装置。
11. 前記真空サーキットブレーカ（Ｓ１）と前記誘導性素子（１４）との間の前記リンクの前記相間にデルタ接続された保護部品（ＳＡａｂ、ＳＡｂｃ、ＳＡａｃ）の第２の群を更に含む、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の保護装置。
12. 前記第２の群の前記保護部品はサージアレスタである、
    請求項１１に記載の保護装置。
13. 前記多相無停電電源システムは、前記タップポイント（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ）に接続されたコンバータ（１６）を含む、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の保護装置（１８）。
14. 前記多相無停電電源システムは、前記タップポイント（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ）と前記コンバータ（１６）との間に接続された変圧器（Ｔ２）を含む、
    請求項１３に記載の保護装置（１８）。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の保護装置（１８）と、各相に、前記タップポイント（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ）により分けられ、直列接続され、磁気的に結合されている前記２つの巻き線（Ｌ１ａ、Ｌ２ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂ、Ｌ１ｃ、Ｌ２ｃ）を含む前記誘導性素子（１４）に直列に接続された前記真空サーキットブレーカ（Ｓ１）とを含む多相無停電電源システム（１０）。

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