KR101490420B1 - 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류제한기에 있어서, 보다 상세하게는 철심코어에 결선된 권선(코일) 간의 자기결합과 초전도 소자의 퀀치(Quench) 현상을 이용하여 전류를 제한하는데 적당한 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기에 관한 것으로, 제1관통공을 갖는 제1철심코어와 제2관통공을 갖는 제2철심코어가 평행하게 결합되어 제1 및 2 외곽 수평철심들과 한 쌍의 중앙 수평철심과 제1 내지 4 수직철심을 형성하는 철심코어체와, 상기 중앙 수평철심에 결선된 1차 권선과, 상기 1차 권선에 연결되는 2차 권선과, 상기 제2 외곽 수평철심에 결선된 3차 권선과, 상기 2차 권선과 연결되는 제1초전도 소자와, 상기 3차 권선에 연결되는 제2초전도 소자로 구성되는 것이 특징인 발명이다.

Description

2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기{flux-lock type Superconducting Fault Current Limiter limiting the peak fault current Using two HTSC elements}

본 발명은 전류제한기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철심코어에 결선된 권선(코일) 간의 자기결합과 초전도체의 퀀치(Quench) 현상을 이용하여 보다 큰 범위로 전류를 제한하는데 적당한 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기에 관한 것이다.

산업발전에 따른 전력공급설비의 증가는 전력계통의 복잡화와 송전용량의 증가를 야기시켜 왔다. 그로 인해 단락 발생 시 고장전류가 증가하면서 기존 차단기의 차단 내력을 초과하게 되어 전력계통 보호 기기들에 심각한 피해를 주게 되었다.

그러한 피해를 줄이기 위한 대책으로 단락 용량이 큰 차단기로 교체하거나 높은 임피던스 전력설비를 마련하는 등의 방안이 시도되고 있으나 여전히 경제적, 기술적, 계통 안정도면에서 해결해야 할 많은 문제를 안고 있다.

그에 따라 보다 효과적으로 고장전류를 제어할 수 있는 초전도 고장전류 제한기 (Superconducting Fault Current Limiter: 이하, SFCL)가 개발되었다.

SFCL은 전력계통에서 발생하는 고장전류를 제한하기 위한 장치로써, 초전도 고유의 특성인 급격한 저항 증가를 이용하여 고장전류의 크기를 제한하는 기능을 갖는다. 즉, 전력공급원에서 공급되는 전력을 손실 없이 계통으로 공급하고, 사고 시에 발생하는 고장전류를 제한하는 것이다.

SFCL에 사용되는 초전도 소자(High-Tc SuperConducting; 이하, HTSC element)는 전류나 온도에 따라 상태를 전이하는 특성을 가진다. SFCL은 HTSC 소자 특성을 이용하여 과전류를 제한한다. 즉, HTSC 소자는 임계치 이상의 전류나 온도에 의해 상전도 상태로 전이되고, 그에 따라 높은 저항을 발생하여 과전류를 제한한다. 이후에 HTSC 소자가 냉각되면서 다시 초전도 상태로 복귀된다.

도 1과 2는 종래의 일반적인 SFCL의 예들을 나타낸 다이어그램이다.

도 1은 동일한 철심코어에 1차 권선과 2차 권선이 결선되며, 그 1차 권선과 2차 권선이 병렬로 연결된 구조이다. 또한, 2차 권선에 HTSC 소자가 직렬 연결된 구조이다.

도 2는 동일한 철심코어에 1차 권선과 2차 권선이 결선되며, 그 1차 권선과 2차 권선이 직렬로 연결된 구조이다. 또한, 2차 권선에 HTSC 소자가 병렬 연결된 구조이다.

도 1 및 2의 SFCL 소자는 1차 권선과 2차 권선의 자기결합을 이용하는 구조로써, 정상 시에는 HTSC 소자가 초전도 상태를 유지함으로써 영 저항(0Ω)을 유지한다. 초전도 상태에서는 1차 권선과 2차 권선에서 발생하는 자속이 서로 상쇄되어 두 권선에 유기되는 전압은 '0'이다.

그러나, 고장이 발생하여 HTSC 소자에 흐르는 전류가 임계치를 초과하면, HTSC 소자에 저항이 발생한다. 그로 인해 두 권선에서 발생된 자속은 상쇄되지 않으므로 두 권선에 각각 전압이 유기된다. 한편, 유기된 전압에 따라 임피던스가 발생함으로써 고장전류가 제한된다.

도 1 및 2에서와 같이 두 권선의 자기결합을 이용한 SFCL은 고장 시에 야기되는 전력 부담을 병렬 또는 직렬 연결된 두 권선과 HTSC 소자로 분산함으로써 사용되는 HTSC 소자의 개수를 줄일 수 있으면서 HTSC 소자의 Quench 현상을 유도할 수 있는 특징이 있다. 또한 권선의 권선비를 조절하여 임피던스의 크기를 조절함으로써 전류 제한 크기를 효과적으로 조절할 수 있다.

그러나 도 1의 구조에서는 2차 권선과 HTSC 소자가 직렬로 연결되어 고장 시에 고장전류가 직접 HTSC 소자에 도통되기 때문에 HTSC 소자에 부담이 가중되는 문제가 있었다.

또한, 도 2의 구조에서는 HTSC 소자의 부담을 줄일 수 있는 장점은 있으나 고장 제거 후에 더딘 회복시간과 철심코어의 포화 등으로 인해 고장전류의 제한 효과가 저하되는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 특히 보다 빠르게 고장전류를 제한하면서도 고장 제거 후에 보다 빠르게 초전도 상태로 복귀하도록 해주는 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기의 일 특징은, 제1관통공을 갖는 제1철심코어와 제2관통공을 갖는 제2철심코어가 평행하게 결합되어 제1 및 2 외곽 수평철심들과 한 쌍의 중앙 수평철심과 제1 내지 4 수직철심을 형성하는 철심코어체와, 상기 중앙 수평철심에 결선된 1차 권선과, 상기 1차 권선에 연결되는 2차 권선과, 상기 제2 외곽 수평철심에 결선된 3차 권선과, 상기 2차 권선과 연결되는 제1초전도 소자와, 상기 3차 권선에 연결되는 제2초전도 소자로 구성되는 것이다.

바람직하게, 상기 2차 권선은 상기 1차 권선에 직렬 연결되며 상기 제1 외곽 수평철심과 상기 중앙 수평철심 사이의 제1 수직철심에 결선되고, 상기 제1초전도 소자는 상기 2차 권선과 병렬 연결될 수 있다.

바람직하게, 상기 2차 권선은 상기 1차 권선에 병렬 연결되며 상기 제1 외곽 수평철심에 결선되고, 상기 제1초전도 체는 상기 2차 권선과 직렬 연결될 수 있다.

바람직하게, 상기 1차 권선과 상기 2차 권선은 비절연형 권선이고, 상기 1차 권선과 상기 3차 권선은 절연형 권선일 수 있다.

바람직하게, 상기 1차 권선과 상기 3차 권선은 변압기 권선일 수 있다.

바람직하게, 상기 제1초전도 소자와 상기 제2초전도 소자는 전류를 제한하는 서로 다른 임계치를 가질 수 있다. 특히, 상기 제1초전도 소자가 상기 제2초전도 소자 보다 낮은 임계치를 가질 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기의 다른 특징은, 전류입력단과 전류출력단 사이에 연결된 제1인덕터와 제2인덕터와, 상기 제1인덕터와 절연형 변압기 권선(Isolated transformer winding)을 이용하여 결선된 제3인덕터와, 상기 제2인덕터에 연결된 제1초전도 소자와, 상기 제3인덕터에 연결된 제2초전도 소자로 구성되는 것이다.

바람직하게, 상기 제1인덕터와 상기 제2인덕터는 상기 전류입력단과 상기 전류출력단 사이에 직렬 연결되고, 상기 제1초전도 소자는 상기 제2인덕터에 병렬 연결될 수 있다.

바람직하게, 상기 제1인덕터와 상기 제2인덕터는 상기 전류입력단과 상기 전류출력단 사이에 병렬 연결되고, 상기 제1초전도 소자는 상기 제2인덕터에 직렬 연결될 수 있다.

본 발명에 따르면 철심코어에 결선된 권선 간의 자기결합과 초전도 소자의 Quench 현상을 이용하는 구조로써, 고장전류를 빠르게 제한하면서도 고장 제거 시에는 HTSC에 대한 초전도 상태로의 회복시간을 단축할 수 있는 회복특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 2개의 초전도 소자(HTSC element)를 사용하여 고장전류를 제한함에 따라, 보다 큰 크기를 갖는 피크 고장전류를 제한할 수 있다는 효과가 있다.

도 1과 2는 종래의 일반적인 SFCL의 예들을 나타낸 다이어그램,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 SFCL을 나타낸 다이어그램.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 SFCL을 나타낸 다이어그램.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 SFCL을 나타낸 다이어그램이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 SFCL은 철심코어체(10,20), 그 철심코어체(10,20)에 결선된 1차 권선과 2차 권선과 3차 권선, 그리고 일부 권선에 직접적 또는 간접적으로 연결되는 초전도 소자들(30,40)로 구성된다.

철심코어체(10,20)는 제1관통공을 갖는 제1철심코어(10)와 제2관통공을 갖는 제2철심코어(20)로 구성되며, 제1철심코어(10)와 제2철심코어(20)가 평행하게 결합된 구조이다.

철심코어체(10,20)는 제1철심코어(10)와 제2철심코어(20)의 평행 결합에 의해 제1 및 2 외곽 수평철심들과 한 쌍의 중앙 수평철심과 제1 내지 4 수직철심을 형성한다. 여기서, 제1 내지 4 수직철심은 수평철심들과 수직을 이루는 철심인 것이 바람직하다.

전류 입력단과 연결되는 1차 권선은 중앙 수평철심에 결선된다. 즉, 제1철심코어(10)와 제2철심코어(20)에 걸쳐서 결선된다.

2차 권선은 1차 권선에 직렬 연결되며 1차 권선에 이웃하게 제1철심코어(10)에 결선된다. 특히, 2차 권선은 제1 외곽 수평철심과 중앙 수평철심 사이의 제1 수직철심에 결선된다.

3차 권선은 제2철심코어(20)에 결선되며, 특히 제2 외곽 수평철심에 결선된다.

1차 권선과 2차 권선은 비절연형 권선이고, 1차 권선과 3차 권선을 절연형 권선이다.

특히, 1차 권선과 3차 권선은 변압기 권선(transformer winding)으로 결선되며, 1차 권선에 흐르는 전류(i1)에 의해 그 1차 권선에 유도된 전압은 3차 권선에 인가되며, 그로 인해 전류 i3가 발생한다.

제1 내지 2 초전도 소자(HTSC element)(30,40)는 고장전류를 제한하는 기능을 수행하는 것으로, 제1 내지 2 초전도 소자(HTSC element)(30,40)는 2개의 초전도 소자로 이루어져 제한하고자 하는 고장전류의 크기에 대응하는 임계치를 갖는다.

일 예로써, 고장전류를 제한하는데 있어서 제1초전도 소자(30)의 임계치와 제2초전도 소자(40)의 임계치가 서로 다르도록 구현되며, 제1초전도 소자 (30)가 제2초전도 소자 (40)보다 낮은 임계치를 갖도록 구현되는 것이 바람직하다.

제1초전도 소자 (30)가 제2초전도 소자 (40)보다 낮은 임계치를 갖는 경우, 고장전류의 크기에 따라 제1초전도 소자(30)에서 먼저 저항이 발생하고, 고장전류의 크기가 보다 커지면 제2초전도 소자(40)에도 저항이 발생하여 고장전류를 제한한다.

한편, 제1초전도 소자(30)는 2차 권선과 병렬 연결되며, 제2초전도 소자(40)는 3차 권선에 연결된다.

다른 예로써, 2차 권선과 제1 초전도 소자(30)가 병렬 연결됨에 따라 2차 권선에 흐르는 전류(i2)와 제1 초전도 소자(30)로 흐르는 전류(isc)가 분배되고, 제1 초전도 소자(30)로 흐르는 전류(isc)의 크기가 제1 초전도 소자(30)의 임계치를 초과함에 따라 그 제1 초전도 소자 30)에 저항 Rsc1이 발생하여 그에 따른 전압이 발생한다. 다음으로 1차 권선에 흐르는 전류(i1)에 의해 3차 권선에 전류 i3가 발생하고, 그 전류 i3의 크기가 제2 초전도 소자(40)의 임계치를 초과함에 따라 제2 초전도 소자(40)에 저항 Rsc2이 발생하여 그에 따른 전압이 발생한다. 그에 따라, 전류가 제한된다.

도 3의 구성을 회로적으로 설명하면, 고장전류(i1)가 입력되는 전류입력단과 전류가 차단되는 전류출력단 사이에 직렬 연결된 제1인덕터와 제2인덕터가 구비된다. 여기서 제1인덕터가 1차 권선이고 제2인덕터가 2차 권선이다.

또한, 제1인덕터와 절연형 변압기 권선(Isolated transformer winding)으로 결선되는 별도의 제3인덕터가 구비된다.

제1 초전도 소자(30)는 제2인덕터에 병렬 연결되며, 제2 초전도 소자(40)는 제3인덕터에 연결된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 SFCL을 나타낸 다이어그램이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 SFCL은 철심코어체(100,200), 그 철심코어체(100,200)에 결선된 1차 권선과 2차 권선과 3차 권선, 그리고 일부 권선에 직접적 또는 간접적으로 연결되는 초전도 소자들(300,400)로 구성된다.

철심코어체(100,200)는 제1관통공을 갖는 제1철심코어(100)와 제2관통공을 갖는 제2철심코어(200)로 구성되며, 제1철심코어(100)와 제2철심코어(200)가 평행하게 결합된 구조이다.

철심코어체(100,200)는 제1철심코어(100)와 제2철심코어(200)의 평행 결합에 의해 제1 및 2 외곽 수평철심들과 한 쌍의 중앙 수평철심과 제1 내지 4 수직철심을 형성한다. 여기서, 제1 내지 4 수직철심은 수평철심들과 수직을 이루는 철심인 것이 바람직하다.

전류 입력단과 연결되는 1차 권선은 중앙 수평철심에 결선된다. 즉, 제1철심코어(100)와 제2철심코어(200)에 걸쳐서 결선된다.

2차 권선은 1차 권선에 병렬 연결되며 제1철심코어(100)에 결선된다. 특히, 2차 권선은 제1 외곽 수평철심에 결선된다.

3차 권선은 제2철심코어(200)에 결선되며, 특히 제2 외곽 수평철심에 결선된다.

1차 권선과 2차 권선은 비절연형 권선이고, 1차 권선과 3차 권선을 절연형 권선이다.

특히, 1차 권선과 3차 권선은 변압기 권선(transformer winding)으로 결선되며, 1차 권선에 흐르는 전류(i1)에 의해 그 1차 권선에 유도된 전압은 3차 권선에 인가되며, 그로 인해 전류 i3가 발생한다.

제1 내지 2 초전도 소자(HTSC)(300,400)는 고장전류를 제한하는 기능을 수행하는 것으로, 제1 내지 2 초전도체(HTSC)(300,400)는 복수 개의 초전도 소자로 이루어져 제한하고자 하는 고장전류의 크기에 대응하는 임계치를 갖는다.

일 예로써, 고장전류를 제한하는데 있어서 제1초전도 소자(300)의 임계치와 제2초전도 소자(400)의 임계치가 서로 다르도록 구현되며, 제1초전도 소자(300)가 제2초전도 소자(400)보다 낮은 임계치를 갖도록 구현되는 것이 바람직하다.

제1초전도 소자(300)가 제2초전도 소자(400)보다 낮은 임계치를 갖는 경우, 고장전류의 크기에 따라 제1초전도 소자(300)에서 먼저 저항이 발생하고, 고장전류의 크기가 보다 커지면 제2초전도 소자(400)에도 저항이 발생하여 고장전류를 제한한다.

한편, 제1초전도 소자(300)는 2차 권선과 직렬 연결되며, 제2초전도 소자(400)는 3차 권선에 연결된다.

다른 예로써, 2차 권선에 흐르는 전류(i2)의 크기가 제1초전도 소자(300)의 임계치를 초과함에 따라 그 제1초전도 소자(300)에 저항 Rsc1이 발생하여 그에 따른 전압이 발생한다. 다음으로 1차 권선에 흐르는 전류(i1)에 의해 3차 권선에 전류 i3가 발생하고, 그 전류 i3의 크기가 제2초전도 소자(400)의 임계치를 초과함에 따라 제2초전도 소자(400)에 저항 Rsc2이 발생하여 그에 따른 전압이 발생한다. 그에 따라, 전류가 제한된다.

그러나, 3차 권선에 발생한 전류 i3가 제2초전도 소자(400)의 임계치만큼 크지 않으면, 제2초전도 소자(400)에 저항 Rsc2이 발생하지 않으며, 제1초전도 소자 (300)에만 발생된 저항 Rsc1으로써 고장전류를 제한한다.

도 3의 구성을 회로적으로 설명하면, 고장전류(i1)가 입력되는 전류입력단과 전류가 차단되는 전류출력단 사이에 병렬 연결된 제1인덕터와 제2인덕터가 구비된다. 여기서 제1인덕터가 1차 권선이고 제2인덕터가 2차 권선이다.

또한, 제1인덕터와 절연형 변압기 권선(Isolated transformer winding)으로 결선되는 별도의 제3인덕터가 구비된다.

제1초전도 소자(300)는 제2인덕터에 직렬 연결되며, 제2초전도 소자(400)는 제3인덕터에 연결된다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.

그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 제1철심코어 20: 제2철심코어
30: 제1초전도 소자 40: 제2초전도 소자

Claims (10)

1. 제1관통공을 갖는 제1철심코어와 제2관통공을 갖는 제2철심코어가 평행하게 결합되어 제1 및 2 외곽 수평철심들과 한 쌍의 중앙 수평철심과 제1 내지 4 수직철심을 형성하는 철심코어체;
   상기 중앙 수평철심에 결선된 1차 권선;
   상기 1차 권선에 직렬 연결되며, 상기 제1 외곽 수평철심과 상기 중앙 수평철심 사이의 제1 수직철심에 결선되는 2차 권선;
   상기 제2 외곽 수평철심에 결선된 3차 권선;
   상기 2차 권선과 병렬 연결되며, 제1 임계치를 가지는 제1초전도 소자; 그리고
   상기 3차 권선에 연결되며, 상기 제1 임계치와 다른 제2 임계치를 가지는 제2초전도 소자로 구성되되,
   상기 제1초전도 소자와 병렬 연결되는 상기 2차 권선에 흐르는 제1전류로부터 분배되어 상기 제1초전도 소자로 흐르는 제2전류의 크기가 상기 제1 임계치를 초과함에 따라 상기 제1초전도 소자에 발생하는 제1저항에 의해 제1전압이 발생하고, 상기 1차 권선에 흐르는 제3전류에 의해 상기 3차 권선에 유도되는 제4전류의 크기가 상기 제2 임계치를 초과함에 따라 상기 제2초전도 소자에 발생하는 제2저항에 의해 제2전압이 발생하여 전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기.
2. 삭제
3. 제1관통공을 갖는 제1철심코어와 제2관통공을 갖는 제2철심코어가 평행하게 결합되어 제1 및 2 외곽 수평철심들과 한 쌍의 중앙 수평철심과 제1 내지 4 수직철심을 형성하는 철심코어체;
   상기 중앙 수평철심에 결선된 1차 권선;
   상기 1차 권선에 병렬 연결되며, 상기 제1 외곽 수평철심에 결선되는 2차 권선;
   상기 제2 외곽 수평철심에 결선된 3차 권선;
   상기 2차 권선과 직렬 연결되며, 제1 임계치를 가지는 제1초전도 소자; 그리고
   상기 3차 권선에 연결되며, 상기 제1 임계치와 다른 제2 임계치를 가지는 제2초전도 소자로 구성되되,
   상기 2차 권선에 흐르는 제1전류의 크기가 상기 제1 임계치를 초과함에 따라 상기 제1초전도 소자에 발생하는 제1저항에 의해 제1전압이 발생하고, 상기 1차 권선에 흐르는 제2전류에 의해 상기 3차 권선에 유도하는 제3전류의 크기가 상기 제2 임계치를 초과함에 따라 상기 제2초전도 소자에 발생하는 제2저항에 의해 제2전압이 발생하여 전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기.
4. 제 1 또는 3 항에 있어서,
   상기 1차 권선과 상기 2차 권선은 비절연형 권선이고, 상기 1차 권선과 상기 3차 권선은 절연형 권선인 것을 특징으로 하는 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기.
5. 제 1 또는 3 항에 있어서, 상기 1차 권선과 상기 3차 권선은 변압기 권선인 것을 특징으로 하는 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기.
6. 삭제
7. 제 1 또는 3 항에 있어서, 상기 제1초전도 소자가 상기 제2초전도 소자 보다 낮은 임계치를 갖는 것을 특징으로 하는 2개의 초전도 소자를 사용하여 피크전류를 제한하는 자속구속형 초전도 고장전류 제한기.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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