KR102141343B1 - Hvdc 시스템의 공진전류 제거 장치 및 방법 - Google Patents

Hvdc 시스템의 공진전류 제거 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치에 관한 것으로, HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단에 공진전류를 체크하여 제거하는 피뢰기; 및 상기 피뢰기의 내구연한 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 하는 내구연한 관리 장치;를 포함한다.

Description

HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING RESONANCE CURRENT IN HVDC SYSTEM}
본 발명은 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단의 주파수 차이에 의해 발생하는 공진전류를 감지하여 제거하고, 내구연한 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 하는, HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 HVDC(High Voltage Direct Current, 초고압 직류 송전) 시스템은 장거리 전력 수송 시, 비용절감, 고장전류 차단, 대규모 신재생 에너지 활용 등 여러 가지의 장점들로 인하여 국내외에 널리 사용되고 있다. 이 중에서 또 하나의 특징으로, HVDC 시스템은 주파수가 다른 계통을 연계시키는 것이 가능하다는 점이다.
그런데 상기와 같이 주파수가 다른 계통과의 연계 시 DC선로에 공진이 발생할 확률이 높으며, 공진이 발생하게 되면 과전압으로 인해 절연파괴, 및 밸브 소손 등을 발생시킬 가능성이 있다.
상기 HVDC 시스템(예 : 전류형과 전압형 HVDC 시스템)은 이러한 공진을 방지하기 위한 방법으로 평활리액터를 적극 활용한다. 상기 평활리액터는 일반적으로 DC라인에서의 고조파를 제거하여 최대한 직류전류를 만들어 주는 역할이 기본기능이며, DC단의 고장전류차단 기능이 있으며, 또한 저주파 영역에서 발생할 수 있는 공진점을 이동시켜 공진으로 인한 최대값을 억제하는 기능도 가지고 있다.
상기 전류형 HVDC 시스템은 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 정류기(Rectifier)측과 DC전력을 다시 AC전력으로 변환하는 인버터(Inverter)측으로 구성된다. 즉, 일반적인 전류형 HVDC 시스템은 기본적으로 AC 계통의 선간전압을 기준으로 AC-DC-AC 변환과정을 통해 정류되도록 구성된다.
상기 전압형 HVDC 시스템에서의 평활리액터는 DC단 고장에 대한 예방을 주목적으로 하기 때문에 큰 전류 감지는 가능하지만, AC전압의 주파수가 다른 경우에 발생하는 공진전류를 감지하기가 어렵다. 하지만, 전압형 HVDC 시스템 기술이 급성장하여 향후에는 전압형을 많이 사용하게 될 예정이고, 국가간 연계시에는 이러한 공진현상을 방지하기 위한 비용 등 큰 문제를 발생할 확률이 높다.
따라서 국가간 연계시 HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단의 주파수 차이에 의해 공진이 발생할 수 있으며, 이러한 공진이 발생하면 임피던스가 감소하면서 전류가 급격히 증가하고 과전압이 발생하므로, 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거하기 위한 방법이 필요한 상황이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2013-0083292호(2013.07.22. 공개, HVDC 시스템이 연계된 AC 계통의 과전압제어 시스템)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단의 주파수 차이에 의해 발생하는 공진전류를 감지하여 제거하고, 내구연한 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 하는, HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치는, HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단에 공진전류를 체크하여 제거하는 피뢰기; 및 상기 피뢰기의 내구연한 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 하는 내구연한 관리 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 피뢰기는, 과전압 및 과전류가 흐르는 것을 검출하여 공진 발생을 감지하는 공진감지기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 내구연한 관리 장치는, 상기 피뢰기가 공진전류 제거 동작을 수행하는 것을 검출하는 피뢰기 동작 검출부; 상기 피뢰기의 동작 시 인가되는 전압&전류를 검출하는 전압&전류 검출부; 상기 피뢰기가 동작하는 시간을 검출하여 누적하는 동작시간 검출부; 및 상기 피뢰기의 동작 시 소멸되는 피뢰기의 내구연한을 산출하고, 상기 피뢰기의 초기 내구연한에서 상기 산출한 소멸되는 피뢰기의 내구연한을 비교하여, 남은 내구연한을 산출하여 출력하고, 또한 피뢰기의 교환 또는 재설치 시기를 알람하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 피뢰기의 초기 내구연한에서 남은 내구연한을 출력하는 내구연한 출력부; 및 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 피뢰기의 남은 내구연한이 미리 지정된 교환 또는 재설치 내구연한이 되면 교환 또는 재설치 시기를 시각정보나 청각 정보를 이용해 사용자에게 알람하는 알람 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 내구연한을 산출하기 위하여, 피뢰기 내구연한 DB를 참조하며, 상기 피뢰기 내구연한 DB는, 피뢰기별 내구연한에 영향을 미치는 적어도 하나 이상의 정보들을 룩업 테이블 형태로 저장하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 HVDC 시스템의 공진전류 제거 방법은, HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단에 공진전류를 체크하여 제거하는 피뢰기와 상기 피뢰기의 내구연한 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 하는 내구연한 관리 장치를 포함하는 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치의 제어부가, 상기 피뢰기가 공진전류 제거 동작을 수행하는지 체크하는 단계; 상기 피뢰기의 동작 시, 상기 제어부가 상기 피뢰기에 인가되는 전압&전류를 검출하는 단계; 상기 제어부가, 상기 피뢰기가 공진전류 제거 동작을 위해 동작하는 시간을 체크하는 단계; 상기 제어부가, 상기 피뢰기의 동작 시 소멸되는 피뢰기의 내구연한을 산출하는 단계; 상기 제어부가, 상기 피뢰기의 초기 내구연한에서 상기 산출한 소멸되는 피뢰기의 내구연한을 비교하여, 남은 내구연한을 산출하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 산출된 피뢰기의 남은 내구연한을 출력하고, 또한 상기 피뢰기의 교환 또는 재설치 시기를 알람하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 피뢰기의 소멸되는 내구연한 또는 남은 내구연한을 산출하기 위하여, 상기 제어부가 피뢰기 내구연한 DB를 참조하며, 상기 피뢰기 내구연한 DB는, 피뢰기별 내구연한에 영향을 미치는 적어도 하나 이상의 정보들을 룩업 테이블 형태로 저장하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단의 주파수 차이에 의해 발생하는 공진전류를 감지하여 제거하고, 내구연한 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치의 구성과 설치 위치를 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 피뢰기의 내부 구성을 개략적으로 보인 예시도.
도 3은 상기 도 2에 있어서, 피뢰기의 특성곡선을 보인 예시도.
도 4는 상기 도 1에 있어서, HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치에서 내구연한 관리 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 5는 상기 도 1에 있어서, HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치에서 내구연한 관리 장치의 제어 방법을 설명하기 위하여 보인 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치의 구성과 설치 위치를 보인 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치는, HVDC 시스템(예 : 전압형 HVDC 시스템)에서 AC 계통 양 단에 공진전류를 체크하여 제거하는 피뢰기(100), 및 상기 피뢰기(100)의 내구연한(또는 수명) 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 하는 내구연한(또는 수명) 관리 장치(200)를 포함한다.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 피뢰기의 내부 구성을 개략적으로 보인 예시도로서, 상기 피뢰기(100)는 과전압 및 과전류가 흐르는 것을 검출하여 공진 발생을 감지하는 공진감지기(110)를 포함된다.
상기 피뢰기(100)에서 상기 공진감지기(110)를 제외한 나머지 구성은 기존의 일반적인 피뢰기의 구성요소들(예 : 방압판 O링, 스프링, ZnO 소자, 절연통, 분압콘덴서, 애자, 가스가이드, 밀봉단자 등)을 포함할 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단에 설치된 피뢰기(100)는, 공진이 발생하면(또는 공진감지기(110)를 통해 공진 발생을 감지하면), 급격히 증가하는 전류량과 전류파형을 체크하여 공진 발생을 감지할 수 있다.
일반적으로 공진이 발생하게 되면, 전류량이 기준 이상으로 급격하게 증가하게 되고 전류파형도 기준(또는 허용 범위)을 벗어나 찌그러지게 된다.
이와 같이 공진이 발생할 경우 피뢰기(100)가 동작하며, 피뢰기 동작 검출부(도 4의 210)가 상기 피뢰기(100)의 동작을 감지(또는 검출)하게 된다. 즉, 공진이 발생하고 과전압이 발생하면 급격한 전류가 발생하게 된다.
상기와 같이 급격한 전류가 발생하면 피뢰기(100)가 동작하며, 공진 시 상기 피뢰기(100)를 통해 과전류를 제거하게 된다. 즉, 도 3을 참조하면, 제2 영역(Ⅱ zone)으로 피뢰기(100)에 흐르는 전압이 진입하게 되면, 비직선 특성으로 인해 전류를 단시간에 급격히 제거하게 된다.
참고로, 도 3은 상기 도 2에 있어서, 피뢰기의 특성곡선을 보인 예시도로서, 피뢰기(100)의 영역(Zone)별 특징을 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 제1 영역(Ⅰ zone)(또는 항복 영역)은, 전계가 인가되면 ZnO 결정과 임계층의 경계면 전위장벽이 전계에 의하여 낮아지고 열전자가 장벽을 뛰어 넘음으로써 전류가 흐르게 된다. 제2 영역(Ⅱ zone)(또는 항복 영역)은, 전계가 더 커지면 경계면에 갇혀있던 전자는 터널효과에 의하여 장벽을 빠져나가게 된다. 이 때문에 전류가 급격히 증가하고 큰 비직선성을 나타내게 된다. 이때 적용되는 식은
Figure 112018045849373-pat00001
인데, 여기서 I는 전류, V는 전압, C는 커패시턴스를 의미하며, a는 40 또는 그이상이 된다. 제3 영역(Ⅲ zone)(또는 대전류 영역)은, 전류밀도가 더 커지면 ZnO의 결정의 비저항 성분(Rz)이 지배적이고, 이 영역에서 a는 거의 1에 가까워진다.
상기와 같이 피뢰기(100)는 자체적인 특성에 따라, HVDC 시스템의 AC 계통 양 단에서 공진전류가 발생할 경우에 동작하여 공진전류를 제거하게 된다. 그러나 상기 피뢰기(100)는 동작 시간이나 제거하는 공진전류의 크기(또는 양)에 따라 내구연한(수명)이 감소되는 속도(또는 기간)가 달라질 수 있다.
상기와 같이 내구연한(수명)이 종료될수록 공진전류의 제거 성능이 저하되며, 또한 공진전류의 제거 도중에 내구연한(수명)이 종료될 경우, 공진에 의해 발생한 과전압으로 인해 절연파괴, 및 밸브 소손 등을 발생시킬 수 있다. 따라서 상기 피뢰기(100)의 성능이 저하되거나 공진전류의 제거 도중에 내구연한(수명)이 종료되지 않도록 관리할 필요가 있다.
상기 내구연한(또는 수명) 관리 장치(200)는 상기 피뢰기(100)의 내구연한(또는 수명) 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 한다.
도 4는 상기 도 1에 있어서, HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치에서 내구연한 관리 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치에서 내구연한 관리 장치는, 피뢰기 동작 검출부(210), 전압&전류 검출부(220), 동작시간 검출부(230), 제어부(240), 피뢰기 내구연한 DB(250), 내구연한(수명) 출력부(260), 및 알람 출력부(270)를 포함한다.
상기 피뢰기 동작 검출부(210)는 HVDC 시스템에서 공진에 의한 과전압이 발생하여 급격한 전류(즉, 공진전류)가 발생하게 됨에 따라, 이를 감지한 피뢰기(100)가 공진전류 제거 동작을 수행하는 것을 검출한다.
상기 전압&전류 검출부(220)는 상기 피뢰기(100)의 동작 시, 피뢰기(100)에 인가되는 전압&전류(즉, 공진에 의해 발생된 과전압과 이에 따른 공진전류)를 검출한다.
상기 동작시간 검출부(230)는 상기 피뢰기(100)가 동작하는 시간을 검출하여 누적한다.
상기 제어부(240)는 상기 피뢰기 동작 검출부(210), 전압&전류 검출부(220), 및 동작시간 검출부(230)를 통해 검출된 각 정보에 기초하여 소멸되는 피뢰기의 내구연한(수명)을 산출한다.
상기 제어부(240)는 상기 내구연한(수명)을 산출하기 위하여, 피뢰기 내구연한 DB(250)를 참조할 수 있다.
상기 피뢰기 내구연한 DB(250)는 피뢰기별 내구연한(수명)에 영향을 미치는 적어도 하나 이상의 정보들을 룩업 테이블 형태로 저장한다. 예컨대 상기 피뢰기 내구연한 DB(250)에 저장되는 정보에는 피뢰기의 커패시턴스, 전압, 및 전류 등이 포함된다.
상기 제어부(240)는 피뢰기(100)의 본래 내구연한(초기 내구연한)에서 상기 산출한 소멸되는 피뢰기의 내구연한(수명)을 비교하여, 남은 내구연한(수명)을 산출하여 출력하고, 또한 피뢰기(100)의 교환(또는 재설치) 시기를 미리 알람한다.
상기 내구연한(수명) 출력부(260)는, 상기 제어부(140)의 제어에 따라, 상기 피뢰기(100)의 본래 내구연한(초기 내구연한)에서 남은 내구연한을 출력한다.
상기 알람 출력부(270)는, 상기 제어부(140)의 제어에 따라, 상기 피뢰기(100)의 남은 내구연한(수명)이 미리 지정된 교환(또는 재설치) 내구연한(수명)이 되면 교환(또는 재설치) 시기를 시각정보나 청각 정보를 이용해 사용자(또는 관리자)에게 알람한다.
도 5는 상기 도 1에 있어서, HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치에서 내구연한 관리 장치의 제어 방법을 설명하기 위하여 보인 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(240)는 HVDC 시스템에서 공진에 의한 과전압이 발생하여 급격한 전류(즉, 공진전류)가 발생하게 됨에 따라, 이를 감지한 피뢰기(100)가 동작하여 공진전류 제거 동작을 수행하는지 체크한다(S101).
상기 제어부(240)는 상기 피뢰기(100)의 동작 시(S101의 예), 피뢰기(100)에 인가되는 전압&전류(즉, 공진에 의해 발생된 과전압과 이에 따른 공진전류)를 검출한다(S101).
상기 제어부(240)는 상기 피뢰기(100)가 공진전류 제거 동작을 위해 동작하는 시간을 체크(또는 검출)한다(S103).
상기 제어부(240)는 상기 피뢰기 동작 검출부(210), 전압&전류 검출부(220), 및 동작시간 검출부(230)를 통해 검출된 각 정보(예 : 피뢰기 동작 시간, 전압, 전류)에 기초하여 소멸되는 피뢰기(100)의 내구연한(수명)을 산출한다(S104).
상기 제어부(240)는 상기 피뢰기(100)의 본래 내구연한(초기 내구연한)에서 상기 산출한 소멸되는 피뢰기의 내구연한(수명)을 비교하여, 남은 내구연한(수명)을 산출한다(S105).
이때 상기 제어부(240)는 상기 내구연한(수명)을 산출하기 위하여, 피뢰기 내구연한 DB(250)를 참조할 수 있다.
또한 상기 제어부(240)는 상기 산출된 피뢰기(100)의 남은 내구연한(수명)을 출력하고, 또한 상기 피뢰기(100)의 교환(또는 재설치) 시기를 알람한다(S106).
이에 따라 사용자는 피뢰기(100)의 성능 저하나 내구연한(수명)이 종료되기 전에 피뢰기(100)를 교환하거나 재설치하여 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 피뢰기 110 : 공진감지기
200 : 내구연한 관리 장치 210 : 피뢰기 동작 검출부
220 : 전압&전류 검출부 230 : 동작시간 검출부
240 : 제어부 250 : 피뢰기 내구연한 DB
260 : 내구연한 출력부 270 : 알람 출력부

Claims (7)

  1. HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단에 공진전류를 체크하여 제거하는 피뢰기; 및
    상기 피뢰기의 내구연한 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 하는 내구연한 관리 장치;를 포함하되,
    상기 내구연한 관리 장치는,
    상기 피뢰기가 공진전류 제거 동작을 수행하는 것을 검출하는 피뢰기 동작 검출부;
    상기 피뢰기의 동작 시 인가되는 전압&전류를 검출하는 전압&전류 검출부;
    상기 피뢰기가 동작하는 시간을 검출하여 누적하는 동작시간 검출부; 및
    상기 피뢰기의 동작 시 소멸되는 피뢰기의 내구연한을 산출하고, 상기 피뢰기의 초기 내구연한에서 상기 산출한 소멸되는 피뢰기의 내구연한을 비교하여, 남은 내구연한을 산출하여 출력하고, 또한 피뢰기의 교환 또는 재설치 시기를 알람하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 피뢰기는,
    과전압 및 과전류가 흐르는 것을 검출하여 공진 발생을 감지하는 공진감지기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부의 제어에 따라, 상기 피뢰기의 초기 내구연한에서 남은 내구연한을 출력하는 내구연한 출력부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라, 상기 피뢰기의 남은 내구연한이 미리 지정된 교환 또는 재설치 내구연한이 되면 교환 또는 재설치 시기를 시각정보나 청각 정보를 이용해 사용자에게 알람하는 알람 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 내구연한을 산출하기 위하여, 피뢰기 내구연한 DB를 참조하며,
    상기 피뢰기 내구연한 DB는, 피뢰기별 내구연한에 영향을 미치는 적어도 하나 이상의 정보들을 룩업 테이블 형태로 저장하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치.
  6. HVDC 시스템에서 AC 계통 양 단에 공진전류를 체크하여 제거하는 피뢰기와 상기 피뢰기의 내구연한 관리를 통해 공진전류를 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있도록 하는 내구연한 관리 장치를 포함하는 HVDC 시스템의 공진전류 제거 장치의 제어부가, 상기 피뢰기가 공진전류 제거 동작을 수행하는지 체크하는 단계;
    상기 피뢰기의 동작 시, 상기 제어부가 상기 피뢰기에 인가되는 전압&전류를 검출하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 피뢰기가 공진전류 제거 동작을 위해 동작하는 시간을 체크하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 피뢰기의 동작 시 소멸되는 피뢰기의 내구연한을 산출하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 피뢰기의 초기 내구연한에서 상기 산출한 소멸되는 피뢰기의 내구연한을 비교하여, 남은 내구연한을 산출하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 산출된 피뢰기의 남은 내구연한을 출력하고, 또한 상기 피뢰기의 교환 또는 재설치 시기를 알람하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 공진전류 제거 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 피뢰기의 소멸되는 내구연한 또는 남은 내구연한을 산출하기 위하여,
    상기 제어부가 피뢰기 내구연한 DB를 참조하며,
    상기 피뢰기 내구연한 DB는, 피뢰기별 내구연한에 영향을 미치는 적어도 하나 이상의 정보들을 룩업 테이블 형태로 저장하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 공진전류 제거 방법.
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