KR102436484B1 - 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템 - Google Patents

배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배전시설물에 이격 설치된 3축 가속도 센서로부터 지진 또는 충격에 의해 발생되는 진동을 검출하여 진동의 원인에 따라 배전시설물의 지락사고 또는 단락사고를 방지할 수 있는 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템은 전력설비의 받침부에 설치되는 제1 가속도센서모듈과 상기 전력설비의 상부측에 설치되는 제2 가속도센서모듈을 포함하는 가속도센서부와 상기 가속도센서부에서 출력되는 각각의 변동전압을 진동주파수로 변환하여 전송하는 감지전송부를 포함하는 진동감지장치; 및 상기 진동감지장치에서 전송되는 진동주파수를 수신하여 진동의 크기, 진동의 종류를 판단하여 진단하는 진단제어장치를 포함하고, 상기 진단제어장치는 상기 제1 가속도센서모듈과 상기 제2 가속도센서모듈에서 각각 출력되는 진동주파수에 근거하여 지진에 의한 지진진동과 외부 충격에 의한 충격진동을 구분하여 진단하는 것을 특징으로 한다.

Description

배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템{EARTHQUAKE MONITORING AND DIAGNOSTIC SYSTEM USING DETECTING EARTHQUAKES FOR ELECTRIC DISTRIBUTION PANEL}
본 발명은 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배전반(전력설비 등)에 이격 설치된 3축 가속도 센서로부터 지진 또는 충격에 의해 발생되는 진동을 검출하여 진동의 원인에 따라 배전시설물의 지락사고 또는 단락사고를 방지할 수 있는 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 관한 것이다.
최근에는 건물의 실내외에 구비되는 배전반(고압반, 저압반, 전동기 제어반, 분전반)에 대한 내진설계 기준이 점차 강화되고 있으며, 이러한 추세에 맞추어 배전반에 가해지는 지진 진동을 감소시키는 배전반용 면진장치와, 지진 발생시 배전반으로 공급되는 전력을 차단하여 배전반의 파손으로 인해 발생할 수 있는 화재 및 단락 등의 2차 사고를 미연에 방지하는 기술들이 개발되고 있다.
일반적인 지진 감지 시스템은 지진을 감지하는 센서와 상기 센서로부터 검출된 신호의 크기에 따라 주의, 경고, 차단 등으로 구분하고, 소정의 신호 이상으로 판단되는 경우에는 차단기 트립신호를 출력하여 배전반에서 공급되는 전력을 차단하여 부하측의 지락사고 또는 단락사고를 방지하도록 구성된다.
지진을 감지하는 시스템으로서, 등록특허공보 제10-1546074호에 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템이 개시되었다.
상기 기술은 구조물에 가해지는 진동 에너지에 대한 진동 가속도의 크기와 방향을 검출하고 그에 따른 검출 신호를 송신하는 가속도 센서 유닛을 포함하며 상기 가속도 센서 유닛에서 송신되는 검출 신호를 통해 지진발생 여부와 지진의 세기를 분석하는 감시수단; 및 상기 구조물과 지면 사이에 구비되어 구조물로 전달되는 진동 에너지를 흡수 또는 저감하기 위한 면진장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템에 관한 것이다.
또한, 등록특허공보 제10-1578834호에 구조물의 지진 감지를 위한 모니터링 및 분석 시스템이 개시되었다.
상기 기술은 구조물의 지진 하중에 대한 가속도 데이터를 계측하고 이를 송신하기 위한 계측기기; 상기 계측기기에서 송신한 가속도 데이터를 입력받고, 입력된 가속도 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform) 분석하여 요구되는 주파수 대역의 성분만을 통과시켜 출력하며 이에 대한 샘플링을 실시하는 신호 처리 모듈; 및 외부의 요청 명령에 의해 선택된 대상 시점 또는 대상 기간에 대한 가속도 데이터를 상기 신호 처리 모듈로부터 추출하며, 추출된 가속도 데이터로부터 구조물의 진동에 따른 동특성을 분석하여 지진 감지를 판단하기 위한 하나 이상의 지진 감지 정보를 제공하는 신호 분석 모듈을 포함하여 구성된다.
그러나 상기 기술을 포함하는 종래 지진 감지 시스템은 지진 감지센서로부터 검출된 신호에 근거하여 지진의 정도를 판단하기 때문에 검출된 신호가 지진에 의한 진동인지 또는 외부 충격 등에 의한 진동인지를 판단하기 어렵다.
또한, 단순적으로 외부 진동이 인가된 경우라도 차단기가 트립되어 전력 차단이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-1546074호(2015. 08. 13.) 등록특허공보 제10-1578834호(2015. 12. 14.)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 지진감지센서로부터 출력되는 진동신호에 근거하여 지진 또는 외부진동을 구분하고, 지진으로 판단되는 경우의 감지신호에 근거하여 배전반의 트립신호를 통해 전력을 차단할 수 있는 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템은 전력설비의 받침부에 설치되는 제1 가속도센서모듈과 상기 배전반의 상부측에 설치되는 제2 가속도센서모듈을 포함하는 가속도센서부와 상기 가속도센서부에서 출력되는 각각의 변동전압을 진동주파수로 변환하여 전송하는 감지전송부를 포함하는 진동감지장치; 및 상기 진동감지장치에서 전송되는 진동주파수를 수신하여 진동의 크기, 진동의 종류를 판단하여 진단하는 진단제어장치를 포함하고, 상기 진단제어장치는 상기 제1 가속도센서모듈과 상기 제2 가속도센서모듈에서 각각 출력되는 진동주파수에 근거하여 지진에 의한 지진진동과 외부 충격에 의한 충격진동을 구분하여 진단하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 가속도센서모듈과 제2 가속도센서모듈은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 3축 가속도센서를 포함하고, 외함은 알루미늄 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 가속도센서모듈과 제2 가속도센서모듈은 X축, Y축 및 Z축의 3축 동적 가속도에 대한 진동가속도를 출력하는 3축 가속도센서; 상기 3축 가속도센서에서 출력되는 진동가속도를 증폭시키는 AC증폭기; 상기 AC증폭기에서 증폭된 진동가속도를 전기적 신호인 변동전압으로 변환하는 복조기; 상기 복조기에서 출력되는 3축의 변동전압을 각각 증폭시키는 출력증폭기; 및 상기 출력증폭기에 증폭되어 각각 출력되는 변동전압의 폭을 제한하는 밴드 커패시터를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 감지전송부는 상기 가속도센서부에서 출력되는 진동주파수의 직류성분을 제거하고 PLL입력전압으로 변환하는 입력필터모듈; 상기 입력필터모듈에서 출력되는 PLL입력전압을 진동주파수로 변환하는 주파수생성모듈; 및 상기 주파수생성모듈에서 출력되는 진동주파수를 차동신호로 변환하여 외부로 전송하는 차동전송모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진단제어장치는 상기 가속도센서부에서 전송되는 주파수를 수신하고, 수신된 주파수를 전압으로 변환하는 차동신호수신부; 트립신호를 발생시키는 비교신호로서 기준전압를 생성하는 기준전압생성부; 상기 차동신호수신부에서 수신된 전압에 근거하여 지진진동과 충격진동을 판단하고, 상기 차동신호수신부에서 수신된 수신전압과 상기 기준전압생성부에서 설정된 기준전압을 비교하여 트립신호에 출력 여부를 제어하는 진단제어부; 상기 진단제어부에서 출력되는 트립신호를 출력하는 트립신호출력부; 및 상기 진단제어부(33)에서 처리된 이벤트를 외부 HMI(human-machine interface)로 송신하는 통신부를 포함할 수 있다.
이에 더하여, 상기 진단제어장치는 상기 차동신호수신부에서 수신된 수신전압에 대한 진동 레벨 및 상기 기준전압생성부에서 산출된 기준전압에 대한 진동 레벨이 표시되는 세그먼트구동부; 상기 진단제어부에서 트립신호가 출력되는 경우, 알람신호를 출력하는 알람부; 및 상기 진단제어부에서 처리된 이벤트를 LCD 디스플레이에 표시하는 LCD표시부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 차동신호수신부는 상기 진동감지장치에서 송신되는 주파수를 수신하여 TTL(Time To Live)레벨의 단축 주파수 신호로 변환하는 차동변환모듈; 상기 차동변환모듈에서 출력되는 주파수를 전압으로 변환하는 전압변환모듈; 상기 전압변환모듈에서 출력되는 전압을 일정 레벨의 전압으로 증폭하는 제1차 증폭모듈; 상기 제1차 증폭모듈에서 증폭된 전압 신호에서 고조파를 제거하는 로우패스필터모듈; 상기 제1차 증폭모듈에서 증폭된 전압 신호에서 저역의 노이즈를 제거하는 하이패스필터모듈; 및 상기 하이패스필터모듈에서 출력되는 전압을 증폭시키는 제2차 증폭모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전력설비에 인가되는 진동이 지진에 의한 지진진동인지 또는 외부 충격에 의한 충격진동인지를 판단하고, 판단된 결과에 따라 인가된 진동에 의한 진동전압과 기준전압을 비교 판단할 수 있으므로, 진동에 의한 전력설비의 무분별한 트립신호에 의한 정전을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 지진진동과 충격진동을 진단하여 트립신호의 감도가 조절될 수 있으므로, 지진진동에 대해서는 충격진동과 비교하여 민감하게 차단기의 트립신호를 출력하여 지진진동에 대처할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 전력설비의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템의 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 제1 및 제2 가속도센서모듈의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 감지전송부의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 진단제어장치의 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 진단제어장치의 차동신호수신부의 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부의 차동변환모듈에 대한 회로도,
도 8은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부의 전압변환모듈에 대한 회로도,
도 9는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부의 제1차 증폭모듈에 대한 회로도,
도 10은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부의 로우패스필터모듈에 대한 회로도,
도 11은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부의 하이패스필터모듈에 대한 회로도,
도 12는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부의 제2차 증폭모듈에 대한 회로도,
도 13은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 기준전압생성부에 대한 회로도,
도 14는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 진단제어부의 구성도,
도 15는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 진단제어부의 비교모듈에 대한 회로도,
도 16은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 트립신호출력부에 대한 회로도,
도 17은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 통신부에 대한 회로도이다.
다음으로 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하에서 동일한 기능을 하는 기술요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 중복 설명을 피하기 위하여 반복되는 상세한 설명은 생략한다.
또한, 이하에 설명하는 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예를 효과적으로 보여주기 위하여 예시적으로 나타내는 것으로, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위하여 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배전반(전력설비 등)에 이격 설치된 3축 가속도 센서로부터 지진 또는 충격에 의해 발생되는 진동을 검출하여 진동의 원인에 따라 배전시설물의 지락사고 또는 단락사고를 방지할 수 있는 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 전력설비의 구성을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템은 크게 진동감지장치(10)와 진단제어장치(30)를 포함하여 구성된다.
진동감지장치(10)는 가속도센서부(100)와 감지전송부(200)를 포함하여 구성되는 것으로서, 가속도센서부(100)는 제1 가속도센서모듈(110)과 제2 가속도센서모듈(120)을 포함한다.
제1 가속도센서모듈(110)은 배전반(1)의 받침부에 설치되어 진동을 감지하는 기능을 수행하고, 제2 가속도센서모듈(120)은 전력설비의 상부측에 설치되어 진동을 감지하는 기능을 수행한다.
이때, 상기 배전반은 고압반, 저압반, 분전반, 전동기 제어반 등을 포함하는 전력설비에 적용할 수 있는 것으로서, 전력을 송수신하여 분배/제어하는 설비를 의미한다.
상기 제1 가속도센서모듈(110)은 지지면(기저면) 또는 전력설비를 받치는 받침대에 설치되고, 제2 가속도센서모듈(120)은 기저면에서 상대적으로 높은 전력설비의 상부측에 설치되게 된다. 이때, 상기 받침대는 지진 등의 진동을 저감시키는 면진장치(40) 등으로 구성될 수 있다.
즉, 제1 가속도센서모듈(110)과 제2 가속도센서모듈(120)이 이격되어 설치되고, 지진에 의해 지면으로부터 전달된 진동과 전력설비에 직접 가해지는 외력에 의한 진동이 전달되는 시간적 차이가 발생되게 된다. 또한, 제1 가속도센서모듈(110)이 내진장치에 설치되는 경우, 지진에 의해 제1 가속도센서모듈에서 검출되는 진동의 크기와 제2 가속도센서모듈에서 검출되는 진동의 크기가 다르게 검출되게 된다.
정리하면, 제1 가속도센서모듈에서 검출된 진동신호의 크기 및 시간과 제2 가속도센서모듈에서 검출된 진동신호의 크기 및 시간을 비교하여 보면, 지진에 의한 진동인지 또는 외력에 의한 진동인지를 판단할 수 있게 된다.
예를 들어, 지진에 의한 진동으로 판단되는 경우에는 전력계통 전체에 건전성을 악화시킬 수 있으므로 작은 진동에도 높은 위험성이 부여되도록 구성하고, 외력에 의한 진동으로 판단되는 경우에는 전력계통과는 무관할 수 있어 높은 진동에도 낮은 위험성이 부여되도록 구성될 수 있다.
상기에서 제1 가속도센서모듈(110)과 제2 가속도센서모듈(120)은 동일하게 구성되되, 제1 및 제2 가속도센서모듈(110, 120)은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 3축 가속도센서를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 가속도센서모듈(110, 120)의 외함은 외부의 물리적 충격으로보터 보호하기 위해 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 제1 및 제2 가속도센서모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 제1 및 제2 가속도센서모듈(이하 '가속도센서모듈'이라 한다)은 3축 가속도센서(111), AC증폭기(112), 복조기(113), 출력증폭기(114) 및 밴드커패시터(115)를 포함하여 구성된다.
3축 가속도센서(111)는 X축, Y축 및 Z축의 3축 동적 가속도에 대한 진동가속도를 출력한다.
여기서, 상기 3축 가속도센서(111)는 동적 가속도(Dynamic Acceleration)와 정적 가속도(Static Acceleration) 모두를 측정할 수 있는 용량형(capacitive) MEMS 가속도 센서로 구성될 수 있다. 상기 용량성 MEMS 가속도 센서는 입력 가속도에 의한 관성력으로 관성질량의 위치가 변할 때, 변위에 따라 달라지는 용량 변화를 검출하는 방식이다. 변위에 따른 용량의 변화는 비선형적이지만 범위를 제한하면 선형적으로 작동시킬 수 있고 정전 액추에이터를 이용하여 포스 밸런싱(force balancing) 방식으로 구현이 가능하다. 또한 차동 출력 방식으로 구성할 수 있어서 외부 배경 잡음에 영향을 적게 받는다는 장점도 존재한다. 특히 용량 변화는 온도 변화에 둔감하며 제조 공정도 미세 가공기술에 가장 적합하다.
AC증폭기(112)는 상기 3축 가속도센서에서 출력되는 진동가속도를 증폭시키고, 복조기(113)는 상기 AC증폭기에서 증폭된 진동가속도를 전기적 신호인 변동전압으로 변환한다.
또한, 출력증폭기(114)는 상기 복조기에서 출력되는 3축의 변동전압을 각각 증폭시킨다.
밴드커패시터(115)는 상기 출력증폭기에 증폭되어 각각 출력되는 변동전압의 폭을 제한하는 기능을 수행한다.
즉, 상기 밴드커패시터(115)는 X축, Y축 및 Z축의 출력전압에 대한 주파수폭을 제한하는 것으로서, 밴드커패시터의 용량이 커질수록 주파수폭은 좁아지게 된다. 이에, 밴드커패시터의 용량을 조정하게 되면 가속도센서모듈에서 출력되는 출력전압의 폭이 조절되며, 이에 상기 밴드커패시터(115)는 가변 커패시터로 구성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 가속도센서모듈(110, 120)에서 검출되어 출력되는 출력전압은 감지전송부(200)로 전송된다.
도 4는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 감지전송부의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 감지전송부(200)는 입력필터모듈(210), 주파수생성모듈(220) 및 차동전송모듈(230)을 포함한다.
가속도센서부(100)는 물리적 운동에너지인 진동에너지를 전기적 신호인 전압으로 변환하고, 감지전송부(200)는 변환된 전압을 주파수로 변환하여 출력한다.
입력필터모듈(210)은 가속도센서부(100)에서 출력되는 진동주파수의 직류성분을 제거하고 PLL입력전압으로 변환하는 기능을 수행한다.
즉, 상기 입력필터모듈(210)은 상기 가속도센서부(100)에서 출력되는 전압을 수신하여 증폭 또는 감쇄시키는 것으로서, OP앰프(OP AMP)로 구성될 수 있다.
주파수생성모듈(220)은 상기 입력필터모듈에서 출력되는 PLL입력전압을 진동주파수로 변환하는 기능을 수행하는 것으로서, 상기 입력필터모듈(210)에서 출력되는 변환되는 전압(변동전압)에 대응하여 주파수로 변환한다. 이에, 상기 주파수생성모듈(220)은 PLL(Phase Locked-Loop)의 VCO(Voltage Controlled Oscilator) 등이 포함되게 된다.
차동전송모듈(230)은 상기 주파수생성모듈에서 출력되는 진동주파수를 차동신호로 변환하여 외부로 전송한다. 즉, 상기 차동전송모듈(230)은 주파수생성모듈(220)의 VCO에서 만들어진 주파수를 장거리 전송을 위하여, 차동(Differential)신호로 변환하는 기능을 수행한다.
상기 주파수생성모듈(220)에서 출력되는 주파수는 5V TTL출력으로 선로의 저항, 임피던스의 영향으로 신호의 장거리 전송을 하기에는 적합하지 않으므로, 차동 신호로 바꾸어서 전송해야 한다. 이때, 차동 신호의 대한 규격은 IEE규격의 485규격에 따른 신호 전송 체계를 따르며, 차동신호의 최대 전송거리는 대략 750m이다.
이때, 상기 차동전송모듈(230)의 각 출력단에는 장거리 전송의 주파수에 외란을 방지하기 위해서 각 출력단에 병렬로 TVS(Transient Voltage Suppressor) 다이오드가 구성되고, 상기 TVS 다이오드에 의해 고압의 순간 전압을 제거하게 된다.
상기 차동전송모듈(230)에서 출력되는 주파수는 제1 가속도모듈(110)과 제2 가속도모듈(120)에서 3축에 대한 양의 값과 음의 값 주파수가 출력된다. 즉, 제1 가속도모듈(110)의 X축 주파수(FX+, FX-), Y축 주파수(FY+, FY-) 및 Z축 주파수(FZ+, FZ-)와 제2 가속도모듈(120)의 X축 주파수(FX+, FX-), Y축 주파수(FY+, FY-) 및 Z축 주파수(FZ+, FZ-)가 출력되게 된다.
정리하면, 가속도센서부(100)에서 출력되는 전압 신호를 장거리로 전송시키게 되면, 선로의 저항 또는 외란에 의해 전압 신호의 에너지 상태가 왜곡될 수 있는 가능성이 있으나, 상기 감지전송부(200)에서 시간영역의 전압을 주파수로 변환하여 전송하면, 에너지가 직접 전송되지 않고 에너지의 주파수로 전송되므로, 선로의 저항이나 외란에 의한 에너지의 왜곡을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 진단제어장치에 대해서 설명한다.
진단제어장치(30)는 진동감지장치(10)에서 전송되는 진동주파수를 수신하여 진동의 크기, 진동의 종류를 판단하여 진단하는 것으로서, 제1 가속도센서모듈(110)과 제2 가속도센서모듈(120)에서 각각 출력되는 진동주파수에 근거하여 지진에 의한 지진진동과 외부 충격에 의한 충격진동을 구분하여 진단하고, 진단된 결과에 따라 후속조치(신호출력)를 수행한다.
또한, 상기 진단제어장치(30)는 진동감지장치(10)로부터 전송되는 주파수를 다시 전압의 형태로 변환하고, 로우패스(LOW PASS)필터모듈과 하이패스(HIGH PASS) 필터모듈을 사용하여, 불필요한 주파수 성분을 제거한 후, 수신된 주파수를 전압으로 변환하고, 변환된 전압(진동에 의한 전압)이 설정된 가속도의 전압보다 상대적으로 크면 알람을 발생시키고, 트립코일 출력을 통하여 계전기기를 트립시키는 기능을 수행한다.
도 5는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 진단제어장치의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 진단제어장치(30)는 차동신호수신부(31), 기준전압생성부(32), 진단제어부(33), 트립신호출력부(34), 통신부(35), 세그먼트구동부(36), 알람부(37), LED표시부(38) 및 RTC(Real Time Clock)(39)를 포함하여 구성된다.
차동신호수신부(31)는 진동감지장치(10)에서 전송되는 주파수를 수신하고, 수신된 주파수를 전압으로 변환하는 기능을 수행한다.
도 6은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 진단제어장치의 차동신호수신부의 구성을 나타낸 것이다.
첨부된 도 6을 참조하면, 상기 차동신호수신부(31)는 차동변환모듈(311), 전압변환모듈(312), 제1차 증폭모듈(313), 로우패스필터모듈(314), 하이패스필터모듈(315) 및 제2차 증폭모듈(316)을 포함하여 구성된다.
차동변환모듈(311)은 진동감지장치(10), 상세하게는 진동감지장치(10)의 감지전송부(200)에서 송신되는 주파수를 수신하여 TTL(Time To Live)레벨의 단축 주파수 신호로 변환한다.
도 7은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부의 차동변환모듈에 대한 회로도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 7은 제1 채널의 X축에 대한 주파수를 수신하여 TTL레벨의 단축 주파수 신호로 변환하는 차동변환모듈(311) 회로도를 나타낸 것으로서, 각 채널에 대하여 3개씩 구성되어 총 6개가 구성된다.
즉, 감지전송부(200)에서 송신되는 한쌍의 주파수(FX+, FX-, FY+, FY-, FZ+, FZ-) 신호를 TTL레벨의 단축 주파수 신호로 변환하는 기능을 수행한다. 예를 들면, 하나의 차동변환모듈(311)은 제1 채널의 X축 주파수 FX+와 FX-를 입력받아 X축에 대한 TTL레벨의 단축 주파수 신호로 변환하여 출력한다.
전압변환모듈(312)은 상기 차동변환모듈(311)에서 출력되는 주파수를 전압으로 변환하는 기능을 수행하는 것으로서, 도 8은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부(31)의 전압변환모듈(312)에 대한 회로도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 8을 참조하면, 전압변환모듈(312)은 차동변환모듈(311)에서 출력되는 TTL 주파수 신호를 입력 받아서 전압으로 변환한다. 상세하게 IC칩의 14번 핀에 입력된 주파수가 설정된 주파수 50KHz와 다르면 다른 차이만큼 2번핀 p1으로 출력되고, p1에서 출력된 주파수는 적분기를 통해 전압으로 변환되어 9번핀으로 입력되게 된다. 9번핀으로 입력된 신호는 4번핀으로 출력되고 피드백되어 3번핀으로 입력되게 되며, 9번핀의 입력 전압과 비교하여 10번핀으로 출력된다. 10번핀에서 출력되는 전압 신호는 기준신호 50KHz와 입력신호가 50KHz에서 벗어난 값 만큼의 전압이 출력된다. 10번핀에서 출력되는 전압값은 수십㎶로서, 이는 매우 미세한 전압이다. 이러한 미세 전압은 그라운드 전압이 노이즈에 의한 떨리는 상태와 같이 측정된다.
제1차 증폭모듈(313)은 상기 전압변환모듈(312)에서 출력되는 전압을 일정 레벨의 전압으로 증폭하는 것으로서, 도 9는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부(31)의 제1차 증폭모듈(313)에 대한 회로도이다.
첨부된 도 9를 참조하면, 상기 제1차 증폭모듈(313)에는 증폭기를 포함하여 구성되되, 상기 증폭기의 출력단(1번핀) 전압이 무입력 일 때 -2.66 ~ 2.68v가 되도록 저항(R140) 값을 조절하면, 입력신호를 수배 증폭하여도 출력되는 증폭 전압은 매우 미세하게 출력되게 된다. 이때 증폭된 전압에는 고조파 노이즈가 포함될 수 있다.
로우패스필터모듈(314)은 상기 제1차 증폭모듈(313)에서 증폭된 전압 신호에서 고조파를 제거하는 것으로서, 도 10은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부(31)의 로우패스필터모듈(314)에 대한 회로도이다.
첨부된 도 10을 참조하면, 제1차 증폭모듈(313)에서 증폭된 전압 신호에서 고조파 노이즈를 제거하기 위해, 상기 로우패스필터모듈(314)은 이차능동 버터워스필터(Quadratic low-pass active Butterworth Filter)를 2단 연결하여 구성된다.
이때, 상기 로우패스필터모듈(314)에서 차단되는 주파수는 다음의 수학식 1에 의해 산출된다.
수학식 1)
Figure 112022036374124-pat00001
여기서, 상기 wxl는 로우패스 차단주파수, R은 입력단 저항값, C는 입력단 커패시터값이다.
이에, 상기 입력단 저항값(R=82.5㏀)과 입력단 커패스터값(C=100*10-9)을 대입하여 보면, 차단주파수는 대략 121Hz로 산출된다.
하이패스필터모듈(315)은 상기 제1차 증폭모듈(313)에서 증폭된 전압 신호에서 저역의 노이즈를 제거하는 것으로서, 도 11은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부(31)의 하이패스필터모듈(315)에 대한 회로도이다.
첨부된 도 11을 참조하면, 제1차 증폭모듈(313)에서 증폭된 전압 신호에서 저역의 노이즈를 제거하기 위해, 상기 하이패스필터모듈(315)은 이차 능동체비쉐브필터(Quadratic high-pass active Chebyshev Filter)로 구성된다.
이때, 상기 하이패스필터모듈(315)에서 차단되는 주파수는 다음의 수학식 2에 의해 산출된다.
수학식 2)
Figure 112022036374124-pat00002
여기서, 상기 wxh는 하이패스 차단주파수, fx는 설정 주파수이다.
상기의 수학식 2에서 설정주파수(fx)를 4Hz로 설정하면, 하이패스 차단주파수는 대략 25Hz이다.
이에, 상기 로우패스필터모듈(314)과 하이패스필터모듈(315)을 통해 출력되는 전압 신호의 주파수 대역은 25Hz ~ 121Hz의 주파수 성분을 갖는 전압만 통과되게 된다.
제2차 증폭모듈(316)은 상기 하이패스필터모듈(315)에서 출력되는 전압을 증폭시키는 것으로서, 도 12는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 차동신호수신부의 제2차 증폭모듈에 대한 회로도이다.
기준전압생성부(32)는 트립신호를 발생시키는 비교신호로서 기준전압을 생성하는 기능을 수행하는 것으로서, 도 13은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 기준전압생성부에 대한 회로도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 13을 참조하면, 상기 기준전압생성부(32)는 입력신호(TRIP_LEVEL)에 대해 진동(지진)에 대한 기준전압의 기준신호(TRIP_LEVEL_C)를 출력한다. 이때, 상기 입력신호(TRIP_LEVEL)는 진동 강도를 조절할 수 있는 볼륨으로 구성되고, 상기 볼륨을 조절하여 진동(지진)의 기준신호를 설정할 수 있도록 구성된다.
이에, 조절되어 출력되는 기준신호(TRIP_LEVEL_C)는 진동레벨 0.02G ~ 1.0G 범위 내에서 조절되게 구성될 수 있고, 조절된 기준신호는 진동으로 산출되어 후술되는 세그먼트구동부(36) 및 LCD표시부(38)에 표시되도록 구성하여 사용자가 이를 확인하면서 기준신호를 설정 할 수 있도록 구성된다.
진단제어부(33)는 상기 차동신호수신부(31)에서 수신된 전압에 근거하여 지진진동과 충격진동을 판단하고, 상기 차동신호수신부에서 수신된 수신전압과 기준신호에 의해 생성된 기준전압을 비교하여 트립신호에 출력 여부를 제어한다.
즉, 상기 진단제어부(33)는 상기 차동신호수신부(31)에서 수신된 제1 가속도센서모듈에서 검출된 제1 전압과 제2 가속도센서모듈에서 검출된 제2 전압에 근거하여 지진에 의한 지진진동 또는 외부 충격에 의한 충격진동을 판단한다.
또한, 상기 진단제어부(33)는 상기 차동신호수신부(31)에서 수신된 수신전압(제1 전압 및 제2 전압)과 상기 기준전압생성부(32)에서 출력되는 기준전압을 비교하고, 비교에 근거하여 트립신호를 출력한다.
또한, 제1 가속도센서모듈(110)에서 검출된 제1 전압과 제2 가속도센서모듈(120)에서 검출된 제2 전압에 근거하여 진동 레벨이 표시되도록 제어하고, 출력된 트립신호에 대한 알람신호가 출력되게 제어한다.
또한, 출력되는 진동 레벨, 트립신호 및 알람신호를 외부 HMI로 전송하도록 제어한다.
도 14는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 진단제어부의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 14를 참조하면, 상기 진단제어부(33)는 비교모듈(331), 진단모듈(332) 및 처리모듈(333)을 포함하여 구성된다.
비교모듈(331)은 상기 차동신호수신부(31)에서 수신된 수신전압(제1 전압 및 제2 전압)과 상기 기준전압생성부(32)에서 출력되는 기준전압을 비교하고, 비교에 근거하여 트립신호를 출력한다.
도 15는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 진단제어부의 비교모듈에 대한 회로도이다.
첨부된 도 15를 참조하면, 상기 비교모듈(331)은 트립레벨의 기준전압(TRIP_LEVEL_C)과 수신된 수신전압(DIODE_C)을 비교하여, 트립 릴레이의 트립신호를 출력하는 기능을 수행하는 것으로서, 수신전압(DIODE_C)이 기준전압(TRIP_LEVEL_C) 보다 상대적으로 크면, PA6 신호가 트리거되고, PA6 신호가 트리거된 상태에서 릴레이를 통해 소정의 시간이 지연된 후 트립신호가 출력되게 된다.
진단모듈(332)은 상기 차동신호수신부(31)에서 수신된 제1 가속도센서모듈(11)에서 검출된 제1 전압과 제2 가속도센서모듈(120)에서 검출된 제2 전압에 근거하여 지진에 의한 지진진동인지 또는 외부 충격에 의한 충격진동인지를 판단한다.
즉, 상기 제1 가속도센서모듈에서 검출된 제1 전압의 시간과 제2 가속도센서모듈에서 검출된 제2 전압의 검출시간을 비교하여, 검출된 시점의 제1 전압의 시간이 제2 전압의 시간보다 상대적으로 빠르면 지진에 의한 지진진동으로 판단하고, 검출된 시점의 제1 전압의 시간이 제2 전압의 시간보다 상대적으로 늦으면 외부 충격에 의한 충격진동으로 판단한다.
이때, 상기 진단모듈(332)에서 판단된 결과에 근거하여 상기 비교모듈(331)에 입력되는 기준전압(TRIP_LEVEL_C)이 변경되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 진단모듈(332)에서 판단된 결과 지진진동으로 판단되면 상기 비교모듈(331)에 입력되는 기준전압(TRIP_LEVEL_C)이 낮아지도록 구성되고, 상기 진단모듈(332)에서 판단된 결과 충격진동으로 판단되면 상기 비교모듈(331)에 입력되는 기준전압(TRIP_LEVEL_C)이 높아지도록 구성된다.
부연하면, 지진진동에 의해서는 기준전압(TRIP_LEVEL_C)보다 상대적으로 낮은 기준전압(TRIP_LEVEL_C)으로 수신전압과 비교하여 트립신호가 출력되게 함으로써 지진진동에 민감하게 반응하도록 구성된다. 반대로, 충격진동에 의해서는 기준전압(TRIP_LEVEL_C)보다 상대적으로 높은 기준전압(TRIP_LEVEL_C)으로 수신전압과 비교하여 트립신호가 출력되게 함으로써 출력진동에 둔감하게 반응하도록 구성된다.
이에, 지진에 의한 진동에 대해서는 진동레벨이 낮은 수준에서 트립신호를 출력하여 전력 계통을 보호하고, 외부 충격에 의한 진동에 대해서는 진동레벨이 높은 수준에서 트립신호를 출력하여 전력 계통이 단전에 의한 피해를 방지할 수 있도록 구성된다.
처리모듈(333)은 수신된 수신전압, 설정된 기준전압, 진동 레벨, 트립신호 및 알람신호가 출력되도록 처리한다.
트립신호출력부(34)는 상기 진단제어부(33)에서 출력되는 트립신호를 출력하는 기능을 수행하는 것으로서, 도 16은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 트립신호출력부에 대한 회로도이다.
첨부된 도 16을 참조하면, 트립신호에 의해 동작되는 차단기를 빠른 시간내에 차단하도록 릴레이를 배제하고 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)를 이용하여 차단기의 구동코일을 동작시키도록 구성된다.
이때, 트립신호출력부의 구동은 24 ~ 300VAC 전원을 인가할수 있도록 브릿지 다이오드 통해 외부전원이 인가되도록 구성된다.
통신부(35)는 상기 진단제어부(33)에서 처리된 이벤트를 외부 HMI(human-machine interface)로 송신하는 것으로서, 도 17은 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템에 적용된 통신부에 대한 회로도이다.
첨부된 도 17을 참조하면, 상기 통신부(35)는 RS-485 통신규격에 적합하도록 구성되고, 통신속도는 9,600bps로 고정되게 구성될 수 있다.
세그먼트구동부(36)는 상기 차동신호수신부에서 수신된 수신전압에 대한 진동 레벨 및 상기 기준전압생성부(32)에서 산출된 기준신호에 대한 진동 레벨이 표시된다.
알람부(37)는 상기 진단제어부(33)에서 트립신호가 출력되는 경우, 알람신호를 출력한다.
LCD표시부(38)는 상기 진단제어부(33)에서 처리된 이벤트를 LCD 디스플레이에 표시한다.
RTC(Real Time Clock)(39)는 현재 시간을 상기 진단제어부(33)에 제공하고, 상기 진단제어부(33)는 상기 RTC로부터 제공된 시간과 발생된 이벤트를 저장 관리하며, 시간으로 포함한 이벤트를 외부로 전송되도록 한다.
본 발명에 의하면, 전력설비에 인가되는 진동이 지진에 의한 지진진동인지 또는 외부 충격에 의한 충격진동인지를 판단하고, 판단된 결과에 따라 인가된 진동에 의한 진동전압과 기준전압을 비교 판단할 수 있으므로, 진동에 의한 전력설비의 무분별한 트립신호에 의한 정전을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 지진진동과 충격진동을 진단하여 트립신호의 감도가 조절될 수 있으므로, 지진진동에 대해서는 충격진동과 비교하여 민감하게 차단기의 트립신호를 출력하여 지진진동에 대처할 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위 및 발명의 설명, 첨부한 도면의 범위내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위내에 속한다.
1: 전력설비 10: 진동감지장치
30: 진단제어장치 31: 차동신호수신부
32: 기준전압생성부 33: 진단제어부
34: 트립신호출력부 35: 통신부
36: 세그먼트구동부 37: 알람부
38: LCD표시부 39: RTC
40: 면진장치
100: 가속도센서부 110: 제1 가속도센서모듈
120: 제2 가속도센서모듈 200: 감지전송부
210: 입력필터모듈 220: 주파수생성모듈
230: 차동전송모듈

Claims (7)

  1. 배전반의 받침부에 설치되는 제1 가속도센서모듈과 상기 배전반의 상부측에 설치되는 제2 가속도센서모듈을 포함하는 가속도센서부와 상기 가속도센서부에서 출력되는 각각의 변동전압을 진동주파수로 변환하여 전송하는 감지전송부를 포함하는 진동감지장치; 및
    상기 진동감지장치에서 전송되는 진동주파수를 수신하여 진동의 크기, 진동의 종류를 판단하여 진단하는 진단제어장치;
    를 포함하고,
    상기 진단제어장치는,
    상기 제1 가속도센서모듈과 상기 제2 가속도센서모듈에서 각각 출력되는 진동주파수에 근거하여 지진에 의한 지진진동과 외부 충격에 의한 충격진동을 구분하여 진단하도록 구성되되,
    상기 진단제어장치는,
    상기 가속도센서부에서 전송되는 주파수를 수신하고, 수신된 주파수를 전압으로 변환하는 차동신호수신부;
    트립신호를 발생시키는 비교신호로서 기준전압를 생성하는 기준전압생성부;
    상기 차동신호수신부에서 수신된 전압에 근거하여 지진진동과 충격진동을 판단하고, 상기 차동신호수신부에서 수신된 수신전압과 상기 기준전압생성부에서 설정된 기준전압을 비교하여 트립신호에 출력 여부를 제어하는 진단제어부;
    상기 진단제어부에서 출력되는 트립신호를 출력하는 트립신호출력부;
    상기 진단제어부에서 처리된 이벤트를 외부 HMI(human-machine interface)로 송신하는 통신부;
    상기 차동신호수신부에서 수신된 수신전압에 대한 진동 레벨 및 상기 기준전압생성부에서 산출된 기준전압에 대한 진동 레벨이 표시되는 세그먼트구동부;
    상기 진단제어부에서 트립신호가 출력되는 경우, 알람신호를 출력하는 알람부; 및
    상기 진단제어부에서 처리된 이벤트를 LCD 디스플레이에 표시하는 LCD표시부;
    를 포함하고,
    상기 차동신호수신부는,
    상기 진동감지장치에서 송신되는 주파수를 수신하여 TTL(Time To Live)레벨의 단축 주파수 신호로 변환하는 차동변환모듈;
    상기 차동변환모듈에서 출력되는 주파수를 전압으로 변환하는 전압변환모듈;
    상기 전압변환모듈에서 출력되는 전압을 일정 레벨의 전압으로 증폭하는 제1차 증폭모듈;
    상기 제1차 증폭모듈에서 증폭된 전압 신호에서 고조파를 제거하는 로우패스필터모듈;
    상기 제1차 증폭모듈에서 증폭된 전압 신호에서 저역의 노이즈를 제거하는 하이패스필터모듈; 및
    상기 하이패스필터모듈에서 출력되는 전압을 증폭시키는 제2차 증폭모듈;
    을 포함하며,
    상기 기준전압생성부는,
    입력신호에 대해 진동(지진)에 대한 기준전압의 기준신호를 출력하되, 상기 입력신호는 진동 강도를 조절할 수 있는 볼륨으로 구성되고, 상기 볼륨을 조절하여 진동(지진)의 기준신호를 설정할 수 있도록 구성되고,
    상기 진단제어부는,
    상기 차동신호수신부에서 수신된 수신전압(제1 전압 및 제2 전압)과 상기 기준전압생성부에서 출력되는 기준전압을 비교하고, 비교에 근거하여 트립신호를 출력하는 비교모듈;
    상기 차동신호수신부에서 수신된 상기 제1 가속도센서모듈에서 검출된 제1 전압과 상기 제2 가속도센서모듈에서 검출된 제2 전압에 근거하여 지진에 의한 지진진동인지 또는 외부 충격에 의한 충격진동인지를 판단하되, 판단된 결과 지진진동으로 판단되면 상기 비교모듈에 입력되는 기준전압이 낮아지도록 구성되고, 판단된 결과 충격진동으로 판단되면 상기 비교모듈에 입력되는 기준전압이 높아지도록 하는 진단모듈; 및
    상기 수신된 수신전압, 설정된 기준전압, 진동 레벨, 트립신호 및 알람신호가 출력되도록 처리하는 처리모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가속도센서모듈과 제2 가속도센서모듈은,
    MEMS(Micro Electro Mechanical System) 3축 가속도센서를 포함하고, 외함은 알루미늄 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가속도센서모듈과 제2 가속도센서모듈은,
    X축, Y축 및 Z축의 3축 동적 가속도에 대한 진동가속도를 출력하는 3축 가속도센서;
    상기 3축 가속도센서에서 출력되는 진동가속도를 증폭시키는 AC증폭기;
    상기 AC증폭기에서 증폭된 진동가속도를 전기적 신호인 변동전압으로 변환하는 복조기;
    상기 복조기에서 출력되는 3축의 변동전압을 각각 증폭시키는 출력증폭기; 및
    상기 출력증폭기에 증폭되어 각각 출력되는 변동전압의 폭을 제한하는 밴드 커패시터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지전송부는,
    상기 가속도센서부에서 출력되는 진동주파수의 직류성분을 제거하고 PLL입력전압으로 변환하는 입력필터모듈;
    상기 입력필터모듈에서 출력되는 PLL입력전압을 진동주파수로 변환하는 주파수생성모듈; 및
    상기 주파수생성모듈에서 출력되는 진동주파수를 차동신호로 변환하여 외부로 전송하는 차동전송모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배전반의 지진 검출을 이용한 지진 감지 및 진단시스템.
  5. 삭제
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  7. 삭제
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