KR20200127421A - 전력 케이블의 시험용 단말장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 케이블, 특히 초고압 직류 전력 케이블의 시험용 단말장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 전력 케이블의 시험용 단말장치 내부에서 특정 위치, 예를 들어 삼중점에 전계가 집중되어 절연파괴가 발생함으로써 전력 케이블 또는 중간 접속함의 내전압, 부분방전, 전기절연성능 등의 전기적 특성의 시험을 수행할 수 없게 되는 문제를 해결할 수 있는 전력 케이블의 시험용 단말장치에 관한 것이다.

Description

전력 케이블의 시험용 단말장치{Terminal device for testing a power cable}
본 발명은 전력 케이블, 특히 초고압 직류 전력 케이블의 시험용 단말장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 전력 케이블의 시험용 단말장치 내부에서 특정 위치, 예를 들어 삼중점에 전계가 집중되어 절연파괴가 발생함으로써 전력 케이블 또는 중간 접속함의 내전압, 부분방전, 전기절연성능 등의 전기적 특성의 시험을 수행할 수 없게 되는 문제를 해결할 수 있는 전력 케이블의 시험용 단말장치에 관한 것이다.
전력 케이블, 특히 초고압 직류 전력 케이블 또는 이의 중간 접속함(PMJ)은 제조 후 이의 내전압, 부분방전, 전기절연성능 등의 전기적 특성을 평가하여 제품으로 사용하기 알맞은 기준에 해당되는지 확인해야 하고, 이를 위해 전력 케이블 시험용 단말장치가 사용된다.
일반적으로 초전도 케이블(superconducting cable), 지절연 케이블(paper insulated cable), 플라스틱 절연 케이블(plastic insulated cable) 등과 같은 전력 케이블 시험용 단말장치는, 도체로 이루어진 일반 가공 송전선 또는 GIS, 변압기 등과 같은 전력기기와 해당 전력케이블을 연결하는 장치를 말한다.
종래 케이블의 시험용 단말장치는 시험용 케이블의 양 단말에 각각 연결되는 한 쌍의 단말을 포함할 수 있고, 상기 한 쌍의 단말 중 하나의 단말을 통해 전압을 인가함으로써 상기 한 쌍의 단말 각각에 연결되는 시험용 케이블 또는 상기 시험용 케이블 중간에 구비된 중간접속함의 내전압, 부분방전, 전기절연성능 등의 전기적 특성을 평가하게 된다.
그러나, 종래 전력 케이블의 시험용 단말장치를 이용하여 시험용 케이블 또는 중간접속함의 전기적 특성을 평가할 때 상기 시험용 케이블 양 말단에 각각 연결된 단말의 내부에서 특정 위치에 전계가 집중되어 상기 시험용 케이블 또는 중간접속함에 절연 파괴가 발생하기 전 상기 단말에 절연 파괴가 발생함으로써 시험용 케이블 또는 중간접속함의 전기적 특성을 평가할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 케이블의 시험용 단말장치 내부에서 특정 위치에 전계가 집중되어 절연파괴가 발생함으로써 전력 케이블 또는 중간 접속함의 내전압, 부분방전, 전기절연성능 등의 전기적 특성의 시험을 수행할 수 없게 되는 문제를 해결할 수 있는 케이블의 시험용 단말장치가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 케이블의 시험용 단말장치 내부에서 특정 위치에 전계가 집중되어 절연파괴가 발생함으로써 전력 케이블 또는 중간 접속함의 내전압, 부분방전, 전기절연성능 등의 전기적 특성의 시험을 수행할 수 없게 되는 문제를 해결할 수 있는 케이블의 시험용 단말장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
케이블의 시험용 단말장치로서, 시험용 케이블의 일 말단과 전기적으로 접속되는 메인 단말과 상기 시험용 케이블의 타 말단과 전기적으로 접속되는 엔드 단말을 포함하거나, 상기 시험용 케이블의 양 말단 각각에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 메인 단말을 포함하고, 상기 메인 단말은 상기 시험용 케이블에 전압을 인가할 수 있도록 하는 수직 구조체와 상기 수직 구조체 하부에서 상기 수직 구조체와 전기적으로 연결되고 상기 시험용 케이블에 직접적으로 연결되는 수평 구조체를 포함하며, 상기 시험용 케이블은 이의 일 말단에서 도체를 감싸는 절연층 상부에 적층된 구조가 박리된 상태로 상기 수평 구조체 내부로 삽입되고, 상기 수평 구조체 내부에서 상기 시험용 케이블 사이의 공간에 절연유가 충전되며, 상기 절연유의 상온에서의 체적저항은 1013 Ω·cm 이상 1016 Ω·cm 미만인 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
여기서, 상기 수평 구조체는 상기 시험용 케이블의 일 말단에서 노출된 절연층을 감싸는 유침지를 포함하고, 상기 시험용 케이블의 절연층의 체적저항>상기 유침지의 체적저항>상기 절연유의 체적저항의 관계가 만족되는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
또한, 상기 시험용 케이블의 절연층의 체적저항은 상온에서 1016 내지 7×1016 Ω·cm이고, 상기 유침지의 체적저항은 상온에서 각각 1013 Ω·cm 이상 1016 Ω·cm 미만인 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
그리고, 상기 절연유의 동점도는 35 ㎟/s(@40℃) 이하인 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
여기서, 상기 절연유는 실리콘계 절연유를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
한편, 상기 수평 구조체는 상기 유침지 위에 구비된 벨마우스, 상기 삽입된 시험용 케이블과 상기 수평 구조체 사이에 상기 절연유가 충전될 수 있는 공간을 확보하기 위한 프레임부, 및 상기 프레임부를 감싸는 가스절연층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
여기서, 상기 프레임부는 에폭시 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
또한, 상기 가스절연층은 육불화황(SF6) 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
그리고, 상기 시험용 케이블의 중간에는 중간접속함이 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
한편, 상기 시험용 케이블의 양 말단 각각에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 메인 단말을 포함하고, 상기 시험용 케이블에는 변류기가 추가로 연결되는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치를 제공한다.
본 발명에 따른 케이블의 시험용 단말장치는 메인 단말의 수평 구조체 및 엔드 단말의 내부에 사용되는 절연유의 저항을 조절함으로써 단말 내부의 특정 위치에서의 전계 집중을 억제하여 전력 케이블 또는 중간 접속함의 내전압, 부분방전, 전기절연성능 등의 전기적 특성의 시험을 효과적으로 수행할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 시험용 단말장치의 하나의 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 케이블의 시험용 단말장치의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1 및 2에서 메인 단말의 부분 종단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 3에서 메인 단말 중 수평 구조체의 내부 구조를 개략적으로 확대 도시한 것이다.
도 5는 [실시예]를 통해 상온에서의 전계 특성을 평가한 결과를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 시험용 단말장치의 하나의 실시예를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 전력 케이블의 시험용 단말장치의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 케이블의 시험용 단말장치는 시험용 케이블(100)의 일 말단과 전기적으로 접속되는 메인 단말(200) 및 시험용 케이블(100)의 타 말단과 전기적으로 접속되는 엔드 단말(300)을 포함할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 케이블의 시험용 단말장치는 시험용 케이블(100)의 양 말단 각각에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 메인 단말(200)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 전력 케이블의 시험용 단말장치는 이에 적용되는 시험용 케이블(100)에 전류가 흐를 수 없는 개루프(open loop) 구조이기 때문에 상온에서의 내전압, 부분방전, 전기절연성능 등의 전기적 특성을 평가할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 전력 케이블의 시험용 단말장치는 이에 적용되는 시험용 케이블(100)에 전류가 흐를 수 있는 폐루프(close loop) 구조이기 때문에 변류기(500)를 이용하여 시험용 케이블(100)에 흐르는 전류를 조절하여 온도에 따른 내전압, 부분방전, 전기절연성능 등의 전기적 특성을 평가할 수 있다.
여기서, 상기 시험용 케이블(100)은 도체, 내부반도전층, 절연층, 외부반도전층, 금속차폐층, 외장층 등이 순차작으로 적층된 구조로 이루어질 수 있고, 상기 시험용 케이블(100) 중간에는 중간접속함(400)이 구비되어 상기 시험용 케이블(100) 또는 상기 중간접속함(400)에 대한 전기적 특성을 모두 평가할 수 있다.
도 3은 도 1 및 2에서 메인 단말의 부분 종단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 메인 단말(200)은 케이블의 종단접속함, 예를 들어, 기중 종단접속함(EBA), 가스중 종단접속함(EBG), 유중 종단접속함(EBO) 등과 동일 또는 유사한 구조를 갖고 상기 시험용 케이블(100)에 전압을 인가할 수 있도록 하는 수직 구조체(210) 및 상기 수직 구조체(210) 하부에서 전기적으로 연결되고 상기 시험용 케이블(100)에 직접적으로 연결되는 수평 구조체(220)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 수직 구조체(210)는 애관(211)을 구비한다. 애관(211)은 내부에 소정의 공간을 구비하여, 전력케이블이 소정 길이로 삽입되어 관통된다. 애관(211)은 상기 전력케이블을 절연하고 지지하는 역할을 하게 된다.
따라서, 애관(211)은 전기적으로 충분한 절연내력을 갖도록 하기 위하여 표면을 따라 다수개의 주름 또는 돌기부(212)를 구비한다. 상기 주름 또는 돌기부에 의해 절연거리를 증가시켜 절연내력이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 애관(210)은 절연내력을 가지면서 동시에 적당한 수준의 강도를 유지하기 위하여 경질자기 또는 고분자 수지를 이용하여 제작될 수 있다.
상기 전력케이블은 애관(211)을 관통하며, 애관(211)의 상단부를 통하여 전력케이블의 도체와 전기적으로 연결된 도체 인출봉(213)이 소정길이 돌출된다. 상기 애관(211)의 상단부에는 코로나 쉴드(214)를 구비할 수 있다. 상기 코로나 쉴드(214)는 각 모서리가 둥글게 형성되어 코로나 방전을 방지할 수 있으며, 상기 도체 인출봉(213)은 상기 코로나 쉴드(214)를 관통하여 상기 애관(211)의 외부로 돌출된다.
상기 전력케이블은 애관(211)의 내부에서 도체를 감싸는 구성요소들이 벗겨지고 애관(211)의 단부에서 도체만이 노출되어 상기 도체 인출봉(213)에 접속되며, 상기 도체 인출봉(213)이 상기 코로나 쉴드(214)를 관통하여 돌출되며, 상기 도체 인출봉(213)을 통해 전압이 인가된다.
상기 수직 구조체(210)의 애관(211) 내부로 삽입된 전력케이블은 케이블 외장부가 제거된 상태이며, 도체, 내부반도전층, 절연층, 외부반도전층, 및 금속시스가 순차적으로 노출된 상태로 애관(211)으로 삽입된다. 이 경우, 제거되지 않은 외부반도전층이 소정길이만큼 애관(211) 내부로 삽입된다. 즉, 전력케이블은 절연층이 노출되어 애관(211)으로 삽입되며, 외부반도전층이 소정길이 애관(211) 내부로 삽입된다.
한편, 애관(211)의 내부에는 절연유, 가스, 공기 등의 절연 유체(215)가 충진될 수 있다. 절연 유체(215)는 애관(211) 내부에서 전력케이블과 애관(211) 내벽 사이에서 유동하여 전기적으로 절연하는 역할을 하게 된다.
상기 수직 구조체(210)는 이의 하부에서 상기 수평 구조체(220)와 전기적으로 연결되고, 도 4는 상기 수평 구조체(220)의 내부 구조를 개략적으로 확대 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 수평 구조체(220)는 절연층 상부 구조가 박리되어 상기 수평 구조체(220) 내부로 삽입된 시험용 케이블(100)의 일 말단의 노출된 절연층을 감싸는 유침지(221), 상기 유침지(221) 위에 구비된 벨마우스(222), 상기 삽입된 시험용 케이블(100)과 상기 수평 구조체(220) 사이에 후술하는 절연유가 충전될 수 있는 공간을 확보하기 위한 프레임부(223), 상기 빈 공간에 충전된 절연유(224), 상기 프레임부(223)를 감싸는 가스절연층(225) 등을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 유침지(221)는 상기 시험용 케이블(100)을 고정하고 상기 절연유(224)가 함침되는 크라프트지(kraft paper) 등으로 이루어질 수 있고, 상기 벨마우스(222)는 상기 유침지(221)를 고정하고 상기 수평 구조체(220) 내부의 전계를 조절하는 기능을 수행한다.
또한, 상기 프레임부(223)는 상기 시험용 케이블(100)과의 빈 공간에 절연유를 충전시킬 수 있다면 특별히 제한되지 않지만 예를 들어 에폭시 수지로 이루어질 수 있고, 상기 가스절연층(225)은 예를 들어 육불화황(SF6) 가스로 이루어질 수 있다.
상기 엔드 단말(300)은 상기 메인 단말(200)의 수평 구조체(220)와 좌우 대층으로 동일 또는 유사한 구조를 갖기 때문에 상기 엔드 단말(300)에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 케이블의 시험용 단말장치는 상기 수평 구조체(220) 내부의 특정 위치, 특히 삼중점, 예를 들어, 시험용 케이블의 절연층, 유침지, 절연유와 모두 접하는 점 등에 전계가 집중되어 시험용 케이블에 대한 절연 파괴가 발생하기 전에 상기 케이블의 시험용 단말장치에서 절연 파괴가 발생하여 상기 시험용 케이블 또는 이에 구비된 중간접속함의 전기적 특성을 평가할 수 없는 문제를 상기 절연유(224)의 물성, 특히 저항을 조절함으로써 해결하고 있습니다.
구체적으로, 본 발명자들은 상기 케이블의 시험용 단말장치에서 시험용 케이블(100)의 절연층의 체적저항>유침지(221)의 체적저항>절연유(224)의 체적저항의 관계가 만족되는 경우 상기 수평 구조체(220) 내부의 특정 위치에서의 전계 집중을 효과적으로 억제할 수 있음을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
예를 들어, 상기 시험용 케이블(100)의 절연층의 체적저항은 상온에서 1016 내지 7×1016 Ω·cm이고, 상기 유침지(221)의 체적저항 및 상기 절연유(224)의 체적저항은 상온에서 각각 1013 Ω·cm 이상 1016 Ω·cm 미만이나, 다만 상기 절연유(224)의 체적저항이 상기 유침지(221)의 체적저항보다 낮아야 하고, 바람직하게는 상기 절연유(224)의 체적저항은 상온에서 1014 내지 1015 Ω·cm일 수 있다.
또한, 상기 절연유(224)는 상기 수평 구조체(220)에 적용되어 상기 유침지(221)에 침지될 수 있도록, 규격 ISO 3104에 따라 측정된 동점도가 35 ㎟/s(@40℃) 이하, 바람직하게는, 29 ㎟/s(@40℃) 이하일 수 있다. 상기 절연유(224)는 앞서 기술한 체적저항과 동점도를 보유한다면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 실리콘계 절연유일 수 있다.
[실시예]
1. 상온에서의 전계특성 평가
도 1에 도시된 케이블의 시험용 단말장치를 이용하여 절연유로서 알킬벤젠유 (체적저항 : 00 내지 00 Ω·cm) 가 적용된 비교예 1과 실리콘유(체적저항 : 1014 내지 1015 Ω·cm)가 적용된 실시예 1에 대해 (-)550kV/1hr로 전압을 인가하면서 상온에서의 수평 구조체 내부의 전계 특성을 평가했으며 결과는 아래 표 1과 도 5에 도시된 바와 같다.
전계측정
위치		 전계값(kV/mm) 전계측정 위치 설명
실시예 1 비교예 1
E1 32.81 87.03 시험용 케이블의 절연층(XLPE)과 유침지 계면에서의 일반적인 전계값
E2 0.89 1.99 시험용 케이블의 절연층(XLPE)과 유침지 계면에서의 축방향(길이방향)으로의 계면(연면) 전계값
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 체적저항이 상대적으로 낮은 실리콘유를 적용한 실시예 1의 경우 수평 구조체 내부의 전계가 특정 위치, 특히 시험용 케이블의 절연층과 유침지 사이의 계면에 집중되지 않았으나, 체적저항이 상대적으로 높은 알킬벤젠유를 적용한 비교예 1의 경우 수평 구조체 내부의 전계가 특정 위치, 특히 시험용 케이블의 절연층과 유침지 사이의 계면에 집중되어 시험용 케이블 보다 먼저 수평 구조체 내에서 절연 파괴가 발생할 수 있고 결과적으로 시험용 케이블 또는 이에 구비된 중간접속함의 전기적 특성을 평가하는 것이 불가능할 수 있다.
또한, 도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 경우 삼중점, 즉 절연유, 유침지 및 시험용 케이블의 절연층과 모두 접하는 점(도 5에서 적색 원으로 표시된 부분)에 전계가 집중되지 않은 것으로 확인된 반면, 비교예 1의 경우 상기 삼중점에 전계가 집중되는 것으로 확인되었다.
2. 고온에서의 내전압 평가
도 2에 도시된 케이블의 시험용 단말장치를 이용하고 수평 구조체 내부에 체적저항이 낮은 실리콘유를 적용하여 시험용 케이블(LCC DC 320kV XLPE 2500 ㎟ 케이블 45 m)에 대해 고온(도체 : 70℃)에서 (-)592kV/2시간 전압 인가 후 (-50)kV/30분씩 승압하여 시험용 케이블의 절연층에서의 절연 파괴를 확인했다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100 : 시험용 케이블 200 : 메인 단말
300 : 엔드 단말 400 : 중간접속함

Claims (10)

  1. 케이블의 시험용 단말장치로서,
    시험용 케이블의 일 말단과 전기적으로 접속되는 메인 단말과 상기 시험용 케이블의 타 말단과 전기적으로 접속되는 엔드 단말을 포함하거나, 상기 시험용 케이블의 양 말단 각각에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 메인 단말을 포함하고,
    상기 메인 단말은 상기 시험용 케이블에 전압을 인가할 수 있도록 하는 수직 구조체와 상기 수직 구조체 하부에서 상기 수직 구조체와 전기적으로 연결되고 상기 시험용 케이블에 직접적으로 연결되는 수평 구조체를 포함하며,
    상기 시험용 케이블은 이의 일 말단에서 도체를 감싸는 절연층 상부에 적층된 구조가 박리된 상태로 상기 수평 구조체 내부로 삽입되고,
    상기 수평 구조체 내부에서 상기 시험용 케이블 사이의 공간에 절연유가 충전되며,
    상기 절연유의 상온에서의 체적저항은 1013 Ω·cm 이상 1016 Ω·cm 미만인 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수평 구조체는 상기 시험용 케이블의 일 말단에서 노출된 절연층을 감싸는 유침지를 포함하고,
    상기 시험용 케이블의 절연층의 체적저항>상기 유침지의 체적저항>상기 절연유의 체적저항의 관계가 만족되는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시험용 케이블의 절연층의 체적저항은 상온에서 1016 내지 7×1016 Ω·cm이고, 상기 유침지의 체적저항은 상온에서 각각 1013 Ω·cm 이상 1016 Ω·cm 미만인 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연유의 동점도는 35 ㎟/s(@40℃) 이하인 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연유는 실리콘계 절연유를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수평 구조체는 상기 유침지 위에 구비된 벨마우스, 상기 삽입된 시험용 케이블과 상기 수평 구조체 사이에 상기 절연유가 충전될 수 있는 공간을 확보하기 위한 프레임부, 및 상기 프레임부를 감싸는 가스절연층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프레임부는 에폭시 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 가스절연층은 육불화황(SF6) 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시험용 케이블의 중간에는 중간접속함이 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시험용 케이블의 양 말단 각각에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 메인 단말을 포함하고,
    상기 시험용 케이블에는 변류기가 추가로 연결되는 것을 특징으로 하는, 케이블의 시험용 단말장치.
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