TW201125251A - System and method for providing surge protection - Google Patents
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Description
201125251 六、發明說明: 【發明所屬之择術領域】 依據本發明之具體模式例,至少其中有部份係有關於電力分配 的製品(power distribution products)和方法,提供保護在連 結敏感負載(sensitive loads)的電力線(power lines)上, 避免電力突波(power surges)。 【先前技術】 在電力線上的電力突波會永遠地損壞電腦、電視及其他家庭用 和辦公室用的敏感設備或工廠環境,現在已知使用具有突波保護 的電源排插座(power strips)提供電力給敏感構件(sensitive components) ’對於可能發生的突波事件,一部分有效,但並非全 部有效。當現有設備可能加入額外的構件用來提供更多的保護, 那些額外的成本及增加的規模常常不能確保所生的更多保護。 【發明内容】 本發明的第-個面向係指出—個突波保護器(咖狀 protector),用來保護連結至電源的一個負載。該突波保 i載。該突波保護器包
個第五波節、和一個第六波節,各 201125251 別連結至負載(load)的火線(line)、中性線(neutral)、和地 線(ground)的連結;一個第一電壓限流電路(first v〇ltage limiting circuit),連結在第四波節和第五波節之間;一個第一 電感(first inductor) ’連結在第一波節和第四波節之間;以及 一個第二電壓限流電路,連結在第一波節和第二波節之間。 突波保護器可包括一個第三電壓限流電路,連結在第五波節 和第六波卽之間,一個第二電感(sec〇nd inc[Uct〇r),連結在第 二波節和第五波節之間;以及一個第四電壓限流電路,連結在第 二波節和第三波節之間。突波保護器也可包括一個第五電壓限流 電路,連結在第四波節和第六波節之間。第二電壓限流電路可包 括一個第一氣體放電管(first gas discharge tube)且可包括 一個電阻裝置(resistivedevice),與第一氣體放電管以串聯(in series)連結;又電阻裝置可包括正溫度係數熱敏電阻(p〇sitive temperature coefficient resistor ; PTC resistor )。第一、 第二、和第五電壓限流電路的每一者可包括一個金屬氧化物壓敏 電阻(metal oxide varistor ; MOV),而第四電壓限流電路可包 括一個氣體放電管。第一、第二、第三、第四、和第五電壓限流 電路的每一者具有一個觸發電壓(trigger v〇ltage),且第二和 第四電壓限流電路的觸發電壓大於第一、第三、和第五電壓限流 電路的觸發電壓。 201125251 的第二個面向係指出—個保護—個負載避免一個電力 該負載有一個電力輸入,具有一個第一波節、一個 第三波節,各別連結至-個電源的火線(⑽)、 春^eutral)、和地線(gr〇und)的連結。本方法包含:穿 越第一波節和第二波節的限制電壓⑽一她鄉),使用一 個連結在第-波節和第二波節之間的第一電壓限流電路,來反應 -個穿越火線和中性線的連結的賴突波(隊『㈣鄉 赃ge);穿越火線和中性線的連結的突波所生之極限電流 (hnutuig current),使用一個連結在火線連結。— connection)和第一波節之間的串聯電感(如的—奶纖), 通過第-賴,電路;以及穿越火線連結和巾性線連結的限制 電壓,使用-個連結在電源的火線連結和中性線連結之間的第二 電壓限流電路’反應-個穿越火線和巾性線賴的電壓突波 (power voltage surge)0 本方法也可包括:穿越第二波節和第三波節的限制電壓 (limiting voltage),使用一個連結在第二波節和第三波節之間 的第二電壓限流電路,反應-個穿越中性線和地線的連結的麵 突波(power voltage surge);穿越中性線和地線的連結的突波 所生之極限電流(limiting current),使用一個連結在中性線連 結(neutral connection)和第二波節之間的申聯電感(series inductance),通過第三電壓限流電路;以及穿越中性線連結和地 201125251 線連結的關電壓n個連結在·的巾性線連結和地線連 結之間的第四電壓限流電路,反應—個穿越中性線和地線連結的 電壓突波(power voltage surge)。 本方法還可更進-步包括:穿越第一波節和第三波節的限制電 壓’使用-個連結在第-波節和第三波節之間的第五電壓限流電 路,反應一個穿越火線和地線連結的電壓突波(p〇wer ν〇ι^狀 surge)。第一電壓限流電路可以有一個較第二電壓限流電路為低 的觸發電壓’且本方法還可更進—步包括第-f壓限流電路的開 啟較先於第二電壓限流電路的開啟。第三電壓限流電路可以有一 個較第四電觀流f路為低稿發賴,且本方法還可更進一步 包括第二電壓限流電路開啟在第四電壓限流電路開啟之前。本方 法也包括:在第-電壓限流電路时用—個金屬氧化物壓敏電 阻’且在第二電壓限流電軸使用—個氣體放電管;在第三電壓 限流電路峽用-個金屬氧化物壓敏電阻;以及在第五電壓限流 電路内使用一個金屬氧化物壓敏電阻。 【實施方式】 此處所描述之系統及方法並祕定其制只在書所表達 或圖面所鱗之構造細節和構件排列,本發明可以細在其他具 體模式例’且可用各種不同方式來執行或操作。另外,為了說明, 此處所用的片語或名詞也不可視為限定的意義,使用『包括 201125251 (including)』、『含有(comprising)』、『具有(having)』、『包 含(containing)』、『連同(involving)』和此處其他類似用語, 都表示包封(encompass)其後所列項目和其相等物及附加項目。 此處至少一個具體模式例係指向一個突波保護裝置,在保護 敏感性設備方面具有改善的成果。突波保護裝置可以併入在配電 電源排插座(power distribution strips)例如本進行中申請案 之代理人一美國電力轉換公司(American power c〇nversi〇n (apc)
Corporation of West Kingston, ΜΑ)製造之商品。通常,突波 保護裝置會設計為符合一個或多個工業標準,包括Underwriters Laboratories (UL)所公佈的標準,更特別的是,UL 1449之項目 犬波保4裝置之安全標準(&andards for Safety for Surge Protective Devices)』’提供突波保護裝置之標準,且最近出版 的第一版UL 1449 ’在-個測試脈衝(test pu! se)的測試電流(把七 current)〜加-項’用來測量—個突波保護闕限制電壓(防
濩電壓額定值(Voltage Protective Rating ; VPR))。在第二版 UL 1449中’測試脈衝為6千伏特/G. 5千安培⑽/0. 5 kA),然而 在第三版UL 1449中,測試脈衝為6千伏特/3千安培(6_ kA)。 此處所揭不之具體模式例,以第三版此丨標準測試時,至少 有些係低於330伏特的防護電壓額定值(vpR)。 201125251 請參考圖一之突波保護器之方塊圖,以下將說明一個突波保 遵器100 ’§亥突波保遵器100係連結至輸入電力輸電幹線(input power mains) 102以接受電力,並連結至一個受保護負載 (protected load) 104。突波保護器和輸電幹線(mains)間的 界面(interface)可以使用一個標準的三線式電線(threewire power cord)和連接器(connector),而在突波保護器的輸出介 面可以疋一個或多個標準的電力插座(p0wer outlets)併入在電 源排插座中。如圖一所示,從輸電幹線來的輸入包括三個連接器, 含有一個火線連接器(line conductor)、一個中性線連接器 (neutral conductor)和一個地線連接器(gr〇undc〇nduct〇r); 相同地,犬波保5蒦器1 〇〇到該負載的界面包括一個火線連接器、 一個中性線連接器和一個地線連接器。 突波保護器100包括五個電壓限流電路丨〇6、1〇8、丨丨〇、112 和 114 ’ 和二個去耦電路(dec〇uplingcircuits) 116 和 118。第 -去輕電路116係串聯(inseries)連結在突波保護器的火線輸 入(line input)和火線輸出(Hne 〇utput)之間,且第二去耦 電路係串猶結在突波保護H的巾性線輸人和巾性線輸出之間。 五個電壓限流電路的每—者細並聯⑴連結兩個輸 入連接器或兩個輸出連接器,電壓限流電路1G6連結輸入火線和 中性線連接H ;電壓歸電路⑽連結輸人中性線和地線連接器; 電壓限/;11"電路110連結輸出火線和巾性線連接^ ;電壓限流電路 201125251 112連結輸出中性線和她線連接器;以及電壓限流電路114連結輸 出火線和地線連接器。 於一個具體模式例中’電壓限流電路係使用非線性構件 (non-linear component)例如金屬氧化物壓敏電阻(M〇Vs)、氣 體放電管(GDTs)、瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor ; TVS)、和相類似的構件或這些構件的併用。於此具 體模式例中,去耦電路包含的裝置,具有一個串聯阻抗(serial impedance)’ 可隨者輸入§扎號頻率(input signal frequency) 而增加,且能經得起高電壓;又,於一個具體模式例中,如以下 所討論,去搞電路係使用電感來實施。通常,後端電壓限流電路 (back end voltage limiting circuits) 110、112 和 114 係設 计成具有一個比前端電壓限流電路(frorrt; end voltage limiting circuits)106和108要來的較低的觸發電壓(trigger voltage); 反之,前端電壓限流電路106和1〇8係設計成具有一個比後端電 壓限流電路110、112和114要來的較高的電流容量(current capability)。再者’前端電壓限流電路的殘餘電壓(residuai voltage)特徵(characteristics)係設計成較後端電壓限流電 路的殘餘電壓特徵為低。 突波保護器100針對一個負載提供保護,對抗發生在輸入火 線和中性線之間、輸入火線和地線之間、和輸入中性線和地線之 201125251 100於這三種突波狀況的運作,此處 間的電壓。關於突波保護器 將詳述之。 一個輸電幹線上的突波輸人到火線和中性線之間(例如, uu·第3版,6千伏特/3千安培的突波),反應此現象,突波 保心100的運作如下:首先,—旦電壓限流電路別的觸發電 M (tnggervoitage)達到,則電壓限流電路11〇會啟動且通過 該電路的電流會增加,電流是一個脈衝電流(puise贿咐), 且一旦電壓限流電路110被觸發,則經過去減路ιΐ6和ιι8的 電壓將開始上升。經過去耗電路的電壓的上升導致經過電壓限流 電路106的電壓增加。—旦電壓限流電路⑽的電壓達到其觸發 電[’則電驗流電路⑽將會啟動。如前面所討論過的,電壓 限抓電路106 tt電驗流電路11G具有—健低的殘餘電壓和一 個較高的電流容量,-旦賴限流電路⑽被觸發,則來自突波 的電流的大部份將會通過電壓限流電路⑽。突波保護器 100的設 計使通過電壓限流電路110的最大電流(maxi_current)受到 控制因此,經過電路110的電壓會受到控制。經過電壓限流電 路110的電壓是電壓的防護電壓額定值(v〇ltage pr〇tective
Rating;VPR)火線至中性線,經過負载(load)出現。於-個具 體模式例中’防護賴額紐火線至中性線係設計為小於33〇伏 特。 201125251 -個輸電幹線上的紐輸人敢線和地線之間,突波保護器 100的運作如下:f先’—旦電壓限流電路114的觸發電壓 (trigger v〇itage)達到,職壓限流電路114會啟動且通過該 電路的電流會增加,電流是—個脈衝電流(pulse current),且 虽電壓限流電路114被觸發,則經過去麵電路116的電壓將開始 上升。經過去耗電路116的電壓的上升導致經過電壓限流電路1〇6 和108的電壓增加。一旦經過電壓限流電路1〇6和1〇8的電壓達 到這些電路的觸發電壓,則電壓限流電路1〇6和1〇8將會啟動。 如前面所討論過的’電壓限流電路1〇6和1〇8比電壓限流電路114 具有一個較低的殘餘電壓和一個較高的電流容量,一旦電壓限流 電路106# 108被觸發’則來自突波的電流的大部份將會通過電 壓限流電路106和108。突波保護器100的設計使通過電壓限流電 路110的最大電流受到控制,因此,經過電路114的電壓會受到 控制。經過電壓限流電路114的電壓是電壓的防護電壓額定值 (Voltage Protective Rating; VPR)火線至地線,經過負載(i〇ad) 出現。於一個具體模式例中,防護電壓額定值火線至地線係設計 為小於330伏特。 一個輸電幹線上的突波輸入到中性線和地線之間,突波保護 器100的運作如下:首先,一旦電壓限流電路112的觸發電壓 (trigger voltage)達到’則電壓限流電路U2會啟動且通過該 電路的電流會增加,電流是一個脈衝電流(pulse cUrrent),且 201125251 當電座限流電路112被觸發’則經過絲電路118的電壓將開始 上升。經過去搞電路118的電壓的上升導致經過電壓限流電路1〇8 的電壓增加。一旦經過電壓限流電路1〇8的電壓達到電壓限流電 路108的觸發電壓,則電壓限流電路1〇8將會啟動。如前面所討 論過的,電壓限流電路108比電壓限流電路112具有一個較低的 殘餘電壓和一個較高的電流容量,一旦電壓限流電路1〇8被觸發, 則來自突波的電流的大部份將會通過電壓限流電路1〇8。突波保護 器100的設計使通過電壓限流電路112的最大電流受到控制,因 此’經過電路112的電壓會受到控制。經過電壓限流電路丨丨之的 電壓是電壓的防護電壓額定值(Voltage Protective Rating ; VPR) 中性線至地線,經過負載(load)出現。於一個具體模式例中, 防護電壓額定值中性線至地線係設計為小於330伏特。 圖二係一個突波保護器200的一個概要電路圖,突波保護器 200是圖一方塊圖所示突波保護器1〇〇的一個電路實施。突波保護 器200包括三個金屬氧化物壓敏電阻(metal oxide varistors) 210、212、和 214 ’ 二個電感(inductors) 214 和 218,二個氣體 放電管(gas discharge tubes) 206和208,以及一個正溫度係 數(positive temperature coefficient ; PTC)電阻(resistor) 207。在突波保護器200中,金屬氧化物壓敏電阻210、212、和 214的功能,分別等同於電壓限流電路110、112、和114 ;電感 214和218的功能,相同於去耦電路114和118 ;氣體放電管208 12 201125251 的功能,相同於電壓限流電路108;以及氣體放電管2〇6合併正溫 度係數電阻207的功能,相同於電壓限流電路1〇6。於本發明之具 體模式例中,正溫度係數電阻2〇7係以串聯方式與氣體放電管2〇6 連結,以降低通過氣體放電管2〇6的電流,當突波通過後,關閉 氣體放電管206。 -個依照圖二的電路圖所實施的具體模式例中,氣體放電管 206和208的每-者係使用一個裝置作成,該裝置具有一個4〇〇 伏特的直流擊穿電壓⑽spark。· voltage),例如被稱為 GD82R400的裝置;金屬氧化物壓敏電阻(M〇Vs) 21〇、212和214 的每者係使帛130伏特的金屬氧化物壓敏電阻作成,例如被稱 為GNR20D201K的金屬氧化物壓敏電阻;以及正溫度係數電阻2〇7 係使用一個LVR200S ™裝置作成。再者,電感214和218係使 用10至100微亨利(micr〇henry)電感作成,具有一個鐵粉磁芯 (iron powder core) 〇 於其他具體模式例,可以使用其他震置作成符合本發明的電 路’具有圖—功能方塊圖所描述的功能性。 前述參照圖—和圖二的具體模式例,輸入電壓是單相(single 咖⑹120伏特交流電。於其他具體模式例,業界專業人士以本 揭示内容絲卿可了解,突魏_可以設計應麟其他電壓 13 201125251 及多相輸入(multiphase i叩uts)。於具有多於一個輸入相的具 體模式例,突波保護H的每-個輸人相火線< input phase nne) 會加入額外的構件。 於不同的具體模式例中,此處所述之突波保護器可以應用在 一個提供電力的具有多插座(multiple re(^ptacles)的電源排 插座,或可以應用在敏感電子裝置的電力輸入處,以及也能應用 在不斷電供電系統(uninterruptible power supplies; ups, s) 以提供突波保護給不斷電供電系統和該不斷電供電系統連結的裝 置或設備。 前述具體模式例的至少一者,可以提供保護以對抗發生在火 線至中性線之間及火線至地線之間和中性線至地線之間的突波, 此係超越傳統突波保護器的一個優點。 至少一個具體模式例提供超越先前技術、使用電容器 (capacitors)的裝置’因為電容器通常在尺碼上相對較大,並 且會有未預期的渗漏電流(leakage currents)。再者,此處描述 之突波保護器的至少某些具體模式例所使用的電感,提供電源遽 波器(powerline filtering)給同時使用突波保護器的負載 (loads)。 201125251 前述任何提及内容,從前至後、從左至右、從頂至底、或從 咼至低、及其同類,均意圖方便說明,並非限制本系統和方法或 其構件於任何一個位置或空間走向。 此處任何以單數提及的本系統和方法的具體模式例或元件 (elements)或動作,也可以包括含有複數的這些元件的具體模 式例;又,此處任何以複數提及的具體模式例或元件或動作也 可包括只含有單-元件的具體模式例。無論以單數或複數形式的 内容都未打算限制目前所揭露的系統和方法、其構件、動作、或 元件於單數或複數的架構。 此處揭露的具雜式例可帅其他具職式例合併,又,述 及『-個具體模式例(anembodiment)』、『一些具體模式例 embodiments)』、『一個替代的具體模式例(肋 embodiment )』、『不同的具體模式例(vari〇us emb〇di喊s)』、『一 具體模式例(oneerabodiment)』或其類似詞,並不需要互相區隔、 且想要指出具體模式例相__述的—個特定的形狀、結構、 或特徵是包含在至少-個具體模式例中。此處所用的名詞躲並 非全部提及相同的具雜式例。任何具雜式例可以和任何盆他 的具體模摘、以任何與此處揭補面向从職式例一致的方 式合併。 15 201125251 述及『或(or)』可鱗釋為包含,因此任何用語,使用 來描述,可以表示所描述之用語的『―個單—(__)』、『'』 於一(隨than one)』、和『全部(all)』的任何—者。』夕 在附圖、詳細說明或申請專利範_技術性形狀均有灸考號 碼,該參考號碼的唯-目的係增加附圖、詳細說明或專利申柄 目的可理解性。因此’有無參考號碼對於任何專利中請項目^ 圍並無限制作用。 24 本發明之至少-個具職式例的數個面向經過如此的描述, 熟悉此領域的專業人士應可了解各種更動、修改、和改善都能迅 速而輕易發生,這些更動、修改、和改善亦屬本揭示說明的一部 分,並且是在本發_精神和_之内,因此,前舰明和附圖 僅是一種例示。 【圖式簡單說明】 IW圖並未賴實際_崎;_在不賺圖巾的每—個相 同或幾乎相同的構件係以相同數字表示。為了明確清晰的目的, 在每一圖面並沒有一一標示每個構件。附圖係: 圖係個功能方塊圖’顯示本發明之一個具體模式例的一個突 波保護器的功能方塊圖;以及 圖-係個電路圖,顯不本發明之一個具體模式例的一個突波保 16 201125251 護器的電路圖。 【主要元件符號說明】 100……突波保護器 102……輸電幹線 104……受保護負載 106、108、110、112、114……電壓限流電路 116、118……去耦電路 200……突波保護器 210、212、214……金屬氧化物壓敏電阻 214、218……電感 206、208……氣體放電管 207……正溫度係數
Claims (1)
- 201125251 七、申請專利範圍: 1、一種突波保護器,用於保護一個連結至一個電源的負載 (load) ’該突波保護器包含: 一輸入(mput),具有一個第一波節(n〇de)、一個第二波節、 和一個第二波節,各別連結至一個電源的火線(line)、中性線 (neutral)、和地線(groun(j)的連結; 一輸出(output) ’具有一個第四波節、一個第五波節、和一個 第六波卽,各別連結至負載的火線(line)、中性線(neutrai )、 和地線(ground)的連結; 一第-電壓限流電路(first voltage limiting circuit),連 結在第四波節和第五波節之間; 一第一電感(first inductor) ’連結在第一波節和第四波節之 間;以及 -第二電壓限流電路’連結在第—波節和第二波節之間。 2、 如申請專利範圍第1項所述之突波保護器,更進一步包含: -第二電壓限流電路,連結在第五波節和第六波節之間; 一第二電感(second inductor),連結在第二波節和第五波節 之間;以及 --第四電壓限流電路,連結在第二波節和第三波節之間。 3、 如申請專利範圍第2項所述之突波保護器,更進一步包含一個 18 201125251 第五電壓限流電路,連結在弟四波節和第六波節之間。 4、 如申請專利範圍第3項所述之突波保護器,其中第二電壓限流 電路包括一第一氣體放電管(first gas discharge tube)。 5、 如申請專利範圍第4項所述之突波保護器,其中第二電壓限流 電路包括一電阻裝置(resistive device),與第一氣體放電 管以串聯(in series)連結。 6、 如申請專利範圍第5項所述之突波保護器,其中電阻裝置包含 一正/皿度係數熱敏電阻(positive temperature coefficient resistor ; PTC resistor )。 7、 如申請專利範圍第5項所述之突波保護器,其中第一、第三、 和第五電壓限流電路的每一者包括一金屬氧化物壓敏電阻 (metal oxide varistor ; MOV)° 8如申明專利範圍第7項戶斤述之突波保護器,其中第四電壓限流 電路包括一氣體放電管。 9、如申咕專利範圍第3項所述之突波保護器,其中第一、第二、 第三、第四、和第五電壓限流電路的每—者具有一個觸發電壓 19 201125251 (trigger voltage),且其中第二和第四電壓限流電路的觸發 電壓大於第-、第三、和第五電壓限流電路_發電壓。 10、-種方法’係保護-負载避免—織波的方法具有一個電 力輸入的該負載,具有-個第—波節(node)、-個第二波節、 和-個第三波節’各別連結至—個電源的火線(⑽)、中性 線(neutral)、和地線(gr〇und)的連結,該方法包含: 穿越第-波節和第二波節的限制電壓(limitingv〇itage), 使用-個連結在第—波節和第二波節之間的第—電壓限流電 路,來反應-個穿越火線㈣性線的連結的電壓突波⑼町 voltage surge); 穿越火線和中性線的連結的突波所生之極限電流(limiting nt)使用個連結在火線連結c〇皿〖ο。)和 皮節之間的串聯電感(series inductance),通過第一 電壓限流電路;以及 穿越火線連結和巾性線連結的限制,賴—個連結在電 源的火線連結和中性線連結之間的第二電壓限流電路,反應 一個穿越火線和中性線連結的電壓突波(P· voltage surge)° 士申明專利範圍第項所述之方法,更進一步包含: 穿越第—波節和第三波節的限制電壓(limiting voltage), 201125251 使用-個連結在第二波節和第三波節之間的第二電壓限流電 路來反應個穿越中性線和地線的連結的電壓突波(卿打 voltage surge); 穿越中性線和地線的連結的突波所生之極限電流㈣出呢 current)’使用—個連結在中性線連結(_加1 onnection)和第二波節之間的串聯電感(咖⑹ inductance) ’通過第三電璧限流電路;以及 穿越中性線連結和地線連結的關霞,額—個連結在電 源的中性線連結和地線連結之間的第四電壓限流電路,反應 -個穿越巾性線和地線連結的電壓突波她哪 surge)。 12、如申請專利範圍第1〇項所述之方法,更進-步包含: 穿越第-波i卩和第三波節的限制電壓,使用一個連結在第一 波玲和第二波節之間的第五電壓限流電路’反應—個穿越火 線和地線連結的電壓突波(pQwer 弧㈣。 且申”月專利範圍第1〇項所述之方法,其中第一電壓限流電路 '、有個較第二電壓限流電路為低的觸發電壓,且其中本方 更進步包括第-電壓限流電路的開練先於第二電壓限 流電路的開啟。 21 201125251 14、 如申請專利範圍第u項所述之方法,其中第三電屢限流電路 具有一個較第四電壓限流電路為低的觸發電壓,且其中本方 法更進一步包括第三電壓限流電路的開啟較先於第四電壓限 流電路的開啟。 15、 如申請專利範圍第10項所述之方法,更進一步包含:在第一 電壓限流電路内使用一個金屬氧化物壓敏電阻,且在第二電 壓限流電路内使用一個氣體放電管。 16、 如申請專利範圍第15項所述之方法,更進一步包含··在第二 電壓限流電路内使用一個正溫度係數熱敏電阻(p〇sitive temperature coefficient resistor ; PTC resistor ),與 氣體放電管以串聯(in series)連結。 17、 如申請專利範圍第16項所述之方法,更進一步包含:在第三 電壓限流電路内使用一個金屬氧化物壓敏電阻。 18、 如申請專利範圍第π項所述之方法,更進一步包含:在第五 電歷限流電路内使用一個金屬氧化物壓敏電阻。 22
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