WO2014005837A2 - Elektrisch angetriebenes schienenfahrzeug - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electrically driven
- Suburban rail vehicles in particular subways, very often draw electrical energy via current collectors arranged in the vicinity of the chassis, which are spring-loaded
- the drive converters can report their current power value to a vehicle control system. However, this is not sufficient for optimizing the entire driving operation. Presentation of the invention
- the invention is therefore based on the object
- Feed-in points are thereby a much higher
- Power take-offs e.g., air conditioning or compressed air compressors
- vehicle lighting are detected.
- Each pantograph assign a current measuring device which determines the current flowing through the respective pantograph current.
- a further embodiment of the invention provides, in each case on the vehicle longitudinal side opposite pantograph with a common line and equip in this
- Pantographs on bogies advantageous, since such only a flexible line connection between the movable Bogie and the fixed to the car body part of the electrical line is required.
- the evaluation device determines from the measured current values transmitted to it as well as the current voltage value of the
- This vehicle control is integrated in an operating control system which controls the entire railway operation and which of the individual vehicles, the current positions, driving conditions (speed, acceleration, load, etc.), energy consumption or
- Supply devices can be sized smaller and thus cheaper.
- a further advantageous feature of the invention lies in the simple recognizability of pantograph failures.
- the entire energy requirement of a rail vehicle can be transferred even if damage (breakage) of a pantograph from the, or the remaining pantograph.
- damage breakage
- the electrical line which reduces the life of these components. Therefore, a detection of the failure of a pantograph
- Busbar of a pantograph lead to an overload of the remaining pantograph.
- Limit switches are provided on the pantographs, which detect the position of a pantograph (in contact or lowered). Such limit switches, however, are the
- pantograph failure of the vehicle control can avoid certain operating conditions that may be harmful to the remaining pantograph.
- maximum acceleration of a fully loaded rail vehicle is to be avoided.
- Fig.l shows an example and schematically a block diagram of the power supply of an electrically driven
- a rail vehicle 1 has two
- Lines to the pantographs of the first bogie 2,3 are in the range of the first bogie with each other
- Junction box 11 comprises a busbar to which all power supply lines are combined and from which the consumers are supplied. The wires to the
- Pantographs of the second bogie 4.5 are also connected to each other in the region of the second bogie and an electrical line 10 leads from this connection point to the terminal box 11.
- each a current measuring device 6,7 is arranged, which in the Lines detected 6.7 flowing current and a current proportional to this signal to a
- Evaluation device 8 transmitted.
- the evaluation device 8 communicates with a vehicle controller 12 and transmits to it the current values measured by the current measuring devices 6, 7 or the corresponding electrical powers.
- a first power curve pl represents the course in the operation of rail vehicles according to the prior art. The curve pl shows high
- Performance curve p2 shows an optimized cable intake through the use of rail vehicles according to
- the total current I corresponds to the sum of the currents il and i2, where il is the current in the line to a first bogie and i2 is the current to a second bogie.
Abstract
Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug (1), umfassend mindestens einen, im Fahrwerkbereich angeordneten Stromabnehmer (2, 3, 4, 5) und eine elektrische Leitung (9, 10) zwischen dem Stromabnehmer (2, 3, 4, 5) und einem Anschlußkasten (11), wobei im Verlauf der elektrischen Leitung (9, 10) jeweils eine Strommeßeinrichtung (6, 7) angeordnet ist, welche den in der Leitung (6, 7) fließenden Strom (i1, i2) bestimmt und ein der Stromstärke (i1, i2) entsprechendes Signal an eine Auswerteeinrichtung (8) übermittelt.
Description
Beschreibung
Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes
Schienenfahrzeug.
Stand der Technik Nahverkehrsschienenfahrzeuge, insbesondere U-Bahnen beziehen elektrische Energie sehr häufig über in Fahrgestellnähe angeordnete Stromabnehmer, welche mittels gefederter
Gleitstücke die Energie von neben den Gleisen angeordneten Stromschienen („3. Schiene") abnehmen. Bei diesen
Schienenfahrzeugen mit Stromabnehmern im Fahrgestellbereich sind sehr häufig mehrere dieser Stromabnehmer vorgesehen, da einerseits die elektrische Leistung dadurch verteilt wird und die einzelnen Stromabnehmer jeweils eine geringere Leistung übertragen müssen, andererseits ist es wegen der im
Allgemeinen unterbrechungsbehafteten Stromschiene
erforderlich mehrere Stromaufnahmestellen vorzusehen um diese Lücken überbrücken zu können, sodass ein Fahrzeug auf der gesamten Strecke elektrisch versorgt wird. Dadurch kann ein Fahrzeug auch weiterbetrieben werden, wenn ein Stromabnehmer fehlt (beispielsweise abgebrochen oder anderwärtig beschädigt ist) . Dabei wird die elektrische Energie über die
verbleibenden Stromabnehmer zugeführt. Dieser Betriebszustand ist für die elektrischen Einrichtungen, insbesondere die Leitungen von den Stromabnehmern zu der Sammelschiene
nachteilig, da sie einer dauerhaft erhöhten Belastung
ausgesetzt sind. Dem Fahrpersonal ist dieser Betriebszustand nicht ohne Weiteres ersichtlich, da sich die
Fahreigenschaften dadurch nicht ändern und es derzeit keine Warneinrichtungen für diesen Mangel gibt.
Eine weitere Problematik, welche insbesondere bei U-Bahnen besteht darin, das U-Bahnnetze üblicherweise mit Gleichstrom betrieben werden. Dieser Gleichstrom wird mittels
elektronischer Gleichrichter aus dem allgemeinen
Energieversorgungsnetz erzeugt, wobei diese Gleichrichter im Allgemeinen nicht rückspeisefähig sind. Werden auf einer solchen U-Bahnstrecke moderne, rückspeisefähige Fahrzeuge betrieben, so kann dann nur ein Vorteil bezogen werden wenn gleichzeitig Verbraucher aktiv sind, die die rückgespeiste Energie verbrauchen können. Überschüssige, durch
Bremsvorgänge erzeugte elektrische Energie muß im Fall, das sie nicht von einem im selben Moment beschleunigenden
Fahrzeug benötigt wird, in Bremswiderständen in Wärme
umgewandelt werden. Diese Ineffizienz führt zu weiteren
Nachteilen wie der übermäßigen Erhitzung der Tunnel und einem erhöhten Kühlungsbedarf für den Passagierraum, bzw. die
Stationen. Teilweise gelingt es diese Nachteile zu
reduzieren, wobei eine Gesamtsteuerung des Fahrbetriebs darauf Rücksicht nehmen kann. Beispielsweise kann dabei ein Anfahren eines Fahrzeugs verzögert werden bis ein anderes Fahrzeug bremst um solcherart den Gesamtenergiebedarf zu reduzieren. Allerdings ist es nicht möglich, genaue
Leistungswerte einzelner Fahrzeuge im Fahrbetrieb zu erheben, allenfalls können die Antriebsstromrichter ihren aktuellen Leistungswert an eine Fahrzeugsteuerung melden. Dies ist für eine Optimierung des gesamten Fahrbetriebs allerdings nicht ausreichend .
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug anzugeben, dessen gesamter Energieverbrauch bzw. Energieerzeugung im
Fahrbetrieb bestimmbar ist und welches eine
Stromabnehmerausfallwarnung bietet . Die Aufgabe wird durch ein elektrisch angetriebenes
Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche . Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird ein elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug beschrieben, welches
mindestens einen, im Fahrwerksbereich angeordneten
Stromabnehmer und eine elektrische Leitung zwischen dem
Stromabnehmer und einem Anschlußkasten umfasst, wobei im Verlauf der elektrischen Leitung eine Strommeßeinrichtung angeordnet ist, welche den in der Leitung fließenden Strom bestimmt und ein der Stromstärke entsprechendes Signal an eine Auswerteeinrichtung übermittelt. Dadurch ist der Vorteil erzielbar, die aktuelle Strom, und damit die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe eines
Schienenfahrzeugs während dessen Betriebs kontinuierlich bestimmen zu können. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass die elektrische Leistung durch Messung an der, bzw. den
Einspeisestellen erfolgt wodurch eine wesentlich höhere
Erfassungsgenauigkeit erzielbar ist als über die
üblicherweise vorhandene Strommessung an dem
Antriebsstromrichter. Durch die Erfassung an der
Einspeisestelle kann auch die Leistungsaufnahme der
Nebenantriebe (z.B. Klima- oder Pressluftkompressoren) und der Fahrzeugsbeleuchtung erfasst werden. Erfindungsgemäß ist eine Strommeßeinrichtung in die
elektrische Leitung zwischen einem Stromabnehmer und einem Anschlußkasten (bzw. Anschlußpunkt) angeordnet, welche den in dieser Leitung fließenden Strom detektiert. Dazu können einerseits gebräuchliche, für Schienenfahrzeuge geeignete Stromwandler eingesetzt werden, andererseits sind für
gleichspannungsbetriebene Bahnen (z.B. U-Bahnen)
Gleichspannungswandler erforderlich. Es ist wesentlich, diese Strommeßeinrichtung an dieser Position vorzusehen, um die gesamte Energieaufnahme, bzw. Energieabgabe dieses
Schienenfahrzeugs bestimmen zu können. Solcherart ist
sichergestellt, dass weitere elektrische Verbraucher an Bord des Schienenfahrzeugs in die Messung einbezogen werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, jedem
Stromabnehmer jeweils eine Strommeßeinrichtung zuzuordnen, welche den durch den jeweiligen Stromabnehmer fließenden Strom bestimmt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, jeweils fahrzeuglängsseitig gegenüberliegende Stromabnehmer mit einer gemeinsamen Leitung auszustatten und den in dieser
gemeinsamen Leitung fließenden Strom mit einer
Strommeßeinrichtung zu bestimmen. Dadurch ist der Vorteil erzielbar, eine Einsparung an Bauteilen realisieren zu können. Dies ist insbesondere bei der Anordnung von
Stromabnehmern an Drehgestellen vorteilhaft, da solcherart nur eine flexible Leitungsverbindung zwischen dem beweglichen
Drehgestell und dem am Wagenkasten fest montierten Teil der elektrischen Leitung erforderlich ist.
Die von der, bzw. den Strommeßeinrichtungen erfassten
elektrischen Ströme werden an eine Auswerteeinrichtung geleitet, wobei ein der erfassten Stromstärke proportionales Signal an diese Auswerteeinrichtung übermittelt wird. Die dabei im Allgemeinen erforderliche Potentialtrennung und ausreichende Isolierung ist durch die Auslegung der
bahngeeigneten Strommeßeinrichtung (Stromwandler)
gewährleistet .
Die Auswerteeinrichtung bestimmt aus den an sie übermittelten Strommeßwerten sowie dem aktuellen Spannungswert der
Bahnenergieversorgung die momentane elektrische
Leistungsaufnahme des Schienenfahrzeugs bzw. die elektrische rückgespeiste Bremsenergie des Fahrzeugs.
In weiterer Fortbildung der Erfindung ist eine
Fahrzeugssteuerung vorgesehen, welche übergeordnete
Steuerungsaufgaben vornimmt. Diese Fahrzeugssteuerung ist in ein Betriebssteuersystem eingebunden, welches den gesamten Bahnbetrieb steuert und welches von den einzelnen Fahrzeugen die aktuellen Positionen, Fahrzustände (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Beladung, etc.), Energieaufnahme bzw.
Energieabgabe als Eingangsgrößen zur energieoptimalen
Steuerung des Fahrbetriebes unter Einhaltung des Fahrplans vornimmt .
Beispielsweise kann ein Abfahren eines Zuges aus einer
Haltestelle für kurze Zeit verzögert werden, wenn ein anderes Fahrzeug sich kurz vor der Einfahrt in eine Haltestelle befindet, sodass die elektrische Bremsenergie des anhaltenden Fahrzeugs zur Beschleunigung des anfahrenden Fahrzeugs eingesetzt werden kann.
Dadurch ist eine wesentliche Reduktion der
Spitzenenergieaufnahme des gesamten Bahnnetzes erzielbar, wodurch die entsprechenden elektrischen
Versorgungseinrichtungen (Transformatoren, Gleichrichter) kleiner und somit kostengünstiger dimensioniert werden können .
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung liegt in der einfachen Erkennbarkeit von Stromabnehmerausfällen. Der gesamte Energiebedarf eines Schienenfahrzeugs kann auch bei Beschädigung (Bruch) eines Stromabnehmers von dem, bzw. den verbleibenden Stromabnehmer übertragen werden. Dabei tritt jedoch eine größere Erwärmung dieses Stromabnehmers und der elektrischen Leitung auf, was die Lebensdauer dieser Bauteile reduziert. Deshalb ist eine Erkennung des Ausfalls eines
Stromabnehmers wesentlich. Ebenso kann das fehlerhaft, bzw. ungewollt durchgeführte Absenken (Trennen von der
Stromschiene) eines Stromabnehmers zu einer Überlastung der verbleibenden Stromabnehmer führen. Gemäß dem Stand der
Technik können zur Erkennung dieses Betriebszustandes
Endschalter an den Stromabnehmern vorgesehen werden, welche die Position eines Stromabnehmers (In Kontakt oder abgesenkt) erfassen. Solche Endschalter sind jedoch den
Umgebungsbedingungen ausgesetzt und bedürfen bestimmter
Wartungen.
Erfindungsgemäß ist ein elektrisch angetriebenes
Schienenfahrzeug mit einer Stromabnehmerausfallserkennung ausgestattet, welche ohne bewegliche, wartungsintensive und dem Verschleiß unterworfene Bauteile einen Ausfall eines Stromabnehmers erkennen kann. Dazu ist die
Auswerteeinrichtung mit einer Vergleichereinrichtung
ausgestattet, welche die in den einzelnen Leitungen zu den
Stromabnehmern fließenden Ströme vergleicht. Tritt dabei ein Unterschied auf, welcher über einen bestimmten (längeren) Zeitraum besteht, und wobei der Strom zu einem bestimmten Stromabnehmer den Wert Null annimmt, so detektiert die
Auswerteeinrichtung den Ausfall dieses Stromabnehmers.
Dieser bestimmte, längere Zeitraum (typischerweise einige Sekunden) ist wesentlich um Fehlausgaben zu vermeiden, da an Übergangsstellen der Stromschiene kurzzeitige Unterbrechungen der Stromzufuhr auftreten und dieser Umstand nicht zu einer falschen Alarmierung führen soll.
Es ist besonders empfehlenswert, einen erkannten
Stromabnehmerausfall der Fahrzeugsteuerung zu melden, da diese dadurch bestimmte Betriebszustände, welche für die verbliebenen Stromabnehmer schädlich sein können vermeiden kann. Insbesondere sind dabei maximale Beschleunigungen eines vollbeladenen Schienenfahrzeugs zu vermeiden.
Mit dem Einsatz gegenständlicher Erfindung gelingt es
einerseits den Ausfall eines (oder mehrerer) Stromabnehmer einfach und zuverlässig zu erkennen, sodass das Fahrzeug bis zu einem geeigneten Reparaturzeitpunkt im Einsatz verbleiben kann und doch keine elektrischen und thermischen
Betriebsgrenzen überschritten werden.
Andererseits ermöglicht ein erfindungsgemäßes
Schienenfahrzeug einen energieverbrauchsoptimierten Betrieb eines Bahnnetzes aufgrund der Bereitstellung von genauen Leistungswerten in Echtzeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen beispielhaft:
Fig.l Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug,
Energieversorgung.
Fig.2 Bahnnetz, Leistungsaufnahme.
Fig.3 Stromabnehmerausfallserkennung mittels Strommessung.
Ausführung der Erfindung
Fig.l zeigt beispielhaft und schematisch ein Blockschaltbild der Energieversorgung eines elektrisch angetriebenen
Schienenfahrzeugs. Ein Schienenfahrzeug 1 weist zwei
Drehgestelle auf, wobei je Drehgestell beidseitig je ein Stromabnehmer 2,3,4,5 angeordnet ist. Die elektrischen
Leitungen zu den Stromabnehmern des ersten Drehgestells 2,3 sind im Bereich des ersten Drehgestells untereinander
verbunden und eine elektrische Leitung 9 führt von diesem Verbindungspunkt zu einem Anschlußkasten 11. Dieser
Anschlußkasten 11 umfasst eine Sammelschiene, an welcher alle Stromzuführungen zusammengefasst sind und von welcher die Verbraucher versorgt werden. Die Leitungen zu den
Stromabnehmern des zweiten Drehgestells 4,5 sind ebenfalls im Bereich des zweiten Drehgestells untereinander verbunden und eine elektrische Leitung 10 führt von diesem Verbindungspunkt zu dem Anschlußkasten 11. Im Verlauf der Leitungen 9,10 ist jeweils eine Strommeßeinrichtung 6,7 angeordnet, welche den in den Leitungen 6,7 fließenden Strom ermittelt und ein diesem Strom proportionales Signal an eine
Auswerteeinrichtung 8 übermittelt. Die Auswerteeinrichtung 8
steht mit einer Fahrzeugsteuerung 12 in Verbindung und übermittelt dieser die von den Strommeßeinrichtungen 6,7 gemessenen Stromwerte, bzw. die entsprechenden elektrischen Leistungen .
Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch den Verlauf der Leistungsaufnahme eines Speiseabschnitts eines Bahnnetzes. Es ist der zeitliche Verlauf der elektrischen Leistung P über der Zeit t dargestellt. Ein erster Leistungsverlauf pl stellt den Verlauf bei einem Betrieb von Schienenfahrzeugen gemäß dem Stand der Technik dar. Der Verlauf pl zeigt hohe
Verbrauchsspitzen, wie sie beispielsweise beim gleichzeitigen Anfahren mehrerer Fahrzeuge auftreten. Ein zweiter
Leistungsverlauf p2 zeigt eine optimierte Leitungsaufnahme durch den Einsatz von Schienenfahrzeugen gemäß
gegenständlicher Erfindung. Aufgrund der dadurch erfolgenden Koordinierung zwischen den Beschleunigungs- und
Bremsvorgängen aller in dem Speiseabschnitt befindlichen Fahrzeuge kann eine deutlich geringere Spitzenlast erzielt werden.
Fig.3 zeigt beispielhaft und schematisch eine
Stromabnehmerausfallserkennung mittels Strommessung. Es ist der Verlauf der elektrischen Stromstärke I über der Zeit t dargestellt. Die elektrische Ausrüstung entspricht dem in
Fig.l dargestellten Schienenfahrzeug 1. Die Gesamtstromstärke I entspricht der Summe der Ströme il und i2, wobei il der Strom in der Leitung zu einem ersten Drehgestell und i2 der Strom zu einem zweiten Drehgestell ist. Dabei sind zur
Vereinfachung die Ströme il und i2 als jeweils gleich groß angenommen. In gezeigten beispielhaften Verlauf in dem betrachteten Zeitabschnitt verläuft die Stromaufnahme zuerst sinkend, darauffolgend konstant und darauf (aufgrund eines
Bremsvorganges) konstant mit negativem Vorzeichen (in das Netz rückspeisend. Darauf folgt ein Zeitraum ohne
Stromaufnahme (Aufenthalt in der Haltestelle) . Während der darauffolgenden Beschleunigungsphase erfolgt zum Zeitpunkt ta ein Ausfall des Stromabnehmers des zweiten Drehgestells, sodass die Stromstärke i2 sofort auf den Wert Null absinkt und auf diesem Wert Null verbleibt. Im Zeitpunkt ta übernimmt folgedessen der Stromabnehmer des ersten Drehgestells die gesamte elektrische Leistung, wodurch sich der Strom il verdoppelt. Das Schienenfahrzeug 1 kann den darauffolgenden Fahrzyklus durchführen, allerdings mit starker Belastung des Stromabnehmers des ersten Drehgestells. Der plötzliche Abfall des Stroms des zweiten Drehgestells i2 auf den Wert Null und insbesondere der Verbleib auf diesem Wert Null dient der Detektion des Ausfalls dieses Stromabnehmers.
Liste der Bezeichnungen
I Schienenfahrzeug
2 Stromabnehmer, erstes Drehgestell rechts
3 Stromabnehmer, erstes Drehgestell links
4 Stromabnehmer, zweites Drehgestell rechts
5 Stromabnehmer, zweites Drehgestell links
6 Strommeßeinrichtung, erstes Drehgestell 7 Strommeßeinrichtung, zweites Drehgestell
8 Auswerteeinrichtung
9 Elektrische Leitung, erstes Drehgestell
10 Elektrische Leitung, zweites Drehgestell
II Anschlußkasten
12 Fahrzeugsteuerung
P Elektrische Leistung
t Zeit
pl Leistungsverlauf Speiseabschnitt
p2 Leistungsverlauf Speiseabschnitt optimiert I Elektrische Stromstärke
11 Elektrische Stromstärke, erstes Drehgestell
12 Elektrische Stromstärke, zweites Drehgestell ta Ausfallzeitpunkt
Claims
Patentansprüche
Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug (1),
umfassend mindestens einen, im Fahrwerkbereich
angeordneten Stromabnehmer (2,3,4,5) und eine
elektrische Leitung (9,10) zwischen dem Stromabnehmer (2,3,4,5) und einem Anschlußkasten (11), dadurch gekennzeichnet, dass im Verlauf der elektrischen
Leitung (9,10) jeweils eine Strommeßeinrichtung (6,7) angeordnet ist, welche den in der Leitung (6,7) fließenden Strom (il,i2) bestimmt und ein der
Stromstärke (il,i2) entsprechendes Signal an eine
Auswerteeinrichtung (8) übermittelt.
Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auswerteeinrichtung (8) bei Überschreiten einer
bestimmten Stromstärke (il, i2) ein Warnsignal, welches diese Überschreitung anzeigt an eine Fahrzeugsteuerung (12) übermittelt.
Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auswerteeinrichtung (8) ein dem von der
Strommeßeinrichtung (6,7) bestimmten Strom (il,i2) proportionales Signal kontinuierlich an eine
Fahrzeugsteuerung (12) übermittelt.
Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug (1), nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugsteuerung (12) das an sie
übermittelte, dem Strom (il, i2) proportionale Signal zur Planung des Fahrbetriebs, insbesondere zu
Bestimmung von Beschleunigungs- und Bremsphasen einsetzt .
5. Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug (1), nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fahrzeugsteuerung (12) eine Datenverbindung zu einer zentralen Betriebssteuerung umfasst und über diese Datenverbindung die aktuelle Leistungsaufnahme des Schienenfahrzeugs (1) an die zentralen
Betriebssteuerung übermittelt.
6. Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug (1), nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fahrzeugsteuerung (12) über die Datenverbindung zu einer zentralen Betriebssteuerung Vorgaben für die Steuerung des Antriebs des Schienenfahrzeugs (1), insbesondere maximale Beschleunigungs- und
Verzögerungswerte übermittelt erhält.
7. Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommeßeinrichtung (6,7) als
Gleichstromwandler ausgeführt ist.
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