电能质量技术及控制.docx
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电能质量技术及控制
我们在生活和生产中曾经遇到过诸如下面的一些问题：
•电容补偿装置不能正常运行:
电容经常坏,老是烧保险,接触器换了一批又一批…
•主开关经常跳闸:
影响正常生产,损失大把钞票啊…
•收到供电局的电费单一看,其中有一项是功率调整电费,又多花了不少钱,心疼…
•变压器容量不小,负载也不太大,怎么容量还是不够,增容费用很高,又要掏银子…
•电压总是不稳定…
•哪里来的干扰,计算机都不能正常工作…
•日光灯不停的闪烁，镇流器也烧毁了…
•自动控制装置不再听话，经常误动作…
•烧电机…
•自动化设备的控制系统经常出故障…
•供电公司说我们谐波超标,给我们开了一张限期整改通知单…
•上了补偿滤波装置（高压侧），变压器温升怎么还这么高呀…
……
以上这些均由电力质量问题引起，电能是现代人类生产和生活中使用的最普遍也最不可或缺的能源形式。
电能的质量问题直接关系到整个社会的进步与发展。
如果您的配电设备经常出现故障,请您关注电能质量（谐波）问题；
如果您的电费单中有功率调整电费,请您关注智能无功补偿技术！
关于电能质量问题
电能可以方便的通过各种不同的用电器方便、高效率、可靠的转换成机械能、热能、光能、化学能等形式以供消费。
一、理想的电能供应形式
在理想的电力系统中，电能是以单一恒定的频率（50Hz或60Hz）和正弦波形，按规定的电压水平向用户供电，即理想的电能供应形式应满足：
•单一恒定的电网标称频率
50Hz：
功率平衡，不中断
•规定的若干电压等级
配电系统一般为110kV，35kV，10kV，380V/220V
•理想的正弦波形
电压电流同相位，无其他频率成份
•三相系统的平衡
幅度相同，相位互差120度。
二、实际导致供电模式非理想的因素
电能质量（PowerQuality-PQ）就是指电能的优劣程度，电能质量问题就是造成设备不能正常工作的各种电力问题，即任何出现的电压、电流以及频率偏移导致的用户设备损坏或运行不正常的电能问题。
通常导致供电波形不理想的因素为：
•电力供应方的因素
✓设备因素
✓技术因素
✓管理因素
•电力用户方的因素
✓非线性负荷：
如整流器、逆变器、静止无功补偿装置、变频器、高压直流输电设备等；
✓冲击性负荷：
如电弧炉、轧机等；
✓负荷不平衡：
如电力机车
•外在因素：
✓自然灾害，雷电、风雪、鸟害…
✓人为因素，恐怖活动
三、电能质量问题分类
电能质量问题一般可以分为以下几类:
•供电中断；
•电压偏差；
•频率偏差；
•三相不平衡；
•电力谐波（这是所有电能质量问题中最常见的一种）；
•电压波动与闪变；
•电压暂降与暂升；
…电能质量指公用电网对电力用户的供电电压质量和电力用户对公用电网的干扰水平。
公用电网对电力用户的供电电压质量一般用电压频率、谐波电压、电压偏差、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、电压凹陷、电压凸起、电压中断、电压脉冲和振荡等参数描述。
电力用户对公用电网的干扰水平一般用谐波电流、无功波动、有功冲击、三相不平衡功率等参数描述。
四、波形畸变
实际上，系统中存在很多非线性负荷导致了电压电流波形发生畸变。
下图给出了非线性电阻引起电流畸变的原理图.
根据傅立叶分析可以知道，非正弦波可以分解为一个基波频率的正弦波和多个整数倍基波频率的正弦波之和，这些整数倍基波频率的正弦波就是我们所说的谐波。
即：
五、电能质量问题带来的危害
1、谐波对各种设备的危害
（1）变压器：
电流谐波将增加铜损、铁损，使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。
谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生噪声。
（2）电动机：
输出谐波对电动机的影响主要有，引起电动机发热，导致电动机的额外升温，电动机往往要降额使用，由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪声增加。
（3）电力电容器组：
一般电容器的标准规范最大电流只允许35％的超载，但实际运转时，由于谐波的影响，常发生严重过载。
因而导致过热、增加介电质的应力，会发生振动短路、过电流及产生噪声。
（4）开关设备：
由于谐波电流的存在，开关设备在起动瞬间产生很高di／dt的电流变化率，致使增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。
（5）保护电器：
电流中含有谐波，必产生额外的转矩，改变电器的动作特性，以致引起误动作。
（6）计量仪表：
电能表等计量仪表，因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。
（7）电力电子设备：
在多种场合，电子设备常会产生谐波的电流源，且很容易感受谐波失真而误动作。
（8）其他还有如照明设备、通信设备、电视及音响设备、电脑设备、载频遥控设备等都容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命。
2.电压偏差的危害
（1）对用电设备的危害
用电设备设计在额定电压时性能最好、效率最高、发生电压偏差时、其性能和效率都会降低，又得还会减少使用寿命。
电压偏差超过一定范围，设备会由于电压或过电流而损坏。
（2）对电网稳定、经济运行的危害
交流输电有个同步运行稳定问题，输电线的输送功率受稳定极限的限制，特别是小扰动下的静态稳定功率极限与电网运行电压有很大的关系，电压越低，功率极限超低，越是容易发生不稳定现象。
电网缺乏无功功率，运行电压低，有可能产生电压不稳定现象，造成电网电压崩溃。
同步运行稳定的破坏或电压不稳定都是严重的电力系统事故，会造成大量负荷停电及系统瓦解等十分严重的后果。
电网电压过低或无功功率远距离流动，都会增大电网的线损（有功功率损耗），提高了用电成本。
3.频率偏差对系统和用电设备的影响
（1）对用电负荷的影响
✓产品质量没有保障。
✓降低劳动生产率。
✓使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。
（2）对系统的影响
✓降低发电机组效率，严重时可能引发系统频率崩溃或电压崩溃。
✓汽轮机在低频下运行时容易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂。
✓处于低频率系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁电流也就随之加大，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困难。
✓无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。
✓频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。
研究表明：
频率改变1％，感应式电能表的计量误差约增大0.1％。
频率加大，感应式电能表将少计电量。
（3）频率的变化还可能引起系统中滤波器的失谐和电容器组发出的无功功率变化。
4.三相不平衡的危害和影响
三相不平衡是指三相电源各相的电压不对称。
是各相电源所加的负荷不均衡所致，属于基波负荷配置问题。
发生三相不平衡即与用户负荷特性有关，同时与电力系统的规划、负荷分配也有关。
《电能质量三相电压允许不平衡度》（GB/T15543-1995）适用于交流额定频率为50赫兹。
在电力系统正常运行方式下，由于负序分量而引起的PCC点连接点的电压不平衡。
该标准规定：
电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。
（1）对变压器的危害。
在生产、生活用电中，三相负载不平衡时，使变压器处于不对称运行状态。
造成变压器的损耗增大（包括空载损耗和负载损耗）。
根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%。
此外，三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件升温增高，甚至会导致变压器烧毁。
（2）对用电设备的影响。
三相电压不平衡的发生将导致达到数倍电流不平衡的发生。
诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生震动，输出亏耗等影响。
各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护的成本。
断路器允许电流的余量减少，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。
中性线中流入过大的不平衡电流，导致中性线增粗。
（3）对线损的影响。
三相四线制结线方式，当三相负荷平衡时线损最小；当一相负荷重，两相负荷轻的情况下线损增量较小；当一相负荷重，一相负荷轻，而第三相的负荷为平均负荷的情况下线损增量较大；当一相负荷轻，两相负荷重的情况下线损增量最大。
当三相负荷不平衡时，无论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线损增量也越大。
一般情况下，在小电流电路中，前面的塑料外壳断路器（装置式空气断路器）不会跳开。
但在三相不平衡电流的任意相数值超过空气断路器的整定值时，断路器会跳开。
5.电压波动与闪变
由于电力系统中存在着许多冲击性负荷，在运行过程中频繁地从系统取用快速变动电能，出现冲击性功率变化，造成公共连接点（PCC）电压在短时间内急剧变动，并且明显偏离标称电压值，即产生了电压波动。
虽然电压波动会引起部分电气设备不能正常工作，但是由于实际运行中出现的电压波动值往往小于电气设备对电压敏感度门槛值，可以说由于电压波动使得电气设备运行出现问题甚至损坏的情况并不多见。
但是在办公、商用和民用建筑的照明电光源中，白炽灯占有相当大的比例，白炽灯的光功率与电源电压的平方成正比，所以受电压波动影响最大。
当白炽灯电源的电压波动在10％左右，并且当重复变动频率在5～15Hz时，就可能造成令人烦恼的灯光闪烁。
这种由于电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视觉感反应即是闪变。
电压波动与闪变会引起多种危害，概括起来主要有以下几方面：
（1）引起车间、工作室和生活居室等场所的照明灯光闪烁，使人的视觉易于疲劳甚至难以忍受而产生烦躁情绪，从而降低了工作效率和生活质量。
（2）使得电视机画面亮度频繁变化以及垂直和水平幅度摇动。
（3）造成对直接与交流电源相连的电动机的转速不稳定，时而加速时而制动，由此可能影响产品质量，严重时危及设备本身安全运行。
（4）对电压波动较敏感的工艺过程或试验结果产生不良影响。
（5）导致电子仪器和设备、计算机系统、自动控制生产线以及办公自动化设备等工作不正常，或受到损坏。
（6）导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱，致使电力电子换流器换相失败等。
6．瞬态过电压和暂态过电压
指峰值电压高达20000V，但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。
其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，主要由雷电所致。
危害：
以大规模集成电路为核心组件的测量、监控、保护、通信、计算机网络等先进电子设备广泛运用于电力、航空、国防、通信、广电、金融、交通、石化、医疗以及其它现代生活的各个领域，以大型CMOS集成元件组成的这些电子设备普遍存在着对暂态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点，暂态过电压不仅会造成电子设备产生误操作，或者造成电子设备受到干扰，数据丢失，或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。
7．电压跌落（暂降）
定义：
电压有效值降至额定值的10%-90%，持续时间为0.5个周期至一分钟；典型电压跌落持续时间一个周波到一秒钟的时间，通常持续几十毫秒至几百毫秒。
（1）计算机电压低于60％持续12个周波，计算机工作将受到影响，数据丢失。
电压低于50％持续时间超过一个周波，接触器就会脱扣，有时电压低于70％接触器就会脱扣。
（2）交流接触器
当电压低于70％，持续时间超过6个周波，VSD被切除；一些精细加工业的
电机，当电压低于90％持续时间超过3个周波，电机跳闸退出运行。
（3）调速电机（VSD）
直流电机当电压低于80％时，电机保护跳闸。
（4）机器人控制操作的精密加工过程，当电压低于90％持续2～3周波，其工作过程中断。
（5）精密机械工具
PLC当电压低于90％持续几个周波，I/O设备切除，低于81％时PLC停止工作。
（6）芯片制造业当电压低于85％时，芯片被毁，测试仪停止工作，内部电子电路主板故障。
（7）制冷电子控制器当电压低于80％时，控制器切除制冷电机，导致巨大损失。
8.供电中断
电力系统供电中断将使全系统的有功功率和无功功率的平衡遭到破坏，系统频率及电压严重偏离正常值，甚至可能导致系统频率崩溃和电压崩溃。
电力系统供电中断还会对国民经济其他行业产生重大影响，将会导致生产停顿、生活混乱，甚至危及人身和设备安全，从而给国民经济带来严重损失。
例如，供电中断时间超过15min，电解铝炉就会报废；高炉停电时间超过30min，铁水就要凝固；矿井停电时间过长，空气中瓦斯含量会升高，使井下矿工窒息，甚至引发瓦斯爆炸等事故；电气化铁路一旦供电中断，电气机车无法运行，严重影响游客及货物运输；交通信号供电中断，会造成交通堵塞甚至交通瘫痪等。
六、电能质量问题抑制
电能质量问题给电力系统和用户带来了很多负面影响，目前我国抑制电能质量问题的原则和措施为：
•电能质量问题抑制的现状：
先污染，后治理
•电能质量问题抑制的原则：
就地治理，谁污染，谁治理
•电能质量问题抑制的相关部门：
供电方，用电方
•电能质量问题抑制的法规依据：
电能质量国家标准
✓GB12325-2003《电能质量供电电压允许偏差》
✓GB12326-2000《电能质量电压允许波动和闪变》
✓GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》
✓GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》
✓GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》
✓GB/T18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》
七、电能质量控制技术
1.电能质量控制技术的概念
定义：
改善输配电网电能质量的技术称之为电能质量控制技术。
内容：
电能质量控制技术包括柔性交流输电系统（FlexibleACTransmissionSystems,FACTS）技术和用户定制电力（CustomPower,CP）技术。
✓FACTS技术：
FACTS技术是针对输电系统的，其基本作用是控制输电系统中的潮流和提高输电线路的输送能力，以保证输电系统稳定性和电能质量。
✓CP技术：
CP技术是面向配电系统的，其主要功能是提高用户端供电的可靠性和电能质量。
展望未来：
FACTS技术和CP技术的概念是二十世纪八十年代末被提出来的，两者都是电力电子技术在电力系统中的应用，它们代表了电力系统技术的一个主要发展方向，其应用将会越来越广泛。
2.用户定制电力技术
2.1概述
用户电力问题：
电力负荷的非线性，冲击性和不对称性引起的谐波、电压波动与闪变和三相电压不平衡及短路引起的短时电压凹陷等用户电力问题越来越严重。
用户电力问题的解决方案即是用户定制电力技术：
谐波滤波和无功补偿技术，快速动态电压恢复技术等。
2.2无源滤波与无功补偿装置
无源滤波器除了滤除谐波外还在基波电压的作用下向谐波负载提供容性基波无功功率，同时兼顾谐波源无功补偿的需要。
无源滤波器在工程中常用的有单调谐滤波器、二阶高通滤波器、C型高通滤波器。
2.2.1单调谐滤波器
单调谐滤波器为滤波电容器与空心滤波电抗器直接串联的一阶节能型式，根据R,L,C串联谐振原理构成，接线形式上一般采用图（2-1（a））的接线，即将滤波电抗器和电阻均接于电容器的低压侧，整个滤波器采用星形接法，并且在单调谐滤波器中的中性点加装避雷器接地。
单调谐滤波器对特定频率的谐波滤波效果较好，但通频带窄，低次单调谐滤波器有功损耗较大，只适用于3次以上特征频率谐波的滤波。
2.2.2二阶高通滤波器
高通滤波器在高于某个频率之后很宽的频带范围内呈低阻抗特性，用以吸收若干较高次的谐波。
高通滤波器有一阶减幅型、二阶减幅型、三阶减幅型和C型。
其中二阶减幅型（如图2-1（b））的基波损耗较小，且阻抗频率特性较好，结构也简单，故工程上用的较多。
2.2.3C型高通滤波器
C型高通滤波电抗器品质因数高，但滤波器品质因数不高，通频带宽，特别适合于对低次且含连续间谐波的谐波源（如电弧炉）进行滤波。
同等条件下，比单调谐滤波器的基波有功损耗小。
（如图2-1（c））
（a）（b）（c）
图2-1无源滤波器结构图
2.3有源滤波器
2.3.1概述
（1）无源滤波器存在如下问题，滤波特性依赖于电源阻抗，存在谐振危险，无法滤除非特征谐波，只能补偿固定的无功电流，体积大。
（2）针对上述问题，1976年L.Gyugi提出了用大功率晶体管PWM变换器构成电力有源滤波器（APF:
ActivePowerFilters）,并正式提出APF的概念。
1983年日本学者赤木泰文提出的三相瞬时无功功率理论，使APF技术迅速发展，目前APF技术已基本成熟，并进入实用阶段。
（3）与无源滤波器比较，APF有如下优点：
可控性强，响应速度快；自动跟踪补偿各次谐波；可实现动态无功补偿和电压电流的平衡控制；特性不受电源阻抗影响；不存在谐振问题；体积小，重量轻。
2.3.2并联有源滤波器
并联有源滤波器通常用PWM电压源逆变来实现，它需要通过耦合电抗
器与交流系统相连，并需要电解电容来维持直流电压的恒定和无纹波。
并联有源电力滤波器通过注入与谐波电流大小相等方向相反的补偿电流对电流谐波进行补偿，辅以合理的控制方案，并联有源滤波器也可同时实现动态无功补偿，不平衡电流补偿，抑制电压闪变。
2.3.3串联有源滤波器
串联有源滤波器也是用PWM电压源逆变器来实现的，它需要通过耦合变器
与交流系统相连接。
串联型有源滤波器注入与电源电压串联的电压分量，因此可以看作受控电压源，它可以对电压闪变、凹陷、短时中断，三相电压不平衡进行补偿。
由于它不需要储能，经济方面的原因使它在小功率运用中成为ups的有效竞争对手。
如果将LC滤波器与负载并联连接，串联有源滤波器就作为谐波隔离器，强迫负载谐波电流主要流过无源滤波器。
这种方案的优点是有源滤波器的额定功率可以做的很小。
串联型有源滤波器不适用于作无功补偿。
2.4谐波源及滤波器分类
谐波源分电压源型非线性负荷和电流源型非线性负荷两类无源滤波器分并联型无源滤波器PPF和串联型无源滤波器SPF两类有源滤波器分为并联型有源滤波器PAF和串联型有源滤波器SAFPPF,SPF,PAF,SAF可以单独使用，也可以混合使用，理论上共有22种应用方式。
2.5SVC装置
2.5.1概述
（1）冲击性负荷无功功率的快速变化造成电压波动和闪变，不对称负荷三相无
功功率不平衡造成三相电压不平衡，静止无功补偿器（StaticVarCompensation,SVC）是近年发展起来的一种动态无功补偿装置。
这里的“静止”
是指SVC没有运动和旋转部件，SVC是静止设备，补偿过程是动态的，响应速度
是ms级的。
（2）SVC的基本作用是连续（或分级）而迅速的控制无功功率，并通过吸收或
发出无功功率实现无功功率的动态补偿，从而控制可连接的输电系统的节点电
压。
（3）目前，SVC已广泛地应用于输配电系统。
在输电系统，控制长距离输电甩
负荷和空载引起的过电压；抑制系统的无功功率及电压振荡，对故障提供较好的
阻尼，从而改善系统的暂态稳定；维持输电线的电压，提高线路输送有功的能
力。
在配电系统，动态调节功率因数，减小无功引起的损耗；稳定和平衡系统电
压，抑制电压波动和闪变及三相电压不平衡；限制流向系统的谐波电流等。
2.5.2SVC类型
（1）基本可控单元：
晶闸管控制电抗器TCR（ThyristorControlReactor）;晶闸管投切电容器TSC（ThyristorSwitchCapacitor晶闸管投切电抗器TSR（ThyristorSwitchReactor）；晶闸管控制高阻电抗器（ThyristorControlTransformer）。
基本类型是TCR和TSC。
（2）基本不可控滤波与无功补偿单元:
并联型无源滤波器PPF（Parallel-Passivefilter）
（3）SVC构成：
SVC一般由一至两个可控单元加一个不可控滤波与无功补偿单元组成，主要构成方式有：
TCR+PPF，TCR+TSC，TCR+TSC+PPF；TCT+PPF，TCT+TSC，TCT+TSC+PPF；TSR+PPF，TSR+TSC，TSCR+TSC+PPF。
其中最常用的构成方式是TCR+PPF。
2.6滤波与无功补偿系统设计方法
2.6.1设计流程
2.6.2基础数据收集、计算：
（1）配电系统数据：
配电系统图、供电变压器参数、供电母线短路容量、馈线电缆参数、馈线负荷参数。
（2）实际测量或计算电压母线的总进线的功率参数（有功功率、无功功率、功率因数的最大值、最小值和平均值）、母线电压质量参数（谐波电压、电压偏差、电压波动和闪变、三相电压不平衡度）和总进线与主要干扰线路谐波电流的最大值、最小值、平均值、95%概率大值。
（3）电能质量参数超标及无功罚款情况。
（4）谐波滤波、电压幅值和无功补偿的预定目标，例如：
注入公共连接点谐波电流及母线电压质量参数在规定的限值以内，平均功率因数不小于0.95
等。
2.6.3确定方案
（1）根据供电母线总进线平均无功和注入系统谐波电流的数据确定PPF的组成和各滤波支路类型及无功补偿量，确定是否需要辅以APF及SPF。
（2）根据无功波动数据及对电压波动和闪变的影响，确定是否需要采用无功可控单元与PPF组成SVC，并计算SVC的主电路参数。
2.6.4参数计算与仿真
（1）根据总无功补偿要求及各次谐波电流发生量，计算PPF各滤波支路补
偿容量及滤波元件参数
（2）若需要APF，则对APF提出技术要求
（3）若无功波动使电压变动或电压闪变超标，或三相负荷不平衡使负序电流
超标，则根据无功波动数据和三相负荷不平衡的数据计算SVC的主要参数
（4）根据各滤波与补偿支路元件参数及电源系统参数、配电电缆参数、负
荷参数画等效电路图，并仿真计算如下参数：
从谐波电流源看网络阻抗的幅
频特性和相频特性；谐波电流系数（注入系统的谐波电流与谐波发生量的比
值）；母线各次谐波电压含有率和电压总谐波畸变率；注入系统的各次谐波电流。
仿真计算SVC投入前后无功波动参数和由此引起的电压变动和电压闪变参数，仿真计算SVC投入前后负序电流及三相电压不平衡参数，并给出控制策略建议。
仿真计算配电系统各补偿支路和负载支路在各组合运行方式下的安全性能和电能质量控制性能，并给出运行方式的建议。
动态仿真各种主要的开关操作条件和负载条件下，母线电压和各支路电流动态变化情况，并给出保护方案的建议。
5）根据如下原则判断设计方案是否合理：
✓谐波电流系数足以保证注入系统的特征谐波电流及母线谐波电压在规定的限值以内；其它频率的谐波电流系数，重负荷（大于5MW）不超过6，轻负荷不超过10。
✓各滤波支路的调谐频率小于对应特征谐波频率的2%到5%。
✓对于运行中不可避免的短时间的运行方式，要保证电网的安全性，对于不可避免的长时间的运行方式，除了保证配电网的安全外还要保证配电网的电能质量
2.7电压凹陷解决方案
2.7.1减少公用电网短路故障的发生
✓使用绝缘性能好的电力电缆；
✓减小过电压和过电流对电力电缆绝缘的破坏；
✓定时修剪输电线路下的树枝；
✓定时清洗绝缘子串；
✓雷电频繁地区加装避雷器。
2.7.2减小短路故障清除时间
✓减小短路故障清除时间可以减小电压凹陷的持续时间。
如增加线路的重合闸、选择合适的断路器等。
2.7.3降低设备对电压凹陷的敏感度
✓用户在设备订货时
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