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变电站值班员继保

第十七章继电保护与自动装置

内容提要:

本章主要介绍继电保护、自动装置的任务及要求、原理及分类;重点掌握各种电气设备保护的配置及作用、运行与维护。

第一节继电保护装置概述

一、继电保护的基本任务和基本要求

电力系统在运行中经常出现各种故障和不正常运行方式,其主要形式有短路、断线、接地、过负荷及系统振荡等,它们引起的后果是很严重的,常使电气设备损坏,造成整个系统电压和频率下降或升高,破坏电力系统运行的稳定性,使电力系统大面积停电。

继电保护装置就是能反映电力系统中电气设备故障或不正常运行状态,并动作用于断路器跳闸或发出信号的自动装置。

1.继电保护的基本任务

(1)在系统发生故障时,自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除,以保证非故障部分恢复正常运行,并避免故障设备受到进一步的损坏。

(2)反应电气元件的异常运行状态。

且根据运行维护的条件发出信号。

通知变电站值班员处理或进行调整。

2.继电保护的基本要求

为使继电保护能够及时、准确地完成任务,对继电保护有以下四个基本要求,即选择

性、快速性、灵敏性和可靠性。

(1)选择性:

系统发生故障时,要求继电保护装置只将故障设备切除,保证非故障设备

的正常运行,从而尽可能地缩小停电范围,这就是继电保护装置动作的选择性。

(2)快速性:

电力系统发生短路故障时,要求作用于断路器跳闸的继电保护装置应能够快速动作。

(3)灵敏性:

灵敏性是指继电保护对被保护设备可能发生的故障和异常运行状态的反映能力。

(4)可靠性:

继电保护装置的可靠性包括不误动和不拒动两方面的内容,也就是能够正

确地反映保护范围内的正常运行和故障状态。

二、继电保护的基本原理及分类

1.基本原理

继电保护的种类很多,构成方式各有不同,但继电保护装置的基本原理是一致的,即反映电力系统各电气量在系统发生故障时与正常运行时的变化。

根据反映的物理量不同,便可构成各种不同原理的继电保护,如反映电流量改变的有电流保护和过负荷保护,反映电压量改变的有低压保护、过电压保护,既反映电流又反映电流与电压间相位角变化的方向过电流保护,以及反映电压与电流的比值,即短路点到保护安装处之间的阻抗的距离保护等。

继电保护装置一般由测量部分、逻辑部分和执行部分组成,其原理结构如17—1所示。

图17—1所示继电保护原理方框图

(1)测量部分的作用是反映被保护设备的工作状态(正常工作、非正常工作或故障状态)的一个或几个有关物理量。

(2)逻辑部分的作用是根据测量元件输出量的大小、性质、组合方式或出现的次序,判断被保护设备的工作状态,以决定保护是否应该动作。

(3)执行部分的作用是根据逻辑部分做出的决定执行保护任务(发出信号、跳闸指令等)。

2.继电保护的分类

(1)按继电器的动作原理可分为:

1)电流保护,包括无时限电流速断保护、限时电流速断保护、方向过电流保护、复合电压闭锁过电流保护、零序电流保护;2)阻抗保护,包括相间距离保护,接地距离保护;3)差动保护,包括纵联差动保护、横联差动保护、高频保护。

(2)按继电器的类型可分为电磁型保护、整流型保护、晶体管型保护、微机保护。

三、继电保护装置的运行规定

1.运行的一般规定

(1)二次回路各元件、电缆及其标志、连接走向应符合设计规范要求。

(2)值班人员每天应对中央信号进行试验,不能随意停用中央信号系统。

因为中央信号系统直接反映变电站设备的运行状态,中央信号系统一旦失灵,运行值班人员将对运行设备失去监视。

因此,必须保证中央信号系统时刻处于完好状态,不得随意退出运行。

对于无人值班变电站,其监控端也应每日核查受控站上传的监控信息。

(3)继电保护及安全稳定自动装置回路的双向投入连接片应与继电保护及安全稳定自动装置的运行位置相对应。

(4)若二次回路中的电源熔断器熔断,经查找无明显故障,可试送一次,若再次熔断,未查明原因前不得再试送。

因为二次回路中的熔断器可能因为回路故障熔断,也可能因为回路中的短时波动电流熔断,还可能因为运行老化而熔断。

变电站运行值班人员应判明熔断器熔断原因,做出对应的处理。

如更新后熔断器再次熔断,则可排除系统波动和熔丝老化等原因。

(5)发生断路器越级跳闸或二次回路引起的误动作跳闸,应考虑将无故障部分恢复供

电;未跳闸断路器、误跳闸断路器及相应二次回路保持原状,待查明原因,再行处理。

因为

越级跳闸造成停电范围扩大,根据缩减事故影响的原则,应考虑尽快查明原因,隔离故障设

备,将无故障设备恢复送电。

如确因二次回路工作中的“误碰”造成断路器跳闸,则应在排

除其他因素后,尽快恢复送电。

(6)继电保护及安全稳定自动装置应有变电站现场运行规程。

(7)继电保护装置在运行中出现异常信号且不能复归,应报告调度申请将异常装置退出运行。

因为继电保护装置出现“非正常运行信号”或是变电站现场运行规程中未特别说明的装置信号,且经试验复归仍不能返回时,运行值班人员可认定继电保护装置本身发生故障。

出现“装置异常”信号,经现场复归可以返回时,运行人员也应与专业人员联系。

2.对系统保护的要求

(1)线路两侧的纵联保护必须同时投入跳闸或信号位置。

任一侧纵联保护的收发信机及通道出现异常时,或任一侧断路器代路时纵联保护通道不能临时切换至代路断路器时,应将两侧该套纵联保护退出运行。

因为线路两端的纵联保护装置及连接两端装置的通信通道共同构成一组纵联保护。

不论何种纵联保护装置皆是依靠采集线路两端电压、电流、相位、波形等信号进行比较来判定保护区间内是否存在故障的。

线路两端的纵联保护装置、通信通道三个环节构成纵联保护,缺少任何一个环节,该保护装置都不能运行。

(2)线路停电时,纵联保护可以不停。

线路送电后纵联保护由信号位置改投跳闸位置前,值班人员应对专用保护通道进行对试。

通道对试出现不正常情况时,必须立即报告调度,申请将该保护装置停用。

因为在线路停电或纵联保护装置停用时间内即使纵联保护通道受损,运行值班人员无法发现,纵联保护装置可能失效。

另外,线路停电时往往伴有输电线路及通信通道的维护及处理工作,此类工作如施工措施不当,可能影响纵联通道运行。

(3)恶劣天气下应加强纵联通道的对试,并做好记录。

(4)接于母线电压互感器的距离保护装置采集的电压,必须与一次设备在同一母线上;一次设备倒母线时,必须保证所采集的电压与二次被保护设备在同一母线上。

(5)振荡闭锁或负序增量元件动作不返回或反复动作时,可不将该距离保护改投信号位置,但应立即报告调度和相关部门。

(6)双回线停一回时,双回线平衡保护一般可不退出运行,但断路器检修除外。

(7)双回线(包括带有双T接负载的双回线)当其中一回线的一侧断路器断开运行时,应将双回线平衡保护退出运行。

(8)双回线当一侧用母联断路器或旁路断路器代路时,应将代路侧的双回线平衡保护

停用。

3.对元件保护的要求

(1)运行中变压器本体、有载调压的重瓦斯保护应投入跳闸位置。

(2)运行中禁止两套差动保护装置同时退出运行,禁止重瓦斯保护和差动保护同时退出。

(3)母差保护停运校验,必须先退出各路跳闸连接片、失灵启动连接片和重合闸放电连接片。

(4)母差保护与失灵保护有共用回路时,在失灵保护回路上工作,应将失灵、母差保护退出。

(5)倒闸操作后或巡视检查时,应认真检查电压互感器电压切换继电器的指示与隔离开关所在母线相一致。

(6)母联电流相位比较的双母线差动保护投入“非选择”位置的规定,应纳入《变电站现场运行规程》

(7)全电流比较原理的母线差动保护允许断开母联断路器运行。

(8)母联兼旁路断路器代线路时,应将母差保护倒单母线运行,并将代路断路器启动失灵保护连接片及跳闸连接片投入。

专用旁路断路器代线路时应将该断路器的启动失灵保护连接片及跳闸连接片投入。

(9)失灵保护装置本身有工作时,必须将失灵保护本身的连接片全部退出。

某断路器的保护装置回路有停电工作时,必须将本回路启动失灵保护的连接片退出,防止断路器失灵保护误动。

(10)当一条母线运行,另一条母线停运时,失灵保护电压不能自动切换的应将停运母线对应的失灵保护电压闭锁连接片退出。

(11)失灵保护动作后应断开拒动断路器的直流电源,检查其连接母线;若无电压,拉开拒动断路器的母线侧隔离开关,退出失灵保护连接片,并报告调度。

(12)正常运行方式短引线保护不投入时,其跳闸连接片应打开。

四、继电保护运行维护

1.继电保护的检查

交接班时,值班负责人应对继电保护及自动装置进行全面检查。

在继电保护工作后,应详细了解继电保护工作情况及保护接线的变更情况。

运行方式改变后,应掌握保护相应的变动情况。

检查时应注意以下项目。

(1)继电器盖子是否有破损,铅封是否良好。

(2)信号继电器是否有掉牌,运行监视灯指示是否正确。

(3)保护装置是否有异音、异味。

过热或剧烈振动等异常现象。

(4)保护连接片的投退位置是否正确,各种小隔离开关、保险及试验端子是否与运行方式要求相符合。

(5)电流回路接线端子有无松动、烧红现象。

2.保护的投入和退出。

(1)保护的投入和退出,需根据调度命令,且至少由两人执行。

操作时应迅速,并只能采用断开或投入保护连接片的方式。

操作后,将执行情况汇报调度员,并做好运行记录。

(注明操作时间、调度员姓名、哪些保护投入或断开及其原因)。

(2)投入保护压板前,值班人员应用万用表250V直流电压档检查连接片两端电压正常,方可投入连接片。

3.继电保护运行注意事项

(1)值班人员应定期清理保护装置及继电器外壳。

清理时,应谨慎小心,防止因振动使保护装置发生误动。

(2)运行中的电气设备,不允许无保护运行。

若因工作需要,需停用运行设备的部分保护时,必须经当值调度批准。

(3)以下情况允许不停电对设备的保护装置进行检查:

①该线路可由装设保护的旁路断路器旁带或母联断路器串带供电;②以临时保护装置取代检修保护;③有两套以上主保护,在保证其中一套可靠投入运行时。

(4)值班人员不允许私自打开继电器或保护装置的盖子;更不准改动运行设备的二次接线(需开盖方能复归信号及改变保护方式者除外)。

(5)更换灯具或直流熔断器时,应选用和原规范一致的元件,以免因参数不符合造成开

关误动。

更换中,注意防止造成直流接地或短路。

(6)保护人员来站工作,在办理工作许可手续前,值班人员应了解工作人员为防止“三误”所制定的措施。

为防止走错间隔,应在工作盘两侧悬挂标有“运行中”字样的红布旗,

并在工作处挂“在此工作”字样的标志牌。

(7)保护工作后,保护人员应在“继保和自动装置工作记录簿”上详细写明工作情况,包括定值及回路接线有无改变,装置及二次回路是否正常等。

值班人员如有疑问时,应向保护人员询问清楚。

否则不准恢复保护运行。

(8)在办理工作终结手续前,值班人员还应检查:

1)保护装置外罩是否完整,是否已全部盖好;2)保护连接片及保护方式是否恢复到工作开始前状态;3)临时外接线已拆除,各部分接线良好,各种隔离开关保护完好;4)在一次开关未停用的交流回路上工作后,还应到设备区检查TA有无异常音响,以确证TA无开路现象;5)保护传动试验正常;6)核对工作记录、图纸和保护定值。

(9)新投或在主变压器差动保护及方向保护的电流和电压回路上工作后,必须用负荷电流和母线工作电压做相量检查。

经检查相量正确后,方可投入运行。

(10)新投入的保护装置及运行中的保护装置改变定值;值班人员和保护人员应共同按

照调度下达的通知单进行核对。

无误后,由值班人员和当值调度核对。

保护定值通知单一式

两份,上联应交值班人员保留在运行现场。

第二节线路保护

一、不同电压等级保护的配置

1.10kV继电保护配置。

对于10kV一般配备三段式过流保护及带有方向元件的过流保护。

2.66kV继电保护配置。

对于66kV一般配备三段式电流保护及带有方向元件的过流保护和距离保护。

对于平行线路配备横联差动方向保护。

3.220kV继电保护配置:

(1)环网运行的,220kV变电站的220kV双侧电源线路,一般

配置由不同原理构成的双高频保护作为线路的主保护。

对于、220kV电缆线路,由于无法配

置高频保护,则配置两套不同原理构成的纵差动保护作为线路主保护。

220kV新线路考虑投

资原因亦可装设线路纵差保护,以便对全线范围内多种类型的故障能迅速动作。

还要配置反映相间故障的三段式相间距离保护和反映单相接地故障的二段式或三段式接地距离保护及三段式或四段式方向零序电流保护作为本线的近后备保护和相邻线路的远后备保护。

此外,为了自动重合闸的配置原则,、种类、实现重合的方式与继电保护的配合,要根据电网的要求,变电站的接线与系统的运行方式、设备情况等确定。

电力部门根据不同情况分别配置了单重和三重两种方式的综合重合闸装置;

(2)对单侧电源的220kV线路,一般仅配置反映相间故障的相间距离保护和反映单相接地故障的方向零序电流保护,如果零秒动作的I段保护不能保护全线的话,那么,还应配置能全线速动的一套高频保护(一般是高频闭锁)作为主保护。

自动装置则配置反应单相故障的“三重”方式的综合重合闸装置;(3)对于220kV旁路,只配置相间距离、接地距离和方向零序电流保护及综合重合闸装置。

保护装置能和线路高频闭锁用收发信机经过切换构成旁路的高频保护。

4.500kV继电保护配置。

500kV线路一般配备有两套高频距离保护,二、三套零序电流方向保护,两套断线保护,两套振荡闭锁,两套三相不一致保护和一套过电压保护。

二、电流保护

1.定时限过电流保护

(1)动作原理:

在输电线路上发生短路故障时,线路电流大大地增加。

过电流保护就是当短路电流大于保护装置的动作电流时,保护装置就动作,保护的动作时限是固定的,与短路电流的大小无关的一种保护装置。

为了保证单电源辐射形电网中过电流保护的选择性要求,保护装置动作时间的选择需按

照阶梯原则进行,即保护装置动作时间从线路最末端向电源侧依次增大一个延时

根据

断路器及继电器的类型不同,△t取0.3~0.7s,一般取0.5s。

(2)定时限过电流保护装置的组成元件。

定时限过电流保护一般由两个主要元件组成,

即启动元件和时间元件,如图17—2所示。

17—2定时限过电流保护

KS—信号继电器;QF—断路器;

TA一电流互感器;YT一跳闸线圈

启动元件就是电流继电器,用来判断保护范围内是否发生了故障。

当被保护线路发生短路故障,短路电流超过保护装置动作电流时,电流继电器启动。

时间元件就是时间继电器,用来建立适当的延时,以保证保护动作的选择性。

(1)过电流保护装置的接线方式。

作为线路相间短路的过电流保护,其电流继电器与电流互感器的连接方式主要有三种(见图17—3):

1)三相三继电器的完全星形接线[见图17一3(a)];2)两相两继电器的不完全星形接线[见图17—3(b)];3)两相一继电器不完全星形接线和两相电流差接线能够反映各种相间短路,但在无电流互感器相发生单相短路时,保护装置不会动作。

完全星形接线不仅能够反映任何相间短路,而且能够反映单相接地短路。

图17—3电流继电器与电流互感器的连接方式

(a)两相完全星形接线;(b)两相不完全星形接线;(c)两相电流差接线

2.电流速断保护

定时限过流保护选择性好,但是动作不迅速,为了迅速切除故障,可以装设瞬时电流速

断和限时电流速断。

(1)瞬时电流速断保护。

电流速断保护是按照被保护设备的短路电流来整定的,它并不依靠上、下级保护的整定时间差别来求得选择性,因此可以实现快速跳闸,切除故障。

电流速断保护为了防止越级动作,其动作电流要选得大于被保护设备(线路)末端的最大短路电流,因此在被保护设备的末端有一段保护不到的死区。

这时就必须依靠过电流保护作为后备。

(2)限时电流速断保护。

瞬时电流速断保护运作迅速,但不能保护线路的全长;过电流保护能保护线路的全长,但动作不能迅速。

特别是当被保护线路本来就不长,如果再去掉一段死区,速断保护所能保护的范围就很小,这就失去了存在价值。

如果这时过流保护的时间又较长,则为了实现快速切除故障,可以采用带时限的电流速断保护——限时电流速断保护。

带时限电流速断保护的动作时限比下一段线路瞬时动作的速断保护大一个时间阶差,一般取不超过0.5s。

其动作电流应大于下一段线路瞬时速断保护的动作电流。

其整定电流一般取下一段线路的瞬时电流速断的1.1~1.5倍,并在本线末端故障最小短路电流时,可靠动作。

3.三段式电流保护

由瞬时电流速断、限时电流速断及定时限过电流保护共同构成的保护装置整体即为三段式电流保护。

其中瞬时电流速断和限时电流速断分别为保护的第1段和第Ⅱ段,它们共同构成线路故障时的主保护。

定时限过电流保护作为第Ⅲ段,它既是下一线路保护或断路器拒动时的远后备,又是本线路主保护拒动时的近后备。

三段式电流保护各段的保护范围及时限配合情况,如图17—4所示,线路L—1的第1段保护为瞬时电流速断它保护线路的一部分,其动作时限为t1Ⅰ,由继电器的固有动作时限决定。

线路L—1的第Ⅱ段保护是限时电流速断,它保护线路的全长并延伸到下一级线路L—2的一部分,其动作时限t1Ⅱ比相邻线路L—2的第工段的动作时限大△t(0.5s)。

线路L—1的第Ⅲ段保护是定时限过流保护,它保护线路的全长和相邻线路L—2的全长,其动作时限比相邻线路L—2的定时限过流保护的动作时限t1Ⅱ大△(0.5s)。

如图17—4所示三段式电流保护各段的保护范围及时限配合

4.方向过电流保护

在双侧电源供电网,如图17—5(a)所示,线路两端均装有断路器及相应的过电流保护。

按一般过电流保护的要求,当k1点短路时,应使t6>t5>t4>t3>t2当k2点短路时,则要求t1>t2>t3>t4>t5

由此可见,上述动作时限要求相互矛盾。

图17—5(b)为单电源环网,情况也完全一样。

这说明仅靠时限整定来满足选择性的要求是不行的,为此又提出了方向过电流保护。

方向过电流的保护原理接线如图17—6所示。

电流继电器3、5是启动元件,功率方向继电器4、6是方向元件,采用90°接线(UbcIa及UabIc)。

各相电流继电器的触点和对应功率方向继电器触点串联,以达到按相启动的作用。

时间继电器7是使保护装置获得必要的动作时限,其触点闭合,经信号继电器8发出跳闸脉冲,使断路器QF跳闸。

图17—5装方向过电流保护双侧电源供电网(a)双侧电源供电;(b)单电源环网

图17—6方向过电流原理接线图

由于方向过电流保护加装了功率方向继电器,因此线路发生短路时,虽然电流继电器都可能动作,但只有流入功率方向继电器的电流与功率方向继电器规定的方向一致时(当规定指向线路时,即一次电流从母线流向线路时),功率方向继电器才动作,从而使断路器跳闸。

而当流入功率方向继电器的电流与功率方向继电器规定的方向相反时(即一次电流从线路流向母线时),功率方向继电器不动作,将方向过电流保护闭锁,保持了方向过电流保护的选择性。

在正常运行时,负荷电流的方向也可能符合功率方向继电器的动作方向,其触点闭合,但此时电流继电器未动作,所以整套方向过电流保护仍被闭锁不动作。

方向过电流保护的动作时限,是将动作方向一致的保护,按逆向阶梯原则进行整定的。

5.线路电流保护的运行

(1)保护整定值与连接片投入或退出的情况,应符合运行方式要求。

(2)巡视检查线圈应无过热、焦味、异常声音。

观察继电器触点状态应正常、无抖动。

(3)为防止过负荷跳闸,应根据各出线定时限过电流(第Ⅲ段)的整定值算出各出线所允许流过的最大负荷电流,并将允许的最大负荷电流值用红线标在该出线的电流表上(可按保护整定值的70%计算)。

对重要负荷线路应加强监视,当接近允许的最大负荷电流时,应向调度员汇报,请求采取限负荷措施。

(4)改变电流继电器的整定值时,应特别注意流线圈的串、并联关系,以防止错误地将整定值减少或增大一倍。

(5)在运行中改变电流继电器线圈的串、并联以前,应先将该保护的二次电流端子短路,以防造成电流互感器开路。

(6)改变GL型过电流继电器的整定值,应先将备用插头插到新定值的插孔上,然后将原定值的插头取出,再插到备用插孔上,防止交流器开路。

(7)事故跳闸后,运行人员可根据三段式电流保护的保护范围迅速判断出故障发生的大致范围。

各种信号(掉牌、光字、闪光、声响)应记录完全准确。

速断动作,故障多发生在出线的近端。

限时速断动作,故障一般发生在本线路或远端。

定时过电流动作,则有以下两种情况:

①本线路范围内故障,速断及限时速段拒动;②相邻线路故障,相邻线路主保护拒动或相邻线路断路器拒动

(8)应配合停电进行保护模拟动作试验。

(9)进行本路保护试验时,应注意对其他保护或断路器的影响,例如本保护联跳其他断路器或进行保护一次大电流试验时,对母线差动保护等的影响。

(10)继保人员应注意复核定值,了解变动、编号等情况是否与“保护记录簿”相符。

三、零序电流保护

1.基本知识

(1)作用。

零序电流保护是指在大电流接地系统中,反映线路接地短路故障的保护。

保护动作于跳闸。

零序电流保护广泛采用阶段式,一般是三段,有时可用四段。

零序I段为瞬时零序电流速断,只保护线路的一部分;零序Ⅱ段为限时零序电流速断,可保护线路全长,并与要邻线路保护相配合;零序Ⅲ段为后备段,作为本线和相邻线路的后备保护。

(2)零序电流保护的整定。

瞬时零序电流速断(零序I段),一般取保护线路末端接地短路时,流过保护装置3倍最大零序电流3I0m的1.3倍,保护范围不小于本线路全长的15%~25%。

零序Ⅱ段的整定电流,一般取下一级线路的零序I段整定电流的1.2倍,时间是0.5s,保证本线末端单相接地时,可靠动作。

零序Ⅲ段的整定电流可取相邻线路零序Ⅱ段(或Ⅲ段),整定电流的1.2倍,或大于三相短路的最大不平衡电流,其灵敏性要求下一级末端故障时,能可靠动作。

2.运行

线路零序电流保护在运行中一般不得停用,在有高频保护运行条件下,如天气良好,可短时停用。

如要在该线路上作业或调试时,须停用该线路或该线路用旁路开关带出后方可进行。

四、距离保护

1.距离保护的基本知识

(1)作用:

距离保护是反映保护安装处至故障点的距离(或阻抗),并根据距离的远近而确定保护动作时间的一种保护装置。

(2)原理:

距离保护(阻抗保护)是指利用阻抗元件来反映短路故障的保护装置,阻抗元件的阻抗值是接入该元件的电压与电流的比值:

U/I=Z,也就是短路点至保护安装处的阻抗值。

因线路的阻抗值与距离成正比。

当测量阻抗,Zj小于阻抗继电器的整定值时,阻抗继电器就动作。

(3)保护时限。

距离保护的时限特性是指距离保护的动作时间和保护安装处至故障点距离的关系。

一般在高压线路上广泛采用三段式距离保护。

I段整定值按线路全长的80%整定,也就是在80%以内区域发生故障时,保护动作跳闸,超出80%I段不动作。

Ⅱ段计算时按线路末端短路有一定的灵敏度考虑,它能保护全线路,整定阻抗和时间与下级线路保护相配合,并对下级线路出口近区短路故障有后备保护的作用。

Ⅲ段整定计算时,是按最大负荷电流计算的动作阻抗,既是本线路I段、Ⅱ段的后备保护又是下级线路的后备保护;整定阻抗和时间要与上下级保护配合。

(4)特点。

由于距离保护的测量阻抗的数值不随运行方式而变。

因此在采用电流、电压保护不能满足继电保护选择性、快速性、灵敏性的高压线路上,距离保护得到了广泛的应用。

2.距离保护运行规定

(1)距离保护在运行中应有可靠的

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