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DE3615921C2 - Verfahren zum Schutz zweier Stromrichter mit Gleichstromzwischenkreis vor Ueberströmen - Google Patents

Verfahren zum Schutz zweier Stromrichter mit Gleichstromzwischenkreis vor Ueberströmen

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DE3615921C2
DE3615921C2 DE3615921A DE3615921A DE3615921C2 DE 3615921 C2 DE3615921 C2 DE 3615921C2 DE 3615921 A DE3615921 A DE 3615921A DE 3615921 A DE3615921 A DE 3615921A DE 3615921 C2 DE3615921 C2 DE 3615921C2
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Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zum Schutz zweier Stromrichter mit Gleichstromzwischen­ kreis vor Überströmen nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.
Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Verfahren zum Schutz zweier Strom­ richter mit Gleichstromzwischenkreis vor Überströmen Bezug, wie er aus der Schweizer Firmenzeitschrift: Brown Boveri Mitteilungen 9 (1978) S. 598-601 bekannt ist. Dort ist für die Erregung eines Generators 5 eines Wasser­ kraftwerkes, das ein Drehstromnetz 1 speist, eine in Fig. 1 dargestellte, statische Erregungseinrichtung mit kreisstrombehafteten, antiparallelen, vollgesteuerten Stromrichtern 9 und 11 vorgesehen. Die beiden Stromrichter 9 und 11 sind über Transformatoren 15 und 17 vom Drehstrom­ netz 1 gespeist. Der Stromrichter 9 liefert entsprechend seiner Polarität und Ventilorientierung eine positive Erregerstromkomponente I(+) und der Stromrichter 11 eine negative Erregerstromkomponente I(-). Die Erreger­ stromkomponenten I(+) und I(-) sind mittels Stromwandlern 14 und 16 in den Zuleitungen zu den Transformatoren 15 und 17 detektierbar. Aus Gründen der besseren Über­ sichtlichkeit ist in Fig. 1 nur je ein Stromrichter 14 bzw. 16 eingezeichnet; tatsächlich sind in je zwei Zuleitungen zu den Transformatoren 15 und 17 Stromwandler vorgesehen. Der Strom in der jeweils dritten Zuleitung ergibt sich aus der Summe der Ströme in den beiden anderen Zuleitungen. Je nach der Spannung am Polrad arbeitet immer ein Stromrichter im Gleichrichterbetrieb und der andere im Wechselrichterbetrieb.
Ein näher in der o.g. Firmenzeitschrift beschriebener Zündimpulsregler 4 steht eingangsseitig über einen Span­ nungswandler 2 und einen Stromwandler 3 mit dem Drehstrom­ netz 1 in Verbindung. Er steuert ausgangsseitig über ein Zündwinkelgerät 12 die Thyristoren T1-T6 in den Brückenzweigen des Stromrichters 9 und über ein Zündwinkel­ gerät 13 Thyristoren T1′-T6′ in den Brückenzweigen des Stromrichters 11.
Der Feldstrom If = I(+) - I(-) ist der Erregerwicklung des Generators 5 über einen Entregungsschalter 7 zugeführt. Parallel zur Erregerwicklung des Generators 5 ist ein nichtlinearer Entregungswiderstand 8 z. B. aus Silizium­ karbid in Reihe mit einem Kurzschließer 6 geschaltet, der antiparallele Thyristoren aufweist.
Gestrichelt ist ein Stromflußpfad 34 des "positiven" Stromrichters 9 von 5 über einen ersten Kontakt von 7, ferner über T6, 15, T1 und einen zweiten Kontakt von 7 nach 5 eingezeichnet. Ein zweiter, gepunktet eingetragener Stromflußpfad 35 des "negativen" Stromrichters 1 für die Erregerstromkomponente I(-) führt von 17 über T4′, T6′, 15, T1, eine Zwischenkreisdrossel 10 und T3′ zurück nach 17. Die Zwischenkreisdrossel 10 dient zur Entkopplung der beiden Stromflußpfade bzw. Gleichstromkreise 34 und 35 und zur Vermeidung von Kurzschlußausgleichs­ strömen. Der Ausgleichsstrom zwischen beiden Stromrichtern 9 und 11 wird auf ein Minimum geregelt; er sorgt dafür, daß beide Stromrichter dauernd Strom führen und daß praktisch ohne Zeitverlust eine Umsteuerung von negativem in positiven Erregerstrom erfolgen kann. Eine derartige Umsteuerung ist speziell bei transienten Zuständen, wie z. B. Kurzschlüssen von leerlaufenden Stromleitungen, erforderlich. Dadurch können Fehlabschaltungen bei Über­ spannungen vermieden werden.
Diese Regelungseinrichtung gewährleistet einen stabilen Betrieb auch bei Erregung Null und verhindert ein Pendeln zwischen beiden Stromrichtern.
Aus ökonomischen Gründen kann die mit einem Eisenkern versehene Zwischenkreisdrossel 10 nicht beliebig groß gewählt werden. Bei einer z. B. durch einen Kurzschluß im Drehstromnetz 1 hervorgerufenen Störung oder bei einem Fehler in der Stromrichterregelung kann ein Zwi­ schenkreisstrom iZ sehr rasch ansteigen, so daß die Zwischenkreisdrossel 10 in Sättigung geht. Dabei können die Zwischenkreisdrossel 10 und der schwächer ausgelegte "negative" Stromrichter 11 beschädigt werden. Sicherungen 26, vgl. Fig. 2, in den Zuleitungen zu den Thyristoren T1-T6 und T1′-T6′ können defekt werden. Beim Auftren­ nen des Zwischenkreises können nicht eingezeichnete Kontakte eines Zwischenkreisschalters verschweißen. Solche Überströme sind auch bei korrekt arbeitender Regelung zu erwarten, wenn im Drehstromnetz 1 Überspan­ nungen, Unsymmetrien und Spannungsverzerrungen auftreten, wie dies beispielsweise bei Generatoren der Fall ist, die auf eine gestörte Hochspannungsgleichstromübertragungs­ leitung einspeisen oder bei einem Abschalten von Konden­ satorbänken. Bei dem bekannten Verfahren wird nach Fest­ stellen eines zu hohen Zwischenkreisstromes der Generator 5 vom Drehstromnetz 1 getrennt. Die Zündimpulse werden gesperrt und die Entregung eingeleitet. Mit diesen Maßnah­ men sind zwar Generator und Erregungssystem geschützt, aber der Generator ist nach der Störung, die im allgemei­ nen höchstens einige zehntel Sekunden dauert, nicht mehr verfügbar. Besonders unerwünscht ist dieser Ausfall, wenn er mehrere Maschinen eines Kraftwerkes erfaßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gefährliche Überströme im Gleich­ stromzwischenkreis zweier Stromrichter zu verhindern.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Überstrom­ schäden an der Zwischenkreisdrossel, am schwächer ausge­ legten "negativen" Stromrichter und an etwaigen Schalt­ einrichtungen im Gleichstromzwischenkreis vermieden werden. Nach dem Einleiten des Freilaufs durch beide Stromrichter klingt der Zwischenkreisstrom langsam ab. Es führt kein Strom mehr über Transformatoren, welche die Stromrichter speisen, so daß auch keine Netzrück­ wirkungen mehr möglich sind. Ein vom "positiven" Strom­ richter gespeister Generator braucht im Störfall nicht vom Drehstromnetz getrennt zu werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein erhöhter Zwischenkreisstrom erfaßt, bevor er gefährlich werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein zum Stand der Technik zählendes Prinzipschema einer Erregungseinrichtung für einen Generator, anhand dessen ein normaler Betriebsfall darge­ stellt ist,
Fig. 2 ein Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Er­ regungseinrichtung für einen Generator mit einge­ zeichnetem Freilaufkreis und
Fig. 3 an einer Versuchsanlage aufgenommene Oszillogramme bei einer künstlich erzeugten Störung.
In den Figuren sind gleiche Signale und Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zur Erregungseinrichtung gemäß Fig. 1 weist die Erregungseinrichtung gemäß Fig. 2 im Strompfad des Gleichstromzwischenkreises einen Shunt bzw. Meßwider­ stand 18 auf. Der Spannungsabfall in diesem Meßwiderstand 18 liegt im Bereich von 0 mV-100 mV und ist ein Maß für den Zwischenkreisstrom iZ, der typischerweise im Bereich von 100 A-600 A, vorzugsweise bei 200 A liegt. Die Abgriffe des Meßwiderstandes 18 stehen mit Meßein­ gängen eines Gleichspannungsumsetzers 19 mit galvanischer Trennung in Verbindung, der ausgangsseitig ein Spannungs­ signal U19 von 0 V-10 V an einen Schmitt-Trigger 20 liefert.
Überschreitet das Spannungssignal U19 einen vorgebbaren ersten Spannungsgrenzwert, entsprechend einem oberen bzw. ersten Stromgrenzwert iG1, so gibt der Schmitt-Trigger 20 ausgangsseitig ein logisches Signal "1" ab, andern­ falls das Signal logisch "0". Nach einer Grenzwertüber­ schreitung verschwindet das "1"-Ausgangssignal des Schmitt- Triggers 20 erst dann wieder, wenn das Spannungssignal U19 einen vorgebbaren zweiten Spannungsgrenzwert, entsprechend einem unteren bzw. zweiten Stromgrenzwert iG2, unter­ schreitet. Der erste Stromgrenzwert iG1 liegt im Bereich von 110%-150% des Zwischenkreis-Nennstromes, vorzugs­ weise im Bereich von 115%-125%, insbesondere bei 120% des Zwischenkreis-Nennstromes. Der zweite Strom­ grenzwert iG2 ist kleiner als 50% des ersten Stromgrenz­ wertes, vorzugsweise kleiner als 25%, insbesondere = 10% des ersten Stromgrenzwertes iG1.
Der Ausgang des Schmitt-Triggers 20 ist einerseits mit einem ersten Eingang eines UND-Gliedes 22 und andererseits über ein Verzögerungsglied 21 mit vorgebbarer Zeitver­ zögerung T mit einem zweiten Eingang dieses UND-Gliedes 22 verbunden. Die Zeitverzögerung T liegt im Bereich von 0,3 ms-1,2 ms, vorzugsweise bei 0,8 ms. Die Zeit­ verzögerung dient dazu, daß durch transiente Vorgänge bedingte kurzfristige Überströme nicht zur Beendigung des Normalbetriebes und Einleitung des Freilaufs führen können. Kurzfristige Freilaufzustände sind für den Betrieb des Generators selbst dann unschädlich, wenn sie uner­ wünscht ausgelöst sein sollten.
Das Ausgangssignal U22 des UND-Gliedes 22 ist an einen Blockiereingang 23 des Zündimpulsreglers 4 geführt, wo es im Falle des logischen Wertes "1" von U22 die Ausgabe von Steuersignalen 24 und 25 an die Zündwinkel­ geräte 12 bzw. 13 blockiert bzw. sperrt. Gleichzeitig ist das Ausgangssignal U22 ersten Eingängen von UND-Glie­ dern 30-32 und 30′-32′ sowie dem Steuereingang eines Zündimpulsgenerators 33 zugeführt, der synchron mit einem "1"-Signal von U22 gestartet wird, eine Kette von Kurzzeitzündimpulsen erzeugt und am Ende des "1"- Signals von U22 nach Beendigung des vollständigen und letzten Impulses stoppt. Es kann auch ein Zündimpulsgene­ rator 33 verwendet werden, der während der Dauer des "1"-Signals von U22 einen Dauerzündimpuls erzeugt.
Anstelle der Bauelemente 20-22 kann auch ein handels­ übliches, einstellbares Minimum-Maximum-Relais 38 mit einer Ansprechzeit von 1 ms verwendet werden, das ausgangs­ seitig ein Steuer- bzw. Spannungssignal U38 liefert und, wie gestrichelt in Fig. 2 angedeutet, anschließbar ist.
In den positiven Brückenzweigen der Stromrichter 9 bzw. 11 sind Stromdetektoren bzw. Stromwandler 27-29 bzw. 27′-29′ vorgesehen, die ausgangsseitig mit zweiten Eingängen der UND-Glieder 30-32 bzw. 30′-32′ in Wirkverbindung stehen. Die Ausgänge der UND-Glieder 30-32 bzw. 30′-32′ stehen mit elektronischen Schaltern S4-S6 bzw. S4′-S6′ in Steuerverbindung. Diese Schalter S4-S6 und S4′-S6′ stehen einerseits mit den Steuer­ elektroden der Thyristoren T4-T6 bzw. T4′-T6′ und andererseits mit dem Ausgang des Zündimpulsgenerators 33 in Verbindung. In der dargestellten Schaltposition mit geöffneten Schaltern S4 und S4′ und geschlossenen Schal­ tern S5, S6, S5′ und S6′ gelangen die Zündimpulssignale vom Ausgang des Zündimpulsgenerators 33 nur zu den Steuer­ elektroden der Thyristoren T4 und T4′, nicht aber zu den Steuerelektroden der Thyristoren T5, T6, T5′ und T6′.
Diese Schaltposition ergibt sich aus einem mindestens 0,8 ms andauernden Überstrom im Gleichstromzwischenkreis mit U22 = "1". Die Thyristoren T1 und T1′ waren strom­ führend, so daß die Stromwandler 27 und 27′ ein Span­ nungssignal an die UND-Glieder 30 und 30′ übermitteln. Da an diesen UND-Gliedern 30 und 30′ gleichzeitig das Signal U22 = "1" anliegt, steuern sie ausgangsseitig die Schalter S4 und S4′ in die dargestellte Position. Dadurch entsteht für den Zwischenkreisstrom iZ ein gepunktet ein­ gezeichneter Freilaufkreis 37 durch die beiden Stromrich­ ter 9 und 11. Dabei ist der Laststrom jedes Stromrichters auf die Ventile einer Drehstromphase U oder V oder W geleitet. Die Ausgangsspannung U9 des Stromrichters 9 und U11 des Stromrichters 11 wird 0; der bestehende Strom kann aber weiterfließen.
Nach erfolgtem Freilauf findet kein weiterer Anstieg des Zwischenkreisstromes iZ mehr statt. Durch die vor­ handenen Lastinduktivitäten - Feldwicklung des Generators 5 und Zwischenkreisdrossel 10 - klingen die Ströme durch einen gestrichelt dargestellten Feldstromkreis 36 und durch den gepunktet dargestellten Freilaufkreis 37 nur langsam ab. Während der üblichen Dauer einer Netzstörung von bis zu 0,5 s können eingeprägte Feldströme ungehindert in beiden Richtungen fließen. Da die Stromrichter 9 und 11 nur noch über eine Drehstromphase mit dem zugehöri­ gen Transformator 15 bzw. 17 verbunden sind, ist keine Beeinflussung vom Drehstromnetz 1 her auf die Strom­ richter und deren Lastkreise möglich.
Der Magnetfluß im Generator 5 ändert sich in der kurzen Störungszeit bei Feldspannung 0 relativ wenig.
Nach Beendigung der Störung ist ein problemloses Rück­ schalten auf Normalbetrieb möglich, wobei der Generator 5 ohne abzuschalten am Drehstromnetz 1 bleibt. Dabei bekommt der Stromrichter 11 zunächst Zündimpulse ent­ sprechend einer Wechselrichtergrenzlage. Innerhalb von etwa 5 ms verschwindet der Zwischenkreisstrom iZ. Danach werden beide Stromrichter 9 und 11 normal freigegeben, so daß sich wieder ein Zwischenkreisstrom iZ aufbauen kann.
Die Einleitung des Freilaufs kann auf verschiedene Weise erfolgen.
Die schnellste Methode beruht auf der Feststellung, welcher der Thyristoren z. B. in der positiven (negativen) Brückenhälfte des jeweiligen Stromrichters 9 bzw. 11 Strom führt. Dann werden alle normalen Zündimpulse ge­ sperrt und ein Dauerimpuls oder eine Impulskette an die Zündelektrode jenes Thyristors der negativen (posi­ tiven) Brückenhälfte angelegt, der an die gleiche Dreh­ stromphase wie der gerade stromführende Thyristor der positiven (negativen) Brückhälfte angeschlossen ist.
Eine einfachere Lösung besteht darin, die normalen Zünd­ impulse in der positiven (negativen) Brückenhälfte zu sperren und einen Dauerimpuls oder eine Impulskette an einen beliebigen oder an alle Thyristoren der negativen (positiven) Brückenhälfte anzulegen. Dabei muß jedoch, je nach dem Zeitpunkt der Freilaufeinleitung, noch mit einem weiteren Ansteigen des Zwischenkreisstromes iZ gerechnet werden.
Der Stromrichter 9 ist als "positiver" Hauptstromrichter zur Speisung der Feldwicklung des Generators 5 für eine Stromstärke von 8 kA und eine Gleichspannung von 1 kV ausgelegt. Der Stromrichter 11 ist dagegen als "negati­ ver" Hilfsstromrichter nur für eine vergleichsweise kleine Stromstärke von 600 A und eine Gleichspannung von 1 kV ausgelegt; er führt nur den Zwischenkreisstrom iZ. Die Spannungen U9 und U11 der beiden antiparallelen, in Reihe geschalteten Stromrichter 9 und 11 heben sich praktisch auf. Die Zwischenkreisdrossel 10 begrenzt die Ausgleichsströme, die von ungleichen Welligkeiten hervorgerufen werden.
Fig. 3 zeigt den Zeitverlauf der Spannungssignale U9, U11, U19 und U38 an einer vergleichsweise kleinen Test­ anlage bei einer künstlichen Störung. Für die Stromrichter­ spannungen U9 und U11 beträgt ein Teilabschnitt auf der Ordinate 110 V, für die Spannungssignale U19 und U38 2 V, wobei die Werte für das Spannungssignal U38 in Klammern gesetzt sind.
Man erkennt im linken Teil der Fig. 3 die Störung zur Zeit t ≈ 6 ms, wobei U9 als auch U11 positive Spannungs­ werte annehmen. Kurz danach steigen der Zwischenkreis­ strom iZ und damit das Spannungssignal U19 stark an, so daß das Minimum-Maximum-Relais 38 anspricht und dessen Ausgangssignal U38 sprunghaft auf ca. 14,5 V ansteigt. Zur Zeit t ≈ 11 ms gehen die Stromrichter­ spannungen U9 und U11 auf 0 zurück, entsprechend dem Freilaufzustand. Kurz danach beginnt der Zwischenkreis­ strom iZ und damit auch U19 langsam abzuklingen.
Im rechten Teil der Fig. 3 ist ersichtlich, wie sich der Zwischenkreisstrom iZ, vgl. U19, nach einem Neustart der "positiven" und "negativen" Stromrichter 9 und 11 z.Z. t ≈ 118 ms praktisch ohne Überschwingung wieder aufbaut.
Es versteht sich, daß der Zwischenkreisstrom iZ anstatt durch den Spannungsabfall am Meßwiderstand 18 z. B. mittels eines Stromwandlers detektiert werden kann. Der Zündimpulsgenerator 33 kann auch in die Zündwinkel­ geräte 12, 13 oder in den Zündimpulsregler 4 integriert sein. Anstatt durch Stromwandler 27-29 und 27′-29′ können die z.Z. des Störungseintritts gerade stromführenden Ventile auch aufgrund der Erzeugung der Steuersignale 24 und 25 innerhalb des Zündimpulsreglers 4 erfaßt werden.
Als Kriterium für die Rückstellung in den Normalbetrieb kann z. B. eine nicht dargestellte Schaltung verwendet werden, welche die Symmetrie der Netzspannungen U, V, W überwacht.
Wichtig ist, daß in Abhängigkeit vom Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes iG1 des Zwischenkreis­ stromes iZ möglichst schnell ein Freilauf für beide Stromrichter 9 und 11 hergestellt wird, der einen ge­ fährlichen Stromanstieg im Gleichstromzwischenkreis verhindert.
Das Verfahren eignet sich besonders für sehr große Schenkelpolmaschinen von Wasserkraftwerken, die dauernd am Drehstromnetz 1 bleiben und große kapazitive Lei­ stungen aufbringen sollen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Schutz zweier Stromrichter (9, 11) mit Gleichstromzwischenkreis vor Überströmen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Freilauf (37) durch beide Stromrichter eingeleitet wird, wenn der Zwischenkreis­ strom (iZ) einen vorgebbaren ersten Stromgrenzwert (iG1) überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilauf aufgehoben wird, wenn der Zwischen­ kreisstrom (iZ) einen vorgebbaren zweiten Stromgrenz­ wert (iG2) unterschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß der erste Stromgrenzwert (iG1) im Bereich von 110%-150% des Zwischenkreis-Nennstromes liegt und
  • b) daß der zweite Stromgrenzwert (iG2) kleiner als 50% des ersten Stromgrenzwertes beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß der erste Stromgrenzwert (iG1) im Bereich von 115%-125% des Zwischenkreis-Nennstromes liegt und
  • b) daß der zweite Stromgrenzwert (iG2) kleiner als 25% des ersten Stromgrenzwertes beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilauf (37) durch beide Stromrichter (9, 11) eingeleitet wird, wenn der Zwi­ schenkreisstrom (iZ) den vorgebbaren ersten Stromgrenz­ wert (iG1) während einer vorgebbaren Zeitdauer (T) von mehr als 0,1 ms überschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilauf (37) durch beide Stromrichter (9, 11) eingeleitet wird, wenn der Zwischenkreisstrom (iZ) den vorgebbaren ersten Stromgrenzwert (iG1) während einer vorgebbaren Zeitdauer (T) im Bereich von 0,3 ms -1,2 ms überschreitet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß in Abhängigkeit von einer Überschreitung des ersten Stromgrenzwertes (iG1) des Zwischen­ kreisstromes (iZ) die normalen Steuersignale (24, 25) für Zündwinkelgeräte (12, 13) zur Steuerung der Ventile (T1-T6, T1′-T6′) der beiden Strom­ richter (9, 11) gesperrt werden,
  • b) daß das gerade stromführende Ventil (T1-T3, T1′-T3′) der positiven oder negativen Brücken­ hälfte eines Stromrichters (9, 11) ermittelt wird, und
  • c) daß dem an die gleiche Wechselstromphase (U, V, W) angeschlossenen Ventil (T4-T6, T4′-T6′) der negativen oder positiven Brückenhälfte dieses Stromrichters während der Dauer des Freilaufs ein Dauerzündimpuls oder eine Kette von Kurzzeit­ zündimpulsen zugeführt sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß in Abhängigkeit von einer Überschreitung des ersten Stromgrenzwertes (iG1) des Zwischen­ kreisstromes (iZ) die normalen Steuersignale (24, 25) für Zündwinkelgeräte (12, 13) zur Steuerung der Ventile (T1-T6, T1′-T6′) der beiden Strom­ richter (9, 11) gesperrt werden und
  • b) daß allen Ventilen der negativen oder positiven Brückenhälften (T4-T6, T4′-T6′) der beiden Stromrichter (9, 11) ein Dauerzündimpuls oder eine Kette von Kurzzeitzündimpulsen zugeführt wird.
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