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山大电气考研复试——电力系统自动控制(课件)2-4_图文

第二章
第四节 励磁调节器原理--

本节内容包括: 励磁调节器的构成 各环节的工作原理、工作特性 励磁调节器的静态工作特性 励磁调节器的辅助控制 本节学习路线:

从理解励磁调节器的构成入手,分析各环节的工作原理, 得出其工作特性,最后合成出励磁调节器的静态工作特性,并 予以分析。

2

一、自动调节器的功能和基本框图
励磁调节单元的最基本部分是一个闭环比例调节器。它的输入量是发 电机电压U G ,输出量是励磁机的励磁电流或是转子电流。 它的主要功能有二:一是保持发电机的端电压不变;其次是保持并 联机组间无功电流的稳定分配。

?
I
EE

R

c

I
DE ?

EF

?

G UG
图2-29 励磁系统一例

?
3

人工调节规律总结

I

EE

b

I

EEb

图2-30 人工调压的作用

I

a
EEa

o

U

Gb

U

U
Ga

G

4

基准 ? 电压

?

?

? ?

?

?

前置放大
电源

?

?

功率 放大

励磁机
电源

发电机

测量元件

调差系数

电源

手动控制
手控 励磁机

自动调压器

发电机

自动励磁系统器
图2-31 自动励磁系统基本原理框图

将测得的发电机端电压与基准电压进行比较,用其差值作为 前置级至功率放大级的输入信息,最后在功率放大级的末端输出 一个与此差值反方向的励磁调整电流,使调节器的输入量 U G 与输 出量 I EF 之间达到图2-30ab段表示的比例关系。
5

二、励磁调节器原理

构成励磁调节器的型式很多,但自动控制系统的核心部分却很 相似。基本的控制由测量比较、综合放大、移相触发单元组成。

6

(一)测量比较单元 测量比较单元的作用是测量发电机电压并变换为直流电压,与 给定的基准电压相比较,得出电压的偏差信号。测量比较单元由 电压测量、比较整定环节组成 。
1、电压测量
T1
8

R4 R1

C1
10

U se

R2

T2
12

R3

图2-26 电压测量环节原理图
7

2、比较整定电路

U

R
se

5

R

6

Rf

?

R

14

U

R
VZ2

8

R
VZ1

7

?

AJ
11

U

de

19

U
RP

R
20

R

9

? 15V

VZ

R

18

(a )
图2-34 比较整定电路 (a)原理电路;(b)输出特性

8

为了适应运行需要,微电机的控制电路应满足下列要求: (1)增磁操作及增磁上限自动限位。 (2)减磁操作及减磁上限自动限位。

(3)正常停机时,自动复归到额定位置。
(4)紧急停机灭磁时,自动减磁到下限位置。

为完成上述功能,电压整定器附设了一套控制电路,主要由继 电器逻辑电路及六对凸轮节点构成。凸轮与微电机同轴,用作反映 电压整定器的几个特殊位置(额定位置、上限位置和下限位置等)。

9

(二)综合放大单元
测量比较



U SM

最小励磁限制器 最大励磁限制器 励磁系统稳定器
电力系统稳定器

合 放 大

图2-35 综合放大单元的输入信号

各输入控制信号按其性质可分为三种类型:被调量控制量(基 本控制量)、反馈控制量(为改善控制系统动态性能的辅助控制 量)、限制控制量(按发电机运行工况要求的特殊限制量)。
10

(三)移相触发单元
移相触发单元是励磁调节器的输出单元,它根据综合放大单元送来的 综合控制信号 U SM 的变化,产生可以改变相位的脉冲,用以触发功率整 流单元的晶闸管,从而改变可控整流单元的输出,达到调节发电机励磁 的目的。
三相同 步信号

同 步 变 压 器



6

步 移 相 器

脉 冲 发 生 器

至晶闸管 整流装置

3

6 脉冲给定基准器
综合控制信号 SM U

图2-31 移相触发单元原理框图

主要由同步变压器、同步移相器、脉冲触发器和脉冲给定基准器组成。
11

(四)自动-手动的自动切换 励磁调节器由自动励磁(AC)调节器和手动励磁(DC)调节 器组成,为双通道结构。

AC调节器是主励磁调节器,按发电机端电压对给定值的偏差 量大小自动调节发电机励磁,以维持机端电压稳定,正常运行时, AC调节器工作,DC调节器作AC调节器的备用。
当AC调节器故障时,由AC-DC自动切换装置控制,将DC调 节器投入运行,可保证发电机的正常运行。

为了防止AC调节器向DC调节器切换引起冲击,在励磁调节器 中还设有DC调节器自动跟踪AC调节器的自动跟随器,可确保切换 冲击最小。

12

手控方式(DC)下,测量、放大单元退出工作,而脉冲触发单 元则继续工作。即用手控方式给出的控制信号相当于自动控制 (AC)时综合放大单元输出的控制信号。

U SM
U SM

'

? ?

AJ

U

'

图2-39 平衡电路

13

三、励磁调节器的静态工作特性 (一)静态工作特性的合成

U REF
测量K1

UG

U de

综合放大K2

U SM

移相触发K3

a 可控整流K 4

U AVR

图2-34 励磁调节器简化框图

励磁调节器的简化框图如图2-34所示,图中K1、K2、K3、K4分别表示各 单元的增益,其间输入量输出量的符号如图所示。

14

U AVR

U AVR

b

(c)
O

(d )
U SM U de
O

a

UG

U de

U SM
?5
O O

UG

U REF

(b)

(a )
图2-35调节器的静态工作特性

右移

当调整整定电位器使参考电压增大时,特性曲线将右移,反之,特 性曲线将左移。
15

(二)发电机励磁控制系统静态特性
UG

IQ
U G1 U G 2 ? U Ge
U G3

a
b

a
b

U G 3 ? U G 2 ? U G1
O

I EE ( I EF )

a
O

IQ

I EF

(a )

图2-36 发电机无功调节特性的形成 (a)调节特性;(b)无功调节特性

U GE
b

(b)

发电机的调节特性是发电机转子电流IEF与无功负荷电流IQ的关系。图 2-36(a)表示发电机额定电压附近的调节特性。励磁机的工作特性在一 般情况下是接近线性的,即励磁机定子电流和励磁机的励磁电流IEE之间 近似呈线性关系。这样,发电机转子电流就可直接用励磁机励磁电流IEE 表示。图2-36(b)利用作图法作出发电机无功调节特性曲线UG=f(IQ)。
16

调差系数用 ? 表示,其定义为

U G1 ? U G 2 ? ?? U G1* ? U G 2* ? ?U G* U GN
式中 U GN —发电机额定电压
UG
U G1 U G2

(2-19)

?U G

U G1、U G2 —分别为空载 运行和带额定无功电流时 的发电机电压(见图2-43), 一般取 U G 2 ? U GN 。

O

I Qe
图2-37 无功调节特性
17

IQ

调差系数 ? 也可用百分数表示,即
UG
? ?0

? ?0 ? ?0

U G1 ? U G 2 ?100 ?%? U GN
由式(2-19)调差系数 ? 表示无 功电流从零增加到额定值时,发电 机电压的相对变化。调差系数越小 ,无功电流变化时,发电机电压变 化越小。所以调差系数 ? 表征了 励磁控制系统维持发电机电压的能 力。

IQ
图2-38发电机调差系数与外特性

励磁调节器总的放大倍数K越大,ab直线越平缓,调差系数就 越小。
18

四、励磁调节器静态特性的调整 需要对自动励磁调节器工作特性进行调整: ①保证并列运行发电机组间无功电流的合理分配,即改变调差 系数;

②保证发电机能平稳的投入和退出工作,平稳的改变无功负荷, 而不发生无功功率的冲击现象;即上下平移无功调节特性。 (一)调差系数的调整

由式2-18可见, 发电机的调差系数决定于自动励磁调节系统的 总的放大倍数。实际上,一般自动励磁调节系统的总的放大系数是 足够大的,因而发电机带有励磁调节器时的调差系数一般都小于1 %,近似为无差调节。这种特性不利于发电机组在并列运行时无功 负荷的稳定分配,因此发电机的调差系数要根据运行的需要,人为 的加以调整,使调差系数加大到3%~5%左右。
19

当调差系数 ? ? 0 、即为正调差系数,表示发电机外特性下 倾,即发电机无功电流增大,其端电压降低。? ? 0 为负调差系数, 表示发电机外特性上翘,即发电机无功电流增加,其端电压上升。 ? ?0 称为无差调节。图2-38表明了上述三种情况。
UG
? ?0

? ?0 ? ?0

O
20

IQ

图2-38 发电机调差系数与外特性

在实际运行中,发电机一般采用正调差系数,有利于维持稳定 运行。 至于负调差系数,一般只能在大型发电机-变压器组单元接线时 采用,这时发电机外特性具有负调差系数,但考虑变压器阻抗压降 以后,在变压器高压侧母线上看,仍具有正调差系数,因此负调差 系数主要是用来补偿变压器阻抗上的压降,使发电机-变压器组的外 特性下倾度不致太厉害,这对于大型机组是必要的。 正负调差系数可以通过改变调差接线极性来获得,调差系数一 般在 ? 5%以内。调差系数的调节原理如下。

在不改变调压器内部元件结构的条件下,在测量元件的输入量 中,除 U G 外,再增加一个与无功电流 I Q 成正比的分量,就获得 调整调差系数的效果。

21

?IL

发电机组K f


UG

晶 闸 管 K4

a

发 器 K3

u3

放 大 K2

u2

测 量 K1
k ? iQ

图2-39 调差系数原理框图

在图2-39中,测量单元的内部结构并未改变。其放大倍数仍为 K 1 ,只 将输入量改为 U G ? K ? I Q 于是测量输入变为 U REF ? (U G ±K ? IQ ) ? ?U G

K ? IQ

由于测量单元的放大倍数 K 1并未变化。所以有时称调差接线为无功补偿 接线。
22

G
?

. . . .
Ic
CT

CT
A B C

. . .
?

Ia
PT

. a . b .c
Ra Rc

至测量单元

a

'

b

'

c

'

图2-40 两相式正调差接线

23

在发电机电压互感器的副边,a、c二相中分别串入电阻 R a和 R c ,并 ? 且 R a 和 R c 是同轴调节的,在 R a 上引入c相电流 I c ,在 R c 上引入a相电 ? 流 I a 。这些电流在电阻上产生的压降与电压互感器副边三相电压按相位 组合后,送入测量单元的测量变压器。

在正调压接线时,其接线极性为

U a ? I c R a 和 U c ? I a Rc

?

?

?

?

24

U

? ' ? ' a b ?

I c Ra
?

Ua

?

? I a Rc
?

?

Ic

? ? 90?
?

IA
?

由图2-47(a)可知,当 cos? ? 0 时,即发电机只带无功负荷 时,测量变压器输入的电压 ?' ?' U 为电压 U a 、U b 、? c' ,显然 较电压互感器副边电压 ? ? ? U a 、U b 、 U c 的值大,而 ' 且其值 U 'a 、U b 、 'c 随着 U 无功电流的增大而增大。
?

Uc

'

cos? ? 0

Uc

Ub

(a )
图2-47 正调差接线相量图

根据励磁调节器装置的工作特性,测量单元输入电压上升,励磁 电流将减小,迫使发电机电压下降,其外特性 U G ? IQ 的下倾度 加强。 25

?

I c Ra
?

?

Ua
?

Ua

'

Ia

? ?

Ic

? I a Rc
?

?

Uc

?

Ub

cos? ? 1
'

Uc

(b)

图2-47 正调差接线相量图

?' ? ?' 当 cos? ? 1 时,由图2-47(b)可知,电压 U a 、 U b 、 U c' 虽然较 ? ? ? 电压 U a 、 U b 、 U C 有变化,但幅值相差不多,故可以近似的认为 调差装置不反映有功电流的变化。
26

当 0 ? cos? ? 1 时,发电机电流均可以分解为有功分量和无功分量。 测量变压器原方电压可以看成是图2-47(a)(b)叠加的结果,由 于可以忽略有功分量对调差的影响,故只要计算其中无功电流的影 响即可。

对于负调差接线,其极性关系为
U a ? I c R a 和 U c ? I a Rc
? ? ? ?

负调差接线及矢量图的作法及分析方法与上述大致相同,可以 仿照上面的方法画出。由此可见,改变 R a和 Rc 可以改变调差系 数?,正负调差系数可以通过改变调差接线来获得。

27

(二)发电机调节特性的平移

UG

发电机投入或退出电 网运行时,要求能平稳的 转移负荷,不要引起对电 网的冲击。
o
I Q1

UM
1 2 3

I Q2

IQ

图2-48 调节特性的平移与机组无功功 率的关系

减小无功直至退出:从特性1到特性3;

投入并增大无功: 从特性3到特性1;
28

五、自动励磁调节器的辅助控制 随着电力系统的发展,发电机容量不断增大。大容量发电机 组对励磁控制提出了更高的要求: (1)在超高压电力系统中输电线等级很高,此时,输电线的电容 电流也相应增加。因此,当线路输送功率较小时,线路的容性电流 引起的剩余无功功率使系统电压升高,以致超过允许的电压范围
使发电机进相运行吸收剩余无功功率是一个比较经济的办法,但发 电机进相运行时,容许吸收的无功功率和发出的有功功率有关,此时发 电机最小励磁电流值应限制在发电机静态稳定极限及发电机定子端部发 热允许的范围内。为此,在自动励磁调节器中设置了最小励磁限制。

29

(2)对大容量发电机组由于系统稳定的要求,励磁系统应具有 高起始的响应特性。
这些措施之一是提高晶闸管整流装置电压,使发电机励磁顶值电压 大大超过其允许值。励磁电流过大,超过规定的强励电流会危及发电机 的安全,为此,在调节器中必须设置瞬时电流限制器以限制强励顶值电 流。

对励磁调节器这些新功能的要求,由调节器的辅助控制去完成 。 辅助控制与励磁调节器正常情况下的自动控制的区别是,辅助 控制不参与正常情况下的自动控制,仅在发生非正常运行工况, 需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时,通过信号综合放大 电路中的竞比闭锁正常的电压控制使相应的限制器起控制作用。
30

励磁调节器中的辅助控制对提高励磁系统的响应速度、提高 电力系统稳定及保护发电机、变压器、励磁机等的安全有极为重 要的作用。下面将对自动励磁调节器中常用的几种励磁限制功能 作一些简述 。 (一)最小励磁限制(也称之为“欠励磁限制”) 发电机欠励时,发电机吸收系统的无功功率,这种运行状态 称为进相运行。

(1)发电机进相运行时受静态稳定极限的限制
这里以图2-6所示的单机无限大系统为例来讨论电力系统静态 稳定极限的问题。
31

?

Eq
?

j I G xd

d
?
q

?
?

?G
?

?

UG
?

j I G xe

U

?

IG
图2-6 单机无穷大母线相量图

32

从式(2-25)中很明显的看到:计及外部阻抗时,发电机进相运行静 稳定极限的轨迹是一个圆,其圆心在Q轴上,距原点为
2 ? UG? 1 2 1 ?? 1? UG ? 1 0, ? ? ? ? ? 其半径为 ? ,如图2-51所示。 2 ? xe x d ?? 2 ? xe x d ? ? ? ?
2 1 ? UG ? 1 ? ? ? 2 ? xe x d ? ? ?

P

xe ? 0
cos? ? 0.95

1 .0

a

cos? ? 0.85

0 .5

b
2 1 ? UG ? 1 ? ? ? ? 2 ? xe xd ? ?
'

c
?Q

?

?
0

?Q

1 xd

0 .5

o

0 .5

1 .0 (标幺值)

进相

迟相

图2-51 隐极发电机的安全极限图 33

(2)限制发电机在允许进相容量曲线之上,从而防止发电机定 子端部过热。 在相同的视在功率和相同的端部冷却条件下,发电机随着功 率因数由滞相向进相转移,发电机定子端部漏磁磁密值相应增高, 这将引起定子端部元件的损耗发热也趋向严重。 因此,随着发电机进相程度的增大,要维持发电机端部元件的 温度不超过允许值,其出力便要相应的降低。

显然,防止定子端部过热,是发电机进相运行深度的一个限 制因素。

34

Q

2 ? UG ? 1 1 ?? ?? 圆心坐标?0, ? ? ? 2 ? x e x d ?? ? ? 2 1? UG ? 1 ? ? ? 半径R ? 2 ? xe x d ? ? ?

R

O

P

正常运行区

在P-Q平面上,绘制出发电 机运行容量曲线和临界失步曲线, 再在两曲线围定的公共区域内留 有适当的裕量,整定一条最小励 磁限制线,如图2-44所示。

欠励限制器的任务就是确保 在任何情况下,将发电机的功率 运行点(P、Q)限制在这条最小 励磁限制线之上。
图2-44最小励磁限制线
35

最小励磁限制举例
P(MW) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 -Q(Mvar) 50 47 44 41 38 35 32 30 27 24 21 18 15 12 10 7 4 1 0

最小励磁限制器的输出接到综合放大单元的正竞比端。最小 励磁限制器首先检测发电机的现行功率运行点(P、Q),并与最 小励磁限制线加以比较,若现行功率运行点高于最小励磁限制线, 则输出一个负值电压,其电位低于综合信号放大器正竞比门的其 他输入,最小励磁限制器的输出被封锁,不起作用;若功率开关 运行点低于最小励磁限制线,则输出正电压,其电位高于综合信 号放大器正竞比门的其他输入,欠励限制信号起作用,迫使功率 运行点(P、Q)上移或不再下移。在最小励磁限制起作用期间, 最小励磁限制器承担了调节励磁的任务。
36

(二)瞬时电流限制 由于电力系统稳定的要求,大容量机组的励磁系统必须具有高 起始响应的性能。
UE

U E 2q U EEq2

U E2

U E1q
U E1

U EEq1

t
t1
t ? TE

图2-53 励磁机励磁电压对励磁机电压的影响
37

但是高顶值励磁电压会危及励磁机及发电机的安全,为此,当 励磁机电压达到发电机允许的励磁顶值电压倍数时,应立即对励磁 机的励磁电流加以限制,以防止危及发电机的安全运行。

励磁调节器内设置的瞬时电流限制器检测励磁机的励磁电流, 一旦该值超过发电机允许的强励顶值,限制器输出立即由正变负。 通过信号综合放大器的负竞比门闭锁正常的电压控制,由负竞比门 控制励磁,即瞬时电流限制器与信号综合放大器构成调节器,使励 磁机清理顶值电流自动限制在发电机允许的范围内。图2-54是其控 制框图。

38

U REF

交流励磁机

测量
UG

综合 放大

移相 触发

比较

G
UE

瞬时电 流限制

直流 变送器

图2-46 瞬时电流限制控制框图

由于瞬时电流限制器的工作与发电机、励磁机的安全密切相关, 因此其工作可靠性非常重要。为此瞬时电流限制器必须设置多级, 一般分为三级,其限制定值分别为1.0、1.05、1.1倍顶值电流,以此 来确保发电机、励磁机的运行安全。
39

(三)最大励磁限制

最大励磁限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取 的安全措施。

转子电压 标幺值 1.12

允许时间

转子电压 标幺值

允许时间

120 60

1.46 2.08

30 10

1.25

表2-1 不同励磁电压的允许时间

40

最大励磁限制器具有反时限特性 。

t (s )
120

10 1 .0 1 .5 2 .0

I

EF*

图2-55 最大励磁限制器反时限特性

另外,定时限限制器可以与反时限限制器配合使用,它实际上 是一个延时继电器。当反时限限制器动作后,转子电流在规定时间 (如3~5s)内未能恢复到反时限限制器的启动值(如1.1倍的额定 励磁电流)以下,则定时限限制器动作,跳发电机出口开关。定时 限限制器作为反时限限制器的后备保护。
41

(四)V/Hz(伏/赫)限制器 (1)发电机端电压可能较高 如甩负荷时; (2)发电机端频率可能较低

如机组启动期间。 如果其机端电压 U G 与其频率 f G 的比值 U G / f G 过高,则同步 发电机及与其相连的主变压器的铁心就会饱和,使空载励磁电流 造成铁心过热。V/Hz(伏/赫)限制器的任务,就是保证在任何情 况下,将比值 U G / f G 限制在允许的安全数值以下。 V/Hz(伏/赫)限制器,用于防止发电机的端电压与频率的比值 过高,避免发电机及与其相连的主变压器铁心饱和而引起的过热。
42

励磁控制系统的监视信号单元 一、监视仪表 主要仪表为: 1、 发电机电压表 2、 发电机定子电流表 3、 励磁机磁场电流表 4、 电压测量检测器输出电压表 5、 信号混合器输出电压表 6、 欠励限制器输出电压表 7、 最大励磁限制器输出电压表 8、 瞬时电流限制器输出电压表 9、 V/Hz限制器输出电流表 10、 电流调节器输出电压表

43

11、 DC(手动)调节器输出平衡电压表 12、 AC(自动)调节器输出平衡电压表 13、 稳压电源电压表 二、报警信号 1、 强励报警信号 2、 脉冲丢失检测信号 3、 磁场接地检测信号 4、 过励磁延时报警信号 5、 低周波报警信号 6、 电压互感器断线缺相报警信号 7、 直流稳压电源故障报警信号

44

国产300MW汽轮发电机主要参数
型 号 QFSN-3002-20型 东方 电机厂 300 QFSN300-2型 哈尔滨 电机厂 300 QFSNQFSQFN300 300-2型 300-2型 -2型 上海 电机厂 300 上海 电机厂 300 上海 电机厂 300

生产厂

额定功率 (MW) 额定电压 (kV) 额定电流 (A)

20

20

20

18

20

10190

10190

10190

11320

10190

国产300MW汽轮发电机主要参数
型 号 额定功率 因数 QFSN-3002-20型 0.85 QFSN300-2型 0.85 3000
2642/365

QFSN300-2型 0.85 3000
2510/302

QFS-3002型 0.85 3000
1844/483

QFN-300-2 型 0.85 3000
2698/403

额定转速 3000 (r/min)
额定励磁 2203/426 电流/电压 (A/V) 励磁系统

三机同轴交 三机同轴 流,静止 交流,静 SCR 止SCR

三机同轴 交流,旋 转SCR

三机同轴 交流,静 止SCR

三机同轴 交流,旋 转SCR

进口300MW汽轮发电机组的技术经济指标
美国 西屋 石横 美国 通电 上安 前苏联 3.C —— 意大利 ASGEN 大港 法国 CEW 元宝 山 罗马尼亚 蒲城

制造国厂 家 运行厂

机型

AB-350-2 TBB-300型 2型
300 20 379 23 300 18 320 20 300 22

THA-320-2 型
330 24

额定功率 (MW) 额定电压 (kV)

进口300MW汽轮发电机组的技术经济指标
制造国 厂家 美国 西屋 美国 通电 前苏联 3.C 意大利 ASGEN 10.868 0.85 3000 可控硅 法国 CEW 9.264 0.85 3000 罗马 尼亚 9.340 0.85 3000

额定电流( 10.1 11.196 11.320 kV) 90 功率因数 转速( r/min) 励磁方式 0.85 3000 0.85 3000 0.85 3000 高频 整流

无刷 机内励

可控硅 可控硅

49

同步电机励磁系统

50

汽轮发电机

51

水轮发电机

52

53

发电机励磁调节系统-DERS-4W系列

GEDS系列发电机整流灭磁装置

54

发电机励磁调节系统-DERS-4W系列

55

DERS-4W是一个完全用微处理器控制的数字化自并激励磁控制系统,其高性能的电压和电 流调节可以对扰动作出精确及快速的反应,控制精度<0.5%,配备的工控机触摸屏可以 实时显示各种运行参数及故障信息,在线修改系统运行参数。所有功能均由相应的软 件功能模块实现。励磁系统提供如下主要软件模块: - 采用PID方式的电压调节器(自动模式) - 采用PI方式的励磁电流调节器(手动方式) - 无功补偿(调差范围±15%) - 最大励磁电流限制及保护 - 最大励磁电流瞬时限制 - 低励限制及保护 - 最大定子电流限制及保护 - V/Hz限制及保护 - 恒功率因数或恒无功调节(可选项) - PSS功能(可选项) - 软起励功能,平滑调节励磁,防止发电机电压超调 - 全自动跟踪控制 - 具有过电流、PT断线、CT断线、误强励、误强减等系统监视和保护功能 - 故障记录功能,通过上位机触摸屏可以查看故障记录内容 - 看门狗及自检功能 - 参数在线显示及修改功能 - 采用CAN网络与上位机通讯功能 - 基于WINDOWS的调试软件和工具 56

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