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電源防雷器和信號防雷器的區別——德恩拓科技為你解密

來源:德恩拓 發布時間:2012-11-26 15:28:20

  1. 防雷器
  防雷器是變電站保護設備免遭雷電沖擊波襲擊的設備。當沿線路傳入變電站的雷電沖擊波超過避雷器保護水平時,避雷器首先放電,并將雷電流經過良導體安全的引入大地,利用接地裝置使雷電壓幅值限制在被保護設備雷電沖擊水平以下,使電氣設備受到保護。
  2.浪涌保護器
  也叫防雷器,是一種為各種電力設備、儀器儀表、通訊線路等提供安全防護的裝置。當電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產生尖峰電流或者電壓時,浪涌保護器能在極短的時間內導通分流,從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。
Ø 從以下資料可以看出,浪涌保護器也是防雷器的一種,但是有很大的區別。

  二、避雷器與浪涌保護器的比較
  避雷器指建筑物防雷器,與避雷針、接地排等一起形成一個法拉第籠,防止建筑物被損壞,避雷器的基本原理是把雷擊電磁脈沖(LEMP)導入地進行消解。但是為什么在安裝避雷器后仍有大量的建筑物及其里面的設備被雷擊損壞呢?
  首先,避雷器的導線采用銅鐵合金,因此其導線性能是有限的,反應速度僅為200微妙(uS)。而LEMP的半峰速度(能量達到最大值)20微妙(uS),也就是說LEMP的速度快于避雷器,這樣避雷器把第一次直擊雷導入地后,對于二次雷、三次雷往往反應不過來,直接泄漏打在設備上。也就是說,避雷器對二次雷、三次雷幾乎不起作用。
  其次,LEMP導入地后,會從地返回形成感應雷。感應雷會從所有含有金屬的導線上泄漏到設備(網線、電源線、信號線、傳輸線等)。由于避雷器是單向作用的,因此它對感應雷不起作用,感應雷可以直接打壞設備。更何況,導線部分往往不會安裝避雷器。
  再次,浪涌只有20%來自雷擊等外部環境,80%來自系統內部運行,避雷器對這80%是不起任何作用的。
  根據分析來回答電涌保護器(SPD,有的稱浪涌保護器)和避雷器的區別:
  1、應用范圍不同(電壓):避雷器范圍廣泛,有很多電壓等級,一般從0.4kV低壓到500kV超高壓都有(詳見樓上分析),而SPD一般指1kV以下使用的過電壓保護器;
  2、保護對象不同:防雷器是保護電氣設備的,而SPD浪涌保護器一般是保護二次信號回路或給電子儀器儀表等末端供電回路。
  3、絕緣水平或耐壓水平不同:電器設備和電子設備的耐壓水平不在一個數量級上,過電壓保護裝置的殘壓應與保護對象的耐壓水平匹配。
  4、安裝位置不同:避雷器一般安裝在一次系統上,防止雷電波的直接侵入,保護架空線路及電器設備;SPD浪涌保護器多安裝于二次系統上,是在避雷器消除了雷電波的直接侵入后,或避雷器沒有將雷電波消除干凈時的補充措施;所以避雷器多安裝在進線處;SPD多安裝于末端出線或信號回路處。
  5、通流容量不同:防雷器因為主要作用是防止雷電過電壓,所以其相對通流容量較大;而對于電子設備,其絕緣水平遠小于一般意義上的電器設備,故需要SPD對雷電過電壓和操作過電壓進行防護,但其通流容量一般不大。(SPD一般在末端,不會直接與架空線路連接,經過上一級的限流作用,雷電流已經被限制到較低值,這樣通流容量不大的SPD完全可以起到保護作用,通流值不重要,重要的是殘壓。)
  6、其它絕緣水平、對參數的著眼點等也有較大差異。
7
、浪涌保護器適用于低壓供電系統的精細保護,依據不同的交直流電源電床可選擇各種相應的規格。電源浪涌保護器一精細由于終端設備離前級浪涌保護器距離較大,從而使得該線路上容易產生振蕩過電壓或感應到其他過電壓。適用于終端設備的精細電源浪涌保護,與前級浪涌保護器配合使用,則保護效果更好。
8
、避雷器主材質多為氧化鋅(金屬氧化物變阻器中的一種),而浪涌保護器主材質根據抗浪涌等級、分級防護(IEC61312)的不同是不一樣的,而且在設計上比普通防雷器精密得多。
9
、從技術上來說,避雷器在響應時間、限壓效果、綜合防護效果、抗老化特性等方面都達不到浪涌保護器的水平。
  共同點:都能防止雷電過電壓
  因為上述原因,SPD也就應運而生。
  SPD的原理是把LEMP轉化為熱能進行消解,由于不是導通式,反應速度非???,可低于納秒,可以有效防止二次雷和三次雷。SPD分為電源SPD,精密儀器SPD,數字線路SPD,而且也是雙向作用的,因此可以有效防止感應雷。因此,IEEE標準規定,在安裝避雷器的同時應該加上SPD,以形成防雷的雙保險。
此外,SPD對于內部的80%的浪涌也能起到有效抑制作用,這是避雷器所不能做到的。
總體上講,避雷器是專門針對電氣設備免受雷電沖擊波所設置的防護設備,而浪涌保護器是比避雷器更先進的防護設備,除開雷電沖擊波,還可以極大程度消弱電力系統自身所產生的其它破壞性浪涌沖擊。在用電單位高壓進線系統(10KV及以上)已裝設避雷器的情況下,在低壓系統中就應裝設防護功能更精密的浪涌保護器。

三、避雷器運用與說明
1
、線路避雷器防雷的基本原理
  雷擊桿塔時,一部分雷電流通過避雷線流到相臨桿塔,另一部分雷電流經桿塔流入大地,桿塔接地電阻呈暫態電阻特性,一般用沖擊接地電阻來表征。
  雷擊桿塔時塔頂電位迅速提高,其電位值為
      Ut=iRd L.di/dt    (1)
式中  i——雷電流;
    Rd——沖擊接地電阻;
    L.di/dt——暫態分量。
  當塔頂電位Ut與導線上的感應電位U1的差值超過絕緣子串50的放電電壓時,將發生由塔頂至導線的閃絡。即Ut-U1U50,如果考慮線路工頻電壓幅值Um的影響,則為Ut-U1 UmU50。因此,線路的耐雷水平與3個重要因素有關,即線路絕緣子的50放電電壓、雷電流強度和塔體的沖擊接地電阻。一般來說,線路的50放電電壓是一定的,雷電流強度與地理位置和大氣條件相關,不加裝避雷器時,提高輸電線路耐雷水平往往是采用降低塔體的接地電阻,在山區,降低接地電阻是非常困難的,這也是為什么輸電線路屢遭雷擊的原因。
  加裝防雷器以后,當輸電線路遭受雷擊時,雷電流的分流將發生變化,一部分雷電流從避雷線傳入相臨桿塔,一部分經塔體入地,當雷電流超過一定值后,避雷器動作加入分流。大部分的雷電流從避雷器流入導線,傳播到相臨桿塔。雷電流在流經避雷線和導線時,由于導線間的電磁感應作用,將分別在導線和避雷線上產生耦合分量。因為避雷器的分流遠遠大于從避雷線中分流的雷電流,這種分流的耦合作用將使導線電位提高,使導線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡電壓,絕緣子不會發生閃絡,因此,線路避雷器具有很好的鉗電位作用,這也是線路避雷器進行防雷的明顯特點。
  以往輸電線路防雷主要采用降低塔體接地電阻的方法,在平原地帶相對較容易,對于山區桿塔,則往往在4個塔腳部位采用較長的輻射地線或打深井加降阻劑,以增加地線與土壤的接觸面積降低電阻率,在工頻狀態下接地電阻會有所下降。但遭受雷擊時,因接地線過長會有較大的附加電感值,雷電過電壓的暫態分量L.di/dt會加在塔體電位上,使塔頂電位大大提高,更容易造成塔體與絕緣子串的閃絡,反而使線路的耐雷水平下降。因為線路避雷器具有鉗電位作用,對接地電阻要求不太嚴格,對山區線路防雷比較容易實現。
2
 線路避雷器使用及動作情況
  淄博電業局管轄的110kV龍博1線和35kV南黑線、炭謝線位于丘陵和山地,多年來經常發生雷擊跳閘故障,據統計110kV龍博1線在19891996年共發生5次雷擊掉閘,35kV南黑線、炭謝線分別在19941997年各發生6次雷擊掉閘,雖然采取了各種措施,效果均不明顯。1997年在易遭雷擊的龍博16264號和南黑線87、89、90號及炭謝線51號分別裝設了7組共20只線路型氧化鋅避雷器,安裝方式是在龍博1線和南黑線各懸掛39只,在炭謝線51號上相和下相各懸掛1(該桿不久前遭雷擊),經過2個雷雨季節的考驗,線路未發生故障及掉閘事故。
3
 避雷器的選型及安裝維護
  線路避雷器有2種類型,即帶串聯間隙和無串聯間隙2種,因運行方式不同和電站避雷器相比在結構設計上也有所區別。防雷器
  線路避雷器安裝時應注意:(1)選擇多雷區且易遭雷擊的輸電線路桿塔,最好在兩側相臨桿塔上同時安裝;(2)垂直排列的線路可只裝上下2相;(3)安裝時盡量不使避雷器受力,并注意保持足夠的安全距離;(4)避雷器應順桿塔單獨敷設接地線,其截面不小于25mm2,盡量減小接地電阻的影響。
  投運后進行必要的維護:(1)結合停電定期測量絕緣電阻,歷年結果不應明顯變化;(2)檢查并記錄計數器的動作情況;(3)對其緊固件進行擰緊,防止松動;(4)5a拆回,進行1次直流1mA75參考電壓下泄漏電流測量。
四、 浪涌保護器設計原理、特性、運用范疇
 
設計原理Ø
在最常見的浪涌保護器中,都有一個稱為金屬氧化物變阻器(Metal Oxide Varistor,MOV)的元件,用來轉移多余的電壓。如下圖所示,MOV將火線和地線連接在一起。防雷器
MOV
由三部分組成:中間是一根金屬氧化物材料,由兩個半導體連接著電源和地線。
這些半導體具有隨著電壓變化而改變的可變電阻。當電壓低于某個特定值時,半導體中的電子運動將產生極高的電阻。反之,當電壓超過該特定值時,電子運動會發生變化,半導體電阻會大幅降低。如果電壓正常,MOV會閑在一旁。而當電壓過高時,MOV可以傳導大量電流,消除多余的電壓。隨著多余的電流經MOV轉移到地線,火線電壓會恢復正常,從而導致MOV的電阻再次迅速增大。按照這種方式,MOV僅轉移電涌電流,同時允許標準電流繼續為與浪涌保護器連接的設備供電。打個比方說,MOV的作用就類似一個壓敏閥門,只有在壓力過高時才會打開。
另一種常見的浪涌保護裝置是氣體放電管。這些氣體放電管的作用與MOV相同 ——它們將多余的電流從火線轉移到地線,通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導體實現此功能。當電壓處于某一特定范圍時,該氣體的組成決定了它是不良導體。如果電壓出現浪涌并超過這一范圍,電流的強度將足以使氣體電離,從而使氣體放電管成為非常良好的導體。它會將電流傳導至地線,直到電壓恢復正常水平,隨后它又會變成不良導體。
這兩種方法都是采用并聯電路設計——多余的電壓從標準電路流入另一個電路。有幾種浪涌保護器產品使用串聯電路設計抑制電涌——它們不是將多余的電流分流到另一條線路,而是通過降低流過火線的電量?;旧险f,這些抑制器在檢測到高電壓時會儲存電能,隨后再逐漸釋放它們。制造這種保護器的公司解釋說該方法可以提供更好的保護,因為它反應速度更快,并且不會向地線分流,但另一方面,這種分流可能會干擾建筑物的電力系統。
抑制二極管:抑制二極管具有箝位限壓功能,它是工作在反向擊穿區,由于它具有箝位電壓低和動作響應快的優點,特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。抑制二極管在擊穿區內的伏安特性可用下式表示:I=CUα,上式中α為非線性系數,對于齊納二極管α=79,在雪崩二極管α=57.
 
抑制二極管的技術參數主要有Ø 防雷器
1)額定擊穿電壓,它是指在指定反向擊穿電流(常為lma)下的擊穿電壓,這于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V4.7V范圍內,而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V200V范圍內。
2)最大箝位電壓:它是指管子在通過規定波形的大電流時,其兩端出現的最高電壓。
3)脈沖功率:它是指在規定的電流波形(如10/1000μs)下,管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積。
4)反向變位電壓:它是指管子在反向泄漏區,其兩端所能施加的最大電壓,在此電壓下管子不應擊穿。此反向變位電壓應明顯高于被保護電子系統的最高運行電壓峰值,也即不能在系統正常運行時處于弱導通狀態。
5)最大泄漏電流:它是指在反向變位電壓作用下,管子中流過的最大反向電流。
6)響應時間:10-11us
作為輔助元件,有些浪涌保護器還配有內置保險絲。保險絲是一種電阻器,當電流低于某個標準時,它的導電性能非常好。反之,當電流超過了可接受的標準,電阻產生的熱量會燒斷保險絲,從而切斷電路。如果MOV不能抑制電涌,過高的電流將燒斷保險絲,保護連接的設備。該保險絲只能使用一次,一旦燒斷就需要更換。
 SPD
前端熔斷器應根據避雷器廠家的參數安裝。Ø
如廠家沒有規定,一般選用原則:
根據(浪涌保護器的最大保險絲強度A)和(所接入配電線路最大供電電流B)來確定(開關或熔斷器的斷路電流C)。
確定方法:
當:B>A C小于等于A
當:BA C小于A或不安裝C 防雷器
當:B
有些浪涌保護器具有線路調節系統,用于濾除線路噪聲,減小電流波動。這種基本浪涌保護器的系統結構非常簡單?;鹁€通過環形扼流線圈接到電源板插座上。扼流線圈只是一個用磁性材料做成的環,外面纏繞著導線——基本的電磁鐵?;鹁€中所流經電流的上下波動會給電磁鐵充電,使其發出電磁能量,從而消除電流的微小波動。這種經過調節的電流更加穩定,可使計算機(或其他電子設備)的供電電流更加平緩。
在電子設計中,浪涌主要指的是電源(只是主要指電源)剛開通的那一瞬息產生的強力脈沖,由于電路本身的非線性有可能有高于電源本身的脈沖;或者由于電源或電路中其它部分受到本身或外來尖脈沖干擾叫做浪涌。它很可能使電路在浪涌的一瞬間燒壞,PN結電容擊穿,電阻燒斷等等。 而浪涌保護就是利用非線性元器件對高頻(浪涌)的敏感設計的保護電路,簡單而常用的是并聯大小電容和串聯電感。
 
浪涌保護器(SPD)的分類Ø
按工作原理分:
1)開關型:其工作原理是當沒有瞬時過電壓時呈現為高阻抗,但一旦響應雷電瞬時過電壓時,其阻抗就突變為低值,允許雷電流通過。用作此類裝置時器件有:放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。
2)限壓型:其工作原理是當沒有瞬時過電壓時為高阻擾,但隨電涌電流和電壓的增加其阻抗會不斷減小,其電流電壓特性為強烈非線性。用作此類裝置的器件有:氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等。
3)分流型或扼流型
分流型:與被保護的設備并聯,對雷電脈沖呈現為低阻抗,而對正常工作頻率呈現為高阻抗。
扼流型:與被保護的設備串聯,對雷電脈沖呈現為高阻抗,而對正常的工作頻率呈現為低阻抗。 用作此類裝置的器件有:扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長短路器等。
按用途分:
1)電源保護器:交流電源保護器、直流電源保護器、開關電源保護器等。
2)信號保護器:低頻信號保護器、高頻信號保護器、天饋保護器等。
Ø 浪涌保護器及其應用防雷器
1
、浪涌電壓
電路在遭雷擊和在接通、斷開電感負載或大型負載時常常會產生很高的操作過電壓,這種瞬時過電壓(或過電流)稱為浪涌電壓(或浪涌電流),是一種瞬變干擾:例如直流6V繼電器線圈斷開時會出現300V600V的浪涌電壓;接通白熾燈時會出現810倍額定電流的浪涌電流;當接通大型容性負載如補償電容器組時,常會出現大的浪涌電流沖擊,使得電源電壓突然降低;當切斷空載變壓器時也會出現高達額定電壓810倍的操作過電壓。浪涌電壓現象日趨嚴重地危及自動化設備安全工作,消除浪涌噪聲干擾、防止浪涌損害一直是關系到自動化設備安全可靠運行的核心問題?,F代電子設備集成化程度在不斷提高,但是它們的抗御浪涌電壓能力卻在下降。在多數情況下,浪涌電壓會損壞電路及其部件,其損壞程度與元器件的耐壓強度密切相關,并且與電路中可以轉換的能量相關。
為了避免浪涌電壓擊毀敏感的自動化設備,必須使出現這種浪涌電壓的導體在非常短的時間內同電位均衡系統短接(引入大地)。在其放電過程中,放電電流可以高達幾千安,與此同時,人們往往期待保護單元在放電電流很大時也能將輸出電壓限定在盡可能低的數值上。因此,空氣火花間隙、充氣式過電壓放電器、壓敏電阻、雪崩二極管、TVSTransientvoltagesuppressor)、FLASHTRAB、VALETRAB、SOCKETTRAB、MAINTRAB等元器件,是單獨或以組合電路形式被應用到被保護電路中,因為每個元器件有其各自不同的特性,并且具有不同的性能:放電能力;響應特性;滅弧性能;限壓精度。根據不同的應用場合以及設備對浪涌電壓保護的要求,可根據各類產品的特性來組合出符合應用要求的過電壓保護系統。
2
、浪涌電壓吸收器
浪涌噪聲常用浪涌吸收器進行抑制,常用的浪涌吸收器有:
1)氧化鋅壓敏電阻
氧化鋅壓敏電阻是以氧化鋅為主體材料制成的壓敏電阻,其電壓非線性系數高,容量大、殘壓低、漏電流小、無續流、伏安特性對稱、電壓范圍寬、響應速度快、電壓溫度系數小,且具有工藝簡單、成本低廉等優點,是目前廣泛使用的浪涌電壓保護器件。適用于交流電源電壓的浪涌吸收、各種線圈、接點間浪涌電壓吸收及滅弧,三極管、晶閘管等電力電子器件的浪涌電壓保護。
2R、C、D組合浪涌吸收器
R
、C、D組合浪涌吸收器比較適用于直流電路,可根據電路的特性對器件進行不同的組合,如圖1a)適用于高電平直流控制系統,而圖1b)中采用齊納穩壓管或雙向二極管,適用于正反向需要保護的電路。
1R、C、D浪涌保護器 (a)單向保護(b)雙向保護

2TVS電壓(電流)時間特性
3)瞬態電壓抑制器(TVS
TVS兩極受到反向高能量沖擊時,它能以1012s級的速度,將其兩極間的阻抗由高變低,吸收高達數kW的浪涌功率,使兩極的電位箝位于預定值,有效地保護自動化設備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應時間快、瞬態功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優點,目前被廣泛應用于電子設備等領域。
TVS的特性
其正向特性與普通二極管相同,反向特性為典型的PN結雪崩器件。圖2TVS的電流-時間和電壓-時間曲線。在浪涌電壓的作用下,TVS兩極間的電壓由額定反向關斷電壓VWM上升到擊穿電壓Vbr而被擊穿。隨著擊穿電流的出現,流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP,同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。其后,隨著脈沖電流按指數衰減,TVS兩極間的電壓也不斷下降,最后恢復到初態,這就是TVS抑制可能出現的浪涌脈沖功率,保護電子元器件的過程。
TVS與壓敏電阻的比較
目前,國內不少需要進行浪涌保護的設備上應用壓敏電阻較為普遍,TVS與壓敏電阻性能比較如表1所示:
1TVS與壓敏電阻的比較
參數 TVS 壓敏電阻
反應速度 1012s 50×109s
是否老化
最高使用溫度 175 115
器件極性 單雙極性 單極性
反向漏電流 5μA 200μA
箝位因子VC/Vbr 不大于15 最大78
封閉性質 密封 透氣
價格 較貴 便宜
3
、綜合浪涌保護系統組合防雷器
3.1
三級保護
自動控制系統所需的浪涌保護應在系統設計中進行綜合考慮,針對自動控制裝置的特性,應用于該系統的浪涌保護器基本上可以分為三級,對于自動控制系統的供電設備來說,需要雷擊電流放電器、過壓放電器以及終端設備保護器。數據通信和測控技術的接口電路,比各終端的供電系統電路顯然要靈敏得多,所以必須對數據接口電路進行細保護。
自動化裝置的供電設備的第一級保護采用的是雷擊電流放電器,它們不是安裝在建筑物的進口處,就是在總配電箱里。為保證后續設備不承受太高的殘壓,必須根據被保護范圍的性質,在下級配電設施中安裝過電壓放電器,作為二級保護措施。第三級保護是為了保護儀器設備,采取的方法是,把過電壓放電器直接安裝在儀器的前端。自動控制系統三級保護布置如圖3所示。在不同等級的放電器之間,必須遵守導線的最小長度規定。供電系統中雷擊電流放電器與過壓放電器之間的距離不得小于10m,過壓放電器同儀器設備保護裝置之間的導線距離則不應小于5m(即一級SPD與二級SPD連接線路間距至少10,二級SPD與三級SPD連接線路間距至少5)。
3.2
三級保護器件
1)充有惰性氣體的過電壓放電器是自動控制系統中應用較廣泛的一級浪涌保護器件。充有惰性氣體過電壓放電器,一般構造的這類放電器可以排放20kA8/20μs)或者2.5kA10/350μs)以內的瞬變電流。氣體放電器的響應時間處于ns范圍,被廣泛地應用于遠程通信范疇。該器件的一個缺點是它的觸發特性與時間相關,其上升時間的瞬變量同觸發特性曲線在幾乎與時間軸平行的范圍里相交。因此保護電平將同氣體放電器額定電壓相近。而特別快的瞬變量將同觸發曲線在十倍于氣體放電器額定電壓的工作點相交,也就是說,如果某個氣體放電器的最小額定電壓90V,那么線路中的殘壓可高達900V。它的另一個缺點是可能會產生后續電流。在氣體放電器被觸發的情況下,尤其是在阻抗低、電壓超過24V的電路中會出現下列情況:即原來希望維持幾個ms的短路狀態,會因為該氣體放電器繼續保持下去,由此引起的后果可能是該放電器在幾分之一秒的時間內爆碎。所以在應用氣體放電器的過電壓保護電路中應該串聯一個熔斷器,使得這種電路中的電流很快地被中斷。防雷器
2)壓敏電阻被廣泛作為系統中的二級保護器件,因壓敏電阻在ns時間范圍內具有更快的響應時間,不會產生后續電流的問題。在測控設備的保護電路中,壓敏電阻可用于放電電流為2.5kA5kA8/20μs)的中級保護裝置。壓敏電阻的缺點是老化和較高的電容問題,老化是指壓敏電阻中二極管的PN部分,在通常過載情況下,PN結會造成短路,其漏電流將因此而增大,其值的大小取決于承載的頻繁程度。其應用于靈敏的測量電路中將造成測量失真,并且器件易發熱。壓敏電阻大電容問題使它在許多場合不能應用于高頻信息傳輸線路,這些電容將同導線的電感一起形成低通環節,從而對信號產生嚴重的阻尼作用。不過,在30kHz以下的頻率范圍內,這一阻尼作用是可以忽略的。
3)抑制二極管一般用于高靈敏的電子電路,其響應時間可達ps級,而器件的限壓值可達額定電壓的1.8倍。其主要缺點是電流負荷能力很弱、電容相對較高,器件自身的電容隨著器件額定電壓變化,即器件額定電壓越低,電容則越大,這個電容也會同相連的導線中的電感構成低通環節,而對數據傳輸產生阻尼作用,阻尼程度與電路中的信號頻率相關。
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