SF6气体与高压开关设备.docx
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SF6气体与高压开关设备
SF6气体与高压开关设备
2006-4-714:
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SF6由法国两位化学家于1900年合成，为自然界没有的人造气体。
从20世纪60年代起，SF6被成功应用到高压开关设备作为绝缘和灭弧介质。
SF6除应用在SF6高压电气开关设备外，还应用在SF6变压器、SF6互感器、SF6避雷器、SF6充气电缆等高压电器设备。
SF6具有优异的灭弧与绝缘性能。
通过几十年的应用实践证明，没有任何一种其它介质可以与之相媲美，预计在今后几十年中也无可替代。
第一节 SF6气体的性能
1． 性能优异的SF6气体
SF6气体已有百年历史，它是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的，1947年提供商用。
当前SF6气体主要用于电力工业中。
SF6气体用于4种类型的电气设备作为绝缘和/或灭弧：
SF6断路器及GIS、SF6负荷开关设备、SF6绝缘输电管线、SF6变压器及SF6绝缘变电站。
从用气量讲，80%用于高中压电力设备。
SF6气体之所以适用于电力设备，主要有如下特性：
强电负性，具有优异的灭弧性能；
绝缘强度高，在大气压下为空气的3倍；
热传导性能好且易复合，特别是当SF6气体由于放电或电弧作用出现离解时；
可在小的气罐内储存，这是因为室温下加高压力易液化；
供气方便，价格不贵且稳定。
2． SF6气体的化学特性
SF6气体的主要化学性能见表1。
如上所述，SF6是一种非常稳定的且呈现惰性的气体，它无色、无味、无毒、不燃且不溶于水。
它是最不活泼的已知气体之一，而且在通常条件下，它不侵蚀与它接触的物质。
表1SF6的主要化学特性
分子式
SF6
摩尔质量
146.05g/mol
硫含量
21.95%①
氟含量
78.05%①
分子结构
在6个棱角上带有氟原子的八面体
键
共价键
碰撞截面
4.77A
分解温度
500℃
①均指质量分数
3． SF6气体的物理特性
SF6是最重要的已知气体之一。
在通常条件下，它大约比空气重5倍。
在同空气未充分混合的条件下，此气体有向低处积聚的倾向。
靠对流和扩散同空气混合缓慢，但一经混合，则不再分离。
虽然SF6气体的热导率低，但由于其粘度较低且密度较高，故总的热导率好于空气25倍。
在输配电设备中，SF6通常的压力范围在0.1MPa和0.9MPa（绝对压力）之间，此气体的压力温度/密度特性示于图1中。
表2给出SF6主要物理特性。
表2在压力0.1MPa和温度25℃下SF6的主要物理特性
密度
6.14㎏/m³
热导率
0.013W/（m·k）
临界点
温度
45.55℃
密度
730㎏/m³
压力
3.78MPa（绝缘气压）
声速
136m/s
折射率
1.
生成热
-1221.66J/mol
定压比热
96.60J/（mol·k）
状态平衡
见图1
4． SF6气体的电气特性
SF6气体具有优异的绝缘性能，是由于其分子的电负性。
SF6气体具有吸附自由电子而构成重离子的明显趋向。
重离子的迁移率低，使之电子崩的发展很困难。
SF6的击穿场强为空气的2.5~3倍。
在高压开关设备中，SF6气体的工作压力如为0.6MPa，此时击穿场强高出0.1MPa时空气的10倍。
因此，使用SF6气体的高压开关设备，能大幅度地减小占地面积和体积。
空气与SF6开关设备的占地面积之比为30：
1。
SF6是一种具有优异灭弧性能的气体，这是因为它的离解温度低，且离解能量大。
在SF6中，电流过零前的截流小，且由此避免了高的过电压，这是由于电弧在SF6内冷却时直至相当低的温度，它仍导电。
SF6的主要电气性能见表3。
表3SF6的主要电气特性
相对于压力的临界击穿场强
89V/m·Pa
在25℃和0.1MPa绝对气压下的相对介电常数
1.00204
在25℃和0.1MPa绝对气压下的损耗因数（tanδ
<2×10-7
有效电离系数
a=Ap（E/p-B）
a1/m
EV/m
PPa
A2.8*10ˉ²
5． SF6气体的纯度
由于制造过程的缘故，市场上提供的SF6气体不是很纯的。
IEC376标准规定出SF6中最大允许的杂质水平见表4。
表4新SF6中最大允许的杂质水平
杂质
最大允许值
CF4
500×10-6重量比
O2+N2
500×10-6重量比
水
15×10-6重量比
酸度（以HF表示）
0.3×10-6重量比
水解氟化物（以HF表示）
1.0×10-6重量比
纯SF6气体无毒，在生物学上不活泼。
用动物和人进行试验表明，当存在直至80%SF6和20%O2时，没有感受不良的影响。
因此，当大气中含有较高比例的SF6时，对于工作人员每天工作8小时，每周工作5天的场所，规定最大含量为1000×10-6。
对SF6气体而言，这个界限值要低于危险水平两个数量级以上。
新SF6气体对健康无生态中毒、致变和致癌（既无基因中毒，也无后天生成）的作用。
SF6在标准条件下无色、无味、无毒性，不会燃烧，化学性能稳定，不与其他材料产生化学反应。
SF6气体既不燃烧，又不助燃，且有良好的绝缘性能，是一种很理想的灭弧和绝缘介质。
SF6分子量较大，在标准大气压下，温度273K时，密度为6.14KG/m3，约为空气质量的5倍，分子量为146.05g/mal，其中含硫21.95%，含氟78.05%。
同样体积和压力的SF6比空气重得多，所以纯SF6气体本身虽无毒，但有窒息作用。
SF6气体本身是不导电的绝缘介质，它的一个重要特点是电场均匀性对击穿电压的影响远比大气压下的空气大，与高气压下空气的击穿特性相近。
用于断路器中的SF6气体应保证其纯度，严格控制水分和杂质含量。
我国标准GB12022规定SF6纯度为≥99.8%。
在我国，SF6气体必须满足GB12022标准要求，见表5。
表5SF6气体标准
指标名称
指标
六氟化硫（SF6）的质量分数/%≥
空气的质量分数/%≤
四氟化碳（CF4）的质量分数/%≤
水分（H2O）/×10-6≤
酸度（以HF计）/×10-6≤
可水解氟化物（以HF计）/×10-6≤
矿物油/×10-6≤
毒性≤
99.8
0.05
0.05
8
0.3
1
10
生物试验无毒
由表可见，国际规定的水分为8×10重量比。
比IEC规定的低。
纯净的SF6气体是无毒的。
检验方法是用79%SF6与21%O2混 合，即相当于以SF6取代空气中的N2，作动物试验暴露24h后应无中毒症状。
6． SF6气体的分解特性
SF6气体的分解主要有三种情况：
在电弧作用下的分解；在电晕、火花和局部放电下的分解；在高温下的催化分解。
纯SF6无腐蚀，但其分解物遇水后会变成腐蚀性电解质，会对设备内部某些材料造成损害及运行故障。
通常使用的材料如铝、钢、铜、黄铜几乎不受侵蚀，但玻璃、瓷、绝缘纸及类似材料易受损害，而且与腐蚀物质的含量有关。
其他绝缘材料如环氧树脂、聚酯、聚乙烯、氧化聚甲烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯等所受影响不大。
在这里,重要是设计时,一定要采取结构措施。
可以采用彻底排除潮气和采用合适的材料防止腐蚀。
清除运行中设备内的潮气和SF6分解物，可以用吸附剂将其减少到可接受的水平。
为此，可采用氧化铝、碱石灰、分子筛或它们的混合物。
处理从设备中取出的分解物，若是酸性成分可用碱性化合物生成硫化钙或氟化钙来降低。
大多数固态反应物不溶于水，或难溶解，但某些金属氟化物能同水反应成氢氟酸。
因此，必须用氢氧化钙（石灰）去处理固态分解物。
第二节SF6气体的替代和混合气体
7． SF6气体的替代气体
作为电力设备中SF6气体的替代气体，人们研究了许多气体，诸如空气、N2、CO2、H2、惰性气体（如He、Ar等）。
其中作为灭弧与绝缘的气体，主要是N2和CO2。
SF6气体、N2和CO2的物理特性见表6。
表6SF6气体、N2和CO2的基本物理特性比较
项目
SF6
N2
CO2
分子量
146.06
28.01
44.01
密度
5.9
1.1
1.8
地球温室效应系数
23900
——
1
破坏臭氧层效应系数
——
——
——
毒性
——
——
——
化学稳定性
稳定
稳定
稳定
燃性
无
无
无
沸点（℃）
-51
-198
-78
一个大气压下的绝缘强度（%）
100（-）
25（+）
34（-）
燃弧时间常数（µs）
0.8
220
15
由表6可见，负极性雷电冲击电压SF6和CO2承受作用电压的量纲，而N2为正极性雷电冲击电压。
若取同一量纲下SF6和CO2压力比率为因数KP，则对非均匀电场而言，KP≈3.5，对均匀电场而言，KP≈3。
这就是说，如果中压SF6断路器充气压力为2~3bar，而充CO2的压力则为6~10bar，才能达到同一性能。
由表6还可见，从温室效应看，若取CO2的全球变暖系数为1，则SF6为23900。
也就是说，SF6一个分子对温室效应的影响是CO2的23900倍。
但从宏观上看，CO2排放量对温室效应的影响占60%以上，而SF6的排放量较小，仅占0.1%。
SF6和CO2都是温室效应气体，而且CO2是造成温室效应的元凶。
从绝缘角度看，CO2气体明显比SF6气体差。
一个大气压下，CO2气体的绝缘强度约为SF6三分之一（34%）。
但CO2与N2相比，在0.9MPA下CO2的50%放电电压高出N235%。
从灭弧角度看，以燃弧时间常数来评价。
燃弧时间常数反映随电流变化的电弧电导瞬变速度。
燃弧时间越短，该气体的热开断性越好。
CO2的燃弧时间（15µs）比SF6（8µs）长得多，但却比N2（220µs）小得多。
从沸点角度看，CO2优于SF6，SF6为-51℃，而CO2为-78℃，即使在0.1MPa/-40℃下CO2仍然保持气体状态。
由以上分析可见，SF6气体从全面看，是一种难得的具有优异灭弧和绝缘气体。
迄今的研究表明，没有一种气体可与SF6相媲美，有它那样优异的绝缘和灭弧性能。
8． SF6混合气体
对于SF6混合气体研究最多的是N2/SF6混合气体。
这种混合气体适用于绝缘。
以下介绍国际大电网会议这方面的研究。
国际大电网会议（CIORE）组成特别工作组织（TASKFORCED1.03.10），研究了N2/SF6混合气体的绝缘性能及其使用方法，特别在气体绝缘输电管线（GIL）的使用。
研究的目的，一方面是减少对温室效应的影响；二是使用混合气体可降低费用，这特别对用气量大的GIL很重要。
研究成果汇编成技术小册子260号（theTechnicalBrochureNo.260）。
现将研究结果简述于下。
N2/SF6混合气体具有良好的绝缘性能，即使在SF6含量低的情况下。
用SF6气体含量10%~20%，就可以达到适当的绝缘性能，而10%~20%SF6气体含量从技术、生态和环境等方面考虑，用于GIL都是合适的。
为了达到纯SF6气体的绝缘强度，只需适当提高压力约45%~70%，而且SF6的用量及其漏气率将减少约70%~85%。
由于电极曲率和粗糙度而引起的场强增加也在设备设计中容易考虑。
这种混合气体中，在有杂质存在下的击穿电压略低于具有同等绝缘强度的纯SF6气体。
但现有的诊断装置可用于这种混合气体，它比在纯SF6气体具有同等或更高的检测灵敏度。
带电件处固定杂质的放电电流和信号发射与纯SF6气体类似。
活动杂质的信号发射与气体类型和混合比例无关。
这种混合气体的电流零点灭弧能力及电流开断性能均差，即使是隔离开关对母线小的充电电流的开断能力也会大大降级。
先导放电通道更为经常地改变方向。
在这种混合气体中比在纯SF6气体中，存在先导放电分支和触头间燃弧时对地闪络的更大风险。
对地闪络是由于先导放电在触头中传播时分支的缘故。
当触头间的纵向电场突然变成横向电场，而且连续接触头的主先导产生侧向分支形成对地横向电场时，就会出现这种现象。
N2/SF6混合气体开断能力差，就是由于先导阶跃比在纯SF6气体中数量多，且先导阶跃变其方向的几率更大的缘故。
国际电工委员会IEC6125标准规定了隔离开关在最严酷条件下开断GIS中母线充电电流的试验程序。
一台SF6绝缘隔离开关在550KV和420KV两个电压等级通过了要求的50次开断试验。
而在具有同等绝缘强度的N2/SF6混合气体中做试验时，在420KV下合闸仅17次，就发生了两次对地闪络。
因此，这种混合气体不适用于任何开断任务。
在部分N2/SF6绝缘的GIS中SF6气体的总量可至最少，但执行开断任务的所有所室要充纯SF6气体。
因此在GIS中若用N2/SF6混合气体取代SF6气体，得到的将是不经济的技术解决方案，而且也没有生态上的优势。
但N2/SF6混合气体适用于不带开断任务的高压设备，并被证明特别适用于GIL。
总之，长期以来，人们为寻找SF6气体的替代气体，进行了大量的研究，但未获成功。
研究表明，从绝缘角度看，能替代SF6气体的只有氮气（N2）和空气。
它们的绝缘能力仅为SF6气体的三分之一。
但用这些气体，则要对设备重新设计，并耗用大量的材料。
N2/SF6混合气体从生态和经济角度看，是个很好的替代气体。
N2/SF6混合气体的击穿强度与氮中SF6的浓度及压力有关。
从技术上讲，氮的组分至40%，电强度几乎没有什么变差。
即使80%N220%SF6的混合气体也还有纯N2或空气二倍以上的电强度。
SF6混合气体只能用作绝缘介质，而不能作断路器中的灭弧介质。
9． SF6混合气体与GIS
SF6/N2混合气体可用于GIS中承担绝缘任务的所有部分，但不能用于需要灭弧的隔室。
在GIS中，混合气体可占总容积的20%（最少）至52%（最多），这视设备的结构而定。
当纯绝缘隔室充入15%SF685%N2混合气体，并将压力从0.4MPa升至0.8MPa时，在保证绝缘强度的情况下，SF6气体的节约量介14%~36.4%之间。
10．SF6混合气体与GIL
充气输电管线（GIL）由同轴铝合金管体组成。
管线在地上直接铺设如同管路一样。
GIL铝管具有弹性，弯曲半径可在400m以上，而且可任意改变方向，使用弯角组件。
各个管段的无气孔连接用导轨焊进行。
当铺设长度1200m后进行气室分隔。
此时，每个分段用压力传感器监视。
GIL欧姆电阻很小，因而热损耗和排入地面的热量很小。
GIL的电容也小，输送大容量不需补偿装置。
若绝缘气体用纯SF6气体，对于420KVGIL来说，以标准尺寸和压力0.4MPa及单相壳体（一相一个管线）计，则每KM长度需要SF气体20t。
20tSF6气体，若以每㎏SF6气体120元计，则一相需240万元。
由此可见，GIL因用气量大，若纯用SF6气体，则需很大一笔费用，从而使GIL的费用飙升。
1998年和2000年国际大电网会议第21研究委员会、第23研究委员会（变电站）及第33研究委员会（绝缘配合）就气体输电管线（GIL）技术作出共同讨论。
讨论中一致认为，从环境、经济和绝缘观点看，GIL的最佳绝缘气体为SF6/N2混合气体。
其中SF6占20%组份，即混合气体为80%N220%SF6。
西门子公司最新研发出第二代GIL。
该公司通过采用各种措施，使550KVGIL的总费用减少一半以上。
降低费用的一个主要原因，就是使用80%N220%SF6混合气体，使用N2作为主绝缘。
GIL具有一系列优势，如输送容量大（可达2000MVA）、电阻和容性损耗小、电磁场很小，运行如同架空线，安全性高，适用于自动重合闸，也可沿地面铺设等。
西门子第二代GIL技术数据见表7。
表7第二代GIL技术数据
额定电压KV
420/550
额定电流A
3150/4000
额定雷电冲击耐受电压KV
1450/1600
额定操作冲击耐受电压KV
1050/1200
额定工频耐受电压KV
630/750
额定短时耐受电流（3S）KA
63
额定气体压力bar（MPa）
7（0.7）
绝缘混合气体
80%N2/20%SF6
在环境方面，人们把环境的重点放在SF6气体与生态、大气臭氧层和温室效应上。
11.SF6气体与生态
纯SF6气体无色、无味、无臭、不燃，化学性能稳定。
纯SF6气体对生态完全无影响。
SF6气体的最大工作浓度（MAK值）为1000mL/m3。
在这个气量下，一个人每天可工作8H，一周可工作40H而不需防护。
这个数值不是毒性极限值，它是对所有无毒气体规定的极限值。
如果在空气中有足够的氧气，就可保证与SF6气体打交道的安全。
理论上，由20%氧气和80%SF6气体构成的混合气体吸入人体，对健康无影响。
SF6气体属于化学反应最稳定的气体。
它的溶水性极低，故不会对地面水、地下水和地球构成潜在的危险。
在营养链内，未发生有生物聚集。
12．SF6气体与臭氧层
包围地球的大气层可分为对流层、平流层和电离层。
对流层距地面最近。
各种气象现象就发生在此层内。
对流层上面是平流层，对流层与平流层的境界称为层界面。
层界面的高度在赤道附近约16KM处。
极地约9KM处。
平流层上面是电离层，平流层中高度20~30KM处的臭氧浓度比较高。
臭氧（O3），主要是由波长约为242mm以下的太阳辐射，通过一个三体过程将氧分子分解，随即将释放出的氧原子附着于氧分子上而形成的。
臭氧主要在赤道上空生成，慢慢向两极移动，许多过程都会造成臭氧的减损，最主要的损耗是在平流层中发生化学反应和光化反应。
大气中约有臭氧33亿t。
平流层中臭氧的生成与消失过程反复进行，它决定了全球臭氧的平衡。
臭氧层保护人类环境与人类健康免受太阳紫外线辐射作用。
20世纪70年代初，已发现人类活动使臭氧层受到破坏。
研究发现，氟氢烃类物质（CFC）危害大气中的臭氧层，而SF6气体对臭氧层没有什么破坏作用。
氟氢烃类物质（CFC）是一种广泛应用于制冷工业的化工原料。
它分解出的氯离子对大气臭氧层有严重的破坏作用，导致太阳紫外线直接照射地球，威胁人类生存，对环境和人类健康产生不利影响。
这种氟氯烃类物质就是氟里昂。
氟里昂是甲烷或乙烷等碳氢化合物中的氨原子被氯或氟原子置换而人工制作的氟氯碳化物系列的通称。
它是密奇莱等人在1930年研制成功的。
由于氟里昂具有化学性质稳定、耐热、不易燃、无毒、无腐蚀等一系列优点，是工业上很理想的物质，广泛用于空调、冷冻装置的制冷剂，喷雾器的喷射剂，电子装置的洗净剂，灭火剂、发泡剂以及合成树脂的原料等。
臭氧层的减少已为国际社会承认对环境和对人体健康产生不利影响的原因。
在CFC族中，臭氧被破坏的机理是紫外线辐射断开CFC分子键时释出的自由氯原子起了催化作用。
反应过程如下：
CFC—C1+CFC剩余的 ①
C1+O3—C1O+O2 ②
C1O+O3—C1+O2 ③
O+O3—2O2F ④
上列反应途径表明，紫外线辐射断开CFC分子产生自由的C1（第1行）。
然后C1破坏臭氧（O3）生成C1O和O2（第2行）。
此反应链的最终产物是C1和O2（第三行）。
一旦出现自由的氯原子，它就可能立即再同O3分子发生反应，从而对每个C1原子来说。
通过多次依靠第2行和第3行的反应并且每次破坏一个O3分子，构成了一个重复的循环。
这是所谓催化循环，并且一个C1原子在它被其他反应中和以前能进行上万次循环。
在SF6的情况下，唯一的卤素成分是氟（F），对它来说，由于两个原因，上述催化反应实际上不可能：
（1）由于其紫外线吸收谱的结构原因，在32~44KM之间的临界臭氧破坏高度范围内，SF6是不发生光解作用的。
因此，来自SF6的原子氟预期非常少。
（2）由于氟对氢（它在同温层中大量存在）的化学亲和力很强，任何可能从SF6产生的原子氟。
将利用从水分子（它以10000*10-6的含量存在）中可以得到的氢原子迅速化合生成HF。
考虑到一个C1原子能由于催化作用破坏10000个臭氧分子，而SF6的含量仅为CFC的1/1000，并且从SF6产生不了自由的氟，显然，SF6对同温层的臭氧不起破坏作用。
根据现有的认识，破坏臭氧层的主要是氯（C1），或溴（BR）原子，而SF6分子中没有C1或BR原子，因此人们大可不必担心SF6气体对臭氧的破坏。
国际臭氧层保护条约于1990年生效。
条约规定，1998年以后氟里昂消耗量应控制在1986年水平的50%，生产量控制在65%以下，并要求研究代用品和对使用后的氟里昂气体进行回收。
我国政府承诺，于2005年在电冰箱中停止使用CFC物质。
13．SF6气体与温室效应
在国际范围内，人们对地球变暖的原因及造成的后果越来越关注。
地球上的温度在由太阳辐射造成的发热和通过热量辐射到宇宙造成的冷却之间处于一种很敏感的热平衡状态。
由于温室效应，可使一部分热量不能释放到宇宙中去。
这部分热量通过对流层中的气体或其他物质又返回到地球表面。
这种自然界的温室效应，使之地球的平均温度不是-18℃而是+15℃。
这种温度的升高，为生活在这个星球上的人们创造了必不可少的前提条件。
营造这种温度升高的主要是水蒸气（H2O）（约占63%）和二氧化碳（CO2）（约占22%）。
如果对流层中由于人为因素而存在过多的温室气体，则更多的热量返回地面，从而破坏了这种平衡。
这样，大气中的温度会慢慢上升。
从20世纪初以来，地球上的温度平均上升0.7℃。
排放量大的温室气体依次为CO2、N20、CFC、Methan（CH4）、O3等。
CO2主要是过多的石化一次能源的燃烧（如木材、煤碳、天然气和石油），N20主要是农业大量施用氮肥，CFC主要是大量用于制冷剂等，CH4主要是大量养牲畜，O3主要是汽车排出的废气及燃烧过程。
在1997年通过的全球变暖京都议定书中，CO2、SF6等6种气体被列为受限制的温室气体。
SF6气体单个分子对温室效应的影响约为CO2的23900倍，且在大气中寿命为3200年，故它对温室效应存在着潜在的危险。
虽然SF6气体单个分子对温室效应的影响为CO2的23900倍，但世界上每年排放的CO2气体量为235多亿t。
若以SF6气体每年排放量为5000t，则加权它影响的23900倍，其影响才相当于CO2气体约1.20亿t，何况SF6气体在封闭系统内，且大部分回收，还可再生使用，属于自循环气体，真正因漏气等排放到大气中的量甚少。
若以对温室效应的影响排队，CO2占60%，CH4占15%，N20占5%，O3占8%，CFC-11占4%，CFC-12占8%，而SF6仅占0.1%。
这就是说，SF6气体引起的温室效应很小。
14．SF6与CO2气体
SF6气体主要用于电力设备，特别是高压开关设备。
因此，SF6气体用量有限，而且用在密封系统中，故漏气量很少，对温室效应的影响仅占0.1%。
而CO2主要是电力工业燃煤发电产生的，开放式大量排向大气，对温室效应的影响占60%以上。
我国因大量燃煤发电，CO2的排放量上升到世界第二位，限制CO2成为电力工业重中之重。
据报道，美国每发1KWH电量平均产生CO2729g。
欧洲CO2排放量之所以低，是因为大力采用核电。
欧洲核电约占总发电量的33%，而美国仅占20%。
瑞士每发1KWH电量的CO2排放量仅为15g，之所以如此低，是因为瑞士水力发电量约占60%，核力发电约占38%。
二氧化碳主要来自火力发电。
用煤碳发电，每发1KWH电量需用煤400g，同时产生CO2气体800g。
CO2是造成温室效应的元凶。
在6个温室效应气体中，CO2对温室效应的影响最大，约占64%。
目前世界上温室效应气体年排放量为430亿t，其中CO2气体排放量为235亿t。
整个温室效应气体排放量还再增加，估计年总量将达到500亿t。
美国和中国因火力发电
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