带电教材第3章.docx
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带电教材第3章
第三章带电作业常用材料、工具及其试验
第一节带电作业常用材料
带电作业常用材料分金属材料和绝缘材料两类。
金属材料是用来制做带电作业用紧线丝杠、卡具、绝缘工具接头等专用工具的，其主要材质有普通碳素钢、普通含锰钢、优质碳素钢、合金钢及高强度铝合金等。
绝缘材料是用来制做各类软、硬质绝缘工具的，其主要材质为3240环氧酚醛玻璃纤维、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、锦仑、蚕丝、绝缘漆和绝缘粘合剂等。
一、绝缘材料
我们知道绝缘材料在带电作业中是用来制做各类绝缘工具的。
其主要作用可概括为：
第一，使带电体与接地体相互绝缘；第二，用来支持作业过程中的带电体，井使其与接地体隔离；第三，起到绝缘机械手的作用；第四，用来改善高压电场中的电位梯度；第五，传递材料及工器具，并使其与带电体绝缘。
针对某一具体工器具来说，可能起到以上某一种作用，也可能同时兼顾几种作用。
根据绝缘工器具的不同功能，制做各类工器具所用的材料分为绝缘板材，绝缘管材、绝缘棒材、绝缘绳索及塑料等。
（一）绝缘板材
绝缘板材主要为绝缘层压制品，是现代电工材料不可缺少的产品。
特别是3240型环氧酚醛玻璃布板，广泛应用于发电厂、变电站及输变电带电作业中。
层压制品是由浸渍过各种树脂的片状填料经过热压粘合和固化而成的。
常用的有纸板、棉板、玻璃丝布板、棚木板、石棉纤维板及合成纤维布板等。
而我国带电作业常用的层压板有3240、3025、3027、3230、3250号等环氧酚醛及酚醛制品，其各种性能指标见表3－1。
除了以上几种常见绝缘板材外，还有一种复合型层压板—环氧峰窝板。
它由两层环氧玻璃布层压板中间夹一层六角形蜂窝式玻璃布板，三者用环氧树脂粘接而成，属于一种轻型材料，在比重和抗弯等物理性能方面有独特之处，适合于制做带电作业云梯、扒杆、手梯及人字梯等工器具，其具体性能见表3－2。
（二）绝缘管材、棒材
同绝缘板材一样，绝缘管材及棒材在我国带电作业中的地位也是很重要的，其主要材质多为环氧酚醛、有机硅、酚醛层制品和黄岩系列管材、棒材等。
此外，电力部武高所、东北网局、华中网局等各大、中科研单位也相继研制出了防雨绝缘管材和棒材，目前正在推广之中。
表3－1各种板材性能指标
指标名称
单位
各种板材指标（号）
3240
3025
3027
3230
3231
3250
3251
3010
3011
密度
g／cm3
1.7～1.9
1.3～1.42
1.3～1.42
马丁氏耐热性（纵向）
（不低于）
℃
200
125
135
150
250
225
120
120
抗弯强度（不低于）
纵向
横向
N／cm2
35000
29000
10500
9000
11000
25000
20000
11000
25000
13000
抗张强度（不低于）
纵向
横向
N／cm2
30000
22000
6500
6000
10000
20000
17000
10000
粘合强度（不低于）
N
5800
5500
5500
抗冲击强度（不低于）
纵向
横向
J／cm2
14.7
9.8
2.45
1.96
4.9
9.8
7.84
4.9
6.37
2.45
表面电阻系数（不低于）
常态时
浸水时
Ω
1.0×1013
1.0×1011
1011
1010
1012
1010
1013
1011
1012
1010
2×1012
2×109
2×1011
2×107
体积电阻系数（不低于）
常态时
浸水时
Ω．m
1.0×1011
1.0×109
108
106
1010
108
1011
109
1010
108
1.5×109
1×107
109
3.5×105
平行层向绝缘电阻
常态时
浸水时
Ω
1.0×1010
1.0×108
1.0×1010
1.0×107
频率50HZ时介质
损耗角正切（不高于）
0.05
0.04
0.1
0.1
垂直层向击穿强度，于温度90±2℃的变压器油中（不低于）
板厚0.5～lmm
板厚1.1～2mm
板厚2.1～3mm
板厚3mm以上加
工一面者
KV/m
22000
20000
18000
18000
4000
3000
2000
2000
8000
6000
5000
5000
14000
12000
10000
10000
22000
20000
18000
18000
垂直于板层的电气强度，在50HZ下，置于90±2℃变压器油中试验不低于25000kV/mm
平行层向击穿电压，于温度90±2℃的变压器油中（不低于）
KV
30
6.0
10
10
30
10
注：
3240号为环氧酚难层压玻璃在板；3025、3027号为酚醛层压布板；3230号为醋酸层压玻璃布板；3231为本胺酚醛层压玻璃布板；3250号为有机硅环氧层压玻璃布板；3251号为有机硅层压玻璃布板；3010、3011号为酚醛桦木板。
表3-2蜂窝板性能
指标名称
单位
实测结果
密度
g／cm3
0.4～0.6
树脂含量
芯子
面极
％
57.8
65.8
平压强度
平压弹性模量
N／mm2
1.48
98
侧压强度
侧压弹性模量
N／mm2
146.61
1822.8
剥离强区
剥离弹性模最
N／mm2
0.29
137.2
表面电阻系数
Ω
4.2×1013
体积电阻系数
Ω．m
1.12×10ll
频率为50HZ时介质损耗角正切
0.0168
工频表面耐压
kV
长300mm，试加电压100kV5min通过
利用绝缘管材抗弯性能好，且质量轻的特点，在带电作业中主要用来制做操作杆、手梯、绝缘扒梯、竖梯、人字梯等。
绝缘棒材的抗拉性能优于绝缘管材，因此多用于制做绝缘张力工具。
（三）塑料
塑料的品种很多，带电作业中常用的塑料有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸脂，有机玻璃和尼龙1010等，现分述如下。
1．聚氯乙烯
聚氯乙烯是由单体聚乙烯聚合而成。
硬质聚氯乙烯的密度为1.38～1.43g／cm3，其机械强度较高，电气性能优良，缺点是软化点低，使用范围在－15℃～＋55℃之间，软质聚氯乙烯的机械性能均低于硬质聚氯乙烯，且拉断时的伸长率较大。
由于聚氯乙烯在使用温度方面及机械性能方面的局限性太高，因此在带电作业中的应用不是特别广泛。
2.聚乙烯
聚乙烯有良好的化学性能、机械强度，耐低温且电气绝缘性能和辐射性能稳定，并且有很低的透气性和吸水性，密度小，无毒副作用，易于加工。
聚乙烯按其生产方法可分高压聚乙烯、中压聚乙烯和低压聚乙烯。
其具体性能见表3－3所列。
表3－3高、中、低压聚乙烯性能比较表
指标名称
单位
各种聚乙烯指标
高压聚乙烯
中压聚乙烯
低压聚乙烯
密度
g／cm3
0.91～0.93
0.95～O.98
0.94～0.96
软化点
℃
105～120
130
120～130
抗张强度
N／mm2
13.7～17.64
24.5～39.2
20.58～24.5
伸长率
％
500～300
100～200
300～100
体积电阻系数
Ω·m
6×1012
＞1013
6×1013
击穿电压：
干态
浸水7天
KV/m
2610～28400
2610～27200
3．聚丙烯
聚丙烯的主要合成原料是丙烯，丙烯的密度在0.9g／cm3左右；其机械性能优于低压聚乙烯，它的熔点为160～170℃，在没有外力的作用下，即使温度达到159℃亦不会变形。
聚丙烯几乎不吸收水分，在水中24h的吸水率小于0.01％，聚丙烯用途较为广泛，主要用于制造薄膜、纤维、电缆、导线外皮和机械零件等。
带电作业中多用作制造10kV配电装置对地或相间绝缘隔离装置。
4．聚碳酸脂
聚碳酸脂是透明、呈轻微淡黄色的塑料，可制成接近无色、透明的制品，也可染制成各种颜色，它密度为1.2g／cm3，吸水性差，不易变形，耐热性能突出，在130～140℃才能变形，其熔点为220～230℃，同时其耐寒性能也非常高，脆化温度为－230℃。
此外，聚碳酸脂在较宽的温度范围内还具有良好的电气性能，且在耐磨、耐老化等方面也比较好。
带电作业中，聚碳酸脂多用来制做水冲洗操作杆，有的单位也使用聚碳酸脂来制做配电线路带电作业隔离装置。
5．聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）
有机玻璃具有很好的透明性，其重量轻、不易破碎、耐老化、易加工成型，主要产品有有机玻璃板、棒、管和模制品，广泛应用于工农业生产的各个领域。
由于有机玻璃具有高度的透明性，重量轻，且机械强度较高（抗拉强度为60～70N／mm2，抗压强度为12～160N／mm2，抗弯强度为80～140N／mm2，冲击强度为1.2～1.3N／mm2）。
在电弧作用下能分解大量气体（一氧化碳、二氧化碳、氨气等），因此。
在带电作业中可用有机玻璃制作带电断接引线用的消弧器，或配电带电作业用的隔离设备。
6．聚酰胺（尼龙）
聚酰胺也是目前较为广泛使用的工程材料，俗称尼龙、其品种很多，主要有尼龙6、尼龙9、尼龙66、尼龙610、尼龙1010等。
尼龙材料吸水性较低、比重小、机械强度较好、电气性能较优良。
带电作业中，利用尼龙1010比重小，电气性能较好的特点，多用来制作带电水冲洗工具的防水罩，而利用尼龙6、尼龙66密度小，机械强度优良，电气性能较好的特点，则广泛用来制作绝缘滑车。
（四）绝缘绳索
绝缘绳索是带电作业中不可缺少的软质工具。
我国带电作业向绳索化方向发展，是适应我国国情的一大特色。
在带电作业中，绝缘绳索广泛应用于承担机械荷重（如滑车组）、运载物件（如循环传递绳）、攀登工具（如软梯）、灵活多变的吊拉线（手梯、立梯的锚绳）、连接套子，以及保护绳、消弧绳等等。
下面我们就绝缘绳索的种类结构及机电性能做一些介绍。
1．绝缘绳索的种类
目前带电作业中常用的绝缘绳索主要有两类：
一是蚕丝绳（分生蚕丝绳和熟蚕丝绳），另一类是锦纶绳和聚氯乙烯绳。
从材质上来看，蚕丝绳是采用脱脂不少于25％的桑蚕长纤维制作；锦纶棕丝绳是采用白色己内酰胺（锦纶6）单体聚合后拉制的棕丝（钓鱼弦）绞制而成；锦纶长丝绳是用白色己内酰酸胺（锦纶6）拉丝后的长纤维按3×3股线的要求，合股绞制而成。
从结构上来看，绝缘绳索分绞制圆绳、编织圆绳、编织扁带、环形绳和搭扣带等。
绝缘绳索一般多由多股单纱捻制而成。
（1）捻制方向。
按捻制方向分为顺捻和反捻两种，所谓顺捻是指单纱中的纤维或股线中的单纱在绞制过程中，由下向上看是自右向左方向捻动的，一般用字母S来表示顺捻，也称S捻，如图3－l（a）所示。
而反捻则是指绞制中由下向上看是自左向右捻动的，常用字母Z表示，也称Z捻，见图3-1（b）所示。
为了防止绳索松股，一般绳索的捻制层次按ZSZ方式进行，即纤维捻成单纱时按Z向捻制，纱线捻成股线时则按S向捻制，最后股线合成绳索时按Z向进行。
（2）捻距。
同一股线中，一个整捻或两个连续辫结之间的长度称为捻距，如图3－2所示，捻距长短用来表示绳索拧劲的松紧，带电作业中使用的绝缘绳索拧劲不宜过紧也不宜过松，过紧易使绳索打扭，过松则易使绳索松股。
（a）S捻（b）Z捻
图3-1绳索的捻向
图3－2绳索的捻距（ι－捻距）
（3）绝缘绳索的型号。
目前绝缘绳索较为常用的型号为。
桑（s）蚕（c）绞（j）制绳（s）用scjs表示，并在“－”后标注其外径尺寸，如scjs－14表示直径为14mm的桑蚕绞制绳。
锦（j）纶棕（z）丝绞（j）制绳的型号为jzjs，而将锦纶（j）长（c）丝绞（j）制绳的型号表示为jcjs。
（4）编织型绳索。
编织型绳索是克服绞制绳索在使用中容易相互拧在一起的缺点而出现的一种绳索，分为机织和手工编织两种。
其结构为层叠圆型绳，如图3－3所示，层与层叠套在一起，层数越多绳径越粗。
编织型绳索还有扁带型、环型套绳，搭扣带等品种，见图3－4所示。
扁带型绳索常用作安全带、绝缘吊线器等，环型套绳和搭扣带在带电作业中，多用来作绝缘滑车固定套子。
图3－3编织圆绳的结构暴图3－4各种编织绳的外形
1－外二层；2－外一层；3－芯索（a）扁带型；（b）环环型套绳；（c）搭扣带
2．绝缘绳索的机电性能
试验证明1m长的各种绝缘绳索，不论其直径大小或新旧如何，只要清洁干燥，其干闪电压值相差无几，而且放电电压随长度大小基本上成正比递增。
单位长度的干闪电压与空气的放电电压相近，达340kV／m，如图3－5所示。
但1m以上绝缘绳索的干闪电压与绳长的关系呈饱和趋势，这与长空气间隙的放电特性是一致的。
绝缘绳索受潮以后，其闪络电压将会显著降低，而且泄漏电流也显著增加，导致绝缘绳索发热、击穿，锦纶绳索甚至可以烧断，表3－4即为绝缘绳索受潮后湿闪电压的试验情况。
图3－5lm及以下绝缘绳的工频干闪电压
u－工频放电电压；ι－长度；▲－蚕丝绳；●－尼龙绳；×－聚乙烯绳
表3－4绝缘绳受潮后湿闪电压试验结果
编号
绝缘绳名称
试验规格（mm）
试验情况
直径
长度
l
尼龙绳（丝）
12
200
升压至25kV后燃烧（有明火），升压至25kV熔断
2
尼龙绳（线）
12
200
升压至25kV后燃烧（有明火），经20s熔断
3
熟蚕丝绳
12
200
升压至40kV后燃烧（有明火），经30s击穿后；第二次升至60kV经30s击穿；第三次升至60kV经30s击穿
4
生蚕丝绳
12
200
升压至40kV后燃烧（有明火），经30s击穿后；第二次升至60kV经30s击穿；第三次升至70kV经30s击穿
5
生蚕丝绳
12
200
升压至10kV后燃烧（有明火），经25s击穿后；第二次升至65kV经30s击穿；第三次升至75kV经25s击穿
注：
1.绝缘受潮条件为:
编号1～4是拧开自来水龙头对准被试物两次喷湿；
编号5是将其多股拧开浸入水中（取出时可拧出水）再进行试验。
2．表中数据摘自原湘中供电局《绝缘绳试验报告》（1972年）。
绝缘绳索的机械强度，总的来看，锦纶绳要比蚕丝绳高一些，而蚕丝绳又比锦纶棕丝绳高一些，如图3－6所示。
其具体机械性能如表3－5所示。
图3－6绝缘绳的机械特性比较
W－破坏负荷；d－直径
1－锦纶长丝；2－蚕丝；3－锦纶棕丝
表3－5绝缘绳机械性能试验结果
绝缘绳名称
单位抗拉强度
（N／mm2）
单位耐磨次数
（次／mm2）
伸长率
（％）
熟蚕丝绳
生蚕丝绳
尼龙（丝）绳
尼龙（线）绳
0.87
0.62
1.12
l.12
8.0
3.99
3.3
1.59
65
40～50
60～80
40～60
注：
1.表内各栏数据为多个数平均值。
2.尼龙（丝）绳的伸长率最大达到133％，平均为60％～80％。
二、金属材料
金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属是铁、锰、铬及它们的合金，如生铁、铁合金、钢、金属锰、金属铬等。
有色金属是指除黑色金属以外的金属及其合金，如铜、铝、锌、铜合金、铝合金等。
带电作业中，常用的金属材料多为碳素钢、合金钢、铝合金。
它们常常用来制作绝缘部件的连接件或接头、承力部件或牵引部件（加紧丝线杠、卡具等）、导流部件（如接引线夹、分流线、消弧绳等）。
因此，我们对各种金属材料的机械强度、导电性能均应有严格的要求。
（一）金属材料的机械性能
金属材料受机械力的作用表现出抵抗机械力破坏的能力，称为金属材料的机械性能。
通常我们用硬度、强度、塑性、韧性和抗疲劳性等指标表示。
抗拉强度是指金属材料在拉力作用下抵抗变形和破坏的应力，用σ表示。
此外，它还包括比例极限应力σP、屈服极限应力σS、伸长率δ和断面收缩率ψ以上这五种机械性能指标在机械手册中均可以查阅。
硬度是指金属材料单位体积内抵抗变形或抵抗破裂的能力，常见的硬度指标用布氏（HB）、洛氏（HR）等表示，其中布氏硬度单位是Pa，洛氏硬度是无名数，分为HRA、HRB、HRC三种。
冲击强度是指材料在动弯曲负荷作用下折断时，所表现出来的抵抗能力，用α表示，单位是Pa，通常表示金属材料韧性的好坏。
疲劳强度则表示在对称弯曲应力作用下，经受一定应力循环数N而仍不发生断裂时所能承受的最大应力，单位为Pa。
（二）金属材料的性能
所谓金属材料的理化性能是指比重、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性以及耐腐蚀性等。
耐磨性也是一种综合性的使用性能，现就制作带电作业工具的金属材料应考虑的理化性能指标做一简单介绍。
1．比重
选择带电作业工具的金属材料，不但需要强度高，也要求质量轻。
因为带电作业几乎全部是在高空中进行，而且输电线路多在山区或田间延伸，交通条件非常不便，因此质量较轻的金属工具受到普遍的青睐。
目前，在带电作业工具的质量构成中，金属工具往往占有主要成分，所以，制作金属工具的材料比重是一项重要指标，在各类材料的选用中。
铝合金尤其是高强度铝合金已成为带电作业最受欢迎的金属材料。
2．导电性
带电作业中，金属工具应有良好的导电性，这一点主要是从防止作业工具发热来考虑的，另外，有些需要导通电流的设备，如接引线尖、屏蔽服中使用的金属丝等，均要求有很高的导电性。
3．抗腐蚀性
带电作业工具中的金属部件多为钢或铝合金材料，这些材料在空气中尤其是在电场中极易氧化腐蚀，因此必须做好防腐处理。
4．耐磨性
带电作业工具的金属部件除了应具备良好的导电性、抗腐蚀性能外，还应具备良好的耐磨性能，因为这些部件在作业过程中需要频繁的与其它金属相互间接触，摩擦。
如：
绝缘操作杆的接头，丝杠等，所以，在制作这些金属部件时，应选用耐磨性能良好的金属材料，否则将会影响这些部件的互相配合。
（三）金属材料的工艺性能
由于输电线路杆塔结构的复杂多变，带电作业金属工具或部件的种类也随之很繁多，其结构也很复杂。
因此在制作这些工具或部件时应考虑到金属材料的铸造、焊接、切削加工等性能。
1．铸造性能
在带电作业工作中使用的接引线夹等工器具，通常是使用钢或铝铸造而成，因此需选用流动性较好的材质，避免出现蜂窝或砂眼，以保护线夹的质量。
2．锻压性能
有些外形复杂的金属工具或部件（如卡具）常常需要经过锻造来加工。
因此，在制作这类工器具时，应选用锻压性能好的材料来加工。
3．焊接性能
焊接性能好坏是指材料是否易于用一般焊接方法和工艺进行焊接，例如超硬度铝合金可焊性较差，必须使用特殊的焊接技术才能可靠焊接。
因此，诸如铝合金之类的金属工具在制作过程中要避免焊接。
4．切削性能
切削性能的好坏，主要取决于材料的硬度，例如，当碳钢的硬度为HB150～250，特别是在HB108～200时，具有较好的切削性，而太软的金属（例如电解铝及紫铜）和太硬的金属在切削加工时都很困难。
因此，制作带电作业工器具时应选用切削性能较好的金属材料，比如，超硬度铝合金就具有较好的切削性能。
第二节带电作业常用工具
随着我国带电作业的不断发展，带电作业工具品种越来越多。
这里我们仅选取一部分常用的带电作业工具进行结构和用途方面的介绍。
一、绝缘工器具
从作业工具的材质上来分，带电作业工器具可分为绝缘工器具和金属工器具两大类。
其中，绝缘工器具主要由绝缘材料制成，虽然它也使用了部分金属构件，但金属构件的尺寸是受到严格限制的。
绝缘工器具的作用是使带电体与地电位绝缘，并能满足足够的机械强度和安全距离，通过作业人员的使用或操作来达到某种目的。
（一）绝缘操作杆
在进行带电作业间接作业时，常常使用绝缘操作杆进行取销钉、装取卡具及绝缘子、缠绕绑线和测试等工作。
绝缘操作杆依据作业电压等级的不同，其长度分固定式和可调式两种，如图3-7所示。
固定式绝缘操作杆是依据各电压等级下绝缘有效长度来制作的，多用在220kV及以下电压等级的线路中。
可调式绝缘操作杆多为伸缩式管型绝缘材料制作，可灵活运用于各种电压等级的输电线路中，无论固定式还是可调式绝缘操作杆，其结构是在绝缘操作杆端头装配各种金属工具来完成各种功能。
表3－6列出了各电压等级下绝缘操作杆的绝缘部分长度。
图3-7绝缘操作杆
表3－6各电压等级下绝缘操作杆的绝缘部分长度
电压等级（kV）
10
35
63（66）
110
220
330
500
绝缘部分长度（m）
0.7
0.9
1.0
1.3
2.l
3.1
4.0
（二）绝缘软梯
绝缘软梯主要用于输电线路的等电位作业中，如进行带电修补导线，检修防振锤，断、接引线等等。
除此之外，也可用于避雷线的检修工作中，但要考虑对导线的组合间隙间题。
绝缘软梯的结构由软梯架（金属或硬质绝缘材料制成）、绝缘绳索（蚕丝绳或锦纶绳）和绝缘管连接而成，软梯架与软梯（由绝缘绳和绝缘管制成）之间可自由拆装、如图3-8所示。
绝缘软梯制做简单，携带方便，作业高度不受限制，绝缘绳和绝缘管容易更换且造价不高。
由于软梯架上端架有滑轮，可使软梯在导线或避雷线上自由滑动、因此，借助于绝缘软梯进行某些项目的带电作业，操作程序确实比较简单。
但是，绝缘软梯在攀登时比较费劲，这是它的主要缺点之一。
因此，有些单位研制出了带有自动升降及行走装置的绝缘软梯。
图3-8绝缘软梯
（三）蜈蚣梯
蜈蚣梯一般应用于220～500kV电压等级的输电线路带电作业中，其结构比较简单。
由绝缘板和绝缘管制成、形状似蜈蚣，故名蜈蚣梯（见图3－9）。
目前在我国带电作业中广泛使用的蜈蚣梯大至可分为分段组装式和单梯式。
分段组装式多用于220kV线路直线杆塔上的等电位检修工作。
而单梯式由于梯身较短（2m左右），需借助于绝缘滑车组使用，故多用于220kV线路的耐张跳线串进出电位和500kV线路的进出电位工作中。
图3-9蜈蚣梯
（四）绝缘平梯
绝缘平梯一般由绝缘管或绝缘管和绝缘板制成，有结构简单、携带方便、重量轻、容易操作等特点。
多用于110～220kV线路的耐张杆塔等电位作业工作中。
绝缘平梯有一端装设金属挂钩和不装设金属挂钩两种。
如图3-10所示。
图3-10绝缘平梯
（五）绝缘吊梯
绝缘吊梯在我国带电作业中使用较少，一般用在220～500kV线路的进、出电位工作中，其功能与蜈蚣梯相同。
其结构简单（见图3-11），由绝缘管和绝缘板制成，梯长l.6m左右，需借助于绝缘滑车组来完成载人功能。
该梯的最大特点是携带方便、重量轻、操作灵活。
进出电梯人员必须坐在上面，因而也就减少了人体在电场中的活动范围，增大了净空距离，满足了各类杆塔对组合间隙的要求。
图3-11绝缘吊梯
（六）绝缘三角梯
与绝缘平梯的功能相似，绝缘三角梯也是主要应用于110～220kV线路的带电作业等电位工作中。
其结构见图3－12所示，同样是使用绝缘管材和绝缘板材制做而成，但其与绝缘平
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