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1、CLiP限流保護(hù)器在中壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用初探摘要: CLiP限流保護(hù)器融合了傳統(tǒng)限流熔斷器的所有優(yōu)點(diǎn),是一種一次分?jǐn)唷⒖焖賱?dòng)作的中壓故障保護(hù)裝置。在中壓系統(tǒng)中CLiP對(duì)有效限制短路電流、減少電能損耗、提高供電質(zhì)量等,具有良好的作用。文章扼要論述了CLiP限流保護(hù)器(簡(jiǎn)稱CLiP)的工作原理和應(yīng)用實(shí)例以及電抗器能耗費(fèi)用的計(jì)算方法。 關(guān)鍵詞: 中壓系統(tǒng); CLiP限流保護(hù)器;動(dòng)作原理;應(yīng)用實(shí)例 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平的提高,中壓配電網(wǎng)的規(guī)模和容量也漸漸增大。配電網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)展,變電站不斷增容,以及備用發(fā)電機(jī)的使用,均會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)故障電流的增大。如果擴(kuò)大配電網(wǎng)絡(luò)容量的同時(shí),對(duì)故障電流不進(jìn)行

2、有效的控制,這些系統(tǒng)中原有設(shè)備開斷和耐受短路電流的能力,有可能不能滿足要求。通常,對(duì)原有配電系統(tǒng)可以采取的限制短路電流的措施有:在配電網(wǎng)絡(luò)的適當(dāng)部位加裝限流電抗器,以將下游回路的短路電流,限制到原有設(shè)備的短路額定值以內(nèi)。變電站內(nèi)變壓器分裂運(yùn)行,即將母線聯(lián)絡(luò)斷路器經(jīng)常打開運(yùn)行。按配電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展要求,更換原有設(shè)備。增加配電電源點(diǎn)。這樣,勢(shì)必要重新劃分供電范圍,會(huì)涉及到原有系統(tǒng)的改造。仔細(xì)分析上述措施可知,這些措施均存在某些弊端。除了上述限制短路電流的措施以外,是否有簡(jiǎn)單易行,既不要花費(fèi)很多的改造費(fèi)用,又不要對(duì)原有系統(tǒng)大動(dòng)干戈,也不會(huì)帶來很多電能損耗費(fèi)用的辦法。CLiP限流保護(hù)器(簡(jiǎn)稱CLiP)就是基

3、于這個(gè)理念,由美國(guó)電力科學(xué)研究院(EPRI)研發(fā)和提出的一項(xiàng)科研成果,它融合了傳統(tǒng)限流熔斷器的所有優(yōu)點(diǎn),是一種一次分?jǐn)?、快速?dòng)作的中壓故障保護(hù)裝置。在38kV及以下的系統(tǒng)中,CLiP額定電流可高達(dá)5000A,短路開斷能力達(dá)120kA;15.5kV限流保護(hù)器的對(duì)稱開斷電流可高達(dá)311kA(rms)。顯然,其性能優(yōu)于傳統(tǒng)保護(hù)裝置。 來源: 美國(guó)G&W電氣公司生產(chǎn)的CLiP限流保護(hù)器,屬于轉(zhuǎn)換型限流保護(hù)裝置(TCL),是由裝于主導(dǎo)電回路上的高速切斷裝置和并聯(lián)限流熔斷器(PAF)組合而成的。本文扼要論述了CLiP的工作原理和典型應(yīng)用實(shí)例。 1 工作原理及基本參數(shù) 1.1 工作原理在討論CLiP的具體應(yīng)

4、用前,需要簡(jiǎn)單說明CLiP的工作原理。從原理上說,轉(zhuǎn)換型限流保護(hù)裝置TCL屬于具有持續(xù)載流能力的高速切換開關(guān)。 CLiP主要由裝于主導(dǎo)電回路上的高速切斷裝置(開關(guān))和并聯(lián)限流熔斷器組合而成,如圖1所示。正常工作時(shí),電流流經(jīng)分段的銅母線排,而并聯(lián)限流熔斷器回路的電阻較大,僅分流約0.1%的電流。當(dāng)電子點(diǎn)火邏輯裝置檢測(cè)到滿足跳閘準(zhǔn)則的短路故障信息時(shí),啟動(dòng)一直線型的切斷裝置,將銅母線排切成數(shù)段,每一段銅母線向上翻起,形成斷口,斷口間將產(chǎn)生電唬此時(shí),銅母線各斷口電弧電壓之和會(huì)加到熔斷器的兩端,迫使故障電流進(jìn)入并聯(lián)限流熔斷器。當(dāng)對(duì)稱故障時(shí),熔斷器于短路電流的前1/4個(gè)周期內(nèi)高速熔斷;非對(duì)稱故障時(shí),熔斷器

5、于短路電流的前1/2個(gè)周期內(nèi)高速熔斷。保證故障電流在第一個(gè)峰值來臨前被安全地切斷,從而使保護(hù)設(shè)備不會(huì)遭受任何危害。 來源: 圖1 CLiP結(jié)構(gòu)示意圖 并聯(lián)限流熔斷器具有很高的能量吸收能力,但使其熔化的I2t值比較低。該熔斷器實(shí)際的限流點(diǎn)比滅弧時(shí)間早。與大多數(shù)重合器、切換開關(guān)、斷路器和排氣式熔斷器的分?jǐn)嗲闆r不同,該限流式熔斷器不是電流過零滅弧的。 1.2 保護(hù)選擇性配合 CLiP屬于一次分?jǐn)嘌b置,也就是說,動(dòng)作后如同熔斷器一樣必須更換。從保護(hù)選擇性配合的觀點(diǎn)看,CLiP是一種自毀性的保護(hù)裝置。因此,當(dāng)故障電流處于其他保護(hù)裝置(斷路器)開斷能力范圍以內(nèi)時(shí),應(yīng)由其他保護(hù)裝置按其標(biāo)準(zhǔn)配合曲線設(shè)定的整定

6、值動(dòng)作,切除故障回路。僅當(dāng)故障電流超過其他保護(hù)裝置的開斷能力時(shí),才啟動(dòng)CLiP動(dòng)作。這樣,可盡量減少CLiP的動(dòng)作和更換次數(shù)。在電力系統(tǒng)中,單相接地故障占全部故障的60%以上。而中壓電力系統(tǒng)的安全可靠性,在其他條件相同的情況下,只取決于系統(tǒng)中性點(diǎn)的工作方式。通常,中壓配電系統(tǒng)中性點(diǎn)采用不接地、消弧線圈接地、諧振接地、低電阻和高電阻接地方式,取決于配電電壓等級(jí)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和單相接地故障電容電流的大小等因素。不管采用何種中性點(diǎn)接地方式,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),甚至兩相短路時(shí)(須經(jīng)過校驗(yàn)),均不需要啟動(dòng)CLiP動(dòng)作,完全可由其他保護(hù)裝置來切除故障回路。因此,不用擔(dān)心采用CLiP后需要經(jīng)常更換的問題。 來

7、源:為了便于理解,可將CLiP主回路中的高速切斷裝置(開關(guān))看成由電子點(diǎn)火邏輯裝置引爆的爆炸式斷口。電子點(diǎn)火邏輯裝置按設(shè)定的動(dòng)作準(zhǔn)則啟動(dòng)CLiP,僅反應(yīng)故障電流的量值,而與故障電流的電流時(shí)間特性、設(shè)備規(guī)格(或熔化I2t值)、溫度等因素沒有關(guān)系。電子點(diǎn)火邏輯裝置動(dòng)作準(zhǔn)則的選擇與CLiP的具體使用場(chǎng)合有關(guān),是一個(gè)比較復(fù)雜的議題,但制造廠會(huì)根據(jù)具體的使用場(chǎng)合,提供詳細(xì)的整定值和選擇指南。 1.3 故障能量限制眾所周知,故障電流引起的損害與故障能量有關(guān)。故障電流的I2t值近似與故障能量成正比,通??捎眠@個(gè)值來衡量損害的影響。與不帶限流裝置的斷路器相比,CLiP在減少故障電流損害方面具有驚人而奇特的作用

8、。舉例來說,一個(gè)分?jǐn)鄷r(shí)間為5個(gè)周期的40kA(rms)斷路器,產(chǎn)生的I2t=133106A2 s;而采用CLiP以后,在相同的故障情況下所產(chǎn)生的I2t=600103A2 s,僅為斷路器的0.45%。因此,CLiP不僅可以獨(dú)立使用,還可以作為若干配電系統(tǒng)的補(bǔ)充裝置,廣泛應(yīng)用于保護(hù)領(lǐng)域。 2 典型應(yīng)用實(shí)例 2.1 CLiP與電抗器并聯(lián)(旁路)如上所述,限流電抗器是配電系統(tǒng)控制短路電流水平的有效措施之一。但配電系統(tǒng)引入電抗器以后,會(huì)帶來2個(gè)問題:一是會(huì)明顯增加電能消耗,增加運(yùn)行費(fèi)用;二是增加在電壓調(diào)整上的困難。在帶負(fù)荷的情況下,一般電壓不會(huì)降到95%以下。但即便是5%的電壓降也會(huì)使設(shè)備的效率減少約1

9、0%,在照明系統(tǒng)中將減少的更多。設(shè)備效率降低、能耗增加,這些是電抗器本身?yè)p耗以外的附加損耗。配電系統(tǒng)中設(shè)備效率的顯著下降是不允許的。另外,電壓降低可能會(huì)影響大電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)等。 來源: 電抗器并聯(lián)CLiP后,上述問題可以迎刃而解。因CLiP的電阻是以微歐計(jì)算的,電抗器與CLiP并聯(lián)組合,既能保持電抗器限流的優(yōu)點(diǎn),又能克服引入電抗器后帶來的“損耗”和“電壓降”問題。正常運(yùn)行時(shí),電抗器被CLiP短接,電抗器基本上沒有電流流過。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí),如果故障電流超過故障回路斷路器的開斷能力,則CLiP限流保護(hù)器啟動(dòng)并打開,將故障電流轉(zhuǎn)到電抗器,就可由斷路器切除故障回路;當(dāng)故障電流沒有超過故障回路斷路

10、器的開斷能力時(shí),CLiP不啟動(dòng),直接由斷路器切除故障回路。電抗器與CLiP并聯(lián)使用時(shí),應(yīng)考慮下列問題:(1) 電抗器必須具有足夠大的電抗值,以將故障電流限制在設(shè)備額定值以內(nèi)。但電抗器的阻抗又不能太大,以免電抗器上的電壓降影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。如果所需電抗器的阻抗太大,以致不能采用電抗器,此時(shí),可選用獨(dú)立的CLiP實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,但與電抗器并聯(lián)使用的優(yōu)點(diǎn)也就不存在了。(2) 必須考慮單相和兩相短路故障的情況: 1) 大多數(shù)三相故障將引起三相CLiP動(dòng)作。國(guó)內(nèi)中壓系統(tǒng)單相接地故障,可由故障回路的斷路器來切除故障,圖2中的CLiP不需要?jiǎng)幼?。?dāng)發(fā)生兩相短路故障,且故障電流已超過故障回路斷路器的開斷能力,則

11、CLiP是動(dòng)作兩相還是三相,取決于系統(tǒng)是否允許長(zhǎng)期三相電壓不平衡運(yùn)行,因僅接入二相電抗器會(huì)造成系統(tǒng)三相電壓不平衡。這是由系統(tǒng)運(yùn)行條件決定的。 來源: 2) 如系統(tǒng)允許三相電壓不平衡運(yùn)行,對(duì)圖2中旁路隔離開關(guān)可有2種選擇:在CLiP兩側(cè)裝設(shè)隔離開關(guān),該隔離開關(guān)至少具有切斷負(fù)荷電流的能力,在需要更換CLiP母線分?jǐn)嗥髌陂g,打開旁路隔離開關(guān)而系統(tǒng)不需要停電。不裝設(shè)旁路隔離開關(guān),直到系統(tǒng)可以方便停電時(shí),再更換CLiP的母線分?jǐn)嗥鳌?3) 當(dāng)兩相短路故障同時(shí)動(dòng)作三相CLiP時(shí),可以采用1組“脈沖變壓器”。但需要注意,非故障相是強(qiáng)行使其動(dòng)作的,該相電流數(shù)值很小,CLiP的并聯(lián)熔斷器對(duì)如此小的電流可能不能熔

12、斷,或熔斷時(shí)間過長(zhǎng)而不能接受。典型的“后備”型限流式熔斷器具有最小的熔斷電流值。裝設(shè)旁路隔離開關(guān)的另一個(gè)好處是,當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)可由它來隔離CLiP的并聯(lián)熔斷器。 4) 為了支撐與電抗器并聯(lián)使用的CLiP的功能,在裝置的每相上裝設(shè)1只監(jiān)視繼電器,如果某一相CLiP動(dòng)作轉(zhuǎn)換到電抗器,繼電器也將給出一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。該繼電器具有2組“干式”C接點(diǎn),可供用戶控制接口使用,繼電器的動(dòng)作時(shí)間為2個(gè)周期。(3) 更換熔斷器時(shí)與系統(tǒng)的隔離。通常,必須在系統(tǒng)停電或重要生產(chǎn)過程停止運(yùn)行時(shí),更換CLiP的母線分?jǐn)嗥骱筒⒙?lián)熔斷器。正如前面所述,為了解決這個(gè)問題,圖2中在CLiP的兩端配置了旁路隔離開關(guān)。為確保檢修人員

13、的安全,更換工作應(yīng)在隔離、可靠接地的條件下進(jìn)行,并應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 來源:(4) 必須審查電抗器接入系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。人們往往擔(dān)心CLiP動(dòng)作、電抗器接入系統(tǒng)時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行特性分析對(duì)系統(tǒng)的影響。但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說,短路故障本身就經(jīng)受了暫態(tài)過程。電抗器是在故障發(fā)生的初期被置換到電路中去的,相對(duì)于在短路后期、比較大的電流等級(jí)下置換,其影響程度肯定小的多。 2.2 CLiP與母線聯(lián)絡(luò)斷路器串聯(lián)圖2是一個(gè)比較典型的中壓配電系統(tǒng)。為了啟動(dòng)大容量電動(dòng)機(jī),或更好的平衡變壓器的負(fù)荷,或優(yōu)化分配發(fā)電機(jī)與相鄰母線的輸出容量,常常需要將母聯(lián)合上運(yùn)行。但母聯(lián)合上后,2臺(tái)變壓器、發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行

14、,使短路故障電流大大增加,可能會(huì)超過系統(tǒng)允許的故障額定值。大面積更換設(shè)備投資太大而不現(xiàn)實(shí),在母聯(lián)回路串接CLiP是最好的選擇。母聯(lián)通過CLiP經(jīng)常合上運(yùn)行,不需要更換兩段母線上的設(shè)備。當(dāng)發(fā)生故障時(shí),啟動(dòng)CLiP動(dòng)作,將兩段母線解列后,故障電流量值將減校也就是說,CLiP動(dòng)作后的某一時(shí)刻(如25個(gè)周期),下游開關(guān)裝置將安全切除“殘余”故障電流,而此時(shí)的故障電流不再是原先通過CLiP的電流,該電流值被設(shè)計(jì)在下游開關(guān)裝置的短路開斷能力以內(nèi)。在圖2母聯(lián)右側(cè)母線上接有1臺(tái)發(fā)電機(jī),在工業(yè)企業(yè)的配電系統(tǒng)中常有這種情況。假如在圖2所示位置發(fā)生故障,通過CLiP的故障電流為16kA (rms,sym),總的故障

15、電流為25kA,而設(shè)備的額定開斷能力為 來源:20kA。從切除故障來說,這個(gè)系統(tǒng)是十分安全的。CLiP動(dòng)作以后,可用其位置繼電器的接點(diǎn)將母聯(lián)連鎖跳開,再打開旁路隔離開關(guān),就能安全更換CLiP的母線分?jǐn)嗥骱筒⒙?lián)熔斷器,此時(shí)兩段母線均不需要停電。 圖2 CLiP限流保護(hù)器與母聯(lián)開關(guān)串聯(lián) CLiP與母聯(lián)斷路器串聯(lián)使用時(shí),應(yīng)考慮以下問題:(1) CLiP額定開斷電流的選擇。當(dāng)選擇與母聯(lián)串聯(lián)使用的CLiP的額定開斷電流時(shí),不需要按系統(tǒng)可能出現(xiàn)的總故障電流選擇,僅按系統(tǒng)總故障電流中可能流過CLiP的最大故障電流來選擇,當(dāng)然要考慮系統(tǒng)遠(yuǎn)景發(fā)展的需要。(2) 必須考慮單相和兩相短路故障的情況。前面已經(jīng)講過,在

16、裝置的每相上裝設(shè)1只監(jiān)視繼電器,如果某一相CLiP動(dòng)作,該繼電器也將給出一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。該繼電器具有2組“干式”C接點(diǎn),可供用戶控制接口使用,繼電器的動(dòng)作時(shí)間為2個(gè)周期。因此,為了避免母聯(lián)回路的CLiP非全相分?jǐn)喽鸬牟黄胶怆娏鳎衫迷摾^電器的接點(diǎn)將母聯(lián)開關(guān)跳開。(3) CLiP動(dòng)作后的系統(tǒng)應(yīng)響。 1) 關(guān)于變壓器的并列運(yùn)行。在中壓配電系統(tǒng)中,通常將2臺(tái)或數(shù)臺(tái)變壓器并列運(yùn)行。并列運(yùn)行具有下列優(yōu)點(diǎn):提高供電可靠性,一臺(tái)退出運(yùn)行,其他變壓器仍可照常供電;在低負(fù)荷時(shí),部分變壓器可不投入運(yùn)行,因而能減小能量損耗,保證經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;減小備用容量。 來源:高壓開關(guān)網(wǎng)變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí),一般希望變壓器之間沒有

17、平衡電流;負(fù)荷分配與額定容量成正比,與短路阻抗成反比;負(fù)荷電流的相位相互一致。為此,變壓器并聯(lián)運(yùn)行必須遵守以下條件:并聯(lián)運(yùn)行變壓器的一次電壓、二次電壓相等,即變比要相等;額定短路阻抗相等;接線組別相同,即極性、相位相同。上述條件要絕對(duì)滿足是不可能的,一般規(guī)定變比的偏差不得超過0.5%,額定短路阻抗相差不得大于10%。 2) 要驗(yàn)算CLiP動(dòng)作后的“殘余”短路電流。短路故障電流可能來自變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的反饋電流等。在CLiP動(dòng)作后,提供短路電流的路徑會(huì)發(fā)生變化。以圖2為例,CLiP動(dòng)作前,2臺(tái)變壓器并列運(yùn)行,假定2臺(tái)變壓器來自同一個(gè)電源(阻抗為Z1),左側(cè)變壓器阻抗為Z2、右側(cè)變壓器阻抗為

18、Z3,則由各臺(tái)變壓器提供的短路電流按其阻抗大小分配。設(shè)CLiP動(dòng)作前后,由變壓器(Z2)提供的短路電流分別為I2和I2。當(dāng)CLiP動(dòng)作后,對(duì)圖3中的短路故障點(diǎn)而言,Z3=,不難求得 I2/I2=(Z1/Z3+2/(Z1/Z2+1)通常,Z21.2Z3(或反之),Z3Z1,則式(1)的比值總是大于1。也就是說,CLiP動(dòng)作后,由變壓器(Z2)提供的“殘余”短路電流將增加。因此,應(yīng)注意校驗(yàn)下游開關(guān)裝置應(yīng)能可靠分?jǐn)嘣撾娏鳌?來源: 3 關(guān)于電抗器能耗費(fèi)用的計(jì)算方法 3.1 電抗器能耗費(fèi)用的計(jì)算方法電抗器的損耗要消耗電能并占用電網(wǎng)為供給這部分損耗所需的附加容量。下面將這二部分費(fèi)用分別稱為電能消耗費(fèi)(俗

19、稱電費(fèi))和能源需求費(fèi)用(俗稱容量電費(fèi)或基本電費(fèi))。 3.1.1 損耗系數(shù)為了便于計(jì)算每千瓦損耗引起的總投資費(fèi)用,引入損耗系數(shù)的概念,其定義為 F1s=年每千瓦損耗所消耗的電能數(shù)/8760 (2) 式中,8760為一年的小時(shí)數(shù);F1s為損耗系數(shù),標(biāo)幺值。 3.1.2 每千瓦損耗年電能損耗費(fèi)用C1s第一年的電費(fèi)C1s=F1sCL(3)式中,CL為對(duì)應(yīng)電壓水平下的電費(fèi)單價(jià)。各地區(qū)不同,一般可取0.5元/ kWh=0.58760元/(kW年)。 3.1.3 每千瓦損耗的能源需求費(fèi)用Cd每千瓦損耗的年能源需求費(fèi)用Cd=F1sD(4)式中,D為年能源需求費(fèi)用,元/(kVA年)。一般取144元/(kVA年)

20、。由式(3)和式(4)可以求出第一年由每千瓦損耗引起的總費(fèi)用: 請(qǐng)登陸:高壓開關(guān)網(wǎng) 瀏覽更多信息第一年由每千瓦損耗引起的總費(fèi)用=F1s(CL+D) (5) 通常,假定在年末支付費(fèi)用(終值),應(yīng)將上述費(fèi)用折算成采購(gòu)日的現(xiàn)值。可采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)中一次支付現(xiàn)值公式現(xiàn)值=終值(1+i/100)-N(6)式中,i為貼現(xiàn)率,%。不包括通貨膨脹的影響。一般可用國(guó)家規(guī)定的銀行貸款利率(如10%)。N為計(jì)算周期,年。這里,N為電抗器壽命,取30年。這樣,第一年由每千瓦損耗引起的總費(fèi)用現(xiàn)值為 A1=F1s(CL+D)/(1+i/100)=A /(1+i/100)(7) 考慮到由損耗引起的費(fèi)用與負(fù)荷的年增長(zhǎng)率a和能源

21、成本年增長(zhǎng)率b有關(guān),因此 第2年由每千瓦損耗引起的總費(fèi)用現(xiàn)值 A2=A(1+a)2(1+b)/(1+i/100)2 第3年由每千瓦損耗引起的總費(fèi)用現(xiàn)值 A3=A(1+a)4(1+b)2/(1+i/100)3第N年每千瓦損耗引起的費(fèi)用現(xiàn)值 AN=A(1+a)2(N-1)(1+b)(N-1)/(1+i/100)N 請(qǐng)登陸:高壓開關(guān)網(wǎng) 瀏覽更多信息 3.1.4 電抗器壽命期內(nèi)的損耗總投資費(fèi)用(現(xiàn)值)在電抗器壽命期N年內(nèi),由每千瓦損耗引起的費(fèi)用現(xiàn)值總和為上述N項(xiàng)之和。實(shí)際上,上述數(shù)列為一個(gè)等比數(shù)列,其公比r=(1+a)2(1+b)/(1+i/100)。由等比級(jí)數(shù)求和公式,可得N年內(nèi)由每千瓦損耗引起的費(fèi)用現(xiàn)值總和Ctot為 Ctot=F1s(CL+D)Q/(1+i/100)(8)Q=(1-rN)/(1-r) (9)r=(1+a)2(1+b)/(1+i/100)(10)式中,Ctott為每千瓦損耗引起的運(yùn)行費(fèi)用,已折算成采購(gòu)日的現(xiàn)值;a為負(fù)荷年增長(zhǎng)率,%;b為能源成本年增長(zhǎng)率(不包括通貨膨脹的影響),%。有的國(guó)外資料中取b=2%。為簡(jiǎn)單起

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