CN107698711A - 一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于输电设备绝缘层领域,具体涉及一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层及其制备方法。本发明以热塑性聚乙烯材料为基体,按本发明提供的原料配比制备出含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物,该组合物在挤出机中熔融挤出后,经过交联管道进行化学交联,在聚乙烯材料交联的同时,在其分子链上接枝具有极性基团的小分子,得到一种可明显抑制空间电荷的接枝交联聚乙烯绝缘层。将本发明提供的接枝极性基团的交联聚乙烯绝缘层应用于高压直流电缆,能够抑制直流电场作用下输电电缆材料内部空间电荷积聚的问题。通过本发明制备方法制备的接枝交联聚乙烯绝缘层不仅抑制空间电荷性能优良,而且具有较高的直流击穿强度和较低的电导率。
Description
技术领域
本发明属于输电设备绝缘层领域,具体涉及一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层及其制备方法。
背景技术
电缆作为电力输送的关键部件,在电力能源应用过程中发挥着不可替代的作用。我国在国际上率先倡导的“全球能源互联网”已经上升为国家战略。在能源互联网架构中的一些特定的环节,例如长距离、大容量输电,跨海输电,分布式、间歇型新能源电力并网等,都需要依赖高压直流电缆来高效率地构建。但是,高压直流电缆的发展极大地受到了电气绝缘层的制约,其中主要原因是传统的交联聚乙烯(XLPE)绝缘层在直流高压电场条件下所面临的新问题:在直流高压电场的持续作用下,交联聚乙烯绝缘层中会积聚大量的空间电荷,这些空间电荷会使绝缘层中的电场分布产生畸变,对电缆绝缘层产生显著的老化和劣化作用。特别是当电缆工作极性翻转,以及存在较大温度梯度时,可能会导致电缆绝缘层的直接损坏,从而严重影响电缆的服役特性。因此,如何抑制绝缘层中积聚的空间电荷,避免其引起的局部电场畸变以及其导致的加速破坏作用,延长电缆的使用寿命,是发展新型高压直流聚合物电缆绝缘层必须解决的世界性难题。
目前最常用的绝缘层抑制空间电荷的方法是在绝缘介质中加入无机纳米颗粒,利用其纳米效应抑制空间电荷的积聚。纳米材料体系研究在二十一世纪开始的十年处于活跃期,目前处于平静期。主要原因是,虽然纳米复合材料具有优良的空间电荷抑制性能,但是在电缆生产过程中,处于熔融状态的聚乙烯树脂,填充其中的纳米颗粒趋向于附着在电缆挤出机上用于过滤杂质颗粒的金属过滤网上,很快将滤网堵塞,严重影响电缆规模化生产。目前还没有相关工作结果表明能够克服这一缺陷,因此纳米复合技术是否能成为直流电缆绝缘层的解决方案,现在仍然是个变数。
聚合物型高压直流电缆绝缘层的发展在材料学方面,面临着4个亟待全面解决的共性问题:(1)能够有效抑制空间电荷集聚;(2)具有较低的电导;(3)具有较高的击穿强度;(4)能够与目前的工业化电缆制造工艺相适应。
发明内容
为解决上述现有技术的不足,本发明提供了一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层及其制备方法。
一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层由如下重量份的原料经熔融共混、挤出和交联接枝制成:
进一步的,所述热塑性聚乙烯为低密度聚乙烯或其与高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的一种组成的聚乙烯混合物。
进一步的,所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1035、抗氧剂300中的一种或几种。
一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法步骤如下:
一、将热塑性聚乙烯、氯乙烯丙烯酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂以如下重量份数均匀混合:
二、将步骤一所得混合物加入密炼机,在一定温度、转速下进行熔融共混,得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物;
三、将步骤二所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中,以所述聚乙烯组合物作为绝缘层材料,将其与屏蔽层材料同时在一定温度下进行三层共挤,得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料;
四、步骤三所得三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中,三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以一定的线芯运行速度经过一定压强、温度的交联管道得到高压直流电缆,其中聚乙烯组合物在交联管道内交联并接枝,得到接枝交联聚乙烯绝缘层。
进一步的,步骤一所述热塑性聚乙烯为低密度聚乙烯或其与高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的一种组成的聚乙烯混合物。
进一步的,步骤一所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1035、抗氧剂300中的一种或几种。
进一步的,步骤二所述熔融共混是在温度为95~120℃,转速为40~60r/min的条件下熔融共混10~20min。
进一步的,步骤三所述三层共挤的挤出温度为110~130℃。
进一步的,步骤四所述线芯运行速度为1~2m/min。
进一步的,步骤四所述交联管道的压强为10~20bar,温度为250~350℃。
本发明有益效果如下:
1、本发明提供的用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层是按本发明原料配比在交联聚乙烯分子链上接枝具有极性基团的小分子,即氯乙酸丙烯酯(CAAE),其引入的极性基团带来大量深陷阱,可将外电场注入的电荷捕获,从而延缓材料内部空间电荷的积聚,提高材料的耐电性能,延长绝缘层的使用寿命。能够有效抑制空间电荷集聚,及其导致的局部电场畸变。
2、通过本发明制备方法制备的接枝交联聚乙烯绝缘层不仅具有抑制空间电荷积聚的能力,同时提高了接枝交联聚乙烯绝缘层的击穿强度和电导率,具有优良的电气性能。
3、本发明用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法采用化学交联方法,以过氧化二异丙苯为引发剂,在高温高压下引发交联反应,在聚乙烯材料交联的同时在交联聚乙烯材料的分子链上接枝一定量氯乙酸丙烯酯,完成接枝交联聚乙烯绝缘层的制备。本发明提供的制备方法工艺简单,所需原料和设备价格低廉,适合大规模生产并能够与目前的工业化电缆制造工艺相适应。
附图说明
图1为实施例1制得的接枝交联聚乙烯测试样(XPLE-g-1.5-CAAE)在直流电场作用下的空间电荷分布图;
图2为实施例2制得的接枝交联聚乙烯测试样(XPLE-g-1.0-CAAE)在直流电场作用下的空间电荷分布图;
图3为对比例1制得的接枝交联聚乙烯测试样(XPLE-g-0.5-CAAE)在直流电场作用下的空间电荷分布图;
图4为图3所示空间电荷分布在阴极处的局部放大图;
图5为图3所示空间电荷分布在阳极处的局部放大图;
图6为对比例2制得的交联聚乙烯测试样(XPLE)在直流电场作用下的空间电荷分布图;
图7为图6所示空间电荷分布在阴极处的局部放大图;
图8为实施例1、2及对比例1、2所制电缆测试样的击穿场强威布尔分布图;
图9为实施例1、2及对比例1、2所制电缆测试样的电导率曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1:
本实施例用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层由如下重量份的原料经熔融共混、挤出和交联接枝制成:
本实施例所述用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法步骤如下:
一、将低密度聚乙烯、氯乙烯丙烯酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010以如下重量份数均匀混合:
二、将步骤一所得混合物加入密炼机,在温度为110℃,转速为40r/min的条件下熔融共混10min,得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物;
三、将步骤二所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中,以所述聚乙烯组合物作为绝缘层材料,将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤,得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料;
四、步骤三所得三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中,三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar,温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆,其中聚乙烯组合物在交联管道内交联并接枝,得到接枝交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-1.5-CAAE)。
实施例2:
本实施例用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层由如下重量份的原料经熔融共混、挤出和交联接枝制成:
本实施例所述用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法步骤如下:
一、将低密度聚乙烯、氯乙烯丙烯酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010以如下重量份数均匀混合:
二、将步骤一所得混合物加入密炼机,在温度为110℃,转速为40r/min的条件下熔融共混10min,得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物;
三、将步骤二所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中,以所述聚乙烯组合物作为绝缘层材料,将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤,得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料;
四、步骤三所得三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中,三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar,温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆,其中聚乙烯组合物在交联管道内交联并接枝,得到接枝交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-1.0-CAAE)。
实施例3:
本实施例用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层由如下重量份的原料经熔融共混、挤出和交联接枝制成:
本实施例所述聚乙烯混合物为低密度聚乙烯和高密度聚乙烯组成的聚乙烯混合物,其中含有低密度聚乙烯80份,高密度聚乙烯20份。
本实施例所述用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法步骤如下:
一、将聚乙烯混合物、氯乙烯丙烯酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1035以如下重量份数均匀混合:
本实施例所述聚乙烯混合物为低密度聚乙烯和高密度聚乙烯组成的聚乙烯混合物,其中含有低密度聚乙烯80份,高密度聚乙烯20份。
二、将步骤一所得混合物加入密炼机,在温度为120℃,转速为50r/min的条件下熔融共混15min,得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物;
三、将步骤二所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中,以所述聚乙烯组合物作为绝缘层材料,将其与屏蔽层材料同时在115℃进行三层共挤,得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料;
四、步骤三所得三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中,三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.2m/min的线芯运行速度经过压强为14bar,温度为280℃的交联管道得到高压直流电缆,其中聚乙烯组合物在交联管道内交联并接枝,得到接枝交联聚乙烯绝缘层。
实施例4:
本实施例用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层由如下重量份的原料经熔融共混、挤出和交联接枝制成:
本实施例所述聚乙烯混合物为低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯组成的聚乙烯混合物,其中含有低密度聚乙烯90份,线性低密度聚乙烯10份。
本实施例所述用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法步骤如下:
一、将聚乙烯混合物、氯乙烯丙烯酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂300以如下重量份数均匀混合:
本实施例所述聚乙烯混合物为低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯组成的聚乙烯混合物,其中含有低密度聚乙烯90份,线性低密度聚乙烯10份。
二、将步骤一所得混合物加入密炼机,在温度为120℃,转速为55r/min的条件下熔融共混18min,得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物;
三、将步骤二所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中,以所述聚乙烯组合物作为绝缘层材料,将其与屏蔽层材料同时在125℃进行三层共挤,得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料;
四、步骤三所得三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中,三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.8m/min的线芯运行速度经过压强为18bar,温度为320℃的交联管道得到高压直流电缆,其中聚乙烯组合物在交联管道内交联并接枝,得到接枝交联聚乙烯绝缘层。
对比例1:
本实施例用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层由如下重量份的原料经熔融共混、挤出和交联接枝制成:
本实施例所述用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法步骤如下:
一、将低密度聚乙烯、氯乙烯丙烯酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010以如下重量份数均匀混合:
二、将步骤一所得混合物加入密炼机,在温度为110℃,转速为40r/min的条件下熔融共混10min,得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物;
三、将步骤二所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中,以所述聚乙烯组合物作为绝缘层材料,将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤,得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料;
四、步骤三所得三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中,三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar,温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆,其中聚乙烯组合物在交联管道内交联并接枝,得到接枝交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-0.5-CAAE)。
对比例2:
本对比例交联聚乙烯绝缘层由如下重量份的原料经熔融共混、挤出和交联制成:
低密度聚乙烯 100份
过氧化二异丙苯 2.0份
抗氧剂1010 0.3份。
本对比例所述交联聚乙烯绝缘层的制备方法步骤如下:
一、将低密度聚乙烯、过氧化二异丙苯和抗氧剂1010以如下重量份数均匀混合:
低密度聚乙烯 100份
过氧化二异丙苯 2.0份
抗氧剂1010 0.3份;
二、将步骤一所得混合物加入密炼机,在温度为110℃,转速为40r/min的条件下熔融共混10min,得到聚乙烯组合物;
三、将步骤二所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中,以所述聚乙烯组合物作为绝缘层材料,将其与屏蔽层材料同时在120℃进行三层共挤,得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料;
四、步骤三所得三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中,三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以1.5m/min的线芯运行速度经过压强为16bar,温度为300℃的交联管道得到高压直流电缆,其中聚乙烯组合物在交联管道内交联,得到交联聚乙烯绝缘层(XPLE)。
分别从实施例1、实施例2、对比例1制得的接枝交联聚乙烯绝缘层和对比例2制得的交联聚乙烯绝缘层中取样,进行各测试样的空间电荷分布测试,测试采用脉冲电声法(PEA)在+40kV/mm直流电场作用下进行,极化时间为30min,各测试样所得测试结果分别代表其相应的聚乙烯绝缘层的空间电荷分布情况。测试结果如图1至图7所示,图1至图7中箭头表示空间电荷密度增大的趋势。
图1和图2分别为实施例1制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-1.5-CAAE)和实施例2制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-1.0-CAAE)在直流电场作用下的空间电荷分布图,横坐标表示测试样的厚度(μm),纵坐标表示空间电荷密度(C/m3)。从图1和图2可以看出,在施加电压30min内,接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-1.5-CAAE)和接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-1.0-CAAE)在阴阳两极附近均没有明显的电荷注入,接枝交联聚乙烯绝缘层(XPLE-g-1.5-CAAE)测试样和接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-1.0-CAAE)都表现出了优异的抑制空间电荷能力。
图3为对比例1制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-0.5-CAAE)在直流电场作用下的空间电荷分布图;图4为图3所示空间电荷分布在阴极处的局部放大图;图5为图3所示空间电荷分布在阳极处的局部放大图。
从图3、图4和图5可以看出,当施加电压30s后,在接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-0.5-CAAE)内部阴极和阳极附近处都出现了少量异极性电荷,并且随着施加电压时间的增加,异极性电荷逐渐增多,空间电荷积累的区域从测试样表面向测试样内部扩展。与实施例1、2制得的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-1.5-CAAE)和接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-1.0-CAAE)相比,接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-0.5-CAAE)未能表现出良好的抑制空间电荷的能力。
图6为对比例2制得的交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE)在直流电场作用下的空间电荷分布图;图7为图6所示空间电荷分布在阴极处的局部放大图。
从图6和图7可以明显看出,当施加电压30s后,在交联聚乙烯测试样(XPLE)内部阴极附近处出现了异极性电荷,并且随着时间的增加,电荷密度逐渐增多。
由以上对比可知,本发明提供的接枝交联聚乙烯绝缘层正是利用其所接枝的足够多的极性基团带来的大量深陷阱将外电场注入的电荷捕获,延缓材料内部空间电荷的积聚,从而能够有效抑制空间电荷集聚及其导致的局部电场畸变。
图8为实施例1、2及对比例1、2所制电缆绝缘层测试样的击穿场强威布尔分布图,横坐标表示击穿场强(kV/mm),纵坐标表示累计击穿概率(%)。从图8可以看出,3种不同接枝含量的接枝交联聚乙烯绝缘层测试样的特征击穿场强和形状参数都明显高于交联聚乙烯绝缘层测试样。
其中,接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-0.5-CAAE)的特征击穿场强比交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE)提高了8.6%,接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-1.0-CAAE)的特征击穿场强比交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE)提高了9.1%,接枝交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE-g-1.5-CAAE)的特征击穿场强比交联聚乙烯绝缘层测试样(XPLE)提高了9.0%;并且随着氯乙酸丙烯酯份数的增加,形状参数逐渐增大,击穿数据分散性逐渐减小。这说明接枝氯乙酸丙烯酯的交联聚乙烯绝缘层的击穿场强得到提升,耐电性能更加稳定。
电介质的击穿是由于外电场向其内部不断注入电荷,空间电荷先在介质表面两极附近形成并积累,使介质内部电场分布畸变,局部场强增大,表现出对外施场强的击穿强度下降。交联聚乙烯接枝氯乙酸丙烯酯后引入极性基团带来大量深陷阱,在外电场注入电荷时将其捕获,延缓材料内部空间电荷的积聚,降低试样中电场畸变程度,从而提高材料的耐电性能,延长绝缘层的使用寿命。
图9为实施例1、2及对比例1、2所制电缆绝缘层测试样的电导率曲线图,横坐标表示电场强度E(kV/mm),纵坐标表示电流密度J(A/m2)。从图9可以看出,交联聚乙烯接枝氯乙酸丙烯酯后引入的极性基团使绝缘层的深陷阱增多,绝缘层对电荷和载流子的捕获能力增强,电导电流减小,阈值场强增大,接枝交联聚乙烯作为绝缘材料的可靠性更高。
由此可知,通过本发明制备方法制备的接枝交联聚乙烯绝缘层不仅具有抑制空间电荷积聚的能力,同时提高了交联聚乙烯绝缘层的击穿强度和电导率,具有优良的电气性能。
Claims (10)
1.一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层,其特征在于所述接枝交联聚乙烯绝缘层由如下重量份的原料经熔融共混、挤出和交联接枝制成:
2.根据权利要求1所述一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层,其特征在于所述热塑性聚乙烯为低密度聚乙烯或其与高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的一种组成的聚乙烯混合物。
3.根据权利要求2所述一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层,其特征在于所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1035、抗氧剂300中的一种或几种。
4.根据权利要求1-3任一所述一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法,其特征在于所述制备方法步骤如下:
一、将热塑性聚乙烯、氯乙烯丙烯酯、过氧化二异丙苯和抗氧剂以如下重量份数均匀混合:
二、将步骤一所得混合物加入密炼机,在一定温度、转速下进行熔融共混,得到含有可接枝极性基团的聚乙烯组合物;
三、将步骤二所得聚乙烯组合物放入三层共挤电缆挤出机中,以所述聚乙烯组合物作为绝缘层材料,将其与屏蔽层材料同时在一定温度下进行三层共挤,得到由外屏蔽层-聚乙烯组合物绝缘层-内屏蔽层组成的三层电缆材料;
四、步骤三所得三层电缆材料被挤出的同时将电缆导体包覆于其中,三层电缆材料与被其包覆的电缆导体共同以一定的线芯运行速度经过一定压强、温度的交联管道得到高压直流电缆,其中聚乙烯组合物在交联管道内交联并接枝,得到接枝交联聚乙烯绝缘层。
5.根据权利要求4所述一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法,其特征在于步骤一所述热塑性聚乙烯为低密度聚乙烯或其与高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的一种组成的聚乙烯混合物。
6.根据权利要求5所述一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法,其特征在于步骤一所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1035、抗氧剂300中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法,其特征在于步骤二所述熔融共混是在温度为95~120℃,转速为40~60r/min的条件下熔融共混10~20min。
8.根据权利要求7所述一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法,其特征在于步骤三所述三层共挤的挤出温度为110~130℃。
9.根据权利要求8所述一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法,其特征在于步骤四所述线芯运行速度为1~2m/min。
10.根据权利要求9所述一种用于高压直流电缆的接枝交联聚乙烯绝缘层的制备方法,其特征在于步骤四所述交联管道的压强为10~20bar,温度为250~350℃。
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