CN113287184A - 熔断器本体和熔断器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于具有集成的测量功能的熔断器的熔断器本体(10)，其具有用于容纳熔断器的熔体的第一容纳空间(20)，其中第一容纳空间(20)沿熔断器的纵向延伸方向(L)通过封闭元件限界，并且沿与纵向延伸方向(L)正交的方向(R)通过熔断器本体(10)限界。此外，熔断器本体(10)具有与第一容纳空间(20)在空间上隔开的第二容纳空间(30)，用于容纳熔断器的测量装置，其中，用于容纳测量装置的第二容纳空间(30)构造在熔断器本体(10)的壁区段(13)中。通过构造在熔断器本体(10)中的第二容纳空间(30)有效地保护布置在其中的测量装置，以防受到环境影响的干扰。测量装置用于，直接在熔断器上确定流过熔断器的电流。以该方式可以实现具有集成的测量功能的熔断器，该测量功能能够实现，可以在现场直接对熔断器的状态并且因此对借助熔断器保护的电气设施的状态进行检测，而无需目视检查。

Description

熔断器本体和熔断器

本发明涉及一种用于具有集成的测量功能的熔断器的熔断器本体，其具有用于容纳熔断器的熔体的第一容纳空间(115)和用于容纳熔断器的测量装置的第二容纳空间。此外，本发明涉及一种具有集成的测量功能的熔断器，其具有这种熔断器本体。

被电流流过的导体自身发热。在不允许地高的电流的情况下，可能导致导体的不允许地强的加热，并且因此导致包围导体的绝缘件的熔化，这因此可能导致损坏甚至电缆起火。为了防止起火危险，在出现过高的电流、即过载电流或短路电流的情况下，必须及时切断电流。借助所谓的过电流保护装置确保这一点。

这种过电流保护装置的示例例如是熔断器，当通过熔断器保护的电路的电流强度在特定的时间段内超过特定的值时，熔断器通过一个或多个熔体的熔化中断电路。熔断器由绝缘体构成，绝缘体具有两个电气接头，所述电气接头在绝缘体内部通过一个或多个熔体相互导电连接。具有与电路的剩余的导体相比更小的横截面的熔体被流过其的电流加热并且当在预先确定的时间段内明显超过熔断器的决定性的额定电流时熔化。基于其良好的绝缘特性，在大多数情况下，陶瓷用作绝缘体的材料。这样的熔断器插件例如由欧洲专利文献EP 0 917 723 B1或德国公开文献DE 10 2014 205 871 A1和DE 10 2016 211 621 A1原则上已知。

熔断器能以各种结构类型获得。除了具有简单的容纳有熔体的玻璃柱的简单的设备熔断器以外，还存在以下结构形式，在所述结构形式中，陶瓷体被填充以砂子、大多是石英砂：在此区分具有凝固的和非凝固的石英砂的类型。在利用砂子凝固的熔断器中，熔体被石英砂包围。通常，熔断器的壳体在此通过陶瓷体形成，在陶瓷体中容纳或保持有凝固的砂子、电气接头和熔体。石英砂在此作用为灭弧剂：如果例如由于高的短路电流而明显超过熔断器的额定电流，那么这导致熔断器的响应，在响应过程中，熔体首先熔化，并且随后基于高的温度发展而蒸发。在此形成导电的等离子体，通过等离子体首先维持电气接头之间的电流流动，形成电弧。通过使蒸发的熔体的金属蒸汽沉积在石英砂粒的表面上，又将电弧冷却。因此，熔断器插件的内部的电阻升高，使得电弧最终熄灭。因此中断要通过熔断器保护的电线。

在熔断器的范围内，从现有技术原则上已知了低压大功率熔断器、即所谓的NH熔断器，但也已知了半导体保护熔断器、即所谓的HLS熔断器，其例如以产品名SITOR被销售。通常，在NH熔断器中使用一个或多个形式为金属带的熔体。在此，熔体大多具有所谓的窄点串(Engstellenreihen)，用于选择性地切断熔断器。此外，至少一个焊料库(Lotdepot)可以施加到一个或多个熔体上，借助焊料库可以影响熔断器的过载特性。对于熔断器的切断特性来说决定性的允通能量值I²t在NH熔断器中是相对大的，因此，NH熔断器具有更迟钝的特性。

如果熔体被过载电流加热到高于焊料的熔化温度的温度，那么该焊料扩散到熔体材料中并且与其形成合金。由此提高了熔体的电阻，这导致熔体的进一步的加热，由此使扩散过程进一步加速，直到在焊料库周围的熔体完全溶解，从而熔体裂开，由此中断电流流动。在短时间的、允许的过电流中，NH熔断器不会提前切断。相反地，在出现短路电流时，熔体在窄点串处裂开。由此，同时形成多个小的串联连接的电弧，电弧的电压相加并且因此导致更快速地切断熔断器。NH熔断器例如用于保护设施或开关柜以防例如通过过热的连接线路导致的火灾。

电气设施的操作员越来越多地表达出可以迅速检测电气设施的状态的愿望。在过去，这通常借助目视检查来完成，在熔断器的情况下例如以如下方式完成，即熔断器装备有指示器，该指示器在相关的熔断器的壳体的外部以光学方式发出相应熔断器触发

的信号。然而，对于未来，越来越需要能够在任何时间并且尽可能与位置无关地例如经由控制室查询这些信息。因此，电气安装设备越来越多地被升级以提供关于其运行状态的信息。已经具有自身的控制逻辑的电气开关设备、例如防火开关可以以相对小的费用被升级以准备和提供相应的信息。

在熔断器中存在相应的解决方案，其方法是，借助可加装在熔断器上的通信模块接收并且进一步传导由指示器以光学方式提供的“触发”信息。可加装的解决方案然而具有以下缺点，即其需要附加的结构空间，并且因此在已经存在的安装中只能以比较高的费用来使用。对于简单的改造应用，其中在设施的改装或现代化的意义中通过新的具有相应的通信模块的熔断器替代现有的常规的结构类型的没有通信模块、即没有测量、评估和通信单元的熔断器，经常不使用可加装的解决方案，因为为此所需的附加的结构空间是不可用的。

为了解决首先在改造应用中出现的有限结构空间的问题，在国际专利申请WO2017/078525 A1中描述了一种熔断器，其中，电流传感器集成在熔断器的压力体中。借助该电流传感器，可以测量在正常运行中出现的通过熔断器的电流流动，并且将其传输至布置在熔断器以外的查询单元。然而因为在熔断器中也可能出现比较高的温度，所以有疑问的是，集成在熔断器的压力体中的传感器是否在熔断器的整个使用寿命中可靠地运行。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供具有集成的测量功能的熔断器和用于这种熔断器的熔断器本体，它们至少部分克服前述的问题。

根据本发明，该技术问题通过根据独立权利要求的具有集成的测量功能的熔断器和用于这种熔断器的熔断器本体解决。根据本发明的熔断器和根据本发明的熔断器本体的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的用于这种具有集成的测量功能的熔断器的熔断器本体具有用于容纳熔断器的熔体的第一容纳空间，其中，第一容纳空间沿熔断器的纵向延伸方向通过封闭元件限界，并且沿与纵向延伸方向正交的方向通过熔断器本体限界。此外，熔断器本体具有与第一容纳空间在空间上隔开的第二容纳空间，用于容纳熔断器的测量装置，其中，用于容纳测量装置的第二容纳空间构造在熔断器本体的壁区段中。

也可以被称为压力壳体或压力体的熔断器本体主要用于，承受在熔断器加热或触发时出现的压力，因此对熔断器本体的机械强度和稳定性提出高的要求。根据本发明的用于具有集成的测量功能的熔断器的熔断器本体此外用于，容纳熔断器的测量装置并且防止其受损。为此，熔断器本体除了用于容纳熔体的第一容纳空间以外还具有用于容纳测量装置的第二容纳空间，第二容纳空间可以以有利的方式沿纵向延伸方向例如通过封闭元件被封闭。以该方式有效地保护可布置在第二容纳空间中的测量装置，以防干扰性的环境影响、如灰尘、湿气或污物。

通过根据本发明的熔断器本体可以实现一种熔断器，其中，可以直接在熔断器上检测流过熔断器的电流，而不会在此显著影响熔断器的结构形状或结构大小和进而技术特性。因此，可以实现具有常规的NH熔断器的外部尺寸的熔断器，其也可以用于改造应用。

在熔断器本体的有利的扩展方案中，第二容纳空间向内朝向第一容纳空间地且向外都通过熔断器本体的各一个壁区段限界。

第二容纳空间沿与纵向延伸方向正交定向的方向不仅向外，而且还向内、即朝第一容纳空间地通过熔断器本体在空间上隔开。因此，不仅可以实现有效地防止上述的环境影响，而且还可以实现有效地防止由于基于熔断器的触发引起的熔断器本体的内部中的压力升高而损坏测量装置。由此明显改进测量装置的可靠性。

在另外的有利的扩展方案中，熔断器本体具有基本上空心柱形的形状，其在端部上可以分别以封闭元件封闭。

也可以被称为棱柱式的形状的空心柱形的形状是以下空间形状，该空间形状由基本面和与之正交定向的高度形成。这样的空间形状具有以下优点，即其在适当的材料选择中可以以简单的方式和方法以挤压方法制造。然而同样考虑到其他的制造方法、尤其是增材制造方法，在口语上也被称为3D打印。

在熔断器本体的另外的有利的扩展方案中，第二容纳空间具有用于容纳电流转换器的环形的第一区段和用于容纳电子组件的第二区段。

用于容纳测量装置并且表示构造在熔断器本体的壁区段中的空腔的第二容纳空间可以分为两个分区：用于容纳测量装置的电流转换器的环形的第一区段和用于容纳测量装置的电子组件的第二区段。两个区段在此不必强制性地通过分离壁等彼此分离，而是可以直接彼此相邻地布置，或也相互过渡。

在熔断器本体的另外的有利的扩展方案中，可以通过至少一个封闭元件封闭第一区段和/或第二区段。

以有利的方式，借助至少一个封闭元件可以封闭第一区段和第二区段二者，以便有效地保护测量装置的布置在区段中的部件，以防受到环境影响、如灰尘、污物或湿气。以该方式可以减少安装费用。

在另外的有利的扩展方案中，熔断器本体一体式地构造。

一体式的实施方式、尤其关于借助增材制造方法制造熔断器本体的一体式的实施方式具有以下优点，即由此避免后续的安装步骤。由此可以进一步减少安装成本。

在另外的有利的扩展方案中，熔断器本体由陶瓷材料或热稳定的塑料形成。

陶瓷材料基于其高的抗压强度特别适用于制造熔断器本体。相反地，热稳定的塑料如果其是足够热稳定的，那么其特征在于其在同时比较低的制造成本的情况下的简化的可加工性。

根据本发明的具有集成的测量功能的熔断器具有上述的类型的熔断器本体，通过熔断器本体形成第一容纳空间和与第一容纳空间在空间上隔开的第二容纳空间。此外，熔断器具有布置在第一容纳空间中的熔体和布置在第二容纳空间中的测量装置。在此，第二容纳空间构造在熔断器本体的壁区段中，其中，第一容纳空间所需的沿熔断器的纵向延伸方向的结构高度相当于标准化的NH熔断器的结构高度。

借助测量装置提供了直接在熔断器上确定流过熔断器的电流的可能性。沿相对于纵向延伸方向的径向方向，第二容纳空间不仅向外，而且向内、即朝第一容纳空间地通过熔断器本体隔开并且因此被保护。以该方式可以实现具有集成的测量功能的熔断器，以便可以在现场直接对熔断器的状态并且因此对借助熔断器保护的电气设施的状态进行检测，而无需目视检查。

在熔断器的有利的扩展方案中，测量装置具有电流转换器和电子组件。在此，电流转换器布置在第二容纳空间的第一区段中，而电子组件布置在第二容纳空间的第二区段中。

布置在第二容纳空间中的电流转换器在此一方面用作电流传感器，电流传感器将检测的电流测量值进一步传导到电子组件，在那里，测量值被进一步处理。另一方面，同样借助电流转换器通过电磁感应从初级电流、即熔断器的运行电流产生为此需要的能量。因此，电流转换器也用作用于电子组件的能量源。为了即使在熔断器的很小的运行电流中也为电子组件提供足够的能量并且因此确保测量装置的可靠性，电流转换器为此必须设计得尺寸比较大。

同时，熔断器必须保持紧凑，以便也用于在现有的设施的改装或现代化的范围内的改造应用，在其中替代常规的没有测量设备的熔断器。因为熔断器在此以理想的方式具有标准化的NH熔断器的尺寸，所以容纳和保持有测量装置的第二容纳空间尤其沿轴向方向、即沿纵向延伸方向受到严格限制。为了可以将尽可能大的电流转换器布置在第二容纳空间的第一区段中，电子组件在第二容纳空间的第二区段中侧向地布置，即沿径向方向布置在电流转换器旁。以该方式，电流转换器可以在其尺寸方面如下地被优化，使得针对电子组件提供的能量是尽可能大的。以该方式可能的是，设计具有集成的测量功能的熔断器，其不需要外部的电流源来为测量装置供能。

在熔断器的另外的有利的扩展方案中，电子组件具有传输装置，以便将由测量装置检测的测量信号传输到布置在熔断器外部的接收装置。

借助传输装置，确定的测量数据亦或基于测量数据的被进一步处理的数据可以传输到外部单元、例如数据收集装置或控制室。以该方式可能的是，可以在每个时间点确定熔断器的运行状态，而不会为此需要必须在现场目视检查熔断器的技术人员或安装人员。

在熔断器的另外的有利的扩展方案中，测量信号从传输装置到接收装置的传输以无线方式进行。

通过将数据无线传输到外部的接收装置明显简化了熔断器的安装费用。为了将数据、测量值或基于测量值的被预处理的数据从传输装置无线传输到接收设备，考虑到常见的传输方法、例如蓝牙、RFID(有源和无源)、ZigBee等。在此以有利的方式又借助电流转换器通过电磁感应从初级电流获得传输所需的能量。

在熔断器的另外的有利的扩展方案中，对于熔断器来说总体上需要的结构空间相当于标准化的NH熔断器的结构空间。

通过使根据本发明的具有集成的测量功能的熔断器在其结构大小方面相当于常规的NH熔断器的大小，其也适用于在现有的设施的改装或现代化的范围内的改造应用，其中，通过具有集成的测量功能的熔断器替代常规的没有测量设备的熔断器。

随后参考附图详细阐述根据本发明的熔断器本体和根据本发明的熔断器的实施例。在附图中：

图1示出了由现有技术已知的NH熔断器的示意图；

图2至4在不同的视图中示出了根据本发明的用于具有集成的测量功能的熔断器的熔断器本体的示意图。

在不同的附图中，相同的部件始终设有相同的附图标记。描述适用于在其中同样可看到相应的部件的所有附图。

图1示意性示出了标准化的NH熔断器的原理结构，该NH熔断器已经从现有技术已知。熔断器1具有两个连接元件3，连接元件由导电的材料、例如铜构成。在图示中，连接元件3构造为刀触点，这然而对于本发明是不重要的。连接元件3机械固定地并且密封地与具有高度H的保护壳体2连接，保护壳体由固体的非导电的并且尽可能耐高温的材料、例如陶瓷构成，并且用作熔断器1的压力体。保护壳体2通常具有管或空心柱形的基本形状，并且例如借助两个封闭盖4向外压力密封地被封闭。连接元件3在此分别通过构造在封闭盖4中的开口延伸到保护壳体2的空腔内。在空腔中布置有至少一个所谓的熔体5，所述熔体(或称为可熔导体)将两个连接元件3相互导电连接。

剩余的空腔至少完全被填充以灭火剂6，灭火剂用于在触发情况下熄灭和冷却熔断器1，并且完全包围熔体5。石英砂例如用作灭火剂6。替代在图1中示出的熔体5地同样可能的是，多个熔体5在电路上相互并联连接地布置在保护壳体2中，并且相应与两个接触元件3接触。通过熔体3的类型、数量、布置和造型可以影响熔断器1的触发特性曲线，并且因此影响触发特性。

熔体5通常由良好导电的材料、如铜或银构成，并且在其长度上、即沿其纵向延伸方向L具有多个窄点串7和一个或多个焊料库8(所谓的焊点)。纵向延伸方向L因此平行于两个连接元件3的假想的连接线。通过窄点串7和焊点8同样可以影响熔断器1的触发特性曲线，并且可根据相应的应用情况调整所述触发特性曲线。在电流小于熔断器1的额定电流的情况下，仅在熔体5中转换这样多的损耗功率，从而可以以热的形式快速通过灭火砂6、保护壳体2和两个连接元件3向外输出损耗功率。熔体5的温度在此没有升高到其熔点以上。如果在熔断器1的过载区域中的电流流动，那么熔断器1内部的温度连续进一步升高，直到超过熔体5的熔点，并且熔体在窄点串7中的一个上熔断。在例如基于短路而出现的高的故障电流的情况下，在熔体5中转换这样多的能量，从而实际上在整个长度上加热熔体，并且熔体因此在所有窄点串7上同时熔化。

因为液态的铜或银还具有很好的导电特性，所以在该时间点还没有中断电流流动。由熔体5形成的溶液因此进一步被加热，直到其最后转变为气态，由此形成等离子体。在此形成电弧，以便进一步维持流过等离子体的电流。在熔断器断开的最后阶段中，导电的气体与灭火剂6反应，灭火剂在常规的熔断器1的情况下大多由石英砂构成。石英砂基于取决于电弧的非常高的温度、在电弧附近熔化，这导致熔化的熔体材料与周围的石英砂6的物理反应。因为在此形成的反应产物是不导电的，所以在两个连接元件3之间的电流流动快速下降为零。然而在此要注意的是，相应的质量的熔体材料也需要相应的质量的灭火剂。只有如此才可以确保在熔断器断开结束时还存在足够的灭火剂6，以便有效地结合所有导电的等离子体。

在图2至4中示意性示出了根据本发明的用于具有集成的测量功能的熔断器的熔断器本体10的实施例。熔断器本体10一体式地由适当的材料、例如陶瓷或热稳定的塑料形成。熔断器本体成形为空心体，空心体的基本上柱形的内壁11沿与纵向延伸方向L正交定向的径向方向R限定沿纵向延伸方向L延伸的第一容纳空间20的边界。沿纵向延伸方向L并且沿反方向，熔断器本体10分别通过端侧12-1或12-2限界，熔断器的封闭元件(未示出)分别可以安装在所述端侧上，以便沿纵向延伸方向L并且沿反方向封闭第一容纳空间10。熔断器本体10的结构高度H在此相当于如在图1中示出并且之前描述的那样的标准化的NH熔断器的结构高度。

第一容纳空间10用于容纳并且固定熔断器的熔体(未示出)。此外，第一容纳空间10可以被填充以适当的灭火剂、例如石英砂，以便改进熔断器的触发特性。第一容纳空间10因此相当于之前针对图1描述的熔断器的空腔。

此外，根据本发明的熔断器本体10具有第二容纳空间30，第二容纳空间构造在熔断器本体10的壁13中。第二容纳空间30设置用于容纳熔断器的测量装置(未示出)，以便测量流过熔断器的电流，必要时处理测得的信号，并且将其传输至上级的位置、例如数据收集器或控制室。从结构来看，第二容纳空间30表示袋状的凹陷部，凹陷部引入第一端侧12-1中。朝另一端侧12-2，并且向外以及向内朝第一容纳空间31，第二容纳空间30通过熔断器本体10被限界。

可布置在第二容纳空间30中的测量装置(未示出)基本上由电流转换器和与其导电连接的电子组件构成。因此，第二容纳空间30被分为环形构造的第一区段31和第二区段32，第一区段用于容纳环形的电流转换器，第二区段构造用于容纳电子组件。两个区段31和32在此不必通过分离壁等相互隔开，而是可以直接彼此相邻地布置，或也相互过渡。

在此，电流转换器首先用作电流传感器，电流传感器检测流过熔断器的电流。被检测的电流测量值进一步传导至电子组件。此外，同样可以借助电流转换器通过电磁感应从初级电流、即熔断器的运行电流产生针对电子组件所需的能量。因此，电流转换器除了其测量功能以外还用作用于电子组件的能量源。由此可能的是，设计具有集成的测量功能的熔断器，其不需要外部的电流源来为测量装置供能。

必须尽可能紧凑地设计电子组件，因为在第二容纳空间30的第二区段32中的为此可用的结构空间受到严格限制。例如能够通过使用紧凑的具有集成电路的电路板实现紧凑的设计。为了将由测量装置检测的测量数据亦或基于测量数据的被进一步处理的数据传输到布置在熔断器以外的接收装置、例如数据收集装置或控制室，电子组件具有适当的传输装置。在此，针对该传输考虑到所有常见的传输方法、例如蓝牙、RFID(有源和无源)、ZigBee等。以该方式可能的是，可以在每个任意的时间点确定熔断器的运行状态，而为此无需技术人员或安装人员必须在现场目视检查熔断器。

根据本发明的用于具有集成的测量功能的熔断器的熔断器本体和相关的熔断器的特征在于，测量和通信技术没有布置在单独的壳体中，而是布置在形成在熔断器本体中的留空部中。这具有以下优点，即不需要用于测量装置的附加的结构空间，附加的结构空间会导致熔断器本体的缩短，该缩短会导致熔断器的要达到的额定电压的减小。

附图标记清单

1 熔断器

2 保护壳体/压力体

3 连接元件

4 封闭盖

5 熔体

6 灭火剂/灭火砂

7 窄点串

8 焊料库

10 熔断器本体

11 内壁

12-1 第一端侧

12-2 第二端侧

13 壁

20 第一容纳空间

30 第二容纳空间

31 第一区段

32 第二区段

H 结构高度

L 纵向延伸方向

R 径向方向。

Claims (12)

1.一种用于具有集成的测量功能的熔断器的熔断器本体(10)，具有：

-用于容纳熔断器的熔体的第一容纳空间(20)，其中所述第一容纳空间(20)沿熔断器的纵向延伸方向(L)通过封闭元件限界，并且沿与纵向延伸方向(L)正交的方向(R)通过熔断器本体(10)限界，

-与第一容纳空间(20)在空间上隔开的第二容纳空间(30)，用于容纳熔断器的测量装置，

其中，用于容纳测量装置的第二容纳空间(30)构造在熔断器本体(10)的壁区段(13)中。

2.根据权利要求1所述的熔断器本体(10)，其中所述第二容纳空间(30)向内朝向第一容纳空间(20)地且向外都通过熔断器本体(10)的各一个壁区段(13)限界。

3.根据前述权利要求中任一项所述的熔断器本体(10)，其中，所述熔断器本体(10)具有基本上空心柱形的形状，所述形状在端部上能够分别以封闭元件封闭。

4.根据前述权利要求中任一项所述的熔断器本体(10)，其中，所述第二容纳空间(30)具有用于容纳电流转换器的环形的第一区段(31)和用于容纳电子组件的第二区段(32)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的熔断器本体(10)，其中，所述第一区段(31)和/或所述第二区段(32)能够通过至少一个封闭元件封闭。

6.根据前述权利要求中任一项所述的熔断器本体(10)，其中，所述熔断器本体(10)一体式地构造。

7.根据前述权利要求中任一项所述的熔断器本体(10)，其中，所述熔断器本体(10)由陶瓷材料或热稳定的塑料形成。

8.一种具有集成的测量功能的熔断器，具有：

-根据权利要求1至7中任一项所述的熔断器本体(10)，通过所述熔断器本体形成第一容纳空间(20)和与第一容纳空间(20)在空间上隔开的第二容纳空间(30)，

-熔体，所述熔体布置在第一容纳空间(20)中，

-测量装置，所述测量装置布置在第二容纳空间(30)中，

-其中，所述第一容纳空间(20)所需的沿纵向延伸方向(L)的结构高度相当于标准化的NH熔断器的结构高度，

-其中，所述第二容纳空间(30)构造在熔断器本体(10)的壁区段(13)中。

9.根据权利要求8所述的熔断器，

-其中，所述测量装置具有电流转换器和电子组件，

-其中，所述电流转换器布置在第二容纳空间(30)的第一区段(31)中，并且

-其中，所述电子组件布置在第二容纳空间(30)的第二区段(32)中。

10.根据权利要求8或9所述的熔断器，其中，所述电子组件具有传输装置，以便将由测量装置检测的测量信号传输到布置在熔断器外部的接收装置。

11.根据权利要求10所述的熔断器，其中，测量信号从传输装置到接收装置的传输以无线方式进行。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的熔断器，其中，对于熔断器来说总体上需要的结构空间相当于标准化的NH熔断器的结构空间。

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