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Die Erfindung betrifft eine Isolatoranordnung mit einem ersten und einem zweiten Anschlagpunkt, welche beabstandet zueinander an einem einen elektrische Eigenschaften beeinflussenden Zuschlagstoff aufweisenden Isolierkörper angeordnet sind.
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Eine derartige Isolatoranordnung ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 693 07 788 T2 bekannt. Dort ist ein stabförmiger Abstandshalter beschrieben, welcher einen Harzkörper enthält. Der Harzkörper ist mit Aluminiumoxid versetzt.
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Das Aluminiumoxid beeinflusst die elektrischen Eigenschaften des stabförmigen Abstandshalters. Aluminiumoxid wirkt elektrisch isolierend. Eine Anreicherung mit Aluminiumoxid führt einerseits zu elektrisch wirksamen Isolatoranordnungen. Andererseits kann die mechanische Festigkeit der Isolatoranordnung nachteilig herabgesetzt werden.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Isolatoranordnung anzugeben, welche derartig strukturiert ist, dass nach einem Hinzufügens eines Zuschlagstoffes elektrische Eigenschaften und mechanische Eigenschafen der Isolatoranordnung in einem ausgewogenen Verhältnis vorliegen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Isolatoranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Zuschlagstoff in einem Mantel des Isolierkörpers eingebettet ist und ein von dem Mantel umschlossener Kern weitgehend frei von eingebettetem Zuschlagstoff gehalten ist.
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Durch eine Anordnung des Zuschlagstoffes innerhalb des Mantels, ist im Kern die mechanische Festigkeit des Isolierkörpers uneingeschränkt erhalten. Somit kann der Kern der Isolatoranordnung beispielsweise hinsichtlich mechanischer Stabilität eine ausreichende Festigkeit verleihen, wohingegen der Mantel mit den entsprechenden Zuschlagstoffen versehen ist und dadurch hinsichtlich elektrischer und/oder mechanischer Eigenschaften ein abweichendes Verhalten im Vergleich zum Kern aufweist. Durch das Einbringen des Zusatzstoffes kann beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit des Mantels im Vergleich zum Kern erhöht werden. Somit ist es möglich, Streuströme durch den Mantel zuzulassen, so dass auf einer Oberfläche des Isolierkörpers befindliche Ladungen abgebaut werden können. Der Mantel kann den Kern vollständig umgreifen, wobei der Zuschlagstoff homogen im Mantel verteilt ist.
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Insbesondere in Elektroenergieübertragungssystemen, welche den Isolierkörper mit Gleichspannung belasten, ist eine erfindungsgemäße Isolatoranordnung vorteilhaft einsetzbar.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass Mantel und Kern Teile einer gemeinsamen Isolierstoffmatrix sind.
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Sind Mantel und Kern als gemeinsame Isolierstoffmatrix ausgebildet, ist der Übergang zwischen Mantel und Kern in einer spaltfreien Art und Weise möglich. Fügespalte bzw. inhomogene Übergänge zwischen Kern und Mantel sind vermieden. So ist es beispielsweise auch möglich, einen Übergang zwischen Kern und Mantel in einer diffusen Art und Weise auszuführen, so dass sprungartige Änderungen in der Struktur des Isolierkörpers vermieden sind. Der Kern sollte jedoch weitgehend frei von eingebetetem Zuschlagstoff gehalten werden. Insbesondere sollten im Kern möglichst keinerlei Zuschlagstoffe befindlich sein. Der Mantel ist der Bereich, in welchem eine erhöhte Konzentration des Zuschlagstoffes befindlich ist. Der Zuschlagstoff kann beispielsweise granuliert vorliegen und in die Isolierstoffmatrix eingebettet sein. Der Mantel kann den Kern beispielsweise ringförmig umschließen. Trotz einer funktionalen Aufteilung in Mantel und Kern liegen keine voneinander verschiedenen diskreten Baugruppen vor.
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Ein fügespaltfreier Verbund aus Mantel und Kern weist weiterhin den Vorteil auf, dass ein Einschließen von Fremdkörpern in diesem Bereich vermieden ist. Beispielsweise kann eine gemeinsame Isolierstoffmatrix durch einen einstückigen Guss von Mantel und Kern hergestellt werden.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Anschlagpunkte an Stirnseiten eines rotationssymmetrischen Isolierkörpers angeordnet sind und mit dem Mantel elektrisch leitend kontaktiert sind.
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Durch eine elektrische Kontaktierung der Anschlagpunkte mit den Stirnseiten eines rotationssymmetrischen Isolierkörpers können vorzugsweise so genannte säulenförmige oder scheibenförmige Isolierkörper hergestellt werden, welche einem Abstützen eines elektrischen Phasenleiters dienen. Eine Kontaktierung des Mantels über die Anschlagpunkte ermöglicht es, zwischen den Anschlagpunkten über dem Mantel einen Strompfad außerhalb des Kerns bereitzustellen, so dass der Kern des Isolierkörpers frei von einem Stromfluss ist. In diesem Falle ist das elektrische Isoliervermögen des Kernes höher, als das elektrische Isoliervermögen des Mantels. Somit ist es beispielsweise möglich, zwischen dem Anschlagpunkten über den Mantel definiert Streuströme fließen zu lassen.
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Zur Ausgestaltung des Mantels kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Zuschlagstoff Kohlefasern aufweist. Vorteilhaft kann der Zuschlagstoff Nano-Kohlenstoffröhrchen aufweisen. Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Zuschlagstoff Russpartikel aufweist. Weiterhin kann der Zuschlagstoff vorteilhaft Metallpartikel aufweisen.
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Die vorstehend genannten Materialien sind in der Lage, die Isolationsfestigkeit der Isolierstoffmatrix im Bereich des Mantels abzusenken, so dass der Mantel eine geringere Isolationsfestigkeit aufweist als der Kern. Der Zuschlagstoff kann eines der vorstehenden Materialien oder eine Mixtur aus den Materialien aufweisen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Zuschlagstoff Varistoren, insbesondere Mikrovaristoren, aufweist.
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Beim Einbringen von Varistoren als Zuschlagstoff ist eine Möglichkeit gegeben, die elektrische Leitfähigkeit des Mantels in Abhängigkeit der zwischen den Anschlagpunkten liegenden Potentialdifferenz variabel zu gestalten. So ist es beispielsweise möglich, dass unterhalb einer Schwellspannung der Mantel annähernd die gleiche elektrische Isolationsfestigkeit aufweist wie der Kern des Isolierkörpers. Mit einem Überschreiten einer Schwellspannung verringert sich die Isolationsfestigkeit des Mantels gegenüber der Isolationsfestigkeit des Kerns deutlich, so dass über den Mantel zwischen den Anschlagpunkten ein Strom fließen kann. Somit ist es beispielsweise möglich, über derartig ausgebildete Isolatoranordnungen eine Überspannungsbegrenzung zwischen den Anschlagpunkten zu bewirken. Nach einer Reduzierung einer Potentialdifferenz zwischen den Anschlagpunkten und einem Abfallen derselben unter die Schwellspannung nehmen die Varistoren wieder ein hochohmiges Verhalten an, so dass der Mantel des Isolierkörpers elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Auch im hochohmigen Zustand des Mantels kann dessen elektrische Leitfähigkeit größer sein, als die elektrische Leitfähigkeit des Kerns. Der Zuschlagstoff kann ausschließlich Varistoren oder Varistoren und zusätzliche Materialien aufweisen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Isolierkörper innerhalb eines mit elektrisch isolierendem Gas gefüllten Behälters angeordnet ist und einen Phasenleiter an dem Behälter abstützt.
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Im Hoch- und Höchstspannungsbereich ist es vorteilhaft zur Reduzierung des Volumens der eingesetzten Elektroenergieübertragungsanlagen fluiddichte Behälter zu verwenden, die mit einem elektrisch isolierenden Gas befüllt sind. Das Gas sollte vorzugsweise unter einem gegenüber der Umgebung erhöhten Druck stehen. Innerhalb der Behälter sind entsprechende Phasenleiter angeordnet, welche durch das isolierende Gas gegenüber dem Behälter elektrisch isoliert sind. Ein Phasenleiter dient einer Führung eines elektrischen Stromes, welcher von einer elektrischen Spannung getrieben ist. Zur Abstützung der Phasenleiter an dem Behälter sind entsprechende Isolierkörper vorgesehen, so dass die Phasenleiter keinen unmittelbaren Kontakt mit dem Behälter aufweisen. Die Behälter können beispielsweise Erdpotential führende Behälter, z. B. metallische Behälter, sein. Die Behälter kapseln das elektrisch isolierende Gas und verhindern ein Verflüchtigen desselben. Das elektrisch isolierende Gas kann beispielsweise Schwefelhexafluorid sein.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass mehrere Isolierkörper im Verlauf des Phasenleiters angeordnet sind und den Phasenleiter gemeinsam stützen.
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Sind mehrere Isolierkörper im Verlauf des Phasenleiters angeordnet, so kann die mechanische Stabilität des Phasenleiters entlang seiner Erstreckung erhöht werden. Kurzschlusskräfte können so von einer Vielzahl von Isolierkörpern aufgenommen werden. Bei einer Ausstattung der Isolierkörper mit einem Zuschlagstoff, der Varistoren aufweist, können die Isolierkörper auch als überspannungsbegrenzende Bauteile wirken. Ein Ableitstrom wird in einem Ableitfall auf mehrere elektrisch parallel geschaltete Mäntel der Isolierkörper aufgeteilt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Isolatoranordnung anzugeben, die einen ersten und einen zweiten Anschlagpunkt aufweist, welche beabstandet zueinander an einem einen elektrische Eigenschaften beeinflussenden Zuschlagstoff aufweisenden Isolierkörper angeordnet sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren der vorstehenden Art sieht vor, dass
- – in einem flüssigen Isolierstoff Partikel des Zusatzstoffes eingebracht sind;
- – der Isolierstoff und die Partikel werden in Rotation versetzt;
- – die Partikel des Zuschlagstoffes werden aufgrund der Rotation nach außen getragen;
- – nach erfolgter Aushärtung wird ein winkelstarrer Isolierkörper entnommen.
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Zur Ausbildung einer gemeinsamen Isolierstoffmatrix, welche in einen Mantel und einen Kern unterteilt ist, jedoch keine diskrete stoffliche Trennung voneinander aufweisen soll, ist es vorteilhaft, einen flüssigen Isolierwerkstoff mit Partikeln zu versetzen und den Isolierwerkstoff mit den Partikeln in Rotation zu versetzen. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte des Isolierwerkstoffes und der hinzugefügten Partikel, werden durch die Zentrifugalkraft die Partikel nach außen getragen, so dass ein Kern, welcher sich unmittelbar um die Rotationsachse erstreckt, weitgehend frei von den Partikeln verbleibt und sich die Konzentration der Partikel des Zusatzstoffes im Mantelbereich des Isolierkörpers erhöht. Um eine Unterteilung in Kern und Mantel während der Rotation zu unterstützen, ist es vorteilhaft, die Partikel vorzugsweise im gewünschten Randbereich, in welchem der Mantel sich befindet, in den Isolierstoff einzubringen. Nach ausreichender Formation wird ein Aushärten des Isolierstoffes abgewartet. Der Zuschlagstoff ist danach ortsfest innerhalb des Isolierstoffes gebunden. Als flüssige Isolierstoffe eignen sich beispielsweise Harze, die auch mit einem Härter versetzt werden können, um ein Abbinden derselben zu beschleunigen. Ein Einbringen der Partikel sollte vorzugsweise in einen flüssigen Isolierstoff erfolgen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Partikel in einen als Granulat vorliegenden Isolierstoff einzufügen, der im Folgenden zu einem winkelstarren Isolierkörper zu vernetzen wäre.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Partikel des Zuschlagstoffes in Richtung der Rotationsachse in den flüssigen Isolierstoff einbebracht werden.
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Zur Formgebung eines winkelstarren Isolierkörpers kann der Isolierstoff in eine Form eingefügt werden, wobei die Form mit eingefülltem Isolierstoff in Rotation versetzt wird. Das Einbringen der Partikel des Zusatzstoffes kann dabei in Richtung der Rotationsachse erfolgen. Dies kann während eines Rotierens des Isolierstoffes erfolgen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Isolierstoff sich in Ruhe befindet, während der Zusatzstoff in den flüssigen Isolierstoff eingebracht wird. Die Partikel sollten kontinuierlich in den flüssigen Isolierstoff eingebracht werden, wobei die Partikel aufgrund einer höheren Dichte durch den Isolierstoff hindurchsinken. Bei einem kontinuierlichen Einbringen des Zuschlagstoffes in den flüssigen Isolierstoff werden die Partikel so lange zugeführt, bis Partikel in Richtung der Rotationsachse die gesamte Länge des Isolierstoffes durchsetzt haben, so dass in jeder Ebene (bezogen auf die Rotationsachse) des noch flüssigen Isolierstoffes eine annähernd gleichartige Menge von Zuschlagstoff enthalten ist. Nunmehr kann durch eine Rotation ein Hinausdrängen des Zuschlagstoffes in den Mantelbereich des rotierenden flüssigen Isolierstoffes erfolgen. Nach einem Aushärten des Isolierstoffes liegt ein winkelstarrer Isolierkörper vor, dessen Kern einstückig mit dem Mantel verbunden ist, wobei der Kern weitgehend frei von Zuschlagstoff gehalten ist und sich im Mantel eine erhöhte Konzentration von Zuschlagstoff befindet.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in einer Figur gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei zeigt die
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1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Isolierkörpers, die
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2 eine Draufsicht auf einen ausgehärteten Isolierkörper, die
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3 eine Isolatoranordnung mit mehreren Isolierkörpern.
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Die 1 zeigt eine Form 1, welche um eine Rotationsachse 2 drehbar ist. Vorliegend weist die Form 1 eine kreiszylindrische Ausnehmung auf, welche der Kontur eines herzustellenden Isolierkörpers 6 entspricht. In die Ausnehmung der Form 1 wird zunächst ein Isolierstoff 3 eingefüllt. Der Isolierstoff 3 kann beispielsweise in Granulatform vorliegen, wobei beispielsweise ein Isolierharz Verwendung finden sollte. Das Isolierharz wird in der Form 1, welche über entsprechende Heizelemente verfügt, verflüssigt. Nach einem ausreichenden Verflüssigen oder einem flüssigen Einfüllen des Isolierstoffes wird in den Bereich, in welchem eine Anordnung eines Zuschlagstoffes 4, beispielsweise Kohlefasern, Nanokohlenstoffröhrchen, Russpartikel, Metallpartikel oder Varistoren erwünscht ist, eine Zuführung des Zuschlagstoffes 4 vorgenommen. Vorliegend wird ein Zuschlagstoff 4 in den Mantelbereich der Form 1 in Richtung der Rotationsachse 2 eingefüllt. Es kann vorgesehen sein, dass der Isolierstoff 3 und der Zuschlagstoff 4 annähernd zeitgleich aufeinander abgestimmt in die Form 1 eingefüllt werden, so dass, bezogen auf die Richtung der Rotationsachse 2, in allen Ebenen eine grobe Vorformatierung in Mantel 8 und Kern 7 des Isolierkörpers 6 erfolgt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Form 1 zunächst vollständig mit Isolierstoff 3 befüllt wird und danach ein Einfüllen des Zuschlagstoffes 4 vorgenommen wird. Der Zuschlagstoff 4 gleitet schwerkraftgetrieben durch den Isolierstoff 3 hindurch.
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Aufgrund der unterschiedlichen Dichten des Isolierstoffes 3 und des Zuschlagstoffes 4, wird der Zuschlagstoff 4 in den Bereich des Mantels 8 des Isolierkörpers 6 während einer Rotation herausgetragen, so dass der Zentralbereich um die Rotationsachse 2 des Isolierkörpers 6 annähernd frei von dem Zuschlagstoff 4 verbleibt. Zur Beschleunigung des Aushärtens des Isolierstoffes 3 kann in die Form 1 ergänzend ein Härter 5 eingefüllt werden, so dass ein rasches Aushärten des Isolierstoffes 3 erfolgt. Mit einem ausreichenden Aushärten des Isolierkörpers 6 kann dieser aus der Form 1 entnommen werden und ein winkelstarrer Isolierkörper 6 ist gebildet, welcher einen Kern 7 sowie einen Mantel 8 aufweist, wobei der Isolierkörper 6 selbst einstückig ausgebildet ist. Der Isolierstoff 3 bildet eine gemeinsame Isolierstoffmatrix sowohl für den Kern 7 als auch für den Mantel 8.
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Die 2 zeigt eine Draufsicht auf einen ausgehärteten Isolierkörper 6, welcher einen Kern 7 aufweist, der sich um die Rotationsachse 2 erstreckt. Weiterhin ist ein Mantel 8 ausgebildet, in welchem der Zuschlagstoff 4 befindlich ist. Beispielhaft ist in den 1 und 2 die Ausgestaltung eines säulenförmigen Isolierkörpers 6 beschrieben. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass alternative Formgebungen vorgesehen sind. So können beispielsweise Scheibenisolatoren oder anderweitig gestaltete Isolierkörper 6 ausgebildet werden. Eine Wahl der Gestalt des Isolierkörpers 6 ist dabei nahezu frei möglich. Grenzen werden lediglich durch die Form 1 gesetzt.
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In der 3 ist eine Anwendung einer Isolatoranordnung beispielhaft gezeigt. Ein Behälter 9 ist rohrförmig ausgestaltet und weist eine elektrisch leitfähige Wandung auf, die Erdpotential führt. Das Innere des Behälters 9 ist mit einem druckbeaufschlagten elektrisch isolierenden Gas befüllt. Parallel, insbesondere koaxial zur Rohrachse des Behälters 9 ist ein Phasenleiter 10 angeordnet. Der Phasenleiter 10 ist von einer Vielzahl von Isolatoranordnungen mit Isolierkörpern 6 getragen. Die Isolierkörper 6 stützen den Phasenleiter 10 an einer Wandung des Behälters 9 ab. Die Isolierkörper 6 sind im Innern des Behälters 9 angeordnet. An den stirnseitigen Enden der Isolierkörper 6 sind als Teil der Isolatoranordnung Anschlagpunkte vorgesehen, wobei der eine Anschlagpunkt einer Halterung des Phasenleiters 10 und der andere Anschlagpunkt einer Abstützung an dem Behälter 9 dient. Die Anschlagpunkte sind jeweils elektrisch leitend mit dem Mantel 8 des Isolierkörpers 6 verbunden, so dass zwischen den Behälter 9 und dem Phasenleiter 10 über den Mantel 8 und die Anschlagpunkte ein Pfad ausbildbar ist, welcher vorzugsweise eine geringere elektrische Isolationsfestigkeit aufweist, als der Kern 7 des Isolierkörpers 6. Insbesondere bei einer Verwendung von Varistoren als Zuschlagstoff, welche in dem Mantel 8 eingebettet sind, ist so eine Möglichkeit gegeben, zwischen dem Phasenleiter 10 und dem Erdpotential führenden Behälter 9 in Abhängigkeit einer Potentialdifferenz zwischen den Anschlagpunkten zur Überspannungsbegrenzung einen Ableitstrompfad schalten zu können. Die Varistoren sind dabei derart dimensioniert, dass bei Überschreiten einer Schwellspannung zwischen den Anschlagpunkten der elektrische Widerstand des Mantels 8 reduziert wird. Bei Unterschreitung der Schwellspannung weist der Mantel 8 elektrisch isolierende Eigenschaften auf. Somit ist an dem Isolierkörper 6 ein spannungsabhängig schaltbarer Ableitstrompfad gegeben. Über die Vielzahl von Isolierkörpern 6 ist es möglich, eine Vielzahl von elektrisch parallel geschalteten Ableitstrompfaden von dem Phasenleiter 10 zu dem Behälter 9 auszubilden und so die Kerne 7 des jeweiligen Isolierkörpers 6 vor einem irreparablen Überlasten durch hohe Spannungen zu schützen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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