DE2105837A1

DE2105837A1 - Elektrischer Schalter

Info

Publication number: DE2105837A1
Application number: DE19712105837
Authority: DE
Inventors: Frank L. Monroeville; Dakin jun. Hayes O. Irwin; Pa. Reese (V.StA.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-02-06
Filing date: 1971-01-25
Publication date: 1972-08-17
Also published as: JPS461973A; CH522279A; ES387986A1; BE762549A; JPS5115582B1; US3603754A

Description

Westinghouse 25. Jan. 1971

Electric Corporation
Pittsburgh

Mein Zeichen: VPA 71/8371 Sm/Un

Elektrischer Schalter

(Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden amerikanischen Patentanmeldung Serial-No. 9,373 vom 6.Februar 1970 beansprucht)

Die Erfindung betrifft elektrische Schalter. Sie befaßt sich im besonderen mit den voneinander trennbaren Schaltstücken eines Hochspannungs-Druckgasleistungsschalters. Bei einem solchen Schalter, der zv/ei voneinander trennbare Schaltstücke aufweist, die -beide hohl ausgebildet sind, stellen die Schaltstücke den Auslaß für eine Gasströmung dar, durch die der Lichtbogen gelöscht wird. Das bewegliche Schaltstück dient dabei zugleich als Blasventil, das einem Hochdruckgasraum zugeordnet ist. Der Hochdruckgasraum liegt außerhalb der Schaltstücke, während ein Niederdruckbereich im Innern der Schaltstücke selbst vorgesehen ist. Wenn der Schalter ausgeschaltet werden soll, wird das bewegliche Schaltstück aus dem feststehenden Schaltstück herausgezogen. Dies ergibt zwei Wirkungen: Erstens wird das genannte Blasventil an den Schaltstücken geöffnet, zweitens entsteht ein Lichtbogen zwischen den sich trennden Schalt-r stücken. Der in radialer Richtung nach innen gerichtete Gasstrom befördert die Fußpunkte des Lichtbogens schnell in die inneren Bereiche der hohlen Schaltstücke. Dies bewirkt eine Verlängerung des Lichtbogens bis zur vollständigen Unterbrechung.

Zur Herstellung relativ schwerer Gußstücke für die Schaltstückanordnungen wurde bisher eine Kupferlegierung verwendet. Mit dieser Legierung kann es jedoch unter ungünstigen Umständen zu Schwierigkeiten wegen der Porosität der Gußteile kommen. Es treten Leckverluste des Hochdruckgases auf, die einem Gasverlust aus dem Bereich außerhalb der Schaltstücke in den inneren Teil der Schaltstücke verursachen. Außerdem ist die Kupferlegierung recht teuer.

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In dem Bemühen, einen Ersatz für die Kupferlegierung zu finden, hat man Aluminium zu verwenden versucht, entweder in Form von normalen Gußteilen oder von Druckgußstücken. Aluminium hat jedoch eine relativ niedrige Schmelztemperatur. Deshalb kommt es zu Lichtbogenschäden, zu Erosion oder anderen Beeinträchtigungen durch die Wanderung des Lichtbogenfußpunktes längs der trennbaren Schaltstücke .

Gemäß der Erfindung weist das Schaltstück dagegen einen Leichtmetallkörper auf, der auf der Kontaktseite mit einer Stahlauflage versehen ist. Als Kontaktseite ist dabei die Schaltstückfläche bezeichnet, an der ein Stromübergang stattfindet, insbesondere ein Lichtbogen ansetzen kann.

Die Auflage kann ein relativ dünnwandiges Rohr, vorzugsweise aus magnetischem Material, sein. Mit besonderem Vorteil .besteht die Auflage aus rostfreiem Stahl. Die Konstruktion kann dabei günstig so gewählt werden, daß das innere Ende des dünnwandigen Rohres elektrisch mit dem vorderen inneren Ende des hohlen Schaltstückes verbunden ist. Für diesen Fall bildet sich ein magnetisches Feld aus, das die Lichtbogenlängung begünstigt. Zusätzlich hat die genannte Ausbildung den Vorteil, daß ein verhältnismäßig billiges Material, wie Aluminiumguß, zur Herstellung der Hauptschaltstücke eines Schalters verwendet werden kann. Wegen der relativ, hohen Schmelztemperatur des dünnen Rohres aus rostfreiem Stahl erhält man den Vorteil, daß die Widerstandsfähigkeit gegen Lichtbogenerosion wesentlich gesteigert ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines dreiphasigen Druckgasschalters nach der Erfindung.

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Fig. 2 ist ein Vertikal schnitt mit einer Teilansicht der Unterbrechungseinrichtung des Leistungsschalters nach Fig. 1, der an der linken Seite nach oben verläuft.

Fig. 3 ist eineSeitenansicht des dreiphasigen Schalters nach Fig.

Fig. 4 ist eine Teilansicht der trennbaren Schaltstücke in beträchtlich vergrößertem Maßstab, wobei die Schaltstücke die Einschaltstellung einnehmen.

Fig. 5 ist eine Darstellung ähnlich der der Figur 4, bei der in | ausgezogenen Linien die Ausschaltstellung der Schaltstücke dargestellt ist, während die gestrichelten Linien Zwischenpositionen ,zeigen, in denen der Lichtbogen gezogen und verlängert wird.

Fig. 6 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht der dünnwandigen Schaltstückauskleidung gemäß der vorliegenden Erfindung, die in ein Schaltstück eingefügt wird.

Fig. 7 ist ein Schnitt längs der Linie VII-VlI der Figur A. Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der Erfindung.

In den Zeichnungen, insbesondere in den Figuren 1 bis 3» ist mit { 1 als Ganzes ein dreiphasiger. Leistungsschalter bezeichnet. Der Schalter 1 wird von einem metallischen Rahmen 2 getragen, der aus Winkeleisen 3 und Trägern 4 zusammengesetzt sein kann. Der Schalter 1 ist ein Zweidruckschalter, dessen Löschgas 5 zwei verschiedene Drücke aufweist. Der Hochdruck beträgt beispielsweise 16 Atmosphären. Dies genügt für das Eindringen in den Lichtbogen 6 zur Lichtbogenlöschung und zur Betätigung des Antriebes 7 (Fig. 3) zur Bewegung eines nicht dargestellten Kolbens, der mit der Löscheinrichtung 9 verbunden ist (Fig. 2). In Fig. 5 ist die Kolbenstange mit 10 bezeichnet. Sie betätigt das bewegliche Schaltstück Ί1 beim Aus- und Einschalten.

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Der zweite Druckpegel im Bereich der Löscheinrichtung 9 liegt niedriger. Er beträgt z.B. 3>5 Atmosphären. Dieser Druck liegt innerhalb der Schaltstückanordnung 13 vor (Fig. 2), wenn der Schalter eingeschaltet ist, d.h. im Raum 15, der in F^g. 4 zu sehen ist.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind die drei Pole A, B und C auf dem geerdeten Rahmen 2 mit Abstand voneinander angeordnet. Sie sind mit einem gemeinsamen Antrieb 17 mit Erdpotentiäl verbunden. Der Antrieb 17 betätigt Übertragungsglieder 19» die mehrere Stangen 20 zur Betätigung von Dreiwegeventilen 37 verbinden. Die Stangen 20 erstrecken sich jeweils in den drei Schaltkammern 22 nach

oben, wie in Fig. 2 klar zu sehen ist. in Fig. 2 (ist j gezeigt!, verläuft die Steuerstange 20, die sich nur ein kurzes Stück zu bewegen hat, innerhalb von hohlen Tragisolatoren 24, 25· Diese wiederum liegen innerhalb eines aus Isolierstoff bestehenden Spannrohres 27 und dienen als Abstandshalter für eine oder mehrere Schaltstückanordnungen 13.

Wie in Fig. 2 gezeigt, wird nur eine einzige Schaltstückanordnung 13 verwendet."Für höhere Spannungen und größere Ilennströme können jedoch auch mehrere Schaltstückanordnungen 13 benutzt werden.

Die Schaltkammer 22 umfaßt ein äußeres, aus Isolierstoff bestehendes, wetterfestes Gehäuse 29» das z.B. aus Porzellan oder einem geeigneten Harzmaterial besteht. Das Gehäuse 29 umschließt die Löscheinrichtung 9 des Schalters 1. Die Schaltkammer 22 wird von einem geerdeten Gehäuse 31 getragen. Sie ist gegenüber einer Durchführung 33 geneigt, die zusammen mit der Schaltkammer einen U-förmigen, mit der gestrichelten Linie J>k (Fig. 1) angedeuteten Strompfad ergibt. Die Durchführung 38 (Fig. 1) besitzt einen Durchführungsbolzen 35 mit Hochspannungspotential, der in einem äußeren wetterfesten Gehäuse 36 aus Porzellan angeordnet ist. Ein geeignetes Löschmittel mit hoher Löschfähigkeit kann in der Durchführung 33 bei einem relativ niedrigen Druck von beispielsweise 1,7 Atmo-

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Sphären enthalten sein. Dieses Gas kann das gleiche Gas wie das Löschgas sein. Es ist also z.B. Schwefelhexafluorid mit einem geringeren Druck.

Die Figur 2 zeigt einen vertikal, verlaufenden Schnitt durch die Löscheinrichtung 9 eines einzelnen Poles A des dreipoligen Schalters 1. Wie an sich "bekannt, sind drei Pole A, B und C zur Steuerung der drei Phasen eines Drehstromnetzes erforderlich.

Im Schalter 1 wird Schwefelhexafluorid als Löschmittel 5 verwendet. Das Gas dient zugleich als Isoliermittel und gestattet geringe Abstände zu spannungführenden Teilen. Ferner ist das Gas als Iso- " liermittel innerhalb der Durchführung 33 vorgesehen. Wie bereits erwähnt, wird der Schalter durch gleichzeitige Bewegung der drei Ventilsteuerstangen 20 betätigt, die in den Schaltkammern 22 verlaufen. Die Stangen bringen die Blasventile 37 in die Stellung, in der Hochdruckgas zu nicht dargestellten Kolben Zugang hat, die eine nach oben gerichtete Bewegung der Antriebsstangen 10 verursacht (Fig. 5)» Dies führt zu einer nach oben gerichteten Ausschal tbewegung der Schaltstückanordnungen 13. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist der nicht gezeichnete Kolben durch eine Kolbenstange 10 mit einer leiterförmigen Anordnung 39 verbunden, die zwei mit seitlichem Abstand angeordnete Isolierstoffstangen 41 umfaßt. Die Isolierstoffstangen ragen in axialer Richtung durch zwei hohle i Tragrohre 42.

Der Bereich 44 in unmittelbarer Nähe der Schaltstückanordnung 13, und zwar außerhalb derselben, ist in der Einschaltstellung, die Fig. 4 zeigt, mit Gas hohen Druckes gefüllt. Der Druck kann 16 Atmosphären betragen. Die Schalteinrichtung ist demnach eine Druckkammer, in der Hochdruckgas beim Ausschaltvorgang in radialer Richtung durch die sich trennenden Schaltstücke strömt, bis der Gasstrom durch die Schließbewegung von zwei stromabwärts angeordneten Blasventilen untergebracht wird, die in den Figuren 4 und 5 mit 46 und 47 bezeichnet sind.

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Bewegliche_Schaltstückanordnung_^_i132

Zur beweglichen Schaltstückanordnung 13 gehört die leiterförmige Anordnung 39, die mit ihrem oberen Ende an einem nicht dargestellten Jochteil befestigt ist. Dies ist wiederum bei 10a einstellbar an dem beweglichen hohlen Schaltrohr 49 befestigt. Zwei Isolierstoffstangen 41, die einen Teil der Leiteranordnung 39 darstellen, verlaufen innerhalb von hohlen Isolierstoffrohren 42. Die Rohre halten die Löscheinrichtungen 9 in axialem Abstand voneinander, wenn mehrere solche Einrichtungen verwendet werden. In Fig. 5 ist zu sehen, daß die Stangen 41 an einem Blasventilantrieb 50 befestigt sind, der später näher beschrieben wird.

Die bewegliche Schaltstückanordnung wirkt mit einem ringförmigen Ventilsitz 52 zusammen (Fig. 5), der von einem hohlen Schaltstückträger 53 getragen wird. Der Schaltstückträger erstreckt sich von einer Grundplatte 55 nach oben. Vie in Fig. 5 näher dargestellt ist, kann das Löschmittel 5 unter hohem Druck über den Lichtbogen 6 und dann in diametral entgegengesetzte Richtungen durch das Innere der hohlen Schaltstücke 49, 53 strömen, wie durch die Pfeile 56 in Fig. 5 angedeutet ist.

Ein erstes Blasventil 58 (Fig. 4) wird vom unteren Teil 49a des beweglichen Schaltstückes 49 gebildet, das mit einer Dichtung 52a des Blasventilsitzes 52 zusammenwirkt, der federnd auf der Grundplatte 55 befestigt ist. Eine Druckfeder 59 sorgt für den gewünschten Dichtungsdruck. Sie gestattet einen begrenzten Überhub des beweglichen Schaltstückes 49. Für den Stromübergang sind mehrere am Umfang verteilte Kontaktfinger 61 vorgesehen, die mit der Außenseite 49b des hohlen Schaltstückes 49 zusammenwirken.

Der Leistungsschalter 1 gemäß der Erfindung benutzt zur Betätigung der Blasventile 46, 47 den gasbetätigten Kolbenantrieb 7, der auch zum Öffnen und Schließen der Schaltstücke 49 verwendet wird. Das

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bewegliche Schaltstück 49 des Schalters bildet mit dein festen Ventilsitz 52a ein erstes Blasventil 58. In der Einschaltstellung verhindert dieses Ventil eine Strömung des Hochstromgases in das Innere 15 einer oder beider der^ hohlen Schaltstücke 49, 53. In diesem Zustand sind die nachgeschalteten Blasventile 46, 47 geöffnet. Wenn das bewegliche Schaltstück 49 ausgeschaltet wird, werden die Blasventile 46, 47 geschlossen, \im die Gasströmung in den Niederdruckbereich 15 zu unterbrechen.

Wenn sich die Schaltstücke des Schalters trennen,sollen sie die Ausschaltsteilung in der kürzest möglichen Zeit erreichen. Deshalb i kann nach dieser Zeit noch ein Lichtbogen 6 zwischen den Schaltstücken vorhanden sein. Es ist also notwendig, daß die Blasventile .46, 47 noch geöffnet bleiben, um eine Gasströmung zur Löschung des Lichtbogens 6 zu ermöglichen. Hithin müssen dio nachgeschalteten Blasventile einen Bewegungsverlauf auf Ameisen, der gegenüber dem des beweglichen Schaltstückes 49 verzögert ist.

Aus den Figuren 4 und 5 geht hervor, daß das hohle Schaltstück direkt mit dem Antrieb 7 verbunden ist. Der Blasventilantrieb 50 ist gleichfalls mit dem beweglichen Schaltstück 49 verbunden. Er legt deshalb den gleichen Weg zurück. Wann sich das bewegliche Schaltstück in Ausschaltrichtung bewegt, drückt der Blasventilantrieb 50 eine Druckfeder 63 zusammen. Die Druck!eder wird go- I spannt, da der gegenüberliegende Federteller Gh festgehalten wird. Der Federteller 64 ist ein Teil des Blasventils. Das Blasventil wird von zwei Klinken 66 (Fig. 5) festgehalten, die um 180° gegeneinander versetzt sind. Dor Antrieb 50 läßt sich anfänglich frei bewegen, bevor die Druckfeder 63 zusammengedrückt wird. Dies ist wichtig, damit die Belastung des Antriebes 7 am Anfang der Schaltbewegung möglichst klein gehalten wird. Wenn sich der Antrieb 50 um ein bestimmtes Stück bewegt hat und dabei die. Feder 63 zusammengedrückt wurde, treffen Vorsprünge 50a auf eine erhabene Fläche der Klinken 66. Dies bewegt die Klinke 66 zurück, so dab die nachgeschalteten Blasv.entile 46, U7 schließen können. Die ilchl i eßbev/e-

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gung ist gegenüber der Bewegung des beweglichen Schaltstückes 49 verzögert. Nach dem Schließen der Blasventile 46, 47 bleibt auf Grund der Druckfeder 63 eine gewisse Vorspannung bestehen. Außerdem wird das Ventil durch eine Druckdifferenz geschlossen gehalten, die sich aus der Goemetrie der Blasventilflächen ergibt.

Wenn die Schaltstücke 49 geöffnet sind, sind die Blasventile 46 und 47 geschlossen. Der Antrieb 50 trifft mit seinem Gummianschlag 71 auf das Blasventil 46. Er bewegt es dadurch in die geöffnete Lage. Zwischen dem Antrieb 15 und dem Blasventil 46 ist eine Art Stoßdämpfer vorgesehen, um den Stoß zu verringern. Zur gleichen Zeit fallen die Klinken 66 unter die Schultern 46a (Fig.'5)» und das Blasventil 46 ist bereit für eine weitere Ausschaltung.

Die Gasströmung beim Ausschalten wird in einem Niederdruckbehälter aufgefangen und gegebenenfalls durch die hohle Antriebsstange in den Niederdruckbehälter 72 gelenkt (Fig. 3). Ein geeigneter, nicht dargestellter Kompressor verdichtet das Gas wieder auf den Hochdruck von 16 Atmosphären.

Für die hohlen'Schaltstücke 49> 53 wird üblicherweise Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet. Dies geht auf die erforderliche gute elektrische Leitfähigkeit und die gewünschte hohe Schmelztemperatur zurück, da der Lichtbogen 6 die Wand der Schaltstücke 49j 53 angreifen kann. Die Kupferlegierung enthält z.B. als Legierungskomponenten 0,01 % bis 5 % Silber (Ag) und 0,05 bis 5 # Chrom (Cr). Der Rest ist Kupfer (Cu).

Die Erfindung schlägt dagegen die Verwendung dünnwandiger Zylinder aus rostfreiem Stahl oder einem anderen magnetischen Material vor, das in die Schaltstücke eingelassen werden kann. Solche dünnwandigen Zylinder können aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt hergestellt werden, das sich leicht verarbeiten läßt.

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Die Metallauflagen gemäß der Erfindung können auch aus Stahl mi t einem Nickelüberzug bestehen. In jedem Fall vermeidet man dadurch eine Porosität, die bei Kupferlegierungen in gewissen Fällen zu Gasverlusten aus dem Hochdruckbereich 44 durch die gegossenen Schaltstücke in den Niederdruckbereich 15 innerhalb der Schaltstücke führen konnte..Gemäß der Erfindung wird dagegen ein billiges Material, wie Aluminium, mit einer Auskleidung versehen, z.B. dem geschlitzten Rohr 80 oder den beiden Auskleidungen 80 und 81/82, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Das Schaltstück besteht demnach in den wesentlichen Teilen 73 - 75 aus Aluminium, das für eine gute Leitfähigkeit und geringes Gewicht sorgt. Das Leichtmetall kann als Preßguß verarbeitet v/erden, so daß sich eine billige Herstellung ohne Gefahr von Porosität ergibt. Die Auskleidungen 80, 81, 82 sind in den Figuren 4 und 5 im einzelnen dargestellt.

Vergleiche_der_Schmelztem£eraturen

Teil	Material	Schmelztemperatur C
Lichtbogenhorn	Kupferlegierung	1O75°C
Schaltstückträger	Aluminium	659.8⁰C
Stahlauflage	nichtrostender Stahl	1430 - 1470⁰C
Stahlauflage	Stahl mit Nickelüberzug	1520⁰C
	Reines Kupfer —2 0 98 34/0967—	1083⁰C

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Die metallischen Auskleidungen 80, 81, 82 können noch anderweitig vorteilhaft genutzt v/erden. Wenn man ihr eines Ende elektrisch vom Schaltstück trennt, fließt der Lichtbogenstrom so, daß der Lichtbogen durch eine magnetische Schleife dieses Stromes verlängert wird. Fig. 8 zeigt das Prinzip, das in gewissem Maße ähnlich der Verwendung von Lichtbogenhörnern in Luftschaltern ist. Eine magnetische Schleife bewirkt bekanntlich zusammen mit dem Lichtbogen

6 eine stetige Lichtbogenverlängerung. Dieses Phänomen erhält man bei der Schaltstückanordnung nach der Erfindung durch eine Verbindung der dünnwandigen Rohre 80, 81, 82 in gut leitender Weise mit den inneren Enden der feststehenden und beweglichen Rohre 49» 53·

Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Schaltstückanordnung für das vorgenannte Prinzip. Der Metallzylinder 90 trifft das bewegliche Schaltstück im Punkt B. Deshalb muß der Strom durch diesen Punkt B fließen, gleichgültig, ob der Lichtbogen 6 am Metallzylinder 90 Fuß faßt oder nicht. Die Magnetkräfte, die durch diese Stromschleife hervorgerufen v/erden, treiben den Lichtbogen 6 zu einer Verlängerung, so daß die Wirksamkeit der Lichtbogenlöschung vergrößert wird. Die Teile90 und 91 der Figur 8 können zur weiteren Steuerung des Stromflusses auch geschlitzt werden.

8 Figuren

7 Ansprüche

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Claims

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Patentansprüche

.1 ./Elektrischer Schalter, insbesondere Hochspannungs-Leistungsschalter mit einem Schaltstück, das aus zwei verschiedenen Werkstoffen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltstück (49, 53) einen Leichtmetallkörper aufweist, der auf der Kontaktseite mit einer Stahlauflage (80, 81) versehen ist.
2. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leichtmetallkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
3. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlauflage (80, 81) dünner als der Leichtmetallkörper ist.
4. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltstück (49, 53) hohl ist und die Stahlauflage (80, 81) an seiner Innenseite trägt, an die ein Ausschaltlichtbogen durch eine Druckgasströmung getrieben wird.
5. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlauflage (80, 81) nur an der Vorderseite des Schaltstückes mit dem Leichtmetallkörper elektrisch leitend verbunden ist.
6. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, mit zwei zusammenwirkenden hohlen Schaltstückeri, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schaltstücke (49, 53) Stahlauskleidungen (80, 81) aufweisen, die an den einander zugekehrten Rändern der Schaltstücke mit deren Leichtmetallkörpern verbunden sind.
7. Elektrischer Schalter nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Stahlauskleidung umgebende Leichtmetallkörper Teil eines Blasventils (52) ist, das in der Einschaltstellung des Schalters geschlossen ist.

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