DE2953266A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln und lokalisieren von fehlern in elektrischen kabeln - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum ermitteln und lokalisieren von fehlern in elektrischen kabelnInfo
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Description
80 017 Kü/u
der britischen Patentanmeldung
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln und Lokalisieren von Fehlern in elektrischen Kabeln
Die Erfindung bezieht sich auf die Impulsecho-Fehlerermittlung für elektrische Kabel und ist insbesondere anwendbar
bei Fehlerermittlungsvorrichtungen für die Verwendung bei
Stromverteilungskabel-Instal lationen mit einer Reihe von Einzel
oder Dreiphasenzweigen, insbesondere jenen, bei denen ein oder mehrere Anschlüsse nur schwer oder überhaupt nicht zugänglich
sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die bei bereits angeschlossenem Verbrauchergerät zur Anwendung kommen können, da deren
Anwendung keine gefährlichen Hochspannungen bedingt. Ferner soll ein Gerät geschaffen werden, welches Niederspannungskabelfehler ermittelt, die eine nicht-lineare und instabile Spannung:
Strom-Charakteristik zeigen, wo der Fehlerstrom nur während Zeitspannen fließt, in denen die Augenblicksspannung des Netzes
größer 1st als die Lichtbogenspannung des Fehlers.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung weist eine Einrichtung zum Injizieren von Schrittschaltfunktions- oder Einzelimpulsen in ein Kabel oder in eine Kabelinstallation, ferner
eine Einrichtung zur digitalen Darstellung und Speicherung des unter zwei unterschiedlichen Zuständen bzw. Bedingungen
des Kabels erhaltenen Impuls/Echo-Signals sowie eine Einrichtung zur Wiedergewinnung der unter den beiden genannten
Zuständen oder Bedingungen erhaltenen Signale, zum Vergleichen derselben und somit zum Lokalisieren der Fehlerstelle auf.
Beispiele für zwei unterschiedliche Zustände oder Bedingungen des Kabels, aus denen ein Impuls/Echo-Signal erhalten, digital dargestellt und gespeichert werden kann,
umfassen (a) den Zustand vor dem Erscheinen des Fehlers und nach dem Erscheinen des Fehlers und (b) den Zustand vor dem
Konditionieren des Fehlers und nach dem Konditionieren des Fehlers.
Die Verwendung eines Schrittschaltfunktions- bzw. Obergangseinganges wird vorgezogen, da sich bei der begrenzten
Bandbreite von Digital-Aufzeichnungssystemen herausgestellt hat,
daß die Verwendung von Schrittschalt- bzw. Obergangsfunktionen eine größere Meßgenauigkeit für Fehler bei sehr kurzem Bereich
ermöglicht. Die Schrittschaltfunktion stellt außerdem sicher, daß ausreichend Energie in das Kabel injiziert wird, damit
Langbereichechos ersichtlich werden, und hat ferner die Tendenz, viele der geringeren Reflexionen aus kurzen Abzweigungen zu reduzieren. Wenn der Aufzeichnungs-Nullpegel unterdrückt wird, dann kann eine größere vertikale Sensitivität
eingesetzt werden, so daß kleinere Differenzen in den Spuren sichtbar werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält vorzugsweise
außerdem eine Einrichtung, die ermittelt, ob das Kabel "lebt und gesund" oder "lebt und fehlerhaft" ist, und zwar durch Erhalten eines digitalen Impulssignals, welches anzeigt, daß
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eine Spannung am Kabel liegt, daß ferner ein zweites digitales Impulssignal erhalten wird, welches durch eine Reihe von Impulsen
anzeigt, wann der Strom im Kabel oberhalb des normalen Belastungsstromes liegt, und dadurch, daß diese beiden Signale
in einem NAND-Verknüpfungsglied bearbeitet werden, um ein Signal zu erhalten, welches den Zustand des Kabels wiedergibt.
Signale, die unter normalen und fehlerhaften Bedingungen erhalten werden, werden gespeichert, und durch Wiedergewinnung
und Vergleich derselben wird die Fehlerstelle ermittelt.
Die Erfindung wird anhand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen die
Fign. l(a) und l(b) jeweils die Spannungs- und Fehlerstrom-Wellenformen
eines "permanenten" Fehlers an einem Niederspannungskabel, d.h. eines Fehlers, bei dem eine Sicherung oder ein Stromkreisunterbrecher
innerhalb einer kurzen Zeit, in der das Kabel erneut strombeaufschlagt wird, in Tätigkeit
tritt,
Fign. l(c), l(d) und l(e) digitale Wellenformen, die
von den Spannungs- und Fehlerstrom-Wellenformen
nach den Fign. l(a) und l(b) abgeleitet werden.
Fig. 2 die Spannungs-Wellenform eines typischen "vorübergehenden
Fehlers" an einem Niederspannungskabel, d.h. eines Fehlers, bei dem intermittierende Zusammenbrüche auftreten, ohne daß die Stromkreis-Schutzvorrichtung in Tätigkeit tritt,
Fign. 3(a) und 3(b) Impuls-Echo-Aufzeichnungen, die während Zeitspannen erhalten werden, in denen das Kabel
"lebendig und gesund" bzw. "lebendig und fehlerhaft" ist, und
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Fig. 4 ein schematisches Schaubild der bevorzugten
Impulsecho-Fehlerermittlungsvorrichtung, die
in die normale Netz-Stromschiene eines fehlerhaften Niederspannungskabels geschaltet dargestellt ist.
Viele Niederspannungskabel fehler zeigen eine nichtlineare Lichtbogencharakteristik, die an der versorgenden
Unterstation Spannungs-Wellenformen ähnlich der Spannungs-Wellenform nach Fig. l(a) erzeugt, wobei diese Wellenform
typisch für eine Fehlerkategorie ist, die als "permanenter" Fehler bekannt ist. Die Spannungs-Wellenform nach Fig. l(a)
zeigt zwei gemeinsame Phänomene, die Niederspannungskabelfehlern zuzuordnen sind: Erstens entwickelt sich der Fehler
nicht unmittelbar, wenn das Kabel wieder mit Strom beaufschlagt wird,und zweitens ist der Fehlerstrom, dessen Wellenform in Fig. l(b) dargestellt ist, extrem nicht-sinusförmig
infolge der Lichtbogencharakteristik des Fehlers.
Zusätzlich zu "permanenten" Fehlern gibt es eine nicht unbedeutende Anzahl von Fehlern, bei denen eine beträchtliche
Zeitspanne zwischen der erneuten Strombeaufschlagung des Kabels und dem Ansprechen der Sicherung verstreichen kann. Diese zweite Kategorie von Fehlern wird als "unbeständiger" Fehler bezeichnet.
Es gibt aber auch noch eine dritte Fehlerkategorie, bekannt als "flüchtiger" Fehler, bei dem intermittierende Zusammenbrüche
oder DurchbrUche auftreten, ohne daß die Stromkreis-Schutzvorrichtung anspricht; eine typische Spannungs-Wellenform für einen
flüchtigen Fehler 1st in Fig. 2 dargestellt. Es ist bekannt, daß flüchtige Fehler häufig dem Auftreten sowohl von permanenten als auch unbeständigen Fehlern vorausgehen, und da. Verfahren zum Ermitteln und Lokallsieren von flüchtigen Fehlern,
wie es durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgeführt wird, 1st von besonderem Wert.
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Die digitalen Wellenformen nach den Fign. l(c), l(d) und l(e) werden aus den Spannungs- und Strom-Wellenformen nach den
Fign. l(a) bzw. l(b) abgeleitet. Die Wellenform in Fig. l(c) stellt ein digitales Signal dar, welches anzeigt, daß Spannung
am Kabel anliegt; die Wellenform nach Fig. l(d) ist ein digitales Signal, welches anzeigt, daß der Fehlerstrom oberhalb
eines Grenzwertes liegt, der höher ist als der normale Laststrom; die Wellenform nach Fig. l(e) wird durch Tastung bzw.
Torschaltung der Signale nach den Fign. l(c) und l(d) erhalten. Die in Fig. l(e) dargestellte Wellenform zeigt an, wenn das
Kabel "lebendig und gesund" ist, während die Wellenform nach
Fig. l(d) anzeigt, wenn das Kabel "lebendig und fehlerhaft" ist.
Ein Vergleich von Impuls-Echo-Aufzeichnungen, die während
der Perioden, als das Kabel "lebendig und gesund" ist und wenn es "gesund und fehlerhaft" ist, erhalten werden, ermöglicht
eine leichte Identifizierung der Fehlerstelle, wie bei den
typischen Impuls-Echo-Aufzeichnungen nach den Fign. 3(a) und 3(b) veranschaulicht. In jeder der Fign. 3(a) und 3(b) sind
die beiden Impuls-Echo-Aufzeichnungen zur Erleichterung des Vergleichs einander überlagert, wobei Fig. 3(a) das Schrittschal tfunktionsansprechen des Kabels zeigt, während Fig. 3(b)
das allgemeinere Impulsfunktionsansprechen wiedergibt.
Nach Fig. 4 ist die bevorzugte Impuls-Echo-Fehler-Ermittlungsvorrichtung in die normale Netzstromschiene eines
fehlerhaften Niederspannungskabels geschaltet dargestellt. Normalerweise wird die Vorrichtung von einer Batterie (nicht
dargestellt) betrieben, die ihre Pufferladung aus dem Netz des zu prüfenden Kabels erhält. Wenn die Spannung am zu prüfenden Kabel verschwindet bzw. ausfällt, dann trennt die
Steuereinheit der Vorrichtung automatisch die Stromzufuhr zu allen Teilen der Schaltung der Vorrichtung ab, die für
die Erhaltung der gespeicherten Daten nicht wesentlich sind.
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Alternativ kann die Vorrichtung auch aus einem Netz gespeist werden, welches nicht auf der gleichen Phase oder im gleichen
Stromkreis liegt wie das zu prüfende Kabel.
Die Vorrichtung enthält einen Stromsensor l.der entweder
ein Stromtransformator oder ein Nebenschlußwiderstand ist und ein Signal für einen Strompegeldetektor 2 liefert, der einen
Ausgang erzeugt,wenn der Signalpegel vom Stromsensor her einen voreingestellten Pegel überschreitet. Das Ausgangssignal I.
des Strompegeldetektors 2 (siehe Fig. l(d))wird einer Steuereinheit 19 zugeführt. Ein Spannungsdetektor 3 erzeugt einen
Ausgang, wenn Spannung am Kabel vorhanden ist. Das Ausgangssignal F. des Spannungsdetektors 3 (siehe Fig. l(c))wird ebenfalls in die Steuereinheit 19 eingespeist.
Eine Filter- und Schutzschaltung 4 trennt und schützt
das Niederspannungs-Impuls-Echo-Aufzeichnungssystem gegenüber den Auswirkungen der Starkstromfrequenz und anderer Hochspannungen.
Einzelne Impulse (oder Schrittschaltfunktionen) werden
durch einen Impulsgenerator 5 erzeugt, wenn dieser von der Steuereinheit 19 das entsprechende Kommando erhält. Ein Eingangsverstärker 6 enthält Einrichtungen zum Verändern der
Sensitivität des Aufzeichnungssystems und zur Pegel verschiebung des Signals, um den Nullwert zu unterdrücken, wenn Schrittschal tfunktionen verwendet werden.
Das analoge Eingangssignal wird abgetastet und durch einen Analog-Digital-Umwandler 7 in einen Digitalcode umgewandelt. Um einen annehmbaren Kompromiß zwischen der Amplitude
und der Zeitauflösung des Aufzeichnungssystems zu erhalten, ist der Digitalumwandler 7 im typischen Fall ein solcher mit sechs
bits (64 Pegel), mit einer Umwandlungsrate von mindestens
20 HHz. Es ist notwendig,eine Echtzeitaufzeichnung anstatt einer Abtasttechnik zu verwenden, da der Fehler nur für wenige
Millisekunden existieren kann und außerdem auch seine Wesensart
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vom einen Zusammenbruch zum nächsten ändern kann.
Das digital dargestellte bzw. digitierte Signal aus dem Analog-Digital-Umwandler 7 wird durch einen Erfassungsspeicher
8 gespeichert, der im typischen Fall ein Hochgeschwindigkeitsspeicher mit wahlfreiem Zugriff mit einer Länge von 256 Wörtern
ist, der bei einer 20-MHz-Tastung eine Aufzeichnungszeit von 12,8 \is ergibt, d.h. einen Bereich von annähernd 1.000 Meter
Kabel. Unter dem Kommando der Steuereinheit 19 werden Daten im Erfassungsspeicher 8 durch eine Datenübertragungseinheit 9
einem von zwei Reservespeichern 10a und 10b Übermittelt. Diese Reservespeicher sehen eine Langzeitspeicherung von aufgezeichneten
Wellenformen vor und sind Niedriggeschwindigkeitsspeieher
mit wahlfreiem Zugang von 256 Wörtern mit niedrigem Energieverbrauch, so daß die Daten für lange Zeitperioden bei Verwendung
einer Batterie-Stromversorgung aufbewahrt werden können. Alternativ kann jeder der Reservespeicher ein leistungsloser
Speicher sein, z.B. ein Magnetblasenspeicher (magnetic bubble memory) oder ein Ladungsspeicher. Ein Multiplexer 11 ermöglicht
die Einspeisung der Daten in den Reservespeichern 1OA und 1OB in einen gemeinsamen Digital-Analog-Umwandler 12, der
Analogausgänge der gespeicherten Daten in den Reservespeichern 1OA und 1OB liefert, wobei diese Ausgänge der Y-Achse der Anzeige
zugeführt werden.
Ein Sägezahngenerator 13 liefert ein X-Sägezahnsignal,
das mit dem Analogausgang synchronisiert ist, um eine Horizontal ablenkung für die Anzeige eines Kathodenstrahl-Oszilloskops
vorzusehen. Alternativ kann der Sägezahngenerator 13 gerade nur ein Synchronisierungssignal liefern, um die Zeitbasis eines
äußeren Oszilloskops zu triggern. Ein elektronischer Zeiger liefert ein manuell gesteuertes Signal, mit dem Analogausgang
synchronisiert, welches die Wiedergabe einer Markierung auf der Anzeige des Kathodenstrahloszilloskops ermöglicht. Diese
Markierung wird der Z-Achse der Anzeige zugeordnet.
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Ein Digitalkomparator 15 liefert einen Ausgang, sobald die Differenz zwischen den Daten in den Reservespeichern 1OA
und 1OB einen voreingestellten Pegel überschreitet, und ein
Adressenschalter 16 wird verwendet, um die Speicherstelle (Adresse) zu speichern, an der entweder der Digitalkomparator
15 ein Ausgangssignal liefert oder der elektronische Zeiger 14 eingestellt ist. Die im Adressenschalter 16 gespeicherte
Adresse wird umgewandelt in ein Zeitmaß (bezogen auf die Zeit, bei welcher der Impulsgenerator 5 getriggert wurde), damit
sich eine direkte Ablesung der Laufzeit bis zur Fehlerstelle auf einer numerischen Anzeige 17 ergibt. Diese numerische
Anzeige wird vorzugsweise verwendet, um das Zeitmaß in ein direktes Streckenmaß durch Einprogrammierung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
umzuwandeln.
Eine Digitalausgangskopplung 18 wird verwendet, damit
die in den Reservespeichern 1OA und 1OB gespeicherten Daten an eine entfernt^gelegene Stelle zur Anzeige oder Verarbeitung
Übertragen werden können.
Die Steuereinheit 19 weist einen Hauptzeitgeber (nicht
dargestellt) auf und liefert die Adressen-, Freigabe- und Lese-/Schreibe-Signale
für die Speicher und steuert zusätzlich die Energiezufuhren, um den Leistungsabfall auf ein Mindestmaß
herabzusetzen, wenn einmal die Daten in den Reservespeichern 1OA und 1OB gehalten sind. Durch die Steuereinheit
wird der Erfassungsspeicher 8 angesteuert, bevor der Impulsgenerator
5 getriggert wird, und die Steuereinheit prüft auch, daß die Spannungs- und Stromsignale sich während der Aufzeichnungszeit
nicht ändern. Ist die Aufzeichnung vollendet, dann Überträgt die Steuereinheit 19 die Daten vom Erfassungsspeicher
8 in einen der Reservespeicher 1OA und 1OB und stellt sich dann entweder zurück für die Vorbereitung zur Durchführung einer
zweiten Aufzeichnung unter anderen Spannungs- und Strombedingungen oder leitet den Digital-Vergleichsvorgang ein,
wenn beide Reservespeicher Daten enthalten. Wenn der Digital-
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komparator 15 keinen wesentlichen Unterschied der Daten in den beiden Reservespeichern 1OA und 1OB feststellt, dann stellt
sich die Steuereinheit zurück, und der ganze Aufzeichnungsvorgang beginnt von neuem.
Im schematischen Blockschaltbild nach Fig. 4 sind die
XYZ-Ausgänge für die Anzeige des Kathodenstrahloszilloskops
dargestellt, aber das Kathodenstrahloszi1loskop selbst ist
nicht gezeigt. Die Ausgänge der numerischen Anzeige 17 und der Digital kopplung 18 sind ebenfalls dargestellt.
Wenn geschriebene Aufzeichnungen erforderlich sind, dann können die Analogausgänge alternativ oder zusätzlich dazu verwendet werden, einen Schreiber anzutreiben.
Bei Verwendung der Vorrichtung bzw. Schaltungsanordnungen
nach Fig. 4 zur Ermittlung eines Fehlers in einem Niederspannungskabels wird die Steuereinheit 19 normalerweise so eingestellt, daß sie automatisch Aufzeichnungen herstellt für die
beiden Zustände "Kabel lebendig und gesund" und "Kabel lebendig und fehlerhaft". Der Vorteil des Vergleichs der "gesunden" und
"fehlerhaften" Spuren, die erhalten werden, wenn das Niederspannungskabel strombeaufschlagt wird, ist,daß beide Aufzeichnungen
zum gleichen Ausmaß durch andere Kabel oder Einrichtungen beeinträchtigt werden, die parallel zu dem zu prüfenden Kabel
geschaltet sind. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß es auch möglich ist, die Aufzeichnungen manuell zu steuern oder zu kontrollieren, so daß
die gleiche Einrichtung dazu verwendet werden kann, konventionelle "Vor"- und"Nach"-Spuren zu speichern.
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Claims (10)
- PATENTANWALT Friedrich-Ebert-Str.DIPL-ING. ROLF PÜRCKHAUER JTSJn 1S*28 ,9QC^?fiR D-5900S.egen149\)vlf>Q0 Telefon (0271) 331Θ7ΟTelegramm-Anschrift: Patschub. Siegen80 017 Kü/u BICC LiiBi ted P 29 53 Z66.9 2tL * 198°Patentansprüche( l.yVerfahren zum Ermitteln und Lokalisieren eines Fehlers in einem elektrischen Kabel oder in einer Kabelinstallation unter Verwendung einer Impulsechotechnik, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:a) Schrittschaltfunktions- oder Einzelpulse werden in das Kabel oder in die Kabelinstallation injiziert,b) das unter zwei unterschiedlichen Zuständen des Kabels erhaltene Impuls/Echo-Signal wird digital dargestellt und gespeichert, undc) die unter den beiden Zuständen bzw. Bedingungen erhaltenen Signale werden wiedergewonnen und verglichen, wodurch die Stelle des Fehlers lokalisiert wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden unterschiedlichen Zustände bzw. Bedingungen des Kabels, aus denen ein Impuls/Echo-Signal erhalten werden kann und digital dargestellt und gespeichert wird, der Zustand vor Erscheinen des Fehlers und der Zustand nach Erscheinen des Fehlers sind.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden unterschiedlichen Zustände bzw. Bedingungen des Kabels, aus welchen ein Impuls/Echo-Signal erhalten werden kann und digital dargestellt und gespeichert wird, der Zustand vor dem Konditionieren des Fehlers und der Zustand nach dem Konditionieren des Fehlers sind.030048/0552OR(GiNAL INSPECTED
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung darüber, ob das Kabel "in Betrieb und gesund" oder "in Betrieb und fehlerhaft" ist, dadurch ausgeführt wird, daß ein digitales Impulssignal erhalten wird, welches anzeigt, daß eine Spannung am Kabel liegt, daß ein zweites digitales Impulssignal erhalten wird, welches durch eine Reihe von Impulsen anzeigt, wann der Strom im Kabel über dem normalen Belastungsstrom liegt, und daß diese beiden Signale in einem NAND-Verknüpfungsglied durchgeschaltet werden, um ein Signal zu erhalten, welches den Zustand des Kabels wiedergibt.
- 5. Vorrichtung zum Ermitteln und Lokalisieren eines Fehlers in einem elektrischen Kabel oder in einer Kabelinstal1ation unter Verwendung einer Impuls-Echo-Technik, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Injizieren von Schrittschaltfunktions· oder Einzel impulsen in ein Kabel oder eine Kabelinstallation, durch eine Einrichtung zum digitalen Darstellen und Speichern des unter zwei unterschiedlichen Zuständen bzw. Bedingungen des Kabels erhaltenen Impuls/Echo-Signals und durch eine Einrichtung zum Wiedergewinnen der unter den beiden Zuständen bzw. Bedingungen erhaltenen Signale, zum Vergleich derselben und somit zum Lokalisieren der Fehlerstelle.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese außerdem eine Einrichtung enthält, die ermittelt, ob das Kabel "in Betrieb und gesund" oder "in Betrieb und fehlerhaft" ist, und zwar durch Erhalten eines digitalen Impulssignals, welches anzeigt, daß eine Spannung am Kabel liegt, ferner durch Erhalten eines zweiten digitalen Impulssignals, welches durch eine Reihe von Impulsen anzeigt, wann der Strom im Kabel Über dem normalen Laststrom liegt, und durch Verarbeitung dieser beiden Signale in einem NAND-Verknüpfungsgl ied,um ein Signal zu erhalten, welches den Zustand des Kabels wiedergibt.030048/0552
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Einrichtung für eine Langzeitspeicherung von aufgezeichneten Wellenformen enthält, derart, daß Daten für lange Zeitperioden aufbewahrt werden können.
- 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine Wiedergabevorrichtung.
- 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese von einer Batterie betrieben wird, die durch Pufferladung aus dem Netz für das zu prüfende Kabel aufgeladen wird.
- 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese von einem Netz gespeist wird, welches nicht auf der gleichen Phase oder im gleichen Stromkreis wie das zu prüfende Kabel liegt.030048/0552
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