KR20210092791A - 개폐장치용 변류기 모듈 및 상응하는 개폐장치 - Google Patents

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지멘스 에너지 글로벌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 전류 경로의 튜브형 인클로저(tubular enclosure)를 구비한 개폐장치, 특히 가스 절연 개폐장치를 위한 변류기 모듈(10)에 관한 것으로, 상기 변류기 모듈은, 2개의 전기 전도성 단부편(16, 18)을 구비하며 튜브형 인클로저의 적어도 하나의 섹션을 형성하기 위한 튜브형 메인 요소(12)와; 상기 튜브형 메인 요소(12) 상에 배치되어 튜브형 메인 요소(12)를 원주방향으로 에워싸는 적어도 하나의 환형 변류기 유닛(28);을 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 변류기 유닛(28) 또는 변류기 유닛들(28) 중 적어도 하나는, 제로 플럭스 전류 측정 기술을 이용한 전류 측정을 위한 제로 플럭스 변류기 유닛(30)으로서 형성된다. 또한, 본 발명은 전류 경로의 튜브형 인클로저 및 상기 유형의 변류기 모듈(10)을 구비한 상응하는 개폐장치에 관한 것이다.

Description

개폐장치용 변류기 모듈 및 상응하는 개폐장치
본 발명은 전류 경로의 튜브형 인클로저(tubular enclosure)를 구비한 개폐장치(switchgear), 특히 가스 절연 개폐장치를 위한 변류기 모듈(current transformer module)에 관한 것으로, 상기 변류기 모듈은 튜브형 인클로저의 적어도 하나의 섹션을 형성하기 위한 튜브형 메인 요소(tubular main element)와, 상기 튜브형 메인 요소를 원주방향으로 에워싸는 적어도 하나의 환형 변류기 유닛을 포함한다.
또한, 본 발명은 전류 경로의 튜브형 인클로저 및 상기 유형의 변류기 모듈을 포함하는 상응하는 개폐장치에 관한 것이다.
특허 공보 DE 10 2005 005 445 A1호는 전류 경로의 튜브형 인클로저를 구비한 가스 절연 개폐장치를 위한 변류기 모듈을 개시하고 있다. 변류기 모듈은 튜브형 인클로저의 적어도 하나의 섹션을 형성하기 위한 튜브형 메인 요소와, 상기 튜브형 메인 요소를 원주방향으로 에워싸는 복수의 환형 코어를 포함한다. 독일 공보 DE 10 2015 210 135 A1호는 유사하게 구성된, 튜브형 인클로저를 구비한 변류기 모듈을 개시하고 있다. 상기 유형으로 구성된 변류기들은 교류(alternating current) 애플리케이션에 사용된다.
독일 공보 DE 10 2015 214 043 A1호는, 가공선 회로(overhead line circuit)용 제로 플럭스 변류기(zero flux current transformer)를 구비한 어셈블리를 개시하고 있으며, 상기 어셈블리에서 변류기는 제로 플럭스 전류 측정 기술을 이용한 DC 전류 측정을 위한 제로 플럭스 변류기로서 환형 코어 하우징 내에 배치된다.
본 발명의 과제는, 튜브형 인클로저를 구비한 개폐장치용 변류기 모듈을 위한 새로운 적용 분야를 도출하는 조치를 제시하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들의 특징들에 의해 해결된다. 바람직한 구현예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다.
전류 경로의 튜브형 인클로저를 구비한 개폐장치, 특히 가스 절연 개폐장치를 위한 본 발명에 따른 변류기 모듈의 경우, 개폐장치는 (i) 2개의 전기 전도성 단부편(end piece)을 구비하며 튜브형 인클로저의 적어도 하나의 섹션을 형성하기 위한 튜브형 메인 요소와, (ii) 튜브형 메인 요소 상에 배치되어 튜브형 메인 요소를 원주방향으로 에워싸는 적어도 하나의 환형 변류기 유닛을 포함한다. 또한, 변류기 유닛 또는 변류기 유닛들 중 적어도 하나는, 제로 플럭스 전류 측정 기술을 이용한 전류 측정을 위한 제로 플럭스 변류기 유닛으로서 형성된다. 제로 플럭스 전류 측정 기술은 DC 전류 측정도 가능하게 한다. 따라서, 상기 조치를 통해 변류기 모듈의 적용 스펙트럼이 명백히 확장된다. 특히 모든 변류기 유닛이 제로 플럭스 변류기 유닛으로서 형성된다.
제로 플럭스 측정 원리에 따라 작동하는 전류 센서들(AC/DC zero-flux current sensor)이 공지되어 있다. 상기 센서들의 중심 구조를 대개 제로 플럭스 변류기 유닛(zero-flux current transformer unit)이라고도 지칭할 수 있다. 도입부에 언급한 독일 공보 DE 10 2015 214 043 A1호는 보상 권선, 검출 권선, 및 환형 코어 하우징을 구비한 제로 플럭스 변류기 유닛을 포함한 어셈블리를 개시하고 있다.
튜브형 메인 요소의 단부편들은 바람직하게는 플랜지로서 형성되며, 이들 플랜지를 통해 튜브형 메인 요소가 개폐장치의 2개의 다른 컴포넌트 사이에 고정("중간 플랜지 결합")될 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 구현예에 따라, 튜브형 메인 요소는 일 섹션 내에 절연 요소를 가지며, 이 절연 요소는 튜브형 메인 요소의 양 단부편을 메인 요소 내부적으로 서로 전기 절연한다. 일반적으로 환형이거나 튜브형인 절연 요소는 축 방향으로 양측에서 메인 요소의 금속 전도 컴포넌트들로 에워싸인다.
기본적으로, 단부편들 사이에 튜브형 메인 요소의 완전한 중간 부재가 절연 요소로 형성되는 점, 즉, 튜브형으로 형성된 상기 절연 요소가 메인 요소의 튜브 섹션(tube section)으로서 일측 단부편에서부터 타측 단부편까지 연장되는 점을 생각해볼 수 있다. 그러나 특히, 단부편들 사이에 배치된 메인 요소의 튜브 섹션은 실질적으로 금속 튜브 피스(tube piece)로 형성되며, 상기 튜브 섹션 내에는 절연 요소를 포함한 섹션의 내부에 원주방향 절연 갭이 형성된다. 절연 갭은, 절연 요소의 내부 또는 외부에서 바람직하게는 단부편들 중 하나와 금속 튜브 피스 사이에 형성된다. 변류기 모듈 내지 이 변류기 모듈의 메인 요소는 특히 가스 절연 개폐장치에서 사용하기 위한 기밀 어셈블리이다. 이 경우, 가스 기밀도는 바람직하게 30bar이하의 범위이다.
메인 요소는 적어도 하나의 변류기 유닛이 배치된 베이스이다.
이 경우, 바람직하게는, 적어도 하나의 변류기 유닛이, 금속 튜브 피스에 의해 형성되는, 튜브형 메인 요소의 섹션 내에 배치된다. 상기 섹션은 일반적으로 튜브형 절연 요소를 구비한 섹션보다 기계적으로 하중 지지 능력이 더 강하다.
특히 바람직하게, 절연 갭은, 변류기 모듈 또는 이 변류기 모듈의 메인 요소의 축방향 전체 길이의 최대 1/10(≤ 1/10)에 상응하는 폭을 갖는다. 협폭의 절연 갭을 위해 짧은 절연 요소만 있어도 된다. 튜브형 메인 요소의 나머지 부분은 내구성이 상대적으로 더 높은 재료, 특히 금속으로 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따라, 메인 요소는 절연 요소를 포함한 섹션 내에 전극을 구비한다. 이 전극은 차폐 전극으로서 또는 커패시터의 전극으로서 해석될 수 있다.
바람직하게는, 복수의 변류기 유닛이 제공되며, 변류기 모듈은 상기 변류기 유닛들을 위한 하나의 공통 접속 배선함(junction box)을 포함한다. 모듈형 구조를 통해, 변류기 유닛들을 위한 접속 옵션들이 사전 조립될 수 있다. 접속 배선함은 특히 단자함(terminal box)으로서 형성된다.
바람직하게는, 변류기 모듈이 적어도 하나의 전기 전도성 연결 요소를 포함하며, 이 연결 요소는 적어도 하나의 변류기 유닛의 외측 둘레를 감싸는 형태로 안내되고 튜브형 메인 요소의 양 단부편을 전기 전도 방식으로 연결한다. 상기 전도성 연결 요소는 특히 적어도 하나의 변류기 유닛을 에워싸는 변류기 케이싱(current transformer casing)으로서 형성된다. 양 단부편 사이에 수 킬로암페어 이하의 전류가 흐르면, 상기 전류는 적어도 하나의 변류기 유닛의 외측 둘레를 흐르며, 전류 경로를 따라 흐르는 전류와 별도로 검출될 수 있다.
마지막으로 모듈과 관련하여 바람직하게는, 적어도 하나의 환형 변류기 유닛이 튜브형 메인 요소 상에, 특히 금속 튜브 피스 상에, 그리고 튜브형 도체(tubular conductor)에 대해 중앙에 고정된다. 바람직하게는, 적어도 하나의 환형 변류기 유닛이 튜브형 메인 요소 상에 고정 주조된다. 변류기 유닛들과 관련하여 메인 요소는 캐리어이다. 추가 캐리어는 불필요하다.
전류 경로의 튜브형 인클로저를 구비한 본 발명에 따른 개폐장치, 특히 가스 절연 개폐장치의 경우, 상기 개폐장치는 전술한 변류기 모듈을 포함한다. 상기 변류기 모듈은 차폐 장치의 2개의 추가 컴포넌트 사이에 간단하게 완전히 "중간 플랜지 결합된다".
하기에서는 본 발명의 실시예들이 도면들에 개략적으로 도시되고, 이어서 더 상세하게 기술된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 변류기 모듈의 측단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 변류기 모듈의 단면도이다.
도 1에는, (미도시한) 개폐장치, 더 정확히 말하면 가스 절연 개폐장치 내 장착을 위한 변류기 모듈(10)이 도시되어 있다. 상기 개폐장치는 특히 (마찬가지로 명시되지 않은) 전류 경로의 튜브형 인클로저를 포함하며, 이는 튜브형 도체라고도 지칭된다. 상기 튜브형 인클로저의 영역 내에 이제 변류기 모듈(10)이 장착된다. 변류기 모듈(10)의 베이스는, 축(14)을 따라 연장되는 튜브형 메인 요소(12)이다. 변류기 모듈(10)이 장착되면, 메인 요소(12)는 튜브형 인클로저의 섹션 또는 튜브형 도체의 외부 튜브의 섹션을 형성한다. 그런 다음, 전류 경로를 기설정하는 상응하는 도체가 축(14)을 따라 연장된다. 즉, 개폐장치 내에 장착된 변류기 모듈(10)은 전류 경로의 튜브형 인클로저의 일부분을 형성한다. 이 경우, 상기 전류 경로는 일반적으로 축(14)을 따라서 연장된다. 이러한 목적으로, 튜브형 메인 요소(12)는 전기 전도성 단부편들(16, 18)을 가지며, 이들 단부편은 플랜지(20, 22)로서 형성된다. 상기 플랜지들(20, 22)을 통해 튜브형 메인 요소(12)가 개폐장치의 2개의 다른 컴포넌트 사이에 중간 플랜지 결합될 수 있다. 이런 방식으로 모듈(10)은 튜브형 인클로저의 일부가 된다. 단부편들(16, 18) 사이의 튜브 섹션(24)은 튜브형 메인 요소(12)의 중간 부분을 형성한다. 튜브형 메인 요소(12)의 내부는 가스 절연 개폐장치의 보호 가스용 가스 챔버(26)를 형성한다.
또한, 변류기 모듈(10)은 복수(여기서는 3개)의 환형 변류기 유닛(28)을 포함하며, 이들 변류기 유닛은 모두 제로 플럭스 변류기 유닛(30)으로서 형성되어 튜브형 메인 요소(12)에 배치된다. 이 경우, 변류기 유닛들(28, 30) 각각은 변류기 유닛(28, 30)의 형태를 실질적으로 결정하는 변류기 코어로써 원주방향으로 튜브형 메인 요소(12)를 에워싼다. 또한, 변류기 모듈(10)은, 적어도 변류기 유닛들(28, 30)을 에워싸면서 튜브형 메인 요소(12)의 양 단부편(16, 18)을 전기 전도 방식으로 연결하는 변류기 케이싱 형태의 전기 전도성 연결 요소(32)를 포함한다. 양 단부편(16, 18) 사이에 전류가 흐르면, 상기 전류는 튜브형 메인 요소(12)를 통해 흐르는 것이 아니라, 변류기 유닛들(28, 30)의 외측 둘레로 흐르며 이들 변류기 유닛에 의해 검출되지 않는다. 따라서, 변류기 유닛들(28, 30)은 튜브형 메인 요소(12) 내부의 전류 경로의 전류만 검출한다. 변류기 케이싱 외측에는 모든 변류기 유닛(28, 30)을 위한 하나의 공통 접속 배선함(34)이 장착된다.
튜브형 메인 요소(12)는, 이미 명시한 것처럼, 축(14)을 따라 연속으로 전도성을 갖지는 않는다. 달리 말하면, 제1 단부편(16)은 제2 단부편(18)과 전기 절연된다. 이를 목적으로, 전체 튜브 섹션(24)이 아닌, 단지 튜브 섹션의 대부분만 금속 튜브 피스(36)로서 형성된다. 상기 금속 튜브 피스는 축방향으로 단부편들 중 제2 단부편(18)에서부터 단부편들 중 제1 단부편(16)의 방향으로 연장되나 상기 제1 단부편까지 다다르지는 않는다. 금속 튜브 피스(36)로부터 제1 단부편(18)으로의 전이부는 튜브형 절연 요소(38)(절연부)를 통해 생성된다. 상기 튜브형 절연 요소는 예컨대 GFRP 재료(GFRP: 유리 섬유 강화 플라스틱)로 제조된다.
금속 튜브 피스(36)의 내면 상에는, 튜브 피스(36) 및 단부편(18) 또는 플랜지(22)와 함께 하나의 유닛을 형성하는 폐쇄 링(40)(closing ring)이 위치한다. 상기 유닛은 특히 서로 일체형으로 연결된 컴포넌트들(18, 22, 36, 40)로 구성된 유닛이며, 바람직하게는 주조 부품으로서 실현된다. 폐쇄 링(40)과 제1 단부편(16) 사이에는, 제1 단부편(16)과 전도 방식으로 연결되고 차폐 전극으로서도 해석될 수 있는 전극(42)에 의해 안쪽을 향해 덮인 절연 요소(38)가 장착된다. 그러나 상기 전극은 폐쇄 링(40)까지 다다르지는 않는다. 전극(42)과 절연 요소(38) 또는 폐쇄 링(40) 사이에 유전체 층이 위치하는 일종의 커패시터 권선(44)이 형성된다.
도 2에는, 도 1에 도시된 변류기 모듈(10)의 단면도가 도시되어 있다. 그러나 여기서는 축(14)까지 [접속 배선함(34)을 포함한] 상부 부분만 도시되어 있다. 이 도면에서는, 변류기 유닛(28)의 위치를 잘 인지할 수 있다. 요컨대 모든 변류기 유닛(28)은 금속 튜브 피스(36) 상에 단단하게 주조되어 고정되며, 여기에 상기 변류기 유닛들이 안정적으로 파지된다. 금속 튜브 피스(36) 자체는 섹션(A)에서 제2 단부편(18)으로부터 제1 단부편(16)의 방향으로 연장되나 상기 제1 단부편에 다다르지는 않는다. 금속 튜브 피스(36)와 제1 단부편(16) 사이에는 환형 갭으로서 형성된 절연 갭(46)이 남아 있다. 이 갭(46)은 절연 요소(38)의 외측에 위치하고, 이 절연 요소는 제1 단부편(16)으로부터 축방향으로 나아가는 섹션(S) 내에 위치한다. 상기 갭(46)은 변류기 모듈(10) 또는 메인 요소(12)의 축방향 전체 길이에 비해 전체적으로 매우 작은 폭(B)을 갖는다.
변류기 유닛들(28)이 제로 플럭스 변류기 유닛(30)으로서 형성됨으로써, 이제 (통상적인 AC 전류 측정에 추가로) DC 전류 측정도 가능하다. 다시 말해, 변류기 유닛들(28)은 제로 플럭스 전류 측정 기술을 이용한 DC 전류 측정용 제로 플럭스 변류기 유닛들(30)이다.
하기에서는, 본 발명에 따른 해결책과 그 구현예들이 이제 한 번 더 일반적인 표준 구조와 비교된다.
상기 표준 구조의 경우, 튜브형 인클로저의 튜브 요소 상으로 "끼워지는" 환형 코어들을 가진 별도의 변류기 모듈이 존재한다. 즉, 이는, 본 발명에 따른 변류기 모듈과 같이, 서로 연결된 컴포넌트들인 메인 요소와 변류기 유닛을 포함한 사전 조립형 모듈은 아니다.
상기 표준 구조의 문제는, 공간을 많이 차지하고 비용이 많이 들며 기술적으로 최적으로 해결되지 않는다는 점이다. 상기 종래 구조의 경우, 코어들은 (특히 근해(offshore)용 애플리케이션의 경우) 환경 영향에 직접적으로 노출된다. 공간 요구도가 매우 높은데, 그 이유는 코어들이 개별적으로 고가의 GIS 절연 블록 상에 더 먼 거리를 두고 장착되어야 하기 때문이다.
또한, 표준 구조에서는 하기와 같이 중요한 전기 특성 변수들이 검출되지 않는다.
1. 단락 시, 전류가 하우징을 거쳐서 유도되지 않기 때문에, 상기 전류는 측정되지 않는다.
2. 급과도 전압(fast transient voltage)이 전송되거나 측정되지 않는다.
본 발명에 따른 해결책은 이제 DC 애플리케이션용으로 사용될 수 있는데, 그 이유는 제로 플럭스 원리를 이용하는 코어들을 가진 변류기 유닛들(30)이 사용되기 때문이다. 이를 위해, 기존의 유도성 코어가 부분 전자 제로 플럭스 시스템으로 대체된다.
외측에 놓인 변류기 유닛들(30)은 표준 구조의 다음과 같은 별도의 모듈들을 대체한다.
1. 코어들의 조립을 위한 절연 모듈들. 여기서 변류기 모듈(10) 내에는 사용된 절연 요소(38)에 의해 분리 갭(46)이 제공되며, 이 분리 갭은 경우에 따른 단락 전류가 메인 요소(12)를 통해 전도되는 것을 방지한다. 단락 전류는 변류기 케이싱으로서 형성된 연결 요소(32)의 용접된 판금 케이싱을 통해 안내된다. 따라서 상기 전류는 별도로 검출될 수 있다.
2. 표준 구조에서 일반적인, 개별 코어들의 개별 접속 배선함 내지 단자함. 여기서는 모든 케이블이 하나의 공통 접속 배선함 내지 단자함(34) 내에서 묶여서 배선된 다음 평가 유닛으로 안내될 수 있다.
3. 표준 구조에서 일반적인 코어들의 고정. 변류기 유닛들 내지 이들의 코어들은 모듈에서 코어 캐리어로서의 메인 요소(12) 상에 단단히 주조된다. 이때, 상기 변류기 유닛들 내지 이들의 코어들은 바닥부에 나사 결합된다.
따라서, 하기 장점들이 달성된다.
변류기 모듈(10)에서는 이제 전체 시스템으로서의 모듈의 예비 검사가 가능하다. 출고 전에 완전한 시스템의 사전 검사가 수행될 수 있는데, 그 이유는 변류기가 완전한 시스템으로서, 요컨대 변류기 모듈(10)로서 설치될 수 있기 때문이다. 따라서, 정확한 측정값 검출이 보장되고 사전 검사된다.
급준 과도 과전압(VFT: very fast transient)에 대한 차폐가 제공된다. 이는 변류기 모듈(10) 내에서 절연 갭(46) 내의 커패시터 권선(44)에 의해 해결되며, AC 애플리케이션에서 검증되었다.
10: 변류기 모듈
12: 메인 요소, 튜브형
14: 축
16: 단부편
18: 단부편
20: 플랜지
22: 플랜지
24: 튜브 섹션
26: 가스 챔버
28: 변류기 유닛
30: 제로 플럭스 변류기 유닛
32: 연결 요소
34: 접속 배선함
36: 튜브 피스, 금속
38: 절연 요소
40: 폐쇄 요소, 환형
42: 전극
44: 커패시터 권선
46: 절연 갭
A: 섹션
B: 폭
S: 섹션

Claims (10)

  1. 전류 경로의 튜브형 인클로저를 구비한 개폐장치, 특히 가스 절연 개폐장치를 위한 변류기 모듈(10)로서,
    - 2개의 전기 전도성 단부편(16, 18)을 구비하며 튜브형 인클로저의 적어도 하나의 섹션을 형성하기 위한 튜브형 메인 요소(12); 및
    - 상기 튜브형 메인 요소(12) 상에 배치되어 튜브형 메인 요소(12)를 원주방향으로 에워싸는 적어도 하나의 환형 변류기 유닛(28);
    을 포함하는 개폐장치용 변류기 모듈에 있어서,
    변류기 유닛(28) 또는 변류기 유닛들(28) 중 적어도 하나는, 제로 플럭스 전류 측정 기술을 이용한 전류 측정을 위한 제로 플럭스 변류기 유닛(30)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 개폐장치용 변류기 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 튜브형 메인 요소(12)는 일 섹션(S) 내에 절연 요소(38)를 가지며, 상기 절연 요소는 튜브형 메인 요소(12)의 양 단부편(16, 18)을 메인 요소 내부적으로 서로 전기 절연하는 것을 특징으로 하는, 개폐장치용 변류기 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 단부편들(16, 18) 사이에 배치된 튜브형 메인 요소(12)의 튜브 섹션(24)은 실질적으로 금속 튜브 피스(36)로 형성되며, 튜브 섹션(24) 내에서 절연 요소(38)를 구비한 섹션(S) 내부에 원주방향 절연 갭(46)이 형성되는 것을 특징으로 하는, 개폐장치용 변류기 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 변류기 유닛(28)은, 금속 튜브 피스(36)가 내부에 배치되어 있는, 튜브형 메인 요소(12)의 섹션(A) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 개폐장치용 변류기 모듈.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 절연 갭(46)은, 변류기 모듈(10)의 축방향 전체 길이의 최대 1/10에 상응하는 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 개폐장치용 변류기 모듈.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 메인 요소(12)는 절연 요소(38)를 포함한 섹션(S) 내에 전극(44)을 구비한 것을 특징으로 하는, 개폐장치용 변류기 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 변류기 유닛(30); 및 상기 변류기 유닛들(30)을 위한 하나의 공통 접속 배선함(34);을 특징으로 하는, 개폐장치용 변류기 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 변류기 유닛(28)의 외측 둘레를 감싸는 형태로 안내되고 튜브형 메인 요소(12)의 양 단부편(16, 18)을 전기 전도 방식으로 연결하는 적어도 하나의 전기 전도성 연결 요소(32)를 특징으로 하는, 개폐장치용 변류기 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 환형 변류기 유닛(28)은 튜브형 메인 요소(12) 상에, 특히 금속 튜브 피스(36) 상에 고정되는 것을 특징으로 하는, 개폐장치용 변류기 모듈.
  10. 전류 경로의 튜브형 인클로저를 구비한 개폐장치, 특히 가스 절연 개폐장치에 있어서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 변류기 모듈(10)을 특징으로 하는, 개폐장치.
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