继电保护原理简单介绍(1)，继电保护原理

1、 110kV及以下电压等级的线路保护

1.1 距离保护

在线路一端装设保护，能测量出故障点至保护安装处的距离并与保护范围对应的距离比较，可判断出故障点的位置，从而决定保护行为。这种方式显然不受运行方式和接线的影响。这样构成的保护就是距离保护。距离保护的I、II段可以在任何形状的多电源网络中保证动作的选择性，具有较高的灵敏度;但不能实现全线瞬动。

距离保护一般具有振荡闭锁功能，用来防止系统振荡时距离保护误动作。系统振荡时，振荡闭锁不能开放，保护被可靠闭锁;发生短路故障时，振荡闭锁灵敏、快速开放，不影响保护正确动作。但在振荡中发生短路故障时，振荡闭锁应该迅速开放，以便快速切除保护区内的短路故障。

为了防止误动作，距离保护还设置了反应二次电压回路断线闭锁功能。在程序进而故障处理之前的自检过程中，就对电压互感器二次电压回路是否断线失压进行检测，一旦检测到二次电压回路断线失压就闭锁保护，并发出断线告警信号。

距离保护按照反应故障类型分类，可以分为相间距离保护和接地距离保护，相间距离保护可以反应三相短路、两相短路和两相接地短路;接地距离保护可以反应单相接地短路。

距离保护的动作特性，有园形、直线形、四边形(多边形)、椭圆形、双曲线形、复合型阻抗特性等阻抗动作特性。因四边形特性阻抗特性具有反应故障点过渡电阻能力强、避越符合阻抗能力好、在 微机中实现容易等特点，所有四边形特性阻抗继电器应用非常广泛。

1.2零序过流保护

中性点直接接地系统发生接地短路，将产生很大的零序电流，利用零序电流分量构成保护，可以作为一种主要的接地短路保护。

在中性点直接接地系统的多电源网络中，由于电源处变压器的中性点至少有一台要接地运行，因此，当不同地点发生接地故障时，零序电流也有一个方向问题。为了保证零序电流保护的选择性，需要增加方向元件。

在中性点直接接地系统中，由于接地故障的几率比较高，采用专门的零序电流保护来保护接地短路，将利用三相星形接地的相间电流保护来保护接地短路具有如下优势：

1)零序电流速断保护的保护范围较相间电流速断保护范围长且稳定;

2)零序电流限时速断保护在某些情况下可能加速动作;

3)零序过流保护比相间短路的过流保护动作时间短，灵敏度高;

4)保护安装处附近发生短路时，相间短路保护的方向元件有电压死区，而零序方向元件此时动作最灵敏;

5)当PT断线时，相间短路的方向元件有可能误动作，而零序方向元件不会;

6)当系统振荡、短时过负荷时，系统三相对称，不会出现零序分量，零序保护不会误动作，而相间短路的电流不会将受影响。

零序过流保护不反应三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。但零序过流保护受电力系统运行方式变换影响较大，灵敏度因此降低，特别是短距离线路上以及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。

当零序电流保护不能满足电流系统要求时，应装设接地距离保护，接地距离保护的保护范围比较固定，对本线路和相邻线路的保护效果都会有所改善。

1.3 过电流保护

过电流保护反应短路的基本特征，即反应电流突然增大，母线电压突然降低。过流保护一般由瞬时段、定时段组成，构成三段式保护阶梯特性。三段式电流保护一般用于110kV及以下电压等级的单电源出线，对于双电源辐射线路可以加方向元件组成带方向闭锁的各段保护。

三段式保护的I、II段为主保护段，III段为后备保护段。I段一般不带时限，称瞬时电流速断，其动作时间是保护装置固有动作时间;II段带较小延时，一般称延时电流速断;III段称定时限过电流保护，带较长延时。

当系统运行方式变换比较大时，线路电流变换的I、II段可能在保护区和灵敏度方面不满足要求。考虑到线路上发生短路故障时，母线电压的变化一般比流过保护的短路电流的变化大，为此，可以采用电流电压联锁保护，这种保护既反映电流的增大，也反映电压的降低，保护的测量元件由电流继电器和电压继电器共同组成，他们的节点构成“与”的关系。

为了提供过电流保护的灵敏度，可以将过流定值适度降低，并增加低电压闭锁。这样即提高了保护的灵敏度，又因为非故障时电压闭锁使保护不会误动作。

随着电力工业的发展和用户对供电可靠性要求的提高，现代的电力系统实际上是由多电压组成的复杂网络。简单的电流保护已经不能满足系统运行的要求，要求在双电源线路的电流保护设置方向元件。线路电流保护的方向元件规定短路功率方向由母线指向线路为正方向，反之为反方向。方向元件在双侧电源辐射网络这单侧电源环行网络中，都具有选择性。

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1、 110kV及以下电压等级的线路保护

1.1 距离保护

在线路一端装设保护，能测量出故障点至保护安装处的距离并与保护范围对应的距离比较，可判断出故障点的位置，从而决定保护行为。这种方式显然不受运行方式和接线的影响。这样构成的保护就是距离保护。距离保护的I、II段可以在任何形状的多电源网络中保证动作的选择性，具有较高的灵敏度;但不能实现全线瞬动。

距离保护一般具有振荡闭锁功能，用来防止系统振荡时距离保护误动作。系统振荡时，振荡闭锁不能开放，保护被可靠闭锁;发生短路故障时，振荡闭锁灵敏、快速开放，不影响保护正确动作。但在振荡中发生短路故障时，振荡闭锁应该迅速开放，以便快速切除保护区内的短路故障。

为了防止误动作，距离保护还设置了反应二次电压回路断线闭锁功能。在程序进而故障处理之前的自检过程中，就对电压互感器二次电压回路是否断线失压进行检测，一旦检测到二次电压回路断线失压就闭锁保护，并发出断线告警信号。

距离保护按照反应故障类型分类，可以分为相间距离保护和接地距离保护，相间距离保护可以反应三相短路、两相短路和两相接地短路;接地距离保护可以反应单相接地短路。

距离保护的动作特性，有园形、直线形、四边形(多边形)、椭圆形、双曲线形、复合型阻抗特性等阻抗动作特性。因四边形特性阻抗特性具有反应故障点过渡电阻能力强、避越符合阻抗能力好、在 微机中实现容易等特点，所有四边形特性阻抗继电器应用非常广泛。

1.2零序过流保护

中性点直接接地系统发生接地短路，将产生很大的零序电流，利用零序电流分量构成保护，可以作为一种主要的接地短路保护。

在中性点直接接地系统的多电源网络中，由于电源处变压器的中性点至少有一台要接地运行，因此，当不同地点发生接地故障时，零序电流也有一个方向问题。为了保证零序电流保护的选择性，需要增加方向元件。

在中性点直接接地系统中，由于接地故障的几率比较高，采用专门的零序电流保护来保护接地短路，将利用三相星形接地的相间电流保护来保护接地短路具有如下优势：

1)零序电流速断保护的保护范围较相间电流速断保护范围长且稳定;

2)零序电流限时速断保护在某些情况下可能加速动作;

3)零序过流保护比相间短路的过流保护动作时间短，灵敏度高;

4)保护安装处附近发生短路时，相间短路保护的方向元件有电压死区，而零序方向元件此时动作最灵敏;

5)当PT断线时，相间短路的方向元件有可能误动作，而零序方向元件不会;

6)当系统振荡、短时过负荷时，系统三相对称，不会出现零序分量，零序保护不会误动作，而相间短路的电流不会将受影响。

零序过流保护不反应三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。但零序过流保护受电力系统运行方式变换影响较大，灵敏度因此降低，特别是短距离线路上以及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。

当零序电流保护不能满足电流系统要求时，应装设接地距离保护，接地距离保护的保护范围比较固定，对本线路和相邻线路的保护效果都会有所改善。

1.3 过电流保护

过电流保护反应短路的基本特征，即反应电流突然增大，母线电压突然降低。过流保护一般由瞬时段、定时段组成，构成三段式保护阶梯特性。三段式电流保护一般用于110kV及以下电压等级的单电源出线，对于双电源辐射线路可以加方向元件组成带方向闭锁的各段保护。

三段式保护的I、II段为主保护段，III段为后备保护段。I段一般不带时限，称瞬时电流速断，其动作时间是保护装置固有动作时间;II段带较小延时，一般称延时电流速断;III段称定时限过电流保护，带较长延时。

当系统运行方式变换比较大时，线路电流变换的I、II段可能在保护区和灵敏度方面不满足要求。考虑到线路上发生短路故障时，母线电压的变化一般比流过保护的短路电流的变化大，为此，可以采用电流电压联锁保护，这种保护既反映电流的增大，也反映电压的降低，保护的测量元件由电流继电器和电压继电器共同组成，他们的节点构成“与”的关系。

为了提供过电流保护的灵敏度，可以将过流定值适度降低，并增加低电压闭锁。这样即提高了保护的灵敏度，又因为非故障时电压闭锁使保护不会误动作。

随着电力工业的发展和用户对供电可靠性要求的提高，现代的电力系统实际上是由多电压组成的复杂网络。简单的电流保护已经不能满足系统运行的要求，要求在双电源线路的电流保护设置方向元件。线路电流保护的方向元件规定短路功率方向由母线指向线路为正方向，反之为反方向。方向元件在双侧电源辐射网络这单侧电源环行网络中，都具有选择性。

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1.4 重合闸

根据统计，电流线故障的80%～90%为瞬时性故障，当故障线路被继电保护装置作用于跳闸之后，电弧熄灭，故障点去游离，绝缘强度恢复到故障前的水平，为继续供电创造了条件。此时若能在线路断路器断开之后再进行一次新合闸即可恢复供电从而提供供电的可靠性。若人工进行手动操作，则由于操作缓慢，延长停电时间，大多数用户的电动机可能停转。因此，在电力系统中广泛采用自动重合闸，当断路器跳闸之后，它能自动将断路器重新合闸。

自动重合闸的要求：自动重合闸动作应迅速;重合闸应能自动启动;重合闸的次数应符合预先的规定;重合闸动作之后，应能自动复归。

下列情况下重合闸应该闭锁：手动跳闸、遥控跳闸、低周跳闸、过负荷跳闸、手合于故障、断路器处于不正常状态时、以及某些保护动作时需要闭锁重合闸。

另外，在双侧电源的线路上实现重合闸是，应考虑合闸时两侧电源间的同步问题。此时一般一端先检无压合闸，另一端在对侧重合闸成功后检测到线路上有压时，再检同期合闸。

1.5 加速保护

加速保护分为前加速和后加速。前加速是重合闸前加速的简称，指重合闸动作之前加速保护跳闸;后加速是重合闸后加速的简称，指重合闸动作之后加速保护跳闸。两者的区别在于，前加速的第一次动作没有选择性，第二次动作具有选择性，而后加速的第一次动作具有选择性，第二次动作没有选择性。

1.6 过负荷

利用一个电流元件和时间元件，构成过电流解列装置。它的时间整定一般大于后备保护的动作时间。过负荷采用三相电流中任何一相作为动作量即可，因为过负荷时，系统的三相功率是平衡的。

1.7 低周减载

主要用于与大系统并网运行的受电小系统，由于小电源所在的地区系统，正常多由大系统供给一部分负荷，以满足地区功率的平衡。在联络中断后，将使地区系统出现功率缺额。在有功功率缺乏时，表现为频率下降;当无功功率缺乏时，将表现为电压下降。因此，在功率平衡点装设低周减载设备，以保证小电源的安全运行。

低周减载在电力系统发生事故频率下降的过程中，按照频率的不同数值按顺序地切除负荷。根据频率的不同低周减载可分为若干级，也称为若干轮。在分级切除负荷的过程中，一旦系统恢复频率高于后备段的返回频率，低周减载就停止切除负荷。

低周减载是通过测量系统频率来判断系统是否发生功率缺额事故的，在系统实际运行中往往会出现低周减载误动作的情况。例如在变电所的某些操作可能引起短时间供电中断，该地区的旋转机组如同步电动机、同步调相机和异步电动机等的动能仍然短时反馈输送功率，且维持在一个不低的电压水平，而频率则急剧下降，因而引起低周减载误动作。当该地区变电所很快恢复供电时，用户负荷功率已经被错误地断开了。还有当电力系统容量不大，系统有很大的冲击负荷时，系统频率急剧下降，同样也可能引起低周减载误动作。为了防止这种情况的的发生，低周减载引入了滑差闭锁、低电流闭锁和低电压闭锁。

1.8 PT断线

线路的距离保护、功率方向元件、电压元件都基于母线电压，当母线PT断线之后，使上述元件变得不可靠，因此必须采取相应的措施，并发出告警信息。

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1.9 小电流接地选线

中性点不接地系统，正常运行时，忽略电源和线路上的压降，电网各相对地电容可认为相同，则三个电容构成一对称负荷。正常情况下电源中性点对地电压为0，三相对地电压之和与三相电容电流之和均为0，此时电网中没有零序电压和零序电流。当发生单相接地之后，接地相对地电容被短接，电网出现如下特点：

1)接地相电位变为0，此时大地的电位不再和电网中性点等电位，而非接地相电压将升高√3，系统内出现零序电压U0，其大小等于故障前电网的相电压。

2)非故障线路的零序电流为线路本身对地电容电流，方向从母线流向线路，超前零序电压90°。

3)故障线路的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，其方向从线路流向母线，滞后零序电压90°。

由于小接地系统单相接地时故障电流非常小，电源的三相电源保持平衡，规程允许带故障运行2～3个小时。为了防止故障扩大，必须尽快找到故障线路，并排除故障。通过以上故障线路和非故障线路零序电流与零序电压之间的相位关系，就可以确定接地线路。

需要注意的是，以上分析是在金属性接地的基础上，但实际发生接地时情况差异很大，可能带有很大的过渡阻抗接地，导致零序电流和零序电源之间的相位畸变，选线的准确性下降，这是实际运行中不可避免的。

2、变压器保护

2.1 瓦斯保护

油浸式变压器是利用变压器油作为绝缘和冷却介质。当变压器内部发生短路故障时，故障点局部产生高温，使油温升高体积膨胀，甚至沸腾，油内溶解的空气就会排出，变成气泡上升。故障点产生电弧，使绝缘物和变压器油分解而产生大量的气体。气体排出的多少，与变压器故障的严重程度和性质有关。利用这种气体来实现保护的装置，称为瓦斯保护。

反应变压器内部故障的各种保护装置，除瓦斯保护外，由于受灵敏度的限制，都不能完全反应变压器内部所有形式的故障，特别是匝间短路、严重漏油等故障。如绕组的匝间短路，将在短路的线匝内流着超过额定数值的电流，但在变压器外电路中的电流值还不足以使变压器的过流保护或差动保护动作，在这种情况下，瓦斯保护却能动作。这样一来，当变压器内部有不正常的情况或轻微故障时，运行人员能迅速发现并处理，可避免变压器遭受严重的损坏。因此，瓦斯保护是反应变压器内部故障最有效的一种保护。

当变压器内部发生严重漏油时，变压器油面降低，瓦斯继电器内的油面跟着下降。瓦斯继电器的轻瓦斯保护动作，发出“轻瓦斯动作”信号。

变压器内部故障时，产生气体的强烈程度取决于故障的严重程度。发生轻微故障时，产生的气体较少且速度慢，气体上升到油面后，聚集在瓦斯继电器的顶部，占去了充油的空间，一部分被挤入油枕。由于气体的压力使油面下降，当油面下降到预定高度时，轻瓦斯保护动作，发出告警信号。

当变压器内部发生严重故障时，故障点周围的温度剧增，变压器油和绝缘材料分解并产生大量瓦斯气体，变压器内部压力升高，迫使变压器油从油箱向油枕方向冲击。到一定程度时，重瓦斯保护动作，瞬时作用于跳闸回路，切断变压器电源，以防止事故发展。

2.2 比率差动保护

按照反应电流和电压量构成的保护装置，测量元件限于装设在被保护元件的一侧，无法区分被保护范围末端和相邻线路始端的故障。为了保证动作的选择性，在整定动作参数时必须与相邻元件的保护相配合，一般采用缩短保护区(提高灵敏度)或延长动作时限(降低速动性)的方法来获得选择性。但从保证系统稳定运行和减轻故障变压器的损失及避免扩大事故的要求来看，希望能快速切除被保护范围内任意点发生的故障。如果保护装置的测量元件能够同时反应被保护设备两端的电量时，就能够正确判断内部和外部发生的故障。被保护元件发生内部故障和外部故障时，其各侧功率方向或电流相位是有差别的，因而根据比较被保护元件各端电流大小和相位差别的办法而构成的终联差动保护，获得了广泛非运用。

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差动保护的CT接线需要注意，即变压器各侧的CT极性必须相同，要么都指向变压器，要么都指向母线。

差动保护采用变压器各侧电流的向量和为动作量，以各侧向量差为制动量，当发生变压器内部故障时，动作电流很大，制动电流很小，可以保证差动保护可靠动作;当发生变压器外部故障时，动作电流很小，制动电流很大，可以保证差动保护可靠不动作。为了防止区外故障引起的不平衡电流造成差动保护误动，差动保护采取比率制动特性。

变压器差动保护的范围，即为各侧电流互感器所包围的区域。保护区内故障，差动保护动作于跳闸，保护区外故障，差动保护不动作。

在发电机励磁系统失调或电力系统不正常运行时，将可能造成变压器的短时的过电压，导致变压器励磁电流增加，可能导致差动保护误动。

当投入空载变压器或外部故障切除后电压恢复时，一旦铁芯饱和后，相对导磁率接近1，变压器绕组的电感(称空心电感)降低，相应出现很大的励磁电流，称为励磁涌流，其值可能达到变压器额定电流的6～8倍。经过变换的励磁涌流，将可能导致差动变换误动。

为了防止变压器差动保护在励磁涌流作用下误动，一般采取以下措施：

1)提高保护的动作电流值;

2)间断角鉴别法，即利用励磁涌流波形的间断角来避越励磁涌流;

3)利用二次谐波制动的原理避越励磁涌流;

4)在设有差动电流速断保护的情况下，吸收部分高次谐波分量作为差动保护的辅助制动量，对防止变压器的过励磁时差动保护误动作有一定作用。

为了防止CT断线引起的差动保护误动作，在差动保护中要求进行CT断线判别。当CT断线之后，可以根据运行的要求，对差动保护进行闭锁或不闭锁。

2.3 差速保护

在小容量的降压变压器上常采用电流速断保护，当灵敏度不够时，可采用差动电流速断保护。因此，差动电流速断保护实质上就是提高灵敏度而装设在差动回路内电流速断保护，它瞬时动作于断路器跳闸。差动电流速断保护动作迅速，但由于整定值大，用于大容量变压器时灵敏度很低。

   差动电流速断保护的动作电流应该按照避越变压器空载投入时的励磁涌流和外部故障时的最大不平衡电流来整定。

2.4 电流速断保护

对于2000～10000kVA及以下较小容量的变压器，若灵敏度难以满足时，应采用电流速断保护来切除变压器部分绕组、高压侧套管及其引出线的故障。用电流速断保护和瓦斯保护配合，即可切除变压器高压侧及其内部的各种故障。由于变压器的容量不大，在降压变电所电源侧的引出端和受电侧引出端上发生故障时，流过故障点的短路电流数值相差很大，电流速断保护对受电侧套管及其引出线起不到保护作用。这部分的故障将由带时限的过电流保护切除。

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电流速断保护装设在变压器的电源侧，可采用两相式(小接地相同)或三相式(大接地

系统)，动作时瞬动跳闸。

2.5 过流保护

为了防止变压器外部故障引起的过电流，并作为变压器的后备保护以及作为相邻母线或线路保护的后备，一般都要装设过电流保护。保护可带几段时限，较短的时限用于缩小故障影响范围，较长的时限用于断开变压器各侧断路器。根据需要可装设过电流保护、负序电流保护或复合电压启动的过电流保护。

复合电压启动的过电流保护，一般用于升压变压器和过电流保护灵敏度不符合要求的降压变压器。其电压元件由一个负序电压元件和一个低电压元件构成。当发生不对称故障时和对称故障刚发生的瞬间，负序电压元件可保证过流保护可靠动作;当发生对称故障时，低电压元件可保证过流保护可靠动作。

复合电压启动的过电流保护，如果将电压元件接到高压侧PT的情况下，保护的灵敏度将收到限制。

和线路的过流保护同理，变压器处于双电源或多电源网络中时，要求对过流保护设置方向元件。

2.6 负序过流保护

变压器采用负序过电流保护作为后备保护时，对保护区内的不对称故障有较高的灵敏度，但整定计算较复杂。一般用于大容量的变压器和系统联络变压器。

变压器的负序电流保护，应注意以下三个条件：

1)避越被保护变压器最大负荷电流并伴随系统频率降低时产生的不平衡电流;

2)避越与被保护变压器相连接的线路之一发生一相断线时，流过保护装置的负序电流，并与线路上的零序过电流保护在灵敏度上相配合;

3)与被保护变压器相邻线路上的后备保护在灵敏度上相配合。

对负序过电流保护，当系统短路容量越大时，则灵敏度越高，其灵敏度高于复合电压启动的过电流保护。

2.7 母充保护

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母线由备用状态转为运行状态，首先要给母线充电加压。如果由于某种原因(例如地线未被拆除)发生短路故障，则需要快速切除故障。对于装设了母线保护的母线，多数母线保护带有兼作充电保护的功能。若母线保护没有这种功能或未装设母线保护，则需要装设专用的充电保护。

如果切除母线短路故障的时间延长，有可能导致电力系统失步甚至瓦解事故，因此，母线保护快速切除母线短路故障，是保证电力系统安全运行的重要手段之一。

2.8 零序电流保护

在大接地系统中，单相接地故障的几率高，短路电流值较大，有时有可能大于三相短路电流，不但危害设备而且容易发展成多相短路。发生接地故障时，电网中将出现零序电流和零序电压，可利用零序分量来实现接地保护。中性点直接接地变压器设置的零序电流保护和零序电压保护，是整个电网接地保护组成的一部分，主要作为母线和相邻线路主保护的后备，同时也对变压器内部接地故障起后备作用。

变压器零序电流保护的电流元件接到变压器中性点处电流互感器的二次侧，这种接线简单，动作可靠，不存在因为三相电流互感器误差引起不平衡电流的问题。

和线路零序电流保护同理，当变压器处于多电源系统中，可以根据需要对零序电流保护设置方向元件。

2.9 零序过压保护

为了保证系统中零序电流的大小和分布情况尽量不受运行方式的影响，在发电厂或变电所中仅部分变压器的中性点直接接地运行。针对中性点接地运行的情况，需要装设零序电流保护;针对中性点不接地运行的情况，为防止单相接地并在电网中失去中性点时引起的过电压损伤变压器，还需要装置零序电压保护。

2.10 间隙过流保护

当中性点装设放电间隙时，除装设零序电流外，并增设反应零序电压和间隙放电电流的零序电流电压保护。当电网中单相接地且失去接地中性点时，若放电间隙未击穿，则零序电压元件动作，经延时动作于断开变压器各侧断路器;若间隙击穿电流元件动作，则瞬时动作于切除变压器。

2.11 零序过压告警

当小接地系统发生单相接地之后，接地相电压为0，非接地相电压升高√3，系统内出现零序电压。零序电压的大小等于故障前电压的相电压，且系统各处零序电压相等。利用单相接地时，系统会出现零序电压这一特征而构成的绝缘监察是最简单实用的中性点不接地相系统单相接地保护方式。

2.12 过负荷

对于0.4MVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应装设过负荷保护。当过负荷动作后，仅给出信号，以引起值班人员的注意，因为变压器允许一定范围的过负荷。

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