Proteção da Interconexão de Cogeradores em Paralelo com
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1. UA XVIII Semin rio Nacional de Distribui o de Energia El trica Ee SENDI 2008 06 a 10 de outubro Olinda Pernambuco Brasil Prote o da Interconex o de Cogeradores em Paralelo com o Sistema de Distribui o da CPFL Evaldo Flausino Senne Paulo C sar Scarassati Evaldo Baldin Dias CPFL Paulista CPFL Paulista CPFL Paulista flausino Ocpfl com br pcscaO cpfl com br baldin O cpfl com br PALAVRAS CHAVE Gera o Distribu da Religadores Distribui o Prote o RESUMO O artigo tem como objetivo mostrar os m todos utilizados para conex o de autoprodutores com vendas de excedentes ou n o e produtores independentes em paralelo com o sistema de distribui o da CPFL sob os aspectos de prote o da interconex o qualidade de fornecimento opera o e a utiliza o de religadores em redes rurais de distribui o para sistemas de gera o distribu da 15 25 kV podendo ser utilizado o procedimento para outras concession rias dependendo da configura o A opera o de usinas de um modo geral e principalmente no sistema de distribui o apresenta particularidades que podem vir a ser problemas de grandes propor es para produtores que pretendem operar com gera o pr pria em paralelo com o sistema el trico Ser o abordadas solu es adotadas quando da conex o de geradores em paralelo com o sistema 1 11 1 INTRODU O O atendimento de cargas de forma radial e isolada n o se torna2. 10 11 CPFL Norma T cnica Liga o de Autoprodutores em Paralelo com o Sistema de Distribui o da CPFL SCHWEITZER E O HI SCHEER G W FELTIS M W A Fresh Look at Distribution Protection II International Symposium on Distribution Automation and Demand Side Management Florida 1992 ELNEWEIHI A F SCHWEITZER E O FELTIS M W Negative Sequence Overcurrent Element Application and Coordination in Distribution Protection IEEE Transactions on Power Delivery Volume 8 Number 3 July 1993 pp 915 924 ELNEWEIHI A F Useful Applications for Negative Sequence Overcurrent Relaying 22nd Annual Western Protective Relay Conference Spokane Washington October 24 26 1995 DIAS E B Avalia o de Indicadores de Continuidade e seu Impacto no Planejamento de Sistemas de Distribui o Disserta o de Mestrado Escola Polit cnica da Universidade de S o Paulo SP 2002 11 11
3. o e protocolo de comunica o rel a rel em conjunto com r dios digitais para uma otimiza o da confiabilidade e seguran a do esquema de prote o 3 11 A opera o e aplica o deste equipamento j foi testada e verificada em campo com sucesso As medi es mostraram que os resultados dos novos ndices de qualidade monitorados e controlados geraram uma redu o de custos e alta qualidade de fornecimento aos esquemas de gera o distribu da 2 3 Conex o de Geradores em Paralelo Ser o abordadas agora solu es adotada com o objetivo de manter o fornecimento de energia el trica os consumidores dentro de n veis adequados de qualidade e determinados pela ANEEL al m de manter os indicadores de Qualidade para o atendimento dos consumidores levando se sempre em considera o que a topologia do sistema el trico de distribui o foi inicialmente concebida para o atendimento exclusivamente a cargas e que a conex o de pequenos geradores embutidos altera significativamente as configura es da regi o geo el trica considerada 2 4 Prote o e religamentos Como a filosofia de prote o do sistema foi desenvolvida para a distribui o de energia el trica e necessita restabelecer rapidamente o sistema visando garantir a qualidade do fornecimento de energia utilizam se religamentos autom ticos nos disjuntores dos alimentadores religadores instalados ao longo dos alimentadores e das linhas de subtransmiss o Com a
4. verificados ganhos significativos na utiliza o dos religadores Ser o apresentados tr s dos casos em que foram quantificados os benef cios obtidos 9 11 No primeiro caso foi instalado um religador autom tico de distribui o em um dos dois alimentadores que atendem uma cidade localizada na regi o nordeste do estado de S o Paulo com 7700 consumidores Nos segundo e terceiro casos um religador existente foi substitu do por outro que foi adaptado com novas fun es de prote o mantendo os indicadores de continuidade praticamente est veis Um dos equipamentos est instalado em um dos dez alimentadores que atendem uma cidade localizada na regi o noroeste do estado de S o Paulo com 37800 consumidores o outro est instalado em um dos tr s alimentadores que atendem uma cidade localizada na regi o central do estado de S o Paulo com 4550 consumidores Nesses dois casos fez se uso de uma ferramenta de simula o para estimativa dos indicadores de continuidade na hip tese de que n o se adaptassem os religadores com as novas fun es Na Tabela 2 s o apresentados os ganhos obtidos com as solu es adotadas Tabela 2 Melhorias percentuais sobre valores anualizados Casa Regi o do Melhoria nos indicadores das cidades envolvidas Estado 6 4 1 Nordeste 21 9 23 3 18 2 2 Incesto 64 44 15 3 cewa 215 28 1 25 1 Onde DEC dura o equivalente de interrup o por consumidor FEC
5. atrativa devido baixa confiabilidade dessa configura o operativa quando comparada a um sistema interligado Os requisitos para opera o em paralelo de uma maneira geral s o definidos segundo o n vel de tens o em que se dar o paralelismo na distribui o onde as tens es nominais de opera o das redes podem ser de 15 25 kV ou no n vel de subtransmiss o onde as tens es nominais de opera o das linhas podem ser 138 88 69 kV A defini o do n vel de tens o se far no ponto de interliga o entre os sistemas da concession ria e do autoprodutor em fun o da demanda de exporta o e tamb m do menor custo global do empreendimento Os requisitos t cnicos de prote o visam garantir a integridade dos sistemas el tricos e equipamentos da concession ria e do autoprodutor na ocorr ncia de defeitos Embora superficialmente dado o enfoque principal do presente trabalho pode se mencionar os principais aspectos abordados no estabelecimento daqueles requisitos e forma de liga o dos transformadores de acoplamento dos turbogeradores rede el trica e capacidade m xima de curto circuito num ponto qualquer da rede de distribui o estando os sistemas em paralelo e disponibilidade m nima para que os rel s garantam as v rias fun es necess rias supervis o dos sistemas operando em paralelo e periodicidade m nima para realiza o de manuten es preventivas com rotina de emiss o de relat r
6. de paralelismo a fim de que dist rbios de tens o frequ ncia e oscila es provenientes do sistema el trico n o afetem as suas cargas priorit rias e os seus geradores e O paralelismo dever ser feito com geradores trif sicos 60 Hz e Todos os geradores do autoprodutor dever o estar ligados rede prim ria atrav s de transformador de acoplamento e Utiliza o de prote es convencionais 67 50 51 50 51N 27 59 59N 32 81 25 e ou substitui o ou aplica o de prote o adicional em fun o da an lise de demanda de exporta o e contribui o de curto circuito 67 51V ou 21 de tal maneira que faltas falhas surtos atmosf ricos correntes de segii ncia negativa excessivas ou outras perturba es na rede da concession ria n o causem danos s suas instala es 2 5 3 Esquemas de Prote o do Autoprodutor Na figura 1 observamos o esquema de prote o usado pelo autoprodutor conectado na rede de distribui o 15 25 kV 5 11 Ae 2 pisn 81 B 59 qse et Led paaa 67 ie 50 51N 50 51 RR a N Y Carga Sa Prioritaria Figura 1 Prote o do Autoprodutor para cogera o 2 6 Adapta es Necess rias na Subesta o de Distribui o da CPFL Certas adapta es nas subesta es de distribui o s o fund
7. fonte da concession ria 2 11 2 1 2 Qualidade da Energia El trica N o h garantia da manuten o de n veis adequados de tens o e frequ ncia pelos cogeradores quando operando em modo ilhado Assim podem ocorrer danos em equipamentos de consumidores da concession ria que estejam sendo supridos nessa condi o 2 1 3 Seguran a Com o paralelismo h riscos t cnicos ou de seguran a para outros consumidores bem como ao pr prio sistema el trico e ao pessoal de opera o e manuten o quando n o s o tomadas as precau es necess rias 2 2 Religadores de Distribui o ao Longo dos Alimentadores A utiliza o de religadores autom ticos convencionais ao longo da rede de distribui o melhora os indicadores de continuidade de fornecimento em raz o de sua caracter stica de opera o cuja fun o restabelecer automaticamente a alimenta o no caso de faltas moment neas e em caso de faltas permanentes evita a interrup o do sistema urbano de distribui o Quando da conex o de um gerador em paralelo com o sistema de distribui o torna se arriscada a utiliza o do religador pois poderia ocorrer um religamento sobre o gerador caso o mesmo ainda n o tivesse sido desconectado do sistema em tempo h bil Uma solu o utilizada no passado era a retirada de servi o do equipamento ou o bloqueio da fun o de religamento o que refletia negativamente nos ndices de qualidade ou optava se por solu es
8. mais onerosas como a constru o de um alimentador expresso juntamente com um novo bay de sa da da subesta o A solu o para este tipo de problema a utiliza o otimizada de fun es de prote o do religador que somente alguns equipamentos modernos possuem Sugere se que o painel do religador seja provido de um controle microprocessado que disponha al m das fun es convencionais prote es direcionais de fase e terra sobrecorrente de segii ncia negativa e se poss vel fun es de verifica o de tens o para religamento A fim de melhorar a qualidade poder tamb m ser provido de outras fun es desej vel tais como religamento com verifica o de sincronismo l gicas de teleprote o Dependendo da necessidade o equipamento dever possuir as seguintes fun es e Utiliza o de prote es convencionais 50 51 50 51N e Substitui o ou aplica o de prote o adicional em fun o da an lise de demanda de exporta o e contribui o de curto circuito 67 67N 50 51 50 51N 27 59 32 e 81 e Necessidade da utiliza o de TP s para verifica o de tens o nas 3 tr s fases e possibilidade de religamento atrav s do uso de rel de verifica o de sincronismo 25 e 79 e Utiliza o da prote o de sobrecorrente de sequ ncia negativa 46 em raz o de baixos n veis de curto circuito no ponto mais distante da rede caso haja necessidade e Utiliza o das l gicas de teleprote
9. outro lado os rel s de sobrecorrente de fase t m de ser ajustados acima dos n veis de corrente de carga tornando se insens veis para a detec o de faltas bif sicas com baixo n vel de curto circuito Tabela 1 mostra que correntes de segii ncia negativa s o geradas durante as faltas n o balanceadas Com a utiliza o de elementos de sobrecorrente de sequ ncia negativa os elementos de sobrecorrente de fase s o necess rios apenas para faltas trif sicas Tabela 1 Compara o entre Cobertura da Prote o Tradicional e da Nova Prote o Correntes Geradas Cobertura da Prote o Cobertura da Nova Tradicional Prote o sa Corrente Corrente Elementos Elementos Elementos de Condi o Corrente Elementos Elementos de Seg de Sobre de Sobre Sobre do Sistema Seg Zero de Sobre de Sobre Fase Negativa Corrente corrente corrente Lo Corrente de Corrente dp Lo Residual de Seq Residual Fase de Fase Terra Negativa Terra Falta FT X X X X X Falta FFT X X X X X X X Falta FF X X X X Falta X X X Trif sica Carga X Balanceada 8 11 Os elementos de sobrecorrente de sequ ncia negativa tamb m podem cobrir faltas fase fase terra onde a resist ncia de falta terra seja alta Alta resist ncia de falta terra faz a falta fase fase terra parecer como uma falta fase fase para um rel O m todo de ajustes para elementos de sobrecorrente de segii ncia
10. 6 3 Esquemas de Prote o da Subesta o de Distribui o da CPFL Dis juntor Geral 138 kv m 4 5SN l I l l l l l i i Dis juntor Geral L 5 25 kV gt l l l l l l l l l l T O Dis juntor Tei Alimentador Concessionaria Consumidor Figura 2 Adequa o da Prote o na SE para co gera o 2 7 Adapta es Necess rias no Sistema de Substransmiss o da CPFL Para uma situa o na qual a subesta o de distribui o da CPFL esteja sendo alimentada por um ramal proveniente de uma Subesta o de subtransmiss o radial normalmente necess ria a implementa o de um esquema de prote o para a verifica o de tens o no ramal de subtransmiss o para que quando da abertura do disjuntor em que o cogerador em paralelo estiver conectado se evite o religamento sobre o gerador caso este ainda estiver conectado Para isso o rel de sincronismo necess rio Ele estar conectado por TP 69 ou 88 ou 138 kV e ser instalado na sa da do disjuntor do ramal cuja fun o ser verificar constantemente a tens o e o sincronismo no circuito No caso de um curto circuito havendo tens o no ramal fato que significa 7 11 que o cogerador est no circuito sustentando as cargas fora do sincronismo o rel n o permitir o religamento do dis
11. amentais Figura 2 pois as prote es do gerador em paralelo disjuntor de interliga o n o s o sensibilizadas por curto circuito na Linha de Subtransmiss o Assim as adapta es necess rias na subesta o da CPFL visam complementar a prote o do autoprodutor com o seguinte objetivo No caso de falta no sistema de subtransmiss o prote es adicionais para desconectar o disjuntor do alimentador onde seria conectado o autoprodutor em paralelo Verifica o de tens o na sa da de alimentador 15 25 kV onde seria conectado o autoprodutor em paralelo 2 6 1 Prote es adicionais implementado um esquema de prote o de modo que para qualquer tipo de falta que possa ocorrer seja na linha de subtransmiss o ou no barramento que alimenta a subesta o seja na pr pria SE da concession ria o disjuntor do alimentador onde ser conectado o autoprodutor em paralelo seja desconectado Dessa forma tem se condi o de proceder o religamento normal no sistema de Subtransmiss o e dar se continuidade de fornecimento nos casos de defeitos transit rios Este esquema constitu do por rel s direcionais 67 ou dist ncia 21 que pode ser aplicado como op o ou complemento ao rel 67 dependendo da an lise de demanda de exporta o e contribui o de curto circuito por rel s de sobretens o de segii ncia zero 59N e por rel s de tens o nula de corrente cont nua 27 0 que est o acondicionados em u
12. an a requerida Diante do exposto s o solicitadas as adapta es adequadas tanto nas subesta es do autoprodutor como na concession ria visando a continuidade de fornecimento e tamb m proporcionando a seguran a aos geradores a serem conectados e aos que ir o operar os ativos da concession ria 2 5 Requisitos para o Paralelismo 2 5 1 Condi es Gerais Com a conex o de geradores em paralelo com o sistema de distribui o o autoprodutor dever se preocupar com as prote es a serem instaladas no disjuntor de interliga o e demais equipamentos que 4 11 fa am o paralelismo de modo que o desfa a e o bloqueie prontamente sempre que ocorrer quaisquer dist rbios curto circuito fase aberta varia o acentuada de tens o e ou fregii ncia etc ao longo do alimentador at a subesta o da concession ria tronco e ramais visando a preserva o de suas pr prias instala es O esquema de prote o do autoprodutor dever ser suficientemente r pido de forma a n o prejudicar a opera o do religamento autom tico de alta velocidade dos circuitos alimentadores do sistema el trico Esta medida tem a finalidade de evitar que o sistema feche o paralelo fora de sincronismo podendo danificar o gerador do autoprodutor assim como minimizar o tempo de interrup o para os demais consumidores A capacidade de gera o do autoprodutor deve ser dimensionada para que nas condi es el tricas mais desfavor veis haja ga
13. conex o em paralelo de geradores de autoprodutores no sistema de distribui o existe a preocupa o com as seguintes possibilidades e religamento dos disjuntores de distribui o e de subtransmiss o ou religadores instalados ao longo dos alimentadores da concession ria sobre o gerador do acessante caso o mesmo n o tenha ainda se desconectado do sistema Este religamento poder ocasionar stress ou mesmo danificar o gerador permanentemente dependendo da condi o que se encontra o sistema no momento do religamento e manter n veis aceit veis de confiabilidade continuidade e qualidade de energia e seguran a aos demais consumidores e ao pessoal de opera o e manuten o da concession ria e quando ocorridos problemas nas instala es do acessante e equipamentos n o ocorra preju zo nas condi es de fornecimento de energia el trica da concession ria para os demais consumidores e aumento dos n veis de curto circuito no sistema el trico e altera o do alcance de algumas prote es e altera o das condi es de opera o do sistema el trico e defeitos ou falhas no sistema de subtransmiss o e invers o do fluxo da energia de exporta o para o sistema de subtransmiss o Os rel s a serem implementados nas depend ncias do autoprodutor n o garantem a sa da de paralelo quando houver faltas ou defeitos na subesta o de distribui o e tamb m no sistema de subtransmiss o n o garantindo assim a segur
14. fregii ncia equivalente de interrup o por consumidor END energia n o distribu da 5 CONCLUS ES Com a ado o dos crit rios apresentados h condi o de se manter a mesma qualidade de fornecimento de energia aos consumidores atendidos pelo mesmo alimentador em que est o conectados autoprodutores com seguran a ao pr prio sistema el trico e ao pessoal de opera o e manuten o dos sistemas de distribui o Com rela o s adapta es adicionais necess rias na prote o nas subesta es no sistema de subtransmiss o da concession ria e tamb m nos alimentadores de distribui o verifica se o aporte de benef cios ao pr prio acessante que consiste na garantia de desconex o o mais rapidamente poss vel al m de se evitar o religamento dos disjuntores nos geradores caso os mesmos n o tenham sido desconectados do sistema Espera se assim que seja mantida tamb m a integridade dos sistemas el tricos e de equipamentos da Concession ria em situa es de defeitos 6 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS MOZINA C J Protecci n de Interconexiones de Generadores de IPP Usando Tecnolog a Digital Reunion de Verano de Potencia Acapulco Mexico 1999 SENNE E F MOHALLEM C A G SCARASSATI P C SALLES N J IWAMOTTO H e SUZUKI M Crit rios de Prote o de Prote o e Manobra Condicionada para a Conex o de Autoprodutores em Paralelo com o Sistema de Distribui o da CPFL VII STPC 2003
15. io por parte do autoprodutor e obrigatoriedade de observ ncia s instru es operativas espec ficas que constam do contrato de compra de excedentes onde s o regulamentados os procedimentos de manobra em condi es normais e de emerg ncia crit rios de comunica o etc 2 AUTOPRODUTORES Os autoprodutores necessitam proteger os geradores n o somente contra curtos circuitos mas tamb m para outras condi es de opera o anormal que s o superexcita o sobretens o correntes desbalanceadas fregii ncias anormais e stress no eixo do gerador devido ao religamento autom tico dos disjuntores das concession rias caso o gerador ainda estiver no sistema Quando sujeitas a estas condi es podem ocorrer em alguns segundos perdas e ou falhas no gerador e estes danos devem ser a maior preocupa o dos cogeradores 2 1 Concession ria 2 1 1 Religamentos Quando ocorre atua o de seus equipamentos de prote o a concession ria necessita restabelecer o fornecimento de energia o mais rapidamente poss vel e esse esfor o muito complicado tendo geradores de cogeradores ilhados atendendo cargas da concession ria O Religamento autom tico que universalmente o primeiro m todo adotado para restabelecer o atendimento aos consumidores o mais r pido poss vel torna se delicado pois havendo geradores no modo ilhado h s rios riscos de se ter o fechamento sem sincroniza o entre os geradores com carga ilhada e a
16. juntor Por outro lado se n o houver tens o cogerador est fora do circuito o religamento completado normalmente sem problemas para o autoprodutor para o qual posteriormente o paralelo poder ser feito pelo disjuntor de interliga o do autoprodutor Dependendo da pot ncia do gerador a ser conectado no sistema el trico o mesmo pode provocar um in feed grande no sistema para sistema em anel fazendo com que para um curto circuito na linha de subtransmiss o os rel s da CPA e ou mesmo os rel s da LT n o atuem corretamente para o defeito Neste caso necess rio o uso da teleprote o A mais comumente utilizada pela CPFL a transfer ncia de disparo direto DTT associada com a transfer ncia de disparo permissivo por sobrealcance POTT 3 NOVOS RECURSOS NA ENGENHARIA DE DISTRIBUI O 3 1 Prote o Contra Falta Fase Fase Mais R pida e Sens vel Elementos de sobrecorrente de sequ ncia negativa foram adicionados aos rel s num ricos Os elementos de sobrecorrente de segiij ncia negativa podem ser ajustados para responder com maior rapidez e sensibilidade s faltas fase fase do que a tradicional prote o de sobrecorrente de fase porque os elementos de sobrecorrente de segii ncia negativa n o respondem a cargas de corrente balanceadas Da mesma forma como elementos de sobrecorrente de terra os elementos de sobrecorrente de sequ ncia negativa podem ser ajustados abaixo dos n veis de corrente de carga Por
17. ma Cabine de Prote o de Autoprodutor CPA acoplada pr ximo estrutura de 15 25 kV O rel de tens o nula de corrente cont nua 27 0 atuar se houver falta de corrente cont nua na CPA e tamb m ir desligar automaticamente o disjuntor do alimentador que est em paralelo com o autoprodutor 6 11 Para curto circuito dentro da Subesta o da CPFL as prote es atuar o nas suas respectivas filosofias adotadas e tamb m abrir o disjuntor do alimentador que est em paralelo com o autoprodutor assim como para anomalias ao longo do pr prio alimentador 2 6 2 Verifica o de Tens o no Alimentador e E implementado uma l gica de religamento para que quando da abertura do disjuntor do alimentador que estiver em paralelo com o cogerador evitar o religamento do sistema sobre o gerador caso este ainda estiver conectado e Para isso solicitado o rel de subtens o 27CA que estar conectado aos TPs instalados na sa da do disjuntor do alimentador que estiver em paralelo com o autoprodutor verificando constantemente a tens o no circuito No caso de um curto circuito havendo tens o no alimentador fato que significa que o cogerador est no circuito sustentando cargas do alimentador o disjuntor n o religa e n o havendo tens o cogerador est fora do circuito o religamento completado normalmente Depois de normalidade o paralelo ser feito pelo cogerador atrav s do disjuntor de interliga o do autoprodutor 2
18. negativa requer um esfor o m nimo de coordena o 3 2 Religamento Seguro Como mencionado anteriormente as concession rias necessitam restabelecer o mais rapidamente poss vel o alimentador quando desconectado ap s a elimina o de uma falta Para uma falta no ponto F figura 3 os disjuntores A e B devem abrir para eliminar a falta fazendo com que todos os consumidores atendidos por este alimentador sofram uma interrup o no fornecimento de energia 13 8 kV AYn SE Distr Cogerador Figura 3 Com a instala o de um religador conforme mostrado na figura 4 a mesma falta no ponto F ser eliminada pela abertura do religador e do disjuntor B fazendo com que um menor n mero de consumidores sofra uma interrup o no fornecimento de energia Por m para que o religamento seja feito com seguran a o rel do religador dever ter facilidades que possibilitem a verificar a aus ncia de tens o no trecho de alimentador compreendido entre o religador e o cogerador para que n o haja o risco de ocorrer um religamento com o gerador ainda conectado 13 8 kV AYn SE Distr Cogerador Rel Figura 4 Uma maior sensibilidade para detec o de faltas outro benef cio da instala o deste religador uma vez que o pick up dos elementos de sobrecorrente poder ser ajustado em um valor menor 4 APLICA ES PR TICAS Com a implementa o dos novos recursos disponibilizados pela engenharia de distribui o foram
19. rantia de que tens es e correntes de curto circuito no sentido dos geradores para o sistema da concession ria atinjam valores m nimos necess rios para que as prote es instaladas nos pontos de interliga o possam operar com seguran a Os geradores do autoprodutor devem ser removidos do paralelo atrav s de disjuntores acionados por rel s secund rios sempre que ocorrer uma anomalia curto circuito queda de tens o anormal ou varia o de frequ ncia acentuada falta de fases ou fase etc no sistema el trico da concession ria ou na pr pria instala o do autoprodutor quando for imposs vel isolar o defeito por outros meios 2 5 2 Requisitos Espec ficos A seguir s o apresentados alguns requisitos espec ficos conforme figura 1 adotados pela concession ria para a conex o de autoprodutores em paralelo com o seu sistema de distribui o e Exist ncia de um disjuntor de interliga o localizado entre a instala o do autoprodutor e a concession ria e Os disjuntores e ou qualquer equipamento de manobra que permita o paralelismo sem supervis o do rel de sincronismo dever o possuir intertravamento de forma a evitar o fechamento do paralelo por meio destes e A seguran a do sistema depender das a es corretas de toda a estrutura organizacional do autoprodutor e O autoprodutor dever dotar o seu sistema el trico de um eficiente esquema de rejei o das cargas n o priorit rias e de abertura do s disjuntor es
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