发电机转子接地保护原理综述综述

发电机转子接地保护原理综述 发电机转子绝缘损坏时引起的励磁回路接地故障是常见的故障，据统计，1999年全国100MW及以上发电机发生转子接地故障九次，占发电机本体故障的30％，可见转子接地保护对于保护发电机本体遭受更大的损害有非常重要的意义。在研制保护装置之前，首先要了解发电机转子接地保护原理。发电机转子接地保护分为一点接地保护和两点接地保护两种。本文主要分析了各种保护的基本原理，它们的优缺点以及改进。 一、转子一点接地保护 发电机转子一点接地保护方法主要有电桥法，叠加直流电压法，叠加交流电压法（主要是导纳法），乒乓法。下面分别介绍他们的工作原理及优缺点。 （1） 电桥法 图1－1电桥式一点接地保护原理图 (a)正常情况下；（b）经过渡电阻一点接地 利用电桥原理构成的一点接地保护，其原理图如图1－1所示。(a),(b)分别是正常情况和一点接地情况下的原理图。集中电阻 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示绕组对地绝缘分布电阻。励磁绕组LE的电阻构成构成电桥的两个臂，外接电阻R1和R2 构成另外两个臂。正常情况下，调节电阻R1和R2，使流过继电器J的不平衡电流最小，使继电器的动作电流大于这一不平衡电流。当一点经过渡电阻接地后，电桥失去平衡，此时继电器的动作。电流的大小决定于k点的位置以及过渡电阻Rf的大小。当电流大于继电器J的动作电流时，继电器动作。 当励磁绕组的正端或负端发生接地故障时，这种保护装置的灵敏度很高，然而，当故障点位于励磁绕组中点附近时，即使是金属性接地，保护装置也不能动作。这是电桥法的根本缺陷。 为了消除这一缺陷，在电桥的 臂中串接一只非线性电阻 。非线性电阻 ，其中 是常数，当电压 升高，电流i非线性地增加，电阻 下降;反之，则 上升。因此，串接这个非线性电阻后，电桥的平衡条件会随着励磁电压的改变而变化。在某一电压下的死区，在另一电压下变为动作区，从而减小了拒动的几率。非线性电阻 的存在，同时也打破了正常运行条件下的平衡条件，因而保护装置的动作电流整定值也要稍有提高。 为了彻底消除励磁回路一点接地保护的死区，国产JZJ－21性保护装置利用了发电机正常运行时在励磁回路具有小量的交流分量电流，这是由于发电机实际存在的转子偏心和磁路不对称所造成的。由经验可知：励磁绕组中点接地故障时，电桥对角线上的直流电流确实很小，但是仍有一定的交流电流通过，正确地利用这个电流，就可以使励磁回路一点接地保护没有死区。这种装置只需要把图中的普通继电器J改为将对角线上的交流电流先经过整流滤波，而后接入继电器的整流型继电器，这样上述交流分量也作为继电器的动作量，消除了死区。 综上所述，普通电桥法在励磁绕组中点故障时有死区，在电桥的一臂串接一只非线性电阻的方法减少了拒动的概率，利用交流分量法可以完全消除死区，但是在不同的接地点发生故障时，灵敏度变换相当大，这一缺点没有得到改善。所以电桥法是需要改进才能投入工程实践的。 （二）叠加直流电压一点接地法 如图1-2所示将一直流电压U。经一继电器J顺向加到励磁绕组的一端与地之间，构成迭加直流电压式一点接地保护。 图1－2叠加直流电压法原理图 设励磁电压为 ，励磁绕组对地绝缘电阻为 并集中于励磁绕组的中点。 将外加电压 在励磁绕组中的压降略去不计，则可作出图1-3(a)所示的正常情况下的等效电路。正常情况下流过继电器的电流为， （1－1） 图1－3叠加直流法等效电路图 继电器 J 的动作电流整定值要大于10。在励磁绕组上不同点接地时，流过继电器的电流相差很大，因而不同点接地时，灵敏度也有很大差别。图1-3(b)为负端经过渡电阻Rf接地时图1-2的等效电路。由图可得到流过继电器的电流 （1－2） 考虑到 ，式化简为如下的形式， （1－3） 图1 -3 (c) 为正端经过渡电阻 接地时图1-2的等效电路。由图可得到流过继电器的电流， （1－4） 同样，考虑到 ，式(1-4)可化简为如下的形式， （1－5） 比较式(1-3)和式(1-5)，可以看到，在励磁绕组负端接地时，灵敏度最低;在励磁绕组正端接地时，灵敏度最高。所以，在实际设计中要使当负端接地时，保护装置的灵敏度要满足要求。 叠加直流法一点接地适用于只有一个引出端正极或负极的励磁绕组的接地保护。当发电机励磁机端仅接有一只电刷，由转子绕组的正极或负极引出时，发电机接地保护的原理和转子测量电刷完全不匹配， 这时候有两种解决方案 方案一：硬件改造，增加转子绕组的正极引线。优点是无需更改保护装置，变更保护原理；不需要从新研制新的软件。缺点是将转子励磁绕组解体，从转子正极引线；必须由发电机制造厂家专业人员完成，改造费用昂贵，达一百万元以上；改造后需要对发电机的本体结构进行全面的预防试验。 方案二：软件改造，修改转子接地保护原理。保持一次硬件回路不变，更改保护软件，采用叠加电源转子接地保护原理，测量转子回路对地的电阻，当测量值小于整定值时，转子一点接地保护动作发信号，无须确定接地位置，此时可手动投入两点接地保护，当发现两点接地时，定子二次谐波负序电压大于整定值时动作于跳闸。优点；弥补了电机结构上的缺陷，无须将电机解体引接线；改造费用低，一般在6－20万左右。缺点；需要变更原理设计；在国内外通过一极电刷测量电阻实现两点接地保护的原理不成熟，可靠性不高，因此，只要发现一点接地，即可转移负荷，安排停机。 有的文章指出，利用叠加电源法还可以实现在发电机停机或空转状态，仍然可以检测发电机转子绕组对地的绝缘。当然这只需要对原来的电路做一些修正即可。 （三）叠加交流电压一点接地法 如图1-4所示，将一交流电压经过一电流继电器J和一隔直藕合电容C 图1－4叠加交流电压一点接地保护原理图 迭加到励磁绕组的一端与地之间，就构成了迭加交流电压式一点接地保护。继电器的动作电流要躲过正常情况下流过继电器的不平衡电流。图中励磁绕组上某一点经过渡电阻 接地，流过继电器的电流大于整定值时，继电器动作。 目前用迭加交流电压构成的励磁回路一点接地保护主要有三种类型。 1)第一类以加交流电压测量励磁绕组对地全电流方法构成一点接地保护装置，其动作判据为: , ，其中 。 为迭加电作用下励磁绕组通过地的全电流; 为迭加电压后励磁绕组对地的测量阻抗; 为整定阻抗。这种类型的保护广泛用于励磁绕组仅有较小对地电容的中小型发电机组。 2) 第二类以迭加交流电压测量励磁绕组对地导纳方法构成一点接地保护装置，其动作判据为: ，其中 . 为励 磁绕组对地的测量电导; 为励磁绕组对地电容的等效并联电阻; 为整定电导; 为整定电阻。 3) 第三类以迭加交流电压利用霍尔元件测量励磁绕组对地全电流中电阻分量构成一点接地保护装置，其动作判据为: ，其中 。 为励磁绕组对地全电流中的电阻分量; 为整定有功电流。 最常见的是导纳型的继电器。导纳型的继电器，可以反映励磁回路任一点发生的接地故障，没有死区，灵敏度一致。此外，在 的条件下，只要仔细调整，可以做到灵敏度不受接地电容 的影响。但在实际中由于测量回路中存在电感电抗或者调整不精确或者接地碳刷与滑环间有接地电阻，因而受接地电容的影响，整定电阻的调整相当困难，这是它的缺点。所以在为了提高精度，必须注意一下几方面； ①50HZ带通滤波器的调整 由于主励磁机采用可控硅控制整流的励磁回路，经谐波检测分析可知，含有150HZ和300HZ谐波分量，如果此分量进入测量回路，势必影响测量精度，需要精确调整50HZ带通滤波器以扼制150HZ和300HZ谐波分量对测量数值地影响。南京自动化设备厂调试大纲中的方法忽略了转子线圈的电感量，实际试验电路应该考虑 数值，在模拟接入转子接入线圈的情况下进行50HZ的串联谐振调试。 ②大轴间的接地电容值对装置精确度的影响 实际上由于装置中各元件的性能不能以理想状态工作，所以其影响还是有的，特别是当接地电容达到一定值时尤明显，励磁系统接地电容随着发电机转子转速，发电机的容量以及励磁绕组的温度而有一定的改变。南京自动化设备厂转子一点接地元件接入不同的模拟对地电容，动作值的影响分析可说明上述问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。试验表明，当接地电容大于 时，接地电阻的变化很大，亦即装置的测量误差很大。 ③ 的调整。 由于励磁绕组，50HZ带通滤波器和中间变压器原边绕组等的漏抗作用，等电导圆的圆心 将不在实轴g上，此时整定圆将不与等电导圆重合，这将影响继电器的动作测定值的精确度，必须精确调整 。《发电机转子接地保护装置征订精度的影响因素》 但在实际运行中导纳型保护曾多次频繁误动，有时甚至无法投入运行。 其原因主要有： ①继电器的 没有呈现纯阻 ，即有一定的感性或容性的电抗，使等电导圆直径不在g轴上，改进的方法是在电路图中增设 支路。 ②整定值 太大。这种原理的继电器，当 较小时(例如1，2，4 ),动作区区分很清楚，但是当 时，动作区就模糊了， 的区间还不及 的大，如果整定动作值为 ，很可能由于继电器动作界线不清，当 还不动作，或者 继电器已经动作，造成动作值的不确切，为此，这种继电器的不能整定的太灵敏，一般应取 ③轴电刷与轴滑环之间的接触电阻 对导纳继电器的影响。由经验可知 （a） 越大， 对 的影响越大。 （b）当 很小时， 的导纳型继电器不会误动。当 时，保护装置测得的 将远小于转子绕组实际的对地电阻 ，极有可能造成误动。因此，为防止误动，应力求降低该接触电阻，使其在运行中的任何时刻都小于50欧姆。 （四）乒乓式一点接地保护 乒乓式励磁回路一点接地保护的设计思想是:切换电桥两臂电阻值的大小，使电桥没有一个固定的平衡点，因此保护就不会有死区。一点接地保护反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。 图 (1 -5) 是一点接地保护测量电路原理图，R为高阻桥臂电阻(如lO ) , 为过渡电阻。 为接地点距绕组负端匝数百分比(绕组接地位置)，E为励磁线圈两端的电压。 图1－5乒乓式一点接地保护原理图 S1和S2为电子开关。设S1闭合S2断开为状态1, Sl断开S2闭合为状态2。开关在状态1，2下分别可以列回路方程如下: （1－6） （1－7） 由方程组(1-6), (1-7)可以得到过渡电阻和接地位置 （1－8） 计算出过渡电阻 就可以决定保护的动作行为。由(3-3)和(3-4)的式 子都可以看到 与故障点位置 无关，灵敏度不随故障点位置改变。一点接地的动作判据为: 为一点接地过渡电阻整定值，整定范围通常取 . 乒乓式一点接地保护凭借不受转子对地分布电容及接地位置的影响，调试，整定方便，正确动作率高，功耗小而得到了广泛的应用。美中不足的是在停机或无励磁空转状态时不能检测发电机转子绕组接地故障，所以可以对其电路稍加改进，增加一个辅助的直流电源，并将测量点稍微改动，可以弥补上述不足。详见《乒乓式转子一点接地保护原理改进方案》 实际设计电路时，有几个问题要解决： (1)我们假定电源电压在开关切换过程中是稳定直流工况完全没有计及各个惯性元件（特别是发电机的转子电容）在电子开关 切换过程中的暂态影响，不考虑 切换过程中过渡电阻 的变化即 保持为常数。实际上励磁电压是变换的，由于转子偏心和磁场不对称，存在交流分量的，由于采用可控硅的励磁调节器，不同的导通角下也有交流分量。所以为了提高保护的精度可以采取一下措施： ①在转子励磁电压采样的硬件电路中增加滤波，以滤除暂态过程中的高次谐波。 ②为了避免发电机转子对地电容的暂态影响，在电子开关 闭合 后，同时对发电机转子电压 ,测量电阻R上的电压 进行采样。 ③为了消除交流分量的影响，利用傅立叶算法对发电机转子电压 和测量电阻R上的电压 采样数值进行滤波。如采样频率取600HZ，经 读取 ， 按下式计算 ， ： 在实际计算 时利用递归算法： 如 ，说明转子回路的暂态过程基本结束， 上的电压取 ，转子电压 取 .如不满足，则可以移动数据窗，利用递归算法自适应控制电子开关 的闭合时间。 详见《发电机转子一点接地乒乓式微机保护的研究》 《发电机转子励磁绕组接地保护》 （2）由于转子的励磁电压比较高，在转子线圈开路或灭磁开关断闸时励磁电压突变为反向高压，电子开关要承受高压，所以可以给开关并联二极管或高阻，来保护开关。若是加高电阻，势必会造成在发电机正常运行情况下，只要励磁电压 存在，不论开关 处于什么状态，转子线圈正负极始终通过三个 接通，一直会有持续性的电流存在。但是 不能选择的太大，否则会造成转子一点接地时保护装置检测 的分辨率太低，所以该电流有相当的值，该电流属于有害的功率损耗，导致长期的无谓的发热。而若并联二极管的话，在发电机正常运行的情况下，转子线圈正负极之间的保护网络不能构成通路，因此无电流，彻底消除了有害的功率损耗和长期的无谓的发热。详见《发电机转子一点接地乒乓式微机保护的研究》。 （3）为了提高保护装置的稳定性，转子电压信号在进入保护装置测量之前需要经过隔离，目前使用较普遍的电压隔离传感器主要有霍尔元件和隔离放大器。两种电压隔离传感器各有特点，考虑到励磁电压为直流，而且幅值较高，应该选用霍尔电压传感器。 （4）由于励磁电压比较高，不便于直接测量，所以要考虑在前端增加分压环节。以三峡左岸ALSTOM机组为例，其额定励磁电压为497V,考虑到强励情况下3.13倍的强励倍数，该电压可达1556V；另外，在发电机灭磁的过程中，励磁线圈突然由励磁系统切换至灭磁电阻两端时，由于励磁线圈两端的电流不能突变，故很可能产生静态过电压。所以要用电阻对励磁电压进行分压，采样电压是分压后的电压。详见《发电机乒乓式转子接地保护电路设计》。 有文章对乒乓式的算法提出了改进，原来通过两个静态开关移开一合建立两组方程来求解接地电阻与位置未必最优，当接地点在励磁绕组两端时，接地电阻的计算误差受电流误差的影响大，尤其在接地电阻小，励磁电压低的情况下。现在将两开关同时断开建立起第三组方程，通过数值计算，分析了在不同接地点，不同的接地电阻情况下，接地电阻对各测量电流偏导数大小，得出在不同接地点位置不同情况下，通过不同方程计算接地电阻，可以减少电流测量误差对接地电阻计算的影响，降低两端接地时过渡电阻的计算误差，使得保护在各点接地时具有较一致的灵敏度。详见《一种切换采样原理转子接地保护算法的研究》。 （五）小结 综上所述，电桥式一点接地保护在中点附近故障时存在死区；叠加直流电压式一点接地保护在励磁绕组上不同点接地时，流过继电器的电流相差很大，因而不同接地点的灵敏度相差很大；叠加交流式由于受励磁绕组对地电容的影响比较大，灵敏度较低；用导纳继电器的叠加交流式在实际运行中，动作特性受很多因素影响，易发生误动和拒动，整定要求精确，分析起来复杂；乒乓式一点接地保护凭借不受转子对地分布电容及接地位置的影响，调试，整定方便，正确动作率高，功耗小。 二、转子两点接地保护 励磁回路两点接地保护装置按原理可分为下述几种:电桥原理、测量转子高频阻抗原理及测量定子二次谐波电压原理等。分别介绍如下。 （一）电桥原理的两点接地保护 电桥式两点接地保护的原理图示于图2-1。电位器R接于励磁回路的正负极之间，动臂经继电器J接地。当发生一点接地故障后(如图2-1中的点①)，把保护装置投入，故障点①将励磁绕组一分为二，构成电桥的两臂，利用电位器R调平衡。此时保护装置进入工作状态。当第二点(例如点②)发生接地故障后， 图2－1电桥式两点接地保护原理图 平衡破坏，继电器J动作。继电器J有两个绕组，把电桥对角线上的交流分量经辅助互感器FH引入绕组2，用以抵消同一交流分量在绕组1中产生的磁势，从而消除了交流分量的影响。 这种原理的保护存在两个重要的缺点: 1) 因为是在发生一点接地后保护才开始工作，所以对于两点同时接地或紧接发生第二点接地的情况，该保护无效; 2) 如果第一点接地位于励磁绕组端侧，则由于无法调平衡，这时电桥失去作用，此时的死区为100%。 3)当两个接地点之间的电气距离很近时，继电器不能动作，有死区，死区的大小和整定值有关，一般为绕组的3％左右。 由于电桥式两点接地保护在原理上存在上述缺点，所以不能满足大机组的需求。 （二）测量转子高频阻抗原理的两点接地保护 发电 机 励 磁 绕 组的等效电路可以表示为，绕组电感L、总匝间电容C和表示转子本体有效损耗的电阻R相并联的回路，如图2-2所示。因为励磁绕组的漏 图2－2测量转子高频阻抗的两点接地保护原理图 抗和电阻很小，略去不计。这样对于某一角频率 ，励磁绕组的阻抗为， （2－1） 阻抗 的大小 ，随频率f而变化。由式(2-6)知，励磁回路的L,C 谐振，谐振频率为， 。 （2－2） 当励磁绕组发生两点接地故障时，部分绕组被短接，此时谐振频率提高。如图2-3所示为一台32万kW汽轮机的励磁绕组阻抗频率特性，其中曲线1表示的是正常情况下的曲线，曲线2表示的是一匝被短接情况下的曲线。在频率较低的范围内，在同一频率f值下， 值要比正常情况下小，而在频率f值较高的情况下，则相反。当频率较高时，例如 及以上时， 则有比较明显的变化。 图2－3 32万kW汽轮机的励磁绕组阻抗频率特性 基于励磁绕组阻抗特性的这一特征，我们就可以利用测量励磁绕组高频阻抗变化的方法，来构成两点接地保护。 对于用高频励磁机的发电机，若励磁机的频率为500Hz，用三相桥整流装置，则最低次谐波的频率为3kHz，其幅值是基波电压的2/35倍。例如某台32万kW的实测数据，当f= 3kHz时，正常情况下 ，当一匝短路后， ，下降了13%,因而可以利用励磁系统中固有的6次谐波电压来构成两点接地保护。但是一般情况下，从保证选择性方面看，这样的变化幅度还不够明显，缺乏足够的裕度。 其他情况下， 例如用直流励磁机、频率较低(例如100Hz)的交流励磁机时，可以用加高频电压的方法构成两点接地保护。因此这种原理的保护装置受到励磁机型式的限制。 （三）测量定子二次谐波电压原理的两点接地保护 当励磁回路发生两点接地故障后，励磁绕组部分线匝被短接，则气隙磁密南北极对称被破坏(短接线匝不对称于横轴时)。对于两极汽轮发电机，根据傅里叶级数的谐波分析，这样一个不对称与横轴的气隙磁密一定包含有包括二次谐波在内的偶次谐波，从而在定子中产生相应的偶次谐波电压。所以可以利用二次谐波电压作为判据来构成两点接地保护(100万kW及以上容量的汽轮发电机，转子可能是四极隐极式，此时两点节地故障的定子电压特征量是25Hz, 1/2次谐 波)。 设发电机空载运行，被短路匝数与一个磁极下励磁绕组总匝数的比值为K,正常空载励磁电流为 ，一个极下励磁绕组的总匝数为 ，则在发生两点接地故障时，相应的反向励磁安匝为 。为简化计算，在少量匝数被短接的情况下，可以将 看作是集中绕组。 y= 被短路绕组的宽度/极距 显然，符号y表示的是被短路的绕组在转子上的空间位置，当被短路的线匝靠近大齿时，y值较小;而当靠近横轴时，则y值趋向1. 图2-4表示了反向励磁安匝 ,零磁位线(横轴)将它分为正向磁势M和负向磁势N，即M一N= （2－3） 根据磁通连续性原理，有 （2－4） 解上两式可得: （2－5） 图2－4两极发电机两接地的谐波分析 图2-4的磁势按傅里叶级数谐波分析法可得: （2－6） 其中系数 二次谐波幅值为 正常运行时该保护退出，当转子绕组发生一点接地故障时自动投入运行。其优点是不受外部故障或其它机组转子两点接地在定子绕组中出现二次谐波电压的影响。整定值可以很小，可以保证其灵敏度。运行时应注意一下事项； ①二次谐波电压通常整定为1.5－2V。动作延时可取0.3－0.5s，以躲过外部故障时在定子绕组中产生的暂态二次谐波电压及瞬时出现转子两点接地。 ②理论分析表明正常运行时发电机定子电压中不含有二次谐波分量，但实际上由于转子偏心等原因，定子绕组中会出现二次谐波电压。测量表明，定子线电压中含有0.03％－0.1％的二次谐波电压分量。二次谐波分量只与发电机电压的高低有关，与发电机负载无关。详见《发电机转子两点接地保护的研究》 （四）乒乓式两点接地保护 转子一点接地时，根据切换采样式一点接地保护计算出接地点的 值，若发生转子两点接地，测得的 数值有变化，转子两点接地保护的动作方程为 式中 为转子绕组两个接地点之间的电气距离百分数， ； 为转子两点接地位置变化的整定值。 可以整定为5％－10％，为防止瞬间转子两点接地故障时保护误动，动作延时可以取0.3s该保护存在一下问题： ①有死区， 越大，死区越大。 ②运行实践表明，转子绕组发生不稳定的一点接地故障时，保护容易误动。因此，可以利用微机保护，多计算几次以取得稳定可靠的值在做判别。详见《发电机转子两点接地保护的研究》 鉴于单纯依靠接地电阻判据不能实现100％的两点接地保护，所以有文章提出改进，增加了新的判据即反映两接地点之间的短路电流 . 由转子两点接地故障原理图可以计算 对定时限两点接地保护，判据为 。 式中： 按躲过转子绕组两点接地保护投入时，还未发生两点接地短路的计算电流整定； 为可靠系数。保护延时动作于跳闸和灭磁延时停机的时间。 大量结果表明，只要转子第一点接地电阻 ，转子第二点接地电阻都有很高的检测灵敏度。但当第一点接地电阻很小时，就不能准确测量第二点接地电阻 。但此时两接地点中的电流却很大，利用两接地点之间的电流构成得 判据可以灵敏的反映。这正是目前采用的切换原理不能克服的死区。 所以反映两接地点之间的短路电流 构成的转子微机励磁回路接地保护，具有灵敏度高，无死区的特点，再与反映转子低二点接地故障电阻 原理的保护一起使发电机励磁回路接地保护更加完善。详见《发电机转子励磁绕组接地保护》 （五）小结 电桥式两点接地保护由于原理本身存在重要缺陷，虽然迄今被广泛采用，但并不理想;测量转子高频阻抗原理的两点接地保护灵敏度不高，励磁绕组的高频阻抗特性不足以明显区分正常运行与两点接地故障，而且发电机励磁绕组的高频阻抗特性一般是未知的，要求现场测试决定，比较麻烦:测量定子二次谐波电压原理的两点接地保护则由于动作门槛整定等方面的困难，单独采用效果并不理想；两接地点之间的短路电流 构成的转子微机励磁回路接地保护，与反映转子低二点接地故障电阻 原理的保护一起使发电机励磁回路接地保护更加完善。。 （c）正端经过渡电阻接地时 （b）负端经过渡电阻接地时 (a)正常情况下 � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED 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