CN100349345C - 漏电保护装置寿命终止智能检测方法及其设备 - Google Patents

漏电保护装置寿命终止智能检测方法及其设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种漏电保护装置寿命终止智能检测设备以及方法，其中所述检测设备包括：一个交流电网信号同步监测单元，从电网中提取同步半波信号，以作为实时检测的采样信号；一个寿命终止检测控制单元，根据所述采样信号，产生和输出接地故障模拟信号，并随后启动对漏电保护装置的漏电检测电路和脱扣部分的实时检测；一个接地故障模拟单元，根据从寿命终止检测控制单元输入的所述接地故障模拟信号，产生一个使漏电保护装置接地的模拟接地故障；其中，当所述接地故障模拟单元产生模拟接地故障时，所述寿命终止检测控制单元检测漏电保护装置的漏电检测电路和/或脱扣部分是否存在故障，并在检测到故障时，通过报警单元发出报警信号。

Description

漏电保护装置寿命终止智能检测方法及其设备
技术领域
本发明涉及一种低压电器的漏电保护装置的在线检测和故障报警设备，特别是一种漏电保护装置寿命终止智能检测方法及其设备。
背景技术
低压电器的漏电保护装置按功能可以分为两类：接地短路的漏电保护和电弧短路保护。为了实现漏电保护的这两个功能，低压电器的漏电保护装置都包含两个主要组成部分：脱扣器和漏电保护检测电路。前者包括晶闸管、脱扣线圈和脱扣断路装置；后者包括感应线圈、信号放大器和控制器(以下称之为漏电检测部分)。
低压电器的接地短路漏电保护装置的基本原理是：在一个电源插座上，正常情況下火线和零线的电流应该相等。一旦发生漏电事故，则火线电流与零线电流产生差值。漏电保护装置中的感应线圈监视其电流差，并将其转换成电压信号，经信号放大器放大后输出至控制器，一旦其差值大于某个确定的阈值时，控制器将输出控制信号，使断路器切断负载用电设备与电源线之间的连接，从而起到保护作用。
低压电器的电弧短路漏电保护装置的基本原理是：在一个电源插座上，正常情況下火线和零线的电流应该相等，且稳定变化的。当火线与零线之间由于破损、老化等造成发生电弧短路现象时，则线路中火线和零线中的电流或电压将产生重复出现的脉冲电信号，通过电弧短路保护装置中的感应线圈检测出脉冲信号，并将其转换成电压信号，经信号放大器放大后输出至控制器，一旦脉冲的幅度或出现频率超过某个确定的阈值时，控制器将输出控制信号，使断路器切断负载用电设备与电源线之间的连接，从而起到保护作用。
低压电器漏电保护产品依靠优良的特性早已获得得了用户的认可，但仍有部分产品无法提供正确的漏电保护功能，其原因可能是由于不正当的安装或者长时间使用后产品中的器件损坏。一旦控制器发生故障无法输出控制信号，或者脱扣器失效无法发生动作，则漏电保护装置失去了其原有的保护功能，将可能导致重大的用电安全事故。尽管具有漏电保护装置的低压电器产品通常具有手动检测功能，但事实证明很少有人会去进行手动测试。因此需要在漏电保护装置中进行寿命终止自动检测，以便当检测到具有漏电保护装置的低压电器产品本身已经失效时，发出报警信号提醒用户采取必要的措施，如维修或者更新原有产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种对漏电保护装置进行实时检测的漏电保护装置寿命终止智能检测设备。
本发明的另一目的是提供一种对漏电保护装置进行实时检测的漏电保护装置寿命终止智能检测方法。
本发明主要是实时检测漏电保护装置的两个主要组成部分，即漏电保护装置的漏电检测电路和/或脱扣部分。一般来说，漏电检测电路包括：检测漏电流的两个感应线圈，和根据所检测的漏电电流与阈值的比较输出漏电保护信号的漏电检测部分；脱扣部分包括开关元件(如晶闸管)、脱扣线圈和脱扣器触点。本发明通过对漏电检测电路和/或脱扣部分(即脱扣线圈和晶闸管)的实时检测，实现对漏电保护装置寿命终止的检测；也就是说，在电网每个周期的半周期中，或者设定的时间间隔中，利用电网交流电产生模拟接地故障，检测漏电检测电路的漏电保护电压是否正常，以及检测脱扣线圈和晶闸管(即是否开路、短路等)；如果检测结果为不正常，则发出报警信号。本发明可以类似地应用于电弧短路保护装置和低压断路器接地短路保护装置等产品中。
根据本发明的一个方面，提供了一种漏电保护装置寿命终止智能检测设备，用于检测漏电保护装置和脱口部分是否存在故障，包括：
一个交流电网信号同步监测单元，从电网中提取同步半波信号，以作为实时检测的采样信号；
一个寿命终止检测控制单元，根据从交流电网信号同步监测单元输入的所述采样信号，产生和输出接地故障模拟信号，并随后启动对漏电保护装置的漏电检测电路和脱扣部分的实时检测；
一个接地故障模拟单元，根据从寿命终止检测控制单元输入的所述接地故障模拟信号，产生一个使漏电保护装置接地的模拟接地故障；
其中，当所述接地故障模拟单元交流电负半周期上升沿或下降沿的预定时刻产生模拟接地故障时，所述寿命终止检测控制单元检测漏电保护装置的漏电检测电路和/或脱扣部分是否存在故障，并在检测到故障时，通过报警单元发出报警信号。
其中，所述寿命终止检测控制单元具有一个单片机，包括：当模拟接地故障发生时，通过检测所述漏电检测电路的漏电检测部分输出的触发信号，判断漏电保护装置的漏电检测电路是否存在故障的逻辑单元。这样，通过对漏电检测电路输出的触发信号的检测，就可以判定漏电检测电路中是否存在故障。
其中，所述的寿命终止检测控制单元还包括：当判定所述漏电检测电路无故障时，触发漏电保护装置的脱扣晶闸管导通，然后通过检测脱扣晶闸管的导通状态，判定脱扣部分是否存在故障的逻辑单元。这样通过检测脱扣晶闸管的导通状态，亦可以判断脱扣部分中的晶闸管和脱扣线圈是否存在故障。
其中，所述接地故障模拟单元包含一个由可控晶闸管和与其串联的电阻，其一端接电源线，另一端接于负载端脱扣器动触点之前。
其中，接地故障模拟电路的晶闸管由单片机触发，由交流电网的电压自然关断，其中，单片机触发接地故障模拟电路的晶闸管的时刻为交流电负半周期上升沿或下降沿的预定时刻。
其中，所述接地故障模拟单元还可以由二极管和电阻串联电路构成。
其中，所述二极管在交流电负半周导通。
其中，所述脱扣晶闸管串连连接一个二极管，二极管阳极连接该晶闸管的阴极，二极管阴极接地，其中利用该二极管正向导通时产生的固定压降，对脱扣晶闸管和脱扣线圈进行寿命终止检测。
在本发明第一方面的一个重要特点是，模拟漏电故障的时间改为电网负半周上升沿或下降沿的确定时刻，这样，脱扣电路在电网的负半周不会被触发，因此单片机无须区别正常的漏电信号和模拟故障信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种检测漏电保护装置中是否存在故障的智能检测方法，包括以下步骤：
交流电网信号同步监测单元，从电网中提取同步半波信号，以作为实时检测的采样信号；
寿命终止检测控制单元根据从交流电网信号同步监测单元输入的所述采样信号，启动对漏电保护装置的漏电检测电路和脱扣部分的实时检测，然后，产生输出接地故障模拟信号；
接地故障模拟单元根据从寿命终止检测控制单元输入的所述接地故障模拟信号，产生一个使漏电保护装置接地的模拟接地故障；
其中，当模拟接地故障发生时，所述寿命终止检测控制单元检测漏电保护装置的漏电检测电路和/或脱扣部分是否存在故障，并在检测到故障时，通过报警单元发出报警信号。
其中，所述寿命终止检测控制单元检测所述漏电检测电路和/或脱扣部分是否存在故障的步骤包括：触发漏电保护装置的脱扣晶闸管导通，然后检测脱扣晶闸管的导通状态，由此判定脱扣部分是否存在故障。
下面结合附图对本发明进行详细说明。需要说明的是，在以下说明中，术语“电路”和“单元”可以互换使用。
附图说明
图1是本发明的漏电保护装置的寿命终止智能检测与报警系统的电路原理图；
图2是分压后在图1的MCU的Pin1上测量的电网同步半波信号；
图3是图1中脱扣晶闸管SCR101触发信号；
图4是图1中脱扣晶闸管SCR101阳极电压波形；
图5是图1中脱扣线圈回路二极管D102阳极电压波形；
图6是图1中负半周产生漏电流时漏电检测部分输出到脱扣晶闸管的电压波形。
具体实施方式
具有漏电保护装置的低压电器的脱扣器部分的主要开关器件一般采用晶闸管。当发生漏电现象或电弧短路现象时，必须保证晶闸管能够正常导通。若晶闸管无法导通，则脱扣线圈回路断路，脱扣器无法动作。
为了验证脱扣线圈回路是否能正常导通，最好的办法就是创造了导通的条件后，检测其是否确实导通了。实验证明，脱扣装置动作不仅仅需要脱扣线圈回路导通，而且对线圈内流过的电流大小和导通时间有一定的要求：导通电流必须足够大，导通时间必须足够长。线圈和晶闸管接在110～240V的交流电网上，因此可以选择电网交流电处于正半周的下降沿，且其瞬时值小于某个确定的值时触发晶闸管，然后检测回路是否确实导通。晶闸管导通后，利用电网交流电将很快过零，并进入另外半个周期，晶闸管将被自然关断。晶闸管实际导通的时间非常短暂，导通的电流也非常小，以保证脱扣断路装置不发生脱扣动作。
首先参见本发明的漏电保护装置寿命终止智能检测设备的电路图。如图1所示，漏电保护装置及其寿命终止智能检测与报警电路可按功能分为3个部分。第一部分为原有的漏电保护装置的电路(或单元)100，第二部分是本发明的以单片机为核心的寿命终止智能检测与报警电路(或单元)200，第三部分是本发明的接地故障模拟电路(或单元)300。
电路100主要包括两组检测漏电流的感应线圈L1和L2，具有漏电检测装置的低压电器控制器电路，及其半波供电电路101，手动测试电路102，复位电路103，以及脱扣线圈回路104和脱扣器SW101。一般具有漏电检测装置的漏电检测部分的输出直接连接到脱扣晶闸管SCR101的触发极，而本发明则由寿命终止智能检测与报警电路200(即单片机MCU)检测漏电检测部分的输出信号(触发信号)，同时由单片机MCU检测端Pin4触发SCR101。
电路200主要包括单片机系统电路MCU，以及单片机电源电路201，声音报警电路202，光报警电路203。
电路201采用电阻分压法由火线供电给单片机使用。如图1中电路101所示，由于漏电保护装置的控制器采用半波整流供电，因此电路202也必须采用半波整流，为了获得更好的稳压效果，后接由稳压管Z201和电容C201构成的稳压电路，按照实际需要可以加入发光由二级管LED201和电容C202构成的降压电路，以适应MCU的工作电压要求。
声音报警电路202由蜂鸣器，可控开关器件SCR201，以及分压电阻R202构成。SCR201可按实际情况可选择三极管或晶闸管等器件。半波整流后的直流电压经过分压电阻R202和开关器件SCR201后加在蜂鸣器上，当开关器件SCR201被触发导通时，蜂鸣器发出声音报警信号。
光报警电路203由发光二极管LED202和限流电阻R205构成，可由单片机管脚Pin8直接驱动发出光报警信号。SW201是与脱扣装置相连的机械触点开关，当漏电保护装置脱扣时自动闭合SW201，使LED202发光，产生脱扣指示信号。
本发明的漏电保护装置寿命终止智能检测设备，用于检测漏电保护装置是否存在故障，包括：
一个交流电网信号同步监测单元(或电路)204，由单向导电器件，如二极管D201和电阻R206和R207组成，从电网中提取同步半波信号，以作为实时检测的采样信号；
一个寿命终止检测控制单元MCU，根据从交流电网信号同步监测单元204输入的所述采样信号，产生和输出接地故障模拟信号，并随后启动对漏电保护装置100的漏电检测电路(即感应线圈L1、L2和漏电检测部分)和脱扣部分(包括脱扣晶闸管SCR101和脱扣线圈S1)的实时检测；
一个接地故障模拟单元300(由开关器件如晶闸管SCR301和电阻R301，R302组成)，根据从寿命终止检测控制单元MCU(第7脚Pin7)输入的所述接地故障模拟信号，产生一个使漏电保护装置接地的模拟接地故障，即在通过SCR301的导通，使流过零线和火线的电流不平衡，由此使漏电检测电路通过感应线圈L1、L2和漏电检测部分进行漏电检测；
其中，当所述接地故障模拟单元300产生模拟接地故障时，所述寿命终止检测控制单元MUC通过Pin5和/或Pin3检测漏电保护装置的漏电检测电路和/或脱扣部分(即脱扣晶闸管SCR101和脱扣线圈S1)是否存在故障，并在检测到故障时，通过报警单元如声音报警单元(或电路)202和光报警单元(或电路)203发出报警信号。
所述寿命终止检测控制单元具有一个单片机MCU，包括：当模拟接地故障发生时，通过检测所述漏电检测部分输出的触发信号，判断漏电保护装置的漏电检测电路是否存在故障的逻辑单元(可以由单片机中的硬件、软件或者硬件和软件的组合构成)。这样，通过对漏电检测部分输出的触发信号的检测，就可以判定漏电检测电路中是否存在故障。
所述的寿命终止检测控制单元还包括：当判定所述漏电检测电路无故障时，触发漏电保护装置的脱扣晶闸管导通，然后通过检测脱扣晶闸管的导通状态，判定脱扣部分是否存在故障的逻辑单元(可以由单片机中的硬件、软件或者硬件和软件的组合构成)。这样通过检测脱扣晶闸管的导通状态，还可以判断脱扣部分中的晶闸管和脱扣线圈是否存在故障。
寿命终止检测控制单元200还包括一个单片机供电单元201，该单片机供电单元包括电阻分压的半波整流电路(整流管D201)和稳压电路(稳压管Z201和发光二极管LED201)等的装置。
所述接地故障模拟单元300包含一个由可控晶闸管SCR301和与其串联的电阻R301，其一端接电源线，另一端接于负载端脱扣器动触点之前。
接地故障模拟电路的晶闸管SCR301由单片机触发，由交流电网的电压过零时自然关断。
所述脱扣晶闸管SCR101串连连接一个二极管D102，二极管D102阳极连接该晶闸管SCR101的阴极，二极管D102阴极接地，其中利用该二极管D102正向导通时产生的固定压降，对脱扣晶闸管SCR101和脱扣线圈S101进行寿命终止检测。
寿命终止检测控制单元200还包含一个由复位线圈S2和复位晶闸管SCR102构成的复位电路。
所述交流电网同步监测单元204包含电阻(R206和R207)分压的半波整流(D201)电路，向寿命终止检测控制单元提供采样信号。
单片机MCU触发脱扣晶闸管SCR101的时刻为电网交流正半周期下降沿的预定时刻，以保证晶闸管被触发后，脱扣装置不动作。
单片机MCU触发接地故障模拟电路的晶闸管SCR301的时刻为交流电负半周期上升沿或下降沿的预定时刻。
其中，当输入的交流电压超过设定的阈值时，单片机MCU发出脱扣控制信号，使保护装置脱扣，并发出报警信号，实现过电压保护。
其中，在触发接地故障模拟电路的晶闸管SCR301后，如果在指定时间内单片机无法检测到漏电检测部分正确的输出，则发出报警信号。
其中，在触发脱扣晶闸管SCR101后，若在指定时间内无法在二极管D102阳极检测到正确的电压，则发出报警信号。
其中，在漏电保护装置脱扣后仍可继续进行寿命终止自检测。
其中，在漏电保护装置脱扣后，在指定时间内检测不到漏电保护装置输出的触发信号，由单片机触发复位晶闸管，使漏电保护装置自动复位，将负载重新投入电网。
其中，所述报警单元是声音202和/或光报警器203。
其中，检测时间间隔可根据需要进行调节。
其中，可对检测系统本身进行自检测，并可以通过声音、光报警器对系统自检测故障进行报警。
另一方面，本发明提供了一种检测漏电保护装置中是否存在故障的智能检测方法，包括以下步骤：
交流电网信号同步监测单元204，从电网中提取同步半波信号，以作为实时检测的采样信号；
寿命终止检测控制单元200根据从交流电网信号同步监测单元204输入的所述采样信号，产生和输出接地故障模拟信号，然后，启动对漏电保护装置的漏电检测电路和脱扣部分的实时检测；
接地故障模拟单元300根据从寿命终止检测控制单元200输入的所述接地故障模拟信号，产生一个使漏电保护装置接地的模拟接地故障；
其中，当模拟接地故障发生时，所述寿命终止检测控制单元200检测漏电检测电路和/或脱扣部分是否存在故障，并在检测到故障时，通过报警单元202和/或203发出报警信号。
当模拟接地故障发生时，所述寿命终止检测控制单元200检测漏电检测电路和/或脱扣部分是否存在故障的步骤包括：通过检测所述漏电检测部分输出的触发信号，判断漏电保护装置的漏电检测电路是否存在故障。这样，通过对漏电检测部分输出的触发信号的检测，就可以判定漏电检测电路中是否存在故障。
当判定所述漏电检测电路无故障时，所述寿命终止检测控制单元200检测漏电检测电路和/或脱扣部分是否存在故障步骤还包括：触发漏电保护装置的脱扣晶闸管SCR101导通，然后检测脱扣晶闸管SCR101的导通状态，由此判定脱扣部分是否存在故障。这样通过检测脱扣晶闸管SCR101的导通状态，还可以判断脱扣部分中的晶闸管SCR101和脱扣线圈S1是否存在故障。
其中，所述脱扣晶闸管SCR101串接一个二极管D102，利用该二极管D102正向导通时产生的固定压降，对脱扣晶闸管SCR101和脱扣线圈S1进行寿命终止检测。
下面结合图1至图7说明本发明的工作原理。
电路204是由电阻R206，R207和二极管D201构成的半波整流分压电路，该电路连接在火零线之间，用以产生与电网同步的半波信号，送单片机采样以确定开始寿命终止自检测各个步骤的时刻。单片机的管脚可以承受0～VDD的电压，因此还需要对电网电压进行分压。选择合适的电阻参数，使得实际的分压比为50～200之间的确定值，从而使得供给单片机采样的信号幅值满足单片机的实际要求。该电路的输出如图2所示。
电路300由晶闸管SCR301和电阻R301，R302构成，该电路接在火零线之间，并且跨接在感应线圈两边。晶闸管SCR301由单片机在交流电负半周的适当时刻触发，此时产生模拟漏电流供寿命终止自检测用，当交流电进入正半周时，晶闸管SCR301自动关断。
在本发明设计中当寿命终止自检测开始时，单片机首先通过Pin1的A/D转换器采样电路204输出的电网同步半波信号，其波形如图2所示。当电网信号进入下降沿且瞬时电压小于某一确定的值时，首先由Pin4发出如图3所示触发脉冲，使SCR101导通，短暂延时后，通过单片机Pin3上的A/D转换器检测脱扣线圈回路中二极管D102的阳极电压。如果该电压接近0.7V，则判定脱扣线圈回路可以正常导通。脱扣晶闸管SCR101阳极电压波形如图4所示，二极管D102阳极电压波形如图5所示。当电网信号进入负半周并且瞬时电压的绝对值大于某一确定的值时，由Pin7发出触发脉冲，使SCR301导通，产生一个模拟的接地故障漏电流。延时一段时间后由Pin5检测漏电检测装置的输出，正常情况下，此时输出端应有如图6所示的波形。如果能够检测到该脉冲，则判定漏电保护装置的漏电流检测电路部分工作正常。若出现以上两种情况外的异常现象，例如检测不到漏电保护装置控制器输出或检测到异常输出，检测到D102阳极上的电压为0等，则判定GFCI寿命终止。此时由单片机Pin8驱动发光二极管LED报警或由Pin9驱动蜂鸣器发出声音报警，同时由单片机Pin4触发SCR101，使漏电保护装置脱扣。
本设计实例中还实现了过电压保护功能和自动复位功能。
当电网交流电压异常升高时，可能会对用电设备造成损害。在检测周期中，单片机采样电路204输出的电网同步半波信号时，一旦监测到电网电压超过设定的阈值时，首先触发脱扣晶闸管，使漏电保护装置脱扣，并发出报警信号，实现了对用电设备的过电压保护。
漏电保护装置脱扣后，寿命终止自检测系统仍可以正常工作，继续对漏电保护装置进行寿命终止检测。如果脱扣后长时间没有人为的复位动作，且漏电流不再存在时，单片机将通过Pin2发出触发脉冲，触发复位晶闸管SCR102，使得复位线圈回路导通，漏电保护装置复位，负载重新连接到交流电网上。
本设计中的单片机也可由其他带有定时功能的通用IC专用的IC，如555芯片等代替。

Claims (9)

1.一种漏电保护装置寿命终止智能检测设备，用于检测漏电保护装置是否存在故障，包括：
一个交流电网信号同步监测单元，从电网中提取同步半波信号，以作为实时检测的采样信号；
一个寿命终止检测控制单元，根据从交流电网信号同步监测单元输入的所述采样信号，产生和输出接地故障模拟信号，并随后启动对漏电保护装置的漏电检测电路和脱扣部分的实时检测，；
一个接地故障模拟单元，根据从寿命终止检测控制单元输入的所述接地故障模拟信号，产生一个使漏电保护装置接地的模拟接地故障；
其中，当所述接地故障模拟单元在交流电负半周期上升沿或下降沿的预定时刻产生模拟接地故障时，所述寿命终止检测控制单元检测漏电保护装置的漏电检测电路和脱扣部分是否存在故障，并在检测到故障时，通过报警单元发出报警信号，
其中，所述的脱扣部分具有一脱扣晶闸管，对于脱扣部分的检测，是由所述的脱扣晶闸管串连连接一个二极管，二极管阳极连接该晶闸管的阴极，二极管阴极接地，其中利用该二极管正向导通时产生的固定压降，对脱扣晶闸管和脱扣线圈进行寿命终止检测。
2.按照权利要求1所述的检测设备，其中所述寿命终止检测控制单元具有一个单片机，包括：当模拟接地故障发生时，通过检测所述漏电检测部分输出的触发信号，判断漏电保护装置的漏电检测电路是否存在故障的逻辑单元。
3.按照权利要求2所述的检测设备，其中，所述的寿命终止检测控制单元还包括：当判定所述漏电检测电路无故障时，触发漏电保护装置的脱扣晶闸管导通，然后通过检测脱扣晶闸管的导通状态，判定脱扣部分是否存在故障的逻辑单元。
4.按照权利要求1所述的检测设备，其中，所述接地故障模拟单元包含一个由可控晶闸管和与其串联的电阻，所述串联的电阻的另一端接电源线，所述可控晶闸管的另一端接于负载端脱扣器动触点之前。
5.按照权利要求4所述的检测设备，其中，接地故障模拟电路的晶闸管由单片机触发，由交流电网的电压自然关断，其中，单片机触发接地故障模拟电路的晶闸管的时刻为交流电负半周期上升沿或下降沿的预定时刻。
6.按照权利要求1所述的检测设备，其中所述接地故障模拟单元由二极管和电阻串联电路构成。
7.按照权利要求6所述的检测设备，其中所述二极管在交流电负半周导通。
8.一种检测漏电保护装置中是否存在故障的智能检测方法，包括以下步骤：
交流电网信号同步监测单元，从电网中提取同步半波信号，以作为实时检测的采样信号；
寿命终止检测控制单元根据从交流电网信号同步监测单元输入的所述采样信号，启动对漏电保护装置的漏电检测电路和脱扣部分的实时检测，然后，产生输出接地故障模拟信号；
接地故障模拟单元根据从寿命终止检测控制单元输入的所述接地故障模拟信号，产生一个使漏电保护装置接地的模拟接地故障；
其中，当模拟接地故障发生时，所述寿命终止检测控制单元检测漏电保护装置的漏电检测电路和脱扣部分是否存在故障，并在检测到故障时，通过报警单元发出报警信号。
9.按照权利要求8所述的检测方法，其中，所述寿命终止检测控制单元检测所述漏电检测电路和脱扣部分是否存在故障，所述的脱扣部分具有脱扣晶闸管，其步骤包括：触发漏电保护装置的脱扣晶闸管导通，然后检测脱扣晶闸管的导通状态，由此判定脱扣部分是否存在故障。
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