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諧波與不平衡電流的危害

作者: 時(shí)間:2011-12-14 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

簡(jiǎn)單地說,就是一定頻率的電壓或作用于非線性負(fù)載時(shí),會(huì)產(chǎn)生不同于原頻率的其它頻率的正弦電壓或的現(xiàn)象。

紋波是指在直流電壓或中,疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。它們雖然在概念上不是一回事,但它們之間有聯(lián)系。如電源上附加的紋波在用電器上很容易產(chǎn)生各頻率的;電源中各頻率的存在無疑導(dǎo)致電源中紋波成分的增加。

除了在電路中我們所需要產(chǎn)生諧波的情況以外,它主要有以下主要危害:

  1、使電網(wǎng)中發(fā)生諧振而造成過電流或過電壓而引發(fā)事故;

  2、增加附加損耗,降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率和設(shè)備利用率;

  3、使電氣設(shè)備(如旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電容器、變壓器等)運(yùn)行不正常,加速絕緣老化,從而縮短它們的使用壽命;

  4、使繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及許多用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正?;虿荒苷?dòng)作或操作;

  5、使測(cè)量和計(jì)量儀器、儀表不能正確指示或計(jì)量;

  6、干擾通信系統(tǒng),降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量,破壞信號(hào)的正常傳遞,甚至損壞通信設(shè)備。

  紋波的害處:

  1、容易在用電器上產(chǎn)生諧波,而諧波會(huì)產(chǎn)生較多的危害;

  2、降低了電源的效率;

  3、較強(qiáng)的紋波會(huì)造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生,導(dǎo)致燒毀用電器;

  4、會(huì)干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系,影響其正常工作;

  5、會(huì)帶來噪音干擾,使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。

  總之,它們?cè)谖覀儾恍枰牡胤匠霈F(xiàn)都是有害的,需要我們避免的。對(duì)于如何抑制和去除諧波和紋波的方式方法有很多,但想完全消除,似乎是很難辦到的,我們只有將其控制在一個(gè)允許的范圍之內(nèi),不對(duì)環(huán)境和設(shè)備產(chǎn)生影響就算達(dá)到了我們的目的。

  近年來, 電力網(wǎng)中非線性負(fù)載的逐漸增加是全世界共同的趨勢(shì),如變頻驅(qū)動(dòng)或晶閘管整流直流驅(qū)動(dòng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)、重要負(fù)載所用的不間斷電源(UPS) 、節(jié)能熒光燈系統(tǒng)等,這些非線性負(fù)載將導(dǎo)致電網(wǎng)污染,電力品質(zhì)下降,引起供用電設(shè)備故障, 甚至引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)事故等。

  電力污染及電力品質(zhì)惡化主要表現(xiàn)在以下方面:電壓波動(dòng)、浪涌沖擊、諧波、三相等。

  1.電源 污染的危害

  電源污染會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成嚴(yán)重危害,主要有:

  ? 干擾通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作,造成數(shù)據(jù)丟失或死機(jī)。

  ? 影響無線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、核磁共振等設(shè)備的工作性能, 造成噪聲干擾和圖像紊亂。

  ? 引起電氣自動(dòng)裝置誤動(dòng)作,甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。

  ? 使電氣設(shè)備過熱,振動(dòng)和噪聲加大,加速絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀。

  ? 造成燈光亮度的波動(dòng)(閃變),影響工作效益。

  ? 導(dǎo)致供電系統(tǒng)功率損耗增加。

  2.電源污染的種類

  2.1 電壓波動(dòng)及閃變

  電壓波動(dòng)是指多個(gè)正弦波的峰值,在一段時(shí)間內(nèi)超過(低于)標(biāo)準(zhǔn)電壓值,大約從半周波到幾百個(gè)周波,即從10MS到2.5秒, 包括過壓波動(dòng)和欠壓波動(dòng)。普通避雷器和過電壓保護(hù)器,完全不能消除過壓波動(dòng),因?yàn)樗鼈兪怯脕硐矐B(tài)脈沖的。普通避雷器在限壓動(dòng)作時(shí)有相當(dāng)大的電阻值,考慮到其額定熱容量(焦?fàn)?,這些裝置很容易被燒毀,而無法提供以后的保護(hù)功能。這種情況往往很容易忽視掉,這是導(dǎo)致計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)和敏感設(shè)備故障或停機(jī)的主要原因。

  另一個(gè)相反的情況是欠壓波動(dòng),它是指多個(gè)正弦波的峰值,在一段時(shí)間內(nèi)低于標(biāo)準(zhǔn)電壓值,或如通常所說:晃動(dòng)或降落。長時(shí)間的低電壓情況可能是由供電公司造成或由于用戶過負(fù)載造成,這種情況可能是事故現(xiàn)象或計(jì)劃安排。更為嚴(yán)重的是失壓,它大多是由于配電網(wǎng)內(nèi)重負(fù)載的分合造成,例如大型電動(dòng)機(jī)、中央空調(diào)系統(tǒng)、電弧爐等的啟停以及開關(guān)電弧、保險(xiǎn)絲燒斷、斷路器跳閘等,這些都是通常導(dǎo)致電壓畸變的原因。

  大型用電設(shè)備的頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致電壓的周期性波動(dòng),如電焊機(jī)、沖壓機(jī)、吊機(jī)、電梯等,這些設(shè)備需要短時(shí)沖擊功率,主要是無功功率。電壓波動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備功率不穩(wěn),產(chǎn)品質(zhì)量下降;燈光的閃變引致眼睛疲勞,降低工作效率。

  2.2 浪涌沖擊

  浪涌沖擊是指系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)過(低)電壓,即時(shí)間不超過1毫秒的電壓瞬時(shí)脈沖,這種脈沖可以是正極性或負(fù)極性,可以具有連串或振蕩性質(zhì)。它們通常也被叫作:尖峰、缺口、干擾、毛刺或突變。

  電網(wǎng)中的浪涌沖擊既可由電網(wǎng)內(nèi)部大型設(shè)備(電機(jī)、電容器等)的投切或大型晶閘管的開斷引起,也可由外部雷電波的侵入造成。浪涌沖擊容易引起電子設(shè)備部件損壞,引起電氣設(shè)備絕緣擊穿;同時(shí)也容易導(dǎo)致計(jì)算機(jī)等設(shè)備數(shù)據(jù)出錯(cuò)或死機(jī)。

  2.3 諧波

  線性負(fù)載,例如純電阻負(fù)載,其工作電流的波形與輸入電壓的正弦波形完全相同,非線性負(fù)載,例如斬波直流負(fù)載,其工作電流是非正弦波形。傳統(tǒng)的線性負(fù)載的電流/電壓只含有基波(50Hz),沒有或只有極小的諧波成分,而非線性負(fù)載會(huì)在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生可觀的諧波。

  諧波與電力系統(tǒng)中基波疊加,造成波形的畸變,畸變的程度取決于諧波電流的頻率和幅值。非線性負(fù)載產(chǎn)生陡峭的脈沖型電流,而不是平滑的正弦波電流,這種脈沖中的諧波電流引起電網(wǎng)電壓畸變,形成諧波分量,進(jìn)而導(dǎo)致與電網(wǎng)相聯(lián)的其它負(fù)載產(chǎn)生更多的諧波電流。

  計(jì)算機(jī)是此類非線性負(fù)載之一,象絕大多數(shù)辦公室電子設(shè)備一樣,計(jì)算機(jī)裝有一個(gè)二極管/電容型的供電電源,這類供電電源僅在交流正弦波電壓的峰值處產(chǎn)生電流,因此產(chǎn)生大量的三次諧波電流(150Hz)。其它產(chǎn)生諧波電流的設(shè)備主要有:電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器,固態(tài)加熱器,和其他一些產(chǎn)生非正弦波變化電流的設(shè)備。

  熒光燈照明系統(tǒng)也是一個(gè)重要的諧波源,在普通的電磁整流器燈光電路中,三次諧波的典型值約為基波(50Hz)值的13%-20%。而在電子整流器燈光電路中,諧波分量甚至高達(dá)80%。

  非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流會(huì)影響電力系統(tǒng)的多個(gè)工作環(huán)節(jié),包括變壓器,中性線,還有電動(dòng)機(jī),發(fā)電機(jī)和電容器等。諧波電流會(huì)導(dǎo)致變壓器,電動(dòng)機(jī)和備用發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度(K參數(shù))嚴(yán)重升高。中性線上的過電流(由諧波和引起)不僅會(huì)使導(dǎo)線溫度升高,造成絕緣損壞,而且會(huì)在三相變壓器線圈中產(chǎn)生環(huán)流,導(dǎo)致變壓器過熱。無功補(bǔ)償電容器會(huì)因電網(wǎng)電壓諧波畸變而產(chǎn)生過熱,諧波將導(dǎo)致嚴(yán)重過流;

  另外,電容器還會(huì)與電力系統(tǒng)中的電感性元件形成諧振電路,這將導(dǎo)致電容器兩端的電壓明顯升高,引致嚴(yán)重故障。照明裝置的啟輝電容器對(duì)于由高頻電流引起的過熱也是十分敏感的,啟輝電容器的頻繁損壞顯示了電網(wǎng)中存在諧波的影響。諧波還會(huì)引起配電線路的傳輸效率下降,損耗增大,并干擾電力載波通訊系統(tǒng)的工作,如電能管理系統(tǒng)(EMS)和時(shí)鐘系統(tǒng)。而且,諧波還會(huì)使電力測(cè)量表計(jì),有功需量表和電度表的計(jì)量誤差增大。

  2.4 三相

  三相不平衡會(huì)在中性線上產(chǎn)生過電流(由諧波和不平衡引起)不僅會(huì)使導(dǎo)線溫度升高,造成絕緣損壞,而且會(huì)在三相變壓器線圈中產(chǎn)生環(huán)流,導(dǎo)致變壓器過熱, 甚至引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)事故等。

  3.電源污染的治理

  對(duì)于現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)或待建電網(wǎng)中的電力污染情況,要進(jìn)行仔細(xì)分析,通常解決的方法有兩個(gè):一是局部重組電網(wǎng)結(jié)構(gòu),分離或隔離產(chǎn)生電力污染的設(shè)備;二是使用電源凈化濾波設(shè)備進(jìn)行治理,通常電壓諧波是由電流諧波產(chǎn)生的,有效地抑制電流諧波就會(huì)使電壓畸變達(dá)到要求的范圍。國內(nèi)外很多單位已開始重視電源污染的治理, 投資安裝電源凈化濾波裝置, 取得了提高電源品質(zhì)和節(jié)能的雙重效果。

  電源污染的治理主要有以下幾種方法:

  ? 串聯(lián)電抗器

  ? 有源濾波補(bǔ)償

  ? 無源濾波補(bǔ)償

  ? 增加整流設(shè)備的相數(shù)

  ? 安裝各種突波吸收保護(hù)裝置,如避雷器等

  目前,無源濾波補(bǔ)償是實(shí)際應(yīng)用最多、效果較好、價(jià)格較低的解決方案,它包括三種基本形式:串聯(lián)濾波、并聯(lián)濾波和低通濾波(串并混合)。其中串聯(lián)濾波主要適用于三次諧波的治理;低通濾波主要適用于高次諧波的治理;并聯(lián)濾波是一種綜合裝置,它可濾除多次諧波,同時(shí)提供系統(tǒng)的無功功率,是應(yīng)用最廣泛的電源凈化濾波裝置。

  近年來,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,有源濾波補(bǔ)償技術(shù)日益成熟,并得到了廣泛應(yīng)用。較傳統(tǒng)的無源濾波補(bǔ)償系統(tǒng),它具有功能多,適應(yīng)性好及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),隨著價(jià)格的不斷下降,應(yīng)用將日益普遍。有源濾波補(bǔ)償系統(tǒng)在很多重要場(chǎng)所應(yīng)用效果非常好。

  不平衡電流的危害

  電網(wǎng)中三相間的不平衡電流是普遍存在的,在城市民用電網(wǎng)及農(nóng)用電網(wǎng)中由于大量單相負(fù)荷的存在,三相間的電流不平衡現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。對(duì)于三相不平衡電流,除了盡量合理地分配負(fù)荷之外幾乎沒有什么行之有效的解決辦法。正因?yàn)檎也坏浇鉀Q問題的有效辦法,因此反而不被人們所重視,也很少有人進(jìn)行研究。

  電網(wǎng)中的不平衡電流會(huì)增加線路及變壓器的銅損,增加變壓器的鐵損,降低變壓器的出力甚至?xí)绊懽儔浩鞯陌踩\(yùn)行,會(huì)造成三相電壓不平衡因而降低供電質(zhì)量,甚至?xí)绊戨娔鼙淼木榷斐捎?jì)量損失。

  理論研究證明:在輸出同樣功率的情況下,三相電流平衡時(shí)變壓器及線路的銅損最小,也就是說:三相不平衡現(xiàn)象增加了變壓器及線路的銅損。

  不平衡電流對(duì)系統(tǒng)銅損的影響

  設(shè)某系統(tǒng)的三相線路及變壓器繞組的總電阻為R。如果三相電流平衡,IA=100A,IB=100A,IC=100A,則總銅損=1002R+1002R+1002R=30000R。

  如果三相電流不平衡,IA=50A,IB=100A,IC=150A,則總銅損=502R+1002R+1502R=35000R,比平衡狀態(tài)的銅損增加了17%。

  在更為嚴(yán)重的狀態(tài)下,如果IA=0A,IB=150A,IC=150A,則總銅損=1502R+1502R=45000R,比平衡狀態(tài)的銅損增加了50%。

  在最嚴(yán)重的狀態(tài)下,如果IA=0A,IB=0A,IC=300A,則總銅損=3002R=90000R,比平衡狀態(tài)的銅損增加了3倍。

  不平衡電流對(duì)變壓器的影響

  現(xiàn)有的10/0.4KV的低壓配電變壓器多為Yyn0接法三相三柱鐵心的變壓器。這種類型的變壓器,當(dāng)二次側(cè)負(fù)荷不平衡且有零線電流時(shí),零線電流即為零序電流,而在一次側(cè)由于無中點(diǎn)引出線因此零序電流無法流通,故零序電流不能安匝平衡,對(duì)鐵心而言,有一個(gè)激磁零序電流,它受零序激磁阻抗控制,根據(jù)磁路的設(shè)計(jì),這一零序激磁阻抗較大,零序電流使相電壓的對(duì)稱受到影響,中性點(diǎn)會(huì)偏移。由計(jì)算得知,當(dāng)零線電流為額定電流的25%時(shí),中性點(diǎn)移位約為額定電壓的7%。國家標(biāo)準(zhǔn)GB50052-95第6.08條規(guī)定: “當(dāng)選用Yyn0結(jié)線組別的三相變壓器,其由單相不平衡負(fù)荷引起的電流不得超過低壓繞組額定電流的25%,且其中一相的電流在滿載時(shí)不得超過額定電流值。”由于上述規(guī)定,限制了Yyn0結(jié)線配電變壓器接用單相負(fù)荷的容量,也影響了變壓器設(shè)備能力的充分利用。并且,對(duì)三相三柱的磁路而言,零序磁通不能在磁路內(nèi)成回路,必須在油箱壁及緊固件內(nèi)形成回路,而油箱壁及緊固件內(nèi)的磁通會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗,因而使變壓器的鐵損增加。當(dāng)零序電流過大導(dǎo)致零序磁通過大時(shí),由于中性點(diǎn)漂移過大會(huì)引起某些相電壓過高而導(dǎo)致鐵心磁飽和,使鐵損急劇增加,加上緊固件過熱等因素,可能會(huì)發(fā)生任何一相電流均未過載而變壓器卻因局部過熱而損壞的事故。由于Yyn0結(jié)線組的配電變壓器與的零序激磁阻抗較大,因此零線電流會(huì)造成較大的電壓變化,形成比較嚴(yán)重的三相電壓不平衡現(xiàn)象,不但影響單相用戶,對(duì)三相用戶的影響更大 。

3三相負(fù)荷不平衡的危害

  3.1 對(duì)配電變壓器的影響

  (1)三相負(fù)荷不平衡將增加變壓器的損耗:

  變壓器的損耗包括空載損耗和負(fù)荷損耗。正常情況下變壓器運(yùn)行電壓基本不變,即空載損耗是一個(gè)恒量。而負(fù)荷損耗則隨變壓器運(yùn)行負(fù)荷的變化而變化,且與負(fù)荷電流的平方成正比。當(dāng)三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行時(shí),變壓器的負(fù)荷損耗可看成三只單相變壓器的負(fù)荷損耗之和。

  從數(shù)學(xué)定理中我們知道:假設(shè)a、b、c 3個(gè)數(shù)都大于或等于零,那么a+b+c≥33√abc 。

  當(dāng)a=b=c時(shí),代數(shù)和a+b+c取得最小值:a+b+c=33√abc 。

  因此我們可以假設(shè)變壓器的三相損耗分別為:Qa=Ia2 R、Qb= Ib2 R 、Qc =Ic2 R,式中Ia、Ib、Ic分別為變壓器二次負(fù)荷相電流,R為變壓器的相電阻。則變壓器的損耗表達(dá)式如下:

  Qa+Qb+Qc≥33√〔(Ia2 R)(Ib2 R)(Ic2 R)〕

  由此可知,變壓器的在負(fù)荷不變的情況下,當(dāng)Ia=Ib=Ic時(shí),即三相負(fù)荷達(dá)到平衡時(shí),變壓器的損耗最小。

  則變壓器損耗:

  當(dāng)變壓器三相平衡運(yùn)行時(shí),即Ia=Ib=Ic=I時(shí),Qa+Qb+Qc=3I2R;

  當(dāng)變壓器運(yùn)行在最大不平衡時(shí),即Ia=3I,Ib=Ic=0時(shí),Qa=(3I)2R=9I2R=3(3I2R);

  即最大不平衡時(shí)的變損是平衡時(shí)的3倍。

  (2)三相負(fù)荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴(yán)重后果:

  上述不平衡時(shí)重負(fù)荷相電流過大(增為3倍),超載過多,可能造成繞組和變壓器油的過熱。繞組過熱,絕緣老化加快;變壓器油過熱,引起油質(zhì)劣化,迅速降低變壓器的絕緣性能,減少變壓器壽命(溫度每升高8℃,使用年限將減少一半),甚至燒毀繞組。

  (3)三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行會(huì)造成變壓器零序電流過大,局部金屬件溫升增高:

  在三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行下的變壓器,必然會(huì)產(chǎn)生零序電流,而變壓器內(nèi)部零序電流的存在,會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生零序磁通,這些零序磁通就會(huì)在變壓器的油箱壁或其他金屬構(gòu)件中構(gòu)成回路。但配電變壓器設(shè)計(jì)時(shí)不考慮這些金屬構(gòu)件為導(dǎo)磁部件,則由此引起的磁滯和渦流損耗使這些部件發(fā)熱,致使變壓器局部金屬件溫度異常升高,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致變壓器運(yùn)行事故。

  3.2 對(duì)高壓線路的影響

  (1)增加高壓線路損耗:

  低壓側(cè)三相負(fù)荷平衡時(shí),6~10k V高壓側(cè)也平衡,設(shè)高壓線路每相的電流為I,其功率損耗為: ΔP1 = 3I2R

  低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡將反映到高壓側(cè),在最大不平衡時(shí),高壓對(duì)應(yīng)相為1.5I,另外兩相都為0.75 I,功率損耗為:

  ΔP2 = 2(0.75I)2R+(1.5I)2R = 3.375I2R =1.125(3I2R);

  即高壓線路上電能損耗增加12.5%。

  (2)增加高壓線路跳閘次數(shù)、降低開關(guān)設(shè)備使用壽命:

  我們知道高壓線路過流故障占相當(dāng)比例,其原因是電流過大。低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡可能引起高壓某相電流過大,從而引起高壓線路過流跳閘停電,引發(fā)大面積停電事故,同時(shí)變電站的開關(guān)設(shè)備頻繁跳閘將降低使用壽命。

  3.3 對(duì)配電屏和低壓線路的影響

  (1)三相負(fù)荷不平衡將增加線路損耗:

  三相四線制供電線路,把負(fù)荷平均分配到三相上,設(shè)每相的電流為I,中性線電流為零,其功率損耗為: ΔP1 = 3I2R

  在最大不平衡時(shí),即某相為3I,另外兩相為零,中性線電流也為3I,功率損耗為:

  ΔP2 = 2(3I)2R = 18I2R = 6(3I2R);

  即最大不平衡時(shí)的電能損耗是平衡時(shí)的6倍,換句話說,若最大不平衡時(shí)每月?lián)p失1200 kWh,則平衡時(shí)只損失200 kWh,由此可知調(diào)整三相負(fù)荷的降損潛力。

  (2)三相負(fù)荷不平衡可能造成燒斷線路、燒毀開關(guān)設(shè)備的嚴(yán)重后果:

  上述不平衡時(shí)重負(fù)荷相電流過大(增為3倍),超載過多。由于發(fā)熱量Q=0.24I2Rt,電流增為3倍,則發(fā)熱量增為9倍,可能造成該相導(dǎo)線溫度直線上升,以致燒斷。且由于中性線導(dǎo)線截面一般應(yīng)是相線截面的50%,但在選擇時(shí),有的往往偏小,加上接頭質(zhì)量不好,使導(dǎo)線電阻增大。中性線燒斷的幾率更高。

  同理在配電屏上,造成開關(guān)重負(fù)荷相燒壞、接觸器重負(fù)荷相燒壞,因而整機(jī)損壞等嚴(yán)重后果。

  3.4 對(duì)供電企業(yè)的影響

  供電企業(yè)直管到戶,低壓電網(wǎng)損耗大,將降低供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,甚至造成供電企業(yè)虧損經(jīng)營。農(nóng)電工承包臺(tái)區(qū)線損,線損高農(nóng)電工獎(jiǎng)金被扣發(fā),甚至連工資也得不到,必然影響農(nóng)電工情緒,輕則工作消極,重則為了得到錢違法犯罪。

  變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)備燒壞,一方面增大供電企業(yè)的供電成本,另一方面停電檢修、購貨更換造成長時(shí)間停電,少供電量,既降低供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,又影響供電企業(yè)的聲譽(yù)。

  3.5 對(duì)用戶的影響

  三相負(fù)荷不平衡,一相或兩相畸重,必將增大線路中的電壓降,降低電能質(zhì)量,影響用戶的電器使用。

  變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)備燒壞,影響用戶供電,輕則帶來不便,重則造成較大的經(jīng)濟(jì)損失,如停電造成養(yǎng)殖的動(dòng)植物死亡,或不能按合同供貨被懲罰等。中性線燒斷還可能造成用戶大量低壓電器被燒毀的事故。

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