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電力系統諧波治理及濾波技術

我們知道,在電力系統中采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態,為用戶提供高效使用電能的手段。但是,電力電子裝置的廣泛應用也使電網的諧波污染問題日趨嚴重,影響了供電質量。目前諧波與電磁干擾、功率因數降低已并列為電力系統的三大公害。因而了解諧波產生的機理,研究消除供配電系統中的高次諧波問題對改善供電質量和確保電力系統安全經濟運行有著非常積極的意義。
1  諧波及其起源
    所謂諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數倍。周期為T=2π/ω的非正弦電壓u(ωt),在滿足狄里赫利條件下,可分解為如下形式的傅里葉級數:
式中頻率為nω(n=2,3…)的項即為諧波項,通常也稱之為高次諧波。
    應該注意,電力系統所指的諧波是穩態的工頻整數倍數的波形,電網暫態變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓、欠壓均不屬諧波范疇;諧波與不是工頻整倍數的次諧波(頻率低于工頻基波頻率的分量)和分數諧波(頻率非基波頻率整倍數的分數)有定義上的區別。
    諧波主要由諧波電流源產生:當正弦基波電壓施加于非線性設備時,設備吸收的電流與施加的電壓波形不同,電流因而發生了畸變,由于負荷與電網相連,故諧波電流注入到電網中,這些設備就成了電力系統的諧波源。系統中的主要諧波源可分為兩類:含半導體的非線性元件,如各種整流設備、變流器、交直流換流設備、PWM變頻器等節能和控制用的電力電子設備;含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源,如日光燈、交流電弧爐、變壓器及鐵磁諧振設備等。
    國際上對電力諧波問題的研究大約起源于五六十年代,當時的研究主要是針對高壓直流輸電技術中變流器引起的電力系統諧波問題。進入70年代后,隨著電力電子技術的發展及其在工業、交通及家庭中的廣泛應用,諧波問題日趨嚴重,從而引起世界各國的高度重視。各種國際學術組織如電氣與電子工程師協會(IEEE)、國際電工委員會(IEC)和國際大電網會議(CIGRE)相繼各自制定了包括供電系統、各項電力和用電設備以及家用電器在內的諧波標準。我國國家技術監督局于1993年頒布了國家標準GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》,標準給出了公用電網諧波電壓、諧波電流的限制值。

    如國內某軋鋼廠的4000kW交流變頻同步電機的調速系統,在某種工況下5次諧波含量達到15.88%,7次諧波含量達7.9%。另外,低于電網頻率的次諧波和大量的分數次諧波,使電流總諧波畸變率最高時可達25.87%,電壓總諧波畸變率最高時可達6.19%。遠高于國家標準GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》,可見,諧波對電網的污染是相當嚴重的。
2  高次諧波的危害
    諧波污染對電力系統的危害是嚴重的,主要表現在:
    (1)諧波影響各種電氣設備的正常工作。對如發電機的旋轉電機產生附加功率損耗、發熱、機械振動和噪聲;對斷路器,當電流波形過零點時,由于諧波的存在可能造成高的di/dt,這將使開斷困難,并且延長故障電流的切除時間。
    (2)諧波對供電線路產生了附加損耗。由于集膚效應和鄰近效應,使線路電阻隨頻率增加而提高,造成電能的浪費;由于中性線正常時流過電流很小,故其導線較細,當大量的三次諧波流過中性線時,會使導線過熱,損害絕緣,引起短路甚至火災。
    (3)使電網中的電容器產生諧振。工頻下,系統裝設的各種用途的電容器比系統中的感抗要大得多,不會產生諧振,但諧波頻率時,感抗值成倍增加而容抗值成倍減少,這就有可能出現諧振,諧振將放大諧波電流,導致電容器等設備被燒毀。
    (4)諧波將使繼電保護和自動裝置出現誤動作,并使儀表和電能計量出現較大誤差。
    諧波對其他系統及電力用戶危害也很大:如對附近的通信系統產生干擾,輕者出現噪聲,降低通信質量,重者丟失信息,使通信系統無法正常工作,影響電子設備工作精度,使精密機械加工的產品質量降低;設備壽命縮短,家用電器工況變壞等。
3  諧波的檢測和分析方法
    為了有效補償和抑制負載產生的諧波電流,首先必須對含有的諧波成分有精確的認識,因而需要實時檢測負載電流中的諧波分量,F有的諧波電流檢測和分析方法主要基于以下幾種原理:
    (1)帶阻濾波法
    這是一種最為簡單的諧波電流檢測方法,其基本原理是設計一個低阻濾波器,將基波分量濾除,從而獲得總的諧波電流量。這種方法過于簡單,精度很低,不能滿足諧波分析的需要,一般不用。
    (2)帶通選頻法和FFT變換法
    帶通選頻方法采用多個窄帶濾波器,逐次選出各次諧波分量
    利用FFT變換來檢測電力諧波是一種以數字信號處理為基礎的測量方法,其基本過程是對待測信號(電壓或電流)進行采樣,經A/D轉換,再用計算機進行傅里葉變換,得到各次諧波的幅值和相位系數。
    這兩種方法都可以檢測到各次諧波的含量,但以模擬濾波器為基礎的帶通選頻法裝置,結構復雜,元件多,測量精度受元件參數、環境溫度和濕度變化的影響大,且沒有自適應能力;后一種檢測方法其優點是可同時測量多個回路,能自動定時測量。缺點是采樣點的個數限制諧波測量的最高次數,具有較長的時間延遲,實時性較差。
    (3)瞬時空間矢量法
    1983年日本學者赤木泰文提出的瞬時無功功率理論,即“p-q”理論,對電力諧波量的檢測做出了極大的貢獻,由于解決了諧波和無功功率的瞬時檢測和不用儲能元件就能實現抑制諧波和無功補償等問題,使得電力有源濾波理論由實驗室的理論研究走向工作應用。根據該理論,可以得到瞬時有功功率p和瞬時無功功率q,p和q中都含有直流分量和交流分量,即:
    式中分別為p、q的直流分量,即為對應的交流分量。由可得被檢測電流的基波分量,將基波分量與總電流相減即得相應的諧波電流。因為該方法忽略了零序分量,且對于不對稱系統,瞬時無功的平均分量不等于三相的平均無功。所以,該方法只適用于三相電壓正弦、對稱情況下的三相電路諧波和基波無功電流的檢測。
    90年代提出的“d-q”理論進一步發展和完善了“p-q”理論,該理論提出的檢測方法解決了三相電壓非正弦、非對稱情況下三相電路諧波和基波負序電流的檢測。
    (4)自適應檢測法
    該方法基于自適應干擾抵消原理,將電壓作為參考輸入,負載電流作為原始輸入,從負載電流中消去與電壓波形相同的有功分量,得到需要補償的諧波與無功分量。該自適應檢測系統的特點是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應能力,缺點是動態響應速度較慢。在此基礎上,又有學者提出一種基于神經元的自適應諧波的電流檢測法。
    (5)小波變換檢測法
    對于一般的諧波檢測,如電力部門出于管理而檢測,需要獲得的是各次諧波的含量,而對于諧波的時間則不關心,因此,傅里葉變換就滿足要求。然而在對諧波電流進行動態抑制時,不必分解出各次諧波分量,只需檢測出除基波電流外的總畸變電流,但對出現諧波的時間感興趣,對于這一點,傅里葉變換無能為力。小波變換由于克服了傅里葉變換在頻域完全局部化而在時域完全無局部性的缺點,即它在時域和頻域同時具有局部性,因此通過小波變換對諧波信號進行分析可獲得所對應的時間信息。
    從以上檢測方法看,基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法簡單易行,性能良好,并已趨于完善和成熟,今后仍將占主導地位;谏窠浽淖赃m應諧波電流檢測法和小波變換檢測法等新型諧波檢測方法能否應用于工程實際,還有待進一步驗證。
4  諧波抑制方法
    在電力系統中對諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統的諧波電流,以便把諧波電壓控制在限定值之內,抑制諧波電流主要有三方面的措施:
    (1)降低諧波源的諧波含量
    也就是在諧波源上采取措施,最大限度地避免諧波的產生。這種方法比較積極,能夠提高電網質量,可大大節省因消除諧波影響而支出的費用。具體方法有:
    ①增加整流器的脈動數
    整流器是電網中的主要諧波源,其特征頻譜為:n=Kp±1,則可知脈沖數p增加,n也相應增大,而In≈I1/n,故諧波電流將減少。因此,增加整流脈動數,可平滑波形,減少諧波。如:整流相數為6相時,5次諧波電流為基波電流的18.5%,7次諧波電流為基波電流的12%,如果將整流相數增加到12相,則5次諧波電流可下降到基波電流的4.5%,7次諧波電流下降到基波電流的3%。
    ②脈寬調制法
    采用PWM,在所需的頻率周期內,將直流電壓調制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達到抑制諧波的目的。在PWM逆變器中,輸出波形是周期性的,且每半波和1/4波都是對稱的,幅值為±1,令第一個1/4周期中開關角為γi(i=1,2,3……m),且0≤γ1≤γ2≤……≤γm≤π/2。假定γ0=0,γm+1=π/2,在(0,π)內開關角α=0,γ1,γ2,……,γm,π-γm,……,π-γ2,π-γ1。PWM波形按傅里葉級數展開,得
    由式可知,若要消除n次諧波,只需令bn=0,得到的解即為消除n次諧波的開關角α值。
    ③三相整流變壓器采用Y-d(Y/Δ)或D、Y(Δ/Y)的接線
    這種接線可消除3的倍數次的高次諧波,這是抑制高次諧波的最基本的方法。
    (2)在諧波源處吸收諧波電流
    這類方法是對已有的諧波進行有效抑制的方法,這是目前電力系統使用最廣泛的抑制諧波方法。主要方法有以下幾種:
    ①無源濾波器
    無源濾波器安裝在電力電子設備的交流側,由L、C、R元件構成諧振回路,當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時,即可阻止該次諧波流入電網。由于具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點,無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補償的主要手段。但無源濾波器存在著許多缺點,如濾波易受系統參數的影響;對某些次諧波有放大的可能;耗費多、體積大等。因而隨著電力電子技術的不斷發展,人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器。
    ②有源濾波器
    早在70年代初期,日本學者就提出了有源濾波器APF(Active Power Filter)的概念,即利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流,使電源的總諧波電流為零,達到實時補償諧波電流的目的。
    與無源濾波器相比,APF具有高度可控性和快速響應性,能補償各次諧波,可抑制閃變、補償無功,有一機多能的特點;在性價比上較為合理;濾波特性不受系統阻抗的影響,可消除與系統阻抗發生諧振的危險;具有自適應功能,可自動跟蹤補償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術已應用到實踐,而我國還僅應用到低壓有源濾波技術。隨著容量的不斷提高,有源濾波技術作為改善電能質量的關鍵技術,其應用范圍也將從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統的電能質量的方向發展。
    ③防止并聯電容器組對諧波的放大
    在電網中并聯電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用。當諧波存在時,在一定的參數下電容器組會對諧波起放大作用,危及電容器本身和附近電氣設備的安全?刹扇〈撾娍蛊,或將電容器組的某些支路改為濾波器,還可以采取限定電容器組的投入容量,避免電容器對諧波的放大。
    ④加裝靜止無功補償裝置
    快速變化的諧波源,如:電弧爐、電力機車和卷揚機等,除了產生諧波外,往往還會引起供電電壓的波動和閃變,有的還會造成系統電壓三相不平衡,嚴重影響公用電網的電能質量。在諧波源處并聯裝設靜止無功補償裝置,可有效減小波動的諧波量,同時,可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡,還可補償功率因數。
    (3)改善供電環境
    選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡,可以有效地減小諧波對電網的影響。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網供電,承受諧波的能力將會增大。對諧波源負荷由專門的線路供電,減少諧波對其它負荷的影響,也有助于集中抑制和消除高次諧波。
5  小結
    隨著我國電能質量治理工作的深入開展,基于瞬時無功功率理論的有源濾波器進行諧波治理將會有巨大的市場潛力。綜合動態的諧波治理措施并同時考慮電網的無功功率補償問題,是電力企業當前面臨的一大課題。但是要消除諧波污染,除在電力系統中大力發展高效的濾波措施外,還必須依靠全社會的努力,在設計、制造和使用非線性負載時,采取有力的抑制諧波的措施,減小諧波侵入電網,從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經濟損失。

隨著塑料制品的廣泛應用及其產量的迅猛增長,塑料機械已成為建材、包裝、電子電氣、汽車、石化、機械等行業的重要技術裝備,需求量激增,塑機行業已成為21世紀我國經濟發展中的朝陽產業隨著我國塑料工業的發展,塑料機械工業近幾年來的增長率都在30%左右,是增長最快的產業之一。2001年我國塑機行業工業總產值8多億元,利潤6億元左右,利潤率增長遠高于工業總產值的增長。2001年塑機工業總產值為1995年的2.3倍,而利潤率則為1995年的4.5倍。在全國機械工業的194個行業中,塑機行業的主要經濟指標均居前列。
    塑料加工工業良好的發展前景仍將是我國塑料機械制造工業高速發展的源動力,預計2001-2010年,我國對塑料機械需求量的年均增長率為6%左右,預計至2010年為145億元。也就是說,我國塑機行業的發展潛力很大,后勁很足。在我國塑料工業長遠規劃中,2000-2005年塑料制品的年均增長率約為10%,2006-2015年的年均增長率將達到8%。即到2005年塑料制品的產量將達到2500萬噸,預計2015年塑料制品總產量翻一番,達到5000萬噸。
   在世界能源日益枯竭的今天,節能早已被人們放在突出位置。與世界上一些能源豐富的國家相中國是一個能源短缺國。然而我們在能源特別是能源的最主要的利用形式電力方面的利用率卻很低,存在觸目驚心的浪費現象。在新產品開發﹑新設備研制以及原有設備的改造上,必須將能耗作為重要指標予以關注。塑膠行業是21世紀的朝陽行業。然而由于其產品主要是通過加熱,加壓等物理方法生產,從而決定了它的生產方式的高能耗特點。對于高能耗的塑膠制品設備,如何節電,已成為提升產品競爭力的一個重要手段。
    塑料機械是塑料工業發展的重要支柱,它為塑料行業提供了先進的技術裝備,它的發展是塑料工業發展的基礎,也受塑料工業發展的影響。從世界范圍看,塑料機械的三大類品種依次是注塑機、擠出機:擠出生產線和吹塑機,它們占了塑料機械總產值的80%以上,其中注塑機占這三類機械總和的一半以上。我們從切身經歷中談談變頻器在塑膠機械中的應用,從其各自特點及現場應用作一個簡介。
   1、注塑機專用節能系統簡介
    要作好注塑機節能系統首先從注塑說起。注塑過程一般分為以下步驟:鎖!⑸浔骸勰z加料→冷卻定型→開!斸。每一動作的完成都有時間、壓力、速度、位置等幾個參數的精妙配合,也就是說在某一位置的位移都有相應的壓力和速度,且在不同的位置和時間內其壓力和速度都是可變的。同時每一動作完成后發出終止信號傳送給程序控制器,程序控制器收到信號后才發出執行下一動作的指令。此外注塑機系統本身還存在一些弱點:第一、注塑機動作內部有著十分劇烈的突變過程:如鎖模過程中,快速鎖!俚蛪鹤o!邏焊咚冁i模的工況突變就很劇烈的;又如注射過程中,慢速注射→快速→慢速→快速→慢速的射膠過程工況也是很劇烈的,對機器的沖擊都十分的大,影響了整個注塑系統的壽命。第二、動作油路制動達不到設計的精度,油路制動的開閉取決于電磁閥,而電磁閥的動作又取決于過程控制器提供的電壓和電流,因大多數注塑機都沒有死循環控制,閥的開閉精度就會大打折扣,尤其是閥的開閉程度在10%以下和90%以上時,動作的重復精度和穩定性都是極差的,某一動作在此狀態下被執行很難保證其穩定性和重復精度。第三、執行動作的油缸本身有油封破損,有內泄現象,執行動作的可靠性和穩定性不高。這是由于多數時間內,負載的實際耗油量均小于油泵的供油量,造成高壓狀態下的液壓油部分經溢流閥、比例閥等液壓元件溢出。該溢流部分不僅未作任何有用功,而且產生熱量,造成液壓油發熱,既耗能,又有害。采用注塑機節能系統后,就能很好的解決這些問題,既提高了整個注塑系統的精度和穩定性,減少了巨大的機械沖擊,延長了系統使用壽命,又能夠節約大量的電能。
   2、擠出機的變頻應用簡介:
   如塑料制管機生產線主要是塑料擠出機及冷卻槽,牽引機三部份組成。在沒有改造前擠出機、牽引機都是交流滑差電動機傳動,存在耗電量大,傳動效率低,速度精度差,速度不夠穩定,因此影響產品的質量,需要進行技術改造。經我公司工程師現場調查,我們認為采用變頻調速能解決上述的弊病。
   
   經我公司變頻改造后,調速速范圍,起動特性,動態響應,調節精度,輸出特性,經濟指標和操作監視方便等各個方面;都優于電磁調速。此外,變頻調速還具有保護功能完善,通用性強,維護工作量小,運行安全可靠,電耗小,設備壽命長等優點。轉可以從零平穩起步升速,并能選擇升速和降速曲線,節能顯著,深得操作人員和維修人員好評?梢灾档迷陬愃扑芰霞庸C上推廣,例造粒機,制管機,拌料機等上的應用。
   3、 液壓塑膠中空成型機變頻簡介:
    基于多年生產現場經驗,作者在實踐中對各種不同類型的塑膠中空成型機的性能作了深入的調查研究,并由此有針對性地對各種檔次的中空成型機進行了局部或整機的改造,提出了變頻式液壓塑膠中空成型機的構想。
   3.1 塑膠中空成型機工作原理及特性
    根據驅動方式的不同,塑膠中空成型機可以分為氣動式和液壓式兩類。無論采用哪種方式,都是將模具送至接膠位,接取膠胚后再回到吹制位,通過吹針將5-6Mpa的壓縮空氣引入模腔將膠胚吹制成形。PLC控制氣動單/雙工位塑膠中空成型機采用了全氣動驅動,反應快,效率高,但正是由于采用了氣動方式,根據公式F=P·S。其中F為鎖模力,P為系統工作氣壓,S為活塞有效面積。由此可知,當系統工作壓力為一定值時,鎖模力與活塞有效面積成正比。一旦確定了缸徑,鎖模力也就確定了。以缸徑150mm為例,在6MPa的工作壓力下,只能產生10.38KN的力。所以此類機型僅適合500ml以下的瓶子。同時需要指出的是,由于采用全氣動,間接增加了用風量,若將風泵的耗電量及其維修保養費折算進去,其產品單耗是相當高的。
    由上可知,若要生產500ml以上容量的容器,只有采用液壓油缸的合模系統。利用液壓系統可以產生足夠的壓力,保證各種大容積產品的生產及質量。但當今最先進的液壓伺服系統價格依然不菲。如日本油研公司采用EFRG-03-125-C-50型比例壓力流量控制閥售價在7000元左右,一臺行程僅為14mm、缸徑120mm的伺服油缸售價過萬元。盡管采用比例式壓力、流量控制系統價格不菲,且液壓系統耗電量是整機用電量的30%左右,但其優良的動態特性足以保證產品的質量穩定,所以依然獲得了廣泛應用[1、2]。
    根據測算,除外部提供的供風系統外,整機能源消耗,以擠出機螺桿直徑為70mm的液壓雙工位機為例,在以PE(聚氯乙烯)為原料生產4500ml容器時,電熱加溫占整機耗電量的22.6%,擠出機運料系統馬達為11kW,約占53%,液壓系統是7.5kW馬達,約占24.4%。在液壓單工位機中,當生產280ml容積的PE料產品時,液壓系統耗電占整機耗電量的41.35%,電熱占42.33%,擠出機運料系統(已改變頻驅動)耗電占16.32%。目前絕大多數中空成型機廠家的做法都是僅在擠出機運料系統中將滑差電機調速改為變頻調速。
   3.2 變頻式中空成型機工作原理
    綜上所述,如何將液壓系統的耗電量降下來,就成了新一代高效節能液壓系統的關鍵問題。傳統控制理論注重系統穩定性的方法往往是首先確保有一個穩定系統的存在,在系統穩定性發生變化時再以PID之類方法進行調節。定壓式液壓系統就是其典型代表。其代價就是高能耗。比例式液壓系統較前者已有很大進步,然而,從比例壓力比例流量閥的結構可知,依然是上述思路的延伸,只是以內部溢流的方式盡量加大閥門開度而已。而現代控制理論則更注重動態穩定和動態調節。眾所周知,變頻調速是一種高效率、高性能的調速方法,特別適用于籠型異步電機。脈寬調制(PWM)技術,矢量控制技術,無速度傳感器技術的發展和應用使得交流電機變頻調速在許多場合已經大量取代直流調速系統。從目前工控領域的發展現狀看,它也代表著電力驅動的水平與方向。隨著各種大功率智能型電力電子器件的不斷問世和計算機技術的飛速發展,變頻調速技術愈加成熟。其動態響應速度和過載能力已經能夠滿足一般液壓系統動態穩定性的要求,其價格已下降到用戶普遍可以接受的程度[3]。由此,我們在液壓控制系統中融入變頻調速技術,將傳統的定量泵轉化為“變量泵”,變回流式調節為容積式調節,根據生產中各工藝流程“按需分配”,從而達到高效節電之目的。

    整機能源消耗由四部分組成,分別為中空成型機加溫系統,擠出機構,比例式液壓系統和壓縮空氣源。其中除壓縮空氣源為外部系統提供外,其余均由該機的動力用電提供。該機與目前常見的中空成型機不同之處在于增加了2個環節,一個是保溫系統,另一個是帶D/A轉換器和同步控制器的變頻式液壓系統。關于保溫系統,僅在發熱管部分塗復一種復合硅酸鹽保溫材料,約30mm厚,因該材料無腐蝕性,隔熱性能優良且容重輕。僅此一舉,加溫系統節電30%。因保溫系統十分簡單,故不在本文重點討論之列。
結語:
   我們以技術深受更廣大的客戶所接受。作為能效行業的領軍公司,必將為我國的節能事業和塑料工業做出新的更大貢獻。


【上一個】 從四方面看諧波治理節能重要性 【下一個】 電鐵綜合諧波治理設計思路探索


 · 工業電網中的諧波治理和無功補償 · 電能質量公用電網諧波
 · 通信局房電力節能和諧波治理 · UPS供電系統的諧波治理
 · 電力系統中諧波治理與諧波抑制 · 如何解決電容器無功補償中的諧波治理問題
 · 從八個方面體現諧波治理技術的優點 · 目前解決諧波治理污染問題是重要課題
 · 從四方面看諧波治理節能重要性 · 電力系統諧波治理及濾波技術
 · 電鐵綜合諧波治理設計思路探索 · 電源質量及諧波治理
 · 配電網中用于諧波源探測的多種方法 · 區分故障電流和諧波電流的新方法
 · 諧波治理對電能計量的幫助 · 主動諧波治理的六種措施
 · 電力用電網絡諧波治理的探索 · 什么是諧波治理
 · 電力系統諧波治理及測試 · 電源質量及諧波治理的對比
 · 諧波治理的方法 · 目前國內對諧波污染的治理
 · 電力系統中諧波的來源 · 密煉機專用諧波治理裝置的應用
 · 礦井提升機專用諧波治理無功補償裝置 · 變頻器供電系統的諧波治理與無功功率補償
 · 電鍍行業諧波治理與無功補償應用 · 有源濾波器的應用
 · 電力電子裝置諧波治理問題的綜述 · 什么是有源濾波裝置
 · 什么是有源濾波器

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