II CONGRESO VENEZOLANO VENEZOLANO DE REDE S Y ENER GÍA ELÉCTRICA J u n io 2 0 0 9
Comité Nacional Venezolano
C6-3
EXPERIENCIA EN LA EVALUACIÓN DE AISLADORES POLIMÉRICOS PARA LA RED DE 23,9 kV DE ENELVEN, A TRAVÉS DE UN LABORATORIO NATURAL
Augusto Abreu C.A. Energía Eléctrica de Venezuela – ENELVEN
RESUMEN Con el fin de determinar deficiencias a nivel de diseño y fabricación, los aisladores poliméricos son sometidos a diferentes pruebas a nivel de laboratorio establecidas en las normas ANSI C29.13-2000 [1] y IEC 61109-1995 [2]. Una de éstas son las ambientales, las cuales se realizan a través de simulaciones dentro de los laboratorios; sin embargo, estas nunca llegan a ser tan severas y exigentes como las condiciones reales de operación en campo. Por tal motivo, se evaluaron diferentes diseños de aisladores poliméricos (goma silicón) del tipo suspensión, con herrajes de acero galvanizado, de aluminio y recubierto con polímero. Para esto, se dispuso de una zona específica donde las condiciones ambientales son las más severas de la costa Occidental del Estado Zulia, ubicada a las afueras de la población de Paraguaipoa en el Municipio Páez en el sector “Caño Sagua”, estableciéndolo como un Laboratorio Natural. En este sitio de prueba se unen tres factores, alto nivel de corrosión, fuertes vientos con arena (sand blasting) y un nivel de contaminación mayor que el nivel IV (muy alta) establecida en la norma IEC60815, la cual fue medida a través del método DESD (Densidad Equivalente de Sal Depositada). Esta investigación se realizó entre los años 2002 y 2007, donde los aisladores fueron analizados mediante una matriz de evaluación cualitativa en función de inspección visual tanto del material polimérico como de los herrajes metálicos. Esto con el fin de obtener resultados acelerados y adaptados a las condiciones reales de operación. El objetivo de esta investigación comprende exponer la metodología utilizada y análisis de los tipos de fallas presentados. Como resultado se establecieron recomendaciones para las características de los aisladores poliméricos a ser utilizados en la red de Distribución en la región Zuliana, con el fin de obtener la mayor confiabilidad a través de la vida útil.
PALABRAS CLAVE Aisladores Poliméricos, Laboratorio Natural, Falla de Material, Condiciones Ambientales.
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1 INTRODUCCIÓN La función principal de los aislamientos externos empleados en líneas aéreas es separar eléctricamente los conductores de las estructuras de soporte (herrajes, crucetas y postes). Estos elementos están sometidos a condiciones de intemperie y por ende, están expuestos a las condiciones ambientales. Esta situación afecta las características de cada aislamiento, mediante la acumulación de impurezas y humedad sobre la superficie de los mismos, lo que puede provocar desde pequeños flameos hasta arcos completos entre las líneas y las estructuras de soporte. La empresa C.A. ENERGIA ELECTRICA DE VENEZUELA (ENELVEN) ubicada en el occidente del estado Zulia posee una red de distribución en 23,9 kV, conformada en su mayoria por instalaciones aéreas la cual está expuesta principalmente a los vientos provenientes del Nor-Este, con alto contenido de sal proveniente del Golfo de Venezuela y del Mar Caribe, donde la severidad de la contaminación va aumentando desde el sur al norte del Zulia, siendo más severo en los municipios Mara, Páez y Padilla. Adicionalmente, la combinación de la contaminación salina y la humedad generada por el Lago de Maracaibo y el Golfo de Venezuela causa el aceleramiento de procesos de corrosión en elementos metálicos. Otro fenómeno natural que se presenta en la región consiste en fuertes vientos con arena produciendo el efecto de erosión “Sand Blasting” en los materiales. La red aérea de ENELVEN en 23,9 kV actualmente utiliza aisladores de material cerámicos con distancias de fuga desde 21,07 mm/kV hasta 32,90 mm/kV, en búsqueda de b) a) minimizar las fallas por contaminación, Fig. 1. a) Superficie Hidrofílica. b) Superficie acompañado de los planes de lavado en la Hidrofóbica. época de sequía, los cuales son costosos por el equipamiento y recurso humano. Los aisladores cerámicos poseen la propiedad “hidrofílica”, que produce una capa de agua sobre la superficie del aislamiento, mas los contaminantes forman capas conductivas donde se presenta la circulación de corriente de fuga (Ver figura 1.a). Mientras que existen aisladores fabricados con material poliméricos, los cuales poseen la propiedad “hidrofóbica” esta produce la repelencia de la humedad y agua, lo que evita la formación de una capa conductiva (Ver figura 1.b), imposibilitando la circulación de corriente de fuga, evitando con ello que el aislador falle por contaminación. El presente trabajo tiene la finalidad de evaluar la situación actual del aislamiento externo utilizado en ENELVEN y analizar los resultados obtenidos de las pruebas realizadas en campo a los aisladores durante un período de cinco (5) años en condiciones naturales aceleradas (contaminación, corrosión y sand blasting) con el objetivo de recomendar las características técnicas de éstos para ser utilizados en la región Zuliana.
2 IMPACTO DE LA CONTAMINACIÓN EN ENELVEN La cantidad de fallas en los circuitos de distribución a causa de la contaminación atmosférica en ENELVEN ha variado en los últimos 6 años (Ver figura 2). Estas fallas son significativas ya que generan costos adicionales por concepto de mantenimiento preventivo (lavado), correctivo (reemplazo de los aisladores) y en la energía no servida. La diferencia en la cantidad de fallas anuales están dadas por dos aspectos; el primero de ellos por las variaciones del clima global y el otro aspecto está influenciado por la calidad y cantidad
Figura. 2. Comportamiento de las Fallas Promedio por Mes 2002 - 2008.
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del mantenimiento preventivo orientado a los aisladores cerámicos y de vidrio instalados actualmente. En el estado Zulia existen básicamente dos períodos de sequía, el primero es el de mayor duración el cual inicia en el mes de diciembre y termina a mediados del mes de marzo; mientras que el segundo período es de menor duración y está presente en los meses de junio y julio tal como se evidencia en la Figura 2. Un factor clave en la resistencia ante flameo de un aislador frente a la contaminación es la distancia de fuga. Con esta se controla la corriente de fuga que circula a través de la superficie del aislante. Y la distancia de arco seco es la línea recta que cubre el material aislante. Con esta última distancia se controla el valor de tensión de impulso crítico positivo y negativo, factor clave en las sobretensiones de origen atmosférico.
3 EVALUACIÓN TÉCNICA A continuación se analizan los niveles de contaminación, las distancias de fuga y arco seco además de las características principales de los aislamientos poliméricos. 3.1 Características de los Aisladores de Líneas para la Red de 23,9 kV
En la Tabla 1, se muestra los parámetros: dimensión, eléctricos y mecánicos establecidos en las especificaciones técnicas para cada uno de los aisladores utilizados en la red de distribución de ENELVEN. A nivel de aisladores de línea las distancias de fuga varían desde 21 a 34 plg para una red de 23,9 kV. El aislador tipo espiga ANSI 56-3 con una distancia de fuga de 21 plg, es utilizado en zonas de baja contaminación, en nuestro caso en los municipios ubicados en el sur del lago. Parámetros Especificados para Aislamiento de la Red en 23,9 kV Dist. Fuga Mínima (mm)
(plg)
Dist. de Arco Seco (mm)
Campana (2 cadenas)
863,60
34
NE
254,00
Cerámica
Aislador Pedestal ANSI 57-3
736,60
29
311,15
165,00
Cerámica
Terminación Cond. 1/0, 350, 750 MCM.
711,20
28
444,50
NE
Desc. de Sobre Tensión 18 y 21 kV
558,80
22
NE
102,00
Aislador Espiga ANSI 56-3
533,00
21
241,00
266,70
Tipo de Aislamiento Externo
Diámetro (mm)
Tipo de Material
Polimérico (Goma Silicona) Polimérico (Goma Silicona) Cerámica
NE: No Especificado. NA: No Aplica.
Tabla 1. Tipos de Aisladores Normalizados para ENELVEN en Distribución 3.2 Evaluación de la Distancia de Fuga.
En el medio ambiente existen diferentes tipos de contaminación tales como: Marina, Excremento de Aves, Petroquímica, Minera, Cementera, Fertilizantes entre otros. En función del nivel conductivo y severidad de la contaminación, la norma [3] los clasifica en cuatro niveles los cuales son: Ligera, Media, Alta y Muy Alta. Así mismo esta norma recomienda la distancia de fuga mínima que debe tener el aislamiento de uso externo en cerámica o vidrio. Partiendo del nivel de tensión de diseño para una red de 23,9 kV se procedió a calcular la distancia de fuga para los cuatro niveles de contaminación recomendados por la norma [3]. (Ver Ecuación 1) Lf : Distancia de fuga nominal (mm). L *V * K * F Ecuación (1) f d s
λ : Longitud de fuga específica, según nivel de contaminación (mm/kV). Vφ-φ : Tensión máxima entre fases del sistema (kV).
Fs: Factor de seguridad. (recomendado: 1,05). Kd: Factor de corrección dependiente del diámetro del aislador. Kd = 1 si el Diámetro promedio es ≤ 300mm.
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Como puede observarse en la figura 3, de los cinco tipos de aislamiento tres presentan un factor de mm/kV para un nivel de contaminación alto o mayor según la norma IEC 60815. Los dos aislamientos que presentan valores de 20 mm/kV son los que utilizan los descargadores de sobre tensión y los aisladores ANSI 56-3. Para el caso de los descargadores de sobre tensión, su aislamiento es polimérico (goma silicón) y desde hace siete (7) años se han utilizado en ENELVEN en condiciones de Figura 3. Comparación del Factor mm/kV muy alta contaminación, sin que para los Aislamientos Utilizados por ENELVEN. hasta la fecha se haya detectado alguna situación de falla por contaminación ni degradación del aislamiento. Para el caso del aislador ANSI 5-3 el cual es de cerámica, en la región Zuliana solo es utilizado en el sur del Lago de Maracaibo donde los niveles de contaminación son bajos, ya que utilizar este diseño de aisladores en niveles de contaminación superiores, significaría un incremento en la frecuencia del plan de mantenimiento de lavado de dichos aisladores si se desea evitar que aumente la probabilidad de falla por contaminación. Es de destacar que la norma IEC 60185 [3] es una referencia ya que la misma establece el factor de mm/kV solo para aislamientos en cerámica y vidrio, no especificando valores para aislamiento polimérico. 3.3 Aisladores Tipo “Suspensión y Amarre” Poliméricos.
En la Figura 4, se muestran tres tipos de aisladores tipo suspensión o amarre. El modelo (A) se asemeja a lo que específica la norma [1], pero los fabricantes han desarrollado otros modelos especiales indicados como B y C. Por lo general, los herrajes de los aisladores bien sea cerámicos o poliméricos son fabricados en acero galvanizado o en casos especiales pueden ser fabricados con herrajes recubiertos de polímero (B) o de herrajes de aluminio (C) para ambientes muy corrosivos. Los aisladores tipo suspensión están generalmente, constituidos de una sola pieza que se conforma con una barra de epoxi-fibra de vidrio recubierta exteriormente con un material compuesto, y se le adicionan en sus extremos las terminaciones metálicas con las cuales se une por medio de herrajes al conductor y a la cruceta del poste. 3.4 Problemas Típicos.
A
B
C
Fig. 4. Diseños de Aisladores Tipo Suspensión y Amarre.
Dentro de los problemas típicos de los aisladores poliméricos se encuentran: Tracking (caminos conductivos), Craking (grietas mayores a 1 mm), Erosión (es una pérdida de material polimérico por un efecto no conductivo) y Degradación por rayos ultra violeta UV (agrietamiento masivo de la superficie). La mayoría de estos problemas han sido superados con los nuevos diseños y compuestos; no obstante cuando ocurren son por: deficiencias del material con que es fabricado el aislador, poca experiencia del uso en campo, o por que las condiciones ambientales donde se utiliza, ha superado los parámetros de
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diseño, pueden aparecer estos problemas. Por esto cobra importancia probar en campo los diferentes diseños, mediante un laboratorio natural donde se presentan las condiciones más severas de la región donde serán implementados los aisladores poliméricos.
4 METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN 4.1 Laboratorio Natural Parámetro
Lab. Natural “Caño Sagua” Árido
La zona geográfica seleccionada “Caño Sagua” se Clima encuentra en las cercanías del pueblo Paraguaipoa en el norte de la Guajira Venezolana, ubicada en el Municipio Rango de Temperatura °C 27 – 32 °C Páez del Estado Zulia. Su escogencia obedece a sus Nivel de Precipitación 400 a 800 mm condiciones ambientales (dada a su cercanía con el Golfo de Venezuela). Para esto se ubicó una derivación Humedad 75 a 80% (ramal) de un circuito en 23,9 kV con una baja densidad Velocidad del Viento 4 a 6 m/seg de carga, lo que permitió sacarlo de servicio para Presencia de “Sand Blasting” Si estudiar las muestras bajo estudio. En esta zona, las Máximo Nivel Medido de DESD condiciones ambientales son extremas (vientos fuertes, 0,4406 (mg/cm²) contaminación salina, corrosión y sand blasting) por lo Por Arriba de que se pueden encontrar resultados acelerados en corto Nivel de Contaminación según la IEC Muy Alto 60815 (0,3000 mg/cm² ) tiempo comportándose como un laboratorio natural. Con el fin de obtener resultados del comportamiento de Nivel de Tensión Nominal (f-f) 23,9 kV aisladores de diferentes diseños, se instalaron muestras a Máximo Nivel de Tensión (f-f) 25 kV lo largo de todo el ramal. En la Tabla 2, se muestra un resumen de las condiciones ambientales de este Inicio del Laboratorio Julio del 2002 laboratorio natural. Para el monitoreo del nivel de contaminación se dispuso de una estructura al lado del Tabla 2. Características de Laboratorio Natural. circuito donde se ubicaron aisladores poliméricos de prueba, además una cadena de seis (6) aisladores cerámicos para realizar medición de contaminación a través del método del DESD (Densidad Equivalente de Sal Depositada). Durante la medición realizada solo se utilizaron los cuatro (4) aisladores intermedios de la cadena tal como se describe en [4]. Con este método se mide la cantidad de Cloruro de Sodio (NaCl) necesaria para producir conductividad medida en una cantidad conocida de agua pura dividida por el área de la superficie lavada del aislador. 4.2 Inspección Visual del Material Polimérico y Herrajes
Dentro de la metodología de evaluación de los aisladores de prueba montados en campo, la inspección visual consiste en detectar fallas en el asilamiento polimérico, así como de las partes metálicas (herrajes). Para esto se estableció una matriz de evaluación cualitativa. En la Tabla 3 se establece el patrón de evaluación del material aislante y metálico del aislador polimérico. Elemento Aislante
Elemento Metálico
No presenta rastros visuales de decoloración, Los herrajes están en condiciones óptimas. No presentan endurecimiento, fragilidad, ó pérdida de brillo. corrosión. Los herrajes presentan pérdida de galvanizado o perdida de Se observa degradación debido al proceso de degradación material, con manchas de oxidación hasta el surgimiento de Regular como cambios de decoloración y perdida de brillo. burbujas. Presenta degradación, pérdida de hidrofobicidad, descargas Hay presencia de corrosión. En los herrajes de la cadena Malo localizadas, fragilidad, endurecimiento, erosión y pequeñas comienza la aparición de escama y la expansión de la grietas. sección.
Bueno
Daño en el aislamiento, descargas superficiales, efectos de Hay presencia de corrosión. El herraje presenta una pérdida Crítico erosión, grietas profundas y ruptura del aislante. de espesor, hasta la pérdida casi completa del ele mento.
Tabla 3. Estado del Elemento Aislante y Metálico del Aislador Polimérico.
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4.3 Disección de los Aisladores
El objetivo de esta disección es evaluar el resultado del proceso de fabricación y validar si existe una simetría entre el núcleo de fibra de vidrio y la cubierta polimérica. Adicionalmente, se evalúa el espesor de la cubierta polimérica donde lo recomendable es que esta deba tener como mínimo 2 mm de espesor sobre el núcleo de fibra de vidrio, para aisladores de hasta 34,5 kV. (Ver Fig. 5)
Cubierta Polimérica Falda del Aislador Núcleo de Fibra de Vidrio Centrada Simétricamente
Figura 5. Disección de un Aislador.
4.4 Unión Polímero – Fibra de Vidrio – Herraje.
Este es uno de los puntos más críticos de los aisladores poliméricos, ya que en este convergen tres materiales generándose una interfaz. Dicha unión se inspecciona visualmente y se valida si hubo alguna deformación o penetración de humedad. 4.5 Análisis de las Distancias de Fuga y de Arco Seco.
Se realiza una inspección visual con el fin de detectar huellas de Traking o Craking generados por corrientes de fuga externos al material polimérico y que pudiesen ser causados por contaminación. Adicionalmente, se pueden observar posibles huellas de flameo en el material polimérico o en herrajes, típicos de una descarga eléctrica
5 RESULTADOS A continuación se muestra las condiciones encontradas en las muestras sometidas a las condiciones ambientales del laboratorio natural. 5.1 Aislador con Herrajes de Acero Galvanizado (Modelo “A”).
Los aisladores utilizados fueron modelo DS-28 establecidos en la norma [1], con distancias de fuga desde 550 mm hasta 660 mm y con herrajes de acero galvanizado con un mínimo de 95 micras de espesor. Para el caso de aisladores con exposiciones por 4 años se encontraron los herrajes en avanzado estado de deterioro, presentando corrosión y desprendimiento de la capa galvanizada tal como se establece en la Tabla 3 (ver Figura 6. a y b). Con respecto a los elementos metálicos para aisladores expuestos con un tiempo de un año y medio, se encontraron en estado regular (ver Figura 6. c, d, y e). Con respecto al material polimérico el mismo no presentó ningún tipo de degradación Figura. 6. a) y b) Aislador Expuesto por 4 años, encontrándose en buen estado. En líneas c), d) y e) Aislador Expuesto por 1 año y medio. generales, con los resultados obtenidos con este modelo de aislador, se puede concluir que en la Zona Norte del Zulia este aislador tendría una vida útil aproximada de unos 5 años por degradación de los herrajes a causa de la corrosión. De experiencias de campo, la degradación encontrada en los herrajes se llega a alcanzar en Maracaibo y en el resto del Zulia
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con un tiempo de exposición de más de 30 años. Por lo cual, se recomienda su utilización para todo el Zulia excepto en la zona norte. 5.2 Aislador con Herrajes Cubiertos por Polímero (Modelo “B”).
El diseño de estos aisladores presentan los extremos recubiertos de polímero y los bujes de amarre (herraje) con la línea, en acero galvanizados. El material de aislamiento utilizado es de goma silicona. Se probaron aisladores con distancias de fuga desde 670 mm hasta 840 mm. Estos aisladores fueron instalados en Agosto del 2002. Luego de 18 meses instalados, mediante una inspeccion visual se encontro una serie de grietas profundas, roturas y desgastes del material polimérico. Una vez identificadas dichas anomalías se procedió a examinar los aisladores fallados. Se detectó que las roturas del material polimérico fue causado por el roce de una de las terminaciones del aislador con el herraje de la cruceta. La falla por erosión fue motivada al roce con el material arenoso en combinación con fuertes vientos (Sand Blasting). La tercera falla son las grietas profundas (craking) (fig. 7-E). las cuales se inician en el extremo donde el aislador se encuentra con el conductor y en el herraje. De los cortes realizados se detectó que la corriente de fuga circula entre la barra de fibra de vidrio y la cubierta polimérica (fig. 7-B, C y F). En función de las evidencias recabadas la mejor hipótesis planteada para esta grieta es que debido a los Figura. 7. Aislador Examinado. esfuerzos mecánicos se rompe el sello presente entre el ojal de acero galvanizado y la cubierta polimérica, causando la entrada de la humedad. Es de resaltar que estas fallas fueron repetitivas en todos los aisladores probados con este tipo de diseño. Adicionalmente al seccionar el aislador se encontró una asimetría en la inyección de la cubierta polimérica (fig. 7-D). Como resultado, se obtuvo que el elemento aislante presenta un estado crítico y los elementos metálicos presentan unas condiciones críticas. Este análisis corrobora lo desarrollado en una investigacion preliminar [5] sobre el comportamiento de este diseño de estos aisladores. A raíz de las fallas de los aisladores con herrajes cubiertos por polímero y buje de acero galvanizado, en el año 2005 se Figura. 8. a) Herraje de Acero Galvanizado instalaron aisladores similares pero con herrajes de acero b) Herraje de Acero Inoxidable. inoxidable. A mediados del año 2007, se examinaron en campo encontrándose las mismas fallas que se presentaron con los aisladores con los herrajes en acero galvanizado. Como se observa en la figura 8, en ambos aisladores se presentan las grietas profundas, a pesar que se utilizó un herraje de acero inoxidable. Como resultado se obtuvo que el elemento aislante
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presentó un estado crítico por tal motivo se concluye que estos modelos de aisladores no pueden ser utilizados en la región Zuliana. 5.3 Aislador con Herrajes de Aleación de Aluminio (Modelo “C”).
El tiempo de exposición de este aislador fue de 4 años. Se utilizó un aislador modelo DS-46 con una distancia de fuga de 950 mm. La intención de probar este diseño, fue la de someter los herrajes de aleación de aluminio a las condiciones reales de la zona. Como se observa en la figura 9 los elementos metálicos se encuentran en buen estado, presentando una coloración de corrosión por efectos del roce con el herraje de acero galvanizado corroído. Con respecto al material polimérico el mismo no presentó ningún tipo de degradación encontrándose en buen estado. Por tal motivo se recomienda el uso de herrajes de aleación de aluminio para la zona norte del Zulia.
6 CONCLUSIONES
Figura. 9. Aislador con herrajes de aleación de aluminio.
En función del aprendizaje obtenido a través de las pruebas de campo en aisladores tipo suspensión o amarre se encontró un buen comportamiento con respecto al material polimérico con goma silicón, y con las características establecidas en los aisladores DS-28 establecidos en la norma ANSI C29.13-2000. El uso de materiales aislantes con las propiedades hidrofóbicas permite reducir las distancias de fugas, mejorar la coordinación de aislamiento y reducen los costos del mantenimiento por lavado ya que no requiere lavado artificial. Se recomienda el uso de los aisladores con herrajes en acero galvanizado (modelo “A”) para todo el estado Zulia excepto para región norte del Estado Zulia (Municipios Mara – Paez y Padilla) siendo el recomendado para esta región, aisladores polimétricos con herrajes en aleación de aluminio (modelo “C”) por los altos niveles de corrosión. Queda descartada para la región Zuliana la utilización de aisladores con sus terminaciones (herrajes) cubiertos por polímero tanto con buje de acero galvanizado y en acero inoxidable (aislador modelo “B”). Las pruebas controladas en campo, de nuevos diseños de aisladores poliméricos en ambientes reales de operación permiten detectar fallas y puntos de mejora antes de una implementación masiva.
BIBLIOGRAFÍA [1] ANSI C29.13-2000, “American Nacional Standard for Insulator – Composite Distribution Deadend Type”. [2] IEC 61109-1995, “Composite insulators for A.C. overhead lines with a nominal voltage greater than 1000 V, Definitions, Test Methods and Acceptance Criteria”. [3] IEC 60815-1986, “Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions“. [4] Contreras E. Elizabeth G. y Rangel F. Juan D. “Propuesta para Minimizar las Fallas por Contaminación de Aisladores en los Circuitos de Distribución en 23.9 kV de ENELDIS, Ubicados en los Municipios Mara y Páez del Estado Zulia”. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Eléctrica. 2004. [5] C. Blanco, C. Vásquez, M. Carrillo, G. Gonzalez, C. Alfonso, “Caracterización de Fallas en la Interfase de Materiales en Aisladores no Cerámicos”, ALTAE 2005.
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