；；；

(1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司長(zhǎng)壽分公司,重慶 401220；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；3.國(guó)網(wǎng)重慶南川區(qū)供電有限責(zé)任公司,重慶 408400)

0 引 言

現(xiàn)代社會(huì)中，電能是一種使用最廣泛的能源。在全球能源日益緊張的今天，各國(guó)都充分認(rèn)識(shí)到了提高電能質(zhì)量，降低電能損耗的重要性。

線損率[1]是反映配電網(wǎng)運(yùn)行的重要指標(biāo)，經(jīng)常作為對(duì)電網(wǎng)企業(yè)的考核或同業(yè)比對(duì)指標(biāo)。衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)包括電壓、頻率和波形[2，3]，其中又以電壓質(zhì)量問(wèn)題最為普遍。對(duì)配電網(wǎng)線損的構(gòu)成和電壓質(zhì)量進(jìn)行分析，制定可行的降損及提高電能質(zhì)量措施，并積極地加以實(shí)施就顯得十分必要。目前線損的研究主要集中在理論線損計(jì)算方面，以線損為目標(biāo)的無(wú)功優(yōu)化、配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、補(bǔ)償電容安裝位置的確定等問(wèn)題。電能質(zhì)量的研究?jī)?nèi)容主要包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相電壓不平衡等，下面主要對(duì)電壓偏差方面進(jìn)行研究。

對(duì)配電網(wǎng)線損產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，總結(jié)出線損主要由電阻、磁場(chǎng)以及管理三個(gè)方面導(dǎo)致；提出降低配電網(wǎng)損耗以及提高電能質(zhì)量的措施。以某35 kV變電站為例，對(duì)其10 kV饋線進(jìn)行了潮流計(jì)算，找出A地區(qū)電網(wǎng)存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的具體措施。采用一種無(wú)功電壓綜合優(yōu)化方法對(duì)變電站的多條10 kV饋線進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算，驗(yàn)證了無(wú)功規(guī)劃優(yōu)化在降損和提高電壓質(zhì)量上的可行性和有效性。

1 線損產(chǎn)生原因及降損措施

1.1 線損產(chǎn)生原因

電力網(wǎng)中線損的產(chǎn)生原因，歸納起來(lái)主要有三個(gè)方面的因素，即電阻作用、磁場(chǎng)作用和管理方面[4，5]的因素。

(1)電阻作用

電能在電網(wǎng)傳輸過(guò)程中，電流克服電阻的作用引起導(dǎo)體溫升和發(fā)熱，稱為電阻損耗。

(2)磁場(chǎng)作用

由于磁場(chǎng)的作用，在電氣設(shè)備的鐵心中產(chǎn)生磁滯和渦流現(xiàn)象，使鐵心產(chǎn)生溫升和發(fā)熱，稱為勵(lì)磁損耗。

(3)管理方面的因素

電力企業(yè)管理水平落后，制度不健全，致使工作中出現(xiàn)的如用戶違章用電和竊電；計(jì)量表配備不合理等造成誤差損失。

1.2 降損技術(shù)措施

(1)線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

1)按經(jīng)濟(jì)電流運(yùn)行，當(dāng)線路負(fù)荷電流達(dá)到經(jīng)濟(jì)負(fù)荷電流Ijj時(shí)，線路達(dá)到最佳線損率。

經(jīng)濟(jì)負(fù)荷電流的計(jì)算公式[6]為

(1)

其中，ΔP0,i為線路上每臺(tái)變壓器的空載損,kW；K為線路負(fù)荷曲線形狀系數(shù)[1]；R為線路總等值電阻。

此時(shí)的最佳線損率為

(2)

其中，Ue為線路的額定電壓,kV；cosφ為線路負(fù)荷功率因素。

2)增加并列線路運(yùn)行[7]

增加并列線路指由同一電源至同一受電點(diǎn)增加一條或幾條線路并列運(yùn)行。

①增加等截面、等距離線路并列運(yùn)行后的降損節(jié)電量計(jì)算式為

(3)

其中，ΔA為原來(lái)一回線路運(yùn)行時(shí)的損耗電量，kWh；N為并聯(lián)運(yùn)行線路的回路數(shù)。

②在原導(dǎo)線上增加一條不等截面導(dǎo)線，此時(shí)的降損節(jié)電量計(jì)算式為

(4)

其中，R1為原線路導(dǎo)線電阻，Ω；R2為增加線路導(dǎo)線電阻，Ω。

(2)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[7-10]

1)單臺(tái)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

單臺(tái)變壓器運(yùn)行時(shí)，當(dāng)空載損耗和負(fù)載損耗相等時(shí)，此時(shí)運(yùn)行效率最高，最經(jīng)濟(jì)，此時(shí)的負(fù)載系數(shù)為

(5)

此時(shí)變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷為

S=KF×SN

(6)

其中，ΔP0為變壓器的空載損耗,kW；ΔPk為變壓器的負(fù)載損耗,kW；SN為變壓器的額定容量,kVA。

2)多臺(tái)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

①多臺(tái)同容量

當(dāng)變電站有多臺(tái)相同型號(hào)的雙繞組變壓器并列運(yùn)行時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算變壓器的臨界負(fù)荷，確定不同負(fù)荷情況下應(yīng)當(dāng)投運(yùn)的變壓器臺(tái)數(shù)。

臨界負(fù)荷計(jì)算式如下。

(7)

其中，n為并列運(yùn)行的變壓器臺(tái)數(shù)；F為變電站總負(fù)荷的損失因數(shù)。

若變電站的總負(fù)荷為Smax，當(dāng)Smax>SC時(shí)，n臺(tái)并列運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)；反之，則n-1臺(tái)運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。

②多臺(tái)不同容量

當(dāng)變電站有多臺(tái)不同型號(hào)的雙繞組變壓器時(shí)，計(jì)算列出各種組合方式下的臨界負(fù)荷表，然后再根據(jù)變電站的負(fù)荷選擇最經(jīng)濟(jì)的組合方式。

每?jī)煞N組合方式的臨界負(fù)荷可按式(8)計(jì)算。

(8)

其中，Δ∑P0i、Δ∑P0j為第i種及第j種組合方式并列變壓器組的總空載損耗,kW；∑Pki、∑Pkj為第i種和第j種組合方式并列變壓器組的總額定短路損耗,kW；∑SNi、∑SNj為第i種和第j種組合方式并列變壓器組的總額定容量,kVA。

(3)網(wǎng)絡(luò)改造

更換配電網(wǎng)中殘舊線路、小截面線路可以降低線路損耗；更換高損耗配電變壓器降低配電變壓器損耗。

(4)增加電源點(diǎn)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用電負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)，原有10 kV配電網(wǎng)的負(fù)荷越來(lái)越重，如果維持這種較低電壓等級(jí)的電網(wǎng)長(zhǎng)距離供電的狀態(tài)，不但電壓質(zhì)量很難保證，線損電量也會(huì)很大。在負(fù)荷較重，供電線路過(guò)長(zhǎng)的地方考慮增加電源布點(diǎn)，能縮短線路供電半徑，有效地降低線損。

(5)無(wú)功補(bǔ)償降損

電力系統(tǒng)中由于動(dòng)態(tài)變化的非線性負(fù)荷的存在，引起系統(tǒng)有功和無(wú)功的快速變化導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變以及供電電壓波形的畸變。如果無(wú)功儲(chǔ)備不足將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓水平降低，這就需要對(duì)電網(wǎng)或用戶進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償以提高電壓質(zhì)量，降低系統(tǒng)的損耗。此外，無(wú)功補(bǔ)償也有益于電壓質(zhì)量的提高。

1.3 降損管理措施

(1)加強(qiáng)電能計(jì)量管理

配備合理的計(jì)量裝置，以使用戶或出線用電負(fù)荷較小時(shí)也能準(zhǔn)確計(jì)量。

(2)加強(qiáng)用電營(yíng)業(yè)管理

一要加強(qiáng)防竊電管理；二要加強(qiáng)抄表核收工作的質(zhì)量管理和工作責(zé)任心，建立健全抄表核收工作制度。

(3)開(kāi)展線損理論計(jì)算工作

通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)線損的定期計(jì)算，對(duì)每個(gè)元件的功率損失和電能損耗加以掌握，并與實(shí)際統(tǒng)計(jì)所得的線損值比較分析，從而明確損耗的構(gòu)成情況，積極地采取措施，將線損降至合理水平。

(4)完善線損管理考核機(jī)制

在原有分線分臺(tái)區(qū)線損考核的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前線損發(fā)展的新形勢(shì)，進(jìn)一步理順基礎(chǔ)資料，強(qiáng)化抄表管理，使分線分臺(tái)區(qū)線損統(tǒng)計(jì)更加準(zhǔn)確。

2 提高電壓質(zhì)量措施

(1)適當(dāng)?shù)恼{(diào)壓

常用的調(diào)壓方法有：利用發(fā)電機(jī)調(diào)壓；改變變壓器變比調(diào)壓；并聯(lián)補(bǔ)償無(wú)功設(shè)備調(diào)壓；串聯(lián)電容器調(diào)壓[11-13]；SVR饋線自動(dòng)調(diào)壓。根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況，選擇合理的調(diào)壓措施，保證電壓質(zhì)量。

(2)增加電源點(diǎn)

適當(dāng)增加電源點(diǎn)，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。新建變電站的新出線路可轉(zhuǎn)移現(xiàn)有線路的部分負(fù)荷，不僅降低損耗，還能保證電壓質(zhì)量。

(3)加強(qiáng)電壓質(zhì)量管理

一要加強(qiáng)對(duì)電壓質(zhì)量的監(jiān)測(cè)管理。實(shí)現(xiàn)電壓質(zhì)量系統(tǒng)分析，為提升電壓管理和提高電壓合格率奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。二要加強(qiáng)線路設(shè)備巡視。做到對(duì)線路設(shè)備異常情況及時(shí)掌握。三要開(kāi)展電壓指標(biāo)分析，推動(dòng)配電網(wǎng)低電壓臺(tái)區(qū)改造。

3 無(wú)功電壓綜合優(yōu)化措施

配電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化可分為規(guī)劃優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化。

1)配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃優(yōu)化，是指在滿足系統(tǒng)各種約束(包括功率平衡、電壓質(zhì)量等)的前提下，調(diào)節(jié)分布式無(wú)功電源的功率以及變壓器的分接頭和變壓器分接頭等，確定無(wú)功補(bǔ)償裝置的最佳裝設(shè)地點(diǎn)和最優(yōu)補(bǔ)償容量，降低網(wǎng)絡(luò)損耗，改善電壓質(zhì)量。

2)配電網(wǎng)的無(wú)功運(yùn)行優(yōu)化，是指在現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)負(fù)荷的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)分布式無(wú)功電源的出力、電容器組運(yùn)行投切和變壓器分接頭等，降低網(wǎng)絡(luò)損耗并提高電壓合格率。無(wú)功運(yùn)行優(yōu)化需要配電網(wǎng)的自動(dòng)化配合，通過(guò)監(jiān)測(cè)本地的電壓以及有功功率、無(wú)功功率等來(lái)調(diào)節(jié)變壓器的檔位以及電容器的開(kāi)關(guān)，從而使電壓以及無(wú)功功率處于合理的范圍內(nèi)。

這里采用一種無(wú)功電壓綜合優(yōu)化措施，保證電壓質(zhì)量的同時(shí)降低損耗。其基本無(wú)功優(yōu)化程序基于遺傳算法、節(jié)點(diǎn)優(yōu)化編號(hào)和輻射狀配電網(wǎng)特點(diǎn)，采用一種將確定性方法和隨機(jī)性方法進(jìn)行有機(jī)組合的配電網(wǎng)無(wú)功規(guī)劃優(yōu)化混合算法。該算法通過(guò)綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和電壓約束，提出一種動(dòng)態(tài)確定節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償容量上限的有效方法[14]，將其用于初始種群的生成，可自動(dòng)確定補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)總數(shù)及各補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償組數(shù)的上限值。

4 配電網(wǎng)線路分析及潮流計(jì)算

4.1 線路分析

A地區(qū)有110 kV變電站2座，35 kV變電站9座，10 kV線路46條，配電變壓器1 746臺(tái)，總?cè)萘繛?88.85 MVA。

1)供電半徑

46條10 kV公用線路主干長(zhǎng)度超過(guò)15 km的有14條，主干超過(guò)10 km的有27條，大部分線路供電半徑過(guò)長(zhǎng)。

2)配電變壓器數(shù)量

A地區(qū)10 kV公用線路裝接配電變壓器容量主要集中在8 MVA以內(nèi)；共有4條線路裝接配電變壓器容量超過(guò)了15 MVA，均為城區(qū)線路，負(fù)荷較重，所帶配電變壓器容量大。其余線路裝接配電變壓器容量較低的主要原因是農(nóng)村供電線路負(fù)荷以居民為主，住戶較少，供電區(qū)域分散，負(fù)荷密度較小，并且現(xiàn)有10 kV線路導(dǎo)線截面以50、70為主，限制了線路的配電變壓器裝接容量。

3)線型分析

A地區(qū)架空線路截面主要為50(mm)2和70(mm)2。

《農(nóng)網(wǎng)建設(shè)與改造技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定[15]：縣城、城鄉(xiāng)結(jié)合部和集鎮(zhèn)供電區(qū)新建與改造10 kV線路主干線線徑統(tǒng)一為240(mm)2，農(nóng)村區(qū)域10 kV線路主干線路線徑不小于95(mm)2。A地區(qū)城區(qū)現(xiàn)有10 kV公用線路主干導(dǎo)線截面小于《導(dǎo)則》要求的共有6條，農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)有10 kV公用線路主干導(dǎo)線截面小于95(mm)2有30條，普遍導(dǎo)線截面過(guò)小。

4.2 潮流計(jì)算

以A地區(qū)某35 kV變電站為算例，對(duì)其10 kV饋線進(jìn)行潮流分析。該變電站有6條10 kV饋線，其基本信息如表1所示。

表1 饋線基本信息

采用美國(guó)加州WLSL星能電氣有限公司和重慶星能電氣有限公司開(kāi)發(fā)的《CEES供電網(wǎng)計(jì)算分析輔助決策軟件——潮流計(jì)算子系統(tǒng)》進(jìn)行建模和潮流計(jì)算，得出各饋線最大負(fù)荷電流運(yùn)行方式下的電壓損耗及線損情況，如表2和表3所示。

表2 饋線電壓損耗情況

表3 饋線系統(tǒng)損耗情況

由表2可知，線路4、線路3、線路6電壓損失較嚴(yán)重，電壓損失百分比分別為29.60%、14.74%、12.49%。其中，線路4電壓損失最為嚴(yán)重，末端電壓僅為7.42 kV。線路4、線路3、線路6、線路5有功損耗分別達(dá)到24.4%、12.91%、11.07%、10.38%。

5 存在問(wèn)題及解決措施

經(jīng)過(guò)對(duì)A地區(qū)電網(wǎng)的46條公用線路進(jìn)行潮流計(jì)算，找出存在的線損和電壓?jiǎn)栴}，同時(shí)結(jié)合A地區(qū)實(shí)際，提出了降損和提高電能質(zhì)量的綜合措施。

5.1 存在主要問(wèn)題

A地區(qū)配電網(wǎng)主要存在兩個(gè)問(wèn)題，一是無(wú)功補(bǔ)償不足。目前A地區(qū)配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償主要是采用變電站集中補(bǔ)償方式，配電線出口的功率因數(shù)一般能滿足要求，但10 kV線路的功率因數(shù)卻較低。為此在當(dāng)前的情況下，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)客戶無(wú)功補(bǔ)償裝置的管理，使客戶無(wú)功補(bǔ)償裝置切實(shí)發(fā)揮作用。二是線路供電半徑長(zhǎng)，導(dǎo)線截面過(guò)小。一、二期農(nóng)網(wǎng)改造時(shí)，因投入改造資金少，為了擴(kuò)大改造面，導(dǎo)致電網(wǎng)改造的標(biāo)準(zhǔn)低，供電半徑長(zhǎng)，導(dǎo)線型號(hào)小，變壓器容量小，變壓器布置不合理，供電質(zhì)量和供電可靠性低，線損高，現(xiàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足居民用電負(fù)荷發(fā)展的需要。

5.2 解決措施

(1)加強(qiáng)無(wú)功補(bǔ)償

A地區(qū)配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償主要是采用變電站集中補(bǔ)償方式，這對(duì)降低配電網(wǎng)線損的效果不明顯，應(yīng)加強(qiáng)低壓的無(wú)功補(bǔ)償。通過(guò)潮流計(jì)算，適當(dāng)增加低壓無(wú)功補(bǔ)償能有效降低線損，提高電壓質(zhì)量和功率因素。

(2)更換導(dǎo)線、高耗能變壓器，降低電阻，降低損耗

部分線路已經(jīng)超過(guò)經(jīng)濟(jì)電流密度運(yùn)行，需要進(jìn)行改造換線工程，降低損耗。補(bǔ)償前線損率超過(guò)10%的4條線補(bǔ)償后仍然有1條線線損率高于10%，即線路4，其線型為L(zhǎng)GJ-70，導(dǎo)線截面過(guò)小，應(yīng)將主干線路更換為L(zhǎng)GJ-95線型。

(3)改造不合理臺(tái)區(qū)，降低配電損失

該變電站部分10 kV線路的負(fù)荷較大，所帶配電變壓器過(guò)多。在個(gè)別地區(qū)，低壓線路過(guò)長(zhǎng)且布局不合理。因此，改造不合理的配電變壓器臺(tái)區(qū)是很有必要的。同時(shí)，注意解決配電變壓器過(guò)載問(wèn)題。

(4)適當(dāng)增加電源布點(diǎn)，縮短線路供電半徑

目前，該變電站有4條線的線路長(zhǎng)度都超過(guò)了《農(nóng)網(wǎng)建設(shè)與改造導(dǎo)則》要求的15 km。如10 kV線路4供電半徑達(dá)20 km，總長(zhǎng)度達(dá)80.94 km?？梢钥紤]在該變電站附近增加電源布點(diǎn)，縮短供電半徑，降低線路損耗，提高電壓質(zhì)量。

(5)加強(qiáng)線損管理和理論線損計(jì)算

一要加強(qiáng)抄表的管理，確保實(shí)際反應(yīng)線損；二要定期召開(kāi)各級(jí)線損分析會(huì)，對(duì)線損率突升、損失電量突增的異常事件進(jìn)行分析，查明原因，落實(shí)降損措施和責(zé)任單位；三要做好理論線損計(jì)算，認(rèn)真梳理電網(wǎng)基本資料，分析電網(wǎng)各類元件的損耗情況，根據(jù)理論分析結(jié)果制定節(jié)能降損的技術(shù)措施計(jì)劃。

6 無(wú)功規(guī)劃算例

采用《CEES供電網(wǎng)計(jì)算分析輔助決策軟件——無(wú)功補(bǔ)償子系統(tǒng)》進(jìn)行無(wú)功規(guī)劃優(yōu)化，確定的部分無(wú)功補(bǔ)償裝置的裝設(shè)地點(diǎn)和補(bǔ)償容量如表4所示。

表4 無(wú)功補(bǔ)償安裝地點(diǎn)和容量

補(bǔ)償前后的線損及饋線功率因素如表5所示。

表5 補(bǔ)償前后線損和功率因素對(duì)比

圖1 補(bǔ)償前后的線損率對(duì)比

此次無(wú)功補(bǔ)償多在配電變壓器低壓側(cè)補(bǔ)償，且大部分在大容量配電變壓器的低壓處補(bǔ)償。補(bǔ)償后電壓較低的線路4、線路3、線路6的末端電壓分別提高到9.4 kV、9.66 kV和9.59 kV。補(bǔ)償前線損率超過(guò)20%有1條，即線路4，線損率達(dá)到23.73%，補(bǔ)償后線損率降低到18.81%。線損率在10%～20%之間的有3條，分別為線路3、線路6、線路5，線損率分別達(dá)到11.57%、11.07%、10.38%，補(bǔ)償后線損率分別降低到8.46%、7.4%、6.82%，4條線的年總降損收益為26.44萬(wàn)元，節(jié)能效果顯著。驗(yàn)證了無(wú)功補(bǔ)償規(guī)劃優(yōu)化的可行性和有效性，降低了線損，保證了電壓質(zhì)量。

7 結(jié)論與展望

(1)線損方面，措施分為降損技術(shù)措施和降損管理措施。技術(shù)措施包括線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)改造、增加電源點(diǎn)、無(wú)功補(bǔ)償降損；管理措施包括加強(qiáng)電能計(jì)量管理、加強(qiáng)用電營(yíng)業(yè)管理、開(kāi)展線損理論計(jì)算工作、完善線損管理考核機(jī)制。

(2)電壓質(zhì)量方面，措施有適當(dāng)調(diào)壓(包括SVR調(diào)壓)，增加電源點(diǎn)，無(wú)功補(bǔ)償，加強(qiáng)電壓的監(jiān)測(cè)及指標(biāo)分析，加強(qiáng)線路設(shè)備巡視。

(3)無(wú)功電壓綜合措施，結(jié)合無(wú)功規(guī)劃優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化，自動(dòng)確定無(wú)功補(bǔ)償裝置的最佳裝設(shè)地點(diǎn)和最優(yōu)補(bǔ)償容量，自動(dòng)調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和控制電容器投切，降低網(wǎng)絡(luò)損耗，改善電壓質(zhì)量。

(4)計(jì)算結(jié)果都是基于A地區(qū)現(xiàn)狀電網(wǎng)計(jì)算得到，若適當(dāng)增加電源點(diǎn)、縮短線路的供電半徑和更換小截面導(dǎo)線，降損效果更佳。如線路5導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-50，若將其更換為L(zhǎng)GJ-95的導(dǎo)線，損耗將在此基礎(chǔ)上再減少50%，而且電壓質(zhì)量也能得到進(jìn)一步提高。

(5)實(shí)際算列驗(yàn)證了無(wú)功電壓規(guī)劃優(yōu)化對(duì)降損及提高電壓質(zhì)量的有效性。在不久的將來(lái)，隨著配電網(wǎng)自動(dòng)化控制的不斷推進(jìn)，通過(guò)在配電網(wǎng)全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓控制，有利于進(jìn)一步提高全網(wǎng)電壓的合格率，降低電網(wǎng)的損耗。

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