第3章 自动装置.docx
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第3章自动装置
第3章同步发电机励磁自动控制系统
第一节概述
同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。
励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流,即励磁电流;励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。
整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。
一、同步发电机励磁控制系统的任务
(一)电压控制
隐极发电机感应电动势与端电压的幅值关系为:
一般δG的值很小,可近似认为cosδG=1于是,可得简化的运算式为:
上式说明,负荷的无功电流是造成Eq和UG幅值差的主要原因,发电机的无功电流越大,两者间的差值也越大。
由上式看出,当励磁电流IEF一定时,发电机端电压UG随无功负荷增大而下降。
看图3-3
当无功电流为IQ1时,发电机端电压为额定值UGN,励磁电流为IEF1。
当无功电流增大到IQ2时,端电压降至UG2,必须将励磁电流增大才能维持端电压为额定值。
同理,无功电流减小时,UG会上升,必须减小励磁电流。
励磁自动控制系统就是通过不断地调节励磁电流来维持机端电压稳定。
(二)控制无功功率的分配
设同步发电机与无限大母线并联运行,即发电机端电压是一个恒定值。
由于发电机发出的有功功率只受调速器控制,与励磁电流的大小无关。
故:
当不考虑定子电阻和凸极效应时,发电机功率又可表示为:
以上两式分别说明当励磁电流改变时,IGcosφ和Eqsinδ的值均保持恒定,即
IGcosφ=K1Eqsinδ=K2
因为发电机端电压UG为定值,所以发电机励磁电流的变化只是改变了机组的无功功率和功率角δ值大小.
结论:
1、发电机与无限大系统并联运行,调节它的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。
2、发电机与有限大系统并联运行,改变其中一台发电机的励磁电流不但影响发电机电压和无功功率,而且也将影响与之并联运行机组的无功功率。
(三)提高同步发电机并联运行的稳定性
1.励磁对静态稳定的影响
发电机的输出功率按式(3-4)可写成:
最大可能传输的功率极限为Pm,即
实际运行时,为了可靠起见留有一定裕度,运行点总是对应低于功率极限值。
静态稳定极限功率Pm与发电机空载电动势Eq成正比,而Eq值与励磁有关。
(1)无自动调节励磁时,因励磁电流恒定,Eq=常数,此时的功角特性称为内功率特性。
(2)若有灵敏和快速的励磁调节器,则可视为保持发电机端电压为恒定UG=常数。
由相应一簇不同Eq值的功角特性,求得曲线B(称外功角特性,见图3-7)最大值出现在UG与U之间功率角δ’‘`=900时,即
(此时δ大于900)。
对于按电压偏差比例调节的励磁控制系统,则近似按E`=常数求得的功角特性曲线c工作,显然,它使发电机能在大于900范围的人工稳定区运行,即可提高发电机输送功率极限或提高系统的稳定储备。
2.励磁对暂态稳定的影响
增加励磁不但减小了加速面积,而且还增加了减速面积,从而改善了发电机的暂态稳定性。
从图3—9、图3—10可以说明当励磁系统既有快速响应特性又有高强励倍数时,才对改善电力系统暂态稳定有明显的作用。
(四)改善电力系统的运行条件
1.改善异步电动机的自启动条件
电网发生短路等故障时,电网电压降低,使大多数用户的电动机处于制动状态。
故障切除后,由于电动机自启动时需要吸收大量无功功率,以致延缓了电网电压的恢复过程。
发电机强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复。
2.为发电机异步运行创造条件
同步发电机失去励磁时,需要从系统中吸收大量无功功率,造成系统电压大幅度下降,严重时甚至危及系统的安全运行。
在此情况下,如果系统中其他发电机组能提供足够的无功功率,以维持系统电压水平,则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步运行方式维持运行,这不但可以确保系统安全运行而且有利于机组热力设备的运行。
3提高继电保护装置工作的正确性
当系统处于低负荷运行状态时,发电机的励磁电流不大,若系统此时发生短路故障,其短路电流较小,且随时间衰减,以致带时限的继电保护不能正确工作。
励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁以增大短路电流,使继电保护正确工作。
(五)水轮发电机组要求实行强行减磁
当水轮发电机组发生故障突然跳闸时,由于它的调速系统具有较大的惯性,不能迅速关闭导水叶,因而会使转速急剧上升。
如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流,则发电机电压有可能升高到危及定子绝缘的程度,所以,在这种情况下,要求励磁自动控制系统能实现强行减磁。
二、对励磁系统的基本要求
(一)对励磁调节器的要求
(1)系统正常运行时,励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平。
通常认为:
自动励磁调节器应能保证同步发电机端电压静差率:
半导体型的 (2)励磁调节器应能合理分配机组的无功功率,为此磁调节器应保证同步发电机端电压调差率可以在下列范围内进行调整: 半导体型的为±10%;电磁型的为±5%。 (3)远距离输电的发电机组,为了能在人工稳定区域运行,要求励磁调节器没有失灵区。 (4)励磁调节器应能迅速反应系统故障、具备强行励磁等控制功能,以提高暂态稳定和改善系统运行条件 (5)具有较小的时间常数,能迅速响应输入信息的变化。 (6)能够长期可靠工作。 (二)对励磁功率单元的要求 (1)要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。 (2)具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。 励磁顶值电压UEFq是励磁功率单元在强行励磁时可能提供的最高输出电压值。 该值与额定励磁电压UEFN之比称为强励倍数。 一般取1.6~2。 强励——电力系统故障造成母线电压降低时,迅速将励磁电压增至最大值。 励磁电压上升速度是衡量励磁功率单元动态行为的一项指标。 通常将励磁电压在最初O.5s内上升的平均速率定义为励磁电压响应比。 励磁电压响应比可以定义为: 现在一般大容量机组往往采用快速励磁系统,励磁系统电压响应时间(励磁电压达到95%顶值电压所需时间)为O.1s或更短的励磁系统,称为高起始响应励磁系统(或称快速励磁系统)。 在这里,用响应时间作为动态性能评定指标。 第三节励磁系统中的整流电路 一、三相桥式不可控整流电路 三相桥式不可控整流电路的整流元件为二极管Vl~V6,其直流侧负载Rf可以是发电机转子线圈或励磁机励磁绕组等。 由二极管的基本特性可知,该电路任何时刻只能是阳极电位最高和阴极电位最低的两个二极管处于正向电压而导通;其他四个二极管受到反向电压而不能导通。 每一周期中,每个二极管导通1/3周期(1200),每一时段总有两个二极管导通,它们以三相电压波形的交点为起点轮换,其中一个二极管导通与阻断,轮换周期为1/6周期(600)。 二、三相桥式半控整流电路 在三相可控整流电路中,控制角α起点规定为各相的自然换向点。 α=O0时,半控桥各元件导通顺序和时间与上述不可控整流桥完全相同。 电路不一定是承受最高电压的晶闸管元件导通,而是受触发的晶闸管和最低电压相的二极管导通。 当α>600,输出电压波形不连续,所以各整流元件导通时间小于1200 当α=1800时,各相触发脉冲都在负侧自然换相点出现,晶闸管因正向电压为零而不能导通,输出平均电压为零。 当触发脉冲控制角α从00~180O范围内移相时,输出电压从最大值连续降低到零。 (三)失控现象和续流二极管的作用 当负载为电感性且电感量很大以及供电电压降为零时,输出电流的瞬时值不为零,因电感的反电动势Ldi/dt方向如图3-23括号中所示,力图阻止电流减小;若电感产生的电动势足够大时,就由该感应电动势经二极管和当时导通的晶闸管释放电感的磁能,导致该晶闸管不能关断,直到下一个晶闸管触发导通为止,这种现象称为失控。 这时,得不到原有的输出电压波形,使整流输出电压值降低。 为了防止失控现象的发生,在电感性负载两端并接一反向续流二极管V1,在晶闸管电压过零关断时,电感两端的反电动势经续流二极管形成电流回路,由于续流二极管两端电压甚低,接近于零,从而保证晶闸管能可靠关断。 三、三相桥式全控整流电路 由于共阴极组、共阳极组晶闸管必须各有一只晶闸管同时导通,电路才能工作,六只晶闸管的导通顺序为1、2、3、4、5、6。 它们的触发脉冲相位依次相差600,又为了保证开始工作时,能有两个晶闸管同时导通,需用宽度大于600的触发脉冲,也可用双触发脉冲。 当控制角α<600时,共阴极组输出的阴极电位在每一瞬间都高于共阳极组的阳极电位,输出电压Ud的瞬时值都大于零,波形是连续的。 α>600时,当线电压瞬时值为零并转负值时,由于电感的作用,导通着的晶闸管继续导通,整流输出为负的电压波形,从而使整流电压的平均值降低。 α<900时,输出平均电压ud为正,三相全控桥工作在整流状态。 900<α≤1800时,输出平均电压ud为负值,三相全控桥工作在逆变状态,将直流转为交流。 α<900时,输出平均电压ud为正,三相全控桥工作在整流状态。 α>900时,输出平均电压ud为负,三相全控桥工作在逆变状态。 逆变角β=(1800-α),逆变角β小于900。 第四节励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配 一、励磁调节器的静态工作特性 调差系数定义为: δ=(UG1-UG2)/UGN=UG1*-UG2*=△UG*(3-33) 式中UGN——发电机额定电压; UG1、UG2——分别为空载运行和额定无功电流时的发电机电压(见图3—39),一般取UG2=UGN 调差系数δ也可以用百分数表示,也可称为调差率,即 δ%=(UG1-UG2)/UGN×100% 调差系数d表示无功电流从零增加到额定值时,发电机电压的相对变化。 调差系数越小,无功电流变化时发电机电压变化越小。 所以调差系数δ表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力。 对于按电压偏差进行比例调节的励磁控制系统,当调差单元退出工作时,其固有的无功调节特性称为自然调差系数。 电子式励磁调节器的自然调差率一般小于1%,所以必须附加调差环节,人为地把调差率提高到4%~6%,无功负荷才能按机组容量稳定分配。 对励磁调节器特性进行调整主要是为了满足: ①发电机投入和退出运行时,能平稳地改变无功负荷,不致发生无功功率的冲击;②保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。 发电机调节特性的三种类型 δ>O为正调差系数,其调节特性下倾,即发电机端电压随无功电流增大而降低。 δ<0为负调差系数,其调节特性上翘,发电机端电压随无功电流增大而上升。 δ=O称为无差特性,这时发电机端电压恒为定值。 发电机投入或退出电网运行时,要求能平稳地转移负荷,以免对电网造成冲击。 三、并联运行机组间无功功率的分配 几台发电机在同一母线上并联运行时,改变任何一台机组的励磁电流不仅影响该机组的无功电流,而且还影响同一母线上并联运行机组的无功电流。 与此同时也引起母线电压的变化。 这些变化与机组的无功调节特性有关。 (一)无差调节特性 1.一台无差调节特性的机组与有差调节特性机组的并联运行 (1)一台无差调节特性的发电机可以和多台正调差特性的发电机组并联运行。 但在实际运行中,由于具有无差调节特性的发电机将承担无功功率的全部增量,一方面一台机组的容量有限另一方面,机组间无功功率的分配也很不合理,所以这种运行方式实际上很难采用。 (2)若第二台发电机的调差系数δ<0(即特性向上翘),那么,虽然两台机组也有交点,但它不是稳定运行点。 所以,具有负调差特性的发电机是不能在发电机出口并联运行的。 2.两台无差调节特性的机组不能并联运行(图3—43) (二)正调差特性的发电机的并联运行(图3-44) 可以稳定运行,机组间无功负荷的分配取决于各自的调差系数。 调差系数大的发电机承担较多的无功增量。 若要求各台发动机无功负荷的波动量与其额定容量成正比,就要求它们具有相同的调差系数。 (三)单元机组在变压器高压侧并联运行 可以稳定运行,但发电机的调差系数取负值(δ<0)。 第五节励磁调节装置原理 一、励磁调节器的发展及分类 (一)数字式励磁调节器的优点: 1、具有强大的计算和逻辑功能,可以相对方便地实现复杂的控制策略,改善了发电机的运行工况。 2、励磁调节器的控制和算法都由软件完成,因此它比模拟式励磁调节器便于修改、灵活性强。 3、可以实现更加完备的限制和保护功能,并具有操作简单、维护方便以及便于试验和调试的优点。 4、由于可实现双通道运行方式,双通道间互为备用,可靠性大为提高。 5、还由于数字式励磁调节器具有较强的通信功能,方便进行机组间的综合协调。 (二)励磁调节器分类 1、反馈型 反馈型励磁调节器是按被调量与给定量的偏差进行调节,使被调量接近于给定值,因此能较好地维持电压水平。 2、补偿型 补偿型励磁调节器是补偿某些因素所引起被调量的变动,使被调量维持在所要求的定值附近。 二、数字式励磁调节器原理 (一)数字式励磁调节器的基本环节和构成 1.测量单元 需要测量的信息为发电机机端电压、电流,以及反映机组运行状态的开关量信息。 励磁调节器的辅助控制包括励磁系统稳定器、电力系统稳定器和励磁限制器等,需要测量的还有频率、励磁电流等信息。 测量单元的任务是将所需测量的各类电量值的电压、电流信号(直流或交流,图中用Uc、Ic表示)转化为数字信号,同时进行一些必要的计算及数据缓存,经数据总线供给主控制单元。 输入的状态量则经光电隔离后,直接送至数据缓存。 (1)电路的隔离。 众所周知,输入信号与控制对象之问隔离是保证调节装置能正常工作的基本要求,上述测量单元框图中为输入开关量信号提供了光电隔离条件,而对输入的电量信号来说,必须考虑与强电系统的隔离问题。 发电机的电压、电流信号总是经过TA和TV接至调节装置,已经隔离并将高电压、大电流的电量转化为低电压、小电流的电量。 在励磁调节器中,转子电流(励磁电流)用于励磁电流调节的工作,如恒励磁电流运行、瞬时电流限制和欠励限制等,还可以用于整流柜故障减磁,因此,转子电流的测量非常重要,往往多重设置,以确保信息源的可靠性。 转子电流测量方法: 1)采用直流,直流变送器(DCCT)。 DCCT串入转子回路,二次侧电流变换成电压后送到计算机接口电路,如图3—54(a)所示。 2)测量整流桥交流侧的交流电流,如图3—54(b)所示。 (2)滤波电路。 在直流采样时,为保证直流电量的准确可靠,需去除测量回路中的谐波分量,这就需要滤波电路。 常用的有: 1)Ⅱ型滤波和Γ型滤波,如图3—55所示。 2)桥式滤波器,见图3-55(c) A、B为电桥输入端,输入电压为Uin;C、D为输出端,输出电压为Uou。 桥式滤波器是采用电桥平衡原理滤掉某一频率的谐波电压,而对直流电压只有很小的衰减。 由于它能快速地反应输入电压的变化,所以又称为快速滤波器。 若保持下式成立 R1/R2=Z3/Z4 式中Z3——R3、C1串联支路阻抗; Z4——R4、C2并联支路阻抗。 则输入的谐波电压在C、D点输出处的开路电压为零,即该谐波电压被滤掉。 因为只有某一选定频率才能使上式成立,故桥式滤波电路具有选频特性。 对于直流电压,由于电容C1的隔直作用,C点与A点电位相等,则输出电压Uou,为 Uou=UinR2/(R2+R4) 所以,只要适当选择R2、R4的阻值,使R2》R4就可使直流电压仅有很小的衰减。 (3)A/D转换器。 模数转换电路的作用是把采样输入的模拟信号量化为二进制数字量,数字量反映模拟量的大小。 A/D转换器的主要技术指标有: 1)分辨率。 分辨率表示对输入模拟信号量值大小的反应能力。 分辨率越高,对输入信号大小的区别就越精细。 分辨率通常以A/D转换器数字量的位数n表示,其反应能力为n位数字量最低位的权值(LSB)。 例如AD578为12位,其分辨率表示为1/212=1/4096=0.00024,即能对满量程的1/4096的增量变化作出反应。 2)量程。 量程即能转换的输入电压的范围。 例如AD578的量程在双极性时为±5V或±1OV,单极性时为0~+10V或0~+20V。 3)转换时间。 转换时间指完成一次A/D转换所需的时间。 数据变化量是满刻度时,为达到终值±1/2LSB(最低位的二分之一数字量)所需的时间。 AD578的转换时间为6μS。 4)转换精度。 转换精度有绝对精度和相对精度之分。 绝对精度指对应于一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟输入之差,它用数字量的位数作为变量绝对精度的单位。 例如AD578为12位,最低位分辨率为212,满量程为1OV,则它能分辨10V×1/212=±2.44mV。 相对精度是用百分数来表示满量程的相对误差。 例如AD578,满量程1OV的相对精度为 (1.22mV/10V)×100%=0.0122% 3.移相触发单元(图3—58) 为使全控桥正常工作,需要使晶闸管元件按照一定的次序导通,这就需要按照一定的次序对晶闸管的门极施加触发脉冲。 移相触发单元产生可调相位的脉冲,用来触发晶闸管,使其触发角α能够随着主控制单元输出的控制数据而改变,以控制晶闸管整流电路的输出,从而调节发电机励磁电流。 (1)励磁调节器对移相触发单元的要求有: 1)触发脉冲移相范围要符合相应可控整流电路的要求。 如三相桥式全控整流电路要求移相范围是0o~180o。 当然,对电感性负载受最小逆变角限制,移相范围要求小些。 只要求为0o~155o左右。 2)触发脉冲顺序具有足够的功率(对电压、电流幅度有要求)使晶闸管元件可靠地导通。 3)触发脉冲的上升前沿要陡,上升时间一般在10μs左右。 触发脉冲要有一定的宽度。 在励磁调节器中,由于晶闸管主电路具体有较大的电感负载,触发脉冲更应加宽。 因为在大电感负载情况下,晶闸管的导通电流由零逐渐上升,如果电流未上升到掣住电流就消失,晶闸管又会重新关断。 一般脉冲宽度应不小于100μs,通常为lms(相当于50Hz正弦波的18o)。 对三相桥式全控整流电路,要求触发脉冲宽度大于60o或者用双脉冲触发。 4)触发单元与主电路应互相隔离以保证安全。 5)在整个移相范围应保证各相的触发脉冲控制角α一致,否则将使整流桥输出的电压谐波分量增加。 一般各相脉冲相位偏差应小于10,在三相桥式全控制整流电路中相位偏差角应不大于5º。 移相触发单元的工作包括: 将控制单元输出的触发脉冲经光电隔离后实现功率放大,通过同步、移相环节,再经过脉冲变压器形成陡度、幅值和宽度,足以将触发晶闸管的脉冲送至晶闸管的触发端。 移相触发单元的结构框图如图3—58所示。 (2)同步电压整形电路。 同步电压整形电路将同步变压器的二次侧电压整形成为方波在其上升沿作为控制角“的计时起点。 同步电压整形电路如图3-59所示。 (3)移相和脉冲形成电路。 由主控制单元计算输出的移相控制信号是一个数字量,要用它控制晶闸管的导通角a的触发脉冲的移相,这就需要数字/脉冲电路。 它的结构框图如图3-60(a)所示,由同步、数字移相和脉冲形成三个环节。 电路的实现方法较多,可编程定时/计数器(如8253、或CTC等芯片)是较为常用的电路。 移相原理: 把控制触发角α换算成对应的延时,再折算成对应的计数脉冲个数。 α换算为tα的公式为 tα=αT/360 与tα对应的计数脉冲数为D=tαfc=αTfc/360 如果已知控制角α,用式(3-39)就可求得计算机的写入数D。 (4)整流器接口电路。 当脉冲形成电路发出控制脉冲后,要经过整流器接口单元,以实现光电隔离,并作为触发脉冲的输出端口,在控制单元和门极驱动接口之间实现电气隔离。 (5)门极驱动电路。 门极驱动接单元用于放大脉冲,使之与晶闸管触发的水平相匹配,一般门极驱动接口单元含有与全控制桥晶闸管数量相等的脉冲变压器。 (二)调节和控制的数学模型 1.概述 按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器,是连续系统控制中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。 特别是在工业控制过程中,由于控制对象的精确数学模型难以建立,系统参数又经常变化,人们往往采用PID调节,根据现场经验在线整定,可得到满意的控制效果。 现在的PID算法通常用微机即可简单实现。 由于软件的灵活性,PID算法可以得到修正而更加完善。 PID调节器的传递函数如图3-65所示。 在应用中按控制要求又可取其中一部分形成所需的控制算法,例如比例调节器、比例积分(PI)调节器、比例微分(PD)调节器等。 2.励磁调节器的基本控制 正常运行时稳定电压和调节无功功率。 3.励磁调节器的辅助控制 辅助控制仅在发生非正常运行工况,需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时起相应控制作用。 (1)瞬时电流限制和最大励磁限制: 励磁调节器内设置的瞬时电流限制器检测励磁机的励磁电流,一旦该值超出发电机允许的强励顶值,限制器输出立即使励磁电流限制在Ifmax 2)最大励磁限制器。 最大励磁限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。 由于受发电机转子绕组发热的限制,强励时间不允许超过规定值。 (见表3-1) (2)最小励磁限制器。 (3)电压/频率(V/Hz)限制和保护。 电压/频率限制器亦称磁通限制器,其作用是限制发电机端电压和频率的比值,防止发电机及与其连接的主变压器由于电压过高和频率过低,引起铁芯饱和发热。 引起电压过高和频率过低的主要原因有: 1)发电机甩负荷或解列,电枢反应去磁作用减弱,因而使电压升高。 2)机组启动时,国内外都曾发生过发电机在转动前由于误操作投入的励磁开关,以致烧坏励磁绕组的事故。 3)系统性事故导致频率降低时。 当UG*>1.06fG*,限制UG*=1.06fG*; 当UG*>1.10fG*,一方面限制UG*=1.06fG*,同时启动延时计数器,在规定的时间内V/Hz仍大于1.10,则跳主开关灭磁。 (4)发电机失磁监控。 发电机“失磁”是指发电机在运行中全部或部分失去励磁电流,使转子磁场减弱或消失。 这是发电机运行过程中可能发生的一种故障运行状态。 失磁后,励磁电流逐渐衰减到零,原动机的驱动转矩使发电机加速,导致功角δ加大,发电机失步,进入异步发电运行状态。 发电机在异步运行下,在向系统送出有功的同时,还从系统吸收无功功率,对系统和发电机本身产生如下不良影响: 1)发电机失步,在转子和励磁回路中产生差频电流,使转子铁芯、转子绕组及其他励磁回路产生附加损耗,引起过热。 转差越大,过热越严重。 2)正常运行时,发电机要向系统输出无功功率;失磁后,要从系统吸收无功功率。 如果系统无功储备不足,将引起系统电压下降,甚至造成因电压崩溃而使系统瓦解。 3)其他发电机力图补偿上述无功差额,容易造成过电流。 如果失磁是一台大容量发电机,则承担补偿无功的发电机过电流就更严重。 汽轮发电机组异步功率比较大,调速器也较灵敏,因此,当发电机超速时,调速器会立即关小汽门,使汽轮机的输出功率和发电机的异步功率很快达到平衡,可在较小的转差下稳定运行。 而水轮机组,因其异步功率较小,在较大的转差下才能达到功率平衡。 实际运行中,水轮发电机一般不允许失磁运行。 汽轮发电机失磁后,适当降低其有功输出,在很小的转差下,可以异步运行一段时间(例如10~30min),使运行、调度人员有一段时间来排除失磁故障、恢复励磁采取措施。 但是否允许其异步运行,还应根据电力系统具体情况而定。 大型机组通常不允许失磁运行。 对大机组大多配置有失磁保护,现代发电机组励磁系统中,设置了失磁监视功能。 (三)励磁调节器的运行 1.对发电机组运行工况的监控 这是控制室值班人员最基本的职
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