10kV变电所的设计

第1章 绪论设计选题背景

随着我国经济的快速增长，用电已成为制约我国经济发展的重要因素。为保证正常的供配电要求，各地都在兴建一系列的供配电装置。工厂的飞速发展给国家带来了具大的收益同时用电负荷也越来越大,特点是负荷容量大、用电设备多，在这选用10kV。所以本文针对变电所的特点，阐述了10kV变电所的设计思路、设计步骤，并进行了相关设备的计算和校验。并关键介绍了主接线是变电所的最重要组成部分。它决定着变电所的功能、建设投资、运行质量、维护条件和供电可靠性。所以在此熟悉变电所的设计要求和设计过程，对从事电力工程设计，故障分析和判断是非常有益的。

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第二章 系统总体方案设计

2.1.1设计要求简介

1、生产区：各车间、各用电设备均自行拟定，属二级负荷。 2、生活区：空调、供水和照明用电等情况均自行拟定。 3、就近电网：110kV；35 kV； 10 kV；可任选其一。

4、确定各级的“计算负荷”，和各级“短路电流”、“冲击电流”。 5、选好主接线（一次回路）的各级电气设备、装置。 6、绘制主接线图（包括原理图、平面图）。

7、有选择地设计（二次回路）-----此项为突破性要求。 1）继电保护。 2）自动重合闸。

3）备用电源的自动投入。

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第三章 负荷计算

3.1三相用电设备组负荷计算的方法

有功计算负荷（kW） PcKdPe 无功计算负荷（kvar） QcPctan 视在负荷计算（kV·A） ScPc cos 计算电流（A） IcSc 3UN3.2 计算负荷及无功功率补偿

(1) 负荷计算 各厂房的负荷计算

编号 1 2 3 4 5 6 厂房名称 纺炼车间 原液车间照明 酸站照明 排毒车间照明 其他车间 锅楼房照明 设备容量/kW 200 120 320 220 950 30 表2-1 电力负荷计算表 需要功率因有功功无功功率系数 数 率/kW /kvar 0.35 0.70 0.35 0.50 0.20 0.60 0.6 0.6 0.55 0.80 0.65 0.60 70 84 112 110 190 18 93.1 111.7 170.2 82.5 222.3 23.9 视在功率/kV·A 116.7 140 203.6 137.5 292.3 30 计算电流/A 177.3 212.7 309.3 208.9 441.1 45.6

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(2) 无功功率补偿

由表2-1可知该厂380V一侧最大功率∑Pc=774.9kW，最大无功功率∑Qc=934.5kvar，最大视在功率Sc=1213.98kV·A，考虑到车间有12个，所以采用3个变电所，变电所1给1、2、3、11号厂房供电，变电所2给4、5、10号厂房供电，变电所3给6、7、8、9、12号厂房供电每个变电所选用的自愈式低压并联电力电容器，以下分别计算3个变电所的无功补偿方案。如表2-2所示:

车间分配图

表2-2 变电所1（电力负荷计算表） 编号 厂房名称 设备容量/kW 200 120 320 40 需要系数 0.35 0.70 0.35 0.30 功率因数 0.6 0.6 0.55 0.60 有功功率/kW 70 84 112 12 无功功率/kvar 93.1 111.7 170.2 16 视在功率/kV·A 116.7 140 203.6 20 计算电流/A 177.3 212.7 309.3 30.4 1 2 3 11 纺炼车间 原液车间 锻造车间 排毒机房 故∑Pc1=278kW, ∑Qc1=391kvar, 最大视在功率Sc1=497.8kV·A, 最大功率因数Cosφ= Pc1/ Sc1=0.558 功率补偿容量：

Qc=Pc1(tanφ1-tanφ2)=278[tan(arccos0.558)-tan(arccos0.92)]kvar=295.1kvar。 故选择GCS-34型低压无功补偿柜（BCMJ-0.4-30-3A），所需安装的组数 n=Qc/qc=295.1/30=9.8≈10。所需10组电容器柜数1台。

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视在

ScPc2(QcQ'c)22782(3911030)2292.5kW

功率因素Cosφ= Pc1/ Sc=278/292.5=0.95

满足要求，所以选SC(B)- 10- 400KV·A电力变压器 同理，可以求出： 变电所2

功率补偿容量：Qc=176.8 kvar。选择GCS-34型低压无功补偿柜（BCMJ-0.4-30-3A），所需6组电容器柜数1台，选SC(B)- 10- 400KV·A电力变压器。 变电所3

功率补偿容量：Qc=176.8 kvar。选择GCS-34型低压无功补偿柜（BCMJ-0.4-20-3A），所需8组电容器柜数1台，选SC(B)- 10- 250KV·A电力变压器。

表2-3变电所1，变电所2，变电所3的补偿方案

变电所 无功补偿 补偿前 功率因数 0.558 Pc/kW 278 Qc/kvar Sc/kV·A 391 300 91 307.6 180 127.6 235.9 160 75.9 497.8 STS1 无功补偿容量 补偿后 补偿前 / 0.95 0.704 / 278 304.5 / 292.5 432.8 STS 2 无功补偿容量 补偿后 补偿前 / 0.92 0.63 / 304.5 192.4 / 330.2 304.4 STS 3 无功补偿容量 补偿后 / 0.93 / 192.4 / 203.8 （3）全厂负荷计算

STS1变压器的有功、无功功率损耗：

PT1≈0.01Sc=0.01292.5 kV·A =2.925 kV·A QT1≈0.05Sc=0.05292.5kvar=14.625 kvar STS2变压器的有功、无功功率损耗：

PT2≈0.01Sc=0.01330.2 kV·A =3.302 kV·A QT2≈0.05Sc=0.05330.2 kvar=16.51 kva STS3变压器的有功、无功功率损耗：

PT3≈0.01Sc=0.01203.8 kV·A =2.038 kV·A QT3≈0.05Sc=0.05203.8 kvar=10.19 kva

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总负荷：

P=∑Pc1+∑Pc2+∑Pc3+ PT1+ PT2+ PT3

=278+304.5+192.4+2.925+3.302+2.038 =783.165 kV·A Q=∑Qc1+∑Qc2+∑Qc3+ QT1 +QT2+ QT3

=91+127.6+75.9+14.625+16.51+10.19=335.825 kva

SP2Q2852.130kV•A

全厂功率因素：

Cosφ=P/Q=783.165/852.130=0.92>0.9 满足设计要求。

3.3车间变电所的所址和型式

由于工厂属于二级负荷，并且用10kV分段单母线作为电源，综合考虑以下几种因素后：1、便于维护与检查；2、便于进出线；3、保证运行安全；4、节约土地与建筑费用；5、适应发展要求。所以决定把配电所安在工厂平面图中的虚线框内，变电所1放在锻造车间的右上方，用1台10（1±5%）0.4kV Sc(B)10型400 kV·A变压器，变电所2放在金工车间的右上方，用1台10（1±5%）0.4kV Sc(B)10型400kV·A变压器，变电所3放在热处理车间的右上方，用1台10（1±5%）0.4kV Sc(B)10型250 kV·A变压器。

厂区设计图

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第4章 短路电流计算

4.1短路电流计算

4.1.1.工厂总降压变35KV母线短路电流

1.确定标幺值基准

SB100MVA,UBi37kV

IBSB3UBi1003371.56kA

2.计算各主要元件的电抗标幺值

（1）系统电抗（取短路器Sk400MVA）

X1（2）35kV线路电抗

SB1000.2 Sk400x0.43/km

X20.43193.求三相短路电流和短路容量 （1）总电抗标幺值

1000.6237 1X0.250.60.552 （2）三相短路电流周期分量有效值

Ik(3)IB1.562.84kA X0.55（3）其他三相短路电流电流值

I'(3)Iish(3)(3)(3)Ik2.84kA

2.55I'(3)2.552.847.24kA

(3)Ish1.1I'(3)1.522.844.32kA

（4）三相短路容量

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Sk(3)SB100181.82MVA X0.554.1.2 10KV母线短路电流 1.确定标幺值基准

SB100MVA,UBi10.5kV

IBSB3UBi100310.55.5kA

2.计算各主要元件的电抗标幺值

（1）系统电抗（取短路器Sk400MVA）

X1（2）35KV线路电抗

SB1000.25 Sk400x0.43/km

X20.43191000.6372 （3）35kv/11kv电力变压器电抗(Uk%6.5)

u%SB6.5100103X33.25

100SrT10020003.求三相短路电流和短路容量 （1）总电抗标幺值

X2X30.63.250.252.1822 （2）求三相短路电流周期分量有效值

XX1

Ik(3)IB5.52.52kA X2.18（3）其他三相短路电流电流值

I'(3)Iish(3)(3)(3)Ik2.52kA

2.55I'(3)2.552.526.43kA

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(3)Ish（4）三相短路容量

1.1I'(3)1.522.523.83kA

Sk(3)4.1.3 0.4kV母线短路电流 1.确定标幺值基准

SB10026.11MVA X3.83SB100MVA,UBi0.4kV

IBSB3UBi10030.4144.34kA

2.计算各主要元件的电抗标幺值

（1）系统电抗（取短路器Sk400MVA）

X1（2）35kV线路电抗

SB1000.25 Sk400x0.43/km

X20.43191000.6372 （3）35kV/11kV电力变压器电抗(Uk%6.5)

u%SB6.5100103X316.25

100SrT100400（4）10kV厂内架空线路电抗（给变电所Ⅰ供电） 因这段10kV架空线路很短，l0，电抗可不计,X40。 （5）10/0.4kV电力变压器（1000kVA变压器Uk%4.5）

u%SB4.5100103X54.5

100SrT10010003.求三相短路电流和短路容量 （1）总电抗标幺值

0.616.2504.510.9322 （2）求三相短路电流周期分量有效值

X0.25 第9页 共22页

Ik(3)IB144.3413.21kA X10.93（3）其他三相短路电流电流值

I'(3)Iish(3)(3)(3)Ik13.21kA

2.55I'(3)2.5513.2133.69kA 1.1I'(3)1.5213.2120.08kA

Ish（4）三相短路容量

(3)Sk(3)

SB1007.57MVA X13.21

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第5章 变电所的主线及高、低电气设备

5.1 变电所主线选择

5.1.1 110kV供电线路截面选择

1.为保证供电的可靠性，选用两回110KV供电线路。

11P'P2443.461221.73kW

2211Q'Q774.93387.465kvar

2211S'S2563.371281.685kVA

222.用简化公式求变压器损耗

P0.015S'0.0151281.68519.225kW

Q0.06S'0.061281.68576.9kvar

3.每回110kV供电线路的计算负荷

P''P'P1221.7319.2251240.955kW

Q''Q'Q387.46576.94.365kvar

S''P''2Q''21240.95524.36521324.992kVA

I4.线路的功率损耗

S''3U1324.99233521.857A

PL3I2RL321.85720.911620.867kW QL3I2XL321.85720.43169.86kvar

5.线路首端功率

PP''PL1240.95520.8671261.822kW

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QQ''Q4.3659.86474.225kvar

6.110kV线路电压降计算

UPr0QX0Ul1261.8220.91474.2250.430.39kV

35U%U0.39100%100%1.1%10% U355.1.2 厂内10kV线路截面选择

1.供电给变电所Ⅰ的10kV线路

为保证供电的可靠性选用双回供电线路，每回供电线路计算负荷

1P1158.435579.218kW

21Q454.595227.298kvar

2变压器的损耗

P'PPb579.2186.05585.268kW Q'QQb227.29827.5254.798kvar

S'P'2Q'2585.2682254.7982638.326kVA

IS'310638.32631036.85A

由于任务书中给出的最大负荷利用小时数为00小时，查表可得：架空线的经济电流密度jec0.9。

所以可得经济截面

AI36.8540.944mm2 jec0.9可选用导线型号LGJ-50，其允许载流量为Ia1234A。 相应参数为ro0.63/km，xo0.38/km。 在按发热条件检验

o已知30C，温度修正系数为：

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Kt7070300.9470257025 I'aiKtIai0.94234219.96AI35.97A

由上式可知，所选导线符合长期发热条件。

由于变电所Ⅰ紧邻35/11kV主变压器，10kV线路很短，其功率损耗可忽略不计。 线路首端功率

PP'556.13kW

QQ'280.67kvar

2.供电给变电所Ⅱ的10kV线路

为保证供电的可靠性选用双回供电线路，每回供电线路计算负荷： 1P780390kW

21Q307153.5kvar

2变压器的损耗

P'PPb3905.05395.05kW Q'QQb153.527.5181kvar

S'P'2Q'2395.0521812434.125kVA

IS'310434.12531025.122A

根据地理位置图及比例尺，得到此线路长度为l0.32km。 10kV线路很短功率损耗

PL3I2RL333.76621.330.321.455kW QL3I2XL333.76620.43160.383kvar

线路首端功率

PP'PL395.051.455396.505kW QQ'Q1810.383181.383kvar

（1）先按经济电流密度选择导线经济截面

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由于任务书中给出的最大负荷利用小时数为00小时，查表可得：架空线的经济电流密度jec1。

所以可得经济截面：

AI25.12225.122mm2 jec1选择标准截面35mm2，即选导线型号为LGJ-35。 （2）复核电压降

正常运行时：N=2 查表可知，LGJ-35导线的电阻 r10.9/km；线路电抗取

x10.39/km，根据负荷另供电距离为0.32公里，则

Rr1L0.90.320.2

Xx1L0.380.320.12

PRQX7800.23070.12U%0.95%10%符合要求

2U22102故障情况运行时：考虑到一条回路故障切除，另一条回路能保证全部负荷供电

PRQX7800.23070.12U%2%15%符合要求

U2102 （3）复核发热条件

查表得 LGJ-35允许载流量，按环境温度30度Ial1A，查表得环境温度30度时的温度校正系数K0.94。

IeIalK10.94177.66AI30

因此满足发热条件。

结论：经上述计算复核变电所Ⅱ决定采用10kV电压等级二回路LGJ-35导线接入。 3.供电给变电所Ⅲ的10kV线路

为保证供电的可靠性选用双回供电线路，每回供电线路计算负荷

1P404.1202.05kW

21Q290.558145.279kvar

2变压器的功率损耗：

P'PPb202.052.99205.04kW Q'QQb145.27913.11158.3kvar

S'P'2Q'2205.042158.32259.092kVA

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IS'310259.09231014.959A

10kV线路很短功率损耗

PL3I2RL314.95921.330.0.571kW QL3I2XL314.95920.350.0.15kvar

线路首端功率

PP'PL205.040.571205.611kW QQ'Q158.30.15158.539kvar

线路电压降计算（仅计算最长厂内10kV线路电压降）

UU%Pr0QX0Ul205.611.33158.5390.350.0.02kV

10U0.02100%100%0.2%合格（其余线路也合格）。 U10（1）按经济电流密度选择导线经济截面

由于任务书中给出的最大负荷利用小时数为4600小时，查表可得：架空线的经济电流密度jec1。

所以可得经济截面

AI14.95914.959mm2 jec1选择标准截面25mm2符合条件，但根据最小导线截面积的规定，应选导线型号为LGJ-35。

（2）复核电压降

正常运行时：N=2 查表得LGJ-35导线的电阻r11.26/km；线路电抗取

x10.4/km，根据负荷另供电距离为0.公里，则

Rr1L1.260.0.81 Xx1L0.40.0.27

PRQX404.10.81290.5580.270.2%10%符合要求。

2U22102故障情况运行时：考虑到一条回路故障切除，另一条回路能保证全部负荷供电

U% 第15页 共22页

U%PRQX404.10.81290.5580.270.4%15%符合要求。 U2102 （3）复核发热条件

查表得LGJ-35允许载流量，按环境温度30度Ial1A，查表得环境温度30度时的温度校正系数K0.94

IeIalK10.94177.66AI30

因此满足发热条件。

结论：经上述计算复核变电所Ⅲ决定采用10KV电压等级二回路LGJ-35导线接入。

5.2 变电所高、低电气设备选择

根据上章短路电流计算结果，按正常工作条件选择和按短路情况进行校验，总降压变电所主要高低压电气设备确定如下。

5.2.1高压110kV侧设备选择

表3 高压110kV侧设备选择 计算数据 高压断路器隔离开关 电压互感器 电流互感器 LB35 避雷器 SW235/600 GW235G FZ35 JDJJ235 U35kW I18.6A Ik2.84kA 35kW 600A 6.6kA 400MVA 35kW 600A 35kW 35kW 220/5 35kW Sk181.82MVA ish7.42kA 32i42.8424 17kA 6.624 42kA 2024 3.3202 1.320 2

5.2.2中压38.5kV侧设备选择

表4 中压38.5kV侧设备选择

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计算数据 高压断路器 隔离开关 电流互感器 备注 SN1010I U10kW I34.49A Ik0.63kA GN610T/200 LA10 10kW 40/5 10kW 630A 16kA 300MVA 10kW 200A 采用 GG-10-54高压开关柜 Sk158.7MVA ish1.61kA 2i40.6124 340kA 164 225.5kA 104 2 160402

5.2.3低压11 kV侧设备选择

表5 低压11kV侧设备选择 计算数据 高压断路器 隔离开关 电流互感器 备注 DZ201250 HD111000 LM0.5 U0.4kW I839A 0.4kW 0.4kW 0.4kW 1250A 50kA 1250A 1000/5 采用BFC-0.5G-08低压开关柜 Ik13.21kA Sk20.08MVA ish33.69kA 2i413.2124 3

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第六章 电力变压器的继电保护

6.1电力变压器的常见故障

电力变压器是供电系统中的重要设备，它的故障将对供电的可靠性和用户的生产、生活产生严重的影响。因此必须根据变压器的容量和重要程度装设适当的保护装置。

变压器故障一般分为内部故障和外部故障两种。

变压器的内部故障主要有绕组的相间短路、绕组匝间短路和中性点直接接地侧的单相接地短路。内部故障是很危险的，因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组绝缘，烧坏铁芯，还可能使绝缘材料和变压器油受热而产生大量的气体，甚至引起变压器油箱爆炸。

变压器常见的外部故障时引出线绝缘套管的故障，可能导致引出线相间短路和单相接地短路。

6.2电力变压器的保护

1.过电流保护

变压器的过电流保护的组成、原理与线路过电流保护的组成、原理完全相同，其动作电流整定计算公式与线路过电流保护基本相同。变压器过电流保护的灵敏度，按变压器低压侧母线在系统最小运行方式下发生两相短路的高压侧穿越电流值来校验，要求Sp>1.5。

2.电流速断保护

按规定，如果变压器过电流保护的动作时间大于0.5S，应装设电流速断保护。 变压器的电流速断保护的组成、原理与线路电流速断保护的组成、原理完全相同。变压器的电流速断保护的动作电流（速断电流）的整定计算公式与线路电流速断保护基本相同。变压器电流速断保护的灵敏度，按保护装置装设处（高压侧）在系统最小运行方式下发生两相短路的高压侧穿越电流值来校验，要求Sp>1.5。 6-1-3该工厂变压器继电保护的计算

1．反时限过电流保护 （1）整定动作电流 变压器的最大负荷电流

IL.max2.5I1N.T2SU1N32.5852.13123A

103取Krel=1.3,Kre=0.8,Ki=150/5=30,故反时限过电流保护的动作电流为

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IOPKrelKW1.31IL.max1236.7A

KreKi0.830查表，选用GL-15/10型继电器，150/5A电流互感器，动作电流整定为7A。

(2)检查灵敏度

变压器低压母线两相短路电流反映到高压侧的电流值为

(2)Ik.min(3)20.866Ik20.86629.421176A

103K3()0.4反时限过电流的灵敏度为

Sp(3)KWIk11176.min5.61.5

KiIop307满足保护灵敏度要求。 2．电流速断保护

（1）整定速断电流 变压器低压区母线三相短路电流反映到高压侧的电流值 I(3)k2(1)I(3)k210/K29.4/()1176A

0.4电流速断保护的动作电流（速断电流）为

IqbKrelKW(3)1.41Ik117654.8A

Ki30因反时限过电流保护的Iop=7A,故速断电流倍数为

nqbIqbIop54.8A8

7A(2)灵敏度的检查

Ik.min取变压器高压侧的两相短路电流，即

(3)Ik.minIk(2)0.866I1k10.8666.045.2kA 故电流速断保护灵敏度为

KWIk(2)15.2kA1Sp3.21.5

KiIqb3054.8A满足灵敏度的要求。

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总结

时光飞逝，两周的时间在不知不觉中已经悄然而过，回顾这两周的课程设计，在同学的热心帮助和老师的耐心指导下，我终于顺利的完成了课程设计。经过这两周的课程设计，我充分的了解到了变电所设计的诸多要求，明白了短路电流以及负荷的计算方法，全面的了解了供配电系统设备的选择，供电线路的选择以及各个供电所开关设备的选择等等，同时也让我领悟到了设计的严谨，不能有一丝一毫的误差，必须要全盘的考虑事物，有预见性的考虑到可能出现的问题以及解决的方案。

例如：1.负荷计算中三相用电设备组负荷计算的方法，计算负荷及无功功率补偿，车间变电所的所址和型式。2.短路电流计算中工厂总降压变35KV母线短路电流、10KV母线短路电流、0.4kV母线短路电流。3.供配电系统设备选择中的变电所主线选择、变电所高、低电气设备选择等等。

在以上的种种设计中培养了我考虑事物的全面性，让我能够在以后的各种设计中更好的去完成。虽然这次设计已经告一段落，但是这不是终点，而是一个全新的起点，在以后的新学期中，我相信我会以更加热情，积极的精神面貌来面对全新的课程设计，并且以更好的成果来证明我在这次课程设计中所获得的成长。

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致谢

经过为期两周的时间，我终于的完成了课程设计，在完成课程的过程中，我体会到了很多。在课程的设计过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的课程设计指导老师—程凤芹老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行设计报告的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！

感谢这篇报告所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇报告的写作。

感谢我的同学和朋友，在我写报告的过程中给予我了很多你问素材，还在报告的撰写和排版等过程中提供热情的帮助。

由于我的学术水平有限，所写报告难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正。

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参考文献

[1] 易泓可. 电气控制系统设计基础与范例. [M]. 北京： 机械工业出版社，2005 [2] 李亚峰，蒋白懿. 高层建筑给水排水工程. [M].北京：化学工业出版社，2004 [3] 马小军. 建筑电气控制技术. [M].北京：机械工业出版社，2003 [4] 朱林根. 注册电气工程师设计手册. [M].北京：中国电力出版社，2005 [5] 张文明. 组态软件控制技术. [M].北京：清华大学出版社，2006

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