張建明，王 恒，劉 剛

( 華中電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007)

隨著國內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)的日趨完善，越來越多的電力設(shè)計(jì)院和電力建設(shè)公司把目光投向了國外市場。國外架空輸電線路工程一般按業(yè)主提出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前比較常用的標(biāo)準(zhǔn)有IEC標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60826：2017) (以下簡稱IEC標(biāo)準(zhǔn))、歐洲標(biāo)準(zhǔn) (EN 50341－1：2012) 和美國標(biāo)準(zhǔn)(ASCE 10－15、ACSE 74－09) 等。其中，國際電工委員會(IEC)是世界上成立最早的國際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，權(quán)威性也是世界公認(rèn)的。IEC于2017年修訂并頒布了IEC 60826：2017，供各成員國直接采用或?yàn)楦鲊朴啒?biāo)準(zhǔn)時(shí)提供參考。

目前我國國內(nèi)輸電線路采用的標(biāo)準(zhǔn)主要為《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50545—2010)(以下簡稱我國標(biāo)準(zhǔn))，線路覆冰厚度超過10 mm時(shí)需采用《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5440—2009)(以下簡稱重冰規(guī)程)中相關(guān)內(nèi)容。我國標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)在輸電線路的設(shè)計(jì)方法、風(fēng)荷載計(jì)算、冰荷載計(jì)算、設(shè)計(jì)工況選擇等方面均存在著一定的差異。目前國內(nèi)有部分文章對兩個標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載進(jìn)行了對比分析，關(guān)于覆冰荷載的比較論述則鮮見于文獻(xiàn)。本文采用最新IEC標(biāo)準(zhǔn)并以國網(wǎng)典型設(shè)計(jì)的5E1－SZ2鐵塔為例，進(jìn)行了線條風(fēng)荷載和鐵塔風(fēng)荷載的結(jié)果對比分析，另外，本文還著重進(jìn)行了設(shè)計(jì)方法、冰荷載計(jì)算、設(shè)計(jì)工況選擇等方面的對比分析，供國內(nèi)同行借鑒和參考。

1 設(shè)計(jì)方法

中國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)的桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。中國標(biāo)準(zhǔn)的承載力極限狀態(tài)表達(dá)式為：

IEC標(biāo)準(zhǔn)的承載力極限狀態(tài)表達(dá)式為：

公式的各種符號代表含義見表1。可以看出，兩個標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)置了材料性能分項(xiàng)系數(shù)，我國標(biāo)準(zhǔn)還按不同的結(jié)構(gòu)安全級別和荷載組合工況設(shè)置了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、荷載分項(xiàng)系數(shù)和可變荷載組合系數(shù)。IEC標(biāo)準(zhǔn)雖然沒有重要性系數(shù)，但對不同的結(jié)構(gòu)安全級別采用了不同的荷載重現(xiàn)期。

表1 符號含義

我國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)對于風(fēng)、冰的概率模擬一般采用極值Ⅰ型分布，對于材料強(qiáng)度的概率模擬一般采用正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。

另外，IEC標(biāo)準(zhǔn)注重線路系統(tǒng)可靠度的設(shè)計(jì)，將一條線路當(dāng)成一個系統(tǒng)，主要分桿塔、基礎(chǔ)、導(dǎo)、地線和絕緣子四個組成部分，根據(jù)不同子系統(tǒng)失效對線路造成損失及修復(fù)難易程度的不同而采用不同的可靠度水平，設(shè)計(jì)時(shí)集中反應(yīng)在子系統(tǒng)配合系數(shù)的取值上。

2 風(fēng)荷載

2.1 概述

桿塔屬高柔結(jié)構(gòu)，對風(fēng)荷載較為敏感。線路所在地區(qū)的基本風(fēng)速是桿塔設(shè)計(jì)的基本參數(shù)?；撅L(fēng)速一般通過對標(biāo)準(zhǔn)條件下記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到。目前年最大風(fēng)速的概率模擬一般有三種：極值Ⅰ型分布、極值Ⅱ型分布和韋布爾分布。我國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)均采用極值Ⅰ型分布。

標(biāo)準(zhǔn)條件一般牽涉到地面粗糙度類別，標(biāo)準(zhǔn)高度及重現(xiàn)期、平均風(fēng)時(shí)距和平均風(fēng)概率分布類型等。我國標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了A、B、C、D四類地面粗糙度類別，大體對應(yīng)海上、鄉(xiāng)村、城市和大城市中心4類典型地貌。B類為標(biāo)準(zhǔn)地面粗糙度，能代表大部分線路所經(jīng)過的地區(qū)。我國標(biāo)準(zhǔn)中，110 kV～330 kV輸電線路及其大跨越重現(xiàn)期取30年，500 kV、750 kV輸電線路及其大跨越重現(xiàn)期取50年。IEC標(biāo)準(zhǔn)中，一般線路重現(xiàn)期取50年，高于230 kV的一般線路和作為給重要負(fù)荷供電的主要或唯一通道的低于230 kV的線路取150年，作為給重要負(fù)荷供電的主要或唯一通道的高于230 kV的線路取500年。

2.2 基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓

我國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)對基本風(fēng)速V(VRB)的定義基本一致，概括如下：按當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0 m高度處10 min時(shí)距，平均的年最大風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出的50(30)年一遇最大值后確定的風(fēng)速。

我國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基本風(fēng)壓計(jì)算分別公式為：

式中：μ為空氣密度；KR為地面粗糙度類別風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)；τ為空氣密度修正系數(shù)，一般取1.0。

2.3 線條風(fēng)荷載

兩種標(biāo)準(zhǔn)對于線條水平風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式及參數(shù)取值見表2，表中d為線條外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑，L或Lp為水平檔距，θ和Ω為風(fēng)向與線條夾角。

表2 導(dǎo)、地線風(fēng)荷載

本文以國網(wǎng)典設(shè)中的5E1－SZ2為例，比較兩個標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值(需要考慮重要性系數(shù)、分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)、重現(xiàn)期等因素，見第1節(jié))。鐵塔設(shè)計(jì)風(fēng)速為27 m/s，導(dǎo)線采用4×LGJ－630/45，水平檔距500 m。表3為導(dǎo)線平均高度從10 m到70 m時(shí)所受的風(fēng)荷載，IEC標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的斜劃線后數(shù)值為其與中國標(biāo)準(zhǔn)的比值，其中500年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載與我國標(biāo)準(zhǔn)比較時(shí)，我國標(biāo)準(zhǔn)重要性系數(shù)取1.1。

表3 不同高度不同重現(xiàn)期下的導(dǎo)線風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值 單位：kN

IEC標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線風(fēng)荷載與我國標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線風(fēng)荷載的比值隨導(dǎo)線高度增加而減小，這是因?yàn)镮EC標(biāo)準(zhǔn)的脈動風(fēng)影響系數(shù)隨高度增加而降低。我國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值與IEC標(biāo)準(zhǔn)50年重現(xiàn)期對應(yīng)的結(jié)果相當(dāng)。但I(xiàn)EC標(biāo)準(zhǔn)對于500 kV線路一般按150年的重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計(jì)，風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值將比中國標(biāo)準(zhǔn)大10%～47%。

2.4 鐵塔風(fēng)荷載

鐵塔的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的對比分析見表4，發(fā)展中國家較少使用鋼管塔，本文只介紹角鋼塔的計(jì)算，表4中參數(shù)與表2相同的不再贅述，θ為風(fēng)向與受風(fēng)面1法線的夾角。

表4 鐵塔風(fēng)荷載

仍以國網(wǎng)典設(shè)中的5E1－SZ2為例，鐵塔標(biāo)準(zhǔn)呼稱高39 m，全高64.3 m，全塔共分為11段。表5為考慮重現(xiàn)期、重要性系數(shù)等因素計(jì)算得到的鐵塔根部風(fēng)荷載總效應(yīng)?？梢钥闯?，我國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的鐵塔風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值與IEC標(biāo)準(zhǔn)150年重現(xiàn)期對應(yīng)的結(jié)果相當(dāng)。

表5 鐵塔風(fēng)荷載總效應(yīng)

3 冰荷載

3.1 概述

我國的重冰規(guī)程對冰載取值做了具體規(guī)定。在有足夠的有效的覆冰觀測資料時(shí)，應(yīng)采用概率統(tǒng)計(jì)法確定線路設(shè)計(jì)冰厚，概率模型宜采用極值Ⅰ型分布。但我國目前各地冰凌觀測資料很少，而且往往連一個較確切的歷年最大冰凌數(shù)據(jù)也難以獲得，只能通過沿線調(diào)查和收集已有氣象站、電力線、通信線等歷年的冰凌資料以供參考使用。盡管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了重現(xiàn)期，設(shè)計(jì)取值大都能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但缺乏長期觀測數(shù)據(jù)的支撐和數(shù)理模型的推算。

IEC標(biāo)準(zhǔn)中冰荷載的取值來源要求有不小于20年的氣象資料和不少于5年的觀冰資料，冰荷載參數(shù)(冰重、冰厚等)與風(fēng)荷載參數(shù)一樣，按年最大值統(tǒng)計(jì)并采用極值Ⅰ型分布。IEC標(biāo)準(zhǔn)另外給出了兩種不同情況下冰荷載的參數(shù)取值供參考，見表6，為歷年最大冰荷載平均值。

表6 冰荷載的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

如果觀測導(dǎo)線的直徑、高度與新建線路一致，冰荷載參數(shù)無需修正，如果觀測的數(shù)據(jù)對應(yīng)的導(dǎo)線直徑為30 mm，高度為10m，則冰荷載參數(shù)應(yīng)考慮導(dǎo)線直徑d和離地高度h的影響并修正，對于凍雨覆冰：

對于凍霧覆冰：

另外，我國標(biāo)準(zhǔn)中正常覆冰和不均勻冰計(jì)算時(shí)均考慮有同時(shí)風(fēng)速。IEC標(biāo)準(zhǔn)中則考慮多種情況：無風(fēng)時(shí)最大覆冰，低概率大風(fēng)對應(yīng)高概率覆冰、低概率覆冰對應(yīng)高概率大風(fēng)等。

3.2 無風(fēng)時(shí)冰荷載

我國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)中線條覆冰時(shí)每延米冰重計(jì)算公式基本相當(dāng)，基本公式如下：

式中：δ為覆冰密度；d和t分別為導(dǎo)線直徑和假定均勻覆蓋在導(dǎo)線上的覆冰厚度。

IEC標(biāo)準(zhǔn)中覆冰時(shí)桿塔構(gòu)件的垂直荷載應(yīng)通過桿件的幾何尺寸、覆冰厚度和覆冰密度來計(jì)算得到，也可以采用增大系數(shù)確定，我國標(biāo)準(zhǔn)對于覆冰引起的桿塔構(gòu)件垂直荷載增加采用增大系數(shù)法，取值分列于表7。

表7 覆冰桿件垂直荷載增大系數(shù)

IEC標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)生不平衡張力的不均勻冰荷載的取值方法推薦為桿塔一側(cè)冰重取0.7GR(GR為對應(yīng)不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)冰重)，另一側(cè)冰重取0.4×0.7GR=0.28GR。另外，當(dāng)線路處于環(huán)境變化較大的覆冰地段，不均勻率0.6可以考慮更大一些；在嚴(yán)重覆冰地區(qū)，可考慮一側(cè)最大冰重，另一側(cè)覆冰為0的極限不均勻情況。

我國標(biāo)準(zhǔn)中不均勻冰覆冰率與IEC標(biāo)準(zhǔn)比較有如下異同：一是覆冰率的基準(zhǔn)為設(shè)計(jì)冰重GR，IEC標(biāo)準(zhǔn)為0.7GR，但考慮IEC標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的重現(xiàn)期為50年、150年、500年，0.7GR值相應(yīng)的出現(xiàn)概率大約為10年、30年、50年一遇冰凌值，即與我國標(biāo)準(zhǔn)基本相當(dāng)；二是我國標(biāo)準(zhǔn)對不同電壓等級線路依據(jù)其在系統(tǒng)中的重要性分成了三類，三類線路與IEC標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)，不均勻率取0.6，一級、二級有所提高；三是我國標(biāo)準(zhǔn)中耐張型桿塔的不均勻覆冰率比懸垂型桿塔的要高，以限制冰害事故；四是我國標(biāo)準(zhǔn)中不均勻冰對應(yīng)同時(shí)風(fēng)速為10 m/s。

3.3 風(fēng)冰荷載組合

覆冰時(shí)結(jié)構(gòu)垂直荷載和縱向荷載的計(jì)算原則已在3.2節(jié)描述，本節(jié)著重介紹覆冰時(shí)導(dǎo)、地線和桿塔的橫向風(fēng)荷載的計(jì)算差異。

我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)計(jì)冰厚為在規(guī)定的重現(xiàn)期內(nèi)折算為冰密度0. 9 g/cm3的冰厚，同時(shí)風(fēng)速為10 m/s。IEC標(biāo)準(zhǔn)不對冰密度進(jìn)行折算，按冰重和密度通過公式(8)計(jì)算冰厚，IEC標(biāo)準(zhǔn)一般計(jì)算兩種工況，一是低概率大風(fēng)對應(yīng)高概率覆冰、如無參考資料，推薦風(fēng)速ViL=BLVR(BL對應(yīng)不同重現(xiàn)期取0.6～0.85)，冰重gH=0.4gR；二是低概率覆冰對應(yīng)高概率大風(fēng)，如無參考資料，推薦冰重gL=gR，風(fēng)速Vih=BHV－(BH對應(yīng)不同重現(xiàn)期取0.4～0.5，V－為歷年最大風(fēng)速均值)，兩種工況均對應(yīng)高概率體型系數(shù)。

IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定覆冰風(fēng)荷載應(yīng)考慮體型系數(shù)和擋風(fēng)面積的修正。我國標(biāo)準(zhǔn)考慮到實(shí)際覆冰形狀、密度的影響，引入了風(fēng)荷載增大系數(shù)。以我國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)冰厚20 mm為例，體型系數(shù)為1.1，風(fēng)荷載增大系數(shù)為1.5，兩個標(biāo)準(zhǔn)對于不同類型覆冰的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果見下表，表中僅為每延米導(dǎo)線等值迎風(fēng)面積、體型系數(shù)和風(fēng)荷載增大系數(shù)的乘積。

由表8可以看出，對濕雪、霧凇，兩個標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果差異較大，對于混合凇、雨凇，我國標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果與IEC標(biāo)準(zhǔn)中低概率體型系數(shù)的結(jié)果相近，但I(xiàn)EC標(biāo)準(zhǔn)一般不使用低概率體型系數(shù)，因?yàn)槠鋵?yīng)的是高概率風(fēng)速和高概率冰重，對結(jié)構(gòu)一般不起控制作用。

表8 導(dǎo)線覆冰風(fēng)荷載

IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定桿塔覆冰的風(fēng)荷載應(yīng)通過桿件的幾何尺寸、覆冰厚度來計(jì)算得到，我國標(biāo)準(zhǔn)對于桿塔覆冰引起的風(fēng)荷載增加采用增大系數(shù)法，10 mm冰區(qū)取1.2，15 mm冰區(qū)取1.6，20 mm冰區(qū)取1.8，20 mm及以上冰區(qū)取2～2.5。

4 設(shè)計(jì)工況

我國標(biāo)準(zhǔn)同IEC標(biāo)準(zhǔn)類似，各類桿塔一般均要求計(jì)算三類工況：正常運(yùn)行工況、安裝運(yùn)維工況和事故工況。

4.1 正常運(yùn)行工況

兩個標(biāo)準(zhǔn)的正常運(yùn)行工況要求列于表9。

表9 正常運(yùn)行工況

4.2 安裝運(yùn)維工況

我國標(biāo)準(zhǔn)中懸垂型桿塔包括導(dǎo)、地線提升工況(雙倍起吊)和錨線工況，耐張型桿塔包括錨塔和緊線塔工況，對應(yīng)風(fēng)速為10 m/s。另外，人重荷載取1000 N，作用于與水平面夾角不大于30°、可上人的構(gòu)件中心，且不與其它荷載組合。

IEC標(biāo)準(zhǔn)的安裝運(yùn)維工況規(guī)定如下：桿塔組立時(shí)，所有起吊點(diǎn)及相應(yīng)構(gòu)件至少承受兩倍的構(gòu)件提升荷載，當(dāng)施工質(zhì)量能得到較好控制時(shí)，可取1.5倍；架線時(shí)，橫向風(fēng)荷載可忽略，安裝時(shí)縱向張力至少取兩倍的安裝張力，就位后取1.5倍的安裝張力，垂直荷載根據(jù)導(dǎo)線張力與對地夾角計(jì)算。另外，人重荷載取1500 N，垂直作用于任意桿件中心，并同時(shí)考慮運(yùn)維狀態(tài)下的桿件內(nèi)力。

4.3 事故工況

本文的事故工況主要指斷線工況和不均勻冰工況。

我國標(biāo)準(zhǔn)中懸垂型桿塔的斷線工況如下：單回路桿塔，斷任一相導(dǎo)線或一根地線；雙回路桿塔，同一檔內(nèi)斷任兩相導(dǎo)線，或斷一根地線和任一相導(dǎo)線。對單、雙回路的耐張型桿塔，同一檔內(nèi)斷任意兩相導(dǎo)線，或斷一根地線和任一相導(dǎo)線。斷線時(shí)對應(yīng)氣象條件均為有冰、無風(fēng)。

IEC標(biāo)準(zhǔn)中斷線規(guī)定如下：桿塔受扭時(shí)，任意一處地線或?qū)Ь€掛點(diǎn)處作用有殘余靜態(tài)荷載(residual static load)，殘余靜態(tài)荷載的計(jì)算以平均檔距和安裝張力為基準(zhǔn)，計(jì)及絕緣子串長、鐵塔變形等因素影響，對應(yīng)氣象條件為無風(fēng)、無冰、安裝時(shí)最低氣溫；對于雙回路、多回路桿塔，增加受扭的掛點(diǎn)數(shù)量，即任2相導(dǎo)線或2根地線受殘余靜態(tài)荷載；桿塔受彎時(shí)，所有掛點(diǎn)上均作用有同向的不平衡張力，不平衡張力通過一側(cè)為正常掛線，一側(cè)為超載掛線(超載量等于導(dǎo)線重量)的假定計(jì)算得到，或直接取50%的安裝張力。

對于不均勻冰荷載工況組合，IEC標(biāo)準(zhǔn)按縱向彎矩、橫向彎矩和扭矩三種情況考慮。我國標(biāo)準(zhǔn)考慮到橫向彎矩對桿塔基本不起控制作用，簡化為縱向彎矩和扭矩兩項(xiàng)計(jì)算。另外，IEC標(biāo)準(zhǔn)的扭矩規(guī)定為桿塔的一側(cè)有不平衡張力，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)考慮兩側(cè)同時(shí)有不平衡張力且方向相反，使桿塔承受最大扭矩，比IEC標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格。

5 結(jié)論

通過對中國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)的對比分析，得到以下結(jié)論：

(1)中國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)均采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，IEC標(biāo)準(zhǔn)注重線路系統(tǒng)可靠度的設(shè)計(jì)。IEC標(biāo)準(zhǔn)沒有重要性系數(shù)，但對不同的結(jié)構(gòu)安全級別可采用不同的重現(xiàn)期來調(diào)整荷載。

(2)我國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)的基本風(fēng)速、基本風(fēng)壓定義基本一致；以5E1－SZ2鐵塔為例，50年重現(xiàn)期時(shí)，我國標(biāo)準(zhǔn)的線條風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值與IEC標(biāo)準(zhǔn)50年重現(xiàn)期對應(yīng)的結(jié)果相當(dāng)，我國標(biāo)準(zhǔn)的鐵塔風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值與IEC標(biāo)準(zhǔn)150年重現(xiàn)期對應(yīng)的結(jié)果相當(dāng)。

(3)IEC標(biāo)準(zhǔn)中覆冰時(shí)要考慮多種情況，包括無風(fēng)時(shí)最大覆冰、低概率大風(fēng)對應(yīng)高概率覆冰、低概率覆冰對應(yīng)高概率大風(fēng)等；我國標(biāo)準(zhǔn)中不均勻冰覆冰率與IEC標(biāo)準(zhǔn)比較有較大差別；對濕雪、霧凇的風(fēng)荷載，兩個標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果差異較大，對于混合凇、雨凇的風(fēng)荷載，我國標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果與IEC標(biāo)準(zhǔn)中低概率體型系數(shù)對應(yīng)的結(jié)果相近，與IEC標(biāo)準(zhǔn)中高概率體型系數(shù)對應(yīng)的結(jié)果差異較大。

(4)我國標(biāo)準(zhǔn)同IEC標(biāo)準(zhǔn)類似，各類桿塔一般均要求計(jì)算三類工況：正常運(yùn)行工況、安裝運(yùn)維工況和事故工況。各類工況的具體要求均有所差異，設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必正確理解和應(yīng)用。

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