劉琪

【摘 要】接觸網是沿鐵路上空架設的電氣化鐵路的主要供電裝置，接觸網線路長，穿越山陵曠野，遭受雷電襲擊的機率大，容易受雷擊導致電氣設備損壞，中斷鐵路運營。通過對膠新鐵路各地區(qū)的雷電分析，發(fā)現(xiàn)臨沂遭受雷擊較頻繁，屬于強雷區(qū)，建議膠新線臨沂地區(qū)接觸網設架空避雷線，確保電氣化鐵路供電設施的安全運行和鐵路運輸?shù)恼＿\行。

【關鍵詞】高路基；雷害分析；接觸網；防雷措施

雷電災害是 “聯(lián)合國國際減災十年”公布的最嚴重的十種自然災害之一。雷電流高壓效應會產生高達數(shù)萬伏甚至數(shù)十萬伏的沖擊電壓，足以擊穿絕緣層使設備發(fā)生短路，導致燃燒、爆炸等直接災害；電流高熱效應會放出幾十至上千安的強大電流，并產生大量的熱能；雷電流能導致電氣設備絕緣損壞，線路上的絕緣子也會因為雷擊而發(fā)生閃絡或碎裂、導線燒斷等事故。2011年7.23鐵路特大交通事故，原因之一就是雷擊導致列控中心設備和軌道電路發(fā)生故障，錯誤地控制信號顯示，使行車處于不安全狀態(tài)。7.23事故，再次提醒我們，必須高度重視電氣化鐵路的防雷保護。

1.雷電成因及雷電災害的活動規(guī)律

雷電是雷云間或雷云對地面物體間的放電現(xiàn)象。在5～12km高度的雷云主要是帶正電荷，在1～5km高度的雷云主要是負電荷。當云中電荷密集中心的場強達到25～30kV/cm時，就可能引發(fā)雷電放電。放電是由云端先發(fā)出一個不太明亮而以跳躍式向大地前進的通道開始的，這種放電叫做階躍式先導放電，它的平均速度是100-1000km/s，每躍進約50米，就要停頓10-100μs，然后再繼續(xù)前進。當先導接近地面時，會從地面突出的部分發(fā)出向上的迎面先導。當迎面先導與下行先導相遇，主放電才開始，主放電是從大地向云端發(fā)展的強烈的電荷中和過程，伴隨著出現(xiàn)雷鳴和閃光，出現(xiàn)極大的電流，隨著過程向上發(fā)展，其亮度逐漸減低，一到云端，主放電就完成了。在主放電過程結束后，云中殘余電荷經過主放電通道流向大地，這一階段稱為余輝（余光）階段。余光階段過后，就結束整個脈沖放電過程。由于雷云中可能存在幾個電荷中心，大約有50%的雷云放電具有“重復放電”性質。對我們生活產生影響的，主要是近地的云團對地的放電。經統(tǒng)計，近地云團大多是負電荷，其場強最大可達20kV/m。

雷電的活動規(guī)律：

（1）我國年平均雷電日數(shù)按地理環(huán)境的分布：南方多于北方；內陸多于沿海；山地多于平原；在其它條件相同時，土壤導電性 較差的地區(qū)雷電活動較弱。

（2）雷擊與地質條件的關系：電阻率小的土壤，導電性好，易積聚大量電荷，為雷電流提供低阻抗通道；閃電放電通道常常不是直線，而是曲曲折折的；地下埋有金屬導電礦床處，金屬管線較密集的地方易落雷；地下水位高、礦區(qū)、小河溝、地下水出口處易受雷擊。

（3）雷電活動與地形、地物的關系：在距地面二三十米的突出物上方發(fā)生雷擊的概率最大；對靠山和臨水的地區(qū)，臨水一面 的地洼潮濕地和山口、風口、順風的河谷的特殊地形構成的雷暴走廊的地方易受雷擊；電線桿、 鐵路、架空電線和避雷針（線、帶、網）接地引下線都是雷雨云對地放電的最佳通道。

2.膠新鐵路沿線雷電災害分析

膠新鐵路是我國首條建成的時速100公里客貨混運鐵路，為I級單線半自動閉塞鐵路，正線全長約303.3km。膠新鐵路位于山東省的東南部和江蘇省的東北部，東瀕黃海，沿途經過青島的膠州市，濰坊的高密市及諸城市，日照的五蓮及莒縣，臨沂的沂水、沂南、臨沂北、郯城至江蘇的新沂市。膠新鐵路98%在山東省境內，2%在江蘇省境內，因此，雷電災害分析以山東省為主。山東電網雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)已于2007年底建設完成，積累了大量的雷電基礎數(shù)據(jù)，對雷害的分析起到十分重要的作用。

2.1雷電災害的地區(qū)分布特征

下圖反映了2004年～2009年雷電災害在不同城市的分布情況，用不同顏色把17個城市分為三類：煙臺和臨沂雷擊事故分別為999起和556起，屬于事故高發(fā)區(qū)；濰坊、威海、濟南、淄博、青島、濟寧、日照、德州、泰安九個城市屬于事故多發(fā)區(qū)；其他地區(qū)為事故少發(fā)區(qū)。

2.2膠新鐵路沿線部分城市2008年1月1日至8月31日期間的雷電活動情況

表-1

2.3雷電災害分析結論

（1）2004年～2009年山東省雷電災害月份分布呈單峰型，峰值出現(xiàn)在8月。每年6月～8月是雷電災害發(fā)生最多的時期，雷電災害起數(shù)約占總起數(shù)的79.93%。

（2）雷擊事故地區(qū)分布具有明顯的差異，煙臺和臨沂為事故高發(fā)區(qū)；濰坊、威海、濟南、淄博、青島、濟寧、日照、德州、泰安九個城市為事故多發(fā)區(qū)；聊城、濱州、菏澤、棗莊、萊蕪、東營為事故少發(fā)區(qū)。

3.電氣化鐵路雷害分析及防雷措施現(xiàn)狀

電氣化鐵道的牽引系統(tǒng)由牽引供電系統(tǒng)（包括牽引變電所和接觸網）、電力機車兩大部分組成。鐵路運輸對于接觸網的可靠性提出了越來越高的要求，接觸網絕緣水平也逐漸提高。接觸網絕緣爬距己提高到1200-1600mm，防污棒式絕緣子的雷電沖擊耐受電壓也達到了300kV；而牽引變電所供電設備的雷電沖擊耐受電壓為200kV。牽引變電所是雷電沖擊的薄弱環(huán)節(jié)，必須采取必要的防護措施，削弱來自接觸網線路的雷電侵入波幅度和陡度，限制變電所內的過電壓水平，才能避免電氣設備發(fā)生雷害事故。對于電氣化鐵道接觸網系統(tǒng)，雖然其絕緣水平比較高，應用最多的耐污棒式絕緣子和復合懸式絕緣子串的雷電沖擊耐受電壓水平達到了300kV和270kV。但隨著鐵路運營時間的增長，列車在運行中產生的塵土、金屬粉塵及少量散裝貨物飄逸的粉塵、附近城市和工業(yè)污染、混合牽引產生的蒸汽、粉塵和油污等，絕緣子逐漸被污染，導致其雷電沖擊耐壓下降30%左右。污染絕緣子表面上的污層在干燥狀態(tài)下一般不導電，但在遇到毛毛雨、霧、露等不利天氣時，污層將被水分濕潤，電導大大增加，同時在工作電壓下的泄漏電流也大增。在一定電壓下，能維持的局部電弧長度亦不斷增加，絕緣子表面上這種不斷延伸發(fā)展的局部電弧達到某臨界長度時，電弧自動延伸直至貫通，完成沿面閃絡。所以，電氣化鐵道接觸網遭受雷害較多。

根據(jù)我國鐵路牽引供電系統(tǒng)運營部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，部分線路雷擊事故比較頻繁。具體危害表現(xiàn)為：一是雷電造成接觸網絕緣子閃絡，引起牽引變電站跳閘，嚴重影響了牽引供電的可靠性和供電質量，并危及設備安全； 二是支撐接觸網設備的水泥桿支柱較大面積損壞，安裝于支柱上的接觸網受力金具燒蝕嚴重；三是影響鐵路信號的正常傳輸，并危及信號設備的安全，危及高速列車的運行安全。因此必須采取相應的措施，減少雷電對電氣化鐵路的影響。而接觸網線路長，穿越山陵曠野，遭受雷電襲擊的機率大，容易受雷擊導致電氣設備損壞，所以接觸網的防雷措施是研究的重點。

我國電氣化鐵路接觸網防雷設計規(guī)定：吸流變壓器的原邊應設避雷裝置；重雷區(qū)及超重雷區(qū)和下列重點位置（分相和站場端部的絕緣關節(jié)、長度2000m及以上隧道的兩端、供電線或AF線連接到接觸網上的連接處）應設避雷裝置。通過規(guī)范可以看出，接觸網沒有避雷線，不能有效防止直擊雷，接觸網僅裝有少量的避雷器，其工作接地直接接在鋼軌上，或接入軌道電路的軛流變壓器線圈中點。這種方式對防止雷電過電壓是不夠的。

4.高路基與普通路基電氣化鐵路雷電參數(shù)的比較

膠新鐵路K0+000—K87+482、K127+200—K303+330是處于曠野的平原地區(qū)，路基主要有高路堤、高架橋梁組成，路基高度5-12米，占正線全長的86.8%；同時膠新鐵路50%的區(qū)段位于臨沂市，臨沂又是雷擊事故的高發(fā)區(qū)。膠新鐵路特殊的地理位置和路基構成，決定防雷措施不能等同一般的普速鐵路。

膠新鐵路電氣化改造，采用如下設計：供電方式采用帶回流線的直接供電方式，全補償簡單鏈形懸掛；接觸線導高為6000mm，結構高度1400mm；區(qū)段接觸網腕臂柱一般采用橫腹式預應力鋼筋混凝土支柱，側面限界3.1米，支柱高度12.1米（路肩以上高度8.5米，埋深3.6米）。絕緣泄漏距離按不小于1200mm 設計；腕臂用絕緣子一般采用瓷質棒式絕緣子，懸式絕緣子串選用重污型，參數(shù)如下表：

表-2

接觸網在下列位置設置氧化鋅避雷器：分相和站場端部絕緣錨段關節(jié)；特大橋以及隧道的兩端；供電線的接觸網上網點。

為進一步研究路基高度變化對接觸網遭受雷電的影響，我們假定普通路基相對高度為2米，膠新鐵路路基相對高度取6米。

4.1 100km接觸網年平均受雷擊的次數(shù)的變化

N=γ×100×（b+4h）/1000×Td （次/100km·年）

雷暴日（Td）取40，地面落雷密度γ取0.07，b取3.1米，雷電流波前的平均陡度為α=I/2.6 （kA/μs）。

則N=0.28×（b+4hC） （次/100km·年）

對于普通路基鐵路，hC=2+8.4=10.4

對于高路基鐵路，hC=6+8.4=14.4

所以，△N%=26.4%

4.2雷擊接觸網附近大地時接觸網上的感應雷過電壓

雷擊線路附近大地時，當S>65m時：U=25×I×hc/s

所以，△U%=28%

由以上分析可以看出，由于路基高度的增加，百公里落雷次數(shù)增加了26.4%，雷擊感應電壓增加了28%，接觸網遭受雷電災害的影響更加明顯，因而必須采取相應的措施，確保接觸網的供電安全。

5.膠新鐵路接觸網雷擊災害理論分析

對于帶回流線的直接供電系統(tǒng)，主要分析以下三個方面：雷擊其接觸網附近的地面，在接觸網支柱上引起感應過電壓；雷擊接觸網支柱，在支柱上產生沖擊電壓、在接觸網上引起感應過電壓；雷直擊于接觸網導線（承力索），在接觸網導線（承力索）上產生行波過電壓。

5.1雷擊接觸網附近地面

⑴對于雷擊點與線路之間的距離大于65m的情況下，接觸網導線上的感應過電壓的最大值可由以下公式求得：

U=25×I×hc/s

由表3-2知，膠新鐵路接觸網的絕緣采用棒式絕緣子，其沖擊絕緣水平為310kV，導線（承力索）懸掛距地面高度為14.4m，雷擊距接觸網65m處的地面，引起接觸網閃絡的雷電流為：

I=60（kA）

雷電流幅值的概率為P

lgP=-

所以，P=20.8%，即沿線20.8%的雷云對接觸網附近（大于等于65m）的地面放電都可能引起接觸網的絕緣閃絡。

⑵架空回流線上的感應過電壓

接觸網架空回流線的絕緣采用針式絕緣子，其沖擊絕緣水平為75kV，架空回流線懸掛高度為14m，雷擊距接觸網65m處的地面。引起架空回流線閃絡的雷電流為：

U=25×I×hc/s，則I=13.93（kA），P=69.5%

即沿線69.5%的雷云對接觸網附近（大于65m）的地面放電都可能引起架空回流線的針式絕緣閃絡。

5.2雷擊接觸網支柱

當雷擊支柱的頂部時，雷電流沿支柱入地并在支柱上產生沖擊過電壓，該值與支柱的沖擊接地電阻和雷電流幅值及支柱等值電感相關，同時雷電通道產生的電磁場迅速變化，在線路上產生與雷電流極性相反的感應電壓，該值與接觸網導線高度、雷電流平均值成正比。沖擊過電壓和感應過電壓的疊加值，隨著接觸網支柱的接地電阻升高而升高，即引起閃絡的雷電流幅值和絕緣于閃絡概率隨接觸網支柱的接地電阻而增加。

對于接觸網支柱，都單獨設置了接地極，接地體的接地電阻R≤30Ω，從接地點反射回來的電流波立即達到支柱頂部，使入射電流加倍，因而注入線路的總電流即為雷電流，而不是沿雷道波阻抗傳輸?shù)娜肷潆娏?。雷擊接觸網支柱時，雷電流沿支柱入地，在支柱上產生的沖擊電壓為：

U=R I+L

式中：R—支柱的沖擊接地電阻，L—支柱的等值電感。

對于膠新鐵路，取R=20Ω，對12.1m高的預應力鋼筋混泥土支柱，取L=10μH

雷擊支柱時，雷電通道產生的電磁場迅速變化，在線路上產生與雷電流極性相反的感應電壓，其值按規(guī)程給出的計算式為：

U2=I×hc/2.6

式中U2—感應電壓（kV），工—雷電流（kA），hc—導線離地高度（m），取14.4m.

由于雷擊支柱產生的反擊過電壓與雷擊支柱在接觸網導線上產生的感應過電壓極性相反，實際上接觸網棒式絕緣子承受的電壓應為兩者之和，即U=U1+U2

接觸網的絕緣水平為310kV，雷電流波形取斜角平頂波，波頭長度2.6μs，引起閃絡的雷電流幅值為：

I=U/（R+（L+ hc）/2.6）=310/（20+（10+14.4）/2.6）=10.55（kA）

能夠引起接觸網閃絡的雷電流幅值為10.55kA，雷電流概率P=76%

即膠新鐵路沿線當雷擊支柱時，76%的雷會導絕緣子閃絡。

5.3雷直擊接觸網

雷擊接觸網承力索產生直擊雷過電壓同樣與雷電流幅值成正比，即雷擊過電壓約為100倍的電流幅值，雷擊承力索將產生幾百到幾千kV過電壓。

U=100I

膠新鐵路接觸網的絕緣采用棒式絕緣子，其沖擊絕緣水平為310kV，所以，I=3.1KA，則雷電流概率P=92.2%，即雷擊膠新鐵路接觸網承力索時，92.2%的雷會導絕緣子閃絡。

當雷擊接觸網時， 如果靠近被擊點支柱上絕緣子閃絡， 雷電流入地且不產生過電壓， 接觸網的自動重合閘等保護裝置能夠切除工頻入地續(xù)流。問題在于當靠近被擊點的支持絕緣子閃絡， 雷電流入地，將在支柱的等值電感、支柱與鋼軌的等值接地電阻上產生很大的沖擊壓降。這個電壓降將以行波方式繼續(xù)作用于接觸網。當這個電壓超過接觸網的絕緣水平， 將繼續(xù)引起支柱絕緣子閃絡， 即： 雷電流引起一個絕緣子閃絡后， 剩余的能量仍能引起多點閃絡。另一方面由于支柱的接地電阻鋼軌過渡電阻大， 雷電流泄漏通道不暢，一處閃絡后， 剩余的能量仍比較大， 也能引起一系列絕緣子相繼閃絡。絕緣子相繼閃絡， 不但使得總的工頻入地續(xù)流大大增加， 而且使得閃絡事故總持續(xù)時間大大增加，這些都可能導致接觸網的自動重合閘等保護裝置不能有效地切除故障。

通過以上理論分析可見，對于膠新鐵路，當雷擊接觸網附近地面時，20.8%的雷云都可能引起接觸網的絕緣閃絡，69.5%的雷云都可能引起架空回流線的針式絕緣閃絡；當雷擊支柱時，76%的雷會導絕緣子閃絡；雷擊接觸網承力索時，92.2%的雷會導絕緣子閃絡。所以，必須采取相應的措施，減少膠新鐵路的雷電災害。

6.膠新線防雷建議

在防雷設計中，人們對主放電通道的波阻，雷電流幅值、雷電流波形和最大陡度以及地面落雷密度特別關心；而上述因素又與各地的緯度、距海洋的遠近、地形、地貌等都有密切的關系。因此防雷保護工作應該因地制宜，要結合鐵路沿線途徑地區(qū)的具體情況，采取有針對性的綜合防雷措施。

6.1臨沂地區(qū)架設架空地線

（1）當雷擊點離開線路的距離S>65m時，如果線路架設有接地的避雷線，則導線受它的屏蔽作用，感應過電壓將會降低。假定避雷線不接地，則導線和避雷線上將分別感應出過電壓：

U′=25 U′=25

事實上避雷線接地，相當于避雷線上再疊加了一個電壓該電壓使得避雷線電壓為0，并在導線上耦合出-Ub′，

U″d=-kUd

故有接地避雷線的情況下，感應過電壓降低為：

U=U′+U″=U′-kU′≈（1-k）U′

（2）雷擊支柱頂部時，由于避雷線的原因，導線上的感應過電壓降低為：

U′=ah（1-k）

由于接地避雷線的屏蔽作用，導線上的感應過電壓變?yōu)樵瓉淼模?-k）倍，因此，耦合系數(shù)對有避雷線時的感應過電壓有較大的影響。

由于臨沂地區(qū)為多雷區(qū)，建議將回流線改造為架空地線，采用柱頂方式安裝。架空地線采用LGJ120，接觸網檔距平均55米，根據(jù)臨沂地區(qū)的氣象條件，架空地線的弧垂為0.45米，為保證架空地線與承力索的安全垂直距離距不小于2米，因此架空地線應在平腕臂 上方2.5m處安裝，保護角采用200～300。架空地線間架與接地引線與支柱鋼筋相連，通過支柱底部接地孔接地。保證雷擊過電壓及時通過接地引下線泄漏至大地中，從而有效防止直擊雷。每條公里架設避雷線增加投資約2萬元，共增加投資300多萬元。雖然增加部分投資但是對于電氣化鐵路的安全有著至關重要的作用。接觸網采用架空地線防護示意圖：

6.2降低接地電阻， 改善接地引下線的連接降低接地電阻可以提高耐雷水平

防雷設備的接地裝置是用來向大地引泄雷電流的。接地裝置的效果和作用可以用它的沖擊接地電阻值來代表， 降低接地電阻可以有效地提高線路的耐雷水平，當接觸網的支柱形式， 尺寸與絕緣子型式和數(shù)量確定后， 影響接觸網反擊耐雷水平的主要因素則是桿塔接地電阻的電阻值。接地電阻愈小，過電壓愈小，必須嚴格控制支柱與鋼軌的接地電阻。根據(jù)膠新線的自然狀況，在青島的膠州市、濰坊的高密市和諸城市、江蘇的新沂市等平原地區(qū)，可采用降低接地電阻來提高線路的耐雷水平的防雷措施。

6.3適當增設避雷器

對于一般高雷區(qū)通常采用局部關鍵點設置避雷裝置進行接觸網防雷。在有雷擊發(fā)生時只要避雷器的沖擊放電電壓小于接觸網絕緣子的沖擊放電電壓就會動作以避免變電所饋線斷路器跳閘。同時，由于避雷器動作后吸收了雷電能量，絕緣子、支柱的等值阻抗上受到的沖擊電壓僅為避雷器的殘壓，提高了接觸網的耐雷電沖擊水平。

接觸網上安裝的避雷器保護范圍有限，只能防止其保護范圍內的接觸網絕緣閃絡、機車車頂保護電器動作。污穢條件下的工頻電壓耐受能力低可能會增加污閃事故率，如大密集安裝避雷器則每年的預防試驗和維修工作量極大。鑒于運行中出現(xiàn)燒斷電連接和吊弦的問題，建議在錨段關節(jié)處的適當位置，加裝避雷器，重點在日照市的莒縣和五蓮等丘陵地帶，作為牽引供電系統(tǒng)防雷技術措施的一種補充。

6.4雷電定位系統(tǒng)防雷

雷擊鐵路供電線路是一種頻發(fā)事件且危害極大，每次發(fā)生雷擊后，要求快速確定其發(fā)生地，以便盡快查明故障損壞程度和具體情況，及時采取有效的修復措施，并通過數(shù)據(jù)積累找出雷擊多發(fā)地的具體位置并分析其易遭雷擊的原因，以便采取有針對性的改進措施，進而提高接觸網的安全水平。而雷電定位系統(tǒng)（LLS）是一種大面積雷電測量的新技術。

LLS工作原理：雷電定位系統(tǒng)是綜合運用了RS遙感技術、GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術、GIS地理信息系統(tǒng)技術來實現(xiàn)雷電定位的，它主要由雷電遙測站、中心站主機、雷電顯示終端三部分構成。雷電遙測站的探測方法主要是采用定向定位和時差定位技術。定向定位是不同地區(qū)的雷電遙測站（最少2個）獨立測量同一個雷電的方位角，實時傳送到中心站主機，經雷電位置分析儀（根據(jù)三角定位原理）確定雷擊點位置。

雷電定位系統(tǒng)的主要用途：LLS能大范圍實時遙測地閃發(fā)生的時間﹑地點﹑雷電流幅值﹑極性與回擊次數(shù)，呈現(xiàn)在監(jiān)測人員面前的時一幅雷暴的實時運動軌跡——雷擊動態(tài)圖。當發(fā)生雷擊跳閘時，LLS能比較精確的指示雷擊故障地點，避免全線巡視，提高勞動生產率，縮短搶修時間；雷擊動態(tài)圖使調查人員即使掌握雷電的運動軌跡，便于在事故下作出正確的判斷，制定可靠的運行方式；實時提供雷電預警，預警時間可達1-2小時以上，保證火車在雷暴季節(jié)的安全運行。

2007年，山東電網已組建了雷電定位系統(tǒng)，鐵路運輸部分應該充分利用先進的科技手段，通過對鐵路線路進行經緯度定位，結合雷電探測站在電閃﹑雷擊發(fā)生后對雷電發(fā)生點的探測和定位，確定雷害波及范圍。通過對雷電活動的長期觀察，可以對雷電活動的規(guī)律進行探索，掌握雷電的規(guī)律，不斷完善對雷害的預防措施。因此，我們說雷電定位系統(tǒng)是一種與雷電長期抗戰(zhàn)的有利措施。

7.結論

本文主要針對膠新鐵路接觸網雷害分析及防雷措施進行論述。對于接觸網來說，隨著鐵路運營時間的增長，絕緣子被污染的情況比較嚴重；沿鐵道線路的雷云放電，無論是雷擊接觸網附近地面引起的感應過電壓、雷擊接觸網支柱，還是雷電直擊接觸網，都有可能造成接觸網絕緣子閃絡，接觸網應是防雷保護的重點。鑒于臨沂地區(qū)為多雷區(qū)，建議將回流線改造為架空地線，采用柱頂方式安裝；在青島的膠州市、濰坊的高密市和諸城市、江蘇的新沂市等平原地區(qū)，可采用降低接地電阻來提高線路的耐雷水平的防雷措施；在日照市的莒縣和五蓮等丘陵地帶建議在錨段關節(jié)處的適當位置，加裝避雷器，作為牽引供電系統(tǒng)防雷技術措施的一種補充。

長期以來，鐵路防雷所進行的都是傳統(tǒng)工作，隨著雷電定位系統(tǒng)的廣泛應用，鐵路運輸部分應該充分利用先進的科技手段，通過對鐵路線路進行經緯度定位，確定雷害波及范圍。通過對雷電活動的長期觀察，掌握雷電的規(guī)律，不斷完善對雷害的預防措施。因此，我們說雷電定位系統(tǒng)是一種與雷電長期抗戰(zhàn)的有利措施。

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