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[특별기고] 초고압 차단기의 기술 개발 동향
2009년 3월 4일 (수) 10:52:00 |   지면 발행 ( 2009년 2월호 - 전체 보기 )

초고압 차단기의 기술 개발 동향
한국전기연구원(www.keri.re.kr)산업전기연구단 전력기기연구센터 _ 송기동 책임연구원(055)280-1563 / kdsong@keri.re.kr▣ 개요현재 사회는 정보화에 기반을 둔 복지사회를 추구하는 사회이다. 이러한 복지사회를 실현하기 위해서는 안정적이고 지속적인 전기에너지 공급이 필수적이다. 과거에도 그렇거니와 현재도 수많은 엔지니어들과 전력회사들은 전력계통에서 고장이 발생하지 않도록 부단한 노력을 기울이고 있다.하지만 아무리 완벽한 기기 또는 시스템이라도 인간으로서는 어쩔 수 없는 고장이 반드시 발생한다. 만약 고장이 발생했는데도 대처방안이 없다면 어떻게 될까? 2003년 미국과 캐나다의 대규모 정전 사태처럼 사고가 빈번하게 일어날 것이다. 그 결과 사회가 불안정해지고 정보화는 물론 안락한 복지사회는 요원한 이야기가 될 것이다. 전력계통에서 고장이 발생한 경우, 더 이상 고장이 퍼져나가는 것을 방지하고 고장전류에 의해 다른 기기들이 손상을 입는 것을 방지하는 기기가 차단기이다. 차단기를 연구하는 엔지니어들 입장에서는 어떻게 하면 안정적으로 전기에너지를 차단할 수 있을까를 연구하지만, 궁극적으로 안정적으로 전기에너지를 공급하기 위해 노력하고 있다.본 논고에서는 계통에서 발생하는 고장을 자동으로 제거하는 차단기에 대한 기술 변천 과정과 각각의 해당 기술에 대해 간략히 살펴보기로 한다. 논제의 초점을 보다 확실히 하기 위해 주로 송전계통의 차단기에 대해서만 언급한다.▣ 본론1. 차단기의 기본 기능차단기 구조는 <그림 1>처럼 매우 단순한 구조에서 출발한다. 즉, 필요에 따라 서로 분리되거나 접촉되는 구조를 가진다. 계통에서 고장(Short Circuit)이 발생하면 부하에 대한 임피던스가 없어지기 때문에 정격전류의 몇 십 배에 달하는 고장전류가 흐를 수 있다. 고장영역이 퍼져나가거나 다른 기기의 손상을 방지하기 위해서는 고장전류를 신속히 자동적으로 차단해 주어야 한다. 이러한 기능을 가진 것이 차단기이다.차단기가 고장전류를 끊기 위해 접점을 벌리기 시작하면 고장전류가 흐르고 있기 때문에 두 접점 사이에는 필연적으로 아크가 발생한다. 교류에서 이 아크가 사라지는 순간은 전류가 0이 되는 순간뿐이다. 이때가 고장전류를 차단할 수 있는 시점이며, 차단기는 이 순간을 노리고 동작한다. 차단기를 다루는 엔지니어 입장에서는 이 시점과 차단기의 동작 특성과의 관계를 이용해야하기 때문에 이 시점을 ‘전류영점(Current Zero)’이라 하여 매우 중요시한다. 차단기가 차단에 성공하느냐 실패하느냐는 이 전류영점에서 아크를 없앤 후의 접점 사이의 조건에 따라 결정된다. 즉, 아크가 사라진 직후의 접점 사이가 충분히 냉각되지 않거나 두 접점 사이가 충분히 벌어져 있지 않으면, 아크가 없어진 후에 걸려오는 전압(TRV : Transient Recovery Voltage, 과도회복전압, <참고 문헌 1> 참조)에 절연파괴가 일어나서 고장전류는 다시 흐르고 아크도 다시 발생하게 된다. 차단기는 이 경우 8.3㎳ 뒤(60㎐인 경우)에 다시 찾아오는 전류영점에서 차단할 기회를 다시 잡아야 한다. (물론 국제시험규격에서는 차단할 기회를 무한정 주지 않는다)
회복전압, <참고 문헌 1> 참조)에 절연파괴가 일어나서 고장전류는 다시 흐르고 아크도 다시 발생하게 된다. 차단기는 이 경우 8.3㎳ 뒤(60㎐인 경우)에 다시 찾아오는 전류영점에서 차단할 기회를 다시 잡아야 한다. (물론 국제시험규격에서는 차단할 기회를 무한정 주지 않는다)차단기의 구조면에서 보면, 접점이 벌어져 아크가 발생하여 소호되고 과도회복전압에 견디는 차단부(Interrupter)와 접점 및 차단부를 움직이는 조작부(Mechanism)로 나눌 수 있다. 즉, 차단기는 차단부와 조작부로 구성되어 있다.아크가 없어지고 과도회복전압에도 견딜 수 있을 때까지 접점을 벌려주면 고장전류를 차단할 수는 있다. 실제로 공기절연변전소(AIS : Air Insulated Substation)의 단로기(DS : Disconnect Switch)가 그러한 경우와 유사하다고 할 수 있다. 하지만 전기환경뿐만 아니라 최소화, 경량화라는 기술발전 측면에서 당연히 허용될 수 없는 사항일 것이다.2. 차단기의 분류차단 기능을 보다 효율적으로 하기 위해 아크가 발생하는 접점 사이에 냉각 효과와 함께 절연성능을 확보하기 위해 절연매질을 집어넣기 시작했다. 이러한 절연매질의 종류에 따라 차단기는 크게 공기차단기(ACB : Air Circuit Breaker), 오일차단기(OCB : Oil Circuit Breaker), 가스차단기(GCB : Gas Circuit Breaker, 가스차단기는 주로 SF6가스를 사용한다), 진공차단기(VCB : Vacuum Circuit Breaker)로 나뉜다. (<참고 문헌 2> 참조) 공기차단기와 오일차단기는 소형, 경량화하는 데 한계가 있고, 유지 보수도 어려워 지금은 거의 가스차단기로 대체된 상황이다. 그리고 현재 VCB는 주로 배전급에, 송전급에는 GCB가 주로 사용되고 있다. 가스차단기의 차단부에서 아크를 어떻게 소호(가스로 불어서 아크를 제거)하느냐에 따라 크게 <표 1>과 같이 나눌 수 있다.자력 소호 방식은 아크를 자력의 힘으로 회전시켜 소호하는 방식이며, 열팽창 소호 방식은 아크의 에너지로 팽창실에 있는 가스를 팽창시켜 아크 자체를 소호하는 방식이다. (<참고 문헌 3> 참조)1970년대 초 이후부터 현재까지 송전급 가스차단기에 적용되고 있는 소호 방식은 압축분사 즉, 파퍼(Puffer) 방식이다. 파퍼 방식은 파퍼 실린더라는 압축실을 구비시켜 차단기가 동작하는 과정에서 가스가 자연히 압축되고 아크로 분사되게 하여 아크를 소호하고 절연가스를 공급하는 방식이다. <그림 2>은 파퍼 방식 차단기의 대표적인 구조를 나타낸다. <그림 2>의 차단부는 대부분 5~6bar의 SF6가스로 채워져 있는 밀폐된 탱크내에 설치되어 있다.
이러한 파퍼 소호 방식에 전력 수요가 증가하면서 차단기가 차단해야 할 차단 용량도 증가하자, 아크로 가스 유동을 안내하는 노즐에 대한 재질도 순수 테플론(PTFE)을 사용하다가 Bn, Al₂O₃, MoS₂등의 충진재를 사용한 강화테플론 노즐을 사용하게 되었다. 또한 아크 접점의 팁(Tip)도 텅스텐(W)과 구리(Cu)의 비율이 6:4, 7:3으로 변천되어 현재에는 8:2를 사용하는 것이 초고압에서는 대세다. 파퍼 방식의 차단기에서 파퍼 실린더의 용적과 압력 상승관계에 대한 연구를 진행, 최적의 형상을 결정하여 소형, 경량화하는 것이 최근까지의 일이었다. 그리고 이때까지 조작부는 공기압 또는 유압을 이용하는 공압식 조작기 또는 유압식 조작기가 이용되고 있었다.3. 새로운 형태의 차단기 개발1990년대 들어서면서 환경적인 문제가 사회전반뿐만 아니라 중전기기 분야에도 본격적으로 대두됐다. 그 때까지 차단기 조작기로 사용되던 공압식 조작기와 유압식 조작기가 동작 시의 소음, 누유에 의한 토양 오염, 많은 부품 수에 따른 유지 보수의 어려움 때문에 초고압 가스차단기 조작기로 사용되는 것이 허용되지 않았다. 하물며 미국의 중전기기 시장에서는 유압식 조작기를 사용하는 차단기에 대해서는 일체 수입금지 조치까지 내려졌다. 바야흐로 새로운 형태의 차단기개발이 세계 각국에서 일어나는 계기가 되었다.공압식 조작기와 유압식 조작기를 대체할 수 있는 것은 당시에 스프링 조작기(또는 전동 스프링 조작기)뿐이었다. 이에 따라 유압식 조작기 대신에 전동스프링 조작기로 대체했지만 큰 문제가 발생하게 된다. 기존의 파퍼형 차단부에 전동스프링 조작기를 설치하여 차단시험을 수행했지만 제대로 된 차단 성능을 확보할 수 없었다. 유압식 조작기에 비해 전동 스프링 조작기의 조작력이 현저히 작기 때문이다. 전동스프링 조작기의 메커니즘 특성상, 차단부 무게도 문제지만 파퍼 실린더에서의 압축에 대한 반발력 및 아크에 의한 노즐 폐쇄(Nozzle Clogging)로 기계적인 스트레스를 견딜 수 없었기 때문이다. 따라서 전동 스프링 조작기의 작은 조작력에도 차단 성능을 가질 수 있는 새로운 형태의 차단부 개발이 요구됐다.
이렇게 해서 등장하게 된 것이 <그림 3>과 같은 복합소호 차단부로 기존의 파퍼식에서 팽창실을 별도로 구비한 형태이다. 파퍼 실린더는 소전류 차단 성능 (<참고 문헌 4, 5> 참조)을 주목적으로 하기 때문에 작게 만들 수 있어 무게를 크게 줄일 수 있다. 팽창실은 아크 에너지 자체에 의해 팽창된 가스가 일정한 스트로크 진행 후 아크에 분사되어 아크 소호에 이용되는 방식으로, 조작기에 의한 기계적인 조작력을 크게 감소 할 수 있는 방식을 조합한 것이다. 그 구성은 간단하나 차단기의 설계자 입장에서는 파퍼 방식에 비해 세심하고 고도의 기술력이 필요하다. 기존 파퍼 방식에서 차단 성능이 다소 부족한 경우에는 파퍼 실린더의 크기를 조정하거나 동작 속도를 높여주어 대부분 해결할 수 있었다. 반면에 복합소호 방식의 경우 작은 조작력으로 일정한 조작 속도에서 차단 성능을 확보하기 위해서는 팽창실 용적과 파퍼실 용적, 차단기 동작 특성(스트로크)과의 관계를 모두 고려해야 한다. (<참고 문헌 6> 참조) 특히 복합 소호 방식의 경우, 아크 자체 에너지를 이용하기 때문에 국제규격에서 정한 차단책무 TD10(정격 차단전류의 10% 크기), TD30(정격 차단전류의 30% 크기), TD60(정격 차단전류의 60% 크기)에서 오히려 차단 실패할 확률이 높다.복합 소호 차단부의 경우, 파퍼 방식보다 아크에 대한 냉각 효과가 떨어지기 때문에 차단 용량이 증가할 때마다 절연회복 성능을 확보하는데 많은 어려움이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 <그림 4>와 같이 하나의 전동스프링 조작기를 사용하되, 기존의 고정부 접점에 링크를 연결하여 양방향 구동방식(Dual Motion)을 채택함으로써 접점의 이격 속도를 2배로 증가시키는 효과를 시도하고 있다. 하지만 양방향 구동방식을 택할 경우 조작기의 조작력을 감소시킬 수 있지만, 차단부 구조가 복잡해진다는 단점이 있으므로 단방향(Single Motion) 구동방식을 채택할 것인지, 양방향 구동방식을 채택할 것인지는 보다 신중히 결정해야 한다. (<참고 문헌 7, 8> 참조) 또한 양방향 구동방식을 구현하는 것에 있어서 각국 및 각 업체마다 치열한 특허분쟁을 벌이고 있으므로 틈새특허를 창출하는 것도 점점 더 어려워지고 있다. 최근 현대중공업㈜가 245㎸ 50㎄ 차단기를 복합 소호 차단부에 전동스프링 조작기를 채택하고 양방향 구동방식을 적용하여 개발(First Pole to Clear Factor 1.5)한 것이 국내에서 가장 앞선 기술이라 하겠다.
4. 친환경 차단기2000년도에 들어서면서 차단기 분야는 또 한번의 전환기에 접어든다. 1997년 교토 의정서에서 SF6가스가 지구온난화 가스로 지정되면서 SF6가스를 대체할 수 있는 연구가 각국에서 이루어지고 있다.(<표 2> 참조) 하지만 지구상에 존재하는 가스 중에서 SF6가스만큼 절연 성능과 아크냉각 효과가 좋은 대체가스를 찾지 못하자 각국의 대처방안은 각각으로 진행됐다. 유럽의 경우 SF6가스를 계속 사용하는 대신에 기기의 소형화 콤팩트화를 통한 감량, 누설 방지, 긴밀한 회수, 재활용 등에 중점을 두었고, 일본의 경우 N₂가스, CO₂가스, 고체절연으로 대체하는 연구를 진행함과 동시에 차단부를 VCB로 대체하고 나머지를 Dry Air로 절연하는 이른바 DAIS(Dry Air Insulated Switchgear) 개발에 주력하고 있다.
* 절연 내력 : Lightening Impulse, 1bar, Gap 10㎜, 89㎸/㎝ for SF6 기준 * CF₃I : 평등전계에서의 절연 내력은 SF6보다 높음. 4bar에서 액화 온도는 20℃ * 차단 성능 : SF6, CO₂, N₂, CF₄에 대해서는 2MPa의 분사 압력으로 24㎄rms(60㎐)를 차단한 경우의 과도회복전압 상승률 비교
일례로 <그림 5>와 같이 SF6가스를 사용하지 않고 CO₂를 사용한 72.5㎸ 20㎄ 차단기가 최근에 일본에서 상용화됐다.(Ablation Element를 사용한 것이 특징)국내에서도 <그림 6>과 같이 LS산전㈜가 170㎸ 50㎄ VI(Vacuum Interrupter)를 개발 중에 있으며, ㈜효성이 차단부를 제외한 나머지 부분에 대한 DAIS를 개발하고 있다. 하지만 초고압급에 VI나 DAIS로 SF6를 대체할 수 있는 것에는 한계가 있으며, 향후 많은 시간과 노력이 요구될 것으로 예상된다.
5. 미래기술의 접목차단기 분야에서 미래를 대비한 기술로 개폐제어 기술, Maintenance-Free형 조작기 및 IT 기술의 접목을 꼽을 수 있으며, 이미 이 기술들에 대한 연구는 상당 부분 진행되어 있다.개폐제어 기술은 기존 차단기가 차단에만 중점을 두어 무작위로 접점의 개폐가 이루어짐으로써 발생할 수 있는 개폐 Surge 또는 돌입전류(Inrush Current)를 최소화하는 기술로, 원하는 시점에서 차단기의 접점을 분리하거나 접촉하도록 제어하는 기술을 말한다. (<참고 문헌 9> 참조)개페제어 기술을 구현하기 위해서는 <표 3>과 같이 부하의 종류에 따라 개로시점과 투입시점을 정확히 구현해야 한다. 이러한 기술을 구현하기 위해서는 개폐제어기뿐만 아니라 조작기도 요구되는 정확도(Tolerance 1㎳ 이하) 내에서 운전되어야 한다.
최근 현대중공업㈜가 362㎸ 50㎄ 1점절 개폐제어형 차단기를 개발한 것으로 알려져 있다. (<참고 문헌 10> 참조)Maintenance-Free형 조작기의 대표적인 것으로 MDDM(Motor-Diect Drive Mechanism)과 EMFA(Electro-Magnetic Force-driving Actuator)를 들 수 있다. 두 가지 다 변전소가 정전될 경우 수동 투입이 불가능하여 별도의 전원이 필요하다는 단점이 있지만, 이 문제를 극복할 수 있는 대책을 수립한다면 미래의 조작기로 크게 활용될 수 있을 것으로 보인다. EMFA는 일진전기㈜ 170㎸를 차단기에 적용하여 개발 중이며, <그림 8>은 ㈜효성이 현재 개발 중인 245㎸ 40㎄ MDDM형 GIS로 향후 크게 주목을 받을 것으로 예상된다. (<참고 문헌 11> 참조) 만약 MDDM과 EMFA가 완전히 상용화되는 경우, 위에서 언급한 개폐제어 기술은 보다 쉽게 구현될 수 있을 것이다.
향후 전력기기 산업의 성장 동력으로 주목 받고 있는 전력IT는 그동안 한국전력공사, 한국전기연구원, 전기기기 제조업체, 대학 등에서 부분적으로 추진되어 왔다. 그러나 이는 방대한 영역이기에 막대한 개발비가 소요됨에 따라 정부가2004년에 ‘전력IT 추진위원회’를 구성하여 전력산업의 IT화를 위해 본격적으로 관여하게 됐으며, 2005년 전력IT 연구 추진을 위하여 전담 전문위원을 임명하여 본격적인 연구 개발에 착수했다. 전력기기의 IT화와 관련하여 국내 제작업체에서도 보호, 제어, 통신기능을 가지는 송전급 및 배전급 디지털 릴레이를 중심으로 디지털 전력제어 및 진단시스템의 구성기기에 대한 연구개발 필요성을 인지한 상태이며, 1990년대 초에 관련 업체들이 디지털 계전기에 관한 전기공업협동조합규격을 만든 이후에 많은 기술 개발을 통해 계전기 관련 기술이 발전돼 왔다. 주로 개발하고 있는 계전기는 과전류 요소를 기반으로 하는 계전기가 다수를 이루고 있고, 종합 보호를 목적으로 하는 계전기는 아직 상용화되지 않은 단계이다. 또한 차세대 변전소의 종합 제어기능의 중추가 되는 IED(Intelligent Electronic Device) 분야는 최근에 전력IT 사업을 통하여 연구 개발을 진행하고 있다. 최근 LS산전㈜에서 개발한 25.8㎸ 복합 절연 Intelligent Switchgear는 전력IT를 구현하기 위해 IED를 접목시킨 좋은 예라 하겠다. (<참고 문헌 12> 참조)
6. 전산해석기술의 적용국내에서 차단기 설계에 활용하기 위한 전산해석은 실질적으로는 1990년대 초부터 시작됐다고 해도 과언이 아니다. 그 이전에는 마땅한 툴(Tool)도 없었거니와 해석기술을 수행할 인력도 부족한 상태였다. 1991년 정부에서 시행한 800㎸급 GIS용 차단부를 개발하면서 본격적으로 시작됐다. 전계 해석, 진동 해석, 절연 성능 해석 등이 진행됐지만, 가장 어려웠던 점은 차단부 내의 유동 해석이다. 차단부 내의 유동 해석을 위해 Fluent, PHOENICS, CFX, Star-CD 등 기존의 상용 CFD 코드가 적용 및 검토됐고 러시아, 영국 등의 외국 전문가의 도움을 받기도 했다. 그 결과 2000년도에 들어서면 아크가 없는 경우인 차단부 내의 냉가스 유동 해석이 완료됐다. 이러한 냉가스 유동 해석은 전계해석과 접목되어 차단기의 소전류 차단 성능을 평가하는 데 활용됐고, 그 정확도도 90% 이상인 것으로 판명되고 있다. (<그림 10> 참조, <참고 문헌 13> 참조) 소전류 차단 성능 해석 프로그램은 국내업체뿐만 아니라 외국기업에도 판매되어 현재 활발히 활용되고 있다.
아크가 포함된 열가스 유동해석은 국내뿐만 아니라 선진 외국에서도 뾰족한 해결책을 제시하지 못하고 있다. 차단부 내에서 일어나는 물리적 현상이 플라즈마뿐만 아니라 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation) 등의 에너지전달을 다루어야 하고 차단부의 이동도 모의해야 한다. 특히 현재까지 이론적으로 정립되지 않은 난류 모델(Turbulence Model), 복사 모델(Arc Radiation Model), 노즐 용삭(Nozzle Ablation)과 접점의 금속증기(Metal Vapour) 등에 대한 해석 모델이 완벽히 구비되지 않았다. 따라서 <그림 11>처럼 일정한 조건하의 결과를 활용하여 정성적인 분석에 활용하는 데 그치고 있다. (<참고문헌 14, 15> 참조)
▣ 마무리차단기의 기본 개요부터 기술발전 상황, 특히 국내의 기술 발전 진행 등을 중점적으로 살펴보았다. 1990년대 초에 선진국의 도면을 들여와 부품가공 조립에만 의존하던 국내의 차단기 설계 ㆍ 제작 ㆍ 시험평가 기술은 800㎸ 50㎄ 차단기를 세계에서 2번째로 개발하여 중국과 인도에 진출하고, 1100㎸ GCB ㆍ GIS 개발을 눈앞에 둘만큼 세계 최고 수준에 접근해 가고 있다. 하지만 현재 초고압 GCB ㆍ GIS 세계시장은 ABB, Siemens, Areva 등 해외 업체들의 압도적인 점유율 속에 국내 업체들이 어렵게 점유율을 높이고 있는 단계이며 아직은 인지도, 신뢰도, 품질 등에서 경쟁력이 다소 미흡하다고 하겠다. 또한 중국, 인도 등 후발국에서도 막대한 시장 규모의 이점을 활용하여 적극적인 투자를 하고 있다. 따라서 국내 업체들이 초고압 GCB ㆍ GIS 세계시장에서 경쟁력 및 점유율을 획기적으로 높이고 선진국의 견제를 벗어나기 위해서는 선진국을 선도할 수 있는 독자적인 기술을 시급히 확보해야 할 것이다
■ 참고 문헌 [1] R.D. Garzon, High Voltage Circuit Breakers- Design and Applications, Marcel Dekker, Inc. pp75~106. 2002. [2] T.E. Browne, Jr, Circuit Interruption - Theory and Techniques, Marcel Dekker, Inc. pp353~525. 1984. [3] 박경엽, 송기동 외, 25.8㎸급 열팽창분사식 차단부의 개발에 관한 연구, 한국전기연구원 보고서, 1996. [4] 송기동, 초고압 SF6 가스차단기의 소전류 차단성능 해석기술 I, Trans. KIEE, Vol. 50B, No. 7, pp331~337. 2001. [5] 송기동, 초고압 SF6 가스차단기의 소전류 차단성능 해석기술 II, Trans. KIEE, Vol. 50B, No. 8, pp384~392. 2001. [6] 송기동, 팽창실과 파퍼 실린더의 배열형태에 따른 복합 소호 모델 가스차단부의 열적회복특성 비교, Trans. KIEE, Vol. 53B, No.12, pp725~731. 2004. [7] M. Kapetanovic, A. Ahmethoddzic, Model of the New Mechanism for Double-motion of Contacts in a Single Break HV SF6 Circuit Breaker, A3- 101, CIGRE 2006. [8] G. Madarasz, A Comparison between Single- and Dual Motion of Arcing Contact System in High Voltage CBs, XVIIth Symposium on Physics of Switching Arc, pp153~156. 2007. [9] CIGRE Working Group 13.07, Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers, Cigre Report, 2000. [10] 지식경제부, 362㎸ 개폐제어형 가스차단기 개발, 중기거점사업 보고서, 2008. [11] 지식경제부, 245㎸ 40㎄ MDDM형 GIS개발, 중기거점사업 보고서, 2008. [12] 산업자원부, 25.8㎸ Intelligent 복합절연 Switchgear 개발, 중기거점사업보고서, 2006. [13] H.K. Kim, K.Y. Park, K.D. Song, An Optimal Design Tool of SF6 Gas Circuit Breaker to Improve the Small Current Interrupting Performance, CIGRE A3-208, 2008. [14] K.D. Song, Analysis of Dielectric Recovery for SF6 Gas-Blast Arc, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 41, pp6541~6549. 2002. [15] K.D. Song, Analysis of Thermal Recovery for SF6 Gas-Blast Arc within Laval Nozzle, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 42, pp7073~7079. 2003.

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