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Testes de Inversores Híbridos com Armazenamento de Energia

Ildo Bet

1

Workshop Minirredes de Geração e Sistemas de Armazenamento de Energia Elétrica

São Paulo, 27 de Junho de 2017

A Empresa 2

Fundada em São Paulo a empresa PHB Eletrônica Ltda. é especializada no desenvolvimento, produção e prestação de serviços em produtos voltados para energia e infraestrutura nos segmentos de: Telecomunicações; Automação bancária e comercial; Energia solar.

Produtos PHB 3

Produtos PHB 4

INVERSOR SOLAR FOTOVOLTAICO (Monofásicos)

5

Parâmetro PHB1500-SS PHB3000-SS PHB4600-SS Max. Tensão CC [V] 450 Vcc 500 Vcc 580 Vcc

Potência CA Nominal [W] 1500 W 3000 W 4600 W Conexão CA Monofásica / Bifásica – 220 Vca 60 Hz

Max. Eficiência 97.0% 97.0% 97.8% NORMAS BRASILEIRAS ABNT NBR 16149, 16150 e ABNT NBR IEC 62116

INVERSOR SOLAR FOTOVOLTAICO (Trifásicos)

6

Parâmetro PHB14K-DT PHB20K-DT PHB25K-DT Max. Tensão CC [V] 800 Vcc 1000 Vcc 1000 Vcc

Potência CA Nominal [W] 14000 W 20000 W 25000 W Conexão CA 220/127Vca 380/220Vca 380/220Vca

Max. Eficiência 98.4% 98.4% 98.4% NORMAS BRASILEIRAS ABNT NBR 16149, 16150 e ABNT NBR IEC 62116

Software PHB para configuração da tensão da rede

7

Configura os parâmetros: sobre/sub tensão; tempo de religamento; tensão de ativação/desativação da curva de fator de potência.

Configuração da tensão de conexão com a rede elétrica com apenas 1 Click!

String Box - Combiner Box - QDCA 8

Estruturas de Fixação 9

Kit Completo – Gerador Solar Fotovoltaico 10

Kit Gerador FV Híbrido Modular (GFVHM) 1,5 ~ 5kWp

11

Kit Retrofit – Inversor FV Híbrido Modular (IFVHM) 1,5 ~ 5kWp

12

Kit Retrofit – Inversor FV Híbrido Modular (IFVHM) 20kWp

13

Gerador Fotovoltaico Híbrido Modular (Para operação on-grid e off-grid)

14

Aplicação: Backup – Alimentação de emergência em caso de interrupção do fornecimento da rede elétrica.

Principais características: O inversor que faz a interface com a rede a elétrica é

certificado pelo INMETRO;

Adequado para retrofit de sistemas FV conectados à rede

sem bateria;

A alimentação das cargas prioritárias é ininterrupta (tempo

de transferência nulo) e livre de distúrbios que afetam a

qualidade da energia da rede elétrica;

Modularidade.

Gerador Fotovoltaico Híbrido Modular (Para operação on-grid e off-grid)

15

16

Inversor FV Híbrido Modular Bidirecional com Armazenamento de Energia em Baterias Lítio-Íon

Parâmetros Valor Potência (on-grid) 3 kW Potência (off-grid) 3 kVA (2,4 kW) Tensão de operação (ca) 220 Vca Faixa de tensão MPPT (cc) 80 ~ 450 Vcc Tecnologia da Bateria LiFePO4 Energia da Bateria 4 kWh Número de ciclos da Bateria 3000 (100% DOD)

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Aplicações: Backup – Alimentação de emergência em caso de interrupção do fornecimento da rede elétrica; Autoconsumo – Maximiza a utilização da energia produzida pelos módulos FV na própria unidade consumidora; Energy time shift – Redução do consumo de energia elétrica da rede nos períodos em que o custo é mais elevado (tarifação horo-sazonal, tarifa branca); Peak shaving – Redução dos picos de demanda para evitar a ultrapassagem da demanda contratada (consumidores do grupo A). Principais características: O inversor que faz a interface com a rede elétrica é certificado pelo INMETRO; Adequado para retrofit de sistemas FV conectados à rede sem bateria; Não requer a separação de cargas prioritárias e não prioritárias; Bateria de Lítio-Íon LFP (ciclagem diária); Modularidade.

18


19

Portaria INMETRO nº 004, de 04/01/2011 (Portaria INMETRO n° 357, de 01/08/2014)

REQUISITOS DE AVALIAÇÃO DA CONFORMIDADE PARA SISTEMAS E EQUIPAMENTOS PARA ENERGIA FOTOVOLTAICA

ÂMBITO DE APLICAÇÃO

Para fins de etiquetagem, estes Requisitos de Avaliação da Conformidade aplicam-se a: Módulo fotovoltaico;

Bateria;

Controlador de carga e descarga de baterias;

Inversor para sistemas autônomos com potência nominal entre 5W e 10kW;

Inversor para sistemas conectados à rede com potência nominal de até 10kW.

Requisitos de Avaliação da Conformidade (RAC) INMETRO

Sistemas Fotovoltaicos Isolados (Off-Grid) 20

FV

BT

CONTROL.CARGA

INVERSORc.c.-c.a.

CARGASc.a.

INVERSOR OFF-GRID

RAC INMETRO

RAC INMETRO

21

FV

CARGASc.a.

REDEINVERSOR

SFCR

INVERSOR ON-GRID

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR) (On-Grid)

RAC INMETRO

22

FV

BTCARGAS

c.a.

REDEINVERSORHÍBRIDO

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede com Bateria (On-Grid e Off-Grid)

Não contemplado na RAC INMETRO Atual

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Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias (Proposta de Revisão da RAC INMETRO)

I – Ensaios em operação conectada à rede (modo on-grid);

II – Ensaios em operação isolada da rede (modo off-grid);

III – Ensaios de transferência entre modos de operação.

24


I – Ensaios em operação conectada à rede (modo on-grid)

1) Ensaio de proteção contra curto-circuito na saída do inversor (modo on-grid);

2) Conjunto de ensaios dos inversores para SFCR (on-grid).

II – Ensaios em operação isolada da rede (modo off-grid)

III – Ensaios de transferência entre modos de operação

25






1) Ensaio de proteção contra curto-circuito na saída do inversor (modo off-grid);

2) Ensaio de sobrecarga na saída do inversor;

3) Ensaio de proteção contra a inversão de polaridade da bateria;

4) Ensaios de qualidade de energia em regime permanente.


26






1) Ensaio de proteção contra curto-circuito na saída do inversor (modo off-grid);

2) Ensaio de sobrecarga na saída do inversor;

3) Ensaio de proteção contra a inversão de polaridade da bateria;

4) Ensaios de qualidade de energia em regime permanente.


1) Ensaio de transferência entre o modo autônomo e o modo conectado à rede;

2) Ensaio de transferência entre o modo conectado à rede e o modo autônomo.

27

Configurações de Inversores para SFCR com Bateria

SFCR com bateria - Inversor com 4 portas

28

Configurações de Inversores para SFCR com Bateria

SFCR com bateria - Inversor com 3 portas

Rede elétrica

+

+

~

ESE

~~~

_

_

+

_Gerador FV

1

2

3

Baterias

Circuito externo

(opcional)

+

_

CargaConsumidora

CA

~

~

1

2

3

Porta – Gerador FV

Porta – Baterias

Porta – Rede elétrica CA / Cargas consumidoras CA

Legenda:

COM

COM Interface de Comando/Comunicação

Circuitoexterno

(opcional)

Circuitoexterno

(opcional)

Circuitoexterno

(opcional)

Circuito externo

(opcional)

MÓDULO DEDESCONEXÃO

DE REDE

Circuito externo

(opcional)

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Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Ensaio de proteção contra curto-circuito na saída do

inversor (modo on-grid)

Procedimento de ensaio 1) Configurar o simulador de gerador fotovoltaico para fornecer 100% da potência

nominal. 2) Configurar uma carga consumidora CA resistiva com 50% da potência nominal. 3) Fechar as Chaves 1(fv), 2(rede), 3(bat) e 4(carga) e aguardar o circuito entrar em

operação em regime permanente. 4) Com o inversor operando conectado à rede elétrica, fornecendo energia para a

carga consumidora CA e para a rede elétrica, deve-se fechar a Chave 5(c-c), que provocará um curto-circuito.

5) Após um período de 30 segundos de operação em curto-circuito, desligar o sistema. Em caso de proteção com fusível, verificar seu estado. Se estiver queimado, realizar sua substituição.

O inversor deve ser aprovado nesse ensaio se, após a remoção do curto-circuito e do rearme das proteções, o mesmo reiniciar o fornecimento de potência para a rede elétrica e para a carga consumidora CA, dentro dos parâmetros normais de operação.

30



Ensaio utilizando inversor com 4 portas.

chave de curto-circuito

corrente de c-c da rede passa pelo inversor

CH1 FV ON CH2 REDE ON CH3 BATERIA ON CH4 CARGA ON CH5 CURTO-

CIRCUITO OFF → ON

Pfv 100%

Pcarga 50%

OFF → ON

ON

ON ON

ON

31




corrente de c-c da rede não passa pelo inversor


CH1 FV ON CH2 REDE ON CH3 BATERIA ON CH4 CARGA ON CH5 CURTO-

CIRCUITO OFF → ON

Pfv 100%

Pcarga 50%

OFF → ON

ON

ON

ON

ON

32

Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Conjunto de Ensaios para inversores fotovoltaicos

conectados à rede (modo on-grid)

1. Cintilação 2. Injeção de componente contínua 3. Harmônicos e distorção de forma de onda 4. Fator de potência 5. Injeção/demanda de potência reativa 6. Sobre/sub tensão 7. Sobre/sub frequência 8. Controle da potência ativa em sobrefrequência 9. Reconexão 10. Religamento automático fora de fase 11. Modulação de potência ativa 12. Modulação de potência reativa 13. Desconexão do sistema fotovoltaico da rede 14. Requisitos de suportabilidade a subtensões decorrentes de faltas na rede 15. Proteção contra inversão de polaridade 16. Sobrecarga 17. Anti-ilhamento

(RAC Atual) Ensaios 1 – 14: ABNT NBR 16149:2013 ABNT NBR 16150:2013 Ensaios 15 – 16: RAC INMETRO Ensaio 17: ABNT NBR IEC 62116:2012

33

Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Conjunto de Ensaios para inversores fotovoltaicos

conectados à rede (modo on-grid)

(Proposta de Revisão) Ensaios 1 – 14: ABNT NBR 16149:2013 ABNT NBR 16150:2013 Ensaios 15 – 17: RAC INMETRO Ensaio 18: ABNT NBR IEC 62116:2012 Ensaios 19 – 20: IEC 62109-2:2011

1. Cintilação 2. Injeção de componente contínua 3. Harmônicos e distorção de forma de onda 4. Fator de potência 5. Injeção/demanda de potência reativa 6. Sobre/sub tensão 7. Sobre/sub frequência 8. Controle da potência ativa em sobrefrequência 9. Reconexão 10. Religamento automático fora de fase 11. Modulação de potência ativa 12. Modulação de potência reativa 13. Desconexão do sistema fotovoltaico da rede 14. Requisitos de suportabilidade a subtensões decorrentes de faltas na rede 15. Eficiência 16. Proteção contra inversão de polaridade 17. Sobrecarga 18. Anti-ilhamento 19. Resistência de Isolamento 20. Detecção de corrente residual

34


nominal. 2) Configurar uma carga consumidora CA resistiva com 50% da potência nominal. 3) Ligar o inversor em modo autônomo (Chave 2(rede) aberta e Chaves 1(fv), 3(bat)

e 4(carga) fechadas) e aguardar o início de fornecimento de tensão para a carga consumidora.

4) Com o inversor operando em modo autônomo, fornecendo energia para a carga consumidora CA, deve-se fechar a Chave 5(c-c) que provocará um curto-circuito.

5) Após um período de 30 segundos de operação em curto-circuito, desligar o sistema. Em caso de proteção com fusível, verificar seu estado. Se estiver queimado realizar sua substituição.

O inversor deve ser aprovado nesse ensaio se, após a remoção do curto-circuito e do rearme das proteções, voltar à operação normal fornecendo potência para a carga consumidora CA. Nota: A bateria deve estar conectada e totalmente carregada.


inversor (modo off-grid)

35


inversor (modo off-grid)

Rede elétrica

Osciloscópio

Chave 2

Analisador de energia

Chave 1

++

~

ESE

~~~

_

_

~ ~

+

_Gerador FV

1

2

3

4

+

_Baterias

1

2

3

4


Porta – Baterias

Porta – Rede elétrica CA

Porta – Cargas Consumidoras CA

Legenda:

Elementos externos de utilização obrigatória especificados no manual do fabricante

Chave 4

Chave 3

CargaConsumidora

CA

~

~

Chave 5

Pfv 50%

Pcarga 50%

CH1 FV ON CH2 REDE OFF CH3 BATERIA ON CH4 CARGA ON CH5 CURTO-

CIRCUITO OFF → ON



OFF → ON

ON

ON

ON

OFF

36

Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Ensaio de sobrecarga na saída do inversor

(modo off-grid)


nominal do inversor. 2) Configurar uma carga consumidora CA resistiva com 120% da potência nominal

do inversor. 3) Ligar o inversor em modo autônomo (Chave 2(rede) aberta e Chaves 1(fv), 3(bat)

e 4(carga) fechadas) e aguardar o início de fornecimento de tensão para a carga consumidora CA.

4) A condição de sobrecarga deve ser mantida durante 10 minutos. O inversor pode cessar o fornecimento de potência durante esse período.

5) Após o período de aplicação da sobrecarga o inversor deve ser desligado. 6) Configurar uma carga consumidora CA resistiva com 100% da potência nominal

do inversor. 7) Religar o inversor. O inversor deve ser aprovado nesse ensaio se retornar ao funcionamento normal sem danos após a realização do ensaio.

37

Rede elétrica

Osciloscópio

Chave 2


Chave 1

++

~

ESE

~~~

_

_

~ ~

+

_Gerador FV

1

2

3

4

+

_Baterias

1

2

3

4


Porta – Baterias



Legenda:


Chave 4

Chave 3

CargaConsumidora

CA

~

~

Chave 5

Pfv 100%

Pcarga 120%


CIRCUITO OFF


Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Ensaio de sobrecarga na saída do inversor

(modo off-grid)

ON

ON

ON

OFF

OFF

38

Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Ensaio de proteção contra a inversão de polaridade

da bateria (modo off-grid)

Procedimento de ensaio 1) Montar o sistema com a todas as chaves abertas. 2) Inverter a polaridade na conexão da bateria e fechar a Chave 3(bat). 3) Manter o inversor ligado durante 5 minutos. 4) Desligar o inversor. Em caso de proteção com fusível, verificar seu estado. Se

estiver queimado realizar sua substituição. 5) Abrir a Chave 3(bat) e conectar a bateria com polaridade correta. 6) Fechar a Chave 3(bat) e verificar o funcionamento do inversor como originalmente,

medindo a tensão na saída para cargas consumidoras CA. O inversor deve ser aprovado nesse ensaio se retornar ao funcionamento normal sem danos após a realização do ensaio.

39

Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Ensaio de proteção contra a inversão de polaridade

da bateria (modo off-grid)

Ensaio utilizando inversor com 4 portas. CH1 FV OFF CH2 REDE OFF CH3 BATERIA OFF → ON CH4 CARGA OFF CH5 CURTO-

CIRCUITO OFF

OFF → ON

OFF

OFF

OFF

OFF

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Ensaio de qualidade de energia em regime permanente - Limites.

Tolerância da tensão eficaz de saída do inversor - (PRODIST): onde Vnom é o valor nominal da tensão de referência do equipamento, que deve ser um dos valores definidos no PRODIST.

0,92 Vnom < V < 1,05 Vnom Tolerância da frequência de saída do inversor - (PRODIST) para o limite inferior e ABNT NBR 16149 para o limite superior:

59,9Hz < f < 62Hz. Distorção Harmônica Total de Tensão do inversor (DTT%) - (PRODIST).

Inferior a 10% em relação à componente fundamental da tensão. (até a 25ª ordem harmônica)

Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Ensaio de qualidade de energia em regime

permanente (modo off-grid)

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Distorção Harmônica Individual de Tensão (DITh) - (PRODIST) Ordem Harmônica Distorção Harmônica Individual de Tensão (%)

Ímpares não múltiplas de

3

5 7,5 7 6,5 11 4,5 13 4 17 2,5 19 2 23 2 25 2

Ímpares múltiplas de

3

3 6,5 9 2

15 1 21 1

>21 1

Pares

2 2,5 4 1,5 6 1 8 1

10 1 12 1

>12 1



42

As condições de carga consideradas nos ensaios de qualidade de energia

em regime permanente, são listadas abaixo:

a) Carga resistiva com potência ativa nominal;

b) Carga RL (resistiva e indutiva) com fator de potência 0,9;

c) Carga RC (resistiva e capacitiva) com fator de potência 0,9;

d) Carga não linear, especificada segundo a norma ABNT NBR 15204

(nobreak).

R1C

Rs

VnomVc



43



Procedimento de ensaio 1) Configurar a carga consumidora CA de acordo com a condição A (carga resisitiva). 2) Configurar o simulador de gerador fotovoltaico para fornecer 100% da potência

nominal. 3) Ligar o inversor em modo autônomo (Chave 2(rede) aberta e Chaves 1(fv), 3(bat)

e 4(carga) fechadas), e aguardar, no mínimo, 5 minutos após o início do fornecimento de tensão.

4) Medir e registrar a tensão eficaz, a frequência, a distorção harmônica total da tensão e a distorção harmônica individual de tensão até a 25ª ordem harmônica, durante um período mínimo de 1 minuto.

5) Repetir do passo 1 até o passo 4 para as condições de carga B, C e D. O inversor deve ser aprovado nesse ensaio se os parâmetros medidos no item 4 estiverem dentro dos limites estabelecidos, nas condições de carga A, B, C e D. Nota: A bateria deve estar conectada e totalmente carregada.

44



Rede elétrica

Osciloscópio

Chave 2


Chave 1

++

~

ESE

~~~

_

_

~ ~

+

_Gerador FV

1

2

3

4

+

_Baterias

1

2

3

4


Porta – Baterias



Legenda:


Chave 4

Chave 3

CargaConsumidora

CA

~

~

Chave 5


Analisador de Energia

a) Carga resistiva; b) Carga RL (FP = 0,9); c) Carga RC (FP = 0,9); d) Carga não linear.


CIRCUITO OFF

Pfv 100%

ON

ON

ON

OFF

OFF

45

Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Ensaio de transferência do (modo off-grid) para o

(modo on-grid)

Procedimento de ensaio 1) Um simulador de rede com potência compatível e de acordo com NBR 16150 deve

ser utilizado. 2) Configurar o simulador de gerador fotovoltaico para fornecer 100% da potência

nominal. 3) Configurar uma carga consumidora CA resistiva com 50% da potência nominal. 4) Monitorar continuamente as tensões e correntes fornecidas à carga através de um

osciloscópio. 5) Ligar o inversor em modo autônomo (Chave 2(rede) aberta e Chaves 1(fv), 3(bat)

e 4(carga) fechadas) e aguardar o período mínimo de 5 minutos após o início de fornecimento de tensão para a carga consumidora CA.

6) Fechar a Chave 2(rede), com um simulador de rede em funcionamento. 7) Os sinais medidos no osciloscópio devem ser armazenados desde, no mínimo, 1

minuto antes da comutação da Chave 2(rede), e até 1 minuto após reiniciar a injeção de potência na rede elétrica.

46


(modo on-grid)

Procedimento de ensaio

Considera-se que o sistema está aprovado nesse ensaio se:

O período de interrupção de tensão à carga consumidora CA, estiver de acordo com

as especificações do fabricante.

O tempo máximo de interrupção deve estar abaixo da tolerância de +10% do

especificado pelo fabricante.

Não deve ocorrer uma tensão na carga consumidora CA com valor eficaz superior a

125% da tensão eficaz nominal.

47


(modo on-grid)

Rede elétrica

Osciloscópio

Chave 2


Chave 1

++

~

ESE

~~~

_

_

~ ~

+

_Gerador FV

1

2

3

4

+

_Baterias

1

2

3

4


Porta – Baterias



Legenda:


Chave 4

Chave 3

CargaConsumidora

CA

~

~

Chave 5

Pfv 100%

Pcarga 50%

CH1 FV ON CH2 REDE OFF → ON CH3 BATERIA ON CH4 CARGA ON CH5 CURTO-

CIRCUITO OFF


Osciloscópio

OFF → ON

OFF

ON

ON

ON

48

Ensaios dos Inversores para SFCR com Baterias Ensaio de transferência do (modo on-grid) para o

(modo off-grid)

Procedimento de ensaio 1) Um simulador de rede com potência compatível e de acordo com NBR 16150 deve

ser utilizado. 2) A Chave 2(rede) deve estar inicialmente fechada, as Chaves 1(fv) e 3(bat) e

4(carga) devem permanecer fechadas. 3) Configurar o simulador de gerador fotovoltaico para fornecer 100% da potência

nominal. 4) Configurar uma carga consumidora CA resistiva, com 50% da potência nominal. 5) Monitorar continuamente as tensões e correntes fornecidas à carga consumidora

CA através de um osciloscópio. 6) Abrir a Chave 2(rede). 7) Os sinais medidos no osciloscópio devem ser armazenados desde, no mínimo, 1

minuto antes e até 1 minuto depois da comutação da Chave 2(rede).

49


(modo off-grid)

Procedimento de ensaio

Considera-se que o sistema está aprovado nesse ensaio se:

O período de interrupção de tensão à carga consumidora CA, estiver de acordo com

as especificações do fabricante.

O tempo máximo de interrupção deve estar abaixo da tolerância de +10% do

especificado pelo fabricante.

Não deve ocorrer uma tensão na carga consumidora CA com valor eficaz superior a

125% da tensão eficaz nominal.

50


(modo off-grid)

Rede elétrica

Osciloscópio

Chave 2


Chave 1

++

~

ESE

~~~

_

_

~ ~

+

_Gerador FV

1

2

3

4

+

_Baterias

1

2

3

4


Porta – Baterias



Legenda:


Chave 4

Chave 3

CargaConsumidora

CA

~

~

Chave 5

Pfv 100%

Pcarga 50%

CH1 FV ON CH2 REDE ON → OFF CH3 BATERIA ON CH4 CARGA ON CH5 CURTO-

CIRCUITO OFF


Osciloscópio

ON → OFF

ON

ON

ON

OFF

51

Conclusão

A grande variedade de inversores híbridos sendo

comercializados no mercado internacional, a tendência de

queda nos preços das baterias e o aumento do interesse dos

consumidores são os motivadores para a proposição de uma

revisão da RAC INMETRO, que contemple os inversores

híbridos.

Os ensaios propostos para os inversores híbridos combinam

os requisitos de inversores on-grid, off-grid e no-break.

52

Conclusão

Os ensaios propostos são divididos em três grupos: Ensaios para operação no modo on-grid; Todos os ensaios do inversor on-grid e ensaio adicional de curto-

circuito. Ensaios para operação no modo off-grid; Ensaios de qualidade de energia e proteções contra sobrecarga,

curto-circuito e inversão de polaridade da bateria. Ensaios para transição entre os modos on-grid e off-grid. Verificação do tempo de transição e a ocorrência de sobretensão.

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Obrigado!

[email protected]

(11)3835-8300 - (11)99918-8428

www.phb.com.br

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São Paulo, 27 de Junho de 2017

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