Clasificación de sobretensiones según norma IEC 60071-2

Figura 1: Clases, formas de onda y tiempos característicos de sobretensiones

 

Una sobretensión es un voltaje anormal existente entre fase y tierra o entre fases, cuyo valor pico es superior al valor pico del máximo voltaje de operación normal. Según la Norma IEC 60071-2 las sobretensiones se clasifican de acuerdo a su forma y duración en sobretensiones: de baja frecuencia y transitorios. En las Figuras 1 se muestran la clasificación de formas donda y tiempos característicos de las sobretensiones.

Y en la Figura 2 se muestra la clasificación de las sobretensiones transitorias según su duración.

Figura 2: Clasificación de sobretensiones según su duración

Cada tipo de sobretensión está dentro de una gama de frecuencias determinada la cual lo caracteriza, como se muestra en la tabla 1.

Tabla 1: Clasificación de gamas de frecuencias de tensiones

Además cada fenómeno eléctrico genera un transitorio en un rango de frecuencia, como se muestra en la tabla 2.

Tabla 2: Bandas de frecuencias de procesos transitorios

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¿Es rentable reparar un motor averiado?

 

Cuando se encuentran ante un motor averiado, muchos usuarios optan por rebobinarlo en lugar de comprar otro nuevo, creyendo que esta es la opción más barata. Aunque esta idea es cierta si se compara sin más el coste de rebobinado y el coste de un nuevo motor, las pérdidas de rendimiento resultantes eliminan cualquier ahorro inicial.

Esto quedó demostrado claramente en el experimento realizado por Ontario Hydro. La empresa Ontario Hydro compró diez motores nuevos de 15 kW, que a continuación fueron sometidos a prueba de forma independiente. Después se hizo averiar deliberadamente los motores y se enviaron a nueve empresas de reparación diferentes. Una vez rebobinados, los motores fueron sometidos otra vez a prueba; los resultados aparecen en la Tabla 1.

Ontario Hydro llegó a la conclusión de que en muchos casos es mejor desechar los motores de rendimiento estándar averiados y sustituirlos por modelos de alto rendimiento.

En un motor rebobinado se produce pérdida de eficiencia, que tiene varias razones: el aumento de pérdidas en el núcleo por las altas temperaturas que aparecen durante la avería; los daños en los laminados del motor al desmontar el mismo; el aumento de pérdidas en el cobre por la costumbre de utilizar conductores más pequeños, lo cual incrementa las pérdidas I²R; finalmente, el montaje de ventiladores de refrigeración universales, probablemente no diseñados para el motor en cuestión, incrementa las pérdidas por rozamiento con el aire.

Esta pérdida de eficiencia y el consiguiente aumento de los costes de explotación hace que rebobinar los motores no sea una opción tan atractiva como parece a primera vista, tal como puede verse en la Tabla 2.

En la tabla puede verse que la compra de un motor nuevo de ABB da lugar a un ahorro de 690 dólares ya durante el primer año.

La decisión de sustituir o rebobinar un motor puede tomarse mucho antes de que se produzca una avería; el personal responsable ha de disponer de unas directivas claras.

Alto rendimiento también significa mayor fiabilidad, paradas más cortas y menos mantenimiento. La reducción de pérdidas tiene diversas consecuencias:

• más tolerancia a las tensiones térmicas causadas por las paradas o arranques frecuentes del motor,
• más capacidad para superar las condiciones de sobrecarga,
• más resistencia a las condiciones de funcionamiento anormales (subtensión y sobretensión o desequilibrio de fases),
•  más tolerancia a las ondas de tensión e intensidad.

Una política bien definida de gestión de motores ayuda a comparar los costes de inversión, los costes de mantenimiento y los beneficios, mostrando la interrelación entre estos factores cuando se comparan motores de distintos tipos.

Al renovar su parque de motores con unidades de alto rendimiento en el momento económicamente más ventajoso, el usuario se beneficia de esta política gracias a la reducción de los costes de energía. La planificación de futuro implicada por este procedimiento determina la reducción de los tiempos de parada y de los trabajos de inventario, ya que se puede prever un contrato de seguimiento y entrega rápida.

FUENTE:

 

Revista ABB 1/2000: Motores más eficientes para un medio ambiente mejor (Ian Rennie)  

 

 

 

 

Verdades y mentiras sobre los armónicos

 

Si bien los armónicos pueden dar lugar a diversos fenómenos, éstos están naturalmente sometidos a las leyes de la electricidad, es decir, no cabe atribuirlos a aquello que no comprendemos por simple asociación de la incomprensión de ambos.

1.- ¿Los armónicos cuestan dinero?

A pesar de no existir ningún tipo de penalización (aunque sí limitaciones según IEC-61000-3-4) por inyectar armónicos a la red sí que éstos producen pérdidas en receptores y líneas, y estas pérdidas son kWh que se consumen innecesariamente.

En los transformadores se producen pérdidas en vacío y en carga, siendo estas últimas las afectadas por la presencia de armónicos en la corriente del secundario y comprenden tanto pérdidas en los devanados como en el hierro (núcleo, cuba y otras partes de acero).

Ver post: Influencia de los armónicos en Transformadores

https://imseingenieria.blogspot.com/2019/06/influencia-de-los-armonicos-en.html

En los motores también se producen pérdidas similares a parte de vibraciones mecánicas.

Ver post: Influencia de los armónicos en motores

https://imseingenieria.blogspot.com/2019/07/influencia-de-los-armonicos-en-motores.html

En consecuencia podríamos decir que los armónicos son caros de mantener y por tanto no está de más evitarlos y si esto no es posible será mejor eliminarlos. Todos estos efectos contribuyen además a reducir la vida de las máquinas.

En las líneas o cables eléctricos causan también pérdidas por el aumento del valor eficaz de la corriente y por acentuar el efecto skin (efecto pelicular). Este fenómeno produce un aumento de la resistencia de los conductores al reducir la sección de paso de la corriente al concentrarse ésta en la periferia del conductor.

Ver post: Influencia de los armónicos en cables de potencia

https://imseingenieria.blogspot.com/2019/07/influencia-de-los-armonicos-en-cables.html

2.- ¿Son ruidosos los armónicos?

Podríamos decir que no solo son ruidosos sino que también producen vibraciones por donde circulan. De todos modos son conocidas las vibraciones de núcleos de chapa magnética en transformadores y motores, vibración y zumbido inversamente asociado a la calidad de la máquina y directamente a la tasa armónica. Los armónicos son capaces de crear oscilaciones mecánicas si su interacción con el campo magnético fundamental es capaz de excitar una resonancia mecánica.

3.- Los armónicos provocan el disparo de interruptores automáticos, la fusión de fusibles, la desconexión de diferenciales y otros fenómenos que inducen a confundir al operario electricista

Las corrientes armónicas pueden ser la causa de disparos intempestivos o de la fusión de fusibles sin causa aparente. En estos casos no solo influye el aumento del valor eficaz de la corriente y el calentamiento por efecto pelicular sino también la frecuencia de los armónicos más destacados. Así puede producirse el disparo de un interruptor automático aunque no se alcance el valor de la corriente de disparo.

En los fusibles puede incluso producirse la explosión del cartucho. En cuanto a los diferenciales, son bastante raros pero no disparan sin causa, si lo hacen es porque se producen fugas a tierra no por los armónicos en si mismos.

Las fugas a tierra pueden producirse por defectos de aislamiento y por corrientes capacitivas debidas a las capacidades de las propias líneas respecto a tierra o por condensadores de filtros de determinados dispositivos (reactancias electrónicas y PCs por ejemplo). Las tensiones armónicas al ser de frecuencia superior a la de la red se encontrarán reactancias capacitivas más bajas y por tanto corriente de fugas a tierra más altas que pueden contribuir a disparos más frecuentes. Así cuando se alimenta a receptores con líneas de gran longitud y además estos descargan a tierra (corrientes de AF generalmente), suelen causar confusión en los operarios de mantenimiento.

Ver post:  Disparos intempestivos en interruptores diferenciales

https://imseingenieria.blogspot.com/2015/05/disparos-intempestivos-en-interruptores.html

3.1.- ¿Existe solución a estos problemas?

En parte sí, pero hay que actuar metódicamente:

1º) Limitar el número de circuitos protegidos por un mismo diferencial

2º) Utilizar diferenciales tipo A inmunizados o superinmunizados (SI), y si estas medidas fueran insuficientes utilizar filtros de armónicos.

4.- ¿Los armónicos empeoran el factor de potencia?

Antes debemos de precisar que el factor de potencia no es igual al cos 𝜑, el cual deberíamos llamar factor de desplazamiento en redes con armónicos. Así el factor de potencia (FP) debe de expresarse por:

Siendo λ = I₁/I, el cociente entre la corriente fundamental y eficaz del circuito en cuestión. Por supuesto, si no fuera por los armónicos,  I₁ = I y por tanto λ = 1 y FP = cos 𝜑.

La afirmación, por tanto, es correcta y los armónicos si bien no afectan al cos 𝜑 sí empeoran el factor de potencia ya que la corriente eficaz en estos casos es superior a la fundamental.

Ver post: Diferencia entre factor de potencia y cos 𝜑

https://imseingenieria.blogspot.com/2016/10/diferencia-entre-factor-de-potencia-y.html

Así mejorar el FP en receptores no lineales supone en la mayoría de casos reducir las corrientes armónicas producidas. Este sería por ejemplo el caso de las lámparas fluorescentes con reactancias electrónicas, puesto que su cos 𝜑 =1, es decir no consumen energía reactiva.

Es conveniente recordar que un FP bajo implica reducir la potencia aparente disponible en una red y por tanto infrautilizar transformadores y lineas.

5.- Las baterías de condensadores al ser cargas lineales no generan armónicos y por tanto, no los pueden amplificar

 

En parte cierto y en parte falso, las corrientes armónicas generadas por los dispositivos perturbadores de una red pueden ser peligrosamente amplificadas por la presencia de baterías de condensadores.

 

En particular, al incorporar una batería de condensadores de compensación de potencia reactiva con equipos generadores de armónicos, debe tenerse en cuenta que aunque los condensadores son cargas lineales, y por lo tanto no crean armónicos por sí mismos, pueden contribuir a producir una amplificación importante de los armónicos existentes. 

 

Hay que considerar que la impedancia de un condensador se reduce cuando crece la frecuencia, presentando así un camino fácil de baja impedancia para las corrientes de las armónicas superiores.

 

Los condensadores forman un circuito paralelo con el transformador, así las corrientes armónicas generadas por los elementos no lineales se dividen entre las dos ramas de este circuito paralelo, dependiendo de la impedancia presentada por el circuito para cada armónico.

 
De esta manera, la corriente eficaz que pasa a través del condensador y por la red de distribución puede ser mucho mayor que la generada por el equipo no lineal si la frecuencia de un armónico característico de la carga no lineal con amplitud importante, fuera próximo a la frecuencia de resonancia del circuito paralelo,

 

Ver posts:

Influencia de los condensadores en redes con armónicos

https://imseingenieria.blogspot.com/2015/07/influencia-de-los-condensadores-en.html

¿Qué batería de condensadores elegir en una red con armónicos?

https://imseingenieria.blogspot.com/2019/06/que-bateria-de-condensadores-elegir-en.html

 

 

¿Por qué los pararrayos deben instalarse lo más cerca posible de los equipos?

 

La protección de los pararrayos está dada solo en una distancia L de protección limitada.

Este parámetro depende estrechamente del nivel de protección del pararrayos, o tensión residual Up, y de la pendiente S de la onda de sobretensión. Su valor, que se calcula con la ecuación de la figura 1, corresponde al caso más desfavorable de reflexión total en un extremo abierto.

Figura 1: Arriba: Interacción del pararrayos de sobretensiones con la onda entrante U(t)

Abajo: Cálculo de la longitud L de la protección con reflexión de onda total. La distancia de protección aumenta al reducirse la tensión residual Up pero disminuye cuando se hace mayor la pendiente S de la onda. Para descargas eléctricas a distancia es típica una pendiente en torno a 1.200 kV/μs.

 

L Alcance de protección, en m
UBIL Nivel de aislamiento básico del equipo (por ejemplo un transformador), en kV Up Nivel de protección del pararrayos, en kV
S Pendiente de la onda de sobretensión (aprox. 1.200 kV/μs)
V Velocidad de propagación de la onda

Línea aérea, aprox. 300 m/μs

Cable, aprox. 150 m/μs

 

Dado que no todos los pararrayos ofrecen el mismo nivel de protección, la distancia de protección también varia. La Tabla 1 muestra las diferencias entre los pararrayos disponibles actualmente. Se aprecia que los valores de protección son particularmente bajos en los pararrayos con carcasa de polímero de los tipos MWK y POLIM-D (ABB). Sus mejores distancias de protección los hacen superiores a los demás productos disponibles en el mercado.

Cuanto más cerca del equipo se encuentra un pararrayos, mejor es la protección que ofrece. La conclusión lógica es que la mejor protección se conseguirá combinando estrechamente el pararrayos y el equipo o incluso integrando aquél en éste.

Tabla 1: Comparativa de diversos pararrayos. Los bajísimos niveles de protección de los pararrayos con carcasa de polímero (tipos MWK y POLIM-D) dan como resultado mejores distancias de protección.

Integración de los pararrayos en los equipos

La protección de sobretensión, basada ahora en un pararrayos integrado y no en un pararrayos a distancia, trae consigo varias ventajas obvias. No sólo se hace mejor y más eficaz la protección, sobre todo para las corrientes transitorias súbitas, sino que la combinación de equipos resulta más económica por la menor necesidad de espacio y por la reducción del trabajo logístico y de montaje.

Este tipo de integración ya se ha implementado satisfactoriamente, por ejemplo en los transformadores, en los cuales el pararrayos se encuentra en un depósito, sumergido en aceite o integrados en los bornes de MT. También son conocidas las combinaciones con seccionadores de Alta Tensión y desconectadores de fusible de Media Tensión. En el desconectador de fusible que aparece en la figura 2, uno de los aisladores de poste ha sido sustituido por un pararrayos MWK (ABB) de alto rendimiento. El resultado es una protección más eficaz contra las sobretensiones, una reducción de las necesidades de espacio y mayor facilidad del montaje. Otras posibilidades son la integración en aisladores de línea o en transformadores de medición.

Figura 2: Seccionador-fusible. El aislador de poste de la izquierda posee un pararrayos MWK integrado; el aislador de la derecha es de tipo convencional.

La figura 3 muestra un pararrayos-aislador de línea del tipo POLIM-S (ABB), suspendido, que en un mismo dispositivo combina las funciones de soporte mecánico y de protección contra las sobretensiones. También se han creado diversas combinaciones, en estrecha proximidad, de pararrayos y pasantes de alta tensión para obtener una protección del transformador más eficaz y para un pasante de alta tensión con aislamiento de gas.

Figura 3: Pararrayos-aisladores de línea en suspensión, combinando el soporte mecánico y la protección contra sobretensiones en un solo dispositivo

El pasante-pararrayos de media tensión, plenamente integrado, que aparece en la figura 4, combina un pararrayos normal de clase 2 con un pasante de intemperie para formar un único componente compacto. Estas soluciones son factibles gracias al desarrollo de nuevos elementos tubulares de MO (óxidos metálicos) que permiten una integración concéntrica extremadamente compacta sin afectar a la funcionalidad del dispositivo de protección o del pasante.

Figura 4: Posibilidades de integración: el pararrayos de 24 kV (centro izquierda) y el pasador de intemperie (izquierda) se pueden combinar formando un pasante-pararrayos compacto (centro derecha) que puede conectarse a una terminación DIN estándar.

Esta integración, que tiene efectos críticos sobre las características del campo eléctrico de los equipos, ha de ser tenida en cuenta en el diseño. Es necesario, por ejemplo, investigar a fondo la influencia mutua de las partes adyacentes sobre la distribución del campo.

Los ensayos y cálculos de campo han demostrado la posibilidad de obtener soluciones optimizadas y altamente integradas. En la figura 5 se muestra, por ejemplo, el trazado para una terminal de cable con pararrayos integrado. Este ejemplo evidencia la uniformidad de la distribución del campo dada por los elementos MO, la cual proporciona al mismo tiempo la función de nivelación del campo eléctrico y la absorción de sobretensiones en el dispositivo integrado.

Figura 5: Distribución del campo eléctrico para una terminación de pararrayos integrado de 24 kV

Una desventaja potencial de la integración es que una sobrecarga del pararrayos podría afectar al funcionamiento del material utilizado para el encapsulado. Sin embargo, la probabilidad de que esto ocurra se reduce al seleccionar una mayor capacidad de absorción de energía, tomando por ejemplo CEI clase 2 en lugar de clase 1. En el ejemplo de la figura 3, se han seleccionado pararrayos CEI clase 3 para reducir de manera importante las averías y proporcionar la máxima disponibilidad posible incluso cuando se producen descargas eléctricas muy frecuentes. Los ensayos de resistencia del aislamiento se ven afectados, naturalmente, por el pararrayos integrado y, en consecuencia, se precisan nuevos criterios de ensayo. Este punto se analiza, por ejemplo, en CEI 60694.

 

FUENTE:

Revista ABB 1/2002: Nuevos enfoques de la protección contra sobretensiones (Walter Schmidt, Felix Greuter)

 

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Importancia de los actuadores magnéticos en interruptores de MT

El mecanismo de funcionamiento de un interruptor tiene la función, aparentemente ‘sencilla’, de mover los contactos desde la posición cerrada a la abierta o viceversa y, una vez que la posición requerida ha sido alcanzada, asegurar que los contactos permanezcan en esa posición hasta que se haya dado la orden precisa de que vuelvan a cambiar de posición. El mecanismo de funcionamiento es, por tanto, un actuador biestable típico. Esta función ha sido realizada de forma muy fiable y segura durante muchos años mediante dispositivos mecánicos de muelle y de retención. Sin embargo, las oportunidades que ofrecen hoy los avances en electrónica de potencia han derivado en la búsqueda de un dispositivo de funcionamiento más flexible y más fácil de controlar. Obviamente, un requisito esencial de cualquier nuevo sistema era garantizar un rendimiento igual o superior al del mecanismo tradicional basado en muelles, tanto en términos de fiabilidad como de seguridad y durabilidad.

Una solución apropiada se ha encontrado en el ‘actuador magnético’. Un sistema especialmente diseñado que combina electroimanes con imanes permanentes proporciona la energía de funcionamiento necesaria para el movimiento de los contactos, así como la esencial característica biestable. Los interruptores de SF6 y de vacío son mantenidos en posición abierta o cerrada por la fuerza de un imán permanente sin necesidad de energía externa alguna. El cambio de estado de los contactos móviles es originado por un cambio de dirección del campo magnético resultante de la excitación de los electroimanes, que son los elementos de control del actuador. La modulación de la corriente de alimentación de los electroimanes permite que la energía desarrollada por el sistema sea ajustada a las necesidades de los diferentes tipos y valores nominales de interruptores automáticos.

El mecanismo de funcionamiento resultante tiene una construcción considerablemente más sencilla que el sistema mecánico convencional.

La drástica reducción del número de piezas disminuye inherentemente las posibilidades de fallo, reduciéndose al mínimo el nivel de mantenimiento requerido. En la figura de cabecera se muestra la construcción de dicho actuador, con núcleo de hierro laminado fijo, imanes permanentes, inducido de acero y bobinas de apertura y cierre. Todas las funciones auxiliares, tales como interbloqueo, señalización, desconexión, cierre, etc., y las funciones de autodiagnóstico, son proporcionadas electrónicamente. Un condensador electrolítico suministra la sobretensión transitoria necesaria para la apertura y el cierre de las bobinas.

Construcción básica de los dispositivos de conmutación

Los nuevos interruptores automáticos de SF6 y de vacío accionados magnéticamente son totalmente intercambiables, tanto entre sí como con diseños anteriores. Esta intercambiabilidad es de gran importancia para los operadores de la instalación, dado que permite reequipar con mínimo coste el instrumental de conmutación.

En la figura siguiente puede verse claramente el número, tan pequeño, de componentes utilizados, lo cual reduce significativamente la posibilidad de fallo.

Interruptores automáticos de Media Tensión, VM1 de vacío (a la derecha) yHM1 de SF6  de ABB, donde se aprecia el pequeño número de componentes. 

La sencillez es también una de las características del polo de vacío incrustado y del interruptor de SF6 que utiliza la técnica del autotampón, especialmente idónea para las aplicaciones de Media Tensión.

Gracias a la tecnología de incrustaciones no se necesitan estructuras especiales de apoyo para el interruptor o sus terminales.

Conmutación rápida

Una propiedad importante del actuador magnético, ya mencionada, es la versatilidad de sus funciones de control. El aprovechamiento de su flexibilidad abre las puertas a nuevas soluciones para problemas importantes asociados a la distribución eléctrica, cuya resolución, cuando ha sido posible, ha supuesto siempre un alto coste. Uno de dichos problemas es la rápida conmutación de transferencia entre fuentes de energía en el caso de fallo en un sistema.

Este problema se ha puesto especialmente de manifiesto durante los últimos años por causa de la multiplicación de las cargas sensibles a la calidad de la energía, principalmente debida a la utilización de equipos electrónicos. La solución actual, basada en dispositivos de electrónica de potencia, es muy eficiente desde el punto de vista técnico, pero al mismo tiempo excesivamente cara. La introducción del actuador magnético ha permitido acelerar el funcionamiento de un interruptor automático de Media Tensión hasta el mínimo absoluto, es decir, al puro tiempo de extinción del arco. Mediante la utilización de interruptores automáticos de Media Tensión accionados magnéticamente y de una electrónica básica apropiada, ha sido posible reducir los tiempos de conmutación de transferencia de la fuente de potencia a menos de 40 ms. Este tiempo es tan corto que resuelve la mayor parte de los problemas provocados por las cargas sensibles a un coste muy competitivo comparado con el de las soluciones basadas en la electrónica de potencia.

Interruptor automático síncrono

La disponibilidad de estos nuevos interruptores automáticos con mecanismos de actuación magnética tiene otra ventaja importante, pues crea las bases para una conmutación síncrona.

Esta técnica de conmutación supone que los polos del interruptor funcionan independientemente, abriéndose o cerrándose cada uno de ellos en el momento más apropiado en función de las condiciones de corriente y/o tensión imperantes en la fase correspondiente. La conmutación síncrona minimiza los esfuerzos eléctrico y mecánico producidos tanto en el lado de alimentación como en el de carga del circuito conmutado, así como en el propio interruptor cuando se corta la corriente. Con la conmutación síncrona se minimiza la cantidad de energía que debe ser disipada en la cámara de interrupción y se reduce enormemente cualquier sobretensión derivada de la operación de conmutación. Todas estas ventajas son resultado de un preciso control del funcionamiento del interruptor, lo cual es posible gracias al actuador magnético. La precisión del control es tan grande que se puede sincronizar el término del desplazamiento del contacto móvil con el paso por cero de la corriente en cada fase.

Además, la conmutación síncrona minimiza, teóricamente incluso hasta el valor nulo, los picos de la corriente de entrada y las sobretensiones que se producen durante la energización de las cargas inductivas o capacitivas.

Dado el tipo de carga, estos resultados se obtienen controlando el cierre de los contactos de acuerdo con el máximo de corriente o de tensión. Las operaciones de cierre y apertura descritas se realizan con una tolerancia máxima de ±0,5 ms y ±1 ms respectivamente. Estos valores son una medida efectiva del avance tecnológico conseguido al combinar la electrónica digital con el actuador magnético.

Esta evolución dará lugar a un aumento de fiabilidad del sistema eléctrico en su conjunto, así como a una mayor seguridad para los operarios y a una reducción de costes asociada a la minimización del esfuerzo eléctrico y del desgaste del equipo eléctrico.

Integración con sensores y electrónica

El hardware y software disponibles hoy en día para ser utilizados con interruptores automáticos accionados magnéticamente permiten dar un nuevo paso adelante hacia la integración funcional completa. Con la programación informática adecuada y los sensores de corriente y de tensión necesarios, hoy es posible la integración directa de las funciones de protección en el sistema de control del interruptor.

Esto convierte al interruptor automático en un dispositivo totalmente automatizado en materia de funciones de protección y de conmutación, lográndose máxima fiabilidad como resultado de reducir al mínimo los interfaces de los componentes. Esta total integración de las funciones básicas del equipamiento de conmutación ha demostrado ser el camino correcto a seguir en aplicaciones de distribución secundaria de Media Tensión, confirmando que es una técnica puntera en el campo de equipamiento de Baja Tensión.

 

FUENTE:

Revista ABB 4/2000: En busca del interruptor idóneo de Media Tensión  (Guenter Leonhardt, Mauro Marchi, Giandomenico Rivetti).

 

 

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