JP2018033296A - 太陽光発電設備のための安全装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電設備を安全にスイッチオフする手段を提供する。【解決手段】太陽光発電設備の安全装置１０は、太陽光パネルの第１の出力端子２１に接続する第１の端子１１と、太陽光パネルの第２の出力端子２２に接続する第２の端子１２と、第１の端子１１と第２の端子１２との間に接続されたスイッチングモジュール１５と、制御信号２７を読み、制御信号２７の読取値に基づいて操作する制御モジュール２９とを備える。スイッチングモジュール１５は、スイッチ１６を備え、スイッチ１６は、制御モジュール２９によって駆動される。【選択図】図１

Description

本発明は太陽光発電設備及び太陽熱プラントの技術分野に関し、具体的には、緊急時に太陽光パネルの電源を安全に切断するように適合された安全装置の技術分野に関する。

太陽光発電設備は、太陽光放射を電気に直接変換することによって、電気エネルギーを生成するように適合されている。典型的な太陽光発電設備は、要求された量の電力、電圧及び電流を供給するように適合された太陽光パネルを形成するため、直列及び／又は並列に接続された複数の太陽光モジュールを備える。

太陽光パネルは、太陽光が放射される個人の住宅や公共建築物の屋根の最上部に据え付けられ、個人の家財や公共施設のための付加的なエネルギー源を提供する。前記太陽光パネルは一般的に、個人の家財、工場、公共施設に供給するため、また、余剰電力を公共事業会社に送り、さらにグリッド結合インバータの場合には、グリッドに余剰のエネルギーを蓄積するため、前記太陽光パネルのＤＣ出力電力をグリッド要件と互換性のあるＡＣ電力に変換するように適合された電力インバータに接続される。

太陽光パネル及び関連する電力インバータを備える太陽光発電機の操作を最適化し、その全体効率を改善するため、太陽光パネルの出力電圧は高くなるように選択される。現在入手可能な多くの太陽光パネルの一般的な出力ＤＣ電圧は６００Ｖ_ＤＣと１０００Ｖ_ＤＣである。

太陽光モジュールの製造で最近採用された新しい技術により、更に高い出力ＤＣ電圧と全体効率を達成することがまもなく可能になるであろう。このような高電圧はオペレータにとって危険になりうるため、オペレータの安全に対する関心は高い。

例えば、太陽光発電機が設置されている場所での火災の場合、消火剤が配備される際には、電気ショックや電気アークによる傷害や事故を防止するため、また、火災の抑制に従事するオペレータの安全を保証するため、消防隊は太陽光発電設備の電源が完全に遮断されていることを確認しなければならない。

自然災害の場合や太陽光発電設備に保守が必要なときにも、同じ状況が発生する。必要な保守作業を実施するため、太陽光パネル又は関連のインバータでオペレータが作業を行えるよう、事前に設備の電源は完全に遮断しなければならない。

太陽光発電設備から太陽光パネルを容易に分離することはできず、そのため太陽光パネルは、致命的な出力の高電圧により、オペレータに明確な危険をもたらす。

上記の理由により、太陽光パネルには通常、前記太陽光パネルを下流のインバータから分離すること及び／又は負荷をかけずに太陽光パネルの出力電圧を安全なレベルまで引き下げることによって、短時間のうちに太陽光発電設備の電源を効果的に遮断するように適合された安全装置が用意されている。

最先端の前記安全装置の典型的な実装は、幾つかの電気機械式装置（接触器又はリレー）を含み、直列接続を切断することによって、インバータから太陽光パネルを分離するように適合されている。

しかも、前記安全装置は、安全装置接触器のスイッチが開放され、太陽光パネルがインバータから分離された後も、充電されうるインバータ入力キャパシタンスを放電するように適合されたブリーダー抵抗器とつながる付加的な接点を含みうる。前記ブリーダー抵抗器は通常、抵抗値の高いものが選ばれ、前記安全装置接触器のスイッチが開放された後にはじめて、インバータ入力ラインに接続される。

ドイツ特許出願ＤＥ１０２００５０１８１７３Ａ１は、手動又は自動で操作され、太陽光発電設備を短絡させるためのバイパスが提供されるように適合された、太陽光発電設備のための安全装置を開示している。高い短絡電流はバイパスを通って流れるため、安全装置はこれらの電流に耐える寸法になっていなければならない。しかも、特許出願ＤＥ１０２００５０１８１７３Ａ１に開示されている安全装置は１０Ａを超える電流で動作するため、適切な放熱手段が必要で、これは装置の構造を複雑でコスト高なものにする。

ドイツ実用新案ＤＥ２０２００６００７６１３Ｕ１は、緊急時にインバータへの各供給ラインを遮断するように適合された、太陽光発電設備用の防火装置を開示している。分離が行われた後も、太陽光パネル端子間には、危険な電圧が存在しうる。

米国特許出願ＵＳ２０１００３２６８０９Ａ１は、太陽光パネルの２つの連結部の間と給電ラインの上流に位置し、接点を閉じるための少なくとも１つのスイッチング機構を有するバイパスによって特徴付けられる太陽光設備のための安全なスイッチギアを開示しており、これによって、接点を開放するための少なくとも１つの付加的なスイッチング機構は、２つの給電ラインの各々に配置される。ＵＳ２０１００３２６８０９Ａ１に記載されている実施形態では、インバータの入力キャパシタンスの放電電流は、スイッチング機構の接点の寿命を縮め、その操作に悪影響を及ぼす。

最新システムの欠点を克服するため、本発明は、太陽光パネルのＤＣコンダクタ間の電圧、並びに前記ＤＣコンダクタとアースとの間の電圧を所定の時間内に安全なレベル未満に低減するように適合された、太陽光発電設備のための改良された安全装置を開示している。

本発明による太陽光パネルのＤＣコンダクタ間の電圧の低減は、ＤＣコンダクタ間に適切な負荷インピーダンスを挿入する手段によって実現される。前記負荷インピーダンスは、電圧を所定の時間内に安全なレベル未満に強制的に低減するために、充分に低くなければならないと同時に、接続装置での挿入電流を制限し、その結果として前記接続装置への電気的損傷を防止するため、充分に高くなければならない。

太陽光パネルのＤＣコンダクタ間での前記インピーダンスの接続は、各々が異なるインピーダンスを有し、直列に接続される一又は複数のスイッチのいずれかによって実装可能で、その結果、電力損失を最小限に抑え、スイッチサイズを最適化することができる。しかも、本発明の実施形態により、前記インピーダンスは、所定の時間間隔において、時間及び／又は温度の関数として変化しうる。本発明の別の実施形態によれば、太陽光パネルにインピーダンスを接続するように適合されたスイッチング装置は、電気機械式スイッチまたは半導体スイッチのどちらかによって実装可能である。本発明の更なる実施形態によれば、本発明による装置の内部回路への補助電源は、緊急の場合に、本発明による装置が安全なレベル未満に低減するように適合されているＤＣ電圧そのものによってエネルギー供給されている。

本発明の更なる特徴及び利点は、添付の図面を参照することにより、非限定的な実施形態の以下の説明で明らかである。これらは概略的なもので、実際の種々の回路ソリューションに従うハードウェア構造によって実装されるように適合された機能ブロックを示している。詳細は以下のとおりである。

本発明の第１の好ましい実施形態の第１の概略図を示す。 本発明の第１の好ましい実施形態の第２の概略図を示す。 スイッチングモジュールが一対のスイッチを備える、本発明の第２の好ましい実施形態を示す。 本発明の第３の好ましい実施形態の第１の概略図を示す。 本発明の第３の好ましい実施形態の第２の概略図を示す。 スイッチングモジュールの１つが一対のスイッチを備える、本発明の第４の好ましい実施形態を示す。

本発明による装置は、太陽光発電設備の太陽光パネルの出力端子間に低インピーダンスバイパスを配置することによって、前記太陽光発電設備を安全にスイッチオフするように適合されている。一実施形態では、本発明による装置は更に、前記太陽光パネルの各出力端子とアースとの間のキャパシタンスを放電するように適合されている。

添付の図１及び図２を参照すると、本発明による装置１０は、太陽光パネル２０の出力と下流のコンバータ３０との間に接続されるように適合され、前記太陽光パネルは一又は複数の太陽光モジュール２０ａ〜２０ｎを備える。

詳細には、本発明による装置１０は、最も単純な実施形態で、
太陽光パネル２０の第１の出力端子２１に接続するように適合された第１の端子１１と、
前記太陽光パネル２０の第２の出力端子２２に接続するように適合された第２の端子１２と、
前記第１の端子１１と前記第２の端子１２との間に接続された第１のスイッチングモジュール１５であって、少なくとも第１の制御可能なスイッチ１６及び直列に接続された少なくとも第１のインピーダンス１７を備える前記第１のスイッチングモジュール１５と、
制御信号２７を読み、それに応じて、前記第１の制御可能なスイッチ１６の操作を駆動するように適合された制御モジュール２９と、
前記制御モジュール２９に電力を供給するように適合された電力供給手段と
を備える。

非限定的な実施例として、前記制御可能なスイッチは、リレースイッチのような電気機械式スイッチ、或いはＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴのような半導体スイッチであってもよい。

前記制御モジュール２９は、少なくとも制御信号２７を受信し、前記制御信号２７を介して受信したコマンドに従って前記制御可能なスイッチ１６を駆動する適切な手段を含むように適合されている。本発明の好ましい実施形態では、前記制御モジュール２９は前記インバータ３０のコントローラに適切に関連付けられてもよく、太陽光発電設備を安全に検査及び保守できるようにするため、緊急事態によって、或いは通常の操作中にインバータの電源がオフにされた後も、本発明による装置を操作するようにインバータ３０のコントローラを設定することができる。

他の実施形態では、前記制御モジュール２９は、インバータ３０のユーザーインターフェースによって直接操作され、一般的に、無線通信によって、又は電力線通信などの有線通信によって、或いは両者の組み合わせによって、遠隔地から自動的に又はユーザーの操作によって、外部制御装置からの制御信号２７を受信するように適合されうる。

しかも、緊急の場合には、ユーザーにより手動で操作されるように適合されている外部緊急停止ボタンが提供されうる。一例として、前記制御信号２７が前記インバータ３０のコントローラから入ってくる＋２４Ｖ_ＤＣラインで、前記制御信号が０Ｖ_ＤＣに低下すると緊急事態が検出される場合には、インバータ３０から入ってくる制御信号２７ラインを遮断する、或いは前記制御信号２７を短絡する緊急事態の際に、ユーザーが手動で操作できるように適合された外部緊急停止ボタンが並列接続によって追加されうる。

本発明による装置１０の動作モードは次のようになる。前記制御信号２７の検知によって、前記制御モジュール２９が緊急事態を検出すると、その結果、太陽光発電設備の電源は完全に遮断されなければならず、前記制御モジュール２９は、前記第１のスイッチ１６を閉じ、太陽光パネル２０の出力端子を短絡するため、前記第１のスイッチングモジュール１５を駆動する。太陽光パネル２０の出力端子間の短絡は、緊急事態が終わるまで維持される。

好ましい実施形態では、本発明による安全装置の制御モジュール２９に電力を供給するように適合された前記電力供給手段は、次に太陽光パネル出力電圧自体から電力を直接取り出すように順次適合された電源、緊急の場合に、本発明による装置が安全なレベル未満に低減するように適合されているＤＣ電圧を備える。

この好ましい実施形態では、本発明による装置１０は、太陽光パネル２０の出力端子で、短絡を周期的に解放するように適合されている。こうすることによって、太陽光パネル２０の出力端子での電圧は、前記電源をオンに保ち、それによって、制御モジュール２９が動作するように保つため、再び上昇することができる。

上記の機能を実現するため、前記制御モジュール２９の前記電源は、当技術分野で周知の技術に従い、入力電圧ヒステリシスによって、ターンオフ閾値よりも大きいターンオン閾値を選択し、緊急事態の場合には、両閾値が太陽光パネルの出力で保証されるべき要求電圧安全レベルを下回るように選択するように設計されうる。

代替的に、前記制御モジュール２９の前記電源は、所定の一時保留（ｔｅｍｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ）に従って、周期的に電源をオン／オフするように適合されうる。

インバータの制御モジュールとの接続に互換性があるように、前記制御モジュール２９には、入力電圧側と制御信号２７側との間のガルバーニ絶縁（ｇａｌｖａｎｉｃ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）、すなわち、太陽光パネル側とインバータ側との間のガルバーニ絶縁が提供されうる。この場合、前記制御モジュール２９のインバータ側の自己電力供給機能は、前記制御モジュール２９の太陽光パネルの電源が前記太陽光パネル出力電圧から直接取り出されるのと同様に、前記制御信号２７からその電源を直接取り出すことによって実装可能である。前記制御モジュール２９のインバータ側の自己電力供給機能は、電源オンと電源オフとの間のヒカップ周波数を最小限に抑えるため、有利には入力電圧ヒステリシスによって提供される。

本発明によれば、前記第１のインピーダンス１７は、太陽光パネルの出力電圧を所定の時間内に所定のレベル未満まで低減させるよう充分に低く、同時に、装置のスイッチ１６上での突入電流を制限するように充分に高い値によって特徴付けられるべきである。前記突入電流を制限することは、前記スイッチ１６への損傷を防止、その寿命を延ばし、より低い定格電流のスイッチの採用を可能にする。

したがって、前記第１のインピーダンス１７の主たる設計制約は、緊急状態にある太陽光パネルの出力時の安全な電圧、緊急状態が始まってから太陽光パネルの出力時の電圧が安全な値に到達するまでに必要な時間、並びに、装置のスイッチ１６で許容される最大突入電流である。

非限定的な実施例として、許容される最大の太陽光パネル電圧Ｖ_ＬＩＭと太陽光パネルＩ_ＭＡＸの短絡電流を考慮すると、前記第１のインピーダンス１７はＶ_ＬＩＭ／Ｉ_ＭＡＸ以下でなければならない。一方、太陽光パネルの開回路出力電圧がＶ_ＭＡＸで、前記第１のスイッチ１６の許容される最大ピーク電流がＩ_{ＳＷ＿ＭＡＸ}であるとき、前記第１のインピーダンス１７はＶ_ＭＡＸ／Ｉ_{ＳＷ＿ＭＡＸ}以上となるはずである。太陽光パネルが３００Ｖ（公称出力電圧）及び１０Ａ（短絡回路電流）で評価され、安全な出力電圧が３０Ｖになるように要求され、また、前記第１のスイッチが２００Ａの最大ピーク電流で特徴付けられるパワーＭＯＳＦＥＴによって実装される場合には、前記第１のインピーダンスは３０Ｖ／１０Ａ＝３オーム以下、且つ３００Ｖ／２００Ａ＝１．５オーム以上でなければならない。

有利には、前記第１のインピーダンス１７は時間及び／又は温度と共に可変であってもよく、少なくとも１つのＰＣＴ（正の温度係数抵抗）及び／又は少なくとも１つのＮＴＣ（負の温度係数抵抗）を含みうる。

さらに、前記第１のインピーダンス１７は抵抗成分であってもよく、或いは無効分（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含んでもよく、前記インピーダンスは電圧と電流に応じて処理することになっている。

一実施例として、前記太陽光パネル２０の出力電圧が低く、関連する出力電流が高いときには、無効インピーダンスが望ましい。前記太陽光パネル２０の出力電圧が高く、関連する出力電流が低いときには、抵抗インピーダンスが望ましい。

望ましい実施形態では、前記第１のインピーダンス１７は、一又は複数のステージ及び前記ステージを挿入又は短絡するように適合された適切なバイパス手段を含みうる。前記ステージは有利には、互いに独立に及び／又は順々に挿入又は短絡されうる。これにより、設備の特性及びニーズに応じて、前記インピーダンス値を変更することができる。

添付の図３は、本発明の好ましい実施形態を示しており、前記第１のスイッチングモジュール１５は第１のスイッチ１６及び追加スイッチ（ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｗｉｔｃｈ）２３を備える。第１のスイッチ１６は、インダクタ２５に順次直列に接続された固定又は可変抵抗器２４（ＰＴＣ又はＮＴＣなど）を備える第１のインピーダンス１７に直列に接続されている。さらに、電源切断時に第１のスイッチ１６に加わる電圧スパイクを制限するため、スナバダイオード２６を前記第１のインピーダンス１７に並列に接続することが望ましい。

前記追加スイッチ２３は、前記太陽光パネル２０の前記第１の出力端子２１（又は前記第２の出力端子２２）と、前記可変抵抗器２４と前記インダクタ２５の中間点との間に接続され、装置の寿命に害をもたらしうる電力損失と回路の過熱を最小限に抑えるため、必要に応じて、前記可変抵抗器２４をバイパスするように適合されている。

添付の図２に示されている実施形態の動作は次のようになる。最初に、前記第１のスイッチ１６がオンにされ、抵抗器２４と連係して太陽光パネル２０の出力電圧を要求された安全なレベル未満に引き下げる。次に、抵抗器２４での電力損失を止めるため、前記追加スイッチ２３をオンにして前記抵抗器２４をバイパスする。前記追加スイッチ２３に直列に接続されたインダクタ２５は、スイッチ２３のスイッチング突入電流を制限するように適合されている。．抵抗電力損失を非常に低いレベルに保つため、前記インダクタ２５は低抵抗によって特徴付けられることが望ましい。

添付の図４、図５及び図６を参照して、本開示による装置１０の別の実施形態は更に、
アース端子１４に接続するように適合された第３の端子１３と、
前記太陽光パネル２０の第１の出力端子２１とアースとの間に接続された第２のスイッチングモジュール１８とを含み、前記第２のスイッチングモジュール１８は第２のスイッチ及び直列に接続された第２のインピーダンス２８を含む。

前記第２のスイッチングモジュール１８は、太陽光パネル２０端子が短絡された後も充電されうる、太陽光パネル２０端子とアースとの間の寄生キャパシタンスを放電するように適合されている。前記第２のインピーダンス２８の値は好ましくは、通常は１０秒間である最大許容放電時間よりも大幅に短い時間で、前記寄生キャパシタンスを放電するように選択され、適合されうる。

本発明による装置は、スタンドアロン装置として製造すること、或いは、太陽光パネル内又はインバータ内に組み込むことが可能である。

スタンドアロン装置の場合には、適切な設置位置は制御されるべき危険電圧の近傍になる。装置自体の正しい動作に悪影響を及ぼしうる寄生インダクタンスを引き起こしうる、長い接続ケーブルを有しないことが望ましい。

さらに、既存の太陽光発電設備を改良できるようにするため、本発明による装置は有利には、太陽光発電用途向けの簡易プラグ式の標準コネクタ、並びに、上流の太陽光パネルを下流の太陽光発電インバータに接続するのに適した電気接続を備えることができる。

本発明による装置の筐体には、外部から操作可能なＯＮ／ＳＴＡＮＤ−ＢＹスイッチ及び関連する装置のステータスの（例えば、少なくとも単純のＬＥＤからなる）視覚的インジケータが提供されうる。

Claims (18)

1. 太陽光パネル（２０）の第１の出力端子（２１）に接続するように適合された第１の端子（１１）と、
   前記太陽光パネル（２０）の第２の出力端子（２２）に接続するように適合された第２の端子（１２）と、
   前記第１の端子（１１）と前記第２の端子（１２）との間に接続された第１のスイッチングモジュール（１５）であって、前記第１のスイッチングモジュール（１５）は、少なくとも第１のスイッチ（１６）及び直列に接続された少なくとも第１のインピーダンス（１７）を備え、前記第１のインピーダンス（１７）は前記第１の端子（１１）に接続された１つの端子を有し、前記第１のスイッチ（１６）は、前記第２の端子（１２）に接続された１つの端子を有する第１のスイッチングモジュール（１５）と、
   制御信号（２７）を読み、前記制御信号（２７）の読取値に基づいて、前記第１のスイッチ（１６）の操作を駆動するように適合された制御モジュール（２９）と、
   前記制御モジュール（２９）に電力を供給するように適合された電力供給手段と
   を備える太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
2. 前記第１のインピーダンス（１７）は、太陽光パネルの出力電圧を所定の安全なレベル未満に保ち、前記第１のスイッチ（１６）での突入電流を制限するように適合された値を有することを特徴とする、請求項１に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
3. 前記第１のインピーダンス（１７）は、一又は複数のステージと前記ステージを挿入する又は短絡させるように適合された適切なバイパス手段を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
4. 前記第１のインピーダンス（１７）は、インダクタ（２５）に直列に接続された抵抗器（２４）を備えること、前記第１のスイッチングモジュール（１５）は、前記第２の端子（１２）に接続された１つの端子及び、前記抵抗器（２４）と前記インダクタ（２５）との中間点に接続された他の端子を有する追加スイッチ（２３）を備えること、並びに、前記制御モジュール（２９）は更に、前記抵抗器（２４）をバイパスするように前記追加スイッチ（２３）を駆動して、必要に応じて電力損失を制限するように適合されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
5. 前記第１のインピーダンス（１７）に並列に接続されたダイオード（２６）を備え、電源切断時に前記第１のスイッチ（１６）に加わる電圧スパイクを制限するように適合されていることを特徴とする、請求項４に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
6. 前記抵抗器（２４）は可変抵抗器であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
7. アース端子（１４）に接続するように適合された第３の端子（１３）と、前記太陽光パネル（２０）の出力端子（２１、２２）のうちの１つと前記アース端子（１４）との間に接続された第２のスイッチングモジュール（１８）であって、直列に接続された第２のスイッチ（１９）と第２のインピーダンス（２８）を備える前記第２のスイッチングモジュール（１８）とをさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
8. 前記第２のインピーダンス（２８）は可変抵抗器を備えることを特徴とする、請求項７に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
9. 前記第１のスイッチ（１６）、前記第２のスイッチ（１９）及び前記追加スイッチ（２３）は電気機械式又は半導体タイプであることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
10. 前記電力供給手段は入力電圧が太陽光パネル出力電圧である電源を備えることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
11. 前記制御モジュール（２９）は１次側と２次側との間に電気的絶縁が設けられることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
12. 前記電力供給手段は入力電圧が前記制御信号（２７）電圧によって供給される電源を更に備えることを特徴とする、請求項１１に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
13. 電源オンと電源オフとの間のヒカップ周波数（ｈｉｃｋ−ｕｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を最小限に抑えるため、前記電源は入力電圧ヒステリシスが供給されることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
14. 前記電源は所定の一時保留に従って周期的に電源をオン／オフするように適合されていることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
15. 外部緊急ボタンでユーザーによる操作が可能で、前記制御信号（２７）を強制的にアクティブにするように適合されている緊急スイッチを備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
16. 前記安全装置（１０）は、前記太陽光パネル或いは前記太陽光パネルに接続されているインバータに一体化されていることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
17. 外部からＯＮ／ＳＴＡＮＤ−ＢＹにすることができるスイッチ及び関連する視覚的インジケータが提供される筐体を備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。
18. 太陽光パネル及び太陽光発電インバータに接続するように適合された太陽光発電用途向けの簡易プラグ式の標準コネクタを備える、請求項１から１７のいずれか一項に記載の太陽光発電設備のための安全装置（１０）。

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