(57)【要約】【課題】外部から加えられる荷重に対する避雷器の機械的強度を向上する。【解決手段】一対の電極２の間に複数の酸化亜鉛素子３を積層し、電極２どうしをＦＲＰロッド４で固定する。積層された酸化亜鉛素子３のまわりには等間隔に４本のＦＲＰロッド４を配置し、ＦＲＰロッド４の端部をそれぞれ電極２に形成された電極溝７に嵌め合わせる。ＦＲＰロッド４の端部に、軸方向の端部にいくほど幅が広がるように形成された幅広部４ｂを形成する。電極溝７に幅広部４ｂを嵌め合わせたとき、電極溝７の上端面７ｃとＦＲＰロッド４の端面４ｄとの間に空隙８を形成し、電極溝７の側面７ｄとＦＲＰロッド４の主軸部４ａの側面４ｅとの間に隙間９を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された非直線性の電圧−電流特性を有する素子と、
前記積層された素子の両端に設けられる一対の電極と、
前記電極間に設けられ、前記素子の周囲に複数配置される支持部材と、
少なくとも前記素子、前記一対の電極、及び前記複数の支持部材を一体的にモールドするポリマー絶縁材料からなる外被を有し、
前記支持部材は、前記電極間に延びる主軸部と、当該主軸部の端部に形成され、前記支持部材の軸方向の端部に向かって一定の傾斜角度でその幅が増大する幅広部と、を有し、
前記電極には、前記支持部材の幅広部が嵌め合わされる電極溝が形成され、
前記電極溝に前記幅広部を嵌め合わせたとき、前記電極溝の壁面と前記電極溝に嵌め合わされた支持部材との間に空間部が設けられた
ことを特徴とする避雷器。
【請求項２】
前記電極溝には、前記支持部材の主軸部の一部が嵌め合わされ、
前記空間部は、前記電極溝に嵌め合わされた支持部材の主軸部と、前記電極の周方向に前記主軸部と向かい合う電極溝の壁面との間に形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の避雷器。
【請求項３】
前記空間部は、前記支持部材の端面と、当該支持部材の端面と対向する電極溝の壁面との間に形成される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の避雷器。
【請求項４】
前記空間部に、前記ポリマー絶縁材料が充填される
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の避雷器。
【請求項５】
前記電極溝には、前記支持部材の主軸部の一部が嵌め合わされ、
前記幅広部の傾斜に沿って形成された前記電極溝の壁面と、前記電極の周方向に前記主軸部と向かい合う電極溝の壁面との接合部に、面取り加工面が形成された
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の避雷器。
【請求項６】
前記電極溝には、前記支持部材の主軸部の一部が嵌め合わされ、
前記電極の周方向に前記主軸部と向かい合う電極溝の壁面の端部であって、前記支持部材の軸方向の開口側の端部に、面取り加工面が形成された
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の避雷器。
【請求項７】
前記電極溝には、前記支持部材の主軸部の一部が嵌め合わされ、
前記主軸部を嵌め合わせる方向に当該主軸部と向かい合う電極溝の壁面の端部であって、前記支持部材の軸方向の開口側の端部に、面取り加工面が形成された
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の避雷器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、系統に侵入した異常電圧から電気機器を保護するために用いられる避雷器に関する。特に、シリコーンゴム等で酸化亜鉛素子ユニットをダイレクトモールドするポリマー形避雷器の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に避雷器は、系統に侵入した異常電圧から電気機器を保護するために用いられる。図７に示すように、従来技術に係る避雷器１３は、積層された非直線抵抗素子である酸化亜鉛素子３の両端に電極１４が配置され、この電極１４の一部が露出するように、電極１４と酸化亜鉛素子３がシリコーンゴム等のポリマー外被６によってモールドされた構造を有している。また、避雷器１３は、積層された酸化亜鉛素子３の周囲に配置されたＦＲＰロッド１５（例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の絶縁物の支持体）により機械的強度が付与されている。避雷器１３は、磁器がい管を使用する避雷器と同様に、その使用中に生じる種々の荷重、特に地震時に発生する曲げモーメントに耐える機械的強度が要求される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、複数の酸化亜鉛素子積層体の両端に位置する一対の電極を４本のＦＲＰロッドで結合・固定した避雷器構造に関する技術が開示されている。特許文献１に記載の避雷器は、ＦＲＰロッドの端部に幅広部が形成され、電極外周面には幅広部と対応する形状の溝が形成されている。そして、この溝に幅広部を嵌合させることで、避雷器に機械的強度を付与している。
【０００４】
また、特許文献２には、複数の酸化亜鉛素子積層体の両端に位置する一対の電極を複数の平板状のＦＲＰロッドで結合・固定した避雷器構造に関する技術が開示されている。特許文献２に記載の避雷器は、平板状のＦＲＰロッドの両端にダンベル形状の出張り部が設けられている。そして、この出張り部を電極に設けられた電極溝にそれぞれ嵌合させることで避雷器に機械的強度を付与している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９７６０９号公報
【特許文献２】特開２０１４−１１０２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の避雷器は、両端部に概略二等辺三角形状の幅広部を設けたＦＲＰロッドを、ＦＲＰロッドの幅広部と同形状の溝を設けた電極に嵌め合わせることで、ＦＲＰロッドと電極とを固定している。ＦＲＰロッドの幅広部が電極に引っ掛かることで、ＦＲＰロッドの抜け落ちが阻止されている。しかし、この構造では、避雷器に曲げモーメントが加わった場合は、ＦＲＰロッドの幅広部の根元に過大な応力が発生する。つまり、ＦＲＰロッドの幅広部の根元の最もＦＲＰロッドの幅が狭い部分に過大な応力が発生するという課題があった。
【０００７】
また、特許文献２に記載の避雷器は、両端部にダンベル状の出張り部を設けたＦＲＰロッドを、ＦＲＰロッドの出張り部と同形状の溝を設けた電極に嵌め合わせることで、ＦＲＰロッドと電極とを固定している。ダンベル形状の出張り部からＦＲＰロッドの軸方向中央部にわたる基部の長さをｄとしたときに、この嵌め合い長さｄは、例えば、３ｍｍ以上とすることで、出張り部に発生する曲げ応力の集中を緩和している。しかし、特許文献１記載の避雷器と同様に、ＦＲＰロッドの幅が狭い部分に過大な圧力が発生する課題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、外部から加えられる荷重に対する避雷器の機械的強度を向上する技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明の避雷器の一態様は、積層された非直線性の電圧−電流特性を有する素子と、前記積層された素子の両端に設けられる一対の電極と、前記電極間に設けられ、前記素子の周囲に複数配置される支持部材と、少なくとも前記素子、前記一対の電極、及び前記複数の支持部材を一体的にモールドするポリマー絶縁材料からなる外被を有し、前記支持部材は、前記電極間に延びる主軸部と、当該主軸部の端部に形成され、前記支持部材の軸方向の端部に向かって一定の傾斜角度でその幅が増大する幅広部と、を有し、前記電極には、前記支持部材の幅広部が嵌め合わされる電極溝が形成され、前記電極溝に前記幅広部を嵌め合わせたとき、前記電極溝の壁面と前記電極溝に嵌め合わされた支持部材との間に空間部が設けられたことを特徴としている。
【００１０】
また、上記目的を達成する本発明の避雷器の他の態様は、上記避雷器において、前記電極溝には、前記支持部材の主軸部の一部が嵌め合わされ、前記空間部は、前記電極溝に嵌め合わされた支持部材の主軸部と、前記電極の周方向に前記主軸部と向かい合う電極溝の壁面との間に形成されることを特徴としている。
【００１１】
また、上記目的を達成する本発明の避雷器の他の態様は、上記避雷器において、前記空間部は、前記支持部材の端面と、当該支持部材の端面と対向する電極溝の壁面との間に形成されることを特徴としている。
【００１２】
また、上記目的を達成する本発明の避雷器の他の態様は、上記避雷器において、前記空間部に、前記ポリマー絶縁材料が充填されることを特徴としている。
【００１３】
また、上記目的を達成する本発明の避雷器の他の態様は、上記避雷器において、前記電極溝には、前記支持部材の主軸部の一部が嵌め合わされ、前記幅広部の傾斜に沿って形成された前記電極溝の壁面と、前記電極の周方向に前記主軸部と向かい合う電極溝の壁面との接合部に、面取り加工面が形成されたことを特徴としている。
【００１４】
また、上記目的を達成する本発明の避雷器の他の態様は、上記避雷器において、前記電極溝には、前記支持部材の主軸部の一部が嵌め合わされ、前記電極の周方向に前記主軸部と向かい合う電極溝の壁面の端部であって、前記支持部材の軸方向の開口側の端部に、面取り加工面が形成されたことを特徴としている。
【００１５】
また、上記目的を達成する本発明の避雷器の他の態様は、上記避雷器において、前記電極溝には、前記支持部材の主軸部の一部が嵌め合わされ、前記主軸部を嵌め合わせる方向に当該主軸部と向かい合う電極溝の壁面の端部であって、前記支持部材の軸方向の開口側の端部に、面取り加工面が形成されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
以上の発明によれば、外部から加えられる荷重に対する避雷器の機械的強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る避雷器の概略を示す断面図である。
【図２】（ａ）ＦＲＰロッドの端部の正面図、（ｂ）ＦＲＰロッドの平面図である。
【図３】（ａ）電極の正面図、（ｂ）図３（ａ）の電極のＡ−Ａ断面図である。
【図４】電極溝にＦＲＰロッドの幅広部が嵌め合わされた状態を示す図である。
【図５】図３（ａ）の電極の部分拡大図（点線部で囲った部分の拡大図）である。
【図６】図３（ａ）の電極のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】従来技術に係る避雷器の概略を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態に係る避雷器について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る避雷器１は、一対の電極２の間に複数の酸化亜鉛素子３が積層されており、一対の電極２どうしが支持部材であるＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）ロッド４を介して結合されている。積層された酸化亜鉛素子３のまわりには等間隔に４本のＦＲＰロッド４が配置され、ＦＲＰロッド４の端部がそれぞれ電極２に嵌設される。また、ＦＲＰロッド４は、結束部材５によって互いに結束・固定される。さらに、電極２の一部が露出するように、酸化亜鉛素子３の積層体がシリコーンゴム等のポリマー絶縁材料で一体的にモールドされた外被６を備えている。外被６は、その外周面に複数のひだを備える。このひだは、酸化亜鉛素子３の積層方向に沿って、例えば、略等間隔で配置される。
【００２０】
酸化亜鉛素子３は、非直線性の電圧−電流特性を有し、避雷器１の連続使用電圧下では絶縁体として働き、雷サージのような電圧が大きい領域では導体として働く。この働きにより、雷サージから機器を保護することが可能となる。
【００２１】
ＦＲＰロッド４は、図２（ａ）に示すように、平板形状である。ＦＲＰロッド４は、電極２間に設けられる主軸部４ａと、主軸部４ａの両端部に形成される幅広部４ｂと、主軸部４ａと幅広部４ｂとの接合部である首部４ｃと、を備える。幅広部４ｂは、ＦＲＰロッド４の軸方向断面が略等脚台形状である。すなわち、幅広部４ｂは、ＦＲＰロッド４の軸方向の端部に向かって一定の傾斜角度でその幅が増大する形状であり、その幅は、首部４ｃから一定の角度（くさび角θ）で広がっている。くさび角θは、例えば、１５°〜２５°の角度とすることが望ましい。また、図２（ｂ）に示すように、ＦＲＰロッド４の水平方向断面は、長方形である。なお、避雷器１に備えられるＦＲＰロッド４の数は、４本に限定されるものではなく、複数本備えればよい。
【００２２】
電極２は、図３に示すように、略円柱状であり、電極２の内端部（すなわち、酸化亜鉛素子３と対向する端部）の外周面には、電極溝７が形成される。この電極溝７には、ＦＲＰロッド４の幅広部４ｂが嵌め合わされる。電極溝７は、幅広部４ｂが嵌設される略等脚台形状の溝７ａと、主軸部４ａの一部が嵌め合わされる略長方形状の溝７ｂと、を合わせた形状となっている。略等脚台形状の溝７ａは、幅広部４ｂの等しい２辺と対応する斜辺を有している。なお、電極２は、略円筒状だけでなく、ＦＲＰロッド４の数に対応した辺を有する角柱状等とすることができる。
【００２３】
ここで、電極溝７の形状について図４乃至図６に基づいて詳細に説明する。電極溝７の形状の説明では、電極溝７に幅広部４ｂを嵌め合わせたときに、ＦＲＰロッド４の端面４ｄと対向する電極溝７の壁面を上端面７ｃ、ＦＲＰロッド４の主軸部４ａの側面４ｅと対向する電極溝７の壁面を側面７ｄ、ＦＲＰロッド４の主面４ｆと対向する電極溝７の壁面を内面７ｅとし、電極２の酸化亜鉛素子３と対向する側を下端部１１、１２として説明するが、上下方向は本発明をなんら限定するものではない。
【００２４】
図４に示すように、略等脚台形状の溝７ａは、電極溝７に幅広部４ｂを嵌め合わせたとき、電極溝７の上端面７ｃとＦＲＰロッド４の端面４ｄとの間に空隙８ができる大きさに形成される。また、略長方形状の溝７ｂの幅は、電極溝７に幅広部４ｂを嵌め合わせたときに、電極溝７の側面７ｄとＦＲＰロッド４の主軸部４ａの側面４ｅとの間に隙間９ができる大きさに形成される。
【００２５】
図５は、図３（ａ）の点線で囲んだ部分の拡大図である。図５に示すように、電極溝７の側面であって、略等脚台形状の溝７ａと略長方形状の溝７ｂとの境界（曲部１０とする）は、Ｒ加工やＣ加工等の面取り加工がなされており、この曲部１０によりＦＲＰロッド４にかかる応力が緩和される。この半径Ｒは、円筒形の避雷器１に設けられた酸化亜鉛素子３の径によっても変化するが、例えば、Ｒ＝５〜５０ｍｍの範囲で選択される。これは、大口径の酸化亜鉛素子３が設けられた避雷器１では、電極２の径も大きく、ＦＲＰロッド４の寸法も大型化するためである。
【００２６】
また、電極溝７の側面７ｄの下端部１１（すなわち、電極溝７の主軸部４ａ軸方向の開口端縁であって側面７ｄ側の端縁部分の電極２の下端部１１）には、Ｒ加工やＣ加工等の面取り加工が施される。この面取り加工により、ＦＲＰロッド４に対して電極２の周方向の荷重が加えられてＦＲＰロッド４が曲がり始め、ＦＲＰロッド４が電極２の下端部１１に接触した場合に、ＦＲＰロッド４の主軸部４ａにかかる応力が集中しなくなる。Ｒ加工の寸法は、酸化亜鉛素子３の径に合わせて選択され、例えば、Ｒ＝０．５〜１０ｍｍで選択される。
【００２７】
図６に示すように、電極溝７にＦＲＰロッド４を嵌め合わせた際に、ＦＲＰロッド４の幅広部４ｂ部分と、ＦＲＰロッド４の主軸部４ａ部分（一部）が、電極溝７の内面７ｅに密接した状態となる。そのため、電極溝７の内面７ｅの下端部１２（すなわち、電極溝７の主軸部４ａ軸方向の開口端縁であって内面７ｅ側の端縁部分の電極２の下端部１２）には、Ｒ加工やＣ加工等の面取り加工がなされる。例えば、Ｃ加工を行う場合、Ｃ加工の寸法は、ＦＲＰロッド４の大きさによって選択されるが、例えば、酸化亜鉛素子３の径への方向に０．５〜３ｍｍ、酸化亜鉛素子３の積層方向に１〜１０ｍｍの範囲で選択される。この面取り加工により酸化亜鉛素子３の径方向への荷重が印加され、ＦＲＰロッド４が電極２の下端部１２に接触した場合に、ＦＲＰロッド４の主軸部４ａにかかる応力が集中しないようになる。
【００２８】
［電極２とＦＲＰロッド４との間に形成される空間部（空隙８または隙間９）の効果］
図４に示すように、電極溝７に幅広部４ｂを嵌め合わせたとき、電極溝７の側面７ｄとＦＲＰロッド４の主軸部４ａの側面４ｅとの間に隙間９が形成される（例えば、幅Ｓ）。この隙間９により、幅広部４ｂの斜面と電極溝７の壁面の接触部の下端部４ｇは、ＦＲＰロッド４の根元部４ｈ（すなわち、電極２の下端面）から上方に長さＬずれた位置となる。したがって、地震等により発生する曲げモーメントによる応力が集中する点も、ＦＲＰロッド４の根元部４ｈではなく、根元部４ｈから長さＬだけずれた下端部４ｇ部分となる。このため、ＦＲＰロッド４の最も幅が狭い根元部４ｈ（ＦＲＰロッド４の中央部（主軸部４ａ）も同じ幅であるが）ではなく、より強度の強固な幅の広がった下端部４ｇ部分に応力が集中するので、隙間９がない場合と比較して、同じ寸法のＦＲＰロッドに対しても強度的に有利となる。曲げモーメントに対する機械的強度を向上させるためには、ＦＲＰロッド４の厚みを一定とした場合、ＦＲＰロッド４の幅を大きくする必要があるが、隙間９を設けることでＦＲＰロッド４の厚みを一定とした場合にも、ＦＲＰロッド４の幅を大きくすることなく高い曲げ強度が得られるので、避雷器１の軽量化や小型化に効果がある。
【００２９】
また、電極溝７に幅広部４ｂが嵌め合わされたとき、電極溝７の上端面７ｃとＦＲＰロッド４の端面４ｄとの間に空隙８が形成される。この空隙８により、一定以上の圧縮荷重がＦＲＰロッド４に働いたときに、ＦＲＰロッド４の端部がこの空隙８に動き、ＦＲＰロッド４の座屈を緩和することとなる。例えば、避雷器１に曲げ荷重が加わった際に、酸化亜鉛素子３を挟んで設けられる一対のＦＲＰロッド４のうち一方のＦＲＰロッド４に引張荷重がかかり、他方のＦＲＰロッド４には圧縮荷重がかかることとなる。図７の従来技術に係る避雷器１３のように、空隙８がない場合、圧縮荷重がダイレクトにＦＲＰロッド１５に作用することとなり、ＦＲＰロッド１５が座屈してしまうおそれがある。なお、空隙８を形成することにより、避雷器１を組み立てるときに、電極溝７に幅広部４ｂを嵌め合わせる作業が容易となり、避雷器１の組立利便性が向上する。これは、図４のように空隙８の分だけ電極溝７を幅広部４ｂより大きく形成することで、電極溝７に幅広部４ｂを嵌め合わせる際に、空隙８が幅広部４ｂを容易に嵌め合わせるための上下方向への寸法の余裕分となるからである。
【００３０】
また、酸化亜鉛素子３を積層した電極２間にＦＲＰロッド４を設けて避雷器１を組み立てた後、シリコーンゴム等のポリマー絶縁材料（モールド材）を直接モールドして外被６を形成するが、ＦＲＰロッド４の弾性による圧縮力により、モールド中にこのポリマー絶縁材料が酸化亜鉛素子３間、その他導電経路となる部品間に侵入することが防止される。
【００３１】
また、外被６を形成する際、ポリマー絶縁材料が酸化亜鉛素子３間、その他導電経路となる部品間に侵入することは防止されるが、空隙８や隙間９には、ポリマー絶縁材料が侵入して一体にモールドされる。この空隙８や隙間９の部分に充填され、モールドされたポリマー絶縁材料は絶縁体であると同時に、シリコーンゴム等のエラストマーであるために、振動や応力に対するクッション材として作用する。特に、隙間９の部分に充填されたポリマー絶縁材料は、避雷器１に曲げモーメントが加わった場合に発生する応力に対するクッション材となり、ＦＲＰロッド４の幅広部４ｂの根元にかかる応力を分散する。その結果、避雷器１の曲げに対する機械的強度が向上する。
【００３２】
［電極２の面取り加工面の効果］
図５に示すように、略等脚台形の溝７ａと略長方形状の溝７ｂとの境界（曲部１０）において、Ｒ加工等の面取り加工を施すことにより、ＦＲＰロッド４に横荷重が印加された場合、ＦＲＰロッド４の端部に印加される曲げ荷重が一点に集中することを防ぐことができる。また、電極２の下端部１１においても、Ｒ加工等の面取り加工を施すことにより、ＦＲＰロッド４が電極２の下端部１１に接触した場合に、ＦＲＰロッド４の主軸部４ａにかかる応力が集中することを防ぐことができる。
【００３３】
さらに、図６に示すように、電極溝７の内面７ｅ側の電極２の下端部１２に、Ｃ加工等の面取り加工を施すことにより、ＦＲＰロッド４の主軸部４ａの一点に荷重が集中することを防ぐことができる。
【００３４】
以上のような、本発明の実施形態に係る避雷器１によれば、電極溝７にＦＲＰロッド４を嵌め合わせて機械的強度を付与するとともに、ＦＲＰロッド４と電極溝７との間に空間部（空隙８や隙間９）を設けることで、ＦＲＰロッド４の最も幅の狭い部分にかかる応力を低減することができる。その結果、避雷器１の曲げに対する機械的強度を向上することができる。
【００３５】
以上、具体的な実施形態を示して本発明の避雷器について詳細に説明したが、本発明の避雷器は、実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更された形態も本発明の技術的範囲に属する。
【００３６】
例えば、本発明の避雷器は、個々の特徴に格別な効果を有するものであるので、本発明の実施形態に係る避雷器１の特徴の一部を備える避雷器も本発明の技術的範囲に属する。
【００３７】
また、電極２間に配置される素子は、酸化亜鉛素子に限定されるものではなく、非直線性の電圧−電流特性を有する素子が避雷器の用途に応じて用いられる。
【００３８】
また、ＦＲＰロッドの端部の形状は、略等脚台形状に限定されるものではなく、ダンベル形状であっても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００３９】
１…避雷器
２…電極
３…酸化亜鉛素子（素子）
４…ＦＲＰロッド（支持部材）
４ａ…主軸部、４ｂ…幅広部、４ｃ…首部、４ｄ…端面、４ｅ…側面、４ｆ…主面、４ｇ…幅広部の斜面と電極溝の接触部の下端部、４ｈ…根元部
５…結束部材
６…外被
７…電極溝
７ａ…略等脚台形状の溝、７ｂ…略長方形状の溝、７ｃ…上端面、７ｄ…側面、７ｅ…内面
８…空隙（空間部）
９…隙間（空間部）
１０…曲部
１１…下端部（電極溝７の側面７ｄの下端部）
１２…下端部（電極溝７の内面７ｅの下端部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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