(57)【要約】【課題】この発明は、調整用の負荷となる機器を別途用意する必要が無く、ロスエネルギーの発生しない負荷変更装置を提供することである。【解決手段】三相交流電源１のＲ相電源母線２とＳ相電源母線３から、第一の開閉装置５および２次側負荷用母線７，８を経由した状態で負荷９に電力供給するとともに、三相交流電源１のＳ相電源母線３とＴ相電源母線４から第二の開閉装置６を開いた状態で２次側負荷用母線７，８に接続する。この状態で中央制御装置１０から通信線１１を介して第一の開閉装置５および第二の開閉装置６に対して電力供給経路の変更指令信号を出力することで、第一の開閉装置５が開き第二の開閉装置６が閉じるため、負荷９への電力供給経路は、三相交流電源１のＳ相電源母線３とＴ相電源母線４から第二の開閉装置６および２次側負荷用母線７，８を経由した状態に切替えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流回路における第一の相間から電源供給されている負荷に対して第二の相間から電源供給されるように変更する負荷変更装置であって、上記負荷に対して上記第一の相間から第一の開閉装置を介して電源供給するとともに上記第二の相間からも第二の開閉装置を開いた状態で接続して、上記第一の開閉装置を開き上記第二の開閉装置を閉じることによって上記負荷への電源供給を上記第一の相間から上記第二の相間に相間短絡を起こすことなく切替えるよう制御する制御手段を備えたことを特徴とする負荷変更装置。
【請求項２】
上記第一の開閉装置は並列接続された第一の開閉スイッチと第一の双方向スイッチング素子とを有し、上記第二の開閉装置は並列接続された第二の開閉スイッチと第二の双方向スイッチング素子と抵抗が直列接続された第三の双方向スイッチング素子とを有していることを特徴とする請求項１に記載の負荷変更装置。
【請求項３】
上記制御手段による切替え制御は、上記第一の開閉スイッチがＯＮの状態で上記第一の双方向スイッチング素子をＯＮして上記第一の開閉スイッチをＯＦＦにする手順と、その後上記第三の双方向スイッチング素子をＯＮしてから上記第一の双方向スイッチング素子をＯＦＦにする手順と、その所定時間後に上記第二の開閉スイッチおよび上記第二の双方向スイッチング素子をＯＮした後に上記第二の双方向スイッチング素子および上記第三の双方向スイッチング素子をＯＦＦにする手順とを有していることを特徴とする請求項２に記載の負荷変更装置。
【請求項４】
上記第二の開閉装置は電源側に第一の電圧計を有するとともに負荷側に第二の電圧計を有しており、上記制御手段は上記第一の電圧計と上記第二の電圧計の値が同じになったときに上記第三の双方向スイッチング素子をＯＮにすることを特徴とする請求項３に記載の負荷変更装置。
【請求項５】
上記双方向スイッチング素子は双方向サイリスタであることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の負荷変更装置。
【請求項６】
上記第一の開閉装置と上記第二の開閉装置は同一構成であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の負荷変更装置。
【請求項７】
上記三相交流回路における不平衡状態を検出して、上記第一の開閉装置および上記第二の開閉装置に対して、上記負荷に対する電源供給を切替えるための変更指令を発令する中央制御装置を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の負荷変更装置。
【請求項８】
上記第一の開閉装置および上記第二の開閉装置に設けられ、上記負荷に対する電源供給を切替えるための変更指令を発令する操作スイッチを備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の負荷変更装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、三相交流回路における不平衡状態を改善するための負荷変更装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、三相交流回路が不平衡状態になることで、電気機器の使用に支障をきたす事象が発生している。例えば三相誘導電動機では、三相交流回路が不平衡状態になると温度上昇の増加や効率の低下および振動や騒音の増加等さまざまな現象の発生に繋がる。このため三相交流回路の不平衡状態に対して管理基準が設定されている設備も多く、三相交流回路の不平衡状態を改善することは電力の安定供給や機器の寿命延命のためにも必要不可欠であり、例えば、不平衡状態を改善するために低負荷になっている相に対してダミーロードを接続する不平衡負荷補正装置が提案されている。（例えば特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭５９−３１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の不平衡負荷補正装置は、三相交流回路の不平衡状態を改善するために、低負荷になっている相に対して負荷（ダミーロード）を追加することで各相の負荷を均一にしている。しかし不平衡状態を改善するために必要な調整用の負荷（ダミーロード）は大きく、例えば水抵抗や大容量の抵抗など設備クラスの機器を用意する必要があるうえ、電力の消費量が多い相に合わせて負荷（ダミーロード）を追加するためロスエネルギーの増加に繋がるという課題があった。
【０００５】
この発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、調整用の負荷として水抵抗や大容量の抵抗などの設備クラスの機器を用意する必要がなく、ロスエネルギーの発生しない負荷変更装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る負荷変更装置は、三相交流回路における第一の相間から電源供給されている負荷に対して第二の相間から電源供給されるように変更する負荷変更装置であって、上記負荷に対して上記第一の相間から第一の開閉装置を介して電源供給するとともに上記第二の相間からも第二の開閉装置を開いた状態で接続して、上記第一の開閉装置を開き上記第二の開閉装置を閉じることによって上記負荷への電源供給を上記第一の相間から上記第二の相間に相間短絡を起こすことなく切替えるよう制御する制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の負荷変更装置によれば、負荷に対して三相交流回路における第一の相間から第一の開閉装置を介して電源供給するとともに第二の相間からも第二の開閉装置を開いた状態で接続して、上記第一の開閉装置を開き上記第二の開閉装置を閉じることによって上記負荷への電源供給を上記第一の相間から上記第二の相間に相間短絡を起こすことなく切替えるよう制御する制御手段を備えているため、調整用の負荷となる機器を別途用意する必要が無く、ロスエネルギーの発生しない負荷変更装置を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１における負荷変更装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１における負荷変更装置の第一の開閉装置を示す回路図である。
【図３】この発明の実施の形態１における負荷変更装置の第二の開閉装置を示す回路図である。
【図４】この発明の実施の形態１における負荷変更装置の切替え動作を説明する説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１における負荷変更装置の切替え動作詳細を説明する説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２における負荷変更装置の概略構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態２における負荷変更装置の切替え動作を説明する説明図である。
【図８】この発明の実施の形態２における負荷変更装置の切替え動作失敗を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における負荷変更装置の概略構成を示すブロック図、図２はこの発明の実施の形態１における負荷変更装置の第一の開閉装置を示す回路図、図３はこの発明の実施の形態１における負荷変更装置の第二の開閉装置を示す回路図、図４はこの発明の実施の形態１における負荷変更装置の切替え動作を説明する説明図、図５はこの発明の実施の形態１における負荷変更装置の切替え動作詳細を説明する説明図である。
図１において、三相交流電源１に接続されたＲ相電源母線２とＳ相電源母線３およびＴ相電源母線４を介して負荷（図示せず）に対して電力が供給されている。ここで発明をより分かりやすく説明するため、以下の説明においては、一例としてＲ相電源母線２とＳ相電源母線３との相間を第一の相間とするとともに第一の相間の負荷を第一の負荷（図示せず）とし、Ｓ相電源母線３とＴ相電源母線４との相間を第二の相間とするとともに第二の相間の負荷を第二の負荷（図示せず）と仮定し、第一の負荷が第二の負荷よりも大きい不平衡状態になっていると仮定する。
【００１０】
第一の相間には後で詳述する第一の開閉装置５が接続され、第二の相間には後で詳述する第二の開閉装置６が接続されているとともに、第一の開閉装置５と第二の開閉装置６との負荷側は２次側負荷用母線７および２次側負荷用母線８で接続され、不平衡状態を調整するための負荷９が接続されている。負荷９は第一の負荷と第二の負荷との差よりも小さい値に第一の負荷から案分されたものであり、第一の負荷と第二の負荷との差の半分の値にするのが理想的である。この状態で第一の開閉装置５は閉じており第二の開閉装置６は開いた状態であり、負荷９は第一の開閉装置５を介して第一の相間から電源供給されている。中央制御装置１０は三相交流回路の負荷状況を監視しており、第一の負荷が第二の負荷よりも大きい不平衡状態になると、通信線１１を介して第一の開閉装置５および第二の開閉装置６に対して変更指令信号を送信する。変更指令信号を受信すると後で詳細に動作説明するが第一の開閉装置５が開いて第二の開閉装置６が閉じることにより、負荷９への電源供給は第一の相間から第二の相間に切替え変更される。
【００１１】
次に図２および図３にもとづき第一の開閉装置５および第二の開閉装置６の詳細構造について説明する。第一の開閉装置５と第二の開閉装置６は接続されている電源母線が異なるのみで同一構造の装置であり、一緒に構造説明する。開閉スイッチ５１，６１と並列に接続された双方向スイッチング素子である双方向サイリスタ５２，６２と、抵抗５３，６３と直列接続された双方向スイッチング素子である双方向サイリスタ５４，６４の回路がさらに並列接続されて、並列３重構成のスイッチとなっている。スイッチの負荷側には２次側負荷用母線８に流れる電流を検出する電流計５５，６５が設けられている。またスイッチの電源側の電圧を検出する１次側電圧計５６，６６と、スイッチの負荷側の電圧を検出する２次側電圧計５７，６７が設けられている。電流計５５，６５で検出された電流と、１次側電圧計５６，６６および２次側電圧計５７，６７で検出された電圧は、それぞれ信号線５８を介して制御装置５９，６９に与えられる。制御装置５９，６９は通信線１１を介して中央制御装置１０からの変更指令信号を受信して、開閉スイッチ５１，６１や双方向サイリスタ５２，６２および双方向サイリスタ５４，６４の開閉を信号線５８，６８を介して制御する。
【００１２】
まず、負荷９への電力供給経路を切替える場合において、開閉装置の内部動作を省く負荷変更装置全体の概要動作について、図１にもとづき説明する。第一の開閉装置５が閉じており第二の開閉装置６が開いている状態、すなわち負荷９への電力供給経路が三相交流電源１のＲ相電源母線２とＳ相電源母線３から、第一の開閉装置５および２次側負荷用母線７，８を経由した状態であるとする。この状態で中央制御装置１０から通信線１１を介して第一の開閉装置５および第二の開閉装置６に対して電力供給経路の変更指令信号を出力することで、第一の開閉装置５が開き第二の開閉装置６が閉じるため、負荷９への電力供給経路は、三相交流電源１のＳ相電源母線３とＴ相電源母線４から第二の開閉装置６および２次側負荷用母線７，８を経由した状態に切替えられる。この状態で元に戻すには、第一の開閉装置５と第二の開閉装置６は同一の構成であるため、中央制御装置１０から通信線１１を介して第一の開閉装置５および第二の開閉装置６に対して電力供給経路の変更指令を再度出力することで、第二の開閉装置６が開き第一の開閉装置５が閉じるため、負荷９への電力供給経路は、三相交流電源１のＲ相電源母線２とＳ相電源母線３から第一の開閉装置５および２次側負荷用母線７，８を経由した状態に戻ることとなる。
【００１３】
次に電力供給経路変更時の第一の開閉装置５および第二の開閉装置６の詳細動作について図４および図５に示すタイムチャートを参照して説明する。第一の開閉装置５と第二の開閉装置６とは接続されている電源母線が異なっているため、第一の開閉装置５の（第一の）開閉スイッチ５１と第二の開閉装置６の（第二の）開閉スイッチ６１とは同時に閉じることはできない。しかし、負荷９への電力供給経路変更は電力供給が途切れないように無停電で実施する必要があるため、以下の手順により切替え動作が実行される。
負荷９への電力供給の経路が第一の開閉装置５経由の状態では、第一の開閉装置５の（第一の）開閉スイッチ５１のみが閉じ（ＯＮ）ており、第一の開閉装置５の（第一の）双方向サイリスタ５２および双方向サイリスタ５４は非導通（ＯＦＦ）状態である。また、第二の開閉装置６の（第二の）開閉スイッチ６１および（第二の）双方向サイリスタ６２および（第三の）双方向サイリスタ６４も全て開いた（ＯＦＦ）状態である。この状態で中央制御装置１０から通信線１１を介して第一の開閉装置５の制御装置５９および第二の開閉装置６の制御装置６９に対して変更指令信号が送信されると、制御装置５９，６９の制御により以下に詳述する負荷９への電力供給経路の変更動作が実行される。
【００１４】
図４において、第一の開閉装置５の制御装置５９は中央制御装置１０からの変更指令信号を通信線１１を介して受信すると、双方向サイリスタ５２に対して駆動信号を与えて双方向サイリスタ５２を導通（ＯＮ）させた後に開閉スイッチ５１に開指令信号を与えて開閉スイッチ５１が開く（ＯＦＦ）ことで、負荷９への電力供給を開閉スイッチ５１経由から双方向サイリスタ５２経由へと変更する。このとき負荷９に対しての電力供給が途切れないように、開閉スイッチ５１と双方向サイリスタ５２が同時に閉じ（ＯＮ）ている時間を設けている。第一の開閉装置５が双方向サイリスタ５２を経由した電力供給状態になる
のを待って、第二の開閉装置６の制御装置６９は抵抗６３と直列接続された双方向サイリスタ６４に対して駆動信号を与えて双方向サイリスタ６４が閉じ（ＯＮ）る。双方向サイリスタ６４を駆動するタイミングは図５に示すように１次側電圧計６６と２次側電圧計６７で検出された値が等しくなるタイミングとしている。
【００１５】
ここで第一の開閉装置５の双方向サイリスタ５２が閉（ＯＮ）であるため第一の開閉装置５は１次側と２次側が短絡している状態である。そして第二の開閉装置６の双方向サイリスタ６４が導通（ＯＮ）すると第二の開閉装置６の１次側と２次側は抵抗６３で接続されている状態となる。つまり、この状態は三相交流電源１のＲ相電源母線２とＴ相電源母線４との間に第二の開閉装置６の抵抗６３が接続されている状態である。そのためＲ相電源母線２とＴ相電源母線４との間には相間の電位差を抵抗６３で商算した電流が流れるが、流れる電流は図５に示す電流計５５および電流計６５の値のように、双方向サイリスタ６４が閉じ（ＯＮ）る前に負荷９に対して流れていた電流に比較して明らかに大電流となるように抵抗６３の抵抗値が設定されている。
【００１６】
次に第一の開閉装置５の制御装置５９は電流計５５の電流値が増加したことを検知して双方向サイリスタ５２に対する駆動信号をＯＦＦにするが、双方向サイリスタ５２はサイリスタ特性であるため双方向サイリスタ５２に流れている電流が零となるまでは電流を流し続ける。具体的には双方向サイリスタ６４は１次側電圧計６６と２次側電圧計６７の値が等しくなるタイミングで閉じ（ＯＮ）られたため、双方向サイリスタ６４のＯＮから電圧波形が約１／２周期経過したタイミングで双方向サイリスタ５２に流れる電流は零となり双方向サイリスタ５２は開（ＯＦＦ）となる。
【００１７】
一方第二の開閉装置６の制御装置６９は双方向サイリスタ６４をＯＮにしたタイミングから電圧波形で３／４周期経過した時点の電流計６５の値を確認する。第二の開閉装置６の双方向サイリスタ６４がＯＮされたタイミングから１／２周期までの電流計６５の値に対し、３／４周期経過したタイミングの電流計６５の値が十分に減少していれば、Ｒ相電源母線２とＴ相電源母線４との間に電流が流れておらず、第一の開閉装置５の状態は開放であると判断する。第二の開閉装置６の制御装置６９は第一の開閉装置５の状態が開放であることを判断した後、開閉スイッチ６１に対して閉指令信号を与えるとともに、双方向サイリスタ６２に対しても駆動信号を与える。これは開閉スイッチ６１の動作速度よりも双方向サイリスタ６２の動作速度が高速であることを利用して、タイミングよく開閉スイッチ６１および双方向サイリスタ６２を閉じ（ＯＮ）るためである。開閉スイッチ６１が閉じるために十分な時間を確保したのち、第二の開閉装置６の制御装置６９は双方向サイリスタ６２および双方向サイリスタ６４に与えている駆動信号を停止し、双方向サイリスタ６２および双方向サイリスタ６４が開（ＯＦＦ）となって、第二の開閉装置６の開閉スイッチ６１のみが閉じ（ＯＮ）ている状態になり、負荷９への電力供給の経路が第二の開閉装置６経由の状態となる。
【００１８】
以上説明したように、負荷９への電力供給経路を変更することで、三相交流回路の不平衡状態を水抵抗や大容量の抵抗などの大規模な設備を用いずに改善することができ、さらに負荷９は第一の負荷から按分されたものであるから、ロスエネルギーが発生することもほとんどない負荷変更装置が得られる。
ただし電力供給経路を変更する動作過程において、双方向サイリスタ５２が開いてから双方向サイリスタ６２が閉じるまでの約１／４周期の間は抵抗６３を介して負荷９に電力を供給するため、負荷９では負荷９と抵抗６３との抵抗比に相当する電圧の低下が発生する。また、三相交流電源１の三相交流電源１のＲ相電源母線２とＴ相電源母線４との間に抵抗６３を介して電流を流す約１／２周期の間についても、流れる電流によっては電源の能力とケーブルのインピーダンスによる電圧の低下が発生する。
なお、上記動作説明においては第一の開閉装置５の抵抗５３と双方向サイリスタ５４および１次側電圧計５６と２次側電圧計５７についての説明は無い。これらの機器は負荷９への電力供給経路を第一の開閉装置５経由から第二の開閉装置６経由に変更する際には必要ないが、負荷９への電力供給経路を第二の開閉装置６経由から第一の開閉装置５経由に戻す際に必要なものであり、戻す動作については第一の開閉装置５と第二の開閉装置６の動作が入れ替わる以外は上記動作説明と同様であるため省略する。
【００１９】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２における負荷変更装置の概略構成を示すブロック図、図７はこの発明の実施の形態２における負荷変更装置の切替え動作を説明する説明図、図８はこの発明の実施の形態２における負荷変更装置の切替え動作失敗を説明する説明図である。上記実施の形態１では中央制御装置１０から通信線１１を介して制御装置５９，６９に対して変更指令信号を出力する場合について説明したが、実施の形態２では図６に示すように、第一の開閉装置５に搭載された操作スイッチ１２および第二の開閉装置６に搭載された操作スイッチ１３を手動操作することで、制御装置５９，６９に対して変更指令を行うものである。負荷９に対して第一の開閉装置５経由で電力供給されているものを第二の開閉装置６経由で電力供給するように経路変更する場合、すなわち、第一の開閉装置５の開閉スイッチ５１のみが閉じている状態から、第二の開閉装置６の開閉スイッチ６１のみが閉じている状態になるまでの概略動作を図７のタイムチャートで説明する。
【００２０】
まず、第一の開閉装置５の操作スイッチ１２が押されることで、第一の開閉装置５の開閉スイッチ５１による電力供給から双方向サイリスタ５２経由の電力供給へと変更する。次に第二の開閉装置６の操作スイッチ１３が押されることで、実施の形態１で説明した動作と同様に、双方向サイリスタ６４が閉じ（ＯＮ）てから双方向サイリスタ５２が開いた（ＯＦＦ）後に開閉スイッチ６１と双方向サイリスタ６２が閉じ（ＯＮ）られ、所定時間後に双方向サイリスタ６２と双方向サイリスタ６４が開（ＯＦＦ）となって、第二の開閉装置６の開閉スイッチ６１のみが閉じ（ＯＮ）た状態に変更される。
【００２１】
ここで仮に誤操作により操作スイッチ１２と操作スイッチ１３が逆の順番で押された場合の動作を図８のタイムチャートで説明する。操作スイッチ１２と操作スイッチ１３が逆の順番で押された場合は、第一の開閉装置５の開閉スイッチ５１が閉じたままの状態で第二の開閉装置６の双方向サイリスタ６４が閉じ（ＯＮ）る。第一の開閉装置５の開閉スイッチ５１は電流計５５の電流値が増加したとしても開く（ＯＦＦ）ことはないため、三相交流電源１のＲ相電源母線２とＴ相電源母線４との間は第二の開閉装置６の抵抗６３で接続されている状態となり続け、三相交流電源１のＲ相電源母線２とＴ相電源母線４との間に電流が流れ続ける。ここで第二の開閉装置６の制御装置６９は双方向サイリスタ６４が閉じ（ＯＮ）たタイミングから電圧波形で３／４周期経過した時点の電流計６５の値を確認する。双方向サイリスタ６４が閉じ（ＯＮ）たタイミングから１／２周期までの電流計６５の値に対し３／４周期経過したタイミングの電流が減少していないため、第一の開閉装置５の状態は短絡であると判断できる。このため第二の開閉装置６の制御装置６９は、開閉スイッチ６１と双方向サイリスタ６２を閉じ（ＯＮ）ることなく双方向サイリスタ６４を開く（ＯＦＦ）ことで操作前の状態となり、負荷変更の動作は中止となる。
【００２２】
以上説明したように、第一の開閉装置５に操作スイッチ１２を設けるとともに第二の開閉装置６に操作スイッチ１３を設けることにより、中央制御装置１０および通信線１１が不要となり、さらに小規模な設備によって三相交流回路の不平衡状態を改善することができる。
【００２３】
なお、上記実施の形態１および実施の形態２の説明においては、一例としてＲ相電源母線２とＳ相電源母線３との相間を第一の相間とするとともに第一の相間の負荷を第一の負荷とし、Ｓ相電源母線３とＴ相電源母線４との相間を第二の相間とするとともに第二の相間の負荷を第二の負荷と仮定し、第一の負荷が第二の負荷よりも大きい不平衡状態になっていると仮定して説明したが、第一の相間と第二の相間はこれに限定されるものではなく、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の電源母線のどの相間であってもよく、負荷９への電力供給経路の変更動作は同様である。また、第一の開閉装置５および第二の開閉装置６を電源母線に直接接続するのではなく、変圧器を介した状態で接続して使用することも可能である。
さらに、この発明は上記実施の形態１および２で説明した負荷の変動による三相交流回路の不平衡状態の解消以外にも、例えば太陽光発電などの分散電源による電源側の要因によって発生する不平衡状態の解消にも適用可能である。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１  三相交流電源、２  Ｒ相電源母線、３  Ｓ相電源母線、４  Ｔ相電源母線、５  第一の開閉装置、６  第二の開閉装置、７  ２次側負荷用母線、８  ２次側負荷用母線、９  負荷、１０  中央制御装置、１１  通信線。
【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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【図８】
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