大同西供电段,山西大同 037005
摘 要:电气化铁路在我国的经济建设中起着重要的作用,但是接触网故障的发生对运输生产和经济效益都会产生不利的影响。为了保障电气化铁路接触网安全运行,供电部门采用各种方式来减少设备故障。2010年后,既有电气化铁路系统的供电部门为了防止异物侵入接触网引起瞬时跳闸,减少承力索间的线索磨损,降低冬季上跨桥、隧道漏水结冰对电气化铁路安全运行的影响,在承力索交叉处、上垮桥下、隧道口、隧道结冰点等处所接触网承力索上安装了绝缘护套,对前述不良影响起到了较好的防护效果。但是,由于安装不规范、检查维护不到位、护套绝缘性能劣化快等原因,造成绝缘护套的防断线功能没有达到预期的结果。本文通过调查绝缘护套在某供电段的使用现状,通过典型故障案例,经研究分析探讨,总结接触网绝缘护套在现场的实际作用,得出绝缘护套对接触网安全运行弊大于利的结论,最后对绝缘护套的运行管理和替代使用提出具体建议,从而进一步提高接触网运行安全可靠性。
关键词:绝缘护套;接触网;承力索
1 选题的目的与意义
电气化铁路的牵引供电系统由牵引变电所、牵引网及其他辅助供电设施组成。牵引网是由接触网和回流装置构成的,由它给电力机车提供源源不断的电能,牵引货物或客车车厢前进。接触网是其主要构成部分。接触网沿铁路线上空架设,向电力机车供给电能的特殊形式的输电线路,它由接触悬挂(包括补偿装置)、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。其中接触悬挂包括接触线、承力索、吊弦以及连接零件和绝缘子以及锚段关节处的补偿装置等。
承力索通过吊弦将接触线悬挂起来,保证接触线的弛度,提高供电的可靠性和稳定性。在接触网故障类型中,承力索故障占有一定的比重,其中承力索断股、断线故障是接触网故障中较大且不易短时恢复的故障之一,如何保证承力索等线索的正常运行,是铁路供电系统工作中的一项主要内容。
在长期的运营实践中,铁路人立足安全生产,利用多种方式,对接触网承力索进行防护,以避免事故发生。在承力索等线索上安装接触网绝缘护套,就是众多防护方式中的一种。通过接触网绝缘护套的使用,对承力索的安全运行起到了一定的保障作用,但是也存在一些不可避免的问题。本文通过具体的事故案例进行研究分析,提出具体建议,减少承力索故障发生率,保障接触网安全运行。
在实际生产实践中,绝缘护套对防止承力索断股、断线故障的保护作用并不明显,而且经过长时间运行后,绝缘护套老化造成的绝缘强度下降、安装不规范造成的绝缘能力降低,都降低了绝缘护套的保护效果。本文通过列举几起典型故障案例,并对故障现象进行分析,探讨接触网绝缘护套的实际作用,得出绝缘护套对接触网安全运行弊大于利的结论,最后对绝缘护套的管理和替代产品提出具体建议,进而提高接触网运行安全可靠性。
2 承力索故障类型及危害
承力索故障造成原因分析
在运行中,造成承力索断股、断线的原因有多种,主要有六种情况,下面举例进行说明。
一、支持设备状态不良对地放电,造成承力索断股、断线。主要有电连接状态不良、棒式绝缘子或悬式绝缘子闪络造成接触网对地放电。
二、机车对地绝缘不良,易使接触线断线,接触线断线时产生的电弧使承力索烧断或烧伤而被拉断。
三、各种线索断线后与承力索碰撞或搭接,形成金属性短路,造成承力索烧断股或断线。例如跨越接触网地方电力线路断线、上垮桥附挂的电缆、电缆槽道、通信线路脱落造成的与承力索的搭接。
四、承力索交叉互磨、导电不良、工艺不符合标准造成承力索断线。
五、隧道内渗水、结冰严重,造成承力索对冰柱和隧道洞壁持续短路放电,使承力索烧断股、断线。
六、其他原因(如硬伤、落石等)。
通过我手上的数据显示,2013年全路共发生接触网C类事故75例,其中:断线事故60例,倒杆11例,塌网3例,零部件脱落1例。在这些事故中,由上跨桥、上跨线、隧道口及隧道内异物侵入导致的接触网断线事故就有15例,占所有C类事故的20%。同样,在2015年1至8月份的全路行车一般C类及以上的35例事故案例中,其中由上跨桥、上跨线、隧道口及隧道内异物侵入导致的事故有13例,占所有C类事故的比例更是达到了37%,已经超过了三分之一,可见防止由于异物侵入导致的承力索断线事故,是保证接触网安全运行的一项有利措施。
承力索被其他异物搭接主要有以下几种,一、上跨接触网的地方线路或上跨桥上附挂的电缆等线索出现断线,搭接在没有采取任何保护措施的承力索上,会导致接触网承力索烧断,引发故障。二、上跨接触网的地方及铁路桥梁在冬季会因雨雪造成桥梁下部出现冰棱,如果搭接在没有采取任何保护措施的承力索上,也会导致出现接地故障,引起接触网跳闸甚至出现断线故障。三、隧道内渗水冬季导致结冰严重,首先会侵入承力索安全范围,造成承力索对隧道壁持续短路放电,使承力索烧断股、断线等。四、大风天气时,风力作用下将地面的异物刮起,搭接在接触网上,会因电气绝缘距离不足引起放电跳闸。
承力索出现断股现象后,一方面其机械强度下降,给设备安全运行造成隐患。另一方面承力索断股发生后,由于其受电力机车受电弓振动等原因,会使已断股的承力索继续形成较长距离的散股,形成对机车车辆或其他线索短路放电,烧伤接触网。当承力索断股,导线散股较长时,还容易打坏电力机车的受电弓或缠绕在受电弓上,造成刮弓,直接影响电力机车的运行。
承力索断线后,断头点往往会低于接触线,致使电气绝缘距离不足,造成接触网对地放电、烧伤,烧断接触线及其他零部件、运输设备。若机车乘务员发现不及时,不但会危及人身安全,运行的机车受电弓会拖拽断落的线索,将使事故范围进一步扩大,如定位装置、吊弦被拉脱、拉偏等,甚至会造成接触线断线、接触网断杆、塌网等事故的发生。
3. 接触网绝缘护套使用现状
为了对这些接触网承力索故障进行提前防,铁路部门采取了多种措施,使用绝缘护套对承力索等线索进行防护就是其中的一种。
为了防止上跨线、桥异物坠落及隧道漏水结冰对接触网安全运行的影响,XXX供电段自2003年起,分别在上跨桥、隧道口、隧道内漏水点等处所的承力索及供电线、正馈线等附加悬挂上安装绝缘护套。截止2015年10月底,共安装绝缘护套553处,其中上跨桥273处、隧道口180处、隧道漏水点66处、人行天桥15处、渡槽8处、轻飘物易侵入点11处,安装总长度9315米。
在我工作的X供电运行工区,共有需安装绝缘护套的处所(上垮桥、上跨线)38处,其中上跨桥12处,截止2011年,已在上垮桥下的承力索和正馈线等处安装绝缘护套700米,基本保证了上垮桥下的绝缘护套全部安装。
3.1接触网绝缘护套的类型、作用
绝缘护套一般采用硅橡胶或其他聚烯烃材料,分为A、B两种结构。目前电气化铁路接触网中一般采用的是卡扣式硅橡胶绝缘护套管,它是一种开口式的绝缘套管,主要用于接触网中承力索的绝缘防护。
3.2接触网绝缘护套应用依据
2010年,原铁道部颁布了《电气化铁路接触网绝缘护套》(TB/T 3253-2010)行业标准,明确了绝缘护套使用的技术条件、试验标准等。2013年9月10日,中国铁路总公司运输局下发了《接触网绝缘护套安装维护办法》(运供供电函〔2013〕421号)。标志着在铁路供电系统内部有了明确的绝缘护套施工、使用、维护的指导规程。此后各原铁路局(现铁路集团公司)陆续制定了接触网绝缘护套安装维护实施细则,如《太原铁路局接触网绝缘护套安装维护实施细则》(技术规章编号:TYG/GD219—2013)等,使接触网绝缘护套的安装、使用、维护标准更加规范。
3.3接触网绝缘护套安装使用对接触网设备的影响
接触网绝缘护套的安装后,减少了安装部位接触网承力索因轻飘物上网等异物搭接引起的短路跳闸,缓解了隧道、上垮桥等处由于漏水结冰对接触网运行的影响,对保障接触网设备安全运行起到了一定的效果。但在实际运行中,现场安装的绝缘护套的绝缘能力并不尽如人意,而且造成了一些意料之外的故障。下面我们通过一些具体的故障案例来说明。
4. 接触网绝缘护套安装处所故障及其分析
4.1接触网绝缘护套安装处所故障
4.1.1上跨线脱落造成承力索断线
2010年9月20日,X工程局在无安全协议、无施工计划的情况下,擅自在大秦线638Km处进行地方电力线跨越接触网的施工作业。进行施工准备工作时,不慎将线索掉落在正在运行的接触网上,将基础网空车线杆号位于25#-27#间承力索、重车线杆号位于14#-16#间的中心锚结辅助绳烧断,造成接触网跳闸,构成一般C类事故。
此处接触网的承力索、正馈线、承力索中心锚结辅助绳在上跨桥附近,在此前为了进行防护,均安装了绝缘护套。线索掉下后,绝缘护套并没有按照预期效果起到保护线索的作用。
4.1.2 线索绝缘距离不够造成跳闸
2013年 6月18日,XX局XX高铁XXX大桥南出口处,279-281#吊柱正馈线在高温大风天气下,弛度增大、摆动加剧,与承力索绝缘距离不足放电,尽管该处承力索安装了绝缘护套,还是造成绝缘护套击穿、正馈线和承力索烧伤,停时129分钟。
4.1.3 隧道口绝缘护套安装处承力索断股
2015年10月25日,XX局集团公司XXX供电段更换XX隧道东口承力索绝缘护套时,发现距离隧道口1米的位置绝缘护套颜色泛白、变形,打开绝缘护套发现护套内有烧伤痕迹,承力索37股中已经断18股,其中最外层的13股全部断开;绝缘护套内脏污且有大量的水汽,绝缘防护效果已失去。
4.1.4 上跨桥下绝缘护套安装处承力索烧伤
2017年3月24日XX局集团公司XXX供电段在进行天窗作业检修时,发现XXX站南郊煤专线Z10#-Z11#(对应公里标:19km980m)处绝缘护套内承力索烧伤8股(其中烧断6股,承力索为TJ-120型,共19股)。
XXX站南郊煤专线Z10#-Z11#的该处绝缘护套安装于2011年,已运行6年,烧伤部位绝缘护套采用铁线绑扎(不符合安装规范),最近一次检查为2015年。2016该车间按照要求对管内正线加装绝缘护套的处所进行了检查和拆除,但未对南郊煤专线绝缘护套进行检查。2017年3月24日天窗作业中,车间组织对G208高速公路桥下XXX站1、3、5、2、4、6道及南郊煤专线绝缘护套拆除并加装铠装护线条,拆除南郊煤专线绝缘护套后发现承力索已烧伤,高速公路桥距承力索约1000mm。
从2016年1月至2017年3月,向该专线供电的供电臂开关原因不明的跳闸显示故标在该处所附近的共有3次:其中2016年1月20日连续跳闸两次,阻抗II段段均重合成功,故障距离25km,故标19.715km,未发现故障原因; 2016年10月24日,阻抗II段动作,故障距离25km,故标19.715km,未发现故障原因。由于缺乏现场事实依据,且时间较长,无法肯定其确切原因,秉着科学严谨的态度,初步怀疑可能为承力索搭接异物后,与桥体距离不足,放电导致其烧伤断股。
4.2接触网绝缘护套安装处所故障原因分析
从长期的运行实际来看,绝缘护套对防止异物搭挂跳闸还是具有一定的保护作用,依据行业标准,绝缘护套的工频干耐受电压(有效值)≥40kv,工频湿耐受电压(有效值)≥30kv,击穿电压≥45kv,能够降低异物坠落、漏水、冰凌对承力索等供电线索的伤害。但是这样的绝缘强度为什么还会发生被保护的线索断线、断股、烧伤问题呢?主要有以下几个的原因。
4.2.1绝缘护套老化造成其方面绝缘强度下降
由于电气化铁路接触网的承力索等线索裸露于自然环境中,运行环境比较恶劣。硅橡胶在紫外线作用下会逐渐老化而降低或失去其防护作用,在电弧作用下也会在表面产生烧伤,降低绝缘护套的绝缘能力。上述第三个案例隧道口绝缘护套安装处绝缘护套烧损及承力索断股的主要原因就是绝缘护套老化,绝缘强度降低。
隧道口处承力索上方漏水较为严重,形成水流(冰柱)与承力索绝缘护套接触。长期恶劣环境导致绝缘护套老化加快,绝缘强度降低迅速。加之绝缘护套安装时工艺不达标,密封不严,导致水汽进入绝缘护套内部。这些因素虽不至于引起阻抗保护及高阻保护动作,但承力索长期通过水流(冰柱)对隧道顶放电,造成承力索过热断股。
由于绝缘护套的防护作用,放电及故障电流时承力索产生的热量不易散发,断股处氧化电阻增大增加了承力索对隧道顶放电时的热量,加速了绝缘护套老化,进一步导致承力索断股增加。
4.2.2安装不规范造成其绝缘能力降低
现场安装绝缘护套时,因为天窗时间紧张或安装工艺不标准,绝缘护套锁口未完全入槽、端口不密封、铁线绑扎(上述第四个案例)等原因,造成绝缘护套的绝缘能力降低。上述电力线掉落在绝缘护套上,因密封不严,带电承力索与搭接电力线间实际绝缘介质为空气而非绝缘护套,经测量,带电部分距接地体(电力线)的爬弧距离45mm左右(极不均匀电场的平均击穿场强为5kv/cm),造成承力索对电力线放电,烧断承力索。
4.2.3未按照规定实行年限管理
从上述第四个故障案例可以看出,该处的绝缘护套已经运行了6年,已经超出了《接触网绝缘护套安装维护办法》规定的寿命管理年限,按规定应进行拆除更换。但因供电车间对该处绝缘护套进行更换且未实施一年一检的要求,发生接触网不明原因跳闸且故标在绝缘护套安装处附近时也未按要求利用天窗对该处绝缘护套进行打开检查。导致出现设备跳闸后不能及时发现跳闸原因,对绝缘护套内线索断股原因也不能进行判断。
通过现实故障和原因分析,可以看出绝缘护套在实际生产运营维护使用中存在有一定的弊端,致使其使用效果达不到预期,其主要弊端如下。
5. 接触网绝缘护套使用及维护中的弊端
绝缘护套安装后,通过一段时间的运行,我们发现在实际运行中存在绝缘护套内部线索损伤不易发现,绝缘护套老化程度不易区分等问题。绝缘护套防止线索断线功能退化,起不到既定的保护作用,甚至还会发生由于检查维护不到位,增加承力索断线可能性的问题。
5.1接触网绝缘护套使用维护要求在现场不易达到
5.1.1接触网绝缘护套安装时很难达到技术标准
1、安装绝缘护套前未对线索表面进行清洁。
接触网绝缘护套安装时,要将线索表面清理擦拭干净,并且不得在雨、雪、雾等潮湿环境和温度低于零度的天气情况下安装。而在实际工作中,由于天窗时间安排紧张再加上工作条件的限制,在安装绝缘护套时,工人往往会简化程序,直接在表面脏污的承力索上安装绝缘护套,给以后的设备运行埋下较多的安全隐患。
2、对绝缘护套对接处和端口的不达标。
绝缘护套安装时,对于端口的要求是“用密封胶条进行填充缠绕并压实,是护套和线索间无间隙,然后再用专用PVC胶带每圈1/3搭接缠绕三层,缠绕长度护套和线索上个60厘米”。但在实际工作中这个要求是很难在没有经过专门培训的职工手中实现的,偷减工序多有发生。例如在后期进行接触网绝缘护套拆除时,我们就发现部分绝缘护套的对接部位的PVC胶带缠绕搭接长度不足,也存在一小部分的绝缘护套端口用铁丝进行绑扎。这些都明显违反了绝缘护套的安装规程,使绝缘护套在使用过程中水汽侵入,造成安全隐患。
例如:2015年 7月11日,XX供电运行工区添乘中发现XX站52#人行天桥下、西张-汾河间199#-201#上跨桥下承力索上安装的绝缘护套绑扎不牢,接口处多处开口,存在脱落隐患。
2016年7月4日X供电运行工区在巡视中发现,XX站-XX一场间18#支柱处绝缘护套2015年4月份集中修安装在回流线上,该回流线距高柱信号机约1000mm,绝缘护套安装长度2米,两端用细绑线绑扎,中间未绑扎,中部已脱离回流线,存在安全隐患。
5.1.2接触网绝缘护套在使用中管理不到位
绝缘护套的理论使用年限是20年,按照文件要求,铁路接触网绝缘护套实行寿命管理,使用寿命暂定为5年,并且检修周期定为1年。而工区的日常检修中,由于天窗时间限制、对绝缘护套质量的盲目信任以及管理人员和职工对待工作的不严谨性等原因,使每年一检的要求流于形式;日常巡视时也未对绝缘护套足够重视,加之受接触网运行脏污环境影响,绝缘护套的粉化、变色极不易发现,导致当绝缘护套发生变形、变色时并不能及时发现、处理,造成安全隐患持续发展。2015年10月6日,技术科检查发现迁安北-迁西间XX隧道西口承力索上安装的绝缘护套向外滑移,对出口处线索的防护效果已退化。该处滑移已是陈旧痕迹,班组的日常巡视检查没有到位,给设备运行造成隐患。
5.2接触网绝缘护套日常维护检查工作量较大
绝缘护套是一个完整的硅橡胶体,为起到绝缘的作用,本身具有一定的厚度,这个绝缘层不透明,因此对其包裹的内部线索不具有可观察性。当由于异物搭挂、对地放电造成其内部线索烧伤、断股时,从常规的日常巡视中很难发现。要想对绝缘护套内部线索的状态进行检查,就必须对绝缘护套进行拆解,这就导致在绝缘护套的日常维护检查中,工作量巨大。这种检查必须在接触网停电时才能进行,这就意味着在大秦重载铁路线每周只安排一个接触网天窗的情况下,要耗费掉大量宝贵的天窗,影响到其他接触网设备的检修工作,不利于各项生产任务的完成。
5.3接触网作业人员对绝缘护套的认知误区
铁路供电部门的部分专业人员及职工,由于对接触网绝缘护套的技术标准及文件要求了解不透彻,认为承力索等线索加装绝缘护套后,就具备了绝缘能力,异物搭挂后对线索不会产生任何影响。比如,有的专业人员认为,隧道漏水点加装了绝缘护套,在绝缘护套对线索的保护下,即使冰柱搭接于承力索上也不会引发短路跳闸,放松了对隧道除冰作业的管理,致使险情发生。
其他生产系统的非专业人员,由于电气化知识的欠缺,错误认为正馈线加装了绝缘护套就是绝缘线,在附近作业时不考虑安全距离,完全违背了原中国铁路总公司“禁止将绝缘护套作为接触网带电部分至接地体间的绝缘隔离部件”的规定和 “不得因绝缘护套而减小电气绝缘距离”的规定。
在第二个故障案例中,尽管承力索安装了绝缘护套,但是由于其绝缘能力有限,并不能作为线索间的绝缘隔离件,在两个不同相位的高电压下,当由于风摆造成两带电线索绝缘距离不足时,依然会造成线索烧断的设备故障。
6. 解决接触网绝缘护套影响的方案
从现实故障和原因分析来看,接触网绝缘护套使用效果已经不适应铁路安全发展、科学发展的要求,必须采取措施加以改进。
6.1限制绝缘护套的使用
2015年9月28日总公司运输局供电部下发《关于做好特殊处所接触网线索防护的通知》,要求新建高速铁路不采用绝缘护套进行线索防护;严格控制绝缘护套的安装范围,寿命到期安装时间在5年以上的要制定计划,全部进行拆除更换。
大秦线各供电车间为全面掌握绝缘护套情况,便于发现问题及时进行分析并更换,建立了接触网绝缘护套基础台账和绝缘护套检修记录,内容包括:线路名称、区段、安装地点、安装原因(隧道或上跨桥等)、安装线索名称、安装长度、安装年度、护套型号、修前修后状态等,实行记名检修。并明确规定今后凡接触网需加装绝缘护套时,必须上报路局供电处,经研究批复后方可实施。
6.2 拆除绝缘护套,消除隐性缺陷
绝缘护套的使用年限在理论上是20年,但是在实际使用过程中基本上在5年左右,绝缘护套老化加急,其绝缘水平就会急剧下降,会带来较大的安全隐患。因此,各集团公司对绝缘护套实行寿命管理,将绝缘护套的使用寿命暂定为5年,对达到运行寿命的绝缘护套全部进行更换。
目前现场主要采用两种方式对接触网绝缘护套进行维护:一是对安装时间在5年以上的绝缘护套,全部进行更换。二是对安装时间不足5年的绝缘护套逐一打开,检查其保护的线索是否有氧化、断股现象。
第二种方式,其实存在很多不足:第一,绝缘护套数量较多,全部打开检查后再恢复,需要较长的工时,由于天窗时间有限,工作效率较低。第二,全面打开检查绝缘护套增加了接触网运行工区的工作量和劳动强度;第三,绝缘护套全部打开检查后,会造成其密封性差,绝缘性能下降,增加了绝缘护套击穿的概率。既然不能从根本上杜绝绝缘护套击穿故障,最好的办法还是彻底拆除绝缘护套,消除人为制造的安全风险。因此使用新型防护材料对线索进行防护是必然的趋势。
6.3 加快推进预绞式铠装护线条安装
2015年4月份起,XX局集团公司XXX供电段已经在电气化铁路上跨桥等处所的承力索上加装预绞式铠装护线条。2016年8月,中国铁路总公司发布《电气化铁路接触网用预绞式铠装护线条暂行技术条件》,明确了预绞式铠装护线条适用于电气化铁路接触网系统中承力索、附加导线等线索受异物损伤及各类烧损(如异物搭接短路电流、外部电弧、上跨电线路断落等因素引起的烧损等)的防护。
预绞式铠装护线条分为A、B两种型号。A 型预绞式铠装护线条的短路冲击电流为4000A,B型预绞式铠装护线条的短路冲击电流为7500A。承力索安装预绞式铠装护线条后,当发生短路故障时,预绞式铠装护线条的绞丝会首先熔断,起到保护承力索的作用。承力索受其保护,既能防止线索搭挂异物跳闸时烧伤线索,又不至于发生绝缘护套内线索断股的问题,具有导流性能好、机械强度高的特点。
预绞式铠装护线条发生绞丝熔断后,在巡视中就能发现故障点。而且预绞式铠装护线条安装、检查、拆除都非常方便,能够大大的节约天窗作业时间,提高工作效率。
据此,各供电单位在拆除既有绝缘护套的同时,同步安装预绞式铠装护线条,可以大大提高生产效率,并且同样起到对异物搭挂的防护作用。
到2016年底,X供电段已安装绝缘护套的227处上跨桥下的承力索中,已拆除绝缘护套、安装预绞式铠装护线条处所为139处,而到了2019年,则已达到205处。预绞式铠装护线条正在逐步取代绝缘护套,对承力索进行防护。
6.4 隧道漏水点处安装绝缘挡板
2016年4月份起,大秦线XXX供电段尝试在隧道内漏水点处安装高分子绝缘挡板,以堵漏引流的方式整治隧道内壁结冰隐患,防止由于隧道漏水结冰对接触网设备的影响。在隧道漏水点处的隧道顶壁处安装绝缘挡板,阻挡水流直下,并引导至稍安全的洞壁处留下。避免位于承力索、接触线正上方的漏水点结冰对接触网线索的影响,大大降低了因冰引起的接触网跳闸、断线故障。
7. 结论
综上所述,在接触网承力索等线索上安装绝缘护套,对线索的保护作用并不明显,反而会因安装标准不规范、检查维护不到位等原因,造成接触网承力索的断股后在护套内部不易发现的现象发生,严重的甚至会引起断线。因此采用新型保护材料来替代绝缘护套,不仅能够避免上述隐患性故障的发生,同时还能提高对接触网维护检修的效率,提高铁路安全生产率。
在改进方案中,对于上跨桥、上跨线、人行天桥等上跨处所下方的承力索等线索上安装预绞式铠装护线条,防止异物搭挂造成短路;在隧道漏水点处安装绝缘挡板,引导水流方向,改变隧道顶部冰柱形成位置,并及时除冰。多种举措并举,对接触网进行全面防护,来预防承力索断股、断线故障发生。
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主要参考文献:
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