Memoria de Calculo Puesta a Tierra Ecopetrol

INGENIERÍA DETALLADA PARA EL INCREMENTO DE

CAPACIDAD A +220 KBPD EN EL OLEODUCTO VAS-CIB, EN

LAS ESTACIONES VASCONIA Y CASA BOMBAS 8 EN EL GRB –

VASCONIA 1

Cálculo de Malla de Puesta a Tierra

PROYECTO CLIENTE No. ITR310400

0 27-Feb-11 Aprobado para continuar a la siguiente fase GAR EIB RGV

A 29-Nov-11 Emitido para revisión y comentarios del cliente GAR EIB RGV

P 22-Nov-11 Emitido para revisión interdisciplinaria GAR EIB RGV

REV. FECHA DESCRIPCIÓN ELABORÓ REVISÓ APROBÓ APROBÓ CLIENTE

PROYECTO ENERGÉTICOS No. P84-11-40

DOCUMENTO No. VAS-5209124-11040-ID-ELE-MC-066-0

INGENIERÍA DETALLADA PARA EL INCREMENTO D E CAPACIDAD A +220 KBPD EN EL OLEODUCTO VAS-CIB, EN

LAS ESTACIONES VASCONIA Y CASA BOMBAS 8 EN EL GRB – VASCONIA 1

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Documento No.

Cálculo de Malla de Puesta a Tierra Revisión: 0

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TABLA DE CONTENIDO

1.0 OBJETIVO .......................................... .........................................................................................................2

2.0 ALCANCE ........................................... ........................................................................................................2

3.0 CONDICIONES AMBIENTALES ........................... .....................................................................................2

4.0 NORMAS APLICABLES ................................. ............................................................................................3

5.0 DOCUMENTOS DE REFERENCIA ............................................................................................................3

6.0 CRITERIOS DE DISEÑO ............................................................................................................................4

7.0 PARÁMETROS DE DISEÑO .............................. ........................................................................................4

7.1 GENERALIDADES ..................................... ............................................................................................4

7.2 MATERIALES DE LA MALLA ............................ ...................................................................................4

7.3 CONECTORES DE LA MALLA ............................ .................................................................................4

7.4 CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO Y TIEMPO DE DESPEJE ...........................................................4

7.5 RESISTIVIDAD DEL TERRENO .......................... ..................................................................................5

7.6 SELECCIÓN DEL CONDUCTOR ........................... ...............................................................................6

8.0 MÉTODO DEL CÁLCULO ................................ ..........................................................................................7

8.1 DATOS INÍCIALES ................................... .............................................................................................7

9.0 RESULTADOS ........................................ ....................................................................................................8

ANEXO 1 – REPORTE PROGRAMA ETAP PARA EL CÁLCULO MAL LA DE PUESTA A TIERRA .......... 11



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1.0 OBJETIVO

Para el desarrollo del plan estratégico de evacuación de crudos de la VIT, es necesario desarrollar la ingeniería detallada para la construcción de nuevas facilidades de rebombeo dentro de la actual estación de Vasconia, ubicada en el departamento de Boyacá, Magdalena medio a 17 km del municipio de Puerto Boyacá, sobre la margen derecha del rio Magdalena (estación de origen) y Casa Bombas 8 del GRB (estación de destino). Esta Ingeniería se hace con el fin de aumentar la capacidad de bombeo a aproximadamente 270 KBPD desde la estación Vasconia hasta el complejo GRB (Casa Bombas 8).

2.0 ALCANCE

El alcance general de los servicios de Ingeniería en la especialidad eléctrica, consiste en elaborar la ingeniería necesaria para la gestión de compra que permita a ECOPETROL cumplir con los objetivos que se describen a continuación para cada estación.

Estación Vasconia I

• Incrementar la capacidad de transporte del Oleoducto Vasconia CIB a 270 KBPD.

• Instalación y conexión de dos (2) transformadores 20/26 MVA 110/6.6 kV

• Instalación y conexión de un nuevo Switchgear de 6.3 kV para distribución de energía.

• Instalación y conexión de una (1) nueva celda de alimentación en el Switchgear de 6.3 kV actual para la nueva bomba BCP 6450

• Adecuaciones y conexiones necesarias al CCM de 480 VAC actual para los auxiliares de la nueva bomba BCP 6450 y los nuevos variadores hidrocinéticos de las bombas BCP 6410 y BCP 6420.

El cálculo involucra la selección del conductor, la profundidad de la malla, la cuadrícula de la malla, la cantidad de varillas requeridas como mínimo, para garantizar un Sistema de puesta a tierra (SPT), de tal forma que cualquier punto del interior o exterior, normalmente accesible a personas que puedan transitar o permanecer allí, no estén sometidas a tensiones de paso, de contacto o transferidas, que superen los umbrales de soportabilidad cuando se presente una falla.

En esta memoria se describen los criterios fundamentales, seguidos para el diseño del Sistema de puesta a tierra del cuarto eléctrico y el patio de transformadores de potencia. Básicamente, se siguen los conceptos tratados en el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas - RETIE Artículo 15º. PUESTAS A TIERRA y en la norma IEEE Std 80-2000.

El diseño presentado en esta memoria de cálculo se ve reflejado en el plano del sistema de puesta a tierra, documento No. VAS-5209124-11040-ID-ELE-PL-058 Plano Malla de Puesta a Tierra.

3.0 CONDICIONES AMBIENTALES

Las condiciones que se presentan en las estaciones se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 1. Condiciones del Lugar: Parámetro Vasconia

Altura sobre el nivel del mar (m.s.n.m) 139 Presión Barométrica (psia) 14.24



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Parámetro Vasconia

Máxima temperatura en el sitio (ºC) 40 Temperatura media (ºC) 29 Humedad relativa máxima (invierno) 99 Humedad relativa promedio 78% Precipitación media anual (mm) 2078 Velocidad máxima del viento (KPH) 100 Zona de amenaza sísmica Intermedia

4.0 NORMAS APLICABLES

• IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers/ ANSI American National Standard Institute

o IEEE Std 80-2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding

o IEEE Std 142-2007 IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems. (Color Book Series - Green Book)

o ANSI/IEEE Std81: IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance Earth Surface Potentianls of a Ground System.

• NEMA

o NEMA GR 1-2007 Grounding Rod Electrodes and Grounding Rod Electrode Couplings

• NFPA

o NFPA 70 National Electrical Code, NEC

• Underwriters Laboratories (UL)

o UL 467 Standard for Grounding and Bonding Equipment

• ICONTEC Instituto Colombiano de Normas Técnicas

o NTC 2050 Código Eléctrico Colombiano

• Ministerio de Minas y Energía - Colombia

o Reglamento Técnico de Instalaciones Electricas – RETIE, Resolución 18 1294 Agosto 06 de 2008.

• ECOPETROL

o ECP-GTP-F-38-NIP-61-01 Especificación Técnica para Suministro y Construcción de Sistemas de Puesta a Tierra

• ASTM American Society for Testing and Materials

o ASTM G-57 Standard Method for Field Measurements of soil Resisitivity Using the Wenner tour Electrode Method

5.0 DOCUMENTOS DE REFERENCIA

Documentos del proyecto:

• VAS-5209124-11040-ID-ELE-CD-001 Bases y Criterios de Diseño Eléctrico



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• VAS-5209124-11040-ID-ELE-ET-003 Especificación Construcción y Montaje

• VAS-5209124-11040-ID-ELE-MC-052 Análisis de cortocircuito

• VAS-5209124-11040-ID-ELE-PL-058 Plano Malla de Puesta a Tierra

• VAS-5209124-11040-ID-ELE-TI-001 Típicos de Puesta a Tierra

6.0 CRITERIOS DE DISEÑO

Voltajes de paso y de contacto dentro de los valores permisivos de acuerdo con lo establecido en la norma IEEE 80 (GPR (Ground potencial rise) debe ser < E contacto tolerable, o, el E (retícula) debe ser < E contacto tolerable y E paso calculado debe ser < E paso tolerable).

El criterio fundamental para garantizar la seguridad de los seres humanos, es la máxima corriente que pueden soportar, debido a las tensiones de paso, de contacto o transferidas y no del valor de resistencia de puesta a tierra tomado aisladamente. Sin embargo, un bajo valor de la resistencia de puesta a tierra es siempre deseable para disminuir la máxima elevación de potencial GPR.

Según El RETIE capítulo 15.4, se recomienda un valor máximo de resistencia de puesta a tierra para Subestaciones de media tensión de 10 Ω.

7.0 PARÁMETROS DE DISEÑO

7.1 GENERALIDADES

Se dispondrá de un sistema de malla a tierra, que cubra las áreas de los nuevos transformadores de potencia 110/6.6 kV, transformadores de servicios auxiliares de 6.3/0.48 kV y el nuevo cuarto eléctrico de media tensión.

Se considera que el peso más bajo de un trabajador es de 50 kg y que no existirán áreas de tránsito restringidas por razones de potenciales indeseables.

7.2 MATERIALES DE LA MALLA

La malla será construida con conductor de cobre duro, desnudo de conductividad del 97 %.

Se usarán varillas de puesta a tierra de Acero con recubrimiento electrodepositado de cobre (copperweld) de 2,44 m de longitud y 5/8” de diámetro, estas se consideran como elementos de la malla.

7.3 CONECTORES DE LA MALLA

Las uniones entre los elementos de la malla serán en su totalidad termosoldadas.

Según el RETIE numeral 15.3.2, tabla 24, el material del cable empleado cuando se usa conexiones exotérmicas es cobre duro, con una temperatura de fusión Tm de 1084 ºC.

7.4 CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO Y TIEMPO DE DESPEJE

Se debe evaluar el tipo y localización de la falla a tierra que produzca la mayor circulación de corriente entre la malla de tierra y la tierra circundante y por lo tanto el más alto GPR.



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Según la norma IEEE- 80 cláusula 15, teniendo un transformadores Delta – Y aterrizado en el lado de baja, el devanado de baja con configuración de Y aterrizado, es una fuente local de corriente de falla y no contribuyen en el GPR (IG=0) (fig 28 de IEEE 80). Por lo tanto la máxima corriente de la malla se presentaría en base a la corriente de cortocircuito monofásica del lado de 110 kV.

La corriente de cortocircuito que se considera para calcular los voltajes de paso, contacto y la resistencia de puesta a tierra es 2.448 kA. Este dato de la corriente de falla para el evento de un cortocircuito monofásico en el lado de 110 kV.

Sin embargo, aquí es necesario tener en cuenta que, en los puntos donde los cables de guarda de las líneas de transmisión están conectados a tierra, se deriva por ellos, hacia afuera de la estación de rebombeo una porción substancial de la corriente de falla.

La división de esta corriente de corto circuito a tierra entre los conductores de tierra de las líneas o cables de salida y el sistema de tierra, está dada por un factor de división de corrientes Sf, donde Sf es igual al 80% para tres cables de guarda (LTs Jazmin, Palagua, Pto Boyaca y Teca).

También se considero un factor de crecimiento del 130%.

Para el cálculo del conductor de la malla se empleara la mayor de las fallas, en este caso se espera una corriente máxima 55 kA en barras de 480 V de Vasconia II.

Para el cálculo de la malla, el tiempo de despeje de la falla se establece en 0.3 segundos. Este tiempo es un valor suficiente, teniendo en cuenta que se va a tener un sistema eléctrico con relés de protección de última tecnología de tiempos de despeje de fallas de 30 ms o menos y los de las protecciones de respaldo entre 150 y 300 ms.

7.5 RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Para el análisis de resistividad del terreno, no se realizaron las medidas de resistividad en sitio.

Entonces, para tal efecto se partió con base en los valores típicos de resistividades dados por la IEEE Std 80-2000 tabla No 8, teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:

• De acuerdo con el documento (4)G63074-A1025-118 Informe Estudio de resistividad de la Subestación de la estación Vasconia las medida, la resistividad de la zona es de 15.13 ohm-m la primera capa con un espesor de 1 m y la segunda capa de 4.31 ohm-m.

• El terreno natural de la zona del proyecto es suelo orgánico húmedo, por cercanía al rio Magdalena, obteniendo medidas de resistividad bajas.

De este modo, para la malla de tierra del cuarto eléctrico y los transformadores de distribución y con el fin de representar más precisamente el sistema de tierra, se utilizó el modelo de las dos capas. En este modelo, el suelo está caracterizado por el espesor de la primera capa H, la resistividad de la primera capa ρ1 y la resistividad de la segunda capa ρ2, los valores para el modelo de las dos capas de acuerdo con la tabla 8 de la IEEE Std 80-2000 son:

ρ1 = Resistividad de la capa superior (Moist soil)

ρ1 = 100 ohm-m

ρ2 = Resistividad de la capa inferior (Wet organic soil)

ρ2 = 10 ohm-m

H = Profundidad de la capa superior



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H = 2 m

Se recomienda, una vez terminado el movimiento de tierras y la adecuación del terreno para la construcción del cuarto eléctrico, tomar medidas de resistividad en la zona con el fin de analizarlas y validarlas.

7.6 SELECCIÓN DEL CONDUCTOR

Para determinar el calibre mínimo se emplea la ecuación (40) o la Ecuación 42 de la IEEE 80 versión 2000.

Método Común:

++⋅

⋅⋅

⋅=

a

m

rrc

kcmil

TK

TK

t

TCAPIA

0

0ln

4.197

ρα

Utilizando para la malla conductor de cobre duro, con una temperatura ambiente de 40 º C. empleado la ecuación anterior y de la tabla 1 de la norma IEEE 80, se obtienen los siguientes datos:

• Tm: Temperatura de fusión o el límite de temperatura del conductor y una temperatura ambiente de 40 º C. Tm (º C)= 1084

Con un tiempo de despeje de la falla tc de 0.3 s, y una corriente de falla I de 55 kA.

Se obtiene el mínimo calibre del cable de puesta a tierra de la malla:

A kcmil = 107 mm2

Tabla 2. Dimensiones del cable de puesta a tierra

Cable Size, AWG Nominal

cross section

Nominal cross section Diameter

AWG/kcmil mm2 kcmil mm

2 AWG 33,63 66,39 7,88

1 AWG 42,41 83,72 7,95

1/0 AWG 53,48 105,57 8,93

2/0 AWG 67,42 133,09 10,02

3/0 AWG 85,03 167,85 11,25

4/0 AWG 107,2 211,61 12,64

250 kcmil 126,65 250,01 14,18



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350 kcmil 177,36 350,11 16,78

De la Tabla 2 se observa que el mínimo calibre del cable para la malla seria que se podría emplear es el 4/0 kcmil.

8.0 MÉTODO DEL CÁLCULO

Los cálculos de la malla se realizaron en el software ETAP 7.5, El software ETAP se basa en la norma IEEE St. 80 - 2000 y elementos finitos para calcular la malla a tierra con el modelo de suelos no uniformes.

8.1 DATOS INÍCIALES

Para iniciar el cálculo es indispensable tener en cuenta o determinar los datos que se encuentran en la Tabla 3.

Tabla 3. Datos iníciales 1. DATOS ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO

ts Duración de la corriente de corto / Tiempo de duración de la falla 0.3 s

Icc Corriente de corto circuito asimétrica 2448 A

2. DATOS DE LA MALLA CUARTO ELÉCTRICO

Material de la superficie del cuarto eléctrico Concreto Seco

Material de la superficie de los transformadores de potencia Piedra Triturada

Material de la superficie de los transformadores auxiliares Concreto Seco

h Profundidad de la malla 0.6 m

hs Espesor de la capa de concreto (piedra triturada) 0.1 m

Sf Factor divisor de la corriente de falla 0.8

Df Factor de decremento para la duración total de la falla ft en

segundos 0.3 s

3. DATOS DE RESISTIVIDAD

ρs Resistividad: del concreto seco (dato obtenido de la norma IEEE ST 80-2000, TABLE 7). 1000 - 1x106 Ω-m

ρ1 Resistividad del suelo (dato obtenido de la norma IEEE ST 80-2000, TABLE 8, Moist soil) 100 Ω-m

ρ2 Resistividad del suelo (dato obtenido de la norma IEEE ST 80-2000, TABLE 8, Wet organic soil) 10 Ω-m

H Espesor de la primera capa ρ1 2 m

4. DATOS DE LAS VARILLAS



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2b Diámetro de la varilla de tierra 0.016 m

Lr Longitud promedio de una varilla de tierra 2.4 m

Tipo de malla

Mallas con varillas tanto en el perímetro y/o esquinas como en el área de la malla

5. DATOS DEL CONDUCTOR

Calibre del conductor de cobre enterrado en la malla 4/0 AWG

6. PESO PARA EL CÁLCULO

Peso 50 kg

9.0 RESULTADOS

En el anexo 1 se encuentran el reporte de los resultados del ETAP para los cálculos de la resistencia de puesta a tierra del cuarto eléctrico de la Estación Vasconia.

Así como la verificación de las tensiones de paso y de contacto, cumpliendo con los requerimientos señalados en el RETIE, reglamento técnico de instalaciones eléctricas.

En la Figura 1 se muestra la configuración de la malla propuesta.

Figura 1. Configuración de la malla propuesta

• Malla de 30 x 58 m, con cuadricula de 6 m x 6 m aproximadamente para el área del cuarto eléctrico y transformadores.

• Cable de puesta a tierra de la malla 4/0 AWG.



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• Cantidad de varillas 27.

Como se observa en la Figura 2 y Figura 3 a continuación, en la zona de transformadores y en el cuarto eléctrico, los voltajes de paso y de contacto que se pudieran presentar son menores a los tolerables (ver Tabla 4).

Figura 2. Perfil de potencial de paso.



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Figura 3. Perfil de potencial de contacto.

En la Tabla 4 que se presenta a continuación, se resumen los valores obtenidos como verificación de cumplimiento del diseño propuesto.

Tabla 4. VERIFICACIÓN DEL DISEÑO PARÁMETRO REQUERIDO CALCULADO CUMPLE

Resistencia de puesta a tierra R < 10 Ω 0.23 Ω OK Voltaje de paso cuarto eléctrico Es < 440.7 V 366.8 V OK Voltaje de contacto cuarto eléctrico Et < 1127 V 117 V OK

El diseño final con la configuración propuesta en esta memoria, se presenta en el plano No. VASVAS-5209124-11040-ID-ELE-PL-058 Plano Malla de Puesta a Tierra.



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ANEXO 1 – REPORTE PROGRAMA ETAP PARA EL CÁLCULO MAL LA DE PUESTA A TIERRA

Location: ESTACIÓN VASCONIA

Engineer: G.RODRÍGUEZ Study Case: GRD1

7.5.0CPage: 1

SN: PROCDISENO

Filename: OT40 VASCONIA

Project: AMPLIACIÓN ESTACIÓN VASCONIA ETAP

Contract:

Date: 11-22-2011

INGENIERÍA BASICA PARA EL INCREMENTO DE CAPACIDAD A +220 KBPD EN EL OLEODUCTO VAS-CIB EN LA ESTACIÓN DE VASCONIA - CASA

Finite Element Method

Number of Ground Conductors: 14

Number of Ground Rods: 20

Total Length of Ground Conductors: 588.00 m

Total Length of Ground Rods: 48.00 m

Frequency: 60.0

Unit System: Metric

Project Filename: OT40 VASCONIA

Output Filename: C:\ETAP\OT40 VASCONIA\Cuarto Eléctrico Vasconia_Untitled.GR1

Ground Grid Systems

Electrical Transient Analyzer Program



7.5.0CPage: 2

SN: PROCDISENO



Contract:

Date: 11-22-2011


Ground Grid Input Data

System Data :

kg

for

FactorFault

Factor

CpSf TsTc

kA mm

Total

Body CurrentConductorsDuration°C

Extended

Boundary

LengthStep

Plot

Availablefor

Tf

Groundfor Sizing

Total Fault

Fault Duration (Seconds)

%

Projection

%

Division

X/R

Short-Circuit Current

Current

Ambient

Temp.WeightFreq.

Hz

60.0 50 40.00 5.232.448 0.30 0.30 0.30 1.0 0.0080.0 130.0

Soil Data :

mm W.m W.mW.mResistivity

Lower Layer Soil

Resistivity DepthMaterialTypeMaterial Type

Upper Layer Soil

DepthResistivity

Surface Material

Material Type

Crushed rock 1000.0 0.100 Moist soil 100.0 2.00 Wet organic soil 10.0

Type %

Conductivity

1/°C

@ 20 °C

r Factor

K0 @

0 °C

Temperature

Fusing

°C

Resistivity of

Ground Conductor

@ 20°C

µΩ.cm

Capacity

Per Unit Volume

J/(cm³.°C)

Thermal

Conductor/Rod

Material Constants :

Copper, commercial hard-drawn 97.0 0.00381 242.0 1084.0 1.78 3.42Conductor

Copper, annealed soft-drawn 100.0 0.00393 234.0 1083.0 1.72 3.42Conductor

Copper, commercial hard-drawn 97.0 0.00381 242.0 1084.0 1.78 3.42Conductor

Copper-clad steel rod 20.0 0.00378 245.0 1084.0 8.62 3.85Rod

Copper, annealed soft-drawn 100.0 0.00393 234.0 1083.0 1.72 3.42Rod

Copper-clad steel rod 20.0 0.00378 245.0 1084.0 8.62 3.85Rod

Conductor Data :

Type X Y Z

From Length InsulatedYes/Nom

Size

X Y Z

To

mm² $/mCost

Label

Copper, commercial hard-drawn 0.00 19.00 0.60 58.00 19.00 0.60 58.00 NO 10.00C1 107

Copper, annealed soft-drawn 0.00 27.00 0.60 58.00 27.00 0.60 58.00 NO 10.00C1 107














7.5.0CPage: 3

SN: PROCDISENO



Contract:

Date: 11-22-2011


Conductor Data :

Type X Y Z


Size

X Y Z

To

mm² $/mCost

Label


Rod Data :

Type X Y Z


Diameter

X Y Z

To

cm $/RodCost

Label

Copper, annealed soft-drawn 28.00 19.00 0.60 28.00 19.00 3.00 2.40 NO 100.00R0 1.600

Copper, annealed soft-drawn 18.00 13.00 0.60 18.00 13.00 3.00 2.40 NO 100.00R1 1.600

Copper-clad steel rod 28.00 13.00 0.60 28.00 13.00 3.00 2.40 NO 100.00R10 1.600


















CostCost

Cost :

Total Cost

$$mTotal LengthTotal

No.

RodConductor

$mTotal LengthTotal

No.

14 588.00 5880.00 20 48.00 2000.00 7880.00



7.5.0CPage: 4

SN: PROCDISENO



Contract:

Date: 11-22-2011


Ground Grid Summary Report

Coordinates (m) Coordinates (m)

Y X Calculated

%Calculated

VoltsTolerable

Volts

Maximum Step Potential

Y X Calculated

%Calculated

VoltsTolerable

VoltsPotential Rise

Rg

Volts

Ground GPR

OhmResistance

GroundMaximum Touch Potential

0.23 610.8 366.8440.7 117.41127.647.5 7.6 28.00 0.0083.2 10.4

Total Fault Current kA2.448 Reflection Factor (K): 0.818-

Maximum Grid Current: kA2.604 Surface Layer Derating Factor (Cs): 0.721

Decrement Factor (Df): 1.023

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