전기 및 교류아크 용접기 안전 의 이해

[에스엠웰텍]

전기 에 대한 이해

1. 정전기


종류가 서로 다른 물질을 마찰하면 가벼운 것을 끌어당기게 된다. 이와 같이 주위 물질에 전기적 힘을 미치게 하는 물체를 대전체라 하고, 이들 물체에 전하가 존재한다고 한다. 대전체에 발생한 전하를 검전기(檢電器) 등으로 검사해 보면 전하에는 두 종류가 있다는 것을 알 수 있다. 이것을 양전하와 음전하라고 한다. 그런데 전하는 아무것도 없는 데서 발생하는 것은 아니다. 대전이란 원래 양음의 전하가 같은 양씩 존재하며, 서로 상대방의 작용을 상쇄시키고 있는 상태에서 두 종류의 전하로 분리되는 현상이다. 따라서 예를 들면 A와 B와의 마찰에 의해 A가 전하를 띠면, B에는 A가 띤 전하와 양은 같고 종류가 다른 전하가 나타난다.

물체에 발생한 전하는 그 물체가 전기를 통하게 하지 않는 절연체이면 그 분포상태를 바꾸지 않지만, 도체일 경우에는 이동하여 새로운 분포상태로 바뀐다. 이와 같은 상태 가운데서 전하의 분포가 변화없이 보존되어 있는 상태를 정전기라 하는데, 그것에 의해 일어나는 현상에는 다음과 같은 특징이 있다. 이에 대해 전하의 이동을 전류라 하며, 이 경우에는 정전기 현상에서는 볼 수 없는 작용이 나타난다.

① 2개의 정전하(靜電荷) 사이에는 그 전하가 동종일 경우에는 상호반발력이 작용하고, 이종(異種)일 경우에는 상호인력이 작용한다. 그 크기는 두 전하량의 곱에 비례하고, 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례한다. 이것을 쿨롱의 법칙이라고 한다. 전하량(전기량)은 이 힘의 크기를 기준으로 하여 결정할 수 있다.

② 정전하 사이의 전기력은 전하 주위의 공간에 어떤 종류의 성질이 주어지고, 거기에 있는 다른 전하에 힘을 미치는 것으로도 생각된다. 이와 같은 정전하 주위의 전기력이 작용하는 공간을 전기장이라 한다.

③ 대전체 가까이에 물체를 놓으면 그 대전체 가까운 쪽에는 이와 반대되는 전하가 나타나고, 먼 쪽에는 같은 종류의 전하가 나타난다. 이 현상이 정전기유도인데, 물체가 비교적 가벼울 때는 전기력에 의해 대전체에 끌어당겨진다. 또 물체가 도체일 경우에는 유도된 한쪽 전하를 접지(接地)함으로써 흘려 버리고 다른 쪽 전하를 도체 속에 축적할 수 있다. 전기쟁반이나 기전기(起電機) 등은 이 현상을 이용한 것이다.

④ 수주(水柱)의 높이가 수압을 결정하는 것과 같이, 대전체나 전기장에는 전위(電位)라는 것을 생각할 수 있다. 즉 전기장 안의 A에서 B로 양전하가 이동할 때는 일을 얻을 수 있고, 반대로 B에서 A로 양전하를 이동시키기 위해 외부로부터 일을 주지 않으면 안 될 때에는, A가 B보다 전위가 높다. 이것을 A,B 사이의 전위차(전압)라 한다. 물이 낮은 곳으로 흐르듯이 전위차가 있는 대전체를 도체로 연결하면 ＋전하는 전위가 낮은 곳으로 흐른다. 전위차의 실용단위는 볼트(V)이다. 1V란 1C(쿨롱)의 전하가 이동할 때의 일이 1J(줄)인 두 점 사이의 전위차를 말한다. 따라서 q C의 전하가 V V의 전위를 가지는 장소에 있을 때는 0 V(지구의 전위)의 장소에 있을 때보다 qV J만큼 많은 에너지를 축적하고 있는 것이다.

⑤ 절연된 도체(예를 들면, 축전기의 극판 등)에 전하를 주었을 때 전위를 단위만큼 높이는 데 소요되는 전기량을 그 도체의 전기용량이라 한다. 그 값은 도체의 종류 ·형태 ·크기 등에 따라 결정되는 상수(常數)인데, 거꾸로 말하면 이 값이 클수록 전위를 높이지 않아도 많은 전하를 축적할 수 있다는 것이 된다. 실용단위는 패럿(기호:F)인데, 1C의 전하에 의해 전위가 1V 높아지는 경우의 전기용량을 1F으로 한다.

2. 전류


대전체를 도선으로 연결하면 순간적으로 전하가 이동되어 전위차가 없어진다. 그러나 전원에 의해 끊임없이 전하가 보충되어 전위차가 일정하게 유지되어 있으면 세기가 변하지 않는 계속적인 전류가 흐른다. 이와 같은 전류를 정상전류(定常電流)라 하며, 양전하가 흐르는 방향을 전류의 방향으로 한다. 전류의 세기는 단위시간에 이동하는 전하량에 의해 측정된다.

실용단위는 암페어(A)이다. 이것은 도선의 단면을 1s 동안에 통과하는 전하가 1C일 때의 전류의 세기를 1A로 한 것이다. 따라서 C A의 전류가 ts 동안 흐르면 Ct C의 전하가 이동하는 것이 된다. 도선을 흐르는 전류의 세기 I는 도선의 양쪽 끝의 전위차 V에 비례한다. 즉, V＝IR가 된다. 이 관계가 옴의 법칙이다. 이 때의 비례상수 R는 전류가 흐르기 어려운 정도를 나타내는 것이므로 전기저항이라고 하며, 그 값은 도체의 재료나 형태, 크기 등에 의해 결정된다. 1V의 전위차로 1A의 전류가 흐르는 전기저항을 1Ω이라고 하여 전기저항의 실용단위로 한다. 전하가 축적하고 있는 전기에너지는 전류로서 흐를 때만 외부에 방출된다.

즉 전위차 V V 사이를 C A의 전류가 흐르면 1s마다 CV J의 에너지가 발생한다. 이 ‘전위차×전류’로 주어지는 전류에 의한 일률을 단위 와트(W)로 표시하는데, 어느 시간 내에 발생하는 전기에너지는 이 와트수에 전류가 흐른 시간을 곱한 것이 된다. 보통 전력량(電力量)의 단위로 사용되는 킬로와트시(kWh)는 1kW의 전력을 1시간 사용하여 얻을 수 있는 에너지를 단위로 한 것으로 3.6×106 J에 해당한다.

3. 전류의 작용


전류의 작용은 다음과 같은 현상이 특징이다. ① 전류가 흐르면 도선에 열(줄열)이 발생한다. 이것은 전기에너지가 열로 바뀌는 현상인데, 발열(發熱) 이외에 전력이 소비되는 경우(예컨대 전동기의 경우)를 제외하면 발열량 Q는 전류 IA의 제곱과 전기저항 RΩ 및 전류가 흐른 시간 ts에 비례한다. 이것을 식으로 표시하면 Q=0.24I2 Rt cal=0.24VIt cal 로 된다.

따라서 전류가 일정하면 전기저항이 클수록 발열량은 많아지는데, 예를 들면 여러 가지 전기저항을 가진 도선을 직렬로 연결한 회로에서는 전기저항이 가장 큰 부위가 가장 높은 온도로 된다. 따라서 전열기 등에는 저항값과 녹는점이 높아 쉽게 산화되지 않는 니크롬선이 사용된다. 또 금속과 금속의 접촉부는 특히 저항(접촉저항)이 커지기 때문에 여기에 대전류를 흘리면 접촉부가 녹는다. 이 현상은 전기용접에 이용된다.

② 전류 주위에는 자기장이 발생한다. 즉 곧은 도선에 전류를 흐르게 하면 도선에 수직인 면 안에 세기는 도선으로부터의 거리에 반비례하고 방향은 전류 방향에 오른나사를 돌릴 때의 회전 방향으로 향하는 자기장이 나타난다. 이것을 앙페르의 법칙이라고 한다. 또 도선을 원통형으로 감은 코일의 경우는 코일이 자석과 동등한 것이 되는데, 특히 철심을 넣으면 자기장의 세기가 커진다.

이 경우 자기장의 세기는 전류의 세기와 코일의 형상이나 길이, 감은수 및 철심의 자기 투과율 등에 의해 정해지며, 자기장의 방향은 전류의 방향으로 회전하는 오른나사의 진행 방향과 일치한다. 이 형식은 전자석이나 변압기 등에 사용된다. 전류의 자기작용은 전하의 운동에 의해 자기장이 발생되는 현상이지만, 이와 반대로 자기장이 변화하면 그 속에 놓인 도선으로 전류를 흐르게 하려는 기전력이 나타난다. 도선의 회로가 닫혀 있으면 전류가 흐른다. 이 현상이 전자기유도이며, 발전기나 변압기 등의 원리이다.

③ 자기장 속에 놓은 도선에 전류를 흐르게 하면 이 도선에는 힘이 작용한다. 이 힘은 전류와 자기장의 방향이 평행일 때에는 나타나지 않고, 직교(直交)하고 있을 때 자기장의 세기와 자기장 안에 있는 부분의 도선의 길이 및 전류의 세기의 곱에 비례하는 크기를 가지며 플레밍의 왼손법칙에 의해 정해지는 방향으로 작용한다. 즉 왼손의 가운뎃손가락을 전류 방향으로, 집게손가락을 자기장 방향으로 향하게 하고 엄지손가락을 이와 직각으로 벌리면, 엄지손가락 방향이 힘의 방향을 가리킨다. 이 자기장이 전류에 미치는 힘은 전기에너지를 역학적 일로 변환시키는 전동기 등에 이용된다.

④ 전류는 어떤 종류의 용액을 통과할 때 화학작용을 일으킨다. 예를 들면, 식염수에 전류를 통하게 하면, 음극에서 수소가 발생하고 양극에서 염소가 발생한다. 이것은 염화나트륨이 전류에 의해 분해되어서 생기는 것으로 이와 같은 현상을 전기분해, 전류의 작용에 의해 분해되는 물질을 전해질이라 한다. 전기분해에 의해 전극에 석출되는 물질의 양은 전해질을 통과한 전하의 전기량에 비례한다. 또 전하 1C의 통과에 의해 용액에서 석출되는 물질의 질량은 물질의 종류에 따라 정해지므로 이것을 그 물질의 전기화학당량(電氣化學當量)이라 한다. 전류의 이 작용은 수산화나트륨의 제조를 비롯하여 구리 ·알루미늄 등의 제조와 전기도금 등에 이용된다.

교류아크 용접기 안전 의 이해

1. 교류 아크 용접작업의 안전

교류 아크 용접작업 중에 발생하는 감전사고는 주로 출력측 회로에서 발생하고 있으며, 특히 무부하일때 그 위험도는 더욱 증가하나, 안정된 아크를 발생시키기 위해서는 어느 정도 이상의 무부하전압이 필요하다. 아크를 방생시키지 않는 상태의 출력측 전압을 무부하전압이라고 하고, 이 무부하전압이 높을 경우 아크가 안정되고 용접작업이 용이하다. 하지만 무부하 전압이 높아지게 되면 전격에 대한 위험성이 증가하므로 한국공업규격(KSC)에서는 400[A] 이하의 용량에서는 무부하 전압을 85[V]이하, 500[A]이상의 용량에 대해서는 95[V]이하로 규정하고 있다.

표 1. 교류 아크 용접기의 규격(KSC 9602)

종류	정격2차 전류[A]	정격 사용율 [％]	정격부하전압		최고 2차 무부하 전압[V]	2차전류		적용할 수 있는 용접봉의 직경[mm]
			저항강하 [V]	리액턴스 강하[V]		최대치[A]	최소치[A]
				60[Hz]
AW-180	180	50	29	0	85이하	180이상 200이하	35이하	3.8이하
AW-240	240		32			180이상 200이하	50이하	2∼3.2
AW-300	300		35			180이상 200이하	60이하	2.5∼5
AW-400	400		40			180이상 200이하	80이하	3∼6
AW-500	500	70	45		95이하	180이상 200이하	100이하	4∼8

이러한 전압에서도 주위환경이 우천으로 인해 많은 습기를 함유하고 있거나 더운 날씨로 인해 근로자가 땀을 흘리게 되면 인체의 피부저항이 저하하여 용접작업 중에 전격을 받아 사망하는 경우도 있다. 이러한 재해를 방지하기 위해 교류 아크 용접기의 자동전격방지장치(이하전격방지장치)는 아크 발생이 중단된 후 약 1초 이내에 출력측 무부하 전압을 자동적으로 25[V] 이하(전원전압에 변동이 있을 경우 30[V] 이하)로 강하시켜서 전격의 위험을 방지하고 있다.

현재 산업안전보건법에는 무부하시 전압을 25[V] 이하로 규정하고 있다.

2. 아크 용접시의 전격위험

대지에서 용접작업을 하고 있는 작업자가 Holder의 충전부분이나 용접봉 등에 접촉해서 감전된 경우 통전전류는 대략 다음과 같은 식에 의해서 구해진다.

3. 자동전격방지장치

전격방지장치라 불리우는 교류 아크용접기의 안전장치는 용접기의 1차측 또는 2차측에 부착시켜 용접기의 주회로를 제어하는 기능을 보유함으로 해서 용접봉의 조작, 모재에의 접촉 또는 분리에 따라, 윈칙적으로 용접을 할 때에만 용접기의 주회로를 폐로(ON)시키고, 용접을 행하지 않을 때에는 용접기 주회를 개로(OFF)시켜 용접기 2차(출력)측의 무부하전압(보통 60∼95[V])을 안전전압(25∼30[V]이하)으로 저하시켜 용접기 무부하시(용접을 행하지 않을 시)에 작업자가 용접봉과 모재사이에 접촉함으로 인하여 발생하는 감전의 위험을 방지하고, 아울러 용접기 무부하시 전력손실을 격감시키는 2가지 기능을 보유한 것이다.

(1) 전격방지장치의 동작원리

그림 1. 전격방지장치의 회로도

그림 1 및 그림 2에서 보조변압기와 제어장치 그리고 S₁과 S₂가 전격방지장치에 포함되어 있는 부분이며, 더 구체적으로 설명하면 전격방지장치 내에는 용접상태와 용접휴지상태를 감지하는 감지부와 감지신호를 제어부로 보내기 위한 신호증폭부, 증폭된 신호를 받아서 주제어장치를 개폐하도록 제어하는 제어부 및 주제어장치로 크게 4가지 부분으로 구성되어 있다. 이 상태에서 용접을 행하기 위하여 용접봉을 모재에 접촉시키면 그림 3과 같이 용접기 2차측은 하나의 폐회로가 되면서 전류가 흐른다. 이때 흐르는 전류는 변류기(CT:Current Transformer)를 통해 흐르게 되어 변류기의 출력에는 그 고유의 변류비 만큼의 전류가 흐르게 되는데 이 전류가 용접을 행한다는 신호원으로 되어 전격방지장치 내의 저항을 통해 전압으로 바뀐다.

(가) 전자접촉기가 1차측에 있는 경우

(나) 전자접촉기가 2차측에 있는 경우

(다) 전격방지기의 전원을 교류 아크용접기의 2차측에서 취한 경우

그림 2. 전격방지장치의 동작개요도

그림 3. 용접봉을 모재에 접촉시켰을 때의 용접기 2차측의 등가회로

그림 4. 전격방지장치의 동작특성

이 전압이 신호증폭부에 인가되어 소정의 전압으로 증폭된 다음 제어부에 인가되어 주접점을 구동시키는데 필요한 전압(전격방지장치가 접점방식일 경우에는 마그네크 스위치내의 구동코일전압, 무접점일 경우는 SCR이나 TRIAC의 게이트전압)으로 작용하여 주접점이 폐로되면서 용접기 1차측에는 220[V]의 정격전압이 인가되고 용접기 2차측에는 60∼95[V]정도의 전압이 인가되면서 아크가 발생한다. 이때 그림 1에서는 접점 S_₂가 열리고 S₁은 닫히게 된다.

이렇게 해서 용접이 계속되고 있을 때는 용접기 2차측의 용접전류가 변류기로부터 전격방지기를 구동시키는데 필요한 신호가 계속 전격방지장치 내에 입력되므로 그 신호가 없어질 때까지 용접이 계속된다.

이상에서 살펴본 전격방지장치에 의한 용접기의 동작특성을 용접기 2차측 전압의 고저로 나타내면 그림 4와 같다.

(2) 전격방지장치의 사용조건

전격방지장치는 다음과 같은 경우 이상없이 동작하도록 되어 있다.

① 주위온도가 -20[℃]이상 45[℃]를 넘지 않는 상태

② 선상 또는 해안과 같은 염분을 포함한 공기중의 상태

③ 연직 또는 수평에 대해서 전격방지장치의 부착면의 경사가

    20°를 넘지 않는 상태

④ 먼지가 많은 장소

⑤ 유해한 부식성가스가 존재하는 장소

⑥ 습기가 많은 장소

⑦ 기름의 증발이 많은 장소

⑧ 표고 1,000m를 초과하지 않는 장소

⑨ 이상한 진동 또는 충격을 받지 않는 상태

⑩ 슬로우다운 장치를 가지는 엔진구동 교류 아크 용접기로

    슬로우다운 동작을 하지 않은 상태

4. 사고방지 대책

(1) 감전사고의 방지대책

아크용접 작업시의 감전사고는 전술한 바와 같이 주로 2차측 회로에서 주로 발생하고 있고 특히 무부하시에 위험하다.

감전방지 대책중 중요한 것은 다음과 같다.

(가) 자동전격방지장치의 사용

용접기는 안정된 아크를 얻기 위하여 어느 정도 높은 2차측 무부하전압을 필요로 한다.

더구나 2차측 케이블이 긴 경우는 전압강하를 고려하여야 하기 때문에 필요한 전압은 더욱 높아지게 된다.

현재 2차측은 무부하 전압은 85[V] 이하(500[A]의 경우는 95[V] 이하)로 규정하고 있지만, 이 정도의 전압일지라도 사망의 위험은 충분하다.

따라서, 최고 무부하 전압은 될 수 있는 한 낮은 것을 선택하는 것이 바람직하다. 하지만 이 전압을 전격의 위험이 없는 정도까지 저하시키는 것은 불가능하므로 아크를 발생하는 순간만 85[V] 정도의 전압을 가하고, 무부하시에는 전격의 위험이 전혀 없는 낮은 전압으로 자동적으로 바꿔주는 자동전격방지장치가 필요하다. 또한 현행 산업안전보건법에 의하면 교류 아크 용접기에는 의무적으로 자동전격방지장치를 설치하도록 되어 있다.

(나) 절연 용접봉 호울더의 사용

호울더의 종류에는 전술한 것처럼 5종으로 나뉘여져 있으며 각 홋수의 크기는 아크 전류의 크기로서 나타낸다.

예를 들면, 300[A]의 아크 전류로 용접하는 경우에는 300호의 것 또는 그 이상의 크기를 갖는 홋수의 것을 사용하여야 한다.

(다) 적정한 케이블의 사용

용접기 출력측 회로의 배선에는 일반적으로 캡타이어 케이블 및 용접용 케이블이 쓰이지만, 피복이 파손되어 심선이 노출되면 작업자가 접촉하여 감전할 우려가 있다.

피복의 손상은 기계적인 것과 과전류에의 열손상으로 오는 수가 있다. 출력측 케이블은 일반적으로 기름에 의해 쉽게 손상되므로 클로르프렌 캡타이어 케이블을 사용하는 것이 좋다.

피복이 손상되었을 경우 완전히 절연 보수하거나 교환하여야 한다.

또한 아크 전류의 크기에 따른 굵기의 케이블을 사용하여야 한다.

(라) 2차측 공통선의 연결

그림 5. 용접작업의 개선 사례

2차측 전로중 피용접모재와 공통선의 단자를 연결하는 데에는 용접용케이블이나 캡타이어 케이블을 사용하여야 하며, 이를 사용하지 않고 철근을 연결하여 사용하면 전력손실과 감전위험이 커질 뿐만 아니라 용접부분에 전력이 집중되지 않으므로 용접하기도 어렵게 된다.

더구나 이 공통선을 철구조물이나 기타 금속체를 매개로 하여 피용접모재와 연결하면 저항이 작은 곳으로 용접전류가 흘러 화재, 폭발을 일으키거나 감전사고를 발생시킬 수도 있다.

그림 5는 불량한 용접방법을 개선한 사례를 보여준다.

(마) 절연장갑의 사용

용접중의 아크열, 스패터(spatter, 불똥)등에 의한 화상방지를 위해 용접용 가죽장갑을 착용하지만, 손이 땀 등에 젖으면 장갑이 젖게되고, 절연성능이 저하되어 감전의 위험이 따른다. 그래서 실리콘 등으로 처리한 장갑을 사용하는 것이 바람직하다.

(바) 기타

① 케이블 콘넥터 :

콘넥터는 충전부를 고무 등의 절연물로 완전히 덮힌 것을 사용하여야 하며, 작업바닥에 물이 고일 우려가 있을 경우에는 방수형으로 되어 있는 것을 사용하여야 한다. 통전중에 이탈되거나 개방시키면 아크의 발생으로 열화되면서 접촉이 불완전하게 되고, 접촉저항이 커져 과열로 인하여 절연피복이 손상된다.

② 용접기 단자와 케이블의 접속 :

접속단자 부분은 충전부분이 노출되어 있는 경우가 많지만, 감전의 위험이 있을 뿐만 아니라 그 사이에 금속 등이 접촉하여 단락사고가 일어나서 용접기를 파손시킬 위험이 뒤따르므로 완전하게 절연하여야 한다.

③ 접지 :

용접기 외함 및 피용접모재에는 제3종 접지공사를 실시해야 하는데, 접지선의 굵기는 1.6[mm]이상의 연동선으로 하면 되지만 수시로 이동해야 하기 때문에 고장시 안전하게 전류를 흘릴 수 있도록 충분한 굵기의 연동선을 사용하는 것이 바람직하다. 접지를 하지 않으면 모재나 정반의 대지전위가 상승해서 감전의 위험이 있다. 또한 접지는 반드시 직접 접지를 하여야 하며 건물의 철골 등에 접지해서는 안된다.

※ 이 자료는 (주) 선강엔지니어링 설계실 자료중에서 일부를

    제공한 것 입니다.

아래의 용접기는

서울특수기전의 자료이니 참고 바랍니다.

 용접 제품

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	특징 고주파 장애의 최소화   직류고전압 스타트 방식으로 아크스타트시 고주파를     사용하지 않기 때문에 주변의 전기기기에 장해를     극소화시킵니다. 저주파(0.5Hz~25Hz) 및 중주파(10Hz~500Hz) Pulse 제어로   이종금속, 박판 및 후판, 파이프 용접 등 다양한 용접이   가능합니다. 다기능으로 사용 편리   직류 TIG 용접, 직류 TIG Arc Spot 용접, 직류 TIG Pulse,     직류 수용접 토오치에서 전류 전압 조절 가능(Remote Current Control)

최고급 직류 TAG 용접기 - TIG TAC 300HP - hyosung
	특징 박판에서 후판에 이르는 폭넓은 용접 실현(0.3~8mm) 현지공사의 용접에 최적   인버터 기술로 300A의 용접기로서는 업계 최초의     소형경량화를 실현했습니다. 간단한 TIG Pulse 조정   복잡한 TIG Pulse에 대한 지식이 없어도 쉽게 조정할 수     있도록 하였으며, 용도에 따라 저주파 및 중주파를 선택     사용할 수 있습니다. 결함이 없는 용접 개시 및 종료의 실현 순시 아크 스타트 및 항상 안정한 아크 특성

인버터 제어형 AC/DC TIG 용접기 - AD TAG 시리즈 - hyosung
	1대로서 6대 이상의 기능   교류 TIG 용접: AI, Mg등의 경금속   교류 TIG 펄스 용접: AI등의 표피용접, 전자세,     이판(異鈑)두께 용접   교류 TIG 용접: Stainless, 동, Ni합금, 티타늄   직류 TIG 펄스 용접: Stainless등의 표피용접   직류 수용접: Stainless, Cr-Mo동, 일반연강 등   직류 TIG 아크 SPOT 용접: Stainless, 동, Ni합금,     티타늄 저합금강 디지털제어 방식 채택 용접 조건의 최대 5조건 메모리 기능 내장 One-touch 방식으로 모든 용접 조건을 간편하게 설정을 할수 있음 용접시 발생하는 펄스음이 타사 제품대비 월등히 부드러움 슬림(Slim) 타입의 소형 경량화 실현 터치 스타트 및 고주파 스타트 기능 겸비
* 아크 스타트 특성

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