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Schutzmaßnahmen | Grundwissen

Schmelzsicherungen oder Leitungsschutzschalter? - Teil 2

luk9/2005, 5 Seiten

Die Notwendigkeit und grundsätzlichen Bedingungen des Überstromschutzes waren in Teil 1 Gegenstand der Betrachtung. Darauf aufbauend stehen nun die einzelnen Überstrom-Schutzeinrichtungen im Blickpunkt.


Überstrom-Schutzeinrichtungen In elektrischen Anlagen werden mit den Überstrom-Schutzeinrichtungen Sollbruchstellen geschaffen, um Überlast-und Kurzschlussströme an definierten Stellen zu unterbrechen. Die Schutzeinrichtungen werden hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise unterschieden. Interessant ist, dass die für Netze und Leitungen als negativ anzusehenden Wärmewirkungen und die durch magnetische Felder entstehenden Kräfte der Überströme gleichzeitig die Grundlagen für das Abschalten der Schutzeinrichtungen bilden (Bild ). Bei der Auswahl der in großer Vielfalt zur Verfügung stehenden Überstrom-Schutzeinrichtungen sind neben der zu übernehmenden Schutzfunktion als Überlast-oder Kurzschlussschutz vor allem die Schmelzzeitkennlinie und das Schaltvermögen zu beachten. Werden Überstrom-Schutzeinrichtungen in Reihe geschaltet, ist neben dem Schaltvermögen auch ihr selektives Verhalten über dem gesamten Bereich der zu schaltenden Ströme zu berücksichtigen. Selektivität zwischen mehreren Schutzeinrichtungen ist vorhanden, wenn bei Überstrom nur die Einrichtung abschaltet, die tatsächlich abschalten soll. Als Forderung gilt: Nur die der Fehlerstelle am nächsten liegende Schutzeinrichtung muss den Überstrom abschalten. Schmelzsicherungen Funktion und Aufbau Eine Sicherung ist ein Schaltgerät zum einmaligen Unterbrechen eines Stromweges durch Abschmelzen eines definierten Schmelzleiters. Ursache ist die im Schmelzleiter entstehende Wärme, wenn der fließende Strom während einer bestimmten Zeit einen vorgegebenen Wert überschreitet. Niederspannungssicherungen werden grundsätzlich in Messersicherungen, Schraubsicherungen und Gerätesicherungen unterschieden (Bild ). Schraubsicherungen bestehen aus dem Sicherungssockel, dem Passeinsatz, dem Sicherungseinsatz und der Schraubkappe (Bild ). Der Sicherungssockel (Sicherungsunterteil) ist fest installiert. An seinem Fußkontakt wird die Zuleitung und an die Klemme des Gewinderinges die zu schützende Leitung angeschlossen. Im Sicherungssockel ist der normalerweise nicht zu wechselnde Passeinsatz eingeschraubt. Der Sicherungseinsatz wird durch den Sicherungseinsatzhalter (Schraubkappe) aufgenommen. Beim Einschrauben der Schraubkappe wird der LERNEN KÖNNEN 9/05 LERNEN KÖNNEN Auf dem Wege zur Elektrofachkraft 9 · 2005 Die Notwendigkeit und grundsätzlichen Bedingungen des Überstromschutzes waren in Lernen und Können 08-05 (Seiten 1 bis 3) Gegenstand der Betrachtung. Darauf aufbauend stehen nun die einzelnen Überstrom-Schutzeinrichtungen im Blickpunkt. INHALT Schmelzsicherung oder Leitungsschutzschalter?.................1 Fachbegriffe Was versteht man unter ................6 Elektrische Maschinen Sonderbauformen elektrischer Maschinen Sonderausführungen der Synchronmaschine.........................8 Arbeitssicherheit Lärmschutz am Arbeitsplatz .........11 Fachtest Lernfeld 3 ....................................13 Lernfeld 7 ....................................14 WISO/Englisch Wirtschafts-, Sozial- und Gemeinschaftskunde....................15 Technical English - Technische Texte in englischer Sprache .........15 Lösungen.....................................16 Grundwissen Lernfelder 1-5 Fachwissen Lernfelder 6-13 Prüfung Lernfelder 1-13 Schmelzsicherung oder Leitungsschutzschalter? ELEKTROPRAKTIKER-Magazin für die Berufsausbildung Wirkungen der Wärmeströme in Schutzeinrichtungen Wärmewirkung magnetische Wirkung Temperatursteigerung bis zum Schmelzpunkt des Schmelzleiters oder -lotes Ausdehnung der Metallstreifen Schmelzen des Schmelzleiters Biegen des Bimetalls und Lösen der Verklinkung Kräfte an den Polen des Magnetfeldes Anziehen des Ankers und Lösen der Verklinkung Überstromschutzschalter Schmelzsicherung Stromwegunterbrechung in der Überstromschutzeinrichtung Wirkprinzipien der Überstrom-Schutzeinrichtung Fußkontakt des Sicherungseinsatzes in den Passeinsatz gedrückt und der Kopfkontakt mit dem metallenen Gewindering verbunden. Das Loch im Kopf der Schraubkappe ist durch eine Glasscheibe abgedeckt, wodurch eine hinreichende Fingersicherheit erreicht wird. Weiterhin kann am Unterbrechungsmelder der Schaltzustand der Sicherung erkannt werden. Das eigentliche Schutzorgan ist der auswechselbare Sicherungseinsatz (Bild ). Er besteht aus einem hohlen Keramikkörper (Steatit), der durch Metallkappen an den Enden verschlossen ist. Eingebettet im verdichteten Quarzsand befinden sich der Schmelzleiter und ein Kennmeldedraht. Der Schmelzleiter besteht meist aus Feinsilber, auch aus Kupfer oder aus seinen Legierungen. Bei kleinen Bemessungsströmen wird der Schmelzleiter aus einem dünnen Draht, bei mittleren Strömen durch ein Bändchen oder mehreren parallelen Drähten und bei größeren Bemessungsströmen, insbesondere bei NH-Sicherungen, durch ein Flachband mit mehreren Engstellen gebildet. Beim Abschmelzen des Schmelzleiters und des Kennmeldedrahtes wirft eine Feder den sog. Kennmelder ab. Die bei Belastung des Schmelzleiters entstehende Stromwärme wird durch den Quarzsand abgeleitet. Weiterhin sollen beim Abschmelzen möglichst Lichtbögen im Schmelzkanal bereits im Ansatz unterdrückt werden. Kennzeichnung Die in Niederspannungs-Verbraucheranlagen am meisten verwendeten Sicherungseinsätze sind die des - Diazed-Systems (D-System) und - Neozed-Systems (D0-System). Die Bezeichnungen ergeben sich aus diametrisch, das heißt ein nach dem Durchmesser des Fußkontaktes gestuftes, zweiteiliges Sicherungssystem mit Edisongewinde und aus neo in der Bedeutung von neu. Der Aufbau des D0-Systems entspricht bei erheblicher Platzeinsparung etwa dem der D-Sicherungen. Beide Systeme sind durch die Unverwechselbarkeit der Schmelzeinsätze bezogen auf ihre Bemessungsströme und durch den Schutz gegen direktes Berühren gekennzeichnet. In der Tafel sind die genormten Kennfarben des Unterbrechungsmelders und des Passeinsatzes zusammengefasst. Diese Farben wurden von dem Germania-Briefmarkensatz des Deutschen Reiches aus dem Jahr 1900 übernommen. Die Forderung nach Unverwechselbarkeit wird durch eine Stufung des Fußzapfendurchmessers der Sicherungseinsätze und eine entsprechende Stufung des Bohrungsdurchmessers der Passeinsätze er-Schutzeinrichtungen G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 2 LERNEN KÖNNEN 9/05 vollständiger Berührungsschutz kein absoluter Berührungsschutz Niederspannungssicherungen Messersicherungen Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungssystem (NH-System) keine Unverwechselbarkeit des Schmelzeinsatzes in Bezug auf Bemessungsspannung und Bemessungsstrom Schraubsicherungen Diazed-System (D-System) Neozed-System (D0-System) Unverwechselbarkeit des röhrenförmigen Schmelzeinsatzes in Bezug auf den Bemessungsstrom Berührungsschutz durch Geräteabdeckung Unverwechselbarkeit des Sicherungseinsatzes in Bezug auf den Bemessungsstrom Gerätesicherungen Feinsicherungssystem für elektrische und elektronische Geräte Auswechseln des Schmelzeinsatzes nur durch Elektrofachkräfte oder elektrotechnisch unterwiesene Personen mit Aufsteckgriff und Armschutzstulpe Auswechseln des Schmelzeinsatzes auch durch Laien. Vorsicht beim Auswechseln unter Last! Auswechseln des Schmelzeinsatzes im spannungsfreien Zustand auch durch Laien Merkmale von Niederspannungssicherungen Schraubkappe Sicherungseinsatz Passeinsatz Sicherungssockel Anschlussklemme Anschlussklemme Einzelteile einer Schraubsicherung Kennmelder Feder Kopfkontakt Patrone aus Isoliermaterial Haltedraht für Kennmelder Schmelzleiter Quarzsand Fußkontakt Aufbau eines Sicherungseinsatzes k = 22 Passdurchmesser p in mm Bemessungsstrom in A Toleranz 61) 2...6 + 0,2 -0,4 1) Von 2 A bis 6 A unterscheiden sich die zugeordneten Passeinsätze nur in ihrer Farbe Hauptabmessungen ausgewählter Sicherungseinsätzen reicht (Bild ). Damit kann ohne Austauschen des Passeinsatzes kein Sicherungseinsatz durch einen mit einem höheren Bemessungsstrom ersetzt werden. Während bei Geräteschutzsicherungen - kurz G-Sicherungen oder Feinsicherungen genannt - die Bezeichnungen superflink (FF), flink (F), mittelträge (M), träge (T) und superträge (TT) üblich sind, werden die Schraub- und NH-Sicherungen nach DIN VDE 0636 durch die Angabe der Betriebsklasse gekennzeichnet. Ordnungsaspekt der Sicherungseinsätze ist nach Norm - der Ausschaltbereich zum Schutz der elektrischen Betriebsmittel gegen Überlast und Kurzschluss und - das zu schützende Objekt, zum Beispiel Kabel, Leitung, Motor oder Transformator. Die entsprechende Betriebsklasse wird durch zwei Buchstaben angegeben: Der erste, kleine Buchstabe bezeichnet die Funktionsklasse des Sicherungseinsatzes. Ganzbereichs-Sicherungseinsätze - Funktionsklasse g - können Ströme dauernd bis zu ihrem Bemessungsstrom führen und Ströme vom kleinsten Schmelzstrom bis zu ihren Nennausschaltstrom ausschalten (Bild ). Werden in der Hausinstallation anstelle von Leitungsschutzschaltern Schraubsicherungen verwendet, entsprechen diese ausschließlich der genannten Funktionsklasse g. Teilbereichs-Sicherungseinsätze - Funktionsklasse a - können wie g-Sicherungseinsätze Ströme dauernd bis zu ihrem Bemessungsstrom führen, jedoch abweichend, nur Ströme abschalten oberhalb eines bestimmten Vielfaches ihres Bemessungsstromes bis zum Nennausschaltstrom. Diese Sicherungseinsätze haben nur für den Kurzschlussschutz ein Zeit-/Strom-Tor (Bild ). Sie werden deshalb praktisch nur für den Motor- und Halbleiterschutz verwendet. Der zweite Buchstabe der Betriebsklasse bezeichnet mit der Angabe der Schutzobjekte die Anwendung der Sicherungen. Es wird unterschieden in L Kabel- und Leitungsschutz G Schutz für allgemeine Zwecke [general (engl.), allgemein] M Schaltgeräte- und Motorschutz R Halbleiterschutz [rapid (engl.), schnell] B Bergbauanlagenschutz Tr Transformatorenschutz Damit ergeben sich durch die Angabe der Funktionsklassen und der Schutzobjekte folgende Betriebsklassen: Ganzbereich: gG Schutz für allgemeine Zwecke gL Kabel- und Leitungsschutz gB Bergbauanlagenschutz gM Schaltgeräte- Motorschutz gR Halbleiterschutz Teilbereich: aM Schaltgeräte- Motorschutz aR Halbleiterschutz Verlustleistung Werden in einer Verteilung mehrere Schmelzsicherungen konzentriert, muss auch im Normalbetrieb mit einer nicht zu unterschätzenden Wärmeentwicklung gerechnet werden. Die Ursache besteht darin, dass durch die bewusste Querschnittsverringerung des Schmelzleiters im Vergleich zu dem Querschnitt der Leitung im Sicherungseinsatz eine entsprechende Verlustleistung entsteht. In Tafel sind die lt. Norm zulässigen Nenn-Verlustleistungen von D-Sicherungen der Betriebsklasse gL zusammengestellt. Mit der Angabe der Verlustleistungen erhält man mit der Gleichung PV = I2 · R eine Größenvorstellung über die Widerstandswerte der Schmelzleiter. Für einen Sicherungseinsatz mit einem Bemessungsstrom von zum Beispiel In = 6 A und der zulässigen Nenn-Verlustleistung PV 2,6 W ergibt sich der Widerstandswert des Schmelzleiters Dieser Wert entspricht dem Widerstand eines Kupferleiter von 1,5 mm2 Querschnitt mit einer Länge l = R l = , , l = , 0 072 56 1 5 6 07 m mm = = ( ) 2 2 2 6 72 2 Schutzeinrichtungen G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 LERNEN KÖNNEN 9/05 10 000 100 0,1 0,01 0,001 100 300 1 000 A 10 000 Überlastkennlinie Ausschaltkennlinie Schmelzkennlinie Zeit-/Strom-Bereich eines a-Sicherungseinsatzes Bemessungsstrom In Verlustleistung PV Verlustleistung PV des Sicherungs- (Un = 500 V) (Un = 660 V ~ einsatzes Un = 600 V -) in A in W in W 2 3,3 3,6 4/6 2,3 2,6 10 2,6 2,8 16 2,8 3,1 20 3,3 3,6 25 3,9 4,3 35 5,2 5,7 50 6,5 7,2 63 7,1 7,8 80 8,5 - 100 9,1 - Tafel Verlustleistungen von D-Sicherungseinsätzen der Betriebsklasse gL Bemessungsstrom Kennfarbe in A 2 rosa 4 braun 6 grün 10 rot 13 schwarz 16 grau 20 blau 25 gelb 35 schwarz 50 weiß 63 kupfer 80 silber 100 rot Tafel Kennfarben der Kennmelder und Passeinsätze 10 000 100 0,1 0,01 0,001 100 300 1 000 A 10 000 Zeit-/Strom-Bereich eines g-Sicherungseinsatzes Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) Funktion und Aufbau Ein LS-Schalter ist ein ein- oder mehrpoliges mechanisches Schaltgerät zum Verbinden oder Trennen eines Stromkreises mit dem Netz durch Handbetätigung und bei Überstrom diesen Stromkreis zum Schutz der Leitungen und Kabel selbsttätig zu trennen. Bis zum Jahre 1923 hatten alle verfügbaren Überstrom-Schutzeinrichtungen einen Nachteil. Ihre Wirkungsweise beruhte entweder auf einer wärmeabhängigen Hitzedrahtauslösung oder auf einer stromabhängigen Elektromagnetauslösung. Da bei Lampen, Backöfen, Herdplatten oder Bügeleisen die Widerstandswerte im kalten Zustand wesentlich niedriger als während des Betriebes liegen, fließt zwangsläufig beim Einschalten ein höherer Strom. Dies führte oft zum Auslösen der bis dahin bekannten Sicherungen. Auch die Anlaufströme von Motoren führten zum ungewollten Ansprechen der Überstrom-Schutzeinrichtungen. In diesem Zusammenhang gilt auch heute noch: Überstrom-Schutzorgane sind stets so auszuwählen, dass Einschaltströme nicht zum Auslösen führen dürfen. Der deutsche Ingenieur Hugo Stotz (1869 - 1935) und sein Produktentwickler Heinrich Schachtner entwickelten den so genannten „Stotz-Sicherungsautomaten“, in dem beide Auslösearten kombiniert wurden: - das nur stromabhängige und damit unverzögerte Ansprechen zum Schutz bei Kurzschluss und - das strom-/zeitabhängige und somit thermisch verzögerte Auslösen bei Überlast. Der Aufbau des LS-Schalters ist aus dem Bild zu erkennen. Beide Auslöseorgane, der Thermobimetallauslöser für den Bereich der Überlastströme und der magnetische Schnellauslöser für den Kurzschlussschutz, sind in Reihe geschaltet. Wie für alle Schutzschalter gefordert, besitzt der LS-Schalter eine Freiauslösung. Dadurch wird bei Überstrom auch dann selbsttätig ausgeschaltet, wenn das Betätigungsorgan, der Druckknopf oder der Knebel, in der Einschaltstellung mit dem Daumen gehalten wird. Bei der konstruktiven Ausführung sind zu unterscheiden der · Schraubautomat für den Einsatz in Verteilerkästen und -schränken mit dem Sicherungssockel E 27, · Einbauautomat für die Tragschienenmontage in der international vorzugsweise festgelegten Modulbreite von 17,5 mm und · Steckautomat mit dem Steckadapter zum Aufstecken auf NH-Sicherungsunterteile. Als selektiver Haupt-Leitungsschutzschalter löst er in der Hausinstallation immer mehr die im unteren Anschlussraum des Zählerplatzes angeordneten, plombierten Schmelz-Vorsicherungen ab. Weiterhin wurde in den letzten Jahren ein Fehlerstrom-Leitungsschutzschalter entwickelt, der aus einem zwei- oder vierpoligen LS-Schalter und einem angeflanschten Fehlerstromauslöser besteht. Der Überstromschutz dient dabei dem so genannten Sachschutz. Der Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 4 LERNEN KÖNNEN 9/05 120 0,6 0,4 0,2 0,1 0,06 0,04 0,02 0,01 1 1,5 2 3 4 5 6 8 10 15 20 30 Vielfaches des Nennstromes Sekunden Minuten Auslösezeit 120 0,6 0,4 0,2 0,1 0,06 0,04 0,02 0,01 1 1,5 2 3 4 5 6 8 10 15 20 30 Vielfaches des Nennstromes Sekunden Minuten Auslösezeit Int = 1,13 · In It = 1,45 · In bei 30 °C Int = 1,05 · In It = 1,2 · In bei 20 °C Auslöse-Charakteristiken von LS-Schaltern Aufbau eines Leitungsschutzschalters schutz übernimmt durch den hoch empfindlichen Fehlerstromauslöser von 10 bzw. 30 mA den Personenschutz. Neben dem Bemessungsstrom und der Bemessungsspannung wird der Einsatz der LS-Schalter insbesondere durch ihre Auslösecharakteristik bestimmt. Sie ergibt sich durch das Zusammenwirken des thermischen und des elektromagnetischen Auslösegliedes (Bild ). Kennzeichnung LS-Schalter sind wie Schmelzsicherungen in ihrem Auslöseverhalten durch den Nichtauslösestrom Int (conventional nontripping current) und durch den Auslösestrom It (conventional tripping current) gekennzeichnet. Der Nichtauslösestrom (kleiner Prüfstrom) ist mit Int = 1,13 In für die international genormten Auslösecharakteristiken B , C und D festgelegt. Werden LS-Schalter mit einer Bemessungsstromstärke In 63 A bis zu der angegebenen Stromstärke belastetet, dürfen diese innerhalb einer Stunde nicht auslösen. Bei LS-Schaltern mit einer Bemessungsstromstärke In > 63 A muss die Zeit zwei Stunden betragen. Beim den national festgelegten Auslösecharakteristiken K und Z ist der Nichtauslösestrom in Anlehnung an die Leistungsschalter und Motorstarter praktisch genau so groß wie der Bemessungsstrom: Int = 1,05 In Der Auslösestrom (großer Prüfstrom) ist mit It = 1,45 In bzw. It = 1,2 In festgelegt. Die LS-Schalter müssen dann spätestens nach einer bzw. zwei Stunden auslösen. Bei Kurzschluss müssen die LS-Schalter in der Zeit t 0,1 s praktisch unverzögert ansprechen. Die für die unterschiedlichen Auslösecharakteristiken typischen Ansprechwerte des elektromagnetischen Auslösers bestimmen den Einsatz des LS-Schalters. Stromkreise mit Einschaltstromspitzen oder mit empfindlichen elektronischen Bauelementen können nur dann sicher geschützt werden, wenn LS-Schalter mit der entsprechenden Auslösecharakteristik (Tafel ) eingesetzt. Nach der für LS-Schalter mit einer Bemessungsspannung nicht über 440 V und Bemessungsströmen bis 125 A (50 bzw. 60 Hz) gültigen Norm DIN EN 60898 (VDE 0641-11) ist das Schaltvermögen der LS-Schalter mit folgenden Werten festgelegt: 1 500 A; 3 000 A; 4 500 A; 6 000 A; 10 kA; 15 kA; 20 kA. Die Anforderungen an die Kurzschlussstrombegrenzung, gekennzeichnet als Joule-Integral durch die maximal zulässigen Durchlassenergie, sind drei Energiebegrenzungsklassen zugeordnet: Energiebegrenzungs- keine klasse 1 Anforderungen Energiebegrenzungs- mittlere klasse 2 Anforderungen Energiebegrenzungs- hohe klasse 3 Anforderungen In Anlagen, die nach der Verordnung über Allgemeine Bedingungen für die Elektrizitätsversorgung von Tarifkunden (AVBElt V) versorgt werden, dürfen nach den technischen Anschlussbedingungen nur LS-Schalter mit einem Schaltvermögen von mindestens 6 000 A und der Energiebemessungsklasse 3 bei einem Bemessungsstrom bis 32 A eingesetzt werden. Verlustleistung Wie bereits bei den Schmelzsicherungen ausgeführt, treten auch in LS-Schaltern bei Stromdurchgang Verluste auf. Sie sind teils erheblich größer (Tafel ) im Vergleich zu den Schmelzeinsätzen gleicher Bemessungsstromstärke. Zur Bestätigung der oberen Aussage siehe Tafel . Es stehen für einen Bemessungsstrom von 6 A die Werte der Verlustleistung und des ohmschen Widerstandes gegenüber. Der ohmsche Widerstand des LS-Schalter ist somit 15,4 % größer als der des Sicherungseinsatzes. Fazit In der Hausinstallation werden in zunehmendem Maß LS-Schutzschalter als Überstrom-Schutzeinrichtungen verwendet. Die nicht so teueren Schraubsicherungen erfüllen jedoch bei richtiger Wahl der Betriebsklasse und einer hinreichenden Bevorratung mit Sicherungseinsätzen alle an sie gestellten Aufgaben. H. Spanneberg Schutzeinrichtungen G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 LERNEN KÖNNEN 9/05 Bemessungs- Nichtauslöse Auslöse- maximal zulässige strom strom strom Verlustleistung in A Int in A It in A PV in W 4 4,5 5,8 3 6 6,8 8,7 3 8 9,0 11,6 3 10 11,3 14,5 3 13 14,7 18,9 3,5 16 18,1 23,2 3,5 20 20,6 29,0 4,5 25 28,3 36,2 4,5 32 36,1 46,4 6 40 45,2 58,0 7,5 50 56,6 72,7 9 63 71,2 91,4 13 Tafel Kennwerte von LS-Schaltern Schraubsicherung LS-Schalter Verlustleistung 2,6 W 3 W ohmscher Widerstand 72,2 m 83,3 m Tafel Gegenüberstellung von LS-Schalter und Schraubsicherung (Beispiel) Charakteristik Überlastschutz Kurzschlussschutz Einsatz (verzögertes (unverzögertes Auslösen) Auslösen) B 3 ... 5 In Licht- und Steckdosen-1,13 ... 1,45 In stromkreise nach 1 Stunde 5 ... 10 In Stromkreise mit kleinen bei 30 °C Stromspitzen D 10 ... 20 In Stromkreise mit hoher Kurzschlussfestigkeit K 8 ... 14 In Verbrauchsmittel mit hohen 1,05 ... 1,2 In Stromspitzen Z nach 2 Stunden 2 ... 3 In Steuerstromkreise mit hohen bei 20 °C Impedanzen ohne Stromspitzen, als Halbleiterschutz Tafel LS-Schalter mit unterschiedlicher Charakteristik

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  • H. Spanneberg
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