ES2232659T3 - Sistema de aislamiento escalonado de campo electrico para maquina dinamoelectrica. - Google Patents

Sistema de aislamiento escalonado de campo electrico para maquina dinamoelectrica.

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ES2232659T3 ES01966913T ES01966913T ES2232659T3 ES 2232659 T3 ES2232659 T3 ES 2232659T3 ES 01966913 T ES01966913 T ES 01966913T ES 01966913 T ES01966913 T ES 01966913T ES 2232659 T3 ES2232659 T3 ES 2232659T3
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Abstract

Un elemento de bobinado para su utilización en una máquina dinamoeléctrica, el elemento bobinado comprende un conductor (22) rodeado por aislante, comprendiendo el aislante: una primera capa aislante interior (26) aplicada sobre el conductor, la primera capa aislante interior tiene un primer espesor predeterminado y una primera permitividad predeterminada; y una segunda capa aislante (28) aplicada sobre la primera capa aislante interna, la segunda capa aislante tiene un segundo espesor predeterminado y una segunda permitividad predeterminada, donde la segunda permitividad predeterminada es menor que la primera permitividad predeterminada de la primera capa aislante interior; caracterizado porque las capas aislantes primera interior y segunda exterior (26, 28) comprenden cada una varias capas de cinta de papel de mica aislante envuelto o enrollado, donde la mica elegida para cada cinta es un tipo diferente de mica elegido del grupo constituido por anandita, anita, biotita, bitita, boromocovita, celadonita, cherniquita, clintonita, efesita, ferrianita, glauconita, hendricksita, kinositalita, lepidolita, masutomilita, moscovita, nanpingita, paragonita, fologopita, polilitionita, preiswerkita, roscoelita, siderofilita, sodioflogopita, taeniolita, vermiculata, wonesita y zinwaldita.

Description

Sistema de aislamiento escalonado de campo eléctrico para máquina dinamoeléctrica.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de aislamiento para la utilización en los bobinados de una máquina dinamoeléctrica. Particularmente se refiere a un aislante que comprende capas interiores y exteriores con diferentes permitividades para crear una distribución más ventajosa de la carga en el dieléctrico.
Antecedentes de la invención
Los sistemas de aislamiento de grandes máquinas dinamoeléctricas de AC se encuentran sometidos a desarrollos constantes para incrementar los voltajes a los que estas máquinas operan así como para minimizar el espesor del material aislante.
En estos sistemas de aislamiento es común utilizar mica en una variedad de formas que van desde grandes láminas dispersas en un material de refuerzo hasta el producto conocido como papel de mica. Mientras que la baja resistencia a la tensión del papel de mica no lo hace apropiado para su utilización en estos sistemas de aislamiento, el papel de mica tiene una resistencia mayor a la ruptura de corona teniendo en cuenta la descarga de corona que ocurre en bobinados de alto voltaje que tienden a reducir la vida del aislante. Para compensar la baja resistencia a la tensión del papel de mica, el papel de mica se enlaza a fibra de vidrio que también tiende a prevenir el desprendimiento de las láminas de mica de la cinta de mica durante la operación de recubrimiento.
Más recientemente, en los sistemas de aislamiento se han empleado poliimidas resistentes a la corona y cintas de composites aislantes. Esta cinta tiene unas cualidades de aislamiento excelentes y una buena resistencia a la descarga de corona. Esta película se puede utilizar de manera independiente o como refuerzo en un papel de mica, fibra de vidrio o cinta de composite. La adición de mejores aislantes de cinta resistentes a la corona proporciona un sistema de aislamiento que es mucho mejor eléctricamente que los sistemas estándar. El documento WO-A-99/17425 revela una disposición de aislantes para un conductor rodeado por una primera capa de aislante que a su vez está rodeada por una segunda capa de aislante que tiene una permitividad menor que la permitividad de la primera capa de aislante.
Además, la magnitud y el perfil de los campos eléctricos locales en la carcasa aislante no se ha considerado hasta la fecha en el desarrollo de los sistemas de aislamiento y de las cintas para la carcasa. El campo eléctrico, que se genera en la carcasa aislante como consecuencia del alto voltaje que se aplica sobre el conductor, tiene un efecto directo sobre la vida del aislante. Como actualmente hay varias iniciativas para reducir el espesor de la carcasa aislante, se debe entender que el efecto del campo eléctrico, tal como se distribuye a través de la carcasa, afecta al rendimiento del sistema aislante y a la vida del sistema aislante de la carcasa. Según esto, es necesario desarrollar un sistema de aislante de la carcasa para su utilización en bobinados de máquinas dinamoeléctricas que toman en consideración los efectos del campo eléctrico localizado generado en la carcasa aislante como consecuencia de la diferencia de voltaje a través del aislamiento.
Sumario de la invención
Según la presente invención, se proporciona un elemento de bobinado como se especifica en la reivindicación 1 y una carcasa aislante como se especifica en la reivindicación 6. Estos elementos incluyen un sistema aislante que resulta en un incremento repentino o escalonado del campo eléctrico distribuido a través del aislante, desde el interior del aislante adyacente al hilo conductor o elementos de conducción, hasta el blindaje exterior o el blindaje a tierra del aislamiento.
Se debe entender que el término "incremento escalonado" en el campo eléctrico se refiere a un cambio significativo en el perfil del campo eléctrico a través de un corte transversal en la carcasa aislante. Según la presente invención, el perfil de campo eléctrico a través de un corte transversal "plano" muestra un incremento repentino a través del corte transversal comparado con el perfil del campo eléctrico homogéneo en el pasado. Con respecto a la sección de la esquina del aislante, el perfil de campo eléctrico disminuirá gradualmente lejos de los conductores y de nuevo mostrará un incremento repentino a través de la sección transversal de la esquina.
Para evitar el cambio escalonado del perfil del campo eléctrico del aislamiento de la presente invención, se proporciona un sistema de aislamiento que consta de un conductor de una máquina dinamoeléctrica que se aísla con capas de aislante. El aislamiento tiene una primera capa interior de aislante y una segunda capa de aislante exterior relativa a la primera capa interna. Tanto la primera como la segunda capa de aislante tienen un espesor predeterminado para proporcionar las características de aislamiento adecuado necesarias para el aislamiento en si. De todas formas, la permitividad de la primera capa de aislamiento interno se elige para que sea mayor que la segunda capa de aislamiento, de tal forma que el campo eléctrico en la segunda capa de aislante sufre un brusco incremento en la superficie de contacto entre al primera y la segunda capa del sistema de aislamiento.
Se ha determinado que proporcionando una permitividad relativamente alta en la capa interna, el campo eléctrico adyacente al conductor tiene una magnitud reducida. Mientras que el campo eléctrico total distribuido a través del aislamiento no puede ser menor, se debe entender que la magnitud de cualquier fenómeno repentino del campo eléctrico en la capa de aislante adyacente al conductor es reducida. Esta es una tarea considerable ya que el aislamiento se diseña y se desarrolla para las áreas más débiles del aislamiento, que se encuentran en las esquinas del aislamiento adyacente a los conductores donde en el pasado se experimentaron las mayores magnitudes del campo eléctrico. De este modo, reduciendo esta magnitud en el campo eléctrico, los requisitos del espesor del aislante se reducen minimizando el espesor del aislante sin que afecte adversamente a los voltajes que llevan los conductores o a la vida del aislante. Se debe entender que según la presente invención estos conductores soportarán voltajes del orden de 4 kV o mayores.
Se puede prever que, en formas de realización alternativas de la presente invención, el aislamiento puede incluir más de dos capas de aislante aplicadas una sobre otra en capas sucesivas, donde cada capa sucesiva tendrá una permitividad menor que la capa precedente del aislamiento.
Una aplicación preferencial del sistema de aislamiento de la presente invención es una carcasa aislante para conductores en el bobinado de una máquina dinamoeléctrica que soporte voltajes de 4 kV o mayores. En aplicaciones donde el voltaje es del orden de 13,8 kV, el espesor de la carcasa aislante es del orden de 3,2 mm.
Según un aspecto preferencial de la presente invención, se proporciona una carcasa aislante para su utilización en un conductor de una máquina dinamoeléctrica que tiene un perfil de campo eléctrico escalonado a través de una carcasa aislante. La carcasa aislante incluye una primera capa de aislante interna y una segunda capa de aislante externa. La primera capa de aislante interna se aplica sobre el conductor y tiene un primer espesor predeterminado y una primera permitividad predeterminada. La segunda capa de aislante externa se aplica sobre la primera capa de aislante interna y forma una juntura. La segunda capa de aislante externo tiene un segundo espesor predeterminado y una segunda permitividad predeterminada por lo que la segunda permitividad predeterminada es menor que la primera permitividad predeterminada de la primera capa de aislante interna creando el incremento escalonado en el campo eléctrico en la carcasa aislante en la juntura entre las capas primera interna y segunda externa.
Descripción breve de los dibujos
Para un mejor entendimiento de la naturaleza y los artículos de la presente invención se puede hacer referencia a los dibujos esquemáticos que aparecen al final de este texto y en los que:
Fig. 1 muestra una sección transversal de una barra de estator para una gran máquina dinamoeléctrica de AC;
Fig. 2 muestra la sección transversal de una bobina de estator típica para una gran máquina dinamoeléctrica de AC;
Fig. 3A muestra un sistema de aislamiento para la barra de estator de la Fig. 1A utilizando el sistema de aislamiento de esta invención;
Fig. 3B muestra un sistema de aislamiento para la bobina de estator de la Fig. 1B utilizando el sistema de aislamiento de esta invención;
Fig. 4 es una vista parcial simplificada del conductor de la Fig. 3A, que muestra la localización de las secciones transversales de de la esquina y del plano para los perfiles de campo eléctrico de la Fig. 5;
Fig. 5 es un gráfico del perfil del campo eléctrico en la carcasa aislante de de las barras del estator de la Fig. 1; y
Fig. 6 es un gráfico del perfil del campo eléctrico en la carcasa aislante de la barra del estator de las Figs. 3A y 4;
Descripción de las formas de realización preferenciales
La Fig. 1 muestra una sección transversal de una barra de estator típica 10 de una gran máquina dinamoeléctrica de AC. La barra 10 está compuesta de un gran número de conductores aislados como 12 que están aislados entre ellos por revestimientos aislantes 14.
Los conductores 12 están formando un grupo después de haber aplicado los revestimientos aislantes 14 para proporcionar el aislamiento necesario. La superficie superior e inferior del grupo de los conductores está rellena con un material aislante 13 al que generalmente se le conoce como relleno de transposición. El grupo de conductores aislados 12 está envuelto a continuación con una carcasa de material aislante 16. El número de capas de cinta aislante que forman el aislamiento puede ser de 7 a 16 capas de cinta aislante de mica colocadas en media vuelta o en tipo envoltura, dependiendo del nivel del voltaje operativo al que están sometidos los conductores 12.
Para aplicaciones de alto voltaje, es decir, para voltajes por encima de 4000 voltios y preferentemente de 13,8 kV, la carcasa aislante 16 preferente son capas de una cinta de composite de mica, que incluye una poliimida resistente a la descarga de corona envuelta en una cinta de papel tipo mica. Esta cinta proporciona una buena capa de aislante, y debido a sus propiedades resistentes a la corona, proporciona una larga vida de servicio debido a la resistencia a la descarga de corona. Los composites de papel de mica y las cintas utilizadas en estos sistemas híbridos contienen un alto porcentaje de una resina semicurada (resina rica) que puede contener o no un material resistente a la corona. La barra envuelta se calienta y se comprime, en un autoclave o prensa, para permitir que la resina se licue temporalmente para evacuar el aire atrapado y que se eliminen los espacios vacíos. En la barra sometida a este tratamiento se mantienen el calor y la presión y de esta forma se llega a la solidificación de la resina contenida en el aislante quedando adherido el sistema aislante. A continuación, la superficie de la barra curada se puede revestir con materiales apropiados para asegurar que toda la superficie expuesta de la barra formará una superficie equipotencial durante las operaciones de la máquina.
La barra curada, fabricada con los tipos de cinta que se describen arriba, funcionará aceptablemente bien con los parámetros de diseño de la máquina durante un periodo de tiempo predeterminado.
La Fig. 2 muestra la sección transversal de una bobina típica 10b. En este caso, los hilos de cobre 12b (se muestran seis) se encuentran agrupados de tal forma que aunque los hilos 12 estén separados unos de otros por la presencia de recubrimientos aislantes 14b, los seis hilos agrupados en la espira, deben estar aislados de las otras espiras de la bobina 10b por medio del aislante de la espira 15b. El conjunto de espiras se cubre al final con una carcasa aislante 16b.
La Fig. 3A muestra la sección transversal de una barra de estator aislada según las enseñanzas de esta invención. Aquí el haz de conductores está formado por 22 conductores individuales separados por el aislante de los hilos conductores 24 similar a la que se mostró previamente en la Fig. 1A. El haz de conductores está luego cubierto con varias capas de cinta de composite. Cada capa de cinta de composite comprende una primera capa interior de cinta aislante 26 y una segunda capa de cinta aislante 28. Cada una de estas capas 26, 28 de cinta tienen un espesor predeterminado y diferentes permitividades. Particularmente, la permitividad de la primera capa interior es mayor que la permitividad de la capa más exterior. También se debe entender que las capas de cinta adicionales tercera y cuarta, con permitividad reducida, se pueden utilizar en la presente invención.
Se debe entender que estas capas aislantes, interior y exterior, pueden incluir capas de cinta de media vuelta compuestas de composite, como papel de mica reforzado con cinta de vidrio para formar la capa 28. En el papel de mica se encuentra presente una resina impregnable adecuada. Esta cinta estándar tiene una excelente capacidad de resistencia al voltaje.
La carcasa aislante, que incluye las capas 26 y 28, se puede encontrar sujeta a curado por presión o a curado en autoclave para eliminar los vacíos que puedan existir en las capas aislantes 26 y 28 y consecuentemente llevar la resina impregnada a solidificación.
Se pueden aplicar revestimientos de superficie apropiados a la superficie exterior de la capa de aislante 28 antes y después de la cura.
La Fig. 3B muestra el composite de la carcasa aislante tal como se aplica a la bobina 20 formada por tres espiras. En este caso, los conductores de cobre 22b se encuentran rodeados por un revestimiento aislante 24b. El aislante de la espira 25b se aplica a cada espira y la capa inicial de la carcasa aislante 26b, que contienen los mismos constituyentes que en al capa 26 de la Fig. 3A. Finalmente, se aplica la capa de aislante que forma la carcasa exterior 28b. Los sistemas de aislamiento de las figuras 3A y 3B son muy similares con la excepción de la presencia del aislante de la espira 25b.
La Fig. 4 muestra un esquema simplificado del conductor 25, que incluye la capa interior de la carcasa aislante 26 y la segunda capa de la carcasa aislante 28 también referidas como las capas primera y segunda 26, 28. La primera capa 26 tiene una permitividad mayor que la segunda capa 28. Se realizó una prueba utilizando una capa interior de cinta aislante 26 con una permitividad de 6,5. La permitividad de la segunda capa aislante más exterior 28 se eligió para que fuera 4,2. El espesor predeterminado de las capas fue de 0,096 pulgadas o algo menos de 2,5 mm. Los perfiles de campo eléctrico se determinaron en la esquina que aparece en 40 y en el plano que aparece en 42. Los resultados de las medidas de la Fig. 4 aparecen en el gráfico de la Fig. 6. De todas formas, antes de describir el gráfico de la Fig. 6, se va a hacer referencia al gráfico de la Fig. 5, que se refiere al aislante que aparece en la Fig.1.
En la Fig. 5 se muestra que el perfil del campo eléctrico en la esquina 40 disminuye en forma de curva dada por la curva 55, que comienza a aproximadamente 4200 voltios por mm y disminuye gradualmente hasta los 3 mm de espesor para este material aislante del conductor. En el plano, el potencial de campo eléctrico es estable a aproximadamente 2600 voltios por mm. Esto se muestra en la curva 50.
Según lo anterior, el aislante que aparece en la Fig. 1 tiene su zona más débil en la esquina adyacente al conductor, donde el campo eléctrico es mayor y por lo tanto el aislamiento tiene su zona más débil. Respecto a la Fig. 6, el gráfico está hecho para el conductor que aparece en la Fig. 3A y se compara con el gráfico de la Fig. 5, que también aparece en la Fig. 6. Se muestra el espesor de los dos sistemas de aislamiento 26 y 28. En el gráfico 65, la magnitud máxima del campo eléctrico es de 4000 voltios por mm comparado con aproximadamente 4200 voltios por mm en la Fig. 5. De todas formas, el perfil de campo eléctrico disminuye gradualmente a lo largo de la curva hasta que sufre un brusco incremento 68, donde se forma la segunda capa de aislante en esta juntura entre las capas 26 y 28. A partir de entonces, el campo eléctrico disminuye de nuevo en forma de curva. Con respecto al perfil de campo eléctrico a través del plano 42, capa de distribución, éste aparece en 60 y se puede comparar con el perfil 50. Por lo tanto la distribución del campo eléctrico adyacente al conductor es menor para ambas porciones: la plana y la curva, 42 y 40, y tiene un brusco incremento en 68, donde es mayor que en las curvas 50 y 55 respectivamente. La presente invención proporciona una reducción de la magnitud máxima del campo eléctrico, que la carcasa aislante debe resistir.
Se debe entender que el perfil de campo eléctrico, tal como aparece en la Fig. 6, es para un bobinado de barras de estator. Este perfil de campo eléctrico estará presente con una función de tipo escalonado a través de la juntura de las capas de aislante primera y la segunda para bobinas del estator. Este modelo se puede repetir con la adición de capas de aislante subsecuentes o sucesivas, teniendo permitividades menores en cada capa sucesiva.
Además, se debe tener en cuenta que el espesor del sistema de aislamiento utilizado en la Fig. 6 se ha reducido significativamente en comparación con el utilizado anteriormente en la Fig. 5. Por lo tanto esta reducción de aislante repercute en un ahorro del coste del material.
En relación con las figuras 3A y 3B, las capas sucesivas de aislante 80 y 82 aparecen en línea discontinua aplicadas a continuación de la capa 28 en la figura 3A y de la capa 28b en la figura 3B. Estas capas sucesivas, 80 y 82, si se utilizan, poseen permitividades disminuidas en cada capa aplicada más exteriormente a partir de las capas del aislante de las espiras 24 o de la carcasa aislante 26 y 28.
También se puede prever que las capas interiores y exteriores del aislamiento utilizado en la presente invención pueden incluir dos cintas hechas de diferentes tipos de mica, teniendo diferentes permitividades dependiendo de la elección de la mica para la cinta de papel de mica. Los papeles de mica elegidos para estas cintas serían aquellos en los que la diferencia de sus permitividades inherentes a la mica en si contribuyeran a la permitividad resultante global de cada cinta. De esta forma, se pueden utilizar múltiples cintas de diferentes permitividades basándose en la construcción y la química de una única cinta básica. La forma más común de mica es la moscovita, que tiene una constante dieléctrica en el rango que va de 6 a 8. Otra forma de mica es la flogopita, que tiene una constante dieléctrica en el rango que va de 5 a 6. Hay muchos tipos de minerales de mica que se seleccionarán según las ventajas del material. La mica se puede elegir de entre los siguientes: anandita, anita, biotita, bitita, boromocovita, celadonita, cherniquita, clintonita, efesita, ferrianita, glauconita, hendricksita, kinositalita, lepidolita, masutomilita, moscovita, nanpingita, paragonita, fologopita, polilitionita, preiswerkita, roscoelita, siderofilita, sodioflogopita, taeniolita, vermiculata, wonesita y zinwaldita.
Se debe entender, que para un experto en la materia, pueden ser realmente aparentes formas de realización alternativas de la presente invención a la vista de la descripción anterior de las formas de realización preferenciales de la presente invención. Por ejemplo, mientras la forma de realización preferencial se refiere a la carcasa aislante, en el marco de la presente invención se encuentra que el aislante de espiras 24 de la Fig. 3A, que está rodeando al conductor 22, puede incluir la primera capa interior del aislamiento y la segunda capa más exterior puede incluir la capa de aislante de la carcasa 26 siempre que la segunda capa 26 tenga menor permitividad que la capa 24. Por lo tanto, el ámbito de la presente invención no debe limitarse a las enseñanzas de las formas de realización preferenciales y debe limitarse al ámbito de las reivindicaciones que se exponen a continuación.

Claims (8)

1. Un elemento de bobinado para su utilización en una máquina dinamoeléctrica, el elemento bobinado comprende un conductor (22) rodeado por aislante, comprendiendo el aislante:
una primera capa aislante interior (26) aplicada sobre el conductor, la primera capa aislante interior tiene un primer espesor predeterminado y una primera permitividad predeterminada; y
una segunda capa aislante (28) aplicada sobre la primera capa aislante interna, la segunda capa aislante tiene un segundo espesor predeterminado y una segunda permitividad predeterminada, donde la segunda permitividad predeterminada es menor que la primera permitividad predeterminada de la primera capa aislante interior; caracterizado porque
las capas aislantes primera interior y segunda exterior (26, 28) comprenden cada una varias capas de cinta de papel de mica aislante envuelto o enrollado, donde la mica elegida para cada cinta es un tipo diferente de mica elegido del grupo constituido por anandita, anita, biotita, bitita, boromocovita, celadonita, cherniquita, clintonita, efesita, ferrianita, glauconita, hendricksita, kinositalita, lepidolita, masutomilita, moscovita, nanpingita, paragonita, fologopita, polilitionita, preiswerkita, roscoelita, siderofilita, sodioflogopita, taeniolita, vermiculata, wonesita y zinwaldita.
2. El elemento bobinado reivindicado en la reivindicación 1, en el que las capas aislantes primera y segunda (26, 28) comprenden un material resistente a la descarga de corona.
3. El elemento bobinado de la reivindicación 1, en el que la primera capa de aislante es una capa de aislante de la espira (25b) aplicado a cada conductor del grupo de conductores que forma el bobinado, y la segunda capa de aislante es una capa de carcasa aislante (26b) aplicada al grupo de conductores sobre la primera capa aislante.
4. El elemento bobinado, como se reivindica en la reivindicación 3, que además comprende al menos una capa de aislante subsiguiente (28b) aplicada a continuación sobre la segunda capa de aislante, en el que cada capa de aislante subsiguiente tiene una permitividad menor que la de la capa de aislante aplicada previamente.
5. El elemento bobinado, como se reivindica en la reivindicación 1, comprendiendo además al menos una capa de aislante subsiguiente aplicada a continuación sobre la segunda capa de aislante, en el que cada capa de aislante subsiguiente tiene una permitividad menor que la de la capa de aislante aplicada previamente.
6. Una carcasa aislante para su utilización en un grupo de conductores (22), que forman una barra de estator o un bobinado de una máquina dinamoeléctrica, que tiene un campo eléctrico escalonado a través de la carcasa aislante, comprendiendo la carcasa aislante:
una primera capa aislante interior (26) que se aplica sobre los conductores, teniendo la primera capa aislante interior un primer espesor predeterminado y una primera permitividad predeterminada; y
una segunda capa aislante (28), que se aplica sobre la primera capa aislante interior que forma una juntura; la segunda capa aislante tiene un segundo espesor predeterminado y una segunda permitividad predeterminada en la que la segunda permitividad predeterminada es menor que la primera permitividad predeterminada de la primera capa de aislante interior y genera un incremento escalonado del campo eléctrico en la carcasa aislante en la juntura de las capas aislantes primera interior y segunda; caracterizada porque
las capas aislantes primera y segunda (26, 28) comprenden cada una varias capas de cinta de papel de mica aislante, bien envuelta o enrollada, y en la que la mica elegida para cada capa es un tipo de mica diferente elegido del grupo constituido por anandita, anita, biotita, bitita, boromocovita, celadonita, cherniquita, clintonita, efesita, ferrianita, glauconita, hendricksita, kinositalita, lepidolita, masutomilita, moscovita, nanpingita, paragonita, fologopita, polilitionita, preiswerkita, roscoelita, siderofilita, sodioflogopita, taeniolita, vermiculata, wonesita y zinwaldita.
7. La carcasa aislante, como se reivindica en la reivindicación 6, en la que la primera y segunda capas aislantes se impregnan con una resina que contiene partículas de un material resistente a la descarga de corona.
8. La carcasa aislante, como se reivindica en la reivindicación 6, que además comprende al menos una capa subsiguiente de aislante aplicado sucesivamente sobre la segunda capa de aislante, en la que cada capa sucesiva de aislante tiene una premitividad que es menor que la capa de aislante previamente aplicada.
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