基于電流突變量的微電網(wǎng)故障區(qū)域判定方法

付貴賓，李永麗，陳曉龍，李中洲

（智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津300072）

微電網(wǎng)將分布式電源DG（distributed generation）、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控保護(hù)裝置匯集成小型發(fā)配電系統(tǒng)，是發(fā)揮分布式發(fā)電輔助作用的有效形式之一[1～2]。大量電力電子設(shè)備的接入，使得微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性不同于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，如配電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間潮流是雙向流動(dòng)；在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種運(yùn)行模式下，短路電流差異較大等[3]。這些都給傳統(tǒng)繼電保護(hù)問(wèn)題帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。

微電網(wǎng)在公共耦合點(diǎn)處采用靜態(tài)開(kāi)關(guān)SS（static switch）與配電網(wǎng)相連，當(dāng)配電網(wǎng)或微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，為了避免兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)相互影響，便于及時(shí)調(diào)整控制保護(hù)策略，保證供電可靠性和電能質(zhì)量，通常要求靜態(tài)開(kāi)關(guān)在極短時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)故障隔離[4]。

結(jié)合微電網(wǎng)自身特點(diǎn)，文獻(xiàn)[5]采用四線電流之和與零序電流保護(hù)原理相結(jié)合的方法來(lái)確定單相接地時(shí)故障點(diǎn)的位置；文獻(xiàn)[6～7]對(duì)DG 出口電壓進(jìn)行dq0 變換，通過(guò)比較變換值與給定值來(lái)確定故障類型，并結(jié)合相鄰區(qū)域DG 出口電壓變換值最終確定故障位置。

本文以首先斷開(kāi)靜態(tài)開(kāi)關(guān)為前提，通過(guò)分析微電網(wǎng)發(fā)生故障和斷開(kāi)靜態(tài)開(kāi)關(guān)兩次動(dòng)作前后流過(guò)故障線路與非故障線路的電流變化，提出了基于電流突變量的微電網(wǎng)故障區(qū)域判定方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部故障區(qū)域的準(zhǔn)確判斷。

1 微電網(wǎng)故障電流特征分析

簡(jiǎn)單微電網(wǎng)如圖1 所示，配電網(wǎng)通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)與微電網(wǎng)相連，兩條饋線上均接有負(fù)荷與DG。DG 為逆變型分布式電源，通常采用恒功率PQ 控制和恒壓恒頻V/f 控制兩種控制策略。其中，PQ 控制策略以輸出恒定的有功和無(wú)功功率為控制目標(biāo)，不參與頻率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)，不具備維持恒定頻率和電壓的能力，故需要外界系統(tǒng)提供頻率與電壓支撐，不能與負(fù)荷獨(dú)立運(yùn)行；而V/f 控制策略主要為微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行提供電壓和頻率支撐，其輸出功率具有較大的變化范圍，具有一定的負(fù)荷功率跟隨特性[8～9]。

圖1 簡(jiǎn)單微電網(wǎng)拓?fù)銯ig.1 Topology of simple micro-grid

DG 無(wú)論采用PQ 控制模式還是V/f 控制模式，只有在系統(tǒng)正常運(yùn)行或故障點(diǎn)距離分布式電源較遠(yuǎn)時(shí)才能保證控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，否則逆變型分布式電源受到其控制環(huán)節(jié)限流措施的約束，將呈現(xiàn)恒流源特性[10]。

1.1 PQ 控制模式的DG

圖1 中，當(dāng)微電網(wǎng)正常運(yùn)行情況時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。假設(shè)DG1 和DG2 均采用PQ 控制模式，設(shè)定輸出功率分別為SDG1、SDG2，2 個(gè)負(fù)載分別以額定功率SLoad1、SLoad2運(yùn)行。若忽略線路損耗的影響，正常運(yùn)行時(shí)流過(guò)SS、保護(hù)1 和保護(hù)2 的電流為

假設(shè)在線路1 的f 處發(fā)生三相對(duì)稱故障，分2類討論DG 在不同運(yùn)行條件下輸出特性的差異。

（1）母線電壓和非故障線路DG 出口電壓出現(xiàn)很大跌落，即故障發(fā)生在近母線處時(shí)，DG2 不能維持恒功率態(tài)而轉(zhuǎn)入恒流態(tài)運(yùn)行。設(shè)DG2 輸出電流恒為IDG2。在故障發(fā)生瞬間，微電網(wǎng)仍處于并網(wǎng)狀態(tài)，簡(jiǎn)化電路如圖2 所示。

圖2 故障后系統(tǒng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the post-fault system

由疊加原理可得SS 斷開(kāi)前流過(guò)SS、保護(hù)1 和保護(hù)2 的電流，即

由于Zf1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ZL2和ZLoad2，式（4）首項(xiàng)數(shù)值很大，即微電網(wǎng)內(nèi)部故障時(shí)，由配電網(wǎng)流經(jīng)SS 很大的故障電流，因此應(yīng)在SS 處配置保護(hù)以快速切斷微電網(wǎng)與配電系統(tǒng)的電氣連接。

當(dāng)SS 斷開(kāi)后，故障點(diǎn)只有DG2，由圖2（b）計(jì)算流過(guò)保護(hù)1 和保護(hù)2 的電流，即

（2）若微電網(wǎng)內(nèi)部故障時(shí)，母線電壓和非故障線路DG 出口電壓由于大電網(wǎng)的鉗制作用維持在額定電壓附近，即故障發(fā)生地點(diǎn)遠(yuǎn)離母線，DG2 仍處于恒功率運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)DG2 輸出功率恒為SDG2。簡(jiǎn)化電路如圖3 所示。

圖3 DG2 處于恒功率態(tài)時(shí)等效電路Fig.3 System equivalent circuit with DG2 in constant power

SS 斷開(kāi)前，由疊加原理求得流過(guò)SS、保護(hù)1和保護(hù)2 的電流為

當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，SS 快速關(guān)斷。由于失去了大電網(wǎng)的電壓支撐，整個(gè)微電網(wǎng)的電壓跌落，DG2 不能繼續(xù)維持恒功率態(tài)，轉(zhuǎn)入恒流模式。SS 斷開(kāi)后流過(guò)SS 和各保護(hù)的電流同式（7）。

1.2 V/f 控制模式的DG

在低壓微電網(wǎng)中，有功功率傳輸主要取決于線路兩端電壓的幅值差，而無(wú)功功率的傳輸主要取決于線路兩端電壓的相位差[11]。

理想情況下，系統(tǒng)側(cè)母線電壓為額定電壓UN，DG 的恒壓恒頻控制策略使得DG 出口電壓也達(dá)到額定電壓UN，此外低壓微電網(wǎng)的線路阻抗呈阻性，線路兩端電壓相位差很小，因此可認(rèn)為連接配電網(wǎng)與V/f 控制模式DG 的線路上的有功和無(wú)功功率可忽略不計(jì)，即在并網(wǎng)運(yùn)行條件下采用V/f 控制策略的DG 主要用于滿足本地負(fù)荷的功率需求。

在圖1 模型中，假設(shè)DG1 和DG2 分別采用PQ 和V/f 控制策略。微電網(wǎng)與系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，若忽略線路損耗的影響，流過(guò)SS、保護(hù)1 和保護(hù)2 的電流分別為

（1）當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部故障時(shí)，母線電壓和非故障線路DG 出口電壓有很大跌落，即故障發(fā)生在近母線處時(shí)，DG2 不能維持恒壓恒頻狀態(tài)而轉(zhuǎn)入恒流態(tài)，這種情況分析同第1.1 節(jié)第（1）條。

圖4 DG2 處于恒壓恒頻態(tài)時(shí)等效電路Fig.4 System equivalent circuit with DG2 in constant voltage and frequency

當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，SS 快速切斷。由于失去了大電網(wǎng)的電壓支撐，整個(gè)微電網(wǎng)的電壓跌落，DG2 不能繼續(xù)維持恒壓恒頻狀態(tài)，轉(zhuǎn)入恒流模式。SS 斷開(kāi)后流過(guò)SS 和各保護(hù)的電流同式（7）。

綜上所述，由于配電網(wǎng)大電源的存在和DG 輸出電流的限幅作用，微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障和SS 斷開(kāi)前流過(guò)故障線路保護(hù)的電流會(huì)明顯增大，而隨著SS 的斷開(kāi)電流會(huì)減少到DG 輸出限定電流大小的水平；而流過(guò)非故障線路保護(hù)的電流隨著故障的發(fā)生和SS 的動(dòng)作，雖然也存在兩次突變過(guò)程，但其突變量數(shù)值與故障線路相比會(huì)小很多。

2 微電網(wǎng)故障區(qū)域判定方法

在故障發(fā)生和靜態(tài)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)兩次動(dòng)態(tài)過(guò)程中，故障線路與非故障線路保護(hù)的電流突變量值明顯不同，可將此差異作為判別故障區(qū)域的依據(jù)。故障位置判定方法如下。

步驟1 利用線路保護(hù)裝置對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣。

步驟2 當(dāng)?shù)? 次檢測(cè)到某相出現(xiàn)電流突變且突變量絕對(duì)值大于設(shè)定閾值K 時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟3；否則返回步驟1。

步驟3 繼續(xù)對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣，并檢測(cè)t 時(shí)間內(nèi)是否再次檢測(cè)到某相電流突變量絕對(duì)值大于設(shè)定閾值K，若是則轉(zhuǎn)入步驟4；否則，判定未發(fā)生故障或故障發(fā)生在本線路保護(hù)區(qū)域以外，將保護(hù)閉鎖，返回步驟1。

步驟4 判定故障發(fā)生在本線路保護(hù)區(qū)域內(nèi)，開(kāi)放保護(hù)。

在上述故障位置判定方法中，t 的取值首先要大于靜態(tài)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，例如文獻(xiàn)[6]中SS 斷開(kāi)時(shí)間為5～10 ms，故t 的取值應(yīng)至少大于10 ms；此外，由于本文電流突變量采用的是有效值，微機(jī)保護(hù)裝置對(duì)于采樣值的計(jì)算需要一定的時(shí)間，如全波傅里葉算法中數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)為1 個(gè)周波，故t 的取值也應(yīng)包含數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，故t 取為30 ms。

K 的取值要躲開(kāi)分布式電源和負(fù)荷的正常投退所造成的電流波動(dòng)。考慮到2 種極限情況：其一，分布式電源完全退出的前提下，躲開(kāi)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的自起動(dòng)電流，可以參照傳統(tǒng)配電網(wǎng)中過(guò)電流保護(hù)的整定原則[12]，即

1.1 五大重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)道路發(fā)展現(xiàn)狀。黑龍江大興安嶺森工、龍江森工、內(nèi)蒙古大興安嶺森工、吉林森工、長(zhǎng)白山森工等五大森工重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)共轄87個(gè)林業(yè)局，下轄895個(gè)國(guó)有林場(chǎng)，以及117個(gè)林場(chǎng)分場(chǎng)（主要在吉林省）、1576個(gè)主要旅游景點(diǎn)或林下產(chǎn)業(yè)基地和3660個(gè)護(hù)林點(diǎn)。五大森工重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)共有道路里程94109公里，其中納入地方公路網(wǎng)規(guī)劃22412公里、占23.8%，包括國(guó)道982公里、省道3210公里、縣道1979公里、鄉(xiāng)道3691公里、村道12551公里；未納入地方公路網(wǎng)規(guī)劃71697公里，其中通護(hù)林點(diǎn)的防火專用道42370公里、占59.1%。

式中：Kk為可靠系數(shù)，Kk= 1.25～1.5；Kzq為自起動(dòng)系數(shù)，Kzq＞1，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)通常取值1.5～2.5；Kh為電流繼電器返回系數(shù)，Kh= 0.85～0.95；Ifmax為本線路最大負(fù)荷電流。其二，在負(fù)荷全部退出運(yùn)行且分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行的情況下，躲開(kāi)DG 對(duì)外提供的最大電流，即2 倍的DG 額定電流，取

根據(jù)微電網(wǎng)的實(shí)際參數(shù)，結(jié)合以上2 個(gè)原則，選其較大者作為K 的取值。由此可見(jiàn)，K 的取值與負(fù)荷和DG 的容量相關(guān)，通常微網(wǎng)中所有DG 容量總和遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于配電網(wǎng)容量，當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，在靜態(tài)開(kāi)關(guān)未斷開(kāi)前，由配電網(wǎng)提供的故障電流雖然與線路阻抗相關(guān)，但由于微電網(wǎng)中線路通常很短，因此故障電流會(huì)很大。這樣保證了系統(tǒng)提供的大故障電流會(huì)超過(guò)設(shè)定的門檻值K，而正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流不會(huì)越限。

3 算例分析

應(yīng)用PSCAD/EMTDC 仿真軟件搭建的微電網(wǎng)模型如圖5 所示。微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓等級(jí)為380 V，采用T-N 接線方式，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈放射狀分布，微電網(wǎng)通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)SS 經(jīng)10/0.38 kV 變壓器與配電系統(tǒng)相連。系統(tǒng)中含有4 條線路，長(zhǎng)度均為160 m，線路阻抗為（0.413+j0.063）Ω/km；線路1、2 上連接有重要負(fù)荷，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或電能質(zhì)量問(wèn)題時(shí)可以與DG1 和DG3 構(gòu)成局部微網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行；線路3、4 上的負(fù)荷為可中斷負(fù)荷；DG1 和DG2 采用PQ控制策略，DG3 采用V/f 控制策略。另外，除線路1兩端均裝設(shè)保護(hù)裝置以外，每條線路都只在首端裝設(shè)保護(hù)裝置，同時(shí)在每個(gè)DG 出線處都裝設(shè)保護(hù)裝置。DG1、DG2 的設(shè)定功率以及各負(fù)荷的額定功率如表1 所示。

圖5 算例微電網(wǎng)拓?fù)銯ig.5 Topology of a micro-grid example

表1 DG1、DG2 設(shè)定功率以及各負(fù)荷額定功率Tab.1 Presetting power of DG1，DG2 and nominal loads

由于系統(tǒng)采用T-N 接線方式，因此當(dāng)單相接地故障發(fā)生后，配電網(wǎng)提供的故障電流水平與接地電阻大小相關(guān)，此外由于模型中DG 采用三線接入方式，不能構(gòu)成零序電流通路，因此不能夠向故障點(diǎn)提供故障電流。上述方法針對(duì)單相接地故障的適用性需另作討論。現(xiàn)分別在線路1 末端、線路2 末端、線路3 中點(diǎn)模擬對(duì)稱故障。假設(shè)故障發(fā)生時(shí)間為0.20 s，在0.21 s 時(shí)SS 斷開(kāi)，在此過(guò)程中對(duì)流過(guò)保護(hù)1～4 的電流變化情況和故障區(qū)域判定情況分析如下。

3.1 微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生三相故障

以故障點(diǎn)f1 為例，當(dāng)線路1 末端f1 處發(fā)生三相故障時(shí)，隨著SS 的動(dòng)作，流過(guò)保護(hù)1～4 的電流波形如圖6 所示。

圖6 f1 處三相故障時(shí)各保護(hù)電流波形Fig.6 Current through protection devices with three-phase fault at f1

由圖6 所示的電流波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)故障發(fā)生在f1 處時(shí)，隨著SS 的動(dòng)作，流過(guò)故障點(diǎn)所在線路保護(hù)1 的電流會(huì)出現(xiàn)兩次明顯的變化過(guò)程，且電流突變量絕對(duì)值達(dá)到定值，而流過(guò)保護(hù)2、3、4的兩次電流突變量相比保護(hù)1 要小很多，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。其中流過(guò)保護(hù)3 電流升高為DG2 輸出的極限電流，而流過(guò)保護(hù)2、4 的電流隨著電壓的跌落而下降。根據(jù)以上提出的判斷方法很容易確定故障發(fā)生在線路1 上。

當(dāng)故障發(fā)生在f2、f3 時(shí)，故障發(fā)生與SS 斷開(kāi)兩個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中流過(guò)各保護(hù)的電流和故障區(qū)域判斷情況如表2 所示。

由表2 可知，當(dāng)故障發(fā)生在f2 處時(shí)，隨著SS的動(dòng)作，流過(guò)故障點(diǎn)所在饋線保護(hù)1、2 的電流均會(huì)出現(xiàn)兩次明顯的變化過(guò)程，且兩次電流突變量絕對(duì)值均達(dá)到定值，而流過(guò)保護(hù)3、4 的兩次電流突變量相比保護(hù)1、2 要小很多。根據(jù)上述的判斷方法可確定故障發(fā)生在線路1 和線路2 所在的保護(hù)區(qū)域內(nèi)，而進(jìn)一步確定故障位置需要參照相鄰保護(hù)的信息進(jìn)行綜合判定，可采用如圖7 所示的故障定位策略。

表2 微電網(wǎng)三相故障前后各保護(hù)電流Tab.2 RMS current through protection devices before/after internal three-phase fault

圖7 同一饋線故障定位策略Fig.7 Fault location policy in the same feeder

根據(jù)圖7 所示的邏輯判定關(guān)系，可以采用基于相鄰線路保護(hù)的電流突變量起動(dòng)信息的方法進(jìn)行綜合判定。線路1 上發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)1 突變量元件起動(dòng)，而保護(hù)2 突變量元件不起動(dòng)，此時(shí)判定故障發(fā)生在線路1 上；而當(dāng)保護(hù)1 和2 突變量元件都起動(dòng)時(shí)，判定故障發(fā)生在線路2 上。

3.2 微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生兩相相間故障

以故障點(diǎn)f1 為例。當(dāng)線路1 末端f1 處發(fā)生AB相間故障時(shí)，隨著SS 的動(dòng)作，流過(guò)保護(hù)1～4 的電流如圖8 所示。

由圖8 所示的電流波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相間故障發(fā)生在f1 處時(shí)，隨著SS 的動(dòng)作，流過(guò)故障點(diǎn)所在線路保護(hù)1 的故障相電流會(huì)出現(xiàn)兩次明顯的變化過(guò)程，且電流突變量絕對(duì)值達(dá)到定值，而流過(guò)保護(hù)2、3、4 的兩次電流突變量相比保護(hù)1 要小很多，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。雖然輸出電流有較高的諧波含量，但根據(jù)上一部分提出的判斷方法仍然可以確定故障發(fā)生在線路1 上。

3.3 系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障

圖8 f1 處發(fā)生AB 相間故障流過(guò)各保護(hù)電流波形Fig.8 Current through protection devices with AB two-phase fault at f1

表3 f1 處發(fā)生AB 相間故障前后各保護(hù)電流Tab.3 RMS current through protection devices before/after AB two-phase fault occurs at f1

當(dāng)變壓器高壓側(cè)出口f4 處發(fā)生三相故障時(shí)，隨著SS 的動(dòng)作，流過(guò)保護(hù)1～4 的電流波形如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)側(cè)三相故障時(shí)各保護(hù)電流波形Fig.9 Curves of current through protection devices with grid-side fault

由圖9 所示的電流波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障后，由于變壓器的存在及采用V/f 控制模式的DG3 的穩(wěn)壓作用，380 V 母線電壓只有微小跌落，微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)受外部故障影響很小。而隨著靜態(tài)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式穩(wěn)定運(yùn)行，DG3 要給整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷補(bǔ)償除DG1 和DG2 能提供之外的差額功率，故流過(guò)保護(hù)1 的電流會(huì)有所上升；流過(guò)保護(hù)3 電流的減小是由故障瞬間的電壓跌落引起的，孤島運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)后又會(huì)恢復(fù)到故障前狀態(tài)；由于負(fù)荷2 和負(fù)荷4 所在母線電壓受到微電網(wǎng)外部故障和微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換的影響很小，故流過(guò)保護(hù)2 和保護(hù)4 的電流基本沒(méi)有變化。因此根據(jù)上述提出的判定方法，可以排除故障發(fā)生在微電網(wǎng)內(nèi)部。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究表明，當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，在靜態(tài)開(kāi)關(guān)首先斷開(kāi)的前提下，微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障和靜態(tài)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)會(huì)引起流過(guò)故障線路的電流出現(xiàn)兩次明顯突變過(guò)程，且突變量值遠(yuǎn)大于流過(guò)非故障線路的電流變化量。由此提出基于電流突變量的微電網(wǎng)內(nèi)部故障區(qū)域判定方法，當(dāng)檢測(cè)到兩次電流突變量均大于設(shè)定值時(shí)，即認(rèn)為故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)域內(nèi)。通過(guò)PSCAD/EMTDC 軟件搭建微電網(wǎng)模型并模擬故障，驗(yàn)證了該方法在微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生相間故障時(shí)的適用性。

本方法僅需測(cè)量電流量，原理簡(jiǎn)單，具有良好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

[1]王成山，李鵬（Wang Chengshan，Li Peng）.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)（Development and challenges of distributed generation，the micro-grid and smart distribution system）[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2010，34（2）：10-14，23.

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