Como funcionam os disjuntores SF6 em sistemas de energia de alta tensão?

Nos modernos sistemas de energia de alta tensão, os disjuntores SF6 são a base da proteção e comutação confiáveis. Mas como exatamente eles funcionam? Um disjuntor de alta tensão que usa gás hexafluoreto de enxofre (SF6) como meio isolante e agente de extinção de arco opera com base no princípio de compressão de gás e expansão rápida. Quando ocorre uma falta, o contato móvel do disjuntor se separa, criando um arco elétrico. Simultaneamente, um pistão ou cilindro soprador comprime o gás SF6 e o ​​direciona através de um bocal ao longo do caminho do arco. A propriedade eletronegativa única do SF6 captura elétrons livres, desionizando rapidamente o plasma do arco e extinguindo o arco em poucos milissegundos. Ao contrário dos disjuntores a ar ou a óleo, a tecnologia SF6 permiteDisjuntor de alta tensãopara interromper grandes correntes de falta (até 80 kA) enquanto mantém uma rigidez dielétrica extremamente alta. Nossa fábrica em Lugao Power Co., Ltd. projetou milhares de unidades de SF6 para subestações em todo o mundo e observamos consistentemente que compreender o mecanismo de extinção do arco é fundamental para apreciar sua superioridade.

O ciclo de trabalho de um disjuntor de alta tensão SF6 segue quatro fases distintas: início do comando aberto, separação e arco de contato, ação do soprador de gás e recuperação dielétrica. Em carga normal, os contatos são fechados com gás SF6 a uma pressão típica de 5 a 7 bar (absoluta). Ao receber um sinal de disparo, o mecanismo operacional (mola, hidráulico ou pneumático) aciona o conjunto de contato móvel. Um cilindro soprador conectado ao contato móvel comprime o gás SF6 da câmara circundante, aumentando sua pressão para 15 a 20 bar. Quando os contatos se separam, o gás comprimido é liberado através de um bocal convergente-divergente em velocidade supersônica, varrendo o arco e resfriando a lacuna do contato. As moléculas eletronegativas de SF6 ligam-se aos elétrons livres, formando íons negativos pesados ​​que não conduzem eletricidade, evitando assim o reacendimento do arco. Nossa fábrica aprimorou esse projeto de soprador em nossa série de disjuntores de alta tensão para atingir tempos de interrupção inferiores a 40 milissegundos para aplicações de 550 kV. 

Índice

• 1. Por que o gás SF6 é excepcional para extinção de arco em disjuntores de alta tensão?
• 2. Como o mecanismo do cilindro soprador extingue o arco em um disjuntor SF6?
• 3. Quais são as especificações técnicas de nossa série de disjuntores de alta tensão?
• 4. Como um disjuntor SF6 se compara aos disjuntores a vácuo e a óleo?
• Perguntas frequentes (FAQ)
• Conclusão e consulta de solução personalizada

Por que o gás SF6 é excepcional para extinção de arco em disjuntores de alta tensão?

O gás SF6 não é apenas um isolante; é um meio de extinção de arco ativo com propriedades físicas que o tornam especialmente adequado para interrupção de alta tensão. Um disjuntor de alta tensão requer um meio que possa suportar tensões elétricas extremas, recombinar-se rapidamente após a formação do arco e manter a rigidez dielétrica mesmo após múltiplas interrupções de falta. O SF6 se destaca por sua eletronegatividade, alta condutividade térmica e estabilidade química. Quando um arco se forma entre os contatos de separação, a molécula de SF6 (SF6) se dissocia em íons enxofre e flúor. No entanto, ao contrário do ar onde os iões persistem, a natureza electronegativa do SF6 significa que a molécula captura electrões livres para formar iões negativos estáveis ​​(SF5- e F-), que são pesados ​​e imóveis, portanto incapazes de sustentar a condução. Este processo de ligação de elétrons ocorre em menos de um microssegundo, acelerando a extinção do arco por um fator de 10 em comparação com o ar.

Principais propriedades que tornam o SF6 indispensável para nossos projetos de disjuntores de alta tensão:

• Rigidez dielétrica:O SF6 tem aproximadamente 2,5 a 3 vezes a rigidez dielétrica do ar na mesma pressão. A 5 bar, uma folga de 1 cm pode suportar picos superiores a 150 kV, permitindo projetos de disjuntores compactos para 245 kV e acima.
• Condutividade térmica:O SF6 conduz eficientemente o calor para longe da zona do arco. O gás esfria de 20.000 K (núcleo do arco) para menos de 1.500 K em milissegundos, evitando a reignição.
• Constante de eletronegatividade:O coeficiente de ligação de elétrons para SF6 é de 1,7 x 10-7 cm3 por molécula por segundo, o mais alto entre os gases industriais. Esta rápida captura de elétrons garante que a lacuna de contato recupere a rigidez dielétrica quase instantaneamente após a corrente zero.
• Inércia química:Sob condições normais de operação, o SF6 não reage com os materiais do disjuntor (cobre, prata, PTFE ou alumínio). Isto evita a degradação do contato e garante uma longa vida mecânica, com nosso disjuntor de alta tensão classificado para 10.000 a 20.000 operações antes de grandes manutenções.

Do ponto de vista da engenharia, a taxa de recuperação dielétrica após o zero da corrente determina a capacidade de interrupção. Nossa fábrica mediu que o SF6 permite uma taxa de recuperação superior a 20 kV por milissegundo, enquanto o ar fornece apenas 2 a 3 kV por milissegundo. Essa diferença explica por que um disjuntor de alta tensão usando SF6 pode interromper correntes de falta de 63 kA a 550 kV, enquanto um disjuntor de ar seria três vezes maior e menos confiável. Além disso, o SF6 é autocurativo: após a interrupção do arco, o SF6 dissociado recombina-se quase completamente em 50 microssegundos. Menos de 1% sofre decomposição permanente, que é gerenciada por peneiras moleculares dentro da câmara do disjuntor.

As considerações ambientais também estão evoluindo. Embora o SF6 tenha um alto potencial de aquecimento global (GWP de 23.500), nossa fábrica na Lugao Power Co., Ltd. implementou protocolos rigorosos de manuseio de gás e oferece projetos de disjuntores de alta tensão livres de vazamentos com taxas anuais de vazamento abaixo de 0,1%, excedendo em muito os requisitos da IEC 62271-203. Para clientes que necessitam de gases alternativos, também fornecemos misturas à base de fluoronitrila, mas o princípio de extinção do arco central permanece semelhante. Em resumo, a química física excepcional do SF6 é o que permite que projetos modernos de disjuntores de alta tensão obtenham interrupção rápida e confiável em redes EHV e UHV.

Como o mecanismo do cilindro soprador extingue o arco em um disjuntor SF6?

O cilindro puffer é o coração do sistema eletromecânico que transforma a energia operacional armazenada em um poderoso fluxo de gás para extinção do arco. Em nosso disjuntor de alta tensão, o mecanismo puffer opera segundo um princípio simples, mas altamente otimizado: compressão mecânica do gás SF6 sincronizada com separação de contato. O conjunto de contato móvel inclui um pistão ou cilindro que, durante o curso de abertura, reduz o volume de uma câmara de gás selada, pressurizando o SF6 para 16 a 20 bar. No momento exato da separação do contato, um bocal se abre e o gás pressurizado se expande supersonicamente através do arco, removendo calor e partículas ionizadas. Nossa fábrica aperfeiçoou esse projeto ao longo de duas décadas, resultando em um disjuntor de alta tensão que atinge tempos totais de interrupção tão baixos quanto 30 milissegundos para 145 kV e 45 milissegundos para 550 kV.

Operação passo a passo do mecanismo puffer em um disjuntor de alta tensão de pressão única típico:

• Passo 1 – Iniciação do comando de trip:Os relés de proteção enviam um sinal ao mecanismo de operação (mola ou hidráulico). A energia armazenada é liberada, movendo a haste operacional conectada ao conjunto de contato móvel.
• Passo 2 – Curso de compressão do soprador:À medida que o contato móvel começa a abrir, o cilindro do soprador (fixado ao contato móvel) se move para um pistão fixo. O volume entre eles diminui, comprimindo o gás SF6 dos normais 6 bar até 18 bar. Essa compactação leva apenas 8 a 12 milissegundos.
• Passo 3 – Separação de contato e formação de arco:Quando os contatos se separam, um arco se forma entre os contatos de arco (liga de cobre e tungstênio para resistir à erosão). A temperatura do arco atinge 15.000 a 20.000 K, mas o SF6 comprimido está pronto.
• Passo 4 – Fluxo do bocal e resfriamento do arco:O gás comprimido sai através de um bico de PTFE na ponta de contato, atingindo velocidades de Mach 1,5 a Mach 2. O fluxo de alta velocidade remove o plasma do arco, resfriando a lacuna e afastando os íons da região de contato.
• Passo 5 – Interrupção zero atual:À medida que a corrente CA passa por zero, o gás SF6 já removeu o caminho condutor. O SF6 eletronegativo captura quaisquer elétrons livres restantes, evitando o novo ataque. A rigidez dielétrica através dos contatos abertos recupera a tensão nominal total em 0,5 milissegundos.

Nossa fábrica desenvolveu um mecanismo avançado de soprador assistido por auto-explosão que reduz a energia operacional em 40% em comparação com projetos convencionais. Em um disjuntor padrão, toda a compressão do gás é feita pelo mecanismo. Em nosso disjuntor de alta tensão, parte da energia do arco é usada para aquecer e expandir o gás, criando pressão adicional (efeito de auto-explosão). Isto reduz a força necessária do mecanismo operacional, permitindo molas menores e menor consumo de energia. Por exemplo, nosso disjuntor de alta tensão de 245 kV requer apenas 2.500 J de energia de abertura, enquanto os projetos tradicionais de soprador precisam de 4.200 J. Essa inovação também reduz o estresse mecânico nas ligações, estendendo a vida mecânica do disjuntor para 15.000 operações entre revisões.

Para garantir a confiabilidade, cada disjuntor de alta tensão da Lugao passa por um teste de desempenho do puffer usando sensores de pressão de alta velocidade dentro da câmara de compressão. Verificamos que o pico de pressão ocorre dentro de 2 milissegundos da separação do contato e que o fluxo do bocal permanece bloqueado (supersônico) por pelo menos 6 milissegundos. Este teste garante a interrupção de correntes de falta assimétricas com componentes CC em até 100% conforme IEC 62271-100. Para os engenheiros, a compreensão do mecanismo do puffer esclarece por que os rompedores de SF6 superam as tecnologias mais antigas: não é apenas o gás, mas o tempo mecânico preciso de compressão e liberação do bocal que determina a interrupção bem-sucedida do arco.

Quais são as especificações técnicas de nossa série de disjuntores de alta tensão?

A Lugao fabrica três séries principais de disjuntores de alta tensão SF6 cobrindo distribuição através de classes de ultra alta tensão. Cada série compartilha o mesmo princípio fundamental de extinção de arco de puffer, mas difere na construção mecânica, na potência do mecanismo operacional e nos níveis de pressão do gás. A tabela abaixo fornece parâmetros detalhados para nossos modelos mais comumente implantados em subestações de 72,5 kV, 145 kV e 550 kV. Todos os valores são testados de acordo com os padrões IEC 62271-100 e ANSI C37.09. Nossa fábrica mantém relatórios de teste de tipo completos para cada modelo de disjuntor de alta tensão, disponíveis mediante solicitação.

Além dessas especificações básicas, nossa fábrica oferece opções de personalização para cada disjuntor de alta tensão. Os clientes podem escolher entre isoladores ocos de porcelana ou compostos (classe de poluição IV para áreas costeiras), transformadores de corrente integrados e capacitores de classificação para compartilhamento de tensão. Para ambientes agressivos, fornecemos aquecedores e gabinetes controlados termostaticamente para evitar a liquefação do SF6 em baixas temperaturas. Todas as nossas unidades de disjuntores de alta tensão incluem monitores de densidade com contatos de alarme remotos, garantindo que os operadores sejam alertados antes que a pressão do gás caia abaixo dos limites operacionais seguros.

A durabilidade é validada através de testes de vida acelerados. Nosso disjuntor de alta tensão de 145 kV completou 5.000 testes completos de interrupção de falta (cada um com 40 kA) sem qualquer substituição de contato, demonstrando a robustez do bocal do soprador feito de PTFE resistente ao desgaste com enchimento de molibdênio. Os contatos do arco são revestidos com uma liga de prata e tungstênio (AgW 60/40) que resiste à formação de crateras. Lugao Power Co., Ltd. fornece uma garantia de vida útil de 15 anos para todos os componentes estacionários do disjuntor SF6, com o mecanismo operacional garantido para 10.000 operações ou 10 anos. Para concessionárias de energia, essas especificações se traduzem em baixos custos de ciclo de vida e alta disponibilidade da frota de disjuntores de alta tensão.

Também oferecemos serviços de modernização: atualização de disjuntores SF6 mais antigos com nosso moderno conjunto de puffer para aumentar a capacidade de interrupção em até 30% sem alterar a base existente. Nossa equipe de engenharia realiza o manuseio de SF6 e o ​​comissionamento do disjuntor no local. Todos os nossos produtos de disjuntores de alta tensão estão em conformidade com a regulamentação de gás F (UE 517/2014) relativa ao monitoramento e recuperação de vazamento de SF6. Para classificações mais específicas, como desempenho de falha de linha curta (SLF) ou capacidade de comutação de banco de capacitores, consulte nossas fichas técnicas na Lugao Power Co., Ltd.

Como um disjuntor SF6 se compara aos disjuntores a vácuo e a óleo?

A seleção da tecnologia correta de disjuntor de alta tensão requer a compreensão dos pontos fortes e limitações do SF6 em comparação com projetos de vácuo e óleo mínimo. Embora os interruptores a vácuo dominem a média tensão (até 40,5 kV), o SF6 continua sendo a escolha preferida para alta tensão (72,5 kV e acima) devido à sua recuperação dielétrica superior e às restrições físicas da tecnologia de vácuo em tensões mais altas. Os disjuntores a óleo, antes comuns, agora estão obsoletos devido à intensidade da manutenção e ao risco de incêndio. Nossa fábrica em Lugao Power Co., Ltd. produz SF6 e disjuntores a vácuo, mas sempre recomendamos SF6 para aplicações em nível de transmissão. Abaixo está uma comparação sistemática baseada em dados operacionais de mais de 500 subestações.

• Faixa de tensão:Os disjuntores a vácuo são econômicos e confiáveis ​​até 40,5 kV. Acima desta tensão, vários interruptores a vácuo devem ser conectados em série, aumentando a complexidade e o custo. Os disjuntores de alta tensão SF6 escalam naturalmente para 800 kV com duas ou quatro câmaras de interrupção. Para 145 kV, uma única câmara de SF6 é suficiente, enquanto o vácuo exigiria três interruptores por fase.
• Capacidade de interrupção:Nosso disjuntor de alta tensão SF6 interrompe de forma confiável 63 kA a 550 kV. A tecnologia de vácuo na mesma tensão enfrentaria graves problemas de reacendimento devido à incapacidade de dissipar a energia térmica do arco. Os rompedores de óleo, embora capazes, exigem grandes volumes de óleo e manutenção frequente após falhas graves.
• Erosão de contato:Em um disjuntor a vácuo, o arco é reduzido a um pequeno ponto, causando fusão de contato localizada e vapor de metal. Após 30 interrupções completas de falha, os contatos de vácuo podem necessitar de substituição. Nosso disjuntor de alta tensão SF6 distribui a energia do arco através do fluxo de gás do bocal, resultando em erosão mínima. Testamos unidades com mais de 200 interrupções completas de falta sem alteração de contato.
• Condições ambientais:Os rompedores de óleo apresentam riscos de derramamento e incêndio, exigindo áreas delimitadas. Os interruptores a vácuo são selados, mas não podem ser inspecionados de forma não invasiva. O disjuntor de alta tensão SF6 permite análise de gases (umidade e produtos de decomposição) através de portas de amostragem, permitindo manutenção baseada em condições. Nossa fábrica equipa todos os disjuntores SF6 com monitores de densidade para monitoramento contínuo da integridade.
• Energia do mecanismo operacional:Os disjuntores a vácuo requerem força de abertura mínima porque o arco está contido em um ambiente de baixa pressão. No entanto, para alta tensão, múltiplas lacunas em série multiplicam a complexidade do mecanismo. Os disjuntores sopradores SF6 exigem maior energia de abertura, mas nossos projetos de auto-explosão reduziram significativamente essa lacuna. Os rompedores de óleo exigem forças de mecanismo muito altas devido ao arrasto hidráulico.

Considerando o custo total de propriedade ao longo de um ciclo de vida de 30 anos, o disjuntor de alta tensão SF6 oferece o melhor equilíbrio para subestações de 72,5 kV a 800 kV. O custo inicial de compra é superior ao do óleo, mas inferior ao do vácuo em série. Os intervalos de manutenção dos nossos rompedores a SF6 são de 10 anos ou 5.000 operações, em comparação com os rompedores a óleo que exigem inspeção a cada 2 anos. O gás SF6 em si é uma preocupação para as empresas de serviços públicos com mandatos de sustentabilidade, mas os designs estanques a fugas da nossa fábrica (menos de 0,1% por ano) resultam num impacto ambiental insignificante durante a vida útil do martelo. Além disso, fornecemos carrinhos de reciclagem de gás para manuseio durante a manutenção, capturando mais de 99% do SF6 para reutilização.

Em uma comparação direta de desempenho sob condições de falha idênticas (145 kV, 40 kA), nosso disjuntor de alta tensão SF6 alcançou o primeiro pólo para limpar o tempo de 28 ms, a abordagem a vácuo exigiria 35 ms devido ao percurso mecânico mais longo dos contatos em série, e o disjuntor a óleo levou 60 ms com liberação significativa de energia do arco. Tempos de limpeza mais rápidos reduzem danos a transformadores e cabos. Para os operadores de redes de transmissão, esta diferença de velocidade pode significar a diferença entre a operação estável da rede e as interrupções em cascata. É por isso que, para aplicações de alta tensão,Lugão Power Co., Ltd. recomenda o SF6 como a tecnologia comprovada, confiável e pronta para o futuro para a frota de disjuntores de alta tensão.

Perguntas frequentes (FAQ)

Pergunta 1: O que acontece com o gás SF6 após extinguir um arco de alta corrente dentro do disjuntor?

Resposta: A maior parte do gás SF6 se recombina de volta à sua forma molecular SF6 original dentro de microssegundos após a corrente zero. No entanto, uma pequena fração (normalmente menos de 1% a cada 10.000 operações) se decompõe em subprodutos como SOF2, SO2F2 e HF devido à presença de umidade e vapor metálico de contato. Esses subprodutos são tóxicos e corrosivos, mas os projetos modernos de disjuntores de alta tensão incluem adsorvedores (peneiras moleculares e alumina ativada) dentro do compartimento de gás para capturá-los. Nossa fábrica instala filtros de estágio duplo que mantêm a pureza do SF6 acima de 97% durante toda a vida útil do disjuntor. Durante a manutenção, o gás é recuperado e filtrado por meio de um sistema de cartucho, e os produtos de decomposição são neutralizados com segurança. As concessionárias devem seguir as diretrizes IEC 60480 para manuseio de SF6 e Lugao Power Co., Ltd. oferece treinamento sobre processamento seguro de gás.

Pergunta 2: Como o Disjuntor de Alta Tensão evita o reacendimento após a extinção do arco?

Resposta: A prevenção de novo ataque depende da rápida recuperação dielétrica da lacuna de contato. Após a corrente zero, a tensão de recuperação transitória (TRV) aumenta através dos contatos abertos, normalmente atingindo o pico dentro de 100 a 300 microssegundos. O gás SF6, tendo sido varrido e resfriado pelo fluxo do soprador, recupera rapidamente sua alta rigidez dielétrica. O disjuntor de alta tensão de nossa fábrica atinge uma taxa de recuperação de 25 kV por microssegundo, o que significa que para um sistema de 145 kV (pico TRV 240 kV), a lacuna se torna totalmente isolante dentro de 10 microssegundos após a corrente zero, bem antes dos picos do TRV. Além disso, a geometria do bocal cria um fluxo de gás fresco que dilui qualquer plasma residual. Este mecanismo duplo de resfriamento e injeção de gás fresco garante que a probabilidade de novo ataque seja inferior a uma em 10.000 operações, conforme confirmado pelos nossos testes de tipo.

Pergunta 3: Um disjuntor SF6 pode ser usado em climas muito frios onde o gás pode se liquefazer?

Resposta: Sim, mas com medidas de design adequadas. O gás SF6 liquefaz-se a aproximadamente -25°C a uma pressão absoluta de 5 bar (pressão de enchimento típica para disjuntores de 145 kV). Em regiões com temperaturas de inverno abaixo de -30°C, nossa fábrica equipa o Disjuntor de Alta Tensão com resistências elétricas controladas termostaticamente na câmara de gás e monitor de densidade. Os aquecedores mantêm uma temperatura interna mínima de +5°C, evitando a liquefação. Uma alternativa é usar misturas de SF6 com nitrogênio ou CF4, que reduzem o ponto de liquefação para -50°C, mantendo ao mesmo tempo uma rigidez dielétrica aceitável. Lugao Power Co., Ltd. oferece um pacote para clima frio, incluindo tapetes aquecedores, gabinetes isolados e mistura de gases de baixa temperatura. Sem essas medidas, o SF6 líquido se acumula no fundo da câmara, reduzindo a pressão e interrompendo a capacidade, portanto, a especificação adequada é crítica para instalações no Ártico ou em grandes altitudes.

Pergunta 4: Qual é a vida útil típica de um disjuntor de alta tensão antes de uma grande revisão?

Resposta: Para um disjuntor de alta tensão SF6 bem conservado de nossa fábrica, a vida útil esperada é de 30 a 40 anos. Uma grande revisão (desmontagem, substituição de contatos, manuseio de gás) normalmente é necessária após 10.000 operações mecânicas ou 20 anos, o que ocorrer primeiro. No entanto, muitas concessionárias realizam uma manutenção intermediária a cada 10 anos, que inclui medição de desgaste de contato, verificação de tempo e análise de umidade de SF6. O cilindro do soprador e o bico do rompedor são os componentes mais estressados; nosso projeto utiliza um bico de PTFE que suporta pelo menos 5.000 interrupções de falha. Lugao Power Co., Ltd. recomenda manutenção baseada em condições usando o contador de operações do disjuntor e monitoramento on-line das assinaturas de deslocamento dos contatos. Muitas de nossas unidades de disjuntores de alta tensão instaladas na década de 1990 ainda estão operando dentro das especificações, comprovando a durabilidade da tecnologia SF6.

Pergunta 5: Como calculo a pressão e o volume do gás SF6 necessários para um disjuntor de uma nova subestação?

Resposta: A pressão necessária do SF6 é determinada pela tensão nominal e pela margem dielétrica desejada. Para um disjuntor de alta tensão de 245 kV, uma pressão absoluta típica é de 6,5 a 7,0 bar a 20°C. O volume de gás por polo do disjuntor depende do tamanho da câmara de interrupção e da configuração do mecanismo operacional. Nossa fábrica fornece cálculos de massa detalhados: para um disjuntor de interrupção única de 145 kV, o volume de SF6 é de aproximadamente 45 litros por poste, exigindo cerca de 9 kg de SF6 a 7 bar. Para um disjuntor de dois disjuntores de 550 kV, cada câmara contém 110 litros, totalizando 220 litros por pólo, necessitando de 45 kg de SF6. Para dimensionar um carrinho de manuseio de gás, você também precisa levar em consideração a tubulação e o volume de gás do tanque morto. Lugao Power Co., Ltd. oferece uma planilha de cálculo gratuita e serviço de comissionamento para todas as compras de disjuntores de alta tensão, garantindo que você solicite a quantidade correta de gás e o equipamento de recuperação.

Conclusão: Confie na tecnologia SF6 para proteção confiável de alta tensão

O disjuntor SF6 continua sendo o padrão ouro para sistemas de energia de alta tensão devido às suas propriedades superiores de extinção de arco, design compacto e longa vida operacional. Explicamos como a eletronegatividade do gás SF6 combinada com o mecanismo do cilindro puffer permite que um disjuntor de alta tensão interrompa correntes de falta de até 80 kA em milissegundos, garantindo a estabilidade da rede e a proteção do equipamento. De subestações de distribuição de 72,5 kV a linhas de transmissão de 550 kV, nossa fábrica em Lugao Power Co., Ltd. projetou soluções de SF6 que minimizam a manutenção, reduzem os tempos de interrupção e atendem a padrões ambientais rigorosos. As especificações técnicas que fornecemos – incluindo classificações de pressão, tempos de interrupção e resistência mecânica – demonstram que um disjuntor de alta tensão devidamente selecionado oferece décadas de serviço confiável.

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