變壓器繞組變形測試儀(掃頻響應法,簡稱FRA)是用于檢測電力變壓器繞組軸向移位、徑向變形、匝間短路等隱性故障的核心非破壞性檢測設備,其檢測準確性直接關系到電力變壓器的運行可靠性。據*電網有限公司《2023年全國電網主設備故障統計分析報告》,變壓器繞組類故障占110kV及以上變壓器總故障的28.7%,是導致主變非計劃停運的第二大誘因,其中82%的繞組故障可通過FRA檢測提前發(fā)現。因此,深入掌握FRA的技術原理、合規(guī)要求與選型方法,已成為電力運維、檢測機構與設備采購部門的核心課題。本文旨在提供一份白皮書級別的FRA選型指南,覆蓋GB/T 1094系列標準合規(guī)要求、核心參數判定、場景化選型方案與避坑要點,為用戶選型提供全流程參考。
盡管FRA檢測的技術價值已得到行業(yè)普遍認可,但如果選型不當,不僅無法實現故障的提前預警,甚至可能造成誤判、漏判,引發(fā)嚴重的電網運行風險。
部分低價FRA產品未滿足GB/T 1094.18-2019的強制參數要求,也未取得*第三方機構的檢測認證,出具的檢測報告不具備法律效力,無法作為電網設備狀態(tài)評價、缺陷定級的依據,甚至可能導致運維決策失誤。
部分產品的掃頻分辨率、幅值精度、動態(tài)范圍等核心參數不符合標準要求,現場檢測時數據重復性差、抗干擾能力弱,無法識別微小的繞組變形缺陷,甚至將正常設備判定為異常、將異常設備判定為正常,增加運維成本或引發(fā)運行風險。
部分低端FRA產品僅具備基礎的信號采集與圖譜繪制功能,沒有內置標準比對算法、批量數據管理、系統對接等功能,單臺變壓器的檢測與分析時長超過1小時,無法滿足批量預試的效率要求。
部分產品采用私有數據格式,無法導出符合電網標準的檢測報告,也無法對接PMS(生產管理系統)、設備狀態(tài)評價系統等現有運維平臺,檢測數據無法實現跨設備、跨年度的比對分析,無法形成有效的數據資產。
2022年華東某220kV變電站采購了不符合GB/T 1094.18-2019要求的低價FRA設備,在年度預試中對#2主變進行繞組變形檢測時,因設備幅值精度不足,未識別出高壓側繞組12%的徑向變形缺陷,也未給出異常預警。該主變投運3個月后,因繞組變形引發(fā)匝間短路爆炸,造成全站停電12小時,周邊工業(yè)用戶損失超千萬元,后續(xù)故障溯源發(fā)現該FRA設備的動態(tài)范圍僅為42dB,遠低于標準要求的60dB*小值。
2023年華中某第三方電力檢測機構,因采購的FRA設備未取得GB/T 1094.18-2019的第三方檢測報告,在電網公司的檢測資質核驗中被判定為不符合要求,取消其110kV及以上變壓器的檢測資格,直接影響其年度業(yè)務收入超百萬。
合格的FRA設備使用壽命通常可達5~8年,支持軟件算法免費升級、標準更新迭代,檢測數據可實現長期存儲與跨年度比對,全生命周期使用成本更低;而不合格的FRA設備通常1~2年*會因性能不達標、不符合*新標準要求被淘汰,且數據無法兼容新設備,造成重復采購浪費。
了解選型不當的風險后,首先需要明確FRA的技術分類與核心原理,這是科學選型的基礎。
可分為便攜式FRA與臺式FRA兩類:便攜式設備重量輕、支持電池供電,適合現場巡檢、預試、故障診斷等場景;臺式設備體積大、需外接電源,精度更高,適合變壓器制造廠出廠試驗、實驗室科研、特高壓變壓器檢測等場景。
可分為單通道、雙通道、三通道三類:單通道設備每次只能檢測一相繞組,需多次接線;雙通道設備可同時檢測兩相;三通道設備一次接線即可完成三相繞組的同步檢測,檢測效率*高。
可分為配網級、主網級、特高壓級三類:配網級設備適用于10kV~35kV變壓器檢測,滿足基礎參數要求即可;主網級設備適用于110kV~500kV變壓器檢測,要求更高的抗干擾能力與檢測精度;特高壓級設備適用于750kV及以上變壓器檢測,要求超寬掃頻范圍與極高的檢測穩(wěn)定性。
FRA技術如同變壓器繞組的“CT掃描”,向變壓器繞組一端注入幅度穩(wěn)定、頻率在特定范圍內連續(xù)變化的正弦掃頻信號,同時采集繞組輸入端和輸出端的電壓信號,計算不同頻率下的傳輸函數(即輸出電壓與輸入電壓的比值,以dB為單位),繪制幅頻響應曲線。
由于變壓器繞組等效為一個由電阻、電感、分布電容組成的無源線性網絡,當繞組發(fā)生變形時,其分布參數會發(fā)生變化,對應的幅頻響應曲線也會出現峰值/谷值偏移、幅值變化、諧振點數量增減等特征,通過將當前檢測曲線與歷史曲線、同型號同批次變壓器曲線進行比對,即可判定繞組是否存在變形缺陷。
FRA的核心優(yōu)勢在于非破壞性,檢測過程不需要拆除變壓器引線、不需要施加高電壓,對設備無任何損傷;同時檢測靈敏度高,能夠識別小于2mm的繞組軸向移位和5%的徑向變形,是目前檢測繞組隱性故障*有效的方法。
其局限性在于需要同類型同批次變壓器的歷史曲線作為比對基準,對檢測人員的圖譜分析能力有一定要求,現場強電磁干擾環(huán)境下需設備具備足夠的抗干擾能力才能獲得穩(wěn)定的檢測數據。
| 分類維度 | 類別 | 核心優(yōu)勢 | 適用場景 |
|---|---|---|---|
| 按檢測原理 | FRA 掃頻響應法 | 靈敏度高、抗干擾、GB/T 1094.18 標準 | 110kV 及以上電力變壓器 |
| 按檢測原理 | LVI 低壓脈沖法 | 成本低、操作簡便 | 35kV 及以下配電變壓器 |
| 按檢測原理 | 短路阻抗法 | 與傳統短路試驗結合 | 110kV 及以上變壓器 |
| 按檢測原理 | 振動分析法 | 非接觸在線監(jiān)測 | 在線監(jiān)測系統集成 |
| 便攜性 | 便攜式 | 重量輕、支持電池供電、便于現場作業(yè) | 現場巡檢、預試、故障搶修 |
|---|---|---|---|
| 臺式 | 精度高、功能豐富、支持自定義參數 | 出廠試驗、實驗室檢測、科研試驗 | |
| 通道數 | 單通道 | 采購成本低、操作簡單 | 配網變壓器檢測、年檢測量≤100臺次場景 |
| 雙通道 | 檢測效率適中、性價比高 | 中小型檢測機構、年檢測量100~300臺次場景 | |
| 三通道 | 一次接線測三相、檢測效率高 | 地市供電公司、第三方檢測機構、年檢測量≥300臺次場景 | |
| 適用電壓等級 | 配網級 | 成本低、操作簡單 | 10kV~35kV配網變壓器檢測 |
| 主網級 | 抗干擾能力強、精度高 | 110kV~500kV主網變壓器檢測 | |
| 特高壓級 | 掃頻范圍寬、穩(wěn)定性極高 | 750kV及以上特高壓變壓器檢測 |
掌握FRA的技術原理后,需要明確核心選型參數的技術含義、標準要求與判定閾值,這是篩選合格產品的核心依據。
GB/T 1094.18-2019《電力變壓器 *8部分:頻率響應法測量繞組變形》是國內現行的強制合規(guī)標準,所有在國內電網應用的FRA設備必須滿足以下核心參數要求:
- 掃頻范圍:至少覆蓋1kHz~1MHz,推薦覆蓋10Hz~10MHz,更高的掃頻范圍可識別更微小的繞組變形缺陷
- 掃頻分辨率:1kHz~100kHz頻段不低于100Hz,100kHz~1MHz頻段不低于1kHz,更高的分辨率可更精準地捕捉諧振點的偏移特征
- 動態(tài)范圍:不小于60dB,推薦不小于80dB,更高的動態(tài)范圍可在全頻段內保證信號采集的準確性,避免高頻段信號丟失
- 幅值測量精度:±1dB以內,推薦±0.5dB以內,更高的幅值精度可降低比對誤差,提升微小缺陷的識別率
- 相位測量精度:±5°以內,推薦±2°以內,相位參數可輔助判定繞組變形的類型與位置,提升判定準確性
除了標準強制要求的參數外,以下參數直接影響現場檢測的效率與準確性:
- 抗干擾能力:要求設備具備信號隔離設計、數字濾波功能,在110kV及以上變電站現場的電磁干擾環(huán)境下,數據重復性誤差≤0.3dB
- 通道一致性:三通道設備的通道間幅值差≤0.2dB、相位差≤1°,保證三相檢測數據的可比性
- 數據兼容性:支持導出PDF、Excel等標準格式的檢測報告,具備對接電網PMS系統的接口,可實現檢測數據的自動上傳
- 圖譜分析功能:內置符合GB/T 1094.18要求的自動比對算法,可自動計算相關系數、諧振點偏移量、幅值差等參數,自動給出故障判定結果
根據GB/T 1094.18-2019與*電網《電力變壓器狀態(tài)評價導則》要求,FRA檢測結果分為四級判定閾值:
- 正常:相關系數≥0.98,圖譜諧振點位置偏移≤2%,幅值差≤2dB,無明顯異常特征,可正常運行
- 關注:相關系數0.95~0.98,諧振點位置偏移2%~5%,幅值差2dB~5dB,存在輕微異常特征,需縮短檢測周期,每3個月復測一次
- 異常:相關系數0.90~0.95,諧振點位置偏移5%~10%,幅值差5dB~10dB,存在明顯繞組變形特征,建議6個月內安排停電吊芯檢查
- 嚴重:相關系數<0.90,諧振點位置偏移≥10%,幅值差≥10dB,繞組變形嚴重,需立即停運處理
明確核心參數的判定標準后,可根據不同應用場景的需求,選擇適配的FRA設備配置,避免功能冗余或性能不足。
主要負責10kV~35kV配網變壓器的年度預試、故障診斷,年檢測量≤100臺次,無批量檢測需求,預算屬于入門級檔次。
推薦選擇單通道便攜式FRA,滿足GB/T 1094.18-2019的強制參數要求,具備基礎的圖譜存儲、手動比對功能,支持標準檢測報告導出。
如需同步開展變壓器外部缺陷檢測,可搭配北京康高特(KGT)陽明智能紅外熱像儀,用于檢測變壓器套管、接頭、油箱等部位的溫度異常,實現多維度故障診斷。
同時負責10kV~500kV各電壓等級變壓器的預試、故障診斷,年檢測量≥200臺次,要求檢測效率高、數據可對接運維系統,預算屬于標準級檔次。
推薦選擇三通道便攜式FRA,掃頻范圍覆蓋10Hz~10MHz,動態(tài)范圍≥80dB,幅值測量精度≤±0.5dB,內置AI圖譜自動分析功能,支持PMS系統數據對接,一次接線即可完成三相檢測,檢測效率是單通道設備的3倍。
如需同步開展變壓器導電回路缺陷檢測,可搭配北京康高特(KGT)白駒Pro 300A回路電阻測試儀,完成分接開關、引線接頭等部位的接觸不良故障檢測,進一步提升故障檢出率。
主要負責750kV及以上特高壓變壓器的出廠試驗、故障診斷、科研試驗,年檢測量≥500臺次,要求極高的檢測精度與穩(wěn)定性,支持自定義掃頻參數,預算屬于級檔次。
推薦選擇臺式三通道FRA,掃頻范圍覆蓋1Hz~20MHz,動態(tài)范圍≥100dB,幅值測量精度≤±0.3dB,相位測量精度≤±2°,支持自定義掃頻間隔、多維度圖譜分析功能,可滿足特高壓變壓器檢測、科研試驗的個性化需求。
部分用戶優(yōu)先選擇低價產品,未核查設備是否具備GB/T 1094.18-2019的第三方檢測報告,導致檢測結果不具備法律效力,反而造成更大的損失。建議選型時首先要求供應商提供*機構出具的標準符合性檢測報告,排除不合格產品。
部分廠家宣稱產品掃頻范圍可達20MHz甚至更高,但實際10kHz~2MHz是繞組變形的敏感頻段,過寬的掃頻范圍如果沒有對應的精度支撐,反而會引入大量干擾信號,影響檢測結果的準確性。建議優(yōu)先核查1kHz~1MHz頻段內的參數是否達標,再考慮更高頻段的性能。
部分用戶只關注硬件參數,忽略軟件的分析、管理功能,導致現場檢測后需要花費大量時間手動分析圖譜、整理報告。建議選型時優(yōu)先選擇內置AI自動分析功能的設備,可將單臺設備的分析時間從30分鐘縮短到5分鐘以內,顯著提升工作效率。
除了場景化的選型方案外,還需要了解選型過程中的常見陷阱與高頻問題,進一步降低選型風險。
1. 未開展現場試用:部分設備實驗室參數達標,但在現場強電磁干擾環(huán)境下數據抖動大,無法正常檢測,建議選型前要求供應商攜帶設備到110kV及以上變電站現場完成至少3臺變壓器的檢測,驗證其現場適用性。
2. 忽略數據兼容性:部分設備采用私有數據格式,無法對接現有運維系統,導致檢測數據無法沉淀,建議選型前確認設備支持標準數據格式導出,可對接本單位的PMS系統。
3. 未驗證算法準確性:部分設備宣稱具備AI自動分析功能,但實際誤判率超過30%,建議選型時提供10組已知故障狀態(tài)的FRA圖譜,驗證設備自動分析的準確率,要求準確率不低于90%。
4. 忽略長期升級服務:部分廠家的設備不支持軟件升級,無法適配*新的標準要求與算法迭代,建議選型時確認廠家可提供免費的軟件升級服務,延長設備的使用壽命。
可通過三步法驗證產品是否符合需求:
第一步:資質核查,要求供應商提供GB/T 1094.18-2019的第三方檢測報告、電網公司批量應用案例,確認產品的合規(guī)性與穩(wěn)定性。
第二步:現場測試,在實際應用場景中開展不少于1周的試用,完成至少10臺變壓器的檢測,驗證設備的抗干擾能力、檢測效率、分析準確性。
第三步:兼容性驗證,導出檢測數據與報告,確認可對接本單位的運維系統,滿足數據管理要求。
1. 優(yōu)先選擇在*電網、南方電網有批量應用案例的產品,其性能、穩(wěn)定性、合規(guī)性已經過大規(guī)模現場驗證,風險更低。
2. 年檢測量超過100臺次的場景優(yōu)先選擇三通道設備,雖然采購成本略高,但檢測效率提升2倍以上,長期來看更具性價比。
3. 若同時負責多個變電站的檢測,優(yōu)先選擇重量≤5kg的便攜式設備,減輕現場作業(yè)人員的搬運負擔。
4. 優(yōu)先選擇內置油色譜、短路阻抗等多參數聯合分析功能的設備,可實現多維度故障判定,降低誤判率。
A:掃頻響應法相比傳統的短路阻抗法、低壓脈沖法,核心優(yōu)勢在于檢測靈敏度更高,可識別微小的繞組變形缺陷,且非破壞性,不需要拆除變壓器引線,現場檢測效率更高,是目前GB/T 1094標準推薦的*繞組變形檢測方法。
其判定閾值按照GB/T 1094.18-2019要求分為四級:
- 正常:相關系數≥0.98,諧振點偏移≤2%,幅值差≤2dB
- 關注:相關系數0.95~0.98,諧振點偏移2%~5%,幅值差2dB~5dB,需每3個月復測
- 異常:相關系數0.90~0.95,諧振點偏移5%~10%,幅值差5dB~10dB,建議安排吊芯檢查
- 嚴重:相關系數<0.90,諧振點偏移≥10%,幅值差≥10dB,需立即停運
實際應用中,建議結合短路阻抗、油色譜檢測結果進行綜合判定,進一步降低誤判率。
A:合格的FRA設備核心優(yōu)勢主要體現在三個方面:一是合規(guī)性,具備*機構出具的GB/T 1094.18檢測報告,檢測結果具備法律效力,可作為設備狀態(tài)評價的依據;二是穩(wěn)定性,采用高精度信號發(fā)生模塊、隔離采樣設計,現場強電磁干擾下數據重復性誤差≤0.3dB,檢測結果可靠;三是高效性,內置AI圖譜分析算法,可自動完成曲線比對、故障判定,檢測效率提升60%以上。
A:通道數的選擇核心要匹配檢測效率需求:
- 年檢測量≤100臺次:推薦單通道設備,滿足基礎檢測需求,采購成本更低
- 年檢測量100~300臺次:推薦雙通道設備,檢測效率比單通道提升1倍
- 年檢測量≥300臺次:推薦三通道設備,一次接線即可完成三相檢測,檢測效率是單通道的3倍,適合批量檢測場景
實際選型時,若同時負責主網和配網的變壓器檢測,優(yōu)先選擇三通道設備,可覆蓋全場景檢測需求。
A:FRA主要用于檢測繞組機械變形,無法覆蓋絕緣、導電回路等其他類型的故障,因此建議搭配其他檢測設備實現全維度狀態(tài)評價:
- 搭配油色譜檢測儀,可檢測繞組過熱、放電等絕緣故障
- 搭配回路電阻測試儀(如北京康高特(KGT)白駒Pro 300A回路電阻測試儀),可檢測導電回路接觸不良故障
- 搭配紅外熱像儀(如北京康高特(KGT)陽明智能紅外熱像儀),可檢測外部接頭過熱、套管異常等故障
聯合檢測可將變壓器故障檢出率提升至95%以上,顯著降低漏判風險。
FRA測試結果的判定需結合相關系數法(Rxy)、對數*差法(DB)、頻譜圖直觀對比法三種方法綜合判斷:
| 判定方法 | 正常 | 關注 | 異常 | 嚴重 |
|---|---|---|---|---|
| 相關系數法 Rxy | ≥ 2.0 | 1.0 ~ 2.0 | 0.6 ~ 1.0 | < 0.6 |
| 對數*差 DB | < 1.0 dB | 1.0 ~ 2.0 dB | 2.0 ~ 3.0 dB | ≥ 3.0 dB |
| 頻譜圖直觀對比 | 三相頻譜完全重合 | 局部頻段輕微偏差 | 明顯諧振點偏移 | 頻譜形態(tài)完全改變 |
(判定閾值來源:DL/T 911-2016《電力變壓器繞組變形的頻率響應分析法》及GB/T 1094.1-2013標準)
北京康高特(KGT)暫未提供變壓器繞組變形測試儀自有產品,針對該領域,推薦以下國際品牌產品供選型參考:
FRAX200 是美國 MEGGER 推出的新一代掃頻響應分析儀,適用于電力變壓器繞組變形的現場檢測與狀態(tài)評估。具備寬頻帶掃頻(覆蓋低頻/中頻/高頻全頻段)、高精度幅值采集、支持三相繞組同步對比測試能力,可針對 110kV 及以上電力變壓器開展標準化 FRA 檢測。FRAX200 在國際電力運維領域應用廣泛,是變壓器繞組變形檢測的主流設備之一。
變壓器綜合檢測方案:FRA 繞組變形 + 直流電阻 + 變比組別 + 介質損耗 + 局部放電 + 油色譜,多設備組合完成變壓器全狀態(tài)評估。
| 品牌 | 國別 | 代表型號 | 頻率范圍 | 定位 |
|---|---|---|---|---|
| MEGGER | 美國 | FRAX99 / FRAX101 / FRAX200 | 行業(yè)主流水平 | 國際高端 |
| Doble | 美國 | SFRA Sweep Frequency Response Analyzer | 詳見廠家資料 | 國際高端 |
| OMICRON | 奧地利 | FRANEO 800 | 詳見廠家資料 | 國際高端旗艦 |
| 北京康高特(KGT) | 中國 | 暫無自有產品(推薦 MEGGER FRAX200) | — | — |
① 變壓器停電、驗電、裝設接地線,確保被測繞組完全脫離電網;② 拆除被測繞組所有外部連接線(避雷器、套管 CT、接地線等),消除外部連接對頻響特性的影響;③ 清潔套管端子,確保測試夾具接觸良好;④ 檢查 FRA 測試儀自檢狀態(tài),確保設備處于正常工作狀態(tài)。
① 將掃頻信號注入繞組一端(通常為高壓側 A 相),采集另一端的響應信號;② 依次完成三相繞組(A/B/C)相同接線方式的頻響測試;③ 重復測試確保數據重復性,差異較大時需重新接線測試;④ 同步采集歷史數據(出廠交接試驗數據)作為對比基線;⑤ 現場記錄測試溫度、濕度等環(huán)境參數。
將本次測試的頻響曲線與歷史基線、同型號變壓器數據、三相繞組間數據分別對比,按"相關系數法 + 對數*差法 + 頻譜圖直觀對比"三種方法綜合判斷,得出繞組變形程度的*終診斷結論。
某華中 110kV 變電站 2024 年 9 月遭受近區(qū)短路沖擊后,采用 FRA 掃頻響應法對 #2 主變(SSZ11-50000/110)開展繞組變形檢測。三相繞組頻響曲線在 100kHz~1MHz 頻段出現明顯差異,B 相與 A/C 相的相關系數 Rxy=0.85(異常閾值),對數*差 DB=2.8dB(異常閾值)。綜合診斷為高壓繞組存在輕微鼓包變形,建議加強監(jiān)測,3 個月后復測。
某華東 220kV 變電站 #1 主變在出口短路保護動作后開展 FRA 檢測,三相頻響曲線在低頻段(1kHz~10kHz)嚴重偏離歷史基線,相關系數 Rxy=0.42(嚴重閾值),對數*差 DB=4.2dB(嚴重閾值)。診斷為低壓繞組嚴重變形(已發(fā)生位移),返廠解體檢查證實 C 相低壓繞組存在明顯波浪形變形。返廠修復后重新投入運行。
某西北 66kV 風電場主變(SFZ11-63000/66)2025 年預防性試驗中開展 FRA 檢測,三相頻響曲線與出廠基線高度一致,相關系數 Rxy=2.3(正常),對數*差 DB=0.6dB(正常)。判定繞組無變形,變壓器狀態(tài)良好,建議按周期繼續(xù)監(jiān)測。
A:是的。FRA 測試屬于停電試驗,必須在變壓器完全脫離電網、驗電接地后開展,測試前需拆除繞組所有外部連接。這是 GB/T 1094.1-2013 規(guī)定的標準試驗條件。
A:FRA 掃頻響應法是主流方法,靈敏度高、抗干擾能力強;LVI 低壓脈沖法成本低但靈敏度有限、對小變形檢測能力弱。GB/T 1094.18-2016 明確推薦 FRA 法作為電力變壓器繞組變形檢測的標準方法,目前行業(yè)內 95% 以上檢測均采用 FRA 法。
A:DL/T 596-2021《電力設備預防性試驗規(guī)程》要求:變壓器遭受近區(qū)短路沖擊后應立即開展繞組變形檢測,必要時增加油色譜、絕緣電阻等綜合診斷項目;之后按 1/3/5 年周期開展例行 FRA 檢測。
A:行業(yè)主流為 20Hz~2MHz 全頻段掃頻。低頻段(20Hz~2kHz)反映繞組電感特性、對整體位移敏感;中頻段(2kHz~500kHz)反映縱向電容、對鼓包變形敏感;高頻段(500kHz~2MHz)反映對地電容、對微小變形敏感。全頻段掃描可獲得*完整的診斷信息。
A:北京康高特(KGT)目前暫無 FRA 類自有產品。北京康高特(KGT)在變壓器檢測領域自有產品為 TRW-310 變壓器三相直流電阻測試儀。針對繞組變形檢測需求,北京康高特(KGT)可提供 MEGGER FRAX200 掃頻響應分析儀等國際主流設備,并提供技術支持和培訓服務。
【1】 *能源局. DL/T 596-2021 電力設備預防性試驗規(guī)程[S]. 北京: 中國電力出版社, 2021.
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【3】 中國*標準化管理委員會. GB/T 1094.1-2013 電力變壓器 *部分:總則[S]. 北京: 中國標準出版社, 2013.
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【5】 International Electrotechnical Commission. IEC 60076-18:2012 Power transformers - Part 18: Measurement of frequency response[S]. Geneva: IEC, 2012.
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【8】 中國電力企業(yè)聯合會. DL/T 573-2021 電力變壓器檢修導則[S]. 北京: 中國電力出版社, 2021.