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Enrique Daz de la Serna P.
PROTECCIN DE GENERADORES SCRONOS EN CENTRALESGENERADORAS
1.Proteccin de secuencia negativa
2.Proteccin de respaldo ante fallas externas
3.Proteccin de prdida de campo
4.Disparo de generadores sncronos
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Introduccin
El rotor de un generador elctrico puede ser sobrecalentado en un tiempo relativamente corto
por corriente de secuencia negativa causada por desbalance de corrientes en el estator.
Un generador est sujeto a los efectos de corrientes de secuencia negativa principalmente
durante ciertas condiciones de falla. La componente de secuencia negativa es mxima para
fallas en las terminales de la mquina. Entre los varios tipos de falla, la que causa la magnitud
mayor de corriente de secuencia negativa y las peores condiciones de operacin es la falla de
lnea-lnea. La corriente de secuencia negativa debida a fallas de doble lnea a tierra y de lnea atierra es menos severa pues su magnitud puede ser limitada a valores bajos por medio del
aterrizamiento del neutro del generador.
Las caractersticas del sistema al que est interconectado el generador y las condiciones previas
a la falla tambin influyen en la magnitud de I2. Puede mencionarse por ejemplo, que si la falla
ocurre a plena carga y con excitacin fija, se producir una I2mayor que la resultante sincarga porque el voltaje interno del generador es mayor. Las caractersticas del regulador de
voltaje tambin determinarn en cierto grado la duracin y magnitud de la componente de
secuencia negativa resultante.
PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA
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Efectos de las corrientes desbalanceadas en un generador sncrono
En un generador, el desbalance de corrientes del estator produce un campo magntico pulsanteque puede ser descompuesto en dos campos rotatorios, uno que gira en sincronismo con el rotor
y otro que gira en sentido opuesto, a la misma velocidad que el primero. El campo magntico que
gira en sentido contrario al rotor, corta a ste a una frecuencia igual al doble de la nominal,
generando as corrientes de 120 Hz en el rotor; estas corrientes fluyen en las trayectorias
disponibles, como son la superficie del rotor, devanados amortiguadores, cuas de retencin de
las ranuras y anillos terminales.La circulacin de estas corrientes de 120 Hz por elementos cuya resistencia elctrica es
comparativamente alta causa un calentamiento anormal, severo y rpido al rotor.
Puede verse que las condiciones de desbalance de corriente en ltima instancia significan un
problema de elevacin de temperatura de las diferentes partes del rotor. Por ejemplo, con
corriente sostenida de secuencia negativa en la armadura, la temperatura de las cuas de las
ranuras puede alcanzar un punto que las hace perder su resistencia mecnica y an fallar. Con
incrementos de temperatura menos severos, el aislamiento elctrico de las bobinas del rotor
puede ser daado.
PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA (cont.)
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La corriente de secuencia negativa en el estator de una mquina sncrona causa una prdida de
potencia en la mquina, la cual est determinada por la corriente de secuencia negativa y por la
resistencia de secuencia negativa. Prcticamente toda la prdida de potencia por la corriente desecuencia negativa aparece en el rotor, por lo que este hecho puede ser empleado para evaluar el
calentamiento relativo del rotor para diferentes magnitudes de la corriente de secuencia negativa.
La entrada de energa al rotor y su elevacin de temperatura en un intervalo de tiempo dado son
prcticamente proporcionales a:
donde i2es el valor instantneo de la corriente de secuencia negativa como funcin del tiempo, y t
es el tiempo en segundos. Para una cierta funcin de i2y un cierto intervalo de tiempo puede
encontrarse una corriente de secuencia negativa equivalente con la expresin:
Por lo tanto, el calentamiento del rotor durante
dicho intervalo es proporcional a:
PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA (cont.)
2
2
t
o
K i dt=
2
2
2
t
o
i dtI
t
=
2
2 K I t=
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De lo anterior se establece que el efecto de calentamiento del rotor de una mquina sncrona
para varias condiciones de falla desbalanceada puede ser evaluado como una funcin de la
corriente de secuencia negativa.
Por lo tanto, se concluye que la capacidad de una mquina sncrona para soportar fallas
desbalanceadas est limitada por su capacidad para soportar los efectos del calentamiento por
las corrientes de secuencia negativa. Esta capacidad entonces puede ser adecuadamente
representada por el valor permisible de K, de acuerdo a su definicin, dada lneas atrs.
Cada mquina en particular tiene as un valor definido de su constante K, el cual establece
sus lmites trmicos (en tiempo y magnitud de I2) para operar con corrientes desbalanceadas.
PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA (cont.)
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Normalizacin sobre operacin desbalanceada de mquinas sncronas
Las normas ANSI C50.10 y C50.13 (Requerimientos generales para mquinas sncronas y
Requerimientos para generadores sncronos de rotor cilndrico, respectivamente) establecen, entreotras cosas, ciertas caractersticas aplicables al estudio de condiciones desbalanceadas en
generadores.
Primeramente es importante estudiar el tipo de enfriamiento del generador bajo anlisis, pues,
como se ver ms adelante, es determinante de la capacidad para operar con corrientes
desbalanceadas. La norma C50.13, inciso 2, clasifica las mquinas sncronas por su enfriamiento
como sigue:
Devanados enfriados indirectamenteson aqullos en que el calor generado en la parte
principal de los mismos debe fluir a travs del aislamiento a tierra antes de alcanzar el medio
de enfriamiento.
Devanados enfriados directamenteson aqullos en que el medio de enfriamiento fluye encontacto estrecho con los conductores, de tal forma que la mayor parte del calor generado en los
devanados alcanza el medio de enfriamiento sin fluir por los aislamientos a tierra.
PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA (cont.)
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Por otro lado, la parte 6, Requerimientos para condiciones anormales, de la norma ANSI C50.13
indica en 6.3 los requerimientos trmicos de tiempo corto del rotor para fallas desbalanceadas. Se
indica aqu que el rotor del generador ser capaz de soportar sin dao corto-circuitos
desbalanceados u otras condiciones desbalanceadas que produzcan valores deI22tcomo sigue:
I22tes el producto de I2al cuadrado, expresada en por unidad de la corriente del estator a los
KVA nominales, y del tiempo de falla expresado en segundos.
La capacidad del generador expresada comoI22tse aplica para tiempos hasta de 120 seg y se
basa en un incremento constante del calor almacenado y en una disipacin despreciable de calor.
PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA (cont.)
Tipo de enfriamientoCapacidad mnima expresada en
trminos deI22t
Indirecto 30
Directo Hasta 800 MVA
Entre 800 y 1600 MVA
10
10-(0.00625) x (MVA-800)
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La misma norma C50.13 indica en el inciso 6.5 que un generador ser capaz de soportar sin
dao los efectos de un desbalance continuo de corrientes que corresponda a una corriente de
secuencia negativa, expresada en porciento de la corriente nominal del estator, de acuerdo a
lo siguiente:
PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA (cont.)
Tipo de enfriamiento I2permisible (%)
Indirecto 10
Directo
Hasta 960 MVA
961 a 1200 MVA
1201 a 1500 MVA
8
6
5
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PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA (cont.)
Relevador de proteccin contra secuencia negativa
El relevador que protege contra desbalance de corrientes es clasificado por ANSI con el
nmero 46; es un relevador que funciona cuando las corrientes polifsicas son
desbalanceadas o contienen componente de secuencia negativa que excede cierto valor.
Este relevador es del tipo de sobrecorriente de tiempo inverso y funciona a partir de la salida
de un filtro de corriente de secuencia negativa, que a su vez se alimenta de los
transformadores de corriente del generador.
Como la fuente del desbalance se encuentra en el sistema y se afectan todos los generadores
cercanos, no deben stos ser desconectados, a menos que esta condicin permanezca sin
correccin durante un tiempo que signifique riesgo de daos a los generadores. Por ello, la
proteccin de secuencia negativa debe incluir una caracterstica de tiempo tan cercana como
sea posible a la caracterstica trmica de la mquina protegida, dando as al personal deoperacin el mayor tiempo posible para localizar y aislar la falla antes de que el disparo se
vuelva necesario y obligado.
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PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA(cont.)
El relevador tiene un generador de funcin
que determina la magnitud de K, o sea el
valor de I22tque se desea obtener en la
caracterstica de operacin del relevador. En
la figura se muestran las curvas tiempo-
corriente de un relevador para diversosvalores de K.
Curvas tiempo-corriente de un
relevador esttico ANSI 46.
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PROTECCIN DE RESPALDO CONTRA FALLAS EXTERNAS
La funcin de la proteccin de respaldo de un generador es sacarlo de servicio si una fallaen el sistema no ha sido librada por otros dispositivos de proteccin despus de que ha
transcurrido suficiente tiempo para ello.
Este relevador protege los componentes del sistema de distribucin contra daos excesivos
y evita que en el generador y sus auxiliares se excedan sus limitaciones trmicas.
Esta proteccin puede ser proporcionada porrelevadores de distanciaANSI 21 porrelevadores de sobrecorriente con control o restriccin de voltaje, con denominacin ANSI
51V. Normalmente en generadores con transformadores elevadores a tensiones de
transmisin se usan relevadores de distancia, para coordinar con los relevadores de
distancia de las lneas de alta tensin alimentadas por ellos; en sistemas comerciales o
industriales, con generadores conectados directamente a un bus a la misma tensin que
las cargas, es frecuente que se empleen para la proteccin de respaldo relevadores 51V,para coordinar con las protecciones 50/51 de los alimentadores derivados del bus.
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PROTECCIN DE RESPALDO CONTRA FALLAS EXTERNAS (cont.)
PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 51V
Esta alternativa es ms econmica que los relevadores de distancia, y se aplica generalmente con
generadores pequeos y de capacidades medias; consiste de un relevador de sobrecorriente de
tiempo inverso concontrol de voltajeo conrestriccin de voltaje, 51V. La funcin del voltaje es
evitar o moderar la operacin por sobrecorriente hasta que el voltaje del generador sea reducido
por una falla, puesto que la corriente de falla trifsica sostenida es generalmente menor que la
corriente de carga mxima; esto ocurre si el regulador no incrementa el voltaje ante condiciones de
voltaje reducido por la falla sostenida.
La razn de utilizar un relevador 51V, en lugar de un relevador de sobrecorriente simple, es que laimpedancia sncrona del generador es comnmente mayor a 1 p.u., lo que significa que la
corriente de falla puede ser del mismo orden, o an inferior a la corriente nominal.
El uso de un relevador de sobrecorriente ordinario presenta un dilema al tratar de determinar los
ajustes de corriente y de tiempo; si estos ajustes son bajos, el relevador puede disparar el
generador innecesariamente con sobrecargas normales; si los ajustes son demasiado altos para
permitir los intervalos de tiempo de coordinacin para dar la selectividad con los dispositivos deproteccin inferiores, el relevador puede no responder debido al decaimiento de la corriente de
falla del generador. As, los relevadores ordinarios de sobrecorriente no pueden ser aplicados sin el
riesgo de operaciones en falso.
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PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 51V (cont.)El relevador de sobrecorriente que se emplea es diseado especialmente para que su caractersticade operacin sea una funcin tanto de la tensin como de la corriente. A medida que la magnituddel voltaje aplicado baja del valor nominal, la caracterstica tiempocorriente es modificada de talforma que el relevador se vuelve ms sensible. Este relevador puede ser de dos tipos: "con
restriccin de voltaje" y "con control de voltaje".El tipo de "control de voltaje" evita la operacin de la unidad de sobrecorriente, hasta que el voltajecaiga por abajo de un valor especificado, tpicamente de alrededor del 80% del normal. El otro tipo(con "restriccin de voltaje") cambia las caractersticas tiempo-corriente con el voltaje; noresponder as a la carga mxima si el voltaje es normal, pero operar a menores corrientes cuandola falla reduzca el voltaje.
El relevador de sobrecorriente con restriccin de voltaje consiste de un disco de induccin
convencional con un elemento de voltaje construido de tal forma que produce un par que se oponeal par de operacin producido por la bobina de corriente. Este par de restriccin es proporcional alvoltaje y controla la corriente de pickup del relevador en un rango de 4 a 1. El relevador es calibradoy denominado con un rango de ajustes del tap (por ejemplo 416 A) con 100% de voltaje aplicado ala bobina de restriccin; a medida que el voltaje se reduce, la corriente requerida para operar elrelevador (con cierto tap) se reduce tambin, dando una serie infinita de curvas caractersticas; lossiguientes son datos tpicos de un relevador:
% DE VNOMINAL PICKUP, % DEL TAP100 10078 7848 52
0 25
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PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 51V (cont.)
El relevador de sobrecorrientecon control de voltajees tambin un relevador de disco de
induccin, pero del tipo "par controlado" por un relevador de voltaje ajustable entre
aproximadamente 65 y 83% del nominal. Cuando el voltaje aplicado est arriba del valor de
ajuste, su contacto controla la bobina de corriente, impidiendo la aparicin del par, sin
importar la magnitud de la corriente; cuando el voltaje aplicado es menor que el de ajuste, la
unidad de voltaje permite que el relevador produzca un par y opere como un relevador de
sobrecorriente convencional; si la corriente est arriba del tap seleccionado, operar de
acuerdo con sus propias caractersticas tiempocorriente. As puede realizarse una clara
distincin entre condiciones normales sin falla y condiciones anormales de falla. Algunos
fabricantes ofrecen la versin de estado slido del relevador de sobrecorriente con control de
voltaje, la cual consiste de circuitos lgicos de tiempo y sobrecorriente que tienen el
funcionamiento aqu descrito.
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PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 21
La proteccin de respaldo para fallas en el generador y en el transformador, y particularmente paraproteccin de los mismos ante fallas no libradas en el sistema de potencia, puede ser proporcionada conla aplicacin de un relevador de distancia ANSI 21. Este relevador, conectado como se muestra en lafigura, se ajusta para un alcance en el sistema elctrico a travs del transformador de la unidad, o conalcance sobre el sistema para unidades en conexin directa al sistema. Un "timer" fijo proporciona el
retraso de tiempo necesario al relevador de distancia, para coordinarse con todos los relevadores quetengan sobrealcance.
Como se muestra en la figura, el usode TC's en el lado de neutro delgenerador proporciona proteccin derespaldo al generador; esto es lopreferido, pero si no se tienendisponibles estos TC's, el relevador 21
puede ser conectado a TC's en el ladode alta tensin del generador. Con laseal de potencial tomada de los TP'sdel generador, como se muestra, elajuste del relevador 21 se consideradesde esta localizacin,independientemente de la localizacinde los TC's; as, slo la impedancia
del transformador de unidad en lafigura, ms la impedancia deseadadel sistema de alta tensin, son losparmetros involucrados.
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Se indic antes que es conveniente que laproteccin de respaldo de generadores sea
proporcionada por relevadores de distanciacuando se alimenten lneas protegidas porrelevadores de distancia.
Estos relevadores utilizan la corriente y elvoltaje del generador para medir laimpedancia entre el generador y la falla, lacual es proporcional a la distancia elctrica
hasta el corto circuito.
A continuacin, y a manera de ejemplo, sedescribe la aplicacin de un relevador dedistancia ANSI 21 para proteccin derespaldo de un turbogenerador; el diagramaunifiliar correspondiente se muestra en lafigura.
PROTECCIN CON RELEVADORANSI 21 (cont.)
D IA G R A M A U N IFILA R D E U N G E N E R A D O R C O NP R O T E C C IO N D E R E S P A LD O D E L T IP O A N S I 2 1
25 0 00:5A
G
120-69V14 4 00-72VT P s AU X .
,3 TP s
Z = 6.76% , X/R = 33.821.5 - 40 0 K VT R A N S F . E LE V A D O R E SB A N C O D E 3
=
IL
IL
IT
IT
K =
Z L
F A L L A
X
3T C s
A
AA
A
A
A
A
A
B
B
B
BB
B
B
B
C
C
C
CC
C
C
C
2 1 G
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SECCION MEXICO
El relevador utilizado es el modelo12CEB13C21A, trifsico,caracterstica mho, marca GeneralElectric, cuyas caractersticas semuestran en el diagrama de lafigura derecha.
PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 21 (cont.)
IM P E D A N C IA C A R A C T E R S TIC A D E L R E LE V A D O R 2 1G
1
3200
1
2
3
4
R - O H M S, -N
A JU S T E 7 5 , 4 oh m s,desplazam iento 0 ohm s
A JU S T E 7 5 , 4 oh m s,desplazam iento 1 oh m
A JU S T E 6 0 , 3.4 oh m s,desplazam iento 0 ohm s
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SECCION MEXICO
PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 21 (cont.)
Los elementos de corriente estn alimentados por medio de 3 transformadores de corriente
(TC's) con relacin de transformacin 25,000:5 A. Los elementos de voltaje se alimentan por
medio de tres transformadores de potencial (TP's) con relacin 14400 72 V (N) en conexin
estrella en el devanado de alta tensin y estrella aterrizada en el devanado de baja tensin.
Debido a que la conexin del banco de transformacin principal es deltaestrella, se requierentransformadores auxiliares de potencial para que el relevador detecte correctamente los
ngulos y voltajes entre fases en el lado primario del banco; por ello, se tienen 3 TP's
auxiliares con relacin de transformacin 12069 V en conexin deltaestrella.
Para poder coordinar esta proteccin con las protecciones primarias de las lneas, se requiere
dar un retraso de tiempo, por lo que se tiene un relevador de tiempo (62/21G) Marca G.E.,
modelo 12SAM11C22A con rango de tiempo de 0.053 seg.
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SECCION MEXICO
PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 21 (cont.)CALCULO DE AJUSTES
Puesto que el relevador est midiendo la impedancia en el lado primario de un transformadordeltaestrella, la impedancia real, vista desde el primario, debe ser corregida para tomar esto enconsideracin; por lo tanto, el relevador "ver" la impedancia siguiente:
donde:
ZRELEV= Impedancia a que debe ajustarse el relevador para que proporcione proteccin derespaldo eficiente al generador contra fallas en las lneas de transmisin, en caso de que lasprotecciones primarias de las mismas no operen (ohms). ZT=Impedancia del Banco principal de transformadores elevadores, referida al lado de alta
tensin (ohms). ZL= Impedancia de la Lnea (ohms).
k = Relacin (infeed) entre la corriente total de falla en una lnea (contribucin del sistema) yla contribucin del generador, referida al lado de alta tensin (secundario) del
transformador elevador. VL=Voltaje nominal entre fases del banco de transformacin en el lado de baja tensin(generador). VH=Voltaje nominal entre fases de los devanados de alta tensin del banco detransformacin.
La relacin de transformacin de los TC's es 5000 (25000: 5 A).
La relacin de transformacin de los TP's es 200 (14400 72 V).
sTP'deRelacin
sTC'deRelacinx
V
V)Zk(Z0.866Z
2
H
LLTRELEV
+=
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SECCION MEXICO
Introduccin
La prdida parcial o total de la excitacin de una mquina sncrona debe ser detectada de inmediato, ya
que produce condiciones anormales que significan riesgos para la mquina.
En el caso especfico de un generador sncrono, el sistema al cual est interconectado se ve tambin
sujeto a condiciones riesgosas como consecuencia de la prdida de excitacin del generador.
En la medida de lo posible, un generador sncrono debe ser mantenido dentro del sistema,
suministrando carga, en particular cuando la mquina, representa una parte considerable de la
capacidad del sistema; el aviso oportuno de una reduccin de excitacin puede dar al operador la
posibilidad de restablecer el campo y de evitar el disparo. El disparo innecesario de la unidad, con la
prdida resultante de KW, puede precipitar disturbios mayores en el sistema, tales como un apagngeneral. Sin embargo, cuando el generador o el sistema estn amenazados de inestabilidad causada por
la prdida de excitacin, la mquina debe ser disparada automticamente a la mayor brevedad.
Los relevadores que detectan los diversos niveles de baja excitacin ejecutan las siguientes funciones:
Avisar al operador de cualquier baja excitacin que pudiera daar la mquina o causar inestabilidad.
Avisar cuanto antes al operador de la condicin de prdida de campo, dndole tiempo de corregir esta
situacin.
Disparar la mquina automticamente en caso de inestabilidad potencial del sistema.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO
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SECCION MEXICO
Comportamiento de un generador sncrono con prdida de excitacin
La prdida parcial o total de campo de un generador puede ser resultado de alguna de las
siguientes causas:
Prdida de campo del excitador principal.
Disparo accidental del interruptor de campo.
Corto-circuitos en devanado del campo.
Contacto deficiente en escobillas del excitador.
Interruptor de campo bloqueado.
Prdida del suministro de C. A. al sistema de excitacin.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
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SECCION MEXICO
La falla en el sistema del campo de un generador sncrono hace que pierda el sincronismo,
operando por arriba de la velocidad sncrona; as, operar como generador de induccin, cuyo
flujo principal es producido por corriente reactiva del estator, tomada del sistema; en estas
condiciones, la mquina continuar generando potencia activa, cuyo valor ser determinado por
el ajuste de carga del gobernador de la turbina.
La operacin como generador de induccin requiere el flujo de corriente a la frecuencia del
deslizamiento en el rotor; adems, la excitacin en estas condiciones requiere de una componente
reactiva considerable que puede exceder la capacidad nominal; si el sistema es capaz de
suministrar esta componente reactiva, no hay riesgo de inestabilidad; sin embargo, el generadorno est diseado como una mquina de induccin, y se producir una elevacin excesiva de
temperatura en el rotor y sobrecarga en los devanados del estator.
La operacin como generador de induccin no produce necesariamente daos inmediatos al
turbogenerador; la componente de potencia activa ser ligeramente inferior a la carga pre-falla,
debido a la caracterstica de regulacin de velocidad del gobernador; la corriente en el rotor es
proporcional a la potencia de salida y el calentamiento, proporcional al cuadrado de la corriente,
es por tanto limitado con carga reducida; muchas unidades han operado en estas condiciones
durante varios minutos, sin dao.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
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SECCION MEXICO
Es recomendable considerar las caractersticas particulares de cada mquina; sin embargo y
a manera de ejemplo, puede mencionarse que en una unidad de 60 MW con enfriamientoconvencional no se producir elevacin excesiva de temperatura por operacin asncrona a
plena carga durante 5 minutos, aproximadamente.
Las capacidades superiores de mquinas sncronas se obtienen ms por medio de tcnicas
intensivas de enfriamiento (agua, hidrgeno, etc.) que por el incremento en tamao fsico; el
efecto de ello es la reduccin de constantes trmicas, lo que implica menor capacidad desoportar condiciones anormales; por esta razn, una unidad de 500 MW no debe operar en
forma asncrona por ms de 20 segundos, aproximadamente.
Otra consecuencia posible de la reduccin de excitacin en un generador sncrono es que el
voltaje terminal se reduce, haciendo que se tome potencia reactiva del sistema; una cada
excesiva del voltaje indica que el sistema puede volverse inestable; por ello, la reduccin del
voltaje terminal de la mquina es otra de las manifestaciones de la prdida parcial o total del
campo que se emplean para la deteccin oportuna de la falla.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
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Descripcin del generador
El generador de la unidad 1 de la Central
Nucleoelctrica Laguna Verde es trifsico, 750 MVA,
675 MW, F.P. 0.9, 60 Hz, 1800 RPM, 22000 V, tipo
sncrono, enfriado por hidrgeno, con una presin
nominal de 4.0 kg/cm2.
En la figura se muestra el diagrama unifilar de la
unidad 1 de la Central Nucleoelctrica Laguna Verde,
su conexin al sistema de 400 kV, los elementos ms
importantes del sistema de excitacin y los 2
relevadores ANSI 40 con los transformadores de
corriente y de potencial que los alimentan.
Proteccin de prdida de campo
En principio, la forma ms simple para detectar la
reduccin de excitacin es el empleo de un relevador
de baja corriente en el circuito del campo. Esta forma
tiene la seria desventaja de que la corriente de campo
mnima que puede considerarse como aceptable
depende de la potencia activa y reactiva generadas;por ello, se emplea slo en generadores de poca
capacidad y que operan comnmente alimentando
cargas de factor de potencia atrasado.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
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SECCION MEXICO
En generadores de capacidad mayor se emplean relevadores del tipo de distancia, conectados a
transformadores de corriente y potencial, ya que la impedancia vista por relevadores de distancia
indica con mucho mejor precisin las condiciones de excitacin en que opera el generador. As,
puede detectarse con mayor precisin cuando las condiciones de excitacin tienden a la
inestabilidad.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
La figura muestra varias trayectorias de la
impedancia ante prdida de excitacin y la
caracterstica de operacin de un relevador de
distancia, en un diagrama R-X.
Independientemente de las condiciones iniciales en
que se pierde la excitacin, la impedancia
equivalente del generador traza una trayectoria
hacia una regin del cuarto cuadrante, que slo es
alcanzada cuando la excitacin se reduce
drsticamente o se pierde; si esta regin es
encerrada por la caracterstica del relevador, ste
operar cuando el generador pierde el sincronismo y
aparece el deslizamiento.
Caractersticas del relevador deprdida de excitacin y del sistema.
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SECCION MEXICO
Cuando ocurre una prdida parcial o total del campo en una mquina sncrona fluye
potencia reactiva del sistema hacia la mquina; debe recordarse que la salida en kW de un
generador sncrono est controlada por la entrada de potencia al impulsor primario, mientras
que la salida en KVAR est controlada por la excitacin del campo. Por esta razn,
habitualmente los relevadores de prdida de campo incluyen una unidad direccional que
detecta el flujo de KVA reactivos desde el sistema hacia el generador.
La perdida de sincronismo causada por la operacin asncrona como generador de induccin
no obliga a un disparo inmediato, a menos de que se produzca un decaimiento simultneo
del voltaje terminal de la mquina, el cual indica que est en peligro la estabilidad del
sistema.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
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SECCION MEXICO
Operacin del relevador
La unidad de impedancia cierra su contacto cuando, como resultado de la reduccin en la
excitacin, la impedancia de la mquina, vista desde sus terminales, es menor que un
valor predeterminado, con cierto ngulo; en otras palabras, esta unidad opera cuando la
impedancia que ve, se ubica dentro de su crculo caracterstico en el diagrama R-X.
La unidad de bajo voltaje est diseada para cerrar su contacto cuando el voltaje sensado
es menor que el valor de ajuste. La unidad es ajustable de manera que su contacto N. A.
cierre en el rango de 65 a 85% del voltaje normal del sistema.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
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SECCION MEXICO
Ajuste de la unidad de impedancia
Los esquemas de proteccin de prdida de campo de una mquina sncrona pueden ser de 1
zona o de 2 zonas. En aplicaciones consideradas como crticas es recomendable la proteccinde 2 zonas, ya que, al igual que otros elementos de proteccin del generador, el relevador de
prdida de campo necesita un respaldo para evitar un dao mayor causado por la falla de
operacin de un dispositivo o componente asociado al mismo.
Cuando se emplea el esquema de 2 zonas, el crculo de impedancia del relevador de la zona 1
debe ser pequeo y completamente desplazado hacia la regin de la reactancia negativa; esto
significa que el relevador de zona 1 detecta condiciones drsticas de prdida de campo, alver valores pequeos de impedancia de la mquina. Este relevador proporciona proteccin
de respaldo al relevador de zona 2. El alcance largo del relevador de zona 1 debe ser igual a la
reactancia sncrona del generador, Xd; el alcance corto debe ser igual a la mitad de la
reactancia transitoria del generador, Xd. El circuito de disparo debe disparar la unidad
directamente, sin retraso adicional de tiempo; el circuito de alarma puede energizar un
relevador de tiempo con ajuste de a 1 segundo; si la condicin de baja excitacin persiste,este relevador de tiempo dispara el generador.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
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SECCION MEXICO
El relevador de zona 2 es ms sensible que el de zona 1 y puede ser ajustado con una caracterstica
de impedancia mayor que detectar condiciones de prdida parcial del campo. Es recomendable
ajustar este relevador de manera que permita a la mquina operar a la mxima presin de
hidrgeno y a un voltaje en por unidad de 0.95. Si se presenta la condicin de bajo voltaje, el
disparo del generador debe efectuarse a travs de un timer de de segundo; este tiempo, sumadoa los 0.25 segundos que proporciona el relevador X, hace un retraso total de 1 segundo. Por el
contrario, si el voltaje se sostiene, el circuito de alarma arranca un timer con ajuste de 10 a 60
segundos.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
Zonas 1 y 2 de la proteccin de prdida de campo.
La figura muestra un diagrama R-X con las
caractersticas de operacin de los relevadoresde prdida de campo de zona 1 y de zona 2;
ntese que el crculo caracterstico del
relevador de zona 2 est cortado por la lnea
a 13 que representa la operacin de la
unidad direccional.
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Clculo de ajuste del relevador de zona 1
Como se describe antes, se emplean aqu los valores de reactancia sncrona y transitoria del generador; parael caso del generador 1 de la C. N. Laguna Verde, estas reactancias son las siguientes, segn dato del
fabricante: Xd= 1.59 p.u. Xd= 0.321 p.u.
La impedancia base en el lado secundario de transformadores de corriente y potencial se calcula con lasiguiente expresin:
donde: KV = Voltaje nominal del generador, entre fases (22)
KVA = KVA nominales de la mquina (750,000)
Rc= Relacin de transformadores de corriente (5000)
Rv= Relacin de transformadores de potencial (200)
Por lo tanto:
Las reactancias, en ohms, en el secundario de TCs y TPs, son:
Reactancia sncrona: Xd= 1.59 x 16.13 ohms = 25.64 ohms
Reactancia transitoria: Xd= 0.321 x 16.13 ohms = 5.17 ohms
El alcance largo ser igual a la reactancia sncrona: 25.64 ohms.
El alcance corto ser igual a la reactancia transitoria dividida entre 2: 5.17/2 = 2.59 ohms.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
ohmsRkVA
RkVZ
v
c
BASE)(
)(1000 2=
21000 22 5000
750,000 200
16.13
BASE
x xZ
x
ohms
=
=
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Curvas de capabilidad de generadores sncronos
Los generadores sncronos se caracterizan en general en trminos de la potencia mxima
aparente, kVA o MVA, a determinado voltaje y factor de potencia (a menudo de 80, 85 o 90%atrasado) que pueden manejar continuamente sin sobrecalentarse. La produccin de potencia
activa del generador se limita por lo general a un valor comprendido en la potencia aparente,
por la capacidad de su mquina de accionamiento. En virtud de su sistema de regulacin de
voltaje, la mquina trabaja en general a un voltaje constante cuyo valor se mantiene dentro del
5% del voltaje nominal. Cuando estn fijos la potencia suministrada y el voltaje, la carga
permisible de potencia reactiva se limita ya sea por el calentamiento del devanado dearmadura o del devanado de campo.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
Clculo de ajuste del relevador de zona 2
Para determinar el ajuste de impedancia del relevador de zona 2 se requieren las curvas decapabilidad y de estabilidad de estado estable del generador.
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SECCION MEXICO
Clculo de ajuste del relevador de zona 2
Para determinar el ajuste de impedancia del
relevador de zona 2 se requieren las curvas
de capabilidad y de estabilidad de estado
estable del generador.
La figura muestra las curvas del generador
de la unidad 1 de la Central de Laguna
Verde.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
Curvas de capabilidad y de estabilidad de estado
estable del Generador 1 de la Central Laguna Verde.
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La unidad de distancia debe ajustarse para operar antes de que el lmite de estabilidad de
estado estable de la mquina sea excedido. Este ajuste debe tambin permitir la operacin dela unidad con la mxima presin de hidrgeno y, de ser posible, con un voltaje de 0.95 p.u.,
que es comnmente el voltaje mnimo con el cual se aplican las curvas de capabilidad. Si la
operacin a capacidad mxima significa exceder el lmite de estabilidad de estado estable, la
unidad de distancia debe ajustarse para actuar antes de alcanzar dicho lmite.
Para determinar el ajuste del relevador, se requiere que las curvas de capabilidad seantransformadas en curvas de impedancia aparente del generador, para lo cual se aplica la
frmula:
donde VTes el voltaje terminal en p.u. y KVA es la capacidad en p.u. en un punto especficode la curva; el ngulo en la curva de impedancia es el mismo que en la curva de capabilidad.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
( )2
. .TV
Z p uKVA
=
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Para ilustrar el mtodo, se da el siguiente ejemplo:
De la figura se obtiene un punto de la curva de capabilidad
a 4 kg/cm2de hidrgeno: 100 MW, 427 MVAR.
Potencia aparente:
La potencia base se escoge como la capacidad nominal dela mquina, 750 MVA.
Potencia aparente: 438.55/750 = 0.5847 p.u.
Impedancia aparente con V = 1.0 p.u.:
Impedancia aparente con V = 0.95 p.u.:
Estos dos valores de Z se grafican con un ngulo de 76.8.
PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)
Curvas de capabilidad y de estabilidad esttica
del Generador 1 de la Central Laguna Verde.
2 2100 427 438.55 MVA+ =
427arc tan 76.8
100ngulo= =
( )2
1.01.71 . .
0.5847Z p u= =
( )2
0.951.543 . .
0.5847Z p u= =
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DISPARO DE GENERADORES
INTRODUCCIN
Una unidad generadora representa una muy alta y significativa inversin para una empresa
suministradora. La unidad generadora se compone de la turbina, el generador, el transformador, elsistema de excitacin y los interruptores de subestacin. Los objetivos generales en el diseo de los
sistemas de proteccin y de sus esquemas de disparos asociados son:
Remover la seccin fallada del sistema de potencia, evitando o minimizando as el efecto del
disturbio sobre las partes no falladas en el sistema.
Minimizar o evitar el dao al equipo.
Asegurar hasta el mayor grado posible, que ninguna contingencia simple deshabilitar
totalmente la proteccin en ningn sistema.
Proporcionar los medios para permitir el retorno rpido a servicio del equipo afectado.
Ms especficamente, el objetivo de los esquemas de disparo y proteccin de la unidad generadora es
asegurar que los efectos de las fallas y los disturbios son restringidos a reas locales. Los esquemas de
disparo deben ser capaces de cumplir este requerimiento aun ante la presencia de una contingencia de
primer orden, tal como la falla de operacin de un relevador de proteccin simple o la falla de un
interruptor al disparar.
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Seleccin del esquema de disparo
Intervienen varios factores en la decisin sobre laseleccin del esquema de disparo apropiado; se
enlistan abajo algunos de ellos:
Tipo de impulsor primario: Mquinadiesel/gas, turbina de gas, turbina de vapor,turbina hidrulica.
Impacto de una prdida repentina depotencia de salida sobre el sistema elctrico y
sobre el impulsor primario. Seguridad al personal.
Experiencias de operacin.
Manejo de cargas auxiliares de la unidaddurante disparos de emergencia.
La figura 8 anexa muestra la proteccin tpica paraun generador en conexin unitaria.
Fig. 8. Configuracin tpicagenerador-transformadoren conexin unitaria
Seleccindelesquemadedisparo(cont)
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SECCION MEXICO
Seleccin del esquema de disparo (cont.)
Tabla 2. Lgica de disparos sugeridos
Notas:
1.El relevador 59 puede ser conectado para disparar en unidades hidrulicas
2.Si el generador est fuera de lnea, disparar slo el interruptor de campo.
3.Referirse a la Seccin de Tierra en Estator para proteccin de tierra de 100%.
4.Puede ser conectado para disparar, segn fabricante del generador.
RelevadorDisparo deinterruptor degenerador
Disparo deinterruptor de
campo
Transferenciade auxiliares
Disparo delimpulsor
primario
Alarmasolamente
21 51V X
24 X Nota 2 X X32 X X X X
40 X X X X
46 X
49 X
51GN X X X X
51TN X X X X
59 Nota 1 X
59GN X X X X Nota 361 X
63 X X X X
64F Nota 4 Nota 4 X
71 X
78 X
81 X
87G X X X X
87T X X X X87U X X X X
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Enrique Daz de la Serna P.
PROTECCIN DE GENERADORES SCRONOS ENCENTRALES GENERADORAS
Sistemas de excitacin
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SECCION MEXICO
Introduccin
La importancia del sistema de excitacin de un generador sncrono es muy grande; la prdida de
excitacin de una unidad en un sistema interconectado puede causar un disturbio ms serio an
que la misma desconexin del generador, pues las unidades restantes deben alimentar la carga de
dicho generador yadems suministrar la gran potencia reactivatomada por el generador que perdi
su excitacin.
La excitacin es controlada bajo condiciones de operacin normal por el regulador automtico de
voltaje, identificado habitualmente por sus siglas en ingls, AVR; el sistema del AVR entrega energa
de C.D. al campo del generador y debe tener capacidad de potencia adecuada y suficiente velocidad
de respuesta (los tiempos de respuesta son generalmente menores a 0.1 seg). La funcin bsica delAVR es proporcionar una caracterstica constante en el voltaje terminal del generador durante
cambios pequeos y lentos en la carga; sin embargo, es prctica comn disear los excitadores con
suficiente margen para tambin proporcionar refuerzos intensos en el nivel de excitacin durante
situaciones de emergencia.
En este punto, es pertinente mencionar la existencia de la norma IEEE Std 421, "Criterios y
Definiciones para Sistemas de Excitacin para Mquinas Sncronas", la cual enlista los elementos ycomponentes esenciales comnmente empleados en los sistemas de control de excitacin aplicados
a generadores sncronos, con capacidades generalmente superiores a 5000 KVA.
SISTEMAS DE EXCITACIN DE GENERADORES SNCRONOS
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Clasificacin de sistemas de excitacin
Existen varios tipos de excitadores; a continuacin se describen las caractersticas ms
relevantes de los sistemas ms usuales.
a. Excitador acoplado en el eje del generador
Este sistema, empleado en mquinas generadoras antiguas, consiste de un generador de
corriente directa impulsado por el eje del generador principal; este arreglo requiere la
transferencia de potencia de C.D. al campo del generador a travs de escobillas y anillos
deslizantes y tiene las desventajas de que las fluctuaciones de velocidad producen variaciones
de voltaje de salida del excitador y de que su tiempo de respuesta es alto; por lo anterior, los
excitadores modernos tienden a ser del tipo "brushless" (sin escobillas), o de diseo esttico,
los cuales se describen a continuacin.
SISTEMAS DE EXCITACIN DE GENERADORES SNCRONOS (cont.)
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SECCION MEXICO
b. Excitador tipo "Brushless"
Es designado por la norma IEEE Std 421 como "Sistema de Control de Excitacin conGenerador/Rectificador Excitador, con Rectificadores Rotatorios No Controlados", y es mostradofuncionalmente en la figura 6 de dicha norma.
El sistema "brushless" no tiene conmutadores ni anillos deslizantes; toda la energa es tomadadirectamente del eje del generador; un excitador de C.A., impulsado por el eje, suministra corriente alternaa un puente rotatorio trifsico de rectificadores, montados en el eje, cuya salida en C.D. es entregada alcampo rotatorio del generador principal. El control de la excitacin del excitador de C.A. y, por tanto, delgenerador principal, es efectuado por medio del control de la energa suministrada por un generador deimanes permanentes, a travs de amplificadores de tiristores, al campo estacionario del excitador de C.A.
Las principales ventajas del sistema de excitacin "brushless" son las siguientes:
a.Obtiene toda la energa necesaria, incluyendo la de excitacin, del eje del generador principal,asegurando as un sistema muy confiable.
b.Al no haber escobillas ni conmutadores, se elimina el polvo de carbn, lo que alarga el tiemporequerido entre limpiezas y disminuye la posibilidad de fallas de aislamiento a tierra.
c. El sistema no es afectado por contaminacin atmosfrica, puesto que todos los componentes sonsellados.
d.Se elimina el mantenimiento a escobillas y colectores.
e.Se elimina el restato de campo, el interruptor de campo de alta capacidad y el alambrado entre elexcitador y el campo del generador principal.
f.En ningn punto se requiere tener conexiones elctricas entre un elemento fijo y un elementorotatorio.
SISTEMAS DE EXCITACIN DE GENERADORES SNCRONOS (cont.)
SISTEMAS DE EXCITACIN DE GENERADORES SNCRONOS (cont.)
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b. Excitador tipo "Brushless (cont.)
En la figura 1 se muestra un sistema deexcitacin "brushless"; la armadurarotatoria del excitador de C.A. es
montada en el mismo eje que el campodel generador principal; la salida de laarmadura, determinada por unregulador de voltaje de alta velocidadque controla la corriente en elcampoestacionariodel excitador de C.A., esconvertida a C.D. por diodos de silicioque rotan en el eje; la corriente,
controlada y rectificada, es conectada enforma directa al campo rotatorio delgenerador principal.
SS S C C G O SS C O OS(co t.)
G E N . IM A N E S
P E R M A N E N T E S
A V R
S H U N T
P M G
N
S
G
IN T E R R U P T O R
D E C A M P O
E L E M E N T O SR O TA TO R I O S
4 1 EA M P L I F IC A D O RD E T IR I S TO R E S
E X C I TA D O RD E C A
R E G U L A D O R A U TO M T IC OD E V O L T A J E
F I G . 1 D I A G R A M A U N I F I L A R Y D E E X C I T A C I N D E U NG E N E R A D O R S N C R O N O C O N S I S T E M A B R U S H L E S S
A J U S TA D O R
C IR C U I TOD E P U L S O S
TR A N S F O R M A D O R E SD E P O T E N C I A L
TR A N S F O R M A D O R E SD E C O R R IE N TE
A L A R E D
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SECCION MEXICO
c. Excitador esttico
Este tipo es clasificado por la norma IEEE Std 421 como "Sistema de Control de Excitacin conFuente de Potencial-Rectificador Excitador"; es descrito funcionalmente en la figura 11 de dichanorma.
En este sistema, la potencia de excitacin se obtiene directamente de las terminales del
generador, por medio de un transformador de excitacin, cuyo secundario alimenta a puentesde rectificadores, usualmente del tipo SCR (rectificador controlado de silicio), que rectifican yregulan la corriente alterna trifsica de baja tensin y la entregan al campo del generador atravs de anillos deslizantes; la regulacin del voltaje es realizada por el AVR por medio depulsos de disparo que se envan a los amplificadores de tiristores, con lo cual se controla elvoltaje de excitacin del generador. Este sistema de excitacin requiere de un sistema debateras para proporcionar la excitacin inicial.
SISTEMAS DE EXCITACIN DE GENERADORES SNCRONOS (cont.)
SISTEMAS DE EXCITACIN DE GENERADORES SNCRONOS (cont.)
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b. Excitador esttico (cont.)
En la figura 2 se muestra un sistematpico de excitador esttico, con loscomponentes descritos anteriormente,empleado en una unidad
turbogeneradora de 300 MW.
( )
Los excitadores del tipo "brushless" y deltipo esttico tienen una gran velocidadde respuesta, por lo que contribuyen demanera muy importante a mejorar laestabilidad transitoria de los sistemas de
potencia; esta rapidez de respuesta sedebe a que la regulacin de voltaje noinvolucra elementos mecnicos coninercia, pues el control de voltaje esefectuado con los amplificadores detiristores en los dos sistemas.
F I G . 2 D I A G R A M A U N I F I L A R Y D E E X C I T A C I N T P I C O D E U NG E N E R A D O R S N C R O N O C O N S I S T E M A D E E X C I T A C I N E S T T I C O
A V R
A M P L IF IC A D O RD E T IR I S TO R E S
R E G U L A D O R A U TO M T IC OD E V O L TA J E
A J U S T A D O R
G
IN TE R R U P T O RD E C A M P O
C A M P O D E L
G E N E R A D O R
G E N E R A D O R
A N I L L O S D E S L IZ A N T E S
C IR C U I T OD E P U L S O S
TR A N S F O R M A D O RD E E X C I TA C I N
2 0 0 0 0 ! 0 0 V , " F A S E S,# 0 H Z , " ! 0 0 $ V A
TR A N S F O R M A D O R E SD E P O T E N C IA L
TR A N S F O R M A D O R E SD E C O R R IE N T E
A L A R E D
E X C I TA C I N I N I C I A L
4 1 E
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