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8/19/2019 SISTEMAS DE PROTECCION DIFERENCIAL Y SISTEMAS DE COMUNICACIÓN DIGITAL, PARA OPERACIÓN CONFIABLE D…
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Primer Congreso de Investigación y Transferencia Tecnológica en Ingeniería Eléctrica. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional rl. Pac!eco.
SISTEMAS DE PROTECCION DIFERENCIAL Y SISTEMAS DE COMUNICACIÓN DIGITAL, PARA OPERACIÓN CONFIABLE DE REDES ALTA TENSION
Daniel L. Bellomo Carlos A. Di Palma Tranelsa S.A. Tranelsa SA
Universidad Tecnologica FRLPH. Yrigoyen 118 !18"# B$enos Aires H. Yrigoyen 118 !18"# B$enos Airesld%ellomo&'o(mail.com cdi)alma&(ranelsa.com
l%ellomo&*rl).$(n.ed$.ar
ResumenPara máxima Confiabilidad en los Sistemas de Protección de las Líneas Alta Tensión es necesario
realizar el análisis correcto y exhaustivo del ajuste de los arámetros de cada terminal de rotección
!"#$%& #s necesario estudiar la totalidad de condiciones de osibles fallas de Lineas' así como todos
los arámetros de deseme(os dentro del Sistema #l)ctrico de Potencia& La comaración con los
m)todos de ajuste convencional' demostrará la conveniencia de utilizar el #studio Param)trico
como forma de disoner un ajuste comleto y se*uro' e incrementar Confiabilidad de deseme(o de
Protecciones' reducir inconsistencias y+o falta de consideración de ciertas situaciones' elevar la
$isonibilidad !Ai% de ,eración del Sistema de #AT&
La corriente diferencial necesita un canal de comunicación ara transmitir la información
desde+hacia terminales "#$& $ebe realizarse cuidadosa elección del otimo vinculo y toolo*ia -ue
interconecte terminales "#$ de rotección diferencial' y lo*rar alta $isonibilidad del conjunto.
/rotecciones 0 enlace de comunicaciones1
Palabras claesProteccion diferencial2 canal comunicaciones2 estudio arametrito2 disonibilidad
Abs!rac! "n order to *et maximum 3eliability in Protection Systems for 4i*h 5olta*e Lines' is necessary to
do a ri*ht and exhaustive analysis of the adjustment of the arameters of each rotection terminal
!"#$%& "t is necessary to study all the conditions of eventual failures of the 45 Lines' as 6ell as all
the arameters of erformance into the Po6er #lectric 45 System& The comarison 6ith the
conventional methods of adjustment' 6ill demonstrate the benefits of usin* the Parametric Study' as
a better manner of havin* a full and secure adjustment' as 6ell as. to increase the 3eliability of
erformance of the rotection system2 reduce inconsistencies and conditions not ta7en into account
for articular situations2 increase the Availability !Ai% of ,eration of the 45 System&
The differential current needs a communication channel for transmittin* the information from+to the
"#$ terminals& A carefully selection of the otimum lin7 of communication' as 6ell as the toolo*yfor interconnectin* "#$ terminals of differential rotection system must be done& The *oal to be
obtain is to *et hi*h Availability fi*ures of the jointed systems. /rotection system 0
communication lin71' as a 6hole&
"e#$%r&sdifferential rotection system. communications channel2 arametric study2 availability
"istema de #roteccion diferencial y sistemas de comunicación digital #ara o#eración confia$le de redes de alta tension se#tiem$re %&'(
1
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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+,TR-DUCC+-,#l resente trabajo se encuadra en el tema
referencial !toico% corresondiente a
8uevas Tecnolo*ias alicadas en la
lanificación' ejecución' utilización' y
mantenimiento de 3edes #lectricas' habidacuenta de los beneficios -ue aortara tener en
cuenta los concetos a-uí desarrollados
DSARR-LL-PART +/ A0UST D PR-TCC+-,SD+A,T STUD+- PARATR+C-9n estudio de comortamiento de rel) ante
fallas monofásicas o olifásicas re-uieren del
uso de un soft6are caaz de simular un
evento y reetirlo m:ltiles veces con el
objeto de analizar el roblema y sacar conclusiones sobre el ajuste rouesto ara la
rotección& #sta ublicación describe un
m)todo aram)trico
ara una exhaustiva verificación del ajuste de
la rotección de distancia de una línea de
transmisión y un modelo *en)rico de rel) de
distancia tio ;4, desarrollado utilizando el
ro*rama #;TP 35&
1.1 odelado del rel2 H-/Los rel)s de distancia son amliamente
usados como roteccion rincial de líneas de
transmisión o como bac7 u de una
rotección diferencial lon*itudinal& $ebido a
la naturaleza no lineal del arco de falla es
necesario modelar la rotección de distancia
ara determinar el tiemo de deseje y
conocer si el rel) detecta o no una condición
de falla&
Como consecuencia del acolamiento -ue
existe entre fase de un línea ante la resencia
de fallas simles o m:ltiles se hacenecesario -ue el modelo de rel) sea trifásico&
Así' el rel) basa su funcionamiento en la
determinación de las tres imedancias de fase'
mediante el conocimiento de los fasores de
tensión y corriente&
Para mejorar la reresentación de los fasores
de tensión y corriente de frecuencia
fundamental se utiliza un filtro seno@ y >B son las
imedancia de secuencia cero y ositiva de la
línea& #l role de esta ecuación >P? reste
invariante con el tio de falla' sea esta una
falla simle o m:ltile con contacto a tierra&A artir del ajuste rouesto or el usuario se
ubican sobre el dia*rama 3 los círculos del
rel) ;4,' debido a -ue el rel) cuenta con
tres zonas con distintas temorizaciones' en
todo momento se monitorean D trayectorias de
imedancias' una or fase y or zona& La
temorización determinada or el usuario
debe tener en cuenta la suma de tiemos
determinada or el retardo de temorización
mas el tiemo de oeración del interrutor'
entre E o F ciclos&#l al*oritmo de detección re-uiere ara su
funcionamiento los valores de >P? en el
dominio comlejo' los arámetros de ajuste
de los círculos de imedancia y su
temorización.
#l al*oritmo imlantado en el modelo de rel)
detecta la condición de falla siemre -ue el
fasor >r in*rese dentro del circulo mostrado
en la fi*ura& #n tal condición el án*ulo entre
los fasores r y >cr debe ser suerior a
D@G&
"istema de #roteccion diferencial y sistemas de comunicación digital #ara o#eración confia$le de redes de alta tension se#tiem$re %&'(
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Para -ue el al*oritmo de detección funcione
correctamente se re-uiere -ue la excursión
del án*ulo de >P? sea limitado entre H BI@G&
$e esta manera este modelo *en)rico de rel)
;4, *enerara una se(al de disaro si detecta
en al*una de las nueve trayectorias deimedancia un án*ulo suerior a D@G durante
un tiemo de disaro asociado a un circulo
considerado&
1.1.1 3alidaci4n del modelo del rel2La validación del comortamiento del rel) se
realizara mediante la comaración de la
imedancia medida or el rel) y su tiemo de
actuación con valores considerados como de
referencia& $e esta manera' la validación de la
imedancia medida or el modelo es
comarada frente a la imedancia real de lared simulada' mientras -ue el tiemo de
deseje de falla se valida con una
reresentación más detallada de rel) -ue tiene
en cuenta el transitorio di*ital& Las fallas se
realizaran al @J de la lon*itud de la linea de
EK 7m&
Con las si*uientes imedancias de secuencia
>BM@&@BEE0j@&FE !N+7m%
>@M0jB&B !N+7m%&
1.1.1.1 +m)edancia medida/Comaracion de resultados ara la falla
mecanico de la simulacion ara las fallas
analizadas se sintetizan en la Tabla B
1.1.1.5 Tiem)o de des)e6e de *alla/odelado de(allado del rel2#n la reresentación detallada del rel) de
imedancia se contemla su filtro di*ital de
entrada ara la construcción de los fasores de
@4z' el rocesamiento de dichos fasores ara
identificar la distancia a la falla y el
corresondiente filtrado anti
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Considerando -ue cuando la banda de
transición del filtro analó*ico es muy
estrecha' el retardo -ue se roduce es elevado
y or lo tanto se incrementa el tiemo -ue
tarda la rotección en emitir una decisión' es
utilizado un filtro de Qutter6orth de se*undoorden&
$el análisis de las resuestas en frecuencia de
diferentes filtros analó*icos' se desrende -ue
sería conveniente utilizar el filtro analó*ico de
frecuencia de corte más baja' sin -ue )ste
roduzca distorsión al lóbulo rincial de la
resuesta en frecuencia del al*oritmo di*ital
del rel)' ya -ue cuanto menor sea la
frecuencia de corte del filtro' mayor será la
atenuación en las frecuencias sueriores a la
fundamental y or consi*uiente se mejora laresuesta del conjunto filtro analó*ico anti<
aliasin* y filtro di*ital del rel)&
Por otro lado' desde el unto de vista de la
resuesta transitoria' la cual se obtiene a
trav)s de determinar la resuesta del filtro a
un escalón de entrada' es osible afirmar -ue
sería conveniente utilizar un filtro anti<
aliasin* cuya frecuencia de corte sea lo más
alta osible' ya -ue el tiemo de retardo
disminuye con el incremento de la frecuencia
de corte&
Las dos conclusiones mencionadas
anteriormente se contraonen' lo -ue lleva a
tomar una decisión de comromiso de tal
forma -ue el filtro analó*ico resonda bien en
lo -ue se refiere a r)*imen estable' ero sin
-ue se erjudi-uen sus características
transitorias& #n virtud de lo dicho' el filtro
analó*ico seleccionado ara el modelo de rele
utilizado en el resente trabajo es un filtro de
Qutter6orth de ER orden' con frecuencia decorte de K@@4z' cuya resuesta en frecuencia
se arecia en la =i*& E y el retardo de tiemo
-ue el mismo ocasiona se desrende de la =i*&
F' la cual muestra la resuesta del mencionado
filtro frente a un escalón&
Di*erencias o%(enidas con el algori(mo$(iliado )or el TPCon el objeto de realizar una comaración
entre el al*oritmo resentado
recedentemente ara la detección de fallas en
rel)s de imedancia y el utilizado con elmismo roósito or el soft6are #;TP' en la
tabla B se muestran los tiemos -ue resentan
ambos al*oritmos entre el unto en donde se
roduce la falla y el momento en el cual el
rimer unto de la trayectoria de la
imedancia aarente' de al*uno de los lazos
de falla contemlados' cruza la rimera zonade la rotección& Para tal efecto se contemla
un rel) con características tio ;4, cuya
rimera zona se setea al I@ J de la línea
considerada y orientada con el án*ulo de la
línea& La comaración se realiza ara tres
fallas diferentes !falla trifásica' falla
monofásica y falla bifásica a tierra% efectuadas
en el centro de la línea y sin contemlar
resistencia de arco& Cabe mencionar -ue ara
el al*oritmo desarrollado los lazos
involucrados en cada una de las fallasconsideradas conver*en correctamente al
valor de la imedancia directa de la línea al
unto de falla&
1.5 s($dio )aram2(rico9consideraciones so%re la in(er*ace gra*ica/#l soft6are utilizado en esta ublicación es el
ro*rama #;TP
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esto es lo -ue re-uiere la realización de un
estudio aram)trico utilizando #;TP 35&
$icho estudio considerara variedad de tios
de falla alicadas al sistema en estudio' así
como otros arámetros.
• falla trifásica• falla bifásica sin contacto a tierra
• falla bifásica con contacto a tierra
• falla monofásica
• selección de las fases -ue intervienen
en la falla
• su localización
• ermanencia de la falla
• resistencia de falla
Las diferentes simulaciones se realizaran
sobre un mismo escenario en el cual todas lasalternativas de falla son modificadas
automáticamente&
La verificación de esta multilicidad de
arámetros resulta en una *ran cantidad de
simulaciones' las cuales son realizadas y sus
resultados extractados mediante scrit
adecuados ara tal fin en el ámbito de un
Pro*rama tio #;TP' -ue ermite la
reresentación trifásica de la red y sus
controles' consideración del efecto de
desbalances en la distintas fases y las
alinealidades roias del e-uiamiento
modelado&
Se describirá como fueron efectuados las
simulaciones con rel)s diferenciales y de
imedancia del tio ;ho y Cuadrilateral&
#stos rel)s' tanto en su versión $iferencial de
Línea como de "medancia de Línea'
ermitirán verificar con recisión y comarar
los ajustes inicialmente rouestos en el
#studio de Coordinación de Protecciones!#CP%' contrastándolo con el estudio
aram)trico descrito' con el objetivo de
descubrir eventuales oeraciones no revistas
del sistema de rotecciones& Siendo el #CP la
manera convencional de realizar el ajuste
convencional reducido&
Se comarará y demostrará la necesidad de
utilizar el #studio Param)trico como forma de
disoner un comleto y se*uro ajuste de las
rotecciones' y con ello incrementar
*randemente la Confiabilidad del deseme(odel Sistema de Protecciones' reducir
eventuales inconsistencias y+o falta de
consideración de situaciones' y
consecuentemente elevar las cifras de
$isonibilidad !Ai% de ,eración de las
Líneas de AT
9na exhaustiva verificación del ajuste de rotecciones realizada automáticamente
mediante un estudio aram)trico' imlica un
aumento del tiemo de revisión del royecto'
sin embar*o el tiemo y recursos emleados
en esta tarea de revisión redundará durante la
etaa de uesta en marcha en un menor
tiemo de uesta en servicio' minimizando la
intervención del 3344 esecializado en la
resolución de roblemas de ajuste in situ&
Adicionalmente' durante la etaa de
exlotación del sistema se odrán eliminar los roblemas -ue ocasionan situaciones no
consideradas en los ajustes' las cuales
ocasionen una oeración inadecuada del
sistema de rotecciones&
PART ++/ 3+,CUL- DC-U,+CAC+-,S5.1 PremisasLa utilización de un sistema de comunicación
di*ital !con canales dedicados% -ue sean de
roiedad y oerados or la emresael)ctrica' introducirá una fuente de retardo en
la oeración del sistema de rotecciones' ero
imlica una oeración determinística -ue
ase*ura la rotección confiable del sistema de
#AT& #l canal de comunicaciones -ue
transmitirá la función de rotección
diferencial afectará el tiemo total de
oeración de la rotección diferencial' dentro
de lo cual influyen asectos de.
•
3etardo !tanto en e-uios como en elmedio de transmisión%
• 5ariaciones del retardo
• Tasa de error
• $isonibilidad del canal
• 3eetidoras intermedias !si amerita%
#l sistema de rotección diferencial asume la
utilización de un medio de comunicación
ermanente !sin interruciones% y con un
retardo de roa*ación fijo& #n función de
ello' los "#$ de rotección diferencial
monitorearán el retardo total del canal de
comunicación' resuoniendo -ue el camino
"istema de #roteccion diferencial y sistemas de comunicación digital #ara o#eración confia$le de redes de alta tension se#tiem$re %&'(
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de transmisión y receción serán i*uales' con
el fin de comensar las corrientes medidas en
ambos extremos& $ado -ue existe un tiemo
determinado ara -ue la información de
rotección será recibida y rocesada en un
extremo !roveniente del otro extremo%' estoinfluirá en la disosición de la rotección a
actuar& Cuanto mayor sea el tiemo del
enlace de comunicaciones y el retardo dentro
de ese canal' tanto menor será el tiemo de
disaro& #llo es a:n más crítico en los casos
de niveles de extra alta tensión !#AT%
Tíicamente ara #AT se re-uiere el deseje
de la falla en un ciclo !E@mse*%& $entro de
ese tiemo total' el retardo ermitido al canal
de comunicación no debiera exceder los
mse* ues en caso contrario se sacara laL#AT de servicio& Para un deseme(o
determinístico del canal' el tiemo del canal
de comunicación tíico debiera ser del orden
de E@@ use*& #n caso -ue ello no se cumla
!detectar erdida de enlace de
comunicaciones%' se desafectará
automáticamente la rotección diferencial y
asará a utilizarse la rotección de reserva
!rotección de imedancia' bac7u system%&
$e allí la conveniencia de disoner de la
reserva de rotección de imedancia+distancia
como resaldo incluida en el "#$
9na oción de sincronización de máxima
se*uridad' y con ello acetar eventuales
interruciones en el canal de comunicaciones
y+o cambios en el tiemo de transmisión en el
canal' consiste en imlementar la
sincronización de tiemo or ?PS en cada
terminal "#$' mediante un recetor ?PS
searado e indeendiente ara cada terminal&
Se deberá tratar de un recetor ?PS de alta recisión con lo cual cada "#$ ueda ser
sincronizado con tiemo absoluto en cada
extremo de la L#AT' tal -ue ermita medir
exactamente el retardo entre recorrido de
transmisión y recorrido de receción y con
ello ermitir enlaces de comunicaciones -ue
eventualmente osean retardo diferente se*:n
el camino de ida o de re*reso
5.5 Cri(erios de +ndis)oni%ilidadLa "ndisonibilidad !9Ai% del canal de
comunicación uede roducirse debido.• =alla en el sistema de comunicaciones
• 3econfi*uración de la red de
comunicaciones
• Perdida de sincronización en la red de
comunicaciones y+o en los e-uios
-ue act:an como interfaz
• Tasa de error elevada dentro del canalde comunicaciones
#s imortante recordar -ue los objetivos de
9"T
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mide el corrimiento entre los cloc7s y ello se
utiliza ara extender el tiemo -ue ueden
oerar los rel)s sin sincronización
bF% Si las variaciones de retardo suceden en
forma se*uida !continuadamente%' se
blo-ueará el roceso de sincronización or untiemo lar*o' con lo cual se tambien se
blo-ueara el sistema de rotección diferencial
c# asime(r=a en el re(ardo. la sincronizaciónde los cloc7s de los rel)s de rotección
diferencial resuone -ue el tiemo de
roa*ación de ida y re*reso' son i*uales& #n
caso de asimetría en los caminos !AUQ
diferente de QUA%' se roducirá un error en la
sincronización de los cloc7s' lo -ue
introducirá un corrimiento de fase entre las
corrientes del terminal de rotección local ydel remoto. esta diferencia de fase creará una
corriente diferencial -ue uede roducir un
disaro or función diferencial
d# recon*ig$raci4n de caminos yres(a%lecimien(o de la red/ en caso deutilizar una toolo*ía de comunicaciones
S$4 en anillo' es tíico se incluya la
reconfi*uración automática de caminos ara
ermitir conmutar a otro camino !ath% en el
caso de falla& #sta conmutación uede ser.
dB% unidireccional. en el caso de detectarse
falla en un camino' se realizará la
conmutación solamente del camino en falla'
mientras -ue el otro camino ermanece sin
cambio
dE%bidireccional. en el caso de detectarse falla
en un camino' se conmutaran ambos caminos
!ida y re*reso%
Para condición de máxima se*uridad en la
oeración de la rotección diferencial'
deberiera utilizarse conmutación bidireccional ara ase*urar -ue no exista asimetría en el
tiemo de roa*ación
5.> Sis(ema de com$nicaciones digi(al$ado -ue existe una cantidad de
re-uerimientos desde el unto de vista del
Area Protecciones' en forma e-uivalente
deben imonerse re-uisitos al Sistema de
Comunicaciones' mínimamente. retardo
absoluto' baja latencia de la transmisión'
retardo diferencial' 3itter' ander' tasa de
error Q#3
5.? +n(er*acesLos sistemas de rotección diferencial se
roveen tíicamente con interfaz de fibras
óticas ara intervincular los "#$s vía un ar
de fibras dedicadas' sin e-uiamiento de
comunicaciones intermedio& #n *eneral lainterfaz ótica del lado rotecciones es
roietaria del fabricante del "#$' or lo cual
se incorora un convertidor ótico+el)ctrico
ara ermitir la vinculación de la rotección
al multilexor del sistema S$4& Con ello el
fabricante de la rotección rovee' en lu*ar de
una interfaz roietaria' una interfaz
normalizada abierta !bajo ?&V@F en trama #B%&
Si usamos la norma "### CFV&DK !mediante
fibras óticas desde K 7bs hasta E+BE
7bs% como interfaz del rel)+"#$ de rotecciones' lo*raremos conexión directa al
sistema de comunicaciones S$4 sin
necesidad de convertidores& 8o utilizar
cableado conlleva la ventaja de evitar
interferencias electroma*n)ticas'
esecialmente cuando el "#$ de rotecciones
se aloja en 7iosco alejado del edificio de
comando donde se encuentran los e-uios de
comunicaciones&
5." odos de vinc$laci4n5.".1 3inc$laci4n direc(aLos "#$s de rotección diferencial ueden
obtener máxima $isonibilidad de
vinculación mediante las ociones si*uientes.
a% ara la función A8S"
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fibras dedicadas foF y foK& #n caso de
utilizarse ambas funciones IVL+IVT y EB+EB8
es necesario realizar la conexión al
transformador de corriente CT y al
transformador de tensión 5T de la estación
transformadora5.".5 3inc$laci4n indirec(a9na menor $isonibilidad de vinculación se
obtiene mediante las ociones si*uientes.
a% ara la función A8S". B+BL+-RAFA
OB Paul ;& Anderson' /Po6er System
Protection'1 "### Press and ;c?3A<
4"LL' BDDD
!E% Sistemas de comunicaciones ara enlaces
de *ran lon*itud' Ci*re Seminario E@BK
!F% Communication systems for extra lon*
haul lin7s on @@75 45AC Systems' Ci*re'
$E
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!K% Anillo otico de maxima confiabilidad y
deseme(o ara el Sistema #lectrico de
#nersa' Ci*re' #riac E@BB
!%XXXXXXXXXXXXX&
!%
XXXXXXXXXXXXXXXXXX
X&
XXXXXXXX&
XXXXXXXX&
Fig. 1: Caracteristica del releMHO.
-150 -100 -50 0-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
R(Ohm)
X ( O h m
)
Fig. 2: Trayectorias de impedancia medida ante allatriasica.
!cc"#.#$%&$2.' ohm
MHO
MHO
F a
l t
%
1*+RM,-- /#,lac*:-F1
0C1
-F
hase:#
,lac*: 2'*+RM,--/#
-F1C%
12.##
T-M2
#*+RM,--##M314M+0R
-oad1
C%12.##
T-M1%
R-1
#.55/6#.#
78,0
1.##/629.41.##/61.21.##/611.
=i*& B. 3ed utilizada en la validacion del rele&
Tabla 1: Impedancia de falla
Falla trifásicaFalla
monofásicaFalla ifásica a
ti!rra
Valor "!r!f!r!ncia 9#.# ; 9#.# ; 9#.# ;
Valor m!"i"o#or !l r!l!
9#.1 ; 9#.#4 ; 9#.2# ;
"istema de #roteccion diferencial y sistemas de comunicación digital #ara o#eración confia$le de redes de alta tension se#tiem$re %&'(
0 200 400 600 8000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Frecuencia Hz
M a g n i t u d
Fig. 1: Rta. en rec(encia del iltrodigital 9
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Fig. 2: Rta. en rec(encia del iltro anti6aliasing.
Fig. ): Rta. transitoria del iltro anti6aliasing.
Tabla B. Tiemos de los al*oritmos considerados ara la detección de la falla
Falla trifásicaFalla
monofásicaFalla ifásica a
ti!rra
$l%oritmo&!sarrolla"o
1).$ ms 14 ms 14 ms
$l%oritmo'P
1).2 ms 19.2 ms 19.) ms
40%
40%
%
4##*+RM,-- /#+=>=>
m1+M+
=>=>=>
m)
?@+9
?@+4
C%22#.##
T-M4
C%22#.##
T-M'
C%2#.##
T-M$
C%2#.##
T-M
%
1 e 6 1
4 A # A #
F08-T/R@,B,T0C@
Bn1 O(t1
Bn2 O(t2
,178,
sco#!
,1
%
1 # m s
D 1 @ 1 4 D #
F 0 8 - T
/ , 3 B T C H
%1m
%1m
%1m
%1m
%1m
%1m
78,0
1.##/)2.#1.##/)2.#
78,778,7
F1
F1 F)F9
F4 F' F$ F
F2
1.##/6#.#
78,C
=i*& B. 3ed utilizada en el estudio arametrico&
"istema de #roteccion diferencial y sistemas de comunicación digital #ara o#eración confia$le de redes de alta tension se#tiem$re %&'(
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