coordinaciÓn del aislamiento en subestaciones
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7/23/2019 COORDINACIN DEL AISLAMIENTO EN SUBESTACIONES
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Prof. Juan Bautista R.
UNI - FIEE
Conceptos
Exposicin para uso estrictamente acadmico y por tanto no se comercializa.
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Tensin anormal existente entre fase y tierra o entre fases, cuyo valor pico essuperior al valor pico de la mxima tensin de operacin normal de un equipo
(Vm) o sistema (Vs).
Tabla con las tensiones mximas para el equipo segn su respectiva
tensin nominal:
Sobretensin
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Los valores en p.u. de las amplitudes de las sobretensiones estarn
referidos al valor pico fase-tierra de la tensin ms elevada del sistema (Vs), as:
..Sobretensin
La sobretensin tiene un carcter aleatorio y variable en el tiempo es difcil de
caracterizar, sus parmetros: duracin, amplitud y efectos en el sistema son
slo una aproximacin estadstica.
Una sobretensin puede destruir el material y en consecuencia producir,discontinuidad del servicio elctrico.
21.0
3 sV pu
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En funcin de su origen:
Las sobretensiones pueden producirse por factores externos o internos a la red.
A frecuencia industrial.
De maniobra.
Atmosfricas.
Clasificacin de las Sobretensiones
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En funcin de la forma de onda y tiempo de duracin son:
Permanentes (continuas).
Temporales.
De frente lento.
De frente rpido.
De frente extra rpido.
Clasificacin de las Sobretensiones
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Se origina bajo condiciones normales de operacin, por
tanto: f = 60Hz o prxima y al ser permanente su
duracin puede corresponder al tiempo de vida del equipo.
En la prctica el valor rms de estas tensiones pueden
variar de un punto a otro del sistema, sin embargo para
efectos de estudios de coordinacin de aislamiento seasume como constante e igual al de la tensin ms
elevada de la red (Vs), que a su vez, para niveles de Alta
Tensin corresponde a la tensin ms elevada para
equipos (Vm).
Sobretensin permanente de frecuencia industrial
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De duracin relativamente larga y de frecuencias cercanas ala fundamental, se consideran como de frecuencia industrial,
y amplitudes inferiores a las de otros tipos de sobretensin.
Se originan debido a fallas a tierra u operaciones de
maniobra como por ejemplo:
rechazo de carga,efecto Ferranti y
efectos de resonancia y ferroresonancia,
De acuerdo al origen de la sobretensin se definen susparmetros caractersticos como: amplitud, forma de onda y
duracin.
Sobretensiones temporales
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FALLAS A TIERRA:
Es la ms comn: CC 1 (cada de un conductor de fase).
Menos probables: las fallas bifsicas o trifsicas en las que
la tierra no est involucrada.
La amplitud de las sobretensiones generadas depende de
la conexin del neutro a tierra en el sistema y de la
ubicacin de la falla, con el neutro conectado a tierra lasamplitudes de las sobretensiones son menores.
Causas que originan obretensiones temporales
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La magnitud depende del factor de falla a tierra (k),
tomando en cuenta valores de voltaje fase-tierra, rms y a
frecuencia industrial.
kdepende sobretodo del tipo de conexin a tierra delneutro.
T e n s i n m a s e le v a d a
e n l a s f a s e s n o f a l l a d a s
e n p r e s e n c i a d e f a ll a
kT e n s i n e n c o n d ic io n e s
n o r m a l e s d e o p e r a c i n
e n e l p u n t o d e f a l l a
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Se pueden identificar tres rangos de
factores de falla a tierra, en funcin de losvalores de la relacin:
y de acuerdo a la caracterstica de conexin a tierra
del sistema
0
1
X
X
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Debido a condiciones
resonantes:
Valores
altos se
aplica
para
sistemas
con
conexina tierra
resonante
o con
neutro
aislado
Valores
bajos de
X0/X1 esvlido para
sistemas con
el neutro
conectado a
tierra.
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El rango de valores altos de X0/X1, positivos o
negativos, se aplica para sistemas con conexin a
tierra resonante o con neutro aislado.
El rango de valores positivos y bajos de X0/X1 esvlido para sistemas con el neutro conectado a
tierra.
El rango de valores negativos y bajos de X0/X1,
que corresponde a la zona sombrada en la figura,
no es conveniente para aplicaciones prcticasdebido a condiciones resonantes.
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En EAT o UAT, normalmente el neutro estslidamente conectado a tierra, o se conecta
a travs de una resistencia de muy bajo valor.
Entonces:
1.3 k 1.4
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En EAT o UAT,
normalmente el neutro
est slidamente
conectado a tierra, o se
conecta a travs de una
resistencia de muy bajo
valor. Entonces:
1.3 k 1.4
1.3 k 1.4
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El tiempo de permanencia de la sobretensin = al tiempo deduracin de la falla, esto es, hasta que la falla sea despejada.
En sistemas con neutros conectados a tierra la permanencia
de la sobretensin es menor a 1 segundo.
Tfalla < 1 segEn sistemas con el neutro conectado a tierra a travs de un reactor
(sistema con conexin de neutro a tierra resonante) y con despeje de falla,
la duracin de la sobretensin es menor a 10 segundos.
Mientras que en sistemas sin despeje de fallas a tierra la sobretensin
puede estar presente por varias horas, razn por la cual se podra definir al
voltaje continuo de frecuencia industrial como el valor de la sobretensin
temporal mientras dura la falla.
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Rechazo de Carga.
Las sobretensiones temporales debidas al
rechazo de carga son funcin de la carga
rechazada, de la disposicin del sistemadespus de la desconexin y de las
caractersticas de las centrales de generacin
involucradas, tales como las regulaciones devoltaje y velocidad de los generadores que
actuarn para disminuir los valores de las
sobretensiones intentando llevar al sistema acondiciones normales de operacin.
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Incrementos de voltaje considerables
ocurren ante un sbito rechazo de cargaen el extremo alejado de una lnea larga
que se alimenta por su otro extremo.
Bajo estas circunstancias se produce el
efecto Ferranti, que se manifiesta por una
onda de tensin de crecimiento lineal a lolargo de la lnea, dando como resultado que
la tensin en el extremo abierto y sin carga
sea mayor que la tensin en el extremo de
la fuente.
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Los equipos ms afectados por estassobretensiones son los de la
subestacin del extremo de la lnea en
el cual ocurri el rechazo de carga.
En sistemas con lneas relativamentecortas las sobretensiones generadas
son bajas.
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V2 en VacoV1 alimentando la lnea(modelo )
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Rechazo de carga: Sistema radial.
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Rechazo de carga: Sistema radial.
Antes del Rechazo de
carga.
IR
Interruptorcerrado
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Rechazo de carga: Sistema radial.
Despus del Rechazo de carga.
Interruptor
abierto
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En sistemas no muy extensos un rechazo de toda la carga
puede generar sobretensiones fase-tierra con
amplitudes < 1.2 p.u, y cuya duracin puede ser de varios
minutos dependiendo del equipo de control de voltajeasociado.
En sistemas extensos un rechazo de toda la carga puede
generar sobretensiones fase-tierra cuyasamplitudes ~ 1.5 pu, e incluso superiores en presencia de
efecto Ferranti o resonancia. La duracin de estas
sobretensiones puede ser de algunos segundos.
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Las sobretensiones debidas al rechazode carga son iguales para las tres fases
del sistema y se controlan mediante
compensacin reactiva.
El uso de reactores en derivacin,capacitores en serie o compensadores
estticos, reducen la elevacin del
voltaje.
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Resonancia y Ferroresonancia:
El fenmeno de resonancia ocurre cuando un
circuito que est conformadopor inductores y capacitores lineales es
alimentado por un voltaje con una
frecuencia aproximadamente igual a lafrecuencia natural del sistema, en este caso
existe un nico punto de resonancia.
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Nota aparte sobre Resonancia
Para el circuito serie:
Si:
Se comporta como un
circuito inductivo
Se comporta como un
circuito capacitivo
Para este caso, el circuito se encontrar en
resonancia, ya que la impedancia ser resistiva
pura.(tensin en fase con la corriente).
Este tipo de circuito se denomina tambin
Resonante en Tensiones, dado que
los mdulos de las tensiones en los componentes
reactivos, son iguales pero opuestos en fase y se
cancelan.
En este caso la CORRIENTE ES MAXIMA
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Nota aparte sobre Resonancia
Para el circuito serie:Frecuencia de resonancia
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Nota aparte sobre Resonancia
frecuencias
Ohm
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La ferroresonancia se produce, entonces,
cuando se tiene las condiciones propicias:
Una inductancia no lineal (transformadores
de potencia, transf. Tipo inductivos yreactancias en derivacin) con circuito
magntico saturable, un condensador
(cables, lineas largas, Transf de tensin tipo
capacitivos, capacitancias serie o en
derivacin para compensacin) y una fuentede tensin.
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La ferrorresonancia aparece, principalmente
con la conexin o desconexin de
transformadores o cargas,
aparicin o despeje de fallas y
trabajos bajo tensin,
Que son eventos en los que existe la posibilidad
de una transicin brusca de un estado establenormal (sinusoidal a frecuencia de red) a otro
estado estable ferrorresonante caracterizado por
fuertes sobretensiones y por importantes tasas dearmnicos peligrosas para los equipos.
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Cmo limitar las sobretensiones temporales
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Cmo limitar las sobretensiones temporales
debido resonancia y ferroresonancia?
Desintonizando al sistema de la frecuencia de
resonancia.
y cmo se logra esto?
1. Cambiando la configuracin del sistema, o2. Utilizando resistencias damping(que se coloca
en paralelo o en serie con el circuito resonante
en serie para reducir el factor Q, o resistenciaque se coloca para aumentar la amortiguacin).
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Si se presentan sobretensiones temporales simultneas?
por ejemplo:
Falla a tierra junto con rechazo de carga u otras combinaciones,
Resultado: la necesidad de pararrayos con grados deproteccin superiores y como consecuencia niveles de
aislamiento tambin superiores.
Esto se justifica tcnica y econmicamente solamente si laprobabilidad de ocurrencia simultnea es suficientemente alta.
En la prctica la probabilidad de que las combinaciones ms
probables ocurran es baja, por lo tanto no se consideran.
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Sobretensiones de Frente lento:
Se originan ante la operacin de equipos demaniobra o sbitas modificaciones en la
topologa de la red elctrica.
Ejemplos:
energizacin y re-cierre de una lnea, inicio y despeje de fallas,
rechazos de carga y
establecimiento o interrupcin decorrientes capacitivas o inductivas.
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Sobretensiones de Frente lento.
Tambin se generan por descargas
atmosfricas sobre las lneas de transmisin
en puntos alejados a la subestacin.
Todos estos eventos provocan fenmenos
transitorios que se traducen en una onda desobretensin caracterizada por tener un
frente de onda de algunas decenas a miles
de microsegundos.
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O d t i
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Onda tpica.
Son de mayor magnitud que las sobretensiones temporales.
entre 20 y 5000 s
Valor medio de cola
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C i i b t i d F t l t
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Al energizar una lnea de
transmisin en vaco la sobretensin
se origina por la discrepancia depolos en el cierre del interruptor
(cierre no simultaneo de suscontactos).
C i i b t i d F t l t
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Luego de haber cerrado la primera fase se generan
ondas de tensin en las otras dos fases, producto
de su acoplamiento.
Estas ondas se propagan a lo largo de la lnea
hasta alcanzar su otro extremo, en donde al chocar
con la impedancia de circuito abierto, se reflejan
para superponerse con las ondas que continan
propagndose, producindose as la sobretensin.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
En caso que la lnea a energizar no
termine en circuito abierto sino en un
transformador, el fenmeno se vuelve
ms complicado debido a las
caractersticas no lineales de suimpedancia y la presencia de armnicos.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Energizacin de una lnea de transmisin en vaco:
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Elrecierre de una lnea de transmisin tiene por objetodespejar fallas transitorias, y por lo tanto tiene involucrado los
procesos de apertura y cierre de los interruptores de lnea.
Considerando el caso que el interruptor tenga que
desconectar una lnea en vaco, debido a la naturaleza
capacitiva del circuito al momento de interrumpir la corrientepor su paso por cero, la tensin estar pasando por su valor
mximo, lo cual provoca que las tres fases queden con una
tensin aproximadamente igual al valor pico de la tensin fase
tierra de la fuente de alimentacin.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Posterior a la apertura se ejecuta el recierre,que es en donde se pueden generar altas
sobretensiones.
Esto ocurre como producto de la gran
diferencia de potencial que se puede generar
en caso de que el recierre ocurra antes dehaber drenado la carga residual o si los polos
del interruptor cierren cuando la tensin del
sistema tenga polaridad opuesta a la de la
lnea.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
De aqu que es importante contrastar
los tiempos de recierre con el tiempo
que tarda la lnea en evacuar la cargaatrapada.
Siendo este ltimo factible de modificar
con el uso de reactores o resistencias
de preinsercin en los interruptores.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Mientras que en el caso de recierres la magnitud de
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Mientras que en el caso de recierres la magnitud de
las sobretensiones depende tambin del tipo derecierre, esto es, de si el recierre es trifsico o
monofsico.
En recierres trifsicos las sobretensiones son mayores
debido a la carga atrapada en la lnea, mientras que en
recierres monofsicos la magnitud de las
sobretensiones es incluso menor que las debidas a
energizacin, salvo en casos en los que efectos como
resonancia o efecto Ferranti sean muy significativos.
En sistemas de extra alta tensin es comn el usode interruptores con recierre monofsico.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
De acuerdo al nmero de sobretensiones
mximas por cada operacin de maniobra
que se consideren para construir la funcin
de distribucin de sobretensiones se tiene
dos mtodos:
1. el fase pico y
2. el caso pico.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lentoEn caso de no contar con simulaciones o
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pruebas que permitan la aplicacin de estosmtodos y la construccin de una funcin de
distribucin de sobretensiones existen valores
tpicos de sobretensiones estadsticas (Ve2).
Estos valores corresponden a sobretensiones
causadas por eventos especficos, en este casoenergizacin y recierre de lneas, con un 2% de
probabilidadde que igualen o superen el valor
dado para Ve2.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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La Figura siguiente muestra una guapara la seleccin de las
sobretensiones estadsticas fase-
tierra en funcin de parmetros
conocidos del sistema, sin la
presencia de pararrayos y en elextremo de la lnea donde las
sobretensiones son mayores.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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q g
Los valores presentados en la Figura son aplicables para
ambos mtodos, fase pico y caso - pico y corresponden al
resultado de pruebas y estudios de campo que incluyen el
efecto de la mayora de los factores que determinan lamagnitud de las sobretensiones.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lentoEn lo que respecta a la red de alimentacin, se
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Causas que originan sobretensiones de Frente lentoq p ,
refiere a la configuracin del sistema desde el cualse energiza la lnea.
Se distingue dos posibilidades, alimentacincompleja o inductiva.
La alimentacin compleja implica tener por lo
menos una lnea de transmisin conectada entre la
barra de generacin y la lnea que alcanza la
subestacin.
Causas que originan sobretensiones de Frente lentoMientras que la alimentacin inductiva implica
alimentar la lnea que alcanza la subestacin
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Causas que originan sobretensiones de Frente lentoalimentar la lnea que alcanza la subestacin
nicamente a travs de un
transformador. La Figura muestra en forma grfica
estos conceptos.
La alimentacin compleja
alimentacin inductiva
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Adems cabe mencionar, que no se considera el uso de
interruptores con mando sincronizado.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Siguiente.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
El l d l b i d i f f (V 2) d i
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El valor de la sobretensin estadstica fase-fase (Vp2) se puede estimar en
base del valor de la sobretensin estadstica fase-tierra (Ve2) de acuerdo a
la Figura G.1, donde se ilustra valores de Ve2 en funcin de la relacin entre
los valores estadsticos fase-fase y fase-tierra. La parte superior de la curva
corresponde a las sobretensiones trifsicas por recierre, mientras que el
tramo inferior se aplica a las sobretensiones por energizacin.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Las sobretensiones por maniobras en lneas pueden ser
controladas mediante el uso de resistencias de preinsercin en
los interruptores, el cierre controlado del interruptor,
transformadores de tensin inductivos, compensacin opararrayos.
El uso de resistencias de preinsercin es uno de los mtodos
ms efectivos para controlar sobretensiones generadas en la
operacin de interruptores.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Estas resistencias de preinsercin se conectan en serie a la
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Estas resistencias de preinsercin se conectan en serie a la
lnea previo al cierre de los contactos principales del interruptorpara una vez que el interruptor ha efectuado el cierre se forme
un divisor de tensin con la resistencia preinsertada para as
reducir la tensin inicial.
Una vez que esto ha sucedido las resistencias se cortocircuitan
para ser eliminadas del circuito.
Estas operaciones si bien producen transitorios en la lnea, con
una seleccin adecuada de la resistencia y del tiempo de su
permanencia pueden limitar las sobretensiones en gran
medida.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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En operaciones de recierre en donde se tiene
sobretensiones elevadas producto de la carga
atrapada, el uso de resistencias de preinsercin es
importante.
Sin embargo, la presencia de pararrayos de xido
de zinc, con muy buena capacidad de absorberenerga ha permitido eliminar, en algunos casos,
las resistencias de preinsercin, que en algunos
pases no han producido buenas experiencias.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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El cierre controlado del interruptor mediante el uso de interruptores
sincronizados es otra medida que junto con las resistencias de preinsercin
reducen la sobretensin a lo largo de toda la lnea.
Considerando que las sobretensiones en la energizacin son funcin de latensin a travs de los contactos del disyuntor en el instante de cierre, se
podrn disminuir si esta tensin tiende a cero.
As durante la energizacin esta condicin se cumple cuando la tensin dealimentacin pasa por cero, mientras que en un recierre, en donde existe
carga atrapada, la menor tensin en los contactos del interruptor ocurre
cuando la diferencia de potencial entre la tensin de alimentacin y la
tensin residual es nula.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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En un sistema trifsico, existen dos posibilidades parael cierre de contactos de un interruptor con el fin de
conseguir estas condiciones.
1. La primera implica cerrar las tres fases
simultneamente, cuando la tensin en una de
ellas est pasando por cero.
2. Una segunda opcin, y que brinda mejores
resultados es cerrar las tres fases
consecutivamente cuando la tensin en cada unade ellas pase por cero.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Los transformadores de tensin inductivos
conectados en los terminales de la lnea, reducen las
cargas atrapadas en las fases despus de su
apertura, ya que sirven como camino de drenaje de
esta carga.
Dando como resultado que las sobretensiones defrente lento por el recierre trifsico subsecuente sean
comparables con las de energizacin de la lnea.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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Un evento de rechazo de carga involucra dos tipos
de sobretensiones:
1. Una sobretensin transitoria que se genera en los
primeros ciclos subsecuentes a la apertura del
interruptor que desconecta la carga rechazada y,
que corresponde a una sobretensin de frente
lento, y,
2. Una sobretensin sostenida que aparece
posterior al transitorio que a su vez correspondea la sobretensin rechazo de carga ya analizada.
Rechazo de carga:
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Interrupcin de una corriente capacitiva.- para analizar esta maniobra se
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considerar un circuito de carga capacitiva alimentado a travs de una fuente
inductiva. La Figura muestra el circuito de carga capacitiva y el comportamiento
de las ondas de corriente y tensin asociadas.
Tal como se muestra en la figura, previo a la apertura de los contactosdel disyuntor la corriente adelanta 90 a la tensin, ya que es
predominantemente capacitiva. Con el fin de interrumpir la corriente,
los contactos del disyuntor se abren pero la corriente contina
fluyendo hasta su siguiente paso por cero donde el arco pierdeconductividad y la corriente se interrumpe, en este instante la tensin
est en su valor mximo.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
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90
0
Antes de la apertura del
circuito
predominantementeCapacitivo
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
0
El borne 2
queda cargado
con el valor V2
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90
0
Apertura de un circuito
predominantemente
Capacitivo
Apertura del
Interruptor. La I
sigue pasando
hasta su siguiente
paso por 0, aqu la
V es max.
V1 es max eneste punto
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
0
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Formas de onda
de corriente y
tensin
90
0
Apertura de un circuito
predominantemente
Capacitivo
Apertura del
Interruptor la I
sigue pasando
hasta su siguiente
paso por 0, aquila V
es max.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
La corriente se ha interr mpido el capacitor de carga C2 q eda cargado a la
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La corriente se ha interrumpido y el capacitor de carga C2 queda cargado a latensin mxima de la fuente +1 p.u. Conforme la tensin de la fuente cambia de
polaridad, la tensin de reestablecimiento en el disyuntor aumenta hasta que la
tensin de la fuente alcanza su valor mximo y la de reestablecimiento un valor
de 2 p.u. En este punto del proceso, si entre los contactos del disyuntor no hay
una rigidez dielctrica suficiente se producir el reencendido del arco, como es elcaso de la figura.
Una vez que ha ocurrido la reignicin, la corriente vuelve a ser interrumpida a su
paso por cero, dejando al capacitor cargado a una tensin superior, de incluso 3
p.u. Una segunda reignicin podra ocurrir cuando la tensin dereestablecimiento alcance su nuevo valor mximo de hasta 4 p.u. Si nuevas
reigniciones ocurren este proceso podra ser recurrente y la tensin podra ir
incrementndose cada vez ms, en la prctica la falla del aislamiento
interrumpira el proceso. En sistemas de potencia, este tipo de corrientes aparecen ante
la aperturade lneas de gran longitud en vaco, o bancos de condensadores.
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Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Si el arco se extingue sin que ocurra reignicin como se
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Si el arco se extingue sin que ocurra reignicin como semuestra en la Figura (b), la tensin del lado de la carga
oscilar a una frecuencia mayor que la fundamental
debido al efecto de las capacitancias parsitas
representadas en C2y la inductancia de carga L2, en esteinstante la tensin de reestablecimiento crece
instantneamente hasta su valor mximo para luego
amortiguarse.
Causas que originan sobretensiones de Frente lentoDebido a que la tensin de reestablecimiento se aplica entre los contactos
del interruptor pueden existir condiciones de reignicin en cuyo caso la
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del interruptor, pueden existir condiciones de reignicin, en cuyo caso lacorriente vuelve a circular y la tensin del lado de la carga trata de seguir a la
tensin del lado de la fuente. Luego, una vez que la corriente pase por cero y
se extinga el arco la tensin de reestablecimiento vuelve a alcanzar su valor
mximo que debido a estas condiciones es mucho mayor que en caso de no
tener reignicin, alcanzando incluso valores mayores que la tensin de lafuente.
Este proceso se ilustra en la Figura (c) y puede
repetirse varias veces en funcin del nmero de
reencendidos, provocando que la tensin del
lado de la carga aumente considerablemente.Cabe notar que el arco se extingue cuando la
corriente del inductor de carga pasa por cero y
por lo tanto la energa ser inicialmente
almacenada en el capacitor. Por lo tanto, la
razn por la cual la tensin tiende a
incrementarse es un fenmeno capacitivo.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Interrupcin de una corriente inductiva
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Interrupcin de una corriente inductiva
Circuito Inductivo
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
Interrupcin de una corriente inductiva Circuito Inductivo
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Interrupcin de una corriente inductiva, Circuito Inductivo
b) Transitorio durante la interrupcin
de una corriente inductiva, sin
ignicin
c) Transitorio durante la
interrupcin de una corriente
inductiva, con reignicin
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
La Figura muestra en forma independiente las formas de onda de
voltaje y corriente durante la apertura de una corriente inductiva, tomando como
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voltaje y corriente durante la apertura de una corriente inductiva, tomando comobase el circuito de la Figura (a) antes analizada.
Formas de onda de
corriente y tensin
durante la interrupcin
de una corriente
inductiva.
Causas que originan sobretensiones de Frente lento
En sistemas de potencia este tipo de
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En sistemas de potencia, este tipo desobretensiones aparecen ante la interrupcin de
corrientes de magnetizacin de transformadores o
reactores y ante la interrupcin de corrientes dearranque en motores.
Para evitar la presencia de sobretensiones tanto de
origen capacitivo como inductivo se deber
seleccionar interruptores adecuados, con el fin de
evitar la reignicin del arco, que es la peor
condicin para la generacin de sobretensiones deesta naturaleza.
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Sobretensiones de Frente Rpido
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Las sobretensiones de frente rpido se
originan a partir de descargasatmosfricas y operaciones de maniobra,
siendo estas ltimas de menor
importancia debido a que su amplitud esmucho menor.
Sobretensiones de Frente Rpido
Las descargas atmosfricas son un fenmeno natural muy
Descargas atmosfricas:
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Las descargas atmosfricas son un fenmeno natural muy
comn, en el mundo se producen alrededor de 1000
tormentas cada da.
Lamentablemente este fenmeno natural representa un
potencial problema para las redes elctricas, principalmente
para las redes areas y a la intemperie que son las ms
afectadas, ya que se pueden generar sobretensiones quepodran provocar la falla del aislamiento de los equipos. En
una lnea de transmisin el flameo de la cadena de
aisladores no produce ningn dao, no as en los equipos de
la subestacin que podrn verse seriamente afectados.
Sobretensiones de Frente Rpido.
Descargas atmosfricas.
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En una subestacin la incidencia de una descarga atmosfrica podra
darse de dos maneras:
La primera es considerar la cada del rayo dentro del patio de la
subestacin afectando directamente a los equipos yLa segunda, que el rayo incida sobre la lnea de transmisin asociada
a la subestacin, en cuyo caso, se forman olas de sobretensin que
se propagan a travs de las lneas hasta alcanzar los equipos.
En la prctica, que una descarga atmosfrica incida dentro de la
subestacin es un evento muy poco probable, debido a que su rea
de exposicin es relativamente pequea, adems de tener el sistema
de apantallamiento. De aqu que, el estudio de descargas
atmosfricas se realizar ms bien con respecto a las descargas quealcancen las lneas.
esca gas at os cas
Sobretensiones de Frente Rpido.
Por lo general las descargas atmosfricas (rayos), tienen polaridad
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negativa y se caracterizan por tener una descarga piloto o principal
seguida de algunas descargas subsecuentes, todas a travs del mismo
canal plasmtico.
Sin embargo, aproximadamente un 10% de las descargas atmosfricas
son de polaridad inversa y se caracterizan por ser de mayor amplitud y
por lo tanto ms severas que las de polaridad negativa, tambin son de
frente un poco ms lento y no presentan descargas subsiguientes.
Si bien una caracterstica importante de una descarga atmosfrica es la
corriente, esta es de muy corta duracin, razn por la cual es de mayor
inters proteger a los equipos frente a las sobretensiones que se originan
antes que de la corriente en si misma.
Sobretensiones de Frente Rpido
Las ondas de tensin de prueba estandarizadas de
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Las ondas de tensin de prueba estandarizadas deimpulso tipo rayo tienen un frente de onda de entre
0.1 y 20s y un tiempo al valor medio de cola menor
a 300 s.
La amplitud se define como un valor mximo
asumido o mediante una distribucin deprobabilidad de los valores picos. La Figura muestra
la forma de onda tpica de una sobretensin de
frente rpido.
Sobretensiones de Frente Rpido.
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entre 0.1 y 20s
valor medio de cola < 300 s
Sobretensiones de Frente Rpido.
La amplitud de las sobretensiones de origen atmosfrico no
tiene ninguna relacin con la tensin de servicio, ya que porl l i d ll l d
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su naturaleza aleatoria puede llegar a ser muy elevada
respecto a la tensin nominal del sistema.
Sin embargo en sistemas con tensiones nominales
mayores a 345 kV debido a su alto nivel de aislamiento, las
sobretensiones atmosfricas no son determinantes, siendo
las sobretensiones ms relevantes las de maniobra.
Los efectos de las descargas atmosfricas, y por lo tanto
las sobretensiones de frente rpido dependen del lugar en
dnde cae el rayo respecto de la red. Es as que se puedenpresentar los siguientes eventos:
Sobretensiones de Frente Rpido.
Descargas atmosfricas directas.- una descarga de este
tipo ocurre cuando el rayo cae directamente sobre losd t d f d t d f ll d
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conductores de fase producto de una falla de
apantallamiento en la lnea.
Este tipo de incidencia produce altas sobretensiones debido
a que dos ondas viajeras de sobretensin se propagan en
sentidos contrarios a partir del punto de incidencia del rayo,
que luego al encontrar un punto de discontinuidad, como porejemplo un interruptor abierto, un transfomadoru otras
lneas, en parte se refleja retornando hacia el punto de
incidencia y en parte se transmite a travs de la
discontinuidad.
Sobretensiones de Frente Rpido.
Descargas atmosfricas directas En caso que la onda
que avanza por la lnea encuentre un transformador, sefl j t t l t d l l id d
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reflejar totalmente conservando la polaridad.
Esta onda reflejada al superponerse con la onda incidente
da como resultado una sobretensin del doble de magnitud.
La Figura ilustra una descarga atmosfrica directa.
Sobretensiones de Frente Rpido.
Flameo inverso.- ocurre cuando la descarga atmosfrica ha cado sobre el sistema
de apantallamiento (hilo de guarda o la torre) y la diferencia de potencial generadaentre la estructura y el conductor de fase supera el nivel de aislamiento de la
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cadena de aisladores, provocndose el flameo o disrupcin sobre la cadena. La
Figura ilustra el evento de un flameo inverso.
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Sobretensiones de Frente Rpido.
Descargas atmosfricas prximas a la lnea.-
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se refiere a las descargas atmosfricas a tierra en
las cercanas de una lnea y que generan
sobretensiones inducidas en ella. La Figura ilustra
este evento.
Sobretensiones de Frente Rpido.
Descargas atmosfricas prximas a la lnea.
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Las tensiones inducidas alcanzan valores de hasta
alrededor de 500 kV, por lo que son de inters
nicamente para sistemas cuyo nivel de
aislamiento sea inferior a la tensin inducida.
As, para sistemas 69 kV las tensiones inducidasno se consideran.
Sobretensiones de Frente Rpido
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Sobretensiones de Frente Rpido.
En general las sobretensiones
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En general, las sobretensiones
producidas por descargas
atmosfricas en la red de transmisinoriginan ondas de tensin que llegan
hasta los equipos de la subestacin ala cual estn conectadas, provocando
a su vez, sobretensiones en la
subestacin.
Sobretensiones de Frente Rpido.
La severidad de estas sobretensiones
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y su tasa de ocurrencia dependen de:
la amplitud y forma de onda de lasobretensin en la lnea vinculada, el
nmero de lneas conectadas, el
tamao y disposicin de la subestaciny el sistema de proteccin y
apantallamiento tanto de las lneascomo de la subestacin.
Sobretensiones de Frente Rpido.
Para subestaciones o equipos de unasubestacin sin proteccin de
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p
pararrayos el parmetro ms importante es la
amplitud de la sobretensin que llega a la
subestacin.
Dicha amplitud por lo general es demasiado
elevada como para ser considerada en la
coordinacin de aislamiento. Sin embargo, el uso
de pararrayos como elemento de proteccin es
casi siempre considerado.
Sobretensiones de Frente Rpido.
Para subestaciones protegidas por pararrayos se
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Para subestaciones protegidas por pararrayos, se
debe tomar en cuenta la pendiente de la onda de
sobretensin que llega desde la lnea y ladistancia de separacin entre el pararrayos y el
equipo a proteger.
Sobretensiones de Frente Rpido.
La pendiente de la onda de sobretensinque llega a la subestacin se reduce
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que llega a la subestacin se reduce
principalmente por el efecto corona en la
lnea.
Adems, si el rayo cae a cierta distancia de
la subestacin, se consigue tener un
sobrevoltaje de menor amplitud en ella.
Las sobretensiones atmosfricas en subestaciones sepueden evitar mediante el adecuado diseo de las lneas
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de transmisin conectadas a ellas.
Por ejemplo, para evitar descargas atmosfricas directassobre los conductores se debe realizar un diseo confiable
del apantallamiento de la lnea mediante hilos de guarda,
cuya funcin es interceptar a la descarga atmosfrica
directa y conducir la corriente del rayo a tierra a travs delas estructuras metlicas, dando como resultado que las
sobretensiones que ingresen a la subestacin sean menos
severas.
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Sobretensiones de Frente Rpido.
Mtodos anlogos a los anteriormente
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descritos para el blindaje de lneas
transmisin se pueden tambin utilizarpara el blindaje de subestaciones,
entre ellos el uso de conductores a
tierra areos (cables de guarda) y
mstiles metlicos.
Sobretensiones de Frente Rpido
OPERACIONES DE MANIOBRA
Estas sobretensiones de frente rpido ocurrenprincipalmente:
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principalmente:
1. al conectar o desconectar equipo ensubestaciones o,
2. por descargas disruptivas en el aislamiento
externo.
Esto a su vez provoca un fuerte estrs sobre elaislamiento interno cercano.
Sobretensiones de Frente Rpido
La forma de onda de las sobretensiones de
frente rpido por maniobra corresponde a la
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forma de onda normalizada del impulso tipo
rayo.
Su magnitud, depende de las caractersticas de
los equipos de corte y seccionamiento, y es enla mayora de los casos menor que la magnitud
de las sobretensiones de origen atmosfrico,
razn por la cual no se considera.
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Sobretensiones de Frente Rpido
La ocurrencia simultanea de sobretensiones de frente rpido
por maniobra en ms de una fase es altamente improbable,razn por la que, se asume que el mximo voltaje fase-fase es
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el valor del voltaje fase-tierra.
Para controlar las sobretensiones de frente rpido por maniobra,
1. Uso de descargadores de sobretensiones, se debe
seleccionar un adecuado equipo de corte y seccionamiento,como por ejemplo, interruptores libres de reignicin, con
corte en baja corriente y,
2. Con resistencias de apertura o cierre.
Sobretensiones de Frente Extra Rpido
Las sobretensiones de frente extra rpido se originan
principalmente por operaciones de maniobra o fallas ensubestaciones aisladas en gas (GIS), as como en
transformadores de subestaciones de media tensin con
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transformadores de subestaciones de media tensin con
conexiones cortas con los equipos de maniobra.
En GIS las sobretensiones de frente extra rpido se generan
debido a la propagacin no amortiguada de la onda de
sobretensin dentro de la subestacin.
Cuando la sobretensin abandona la GIS, su amplitud se
amortigua rpidamente y adems el tiempo de frente de onda
aumenta hasta corresponder al de una sobretensin de frente
rpido.
La forma de onda de este tipo de sobretensin se
caracteriza por el rpido incremento en su amplitud,
tanto as que el tiempo que tarda en alcanzar suvalor pico o frente de onda es incluso < 1 s.
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p
En operaciones de desconexin, subsiguiente alfrente de onda aparece una oscilacin con
f > 1 MHz.
El tiempo de duracin de estas sobretensiones es
por lo general, < 3ms.
La amplitud de la sobretensin depende tanto
de las caractersticas del equipo de maniobra
as como de la configuracin de la
subestacin
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subestacin.
Se puede asumir que es posible limitar su valor
hasta a 2.5 p.u. La Figura siguiente muestra la
forma de onda caracterstica de unasobretensin de frente extra rpido, dnde se
puede apreciar los criterios anteriormente
mencionados.
2.5 p.u =
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< 1 s
< 3ms
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Dado que las sobretensiones
de frente extra rpido ocurren
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principalmente en GIS, para
subestaciones exteriores o
aisladas en aire (AIS), no seconsideran.
RESUMEN DE SOBRETENSIONES
A continuacin se muestra un
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resumen de las caractersticas decada una de las sobretensiones
anteriormente analizadas.
RESUMEN DE SOBRETENSIONES
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* A especificar por el fabricante del producto.
Analizada la naturaleza y las
caractersticas de las sobretensiones
que pueden aparecer en una subestacin,
se definir:
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se definir:
1. Las caractersticas de los elementos
de proteccin y,
2. el nivel de aislamiento que los
elementos de la subestacin debern
tener ante cada una de ellas.
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Rango I: Comprende tensiones desde 1
kV hasta 245 kV incluido. A esterango pertenecen las redes de
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distribucin, subtransmisin y
transmisin en alta tensin.
Rango II: Tensiones superiores a 245 kV.Este rango se aplica en redes de
transmisin de extra alta tensin.
Diferentes aspectos
operacionales se aplican a cada
rango por ello en el estudio de
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rango, por ello en el estudio de
coordinacin de aislamiento se
deben tomar en cuenta criterios
inherentes a cada uno de ellospor separado.
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Fin parte 1
Gracias
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