Elementos de Las Centrales Hidroelectricas

8/16/2019 Elementos de Las Centrales Hidroelectricas

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ELEMENTOS DE LAS CENTRAL

HIDROELÉCTRICAS


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1-Equipamiento de

obra civil

2-Equipamiento

electromecánico


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1.1 ELEMENTOS DE RETENCIÓN Y ALMACENAJE DE AGU

Están formados por:

Embalse y presa

El embalse es un volumen

de agua estancada.Cuando es artificial, sueleestar cerrado en alguno desus puntos mediante unapresa.

La presa origina unaimportante elevación delnivel del agua embalsada

respecto del nivel original.


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PRESASSu misión es conseguir el salto de agua, desviar caudales

y/o almacenamiento de agua. La elección del tipo de presadepende de la configuración del valle y de lascaracterísticas mecánicas del terreno.

Clasificación por su forma de trabajo:

A) De gravedad

B) De contrafuertes

C) De arcoD) De bóveda

E) Combinaciones


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PRESAS DE GRAVEDAD

Las Presas de gravedad son todas aquellas en las que el peso propio de la presa es el que impide que esta deslice o vuelque.


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PRESAS DE CONTRAFUERTESDe contrafuerte : la pantalla vertical está sujeta concontrafuertes.

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PRESAS DE CONTRAFUERTES

SE REEMPLAZA LA

UTILIZACIÓN DE HORMIGÓNEN GRANDES MASAS POR UNCUERPO RESISTENTE MÁSLIVIANO INTEGRADO PORELEMENTOS ESTRUCTURALESTALES COMO COLUMNAS,LOSAS Y VIGAS.LAS PRESAS DEL TIPO

ALIGERADAS MÁS CONOCIDASSON LAS DE CONTRAFUERTES

VERTICALES


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PRESAS DE ARCO

•LAS PRESAS EN ARCO SON

ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN YPUEDEN SER DE CURVATURAHORIZONTAL O DE DOBLE CURVATCONOCIDAS COMO BÓVEDA OCÚPULAS.•TRANSMITEN EL EMPUJE DEL AGHACIA SU FUNDACIÓN Y SUS APOY

DENOMINADOS ESTRIBOS,APROVECHANDO SU FORMA DE"CÁSCARA“.•DEBIDO A QUE TRANSFIEREN ENFORMA MUY CONCENTRADA LAPRESIÓN DEL AGUA AL TERRENONATURAL, SE REQUIERE QUE ÉSTEDE ROCA MUY SANA YRESISTENTE


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ESFUERZOS SOBRE LAS PRESAS

Las presas se encuentran sometidas a tres tipos deesfuerzos:

‐ El empuje debido al agua y los sedimentos.‐ La depresión debida al paso del agua por debajo de la

presa, ya que el terreno no es impermeable.‐ El propio peso de la presa


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En este grupo se incluyen aquellos elementos que permitenextraer o evacuar el caudal de una presa, o incluso, enalgunas ocasiones, de un canal.

Se distinguen dos grandes grupos:

Desagües

Aliviaderos

1.2-ELEMENTOS DE EVACUACIÓNCONTROLADA DE CAUDALES


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DESAGÜES:

Están formados por tuberías que atraviesan la presa. Existendos tipos:‐ Desagüe de medio fondo‐ Desagüe de fondo:

En ambos casos, además de permitir controlar el volumen deagua evacuado de forma controlada, sirven como elementosde seguridad.

En algunos casos, en función de la fuerza del agua, disponende una válvula a la entrada, y en ocasiones de una válvula dedisipación de energía a la salida.


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ALIVIADEROS

También denominados vertederos, constituyen una disposiciónconstructiva, en forma de canal, que permite evacuar el caudalsobrante pasando por la coronación de la presa o del azud.


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ALIVIADEROS


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ALIVIADEROS


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1.3 ELEMENTOS DE CONDUCCIÓN DEL AGUAEste grupo incluye toda la infraestructura necesaria para

llevar el agua desde el punto de toma (en la presa o en elazud) hasta su devolución al cauce del río. Sus posiblescomponentes son:

• Obra de toma• Canal de derivación• Desarenador • Cámara de carga• Tubería forzada• Tubo de aspiración• Canal de restitución


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Se entiende por toma de agua, al área de la obra donde se recoge elagua requerida para el accionar de las turbinas.

La obra de toma es una estructura, situada en la presa o en el azud,destinado a desviar el caudal hacia el canal de derivación o hacia latubería. Las aberturas, por donde ingresa el agua, estánresguardadas por rejillas. La limpieza de estas últimas se realiza através de un medio mecánico o manual consistente en un rastrillo,denominado raedera o mano de hierro .

El agua debe pasar por la obra de toma con la mínima pérdida decarga posible y debe permitir el paso de todo el caudal que requierala central, independiente de si el río es de régimen tranquilo oturbulento.

Cuando la obra de toma alimenta directamente una tubería en

presión, esta coincide con lo que se denomina cámara de carga.

OBRA DE TOMA


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OBRA DE TOMA


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Tiene como finalidad fundamental generar energía de posición,derivando el agua represada por un canal de menor pendienteque la del cauce natural. Un problema que se ha de resolver esfijar la pendiente del canal, que resulta ser una cuestión casiexclusivamente económica.

CANAL DE DERIVACIÓN


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DESARENADOR

Función:

Sedimentar las partículas sólidas que lleva el agua ensuspensión dentro del cana l.


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DEPÓSITO DE CARGA

Se ubican en el extremo del canal de derivación, consistengeneralmente en un simple ensanchamiento del canal dederivación. Al tener como misión la regulación a corto plazodel caudal requerido por las turbinas su volumen depende dela longitud del canal de derivación y del poder de respuestadel embalse a las irregularidades de consumo de las turbinas.


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Conduce el agua desde la cámara de carga a las turbinas; en ella seefectúa el salto transformándose la energía potencial en energía de

presión y de velocidad. La velocidad puede llegar a ser del orden de5 m/s y superior, aunque no es conveniente que alcance valoreselevados.El material empleado en su construcción es variado: fundición,chapa, palastro de acero, palastro de hierro, hormigón armado, etc.

Las más utilizadas actualmente son las de palastro de acero, porqueresisten mejor las grandes presiones a que están sometidas.

TUBERÍA FORZADA.


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Tubería forzada.

Debe aguantar la presión de la alturadel agua y laseventuales

presionesderivadas de los

golpes de ariete(pueden ser 4veces superiores alas debidas a laaltura).


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En su cálculo influyen poderosamente los aspectos económicos, ya que sise utiliza un diámetro pequeño, la tubería forzada resulta menos costosa,

pero, tiene mayor pérdida de carga, que reduce el salto neto y por tanto laenergía producida; sin embargo si se elige un diámetro mayor, el costoinicial será más elevado pero el salto neto será superior y por lo tanto laenergía obtenida en la central.

Determinación del diámetro de la Tubería forzada.

El diámetro más

económico es el que hacemínima la suma de laspérdidas de beneficios pordisminución del salto y laamortización e interesesdel capital


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Golpe de ariete:

En la parte final de la tubería forzada, justo antes de la turbina, seválvula de cierre que hace las funciones de válvula de seguridad. necesidad de funcionamiento esta válvula se cierra de forma brusproducirán unas ondas de presión en la tubería, fenómeno denomide ariete.

Al cerrarse bruscamente la válvula, toda el agua que hay en la tubdetiene e forma inmediata, sino que sigue fluyendo hacia su interiproduciéndose una compresión del agua y generando una sobreprtubería y en la válvula. Esta sobrepresión produce un ligero ensande la tubería, ya que esta es elástica.

Para evitar el golpe de ariete, hay dos soluciones:‐ Cerrar la válvula lentamente

‐ Desviar el agua


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Chimenea de equilibrio.Las variaciones de la demanda de potencia de una central, lleva consigo que entreen funcionamiento el regulador de la turbina, con el fin de variar el caudal queaccede a ella. La gran inercia de la masa líquida hace que esta no se adapte tan

rápidamente como el regulador, pidiéndose producir sobrepresiones debidas algolpe de ariete. La chimenea de equilibrio, situada generalmente al final de lagalería de presión y antes de la entrada en la tubería forzada, tiene la misión deatenuar las oscilaciones de la masa líquida, y atenuar las consecuencias del golpede ariete


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CHIMENEA DEEQUILIBRIO:

TUBERÍAFORZADA

CHIMENEA DEEQUILIBRIO


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TUBERIA FORZADA Y CHIMENEA DE EQUILIBRIO


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TUBO DE ASPIRACIÓN O DESCARGA

Es la tubería por la que sale el agua de la turbina, llevándolahasta el canal de desagüe.

En el caso de las turbinas de acción, no interviene en elproceso de transformación energética, por lo que únicamentese encargan de evacuar el agua que cae, prácticamente sinenergía, desde los cangilones de la turbina.

Sin embargo, en el caso de las turbinas de reacción, el tubo

de aspiración tiene un papel muy importante en latransformación de la energía del agua. Por este motivo sudiseño es impuesto por la casa suministradora de la turbina.


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José Agüera Soriano 201133

tubos de descarga


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José Agüera Soriano 201134

tubos de descarga

Ó


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CANAL DE RESTITUCIÓN

Es el canal que devuelve el agua, una vez ha sido turbinada,al cauce del río. En algunas presas, también se dispone de uncanal que devuelve el agua evacuada por el aliviadero haciael cauce del río.

1 4 EDIFICIO DE LA CENTRAL O CASA DE MAQUIN


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1.4 EDIFICIO DE LA CENTRAL O CASA DE MAQUINEs el edificio en el que se instalan los principales elementos del eelectromecánico de la central, tales como la turbina, el generador,

sistemas de regulación y control, la sala de mando y otros. Fuera dsuele quedar únicamente el parque de transformación.La configuración física del edificio depende del tipo y número de utilizar y del tamaño de las mismas


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CASA DE MÁQUINAS


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EDIFICIO DE LA CENTRAL O CASA DE MAQUINAS

En las instalaciones de eje vertical la estructura de la centralsuele dividirse verticalmente en tres niveles, de abajo haciaarriba.

a).Nivel de tubos de

aspiración, pozos o galeríade desagüe

b).Nivel de turbina y final detubería forzada

c).Nivel de generadores

E l i t l i d j h i t l lógi t l b


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En las instalaciones de eje horizontal lógicamente las zonas b yc, están al mismo nivel.

La zona a, junto con la cimentación de la maquinaria,componen lo que se llama infraestructura y la zona b y c, lasuperestructura consta en primer lugar de la sala de máquinas,de la sala de reparaciones y de las restantes instalaciones yoficinas de la central.


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Tipos de casas de máquinas

Se puede distinguir dos:

A) Edificios de exterior

Totalmente cubiertasCentrales semi-intemperieCentrales intemperie

B) Edificios subterráneos



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Totalmente cubiertas: se distinguen sobre todo por que

albergan en su interior el puente grúa para manejar el equipopesado.

C t l i i t i


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Centrales semi-intemperieEl techo de estas casas está construido a una altura tal, que por encima delequipo de generadores que da muy poco espacio para colocar un puentegrúa; por este motivo, el puente grúa se sustituye por una grúa pórticoexterior. Unas cubiertas removibles, colocadas arriba de los gruposturbogeneradores posibilitan su desmontaje.


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Centrales intemperieCarecen de techo, por lo que cada va protegido por unaenvolvente metálica que se debe retirar cada vez que el grupogenerador se quiera manipular y reparar.


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Centrales subterráneas


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Centrales subterráneasEstán excavadas en la montaña de roca, las causas que puedenconducir a este tipo de construcción de la casa de maquinas son:

La abrupta orografía del terreno donde se construye la casa demaquinas

La economía al perforar en la roca para construir La mayor protección contra ataques aéreosLa roca extraída en la excavación puede servir en el proceso de

construcción.


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2 EQUIPAMIENTO ELECTROMECÁNICO


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Está formado por lo elementos que intervienen en latransformación energética de la energía cinética y potencial

del agua en energía eléctrica, así como por los dispositivos decontrol necesarios, tanto mecánicos como eléctricos:

2.-EQUIPAMIENTO ELECTROMECÁNICO

2.1-EQUIPAMIENTO MECANICO

2.1.1-Rejas y limpiarrejas A la entrada de las conducciones de agua deben instalarseunas rejas para impedir la entrada de cuerpos sólidos. Eltamaño de los barrotes de la reja y el espacio entre ellos (luz)depende de su ubicación y del tipo de salto.En el caso de la reja a instalar en la obra de toma, cuandoesta está ubicada en el cauce de un río, debe serespecialmente robusta, sobre todo si se prevén heladas,troncos, grandes animales o similares.


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La reja es entonces de barrotes gruesos, de forma rectangularcon separaciones de entre 30 y 50 cm.

A la entrada de la tubería, en la cámara de carga, dado que seencuentra directamente en el recorrido del agua hacia laturbina, la reja genera una pérdida de carga que no suele serdespreciable, por lo que su diseño debe ser cuidado.La pérdida que se puede admitir en una central con un saltode 100 m no es la misma que la admisible en un salto de 5 m;así mismo, el efecto de un cuerpo sólido sobre la turbina delprimer caso es más dañino que en el segundo caso, por lo quela reja no puede ser la misma.En el diseño de la reja, además de la separación entrebarrotes debe considerarse la forma de estos, puesto que lapérdida que introducen depende también de este aspecto.


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Limpiarrejas

Para evitar la colmatación de la reja conviene hacer unalimpieza frecuente de los objetos que quedan detenidos.Si la central es de muy poca potencia y es vigilada, lo mássencillo y barato es limpiarla manualmente con un rastrillo.En el resto de los casos es preferible la instalación de unlimpiarrejas automático.El limpiarrejas es también un rastrillo, de mayor o menortamaño según el modelo elegido, que es arrastrado, medianteun mecanismo, por la superficie de la reja volcando la

suciedad acumulada en una pequeña canaleta ubicada en laparte superior de la cámara de carga.Una vez en la canaleta, se inyecta un chorro de agua apresión que limpia la reja empujando la suciedad a unrecipiente situado en el lateral.

2 1 2 ELEMENTOS DE APERTURA Y CIERRE DEL PASO


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2.1.2- ELEMENTOS DE APERTURA Y CIERRE DEL PASODE AGUA

Son elementos ubicados en las diferentes conducciones deagua que permiten o impiden su paso. Existen tres tipos:

- Compuertas

Se instalan en conducciones de agua, tanto canales comotuberías. Pueden colocarse a la entrada de la obra de toma, ala entrada del canal, a la entrada de la cámara decarga, en los aliviaderos, en desagües de fondo y mediofondo…Pueden abrir, cerrar e incluso regular el paso del aguamediante aperturas parciales.


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En función de su movimiento se clasifican en:

‐ Compuertas de movimiento vertical: generalmente estánformados por una o varias tablas de madera o de acerolaminado, situadas de forma perpendicular al sentido decirculación de la corriente, que se abren desplazándoseverticalmente hacia arriba. Están encajadas en los laterales,en unas ranuras que aseguran la estanqueidad a la vez quepermiten su movimiento.

Según sea el mecanismo de movimiento respecto de las

guías laterales, se distinguen diversos tipos de compuertasverticales:Compuerta deslizante Compuerta vagónCompuerta Stoney Compuerta de oruga


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Compuertas de movimiento vertical

‐ Compuertas de movimiento circular: son compuertas que


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‐ Compuertas de movimiento circular: son compuertas quegiran alrededor de un eje horizontal o vertical. Se utilizansobre todo en los aliviaderos de las presas.

Pueden ser de:-Segmento-Sector-Claveta


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• Válvulas

Son los elementos de apertura o cierre al paso del agua

utilizados en las tuberías.Las válvulas se usan por lo general en posición totalmenteabierta o cerrada, puesto que en posiciones intermediasproducen grandes pérdidas de carga debido a lasturbulencias que generan. En ocasiones se utilizan comosistema para regular el caudal.

Se pueden distinguir cuatro tipos:‐ Válvula de compuerta ‐ Válvula de mariposa‐ Válvula esférica ‐ Válvula de chorro hueco

.Ataguías


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.AtaguíasLas ataguías son compuertas deslizantes de movimientovertical, que no tienen la capacidad de abrir o cerrar cuando elagua está en movimiento. Su accionamiento debe realizarsesiempre con el agua parada. Se utilizan para poder acceder aotros elementos con el fin de realizar el mantenimientoadecuado.Por ejemplo, para realizar el mantenimiento de la compuerta de

entrada a un canal, puede vaciarse el canal, pero el agua sigueestando aguas arriba de la compuerta y, por lo tanto, no puedeabrirse ni realizarse el mantenimiento en esa parte. La soluciónconsiste en colocar una ataguía aguas arriba de la compuerta

del canal: como el agua está quieta, puede cerrarse, vaciar eltramo entre esta y la compuerta y realizar el mantenimientonecesario.Otro punto típico para la instalación de ataguías es a la salidadel tubo de aspiración, para poder acceder al interior de laturbina.

2 1 3 TURBINAS


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Para la producción de energía hidroeléctrica es fundamental laexistencia de un elemento que se encargue de transformar laenergía cinética y potencial del agua en energía mecánica derotación, que luego se utiliza para mover el generador eléctrico: este elemento es la turbina hidráulica.

Los aprovechamientos hidroeléctricos se caracterizan por sucaudal y su altura de salto.

En la actualidad existen diferentes tipos de turbinas hidráulicascuyo funcionamiento se adapta a las características de losdiversos aprovechamientos hidroeléctricos. Estos tipos deturbinas son: Pelton, Banki-Michel, Turgo, Francis,Hélice yKaplan, Semikaplan o Deriaz, Bulbo, etc…

2.1.3- TURBINAS

L bi hid á li f b i l


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Las turbinas hidráulicas que se fabrican actualmente sepueden clasificar en:

‐ Turbinas de acción: son aquellas en las que para impulsar elrodete sólo se aprovecha la velocidad del fluido, por lo quepreviamente se debe transformar toda la energía de presióndel flujo en energía cinética.

Los principales tipos de turbinas de acción que se construyenen la actualidad son:

‐ Turbinas Pelton‐ Turbinas Banki-Michel‐ Turbinas Turgo


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-Turbinas de reacción: además de aprovechar la energía cinética delfluido, absorben en el rodete la energía de presión del mismo.

En cuanto a las turbinas de reacción, las más importantes son:‐ Turbinas Francis‐ Turbinas Kaplan en sus distintas variantes: Kaplan, Semikaplan yhélice.‐ Turbinas Deriaz, un tipo de turbina intermedio entre las Francis ylas Kaplan

Actualmente de todas estas turbinas, las másutilizadas son las Pelton, las Francis y las Kaplan.


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2.2 EQUIPAMIENTO ELECTRICO2.2.1- EQUIPO ELÉCTRICO DE POTENCIA

Este equipo está formado por los elementos necesarios para,una vez obtenida la energía eléctrica en bornes delgenerador, poder entregarla en el lugar exigido con las

características adecuadas:• Generador:

El generador tiene como misión transformar en energía

eléctrica la energía mecánica suministrada por la turbina. Enfunción de la red que debe alimentar, se puede escoger entregeneradores síncronos o asíncronos.

f d d


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• Transformador de potencia

Los transformadores son máquinas eléctricas estáticas formadas por

dos devanados eléctricos (por cada fase) arrollados sobre un mismonúcleo ferromagnético. Uno de los arrollamientos, llamado primario,recibe energía eléctrica con unos determinados valores de tensión eintensidad (V1, I1). Esta energía es convertida en energía magnética,que Posteriormente vuelve a transformarse en energía eléctrica,con unos valores de tensión y corriente (V2, I2) distintos, en elsegundo devanado, llamado secundario.

• Interruptores automáticos

• Seccionadores

. Elementos de mando y protección


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. Elementos de mando y protección- Elementos de control: incluyen los principales elementos

necesarios para el control de la turbina y el generador.

- Elementos de protección: estos elementos tiene como funciónla de proteger algún elemento de la central o la central comoconjunto.•

Servicios auxiliares

Los servicios auxiliares de una central hidroeléctrica estánconstituidos fundamentalmente por los elementos que, sin intervenirdirectamente en la producción de energía eléctrica, son necesarios eincluso indispensables en este proceso, junto con sus fuentes dealimentación y los sistemas de distribución asociados, tanto encorriente alterna como en corriente continua

• Línea eléctrica

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