SISTEMAS DE PROTECCION DIFERENCIAL Y SISTEMAS DE COMUNICACIÓN DIGITAL, PARA OPERACIÓN CONFIABLE DE...

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&


2


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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


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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# ;


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&


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