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C.II: Sobrecorriente direccional de fase y tierra Curso: Introducción a los Sistemas de Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia IIE-Fing-UdelaR Facultad de Ingeniería - UDELAR

(IIE - UDELAR)

Curso: IPROSEP

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Indice

1

Consideraciones generales

2

Sobrecorriente direccional de fase

3

Sobrecorriente direccional de tierra

4

Elemento direccional de secuencia negativa

5

Sobrecorriente direccional de tierra para un sistema aislado

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Sobrecorriente direccional de fase y tierra

En general los sistemas de trasmisión de alta tensión, están interconectados por líneas de trasmisión. Las interconexiones de muchas líneas presentan nuevos requerimientos a la coordinación de los sistemas de protección, ya que por los dos extremos de la líneas hay fuentes de corriente de falta. Una de las funciones de protección que se consideran para los sistemas de protección de las líneas de trasmisión son las funciones sobrecorrientes direccionales.

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Sobrecorriente direccional de fase y tierra

Las funciones de sobrecorriente, instantáneas y temporizadas, utilizadas en las protecciones de sobrecorriente direccionales son las mismas empleadas en las protecciones de sobrecorriente no direccionales. Las protecciones direccionales solo operan para faltas en una sola dirección. La direccionalidad habilita a la protección operar solo para faltas dentro de la zona protegida, lo cual le permite ser ajustada más sensible.

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Elementos direccionales

P ORQUE

EMPLEAR ELEMENTOS DIRECCIONALES ?

Hay dos métodos que se utlizan para proporcionar la direccionalidad en las protecciones de sobrecorriente: Para determinar la dirección de la falta : Cuando se utilizan funciones de sobrecorriente en las líneas de trasmisión, se precisan de los elementos direccionales para determinar la dirección de la falta. Supervisar las funciones de distancia : Los elementos direccionales proporcionan seguridad a las funciones de distancia.

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Polarización: Para obtener la dirección de una falta, se compara el ángulo del fasor de una corriente de operación, que varía con la dirección de la falta, y el ángulo del fasor de otra señal del sistema que no depende de la ubicación de la falta. Esta señal se la conoce como señal o magnitud de polarización.

S EÑAL

O MAGNITUD DE POLARIZACIÓN

Para las funciones de fase: las magnitudes de polarización son las tensiones de fase o una combinación de ellas en donde está ubicada la protección. Para las funciones de tierra: las magnitudes de polarización pueden ser magnitudes de secuencia negativa o magnitudes de secuencia cero. Generalmente se aplican las magnitudes de secuencia negativa cuando el acoplamiento de secuencia cero no permite distinguir la dirección.

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Sobrecorriente direccional de fase y tierra

C ARACTERÍSTICA DIRECCIONAL :

DE OPERACIÓN DE UN ELEMENTO

El máximo torque, o mayor sensibilidad, se produce cuando el ángulo entre la corriente de operación y la señal o magnitud de polarización (generalmente se utiliza la tensión como señal o magnitud de polarización) es igual al ángulo característico, ángulo de máxima sensibilidad o máximo torque. Cuando el ángulo entre la corriente de operación y la magnitud de polarización es igual al ángulo característico, la corriente de operación es mínima.

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Sobrecorriente direccional de fase y tierra

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Sobrecorriente direccional de fase

Durante condiciones de carga normal en líneas radiales, los fasores de tensiones y corrientes están casi en fase (carga con alto consumo de potencia activa).

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Sobrecorriente direccional de fase

Para poder distinguir la dirección durante una falta se debe tener en cuenta que: - La tensión del sistema colapsa en el lugar de la falta. Por lo tanto para obtener la suficiente sensibilidad de la protección bajo condiciones de falta, la tensión de polarización no debe incluir las tensiones en falta. - El factor de potencia de una falta es bajo, la corriente esta atrasada casi 90◦ de la tensión. De todas las conexiones posibles para obtener una correcta discriminación de la dirección durante una falta, la conexión a 90◦ es la más usada.

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The reactance and resistance elements are nondirectional and require a separate directional Conexiones element to make a directional distance characteristic [1].

HASE DIRECTIONAL ELEMENT DESIGN Sonnemann [2] describes the popular 90° connected phase directional element. Table 1 lists the and polarizing quantities of these elements. Laoperating conexión más popular para los elementos direccionales de fase es la que se utiliza una señal de polarización en cuadratura o conectada a 90◦ . Table 1 Inputs to the 90° Connected Phase Directional Element Phase

Operating Quantity (IOP)

Polarizing Quantity (VPOL)

A

IA

VPOLA = VBC

B

IB

VPOLB = VCA

C

IC

VPOLC = VAB

The following equations represent the torque (TPHASE) calculations for each 90° connected phase directional element:

TA

VBC • I A • cos

VBC

IA

TB

VCA • I B • cos

VCA

IB

TC

VAB • I C • cos

VAB

IC

where: (IIE - UDELAR)

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Conexiones

Las siguientes ecuaciones representan el cálculo del torque (Tfase ) para cada elemento de fase: TA = |IA |cos(∠VBC − ∠IA ) TB = |IB |cos(∠VCA − ∠IB ) TC = |IC |cos(∠VAB − ∠IC )

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Positive-sequence voltages and currents Phase-Phase are the onlyFaults sequence-quantities present forFaults balanced Sequence Quantity Phase-Phase-Ground

faults. We can use these quantities to produce a single three-phase directional element and Otras conexiones V Yes replace the three separate 90° connected phase directional elements. UsingYes a balanced fault 1

V2supervise phase overcurrent Yes and distance elements does Yes require a separate directional element to directional element for V0 unbalanced faults. However, No the total number of phase Yes directional elements is reduced by one. I1

Yes

Yes

Otras señales deinputs operación y polarización queelement. se utilizan en Table 2 shows the to a positive-sequence directional I2 Yes Yes los relés numéricos: I0 No Yes Table 2 Inputs to a Positive-Sequence Directional Element

From Table 3, we see that only positive- and negative-sequence quantities are available for both Phase Operating Quantity (I1OPload ) quantities Polarizing Quantityelement (V1POL) unbalanced phase fault types. As positive-sequence mislead a directional for unbalanced faults, only negative-sequence quantities remain as viable inputs to an unbalanced 3V1 Three-Phase 3I1 • (1 ZL1) fault directional element. Table 4 shows the inputs to a traditional negative-sequence directional element, and (2) shows the

Equation (1) represents torque expression. the calculated positive-sequence directional element torque (T32P).

Otra alternativa para la conexión:

T32P4 =Inputs 3V1to •a Traditional 3I1 • cos[Negative-Sequence 3V1 – ( 3I1 + Directional ZL1)] Element Table

where:

Operating Quantity (IOP)

(1)

Polarizing Quantity (VPOL)

3V2 3I2 • (1 ZL1) current: 3I1 = (IA + a • IB + a2 • I–C). = Positive-sequence

3I1 3V1 = Positive-sequence voltage: 3V1 = (VA + a • VB + a2 • VC). a = 1 120T32Q . = 3V2 • 3I2 • cos[ – 3V2 – ( 3I2 + ZL1)] = Positive-sequence line angle. Zwhere: L1

(2)

2

=isNegative-sequence current:three-phase 3I2 = (IA + afaults • IB + and a • ICnegative ). 2 The sign of 3I T32P positive for forward for reverse three-phase – 3V2 = Negative-sequence voltage: – 3V2 = (VA + a2+VB + a • VC) • (1 180°). faults. As an additional security step, the magnitude of T32P should exceed a minimum threshold before the element considers thefaults directional decision valid.faults. This As requirement avoids erroneous T32Q is positive for forward and negative for reverse with the T32P element, the I2 from in (2), we magnitude of T32Q must exceedV a 1POL minimum Using V2 and directional decisions when either or threshold. I1OP is so small as to makeFigure their3angles unreliable. calculate T32Q (IIE - UDELAR)

= – 50.13 for Relay 2. TheCurso: negative sign of T32Q correctly indicates a reverse IPROSEP

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Sobrecorriente direccional de fase En la Figura se muestra un ángulo de desfasaje de 30◦ del fasor de la tensión de polarización y el ángulo de mayor sensibilidad corresponde a 90◦ − 30◦ = 60◦ .

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Sobrecorriente direccional de fase Aplicación: Se debe aplicar una protección direccional temporizada de fase si la máxima corriente de falta hacia atrás(4) o la máxima corriente de carga hacia atrás es superior a la mínima corriente de falta en (2) o la mínima corriente de falta en (3). En el primer caso es para cuando el relé protege solo la línea y en el segundo es el caso que actúa como respaldo del relé en H. Se debe aplicar una protección direccional instantánea de fase si la máxima corriente de falta hacia atrás (4) es superior a la máxima corriente de falta en (2).

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Sobrecorriente direccional de fase

Ajustes Para los ajustes de las corriente de operación para la función temporizada e instantánea, así como para la elección de la curva de operación, se aplican los mismos criterios que se aplican a las protecciones de sobrecorriente no direccionales de fase. ángulo característico: desfasaje que se aplica, conociendo la referencia de ángulos, a la tensión de polarización o la corriente de operación, para obtener la máxima sensibilidad. Depende de cada protección y es el resultado de los estudios de cortocircuitos en la línea a proteger. En caso de tener una conexión a 90◦ , una buena aproximación es: ϕajuste = 90◦ − ϕlnea

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Sobrecorriente direccional de tierra

P OLARIZACIÓN

POR TENSIÓN DE NEUTRO :

Para las faltas a tierra, la corriente de operación es la corriente de neutro (In = 3I0 ). La tensión de neutro (3V0 ) se puede usar como tensión de polarización, ya que siempre tiene la misma dirección independiente de la ubicación de la falta. Generalmente, se filtran los armónicos, por ej. 3◦ . Durante la operación normal del sistema de potencia, la tensión de neutro es 0.

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from the broken-delta secondary of grounded-wye voltage transformers (Fig. 12-9). Phase voltages are also required for the phase relays, instrumentation, etc. In such cases, either a double-secondary voltage transformer or device, or a set of auxiliary wyegrounded, broken-delta auxiliary transformers, can be used. The voltage across the broken delta, VXY, always equals 3 V0, or VAG plus VBG plus VCG.

Sobrecorriente direccional de tierra

cannot be used for polarizing (Fig. 1212-10c). The grounded wye of three wye-wye-delta banks can be used (Fig. 1 and g). The separate neutral currents of the three wye-delta-wye transformers cannot be used f izing, but current transformers in each g neutral must be parallel with inverse ratios, in Figures and 12-10g. t 0 12-10f A B If we assume C the high- and low-voltage sides connect to source, ground faults on the low-voltage side 10g) result in current flowing up the low neutral and down the high-voltage neutral. Co for faults on the high-voltage side (Fig. 12-10f flows up the high-voltage neutral and down voltage neutral. Hence, the reversal in eithe does not provide a reference. By paralleling neutral current transformers, however, IP alw in the same direction for faults on either side a per unit basis, the current flowing down the always less than the current flowing up t neutral. The actual current distribution wil determined by the zero sequence network. The tertiary or delta winding can also be polarizing source. If there are no external circ the delta, one current transformer connected i of the delta will provide I0. A current trans required in each of the three windings if th connected to external circuits, so that positiv negative sequence currents can exist during faults. These current transformers must be c in parallel to cancel out positive and negative and provide 3I0 only. Autotransformers should not be used fo polarizing without careful analysis because frequently unreliable as a reference. Autotran

Conexión de la señal de polarización: Tensión de neutro: 3V = V + V + V

Figure 12-9

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Zero sequence polarizing voltage source.

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displaced from the residual current A suitable quantity is the residual voltage of the system. This is of the source impedance. The residu If the the directional element of the earth voltage transformer or three single-phase units are connected in The residual current is phase offse broken delta, the voltage developed across its terminalsywill En el ejemplo se muestra la tensión de polarización labecorriente and hencede angle adjustment is requ the vector sum of the phase to ground voltages and hence the will lag the polarising voltage. The operación para una falta fase residual voltageAof a thetierra. system, as shown in Figure 9.19. also affects the Relay Characteris

vector sum of the individual voltages. Sobrecorriente the direccional de phase tierra secondary windings of a three-phase, five limb

A

following settings are usual:

B

! Resistance-earthed system: 0

C

! Distribution system, solidly-e

! Transmission system, solidly-

The different settings for distribution arise from the different X/R ratios fo I

>

9.17.3 Negative Sequence Curren

(a) Relay connections Va

Va

3Io Va2

Vc

Vb (b) Balanced system (zero residual volts)

Vc

3Vo

Vb

(c) Unbalanced system phase A to ground fault (3Vo residual volts)

Figure 9.19: Voltage polarised directional earth fault relay

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The primary star point of the VT must be earthed. However, a three-phase, three limb VT is not suitable, as there is no path for the residual magnetic flux.IPROSEP Curso:

The residual voltage at any poin insufficient to polarise a directio transformers available may not providing residual voltage. In thes sequence current can be used as th fault direction is determined by co sequence voltage with the negativ RCA must be set based on the an sequence source voltage.

9.18 EARTH FAULT PROTEC INSULATED NETWORKS

Occasionally, a power system is run earth. The advantage of this is tha 19 / 35

Sobrecorriente direccional de tierra

La siguiente ecuación representan el cálculo del torque (T0 ) para el elemento de tierra: T0 = |3I0 |cos(∠ − 3V0 − (∠3I0 + ∠ZL0 ))

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Sobrecorriente direccional de tierra: Ejemplos

C IRCUITO

BAJO ESTUDIO :

Se considera el sistema de potencia que se detalla en la siguiente figura, donde se estudian las magnitudes de operación (corriente de neutro) y la de polarización (tensión de nuetro) en el relé, para las faltas ubicadas en 1 y 2.

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Sobrecorriente direccional de tierra

Falta 2

Falta 1 Zn Relé Red de secuencia cero ZoL2 Falta 2 Io

ZoL1

ZoT

3Zn

Falta 1

+ Uo -

3ZnLoad

Caso de Falta 1. Falta fase-tierra en la línea protegida.

U o   I o ZoT  3Z n 

aterrado: (IIE - UDELAR)Sub-caso de sistema rígidamenteCurso: IPROSEP

Io

Io

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Sobrecorriente direccional de tierra

Caso de Falta 1.: Falta fase-tierra en la línea protegida. U0 = −I0 (Z0T + 3Zn ) Caso de sistema rígidamente aterrado: Zn = 0, Z0 = jX entonces U0 = −jX I0

Io

Io Uo

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-Uo

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Sobrecorriente direccional de tierra

Sub-caso de sistema aterrado con alta resistencia: Zn = R, Z0 ≈ jX , 3R  X entonces U0 ≈ −3RI0

Io

Uo

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-Uo

Io

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Sobrecorriente direccional de tierra

Caso de Falta 2.: Falta fase-tierra externa a la línea protegida. U0 = +I0 (Z0 L1 + 3ZnLoad ) Caso normal:

Uo

-Uo

Io

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Io

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Sobrecorriente direccional de tierra Aplicación Se aplican las mismas reglas que se aplican para la protección de sobrecorriente direccional de fase. Se debe aplicar una protección direccional temporizada de tierra si la máxima corriente de falta hacia atrás(4)es superior a la mínima corriente de falta en (2) o la mínima corriente de falta en (3). En el primer caso es para cuando el relé protege solo la línea y en el segundo es el caso que actúa como respaldo del relé en H. Se debe aplicar una protección direccional instantánea de tierra si la máxima corriente de falta hacia atrás (4) es superior a la máxima corriente de falta en (2).

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Sobrecorriente direccional de tierra Ajustes Para los ajustes de las corriente de operación para la función temporizada e instantánea, así como para la elección de la curva de operación, se aplican los mismos criterios que se aplican a las protecciones de sobrecorriente no direccionales de tierra. ángulo característico: desfasaje que se aplica a la tensión de polarización para obtener la máxima sensibilidad. Depende de cada protección y es el resultado de los estudios de cortocircuitos en la línea a proteger. Señal de polarización: Tensión de neutro (−3V0 ): sistema puesto a tierra mediante una resistencia: ϕajuste = 0◦ sistema de distribución: ϕajuste = −45◦ sistema de trasmisión: ϕajuste = −60◦

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Elemento direccional de secuencia negativa

P ORQUE UTILIZAR SEÑALES DE SECUENCIA NEGATIVA PARA LAS FUNCIONES DIRECCIONALES DE TIERRA ? Los elementos direccionales de secuencia negativa presentan ventajas frente a los elementos direccionales de secuencia cero: - Los elementos de secuencia negativa son insensibles a los acoplamientos mutuos de las líneas de trasmisión en paralelo. También es aplicable cuando la red de secuencia cero está aislada. - Si la fuente equivalente en secuencia cero detrás de la ubicación de relé es fuerte, entonces la tensión de secuencia negativa diponible en la ubicación del relé es mayor que la tensión de secuencia cero.

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Elemento direccional de secuencia negativa

Relación entre Z2 y la dirección de la falta: El elemento direccional de secuencia negativa utiliza la tensión de secuencia negativa, la cual es influenciada por la corriente de secuencia negativa I2 . El relé mide la corriente IS2 para faltas hacia adelante y mide IR2 para faltas hacia atrás. De las medidas de V2 y de I2 se puede calcular la impedancia de secuencia negativa. Falta hacia adelante: Z 2medida = Falta hacia atrás: Z 2medida =

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V2 −IR2

V2 IS2

= −ZS2

= +(ZL2 + ZR2 )

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Elemento direccional de secuencia negativa ES

ZS

URELE IRELE

ZR

ER

ZL Plano de Impedancia Z2 X2 ZR2+ZL2

Hacia atrás

X2=0

Hacia adelante

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ZS2

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Sobrecorriente direccional de tierra para un sistema aislado

Hay sistemas de potencia que operan aislados de tierra. La ventaja de este tipo de sistema es que una falta a tierra no ocasiona corriente de neutro, y el sistema se puede mantener en servicio. El sistema puede estar diseñado para soportar sobretensiones en régimen permanente, por lo cual generalmente se utiliza en sistema de baja o media tensión. La ausencia de corriente de neutro hace que la detección de una falta a tierra se vuelva más complicado.

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Sobrecorriente direccional de tierra para un sistema aislado

T ENSIÓN

DE NEUTRO

Cuando √ ocurre una falta a tierra, las tensiones de la fases sanas se elevan un factor 3 y las tres tensiones no suman cero. Por lo tanto, se puede utilizar un elemento de tensión de neutro para detectar la falta a tierra. Sin embargo, el método no proporciona discriminación, ya que todos las protecciones del sistema aislado van a detectar la falta.

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Sobrecorriente direccional de tierra para un sistema aislado

FALTAS

A TIERRA SENSIBLES

Este método se aplica generalmente en sistema de media tensión, y se basa en detectar los desbalance en las corrientes capacitivas de las fases.

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are required, as voltage is being measured. However, the requirements for the VTs as given in Section 9.17.1.1 apply.

Sobrecorriente direccional Grading de tierra para un sistema aislado is a problem with this method, since all relays in the affected section will see the fault. It may be possible to use definite-time grading, but in general, it is not possible to provide fully discriminative protection using this technique.

Figure 9.21: Phasor diagram for insulated system with fault

Use of Core Balance CTs is essential. With refer 9.21, the unbalance current on the healthy fe residual voltage by 90º

. The charging currents on these feeders will b normal value, as the phase-earth voltages hav amount. The magnitude of the residual curre three times the steady-state charging current p the residual currents on the healthy and faulted antiphase, use of a directional earth fault relay c discrimination required.

The polarising quantity used is the residual voltag this by 90o, the residual current seen by the faulted feeder lies within the ‘operate’ region of characteristic, while the residual currents on feeders lie within the ‘restrain’ region. Thus, the is 90o. The relay setting has to lie between times the per-phase charging current. Figure 9.20: Current distribution in an insulated system with a C phase–earth fault

9.18.2 Sensitive Earth Fault

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This method is principally applied to MV systems, as it relies on detection of the imbalance in the per-phase charging currents that occurs. Curso: IPROSEP

This may be calculated at the design stage, bu by means of tests on-site is usual. A single phas deliberately applied and the resulting currents no made easier in a modern digital or numeric measurement facilities provided. As noted earl of such a fault for a short period does no disruption to the network, or fault currents, bu 34 / 35

a single phase-earth phase-earth fault is present. The relays on the healthy feeders n fault detection. Two see the unbalance in charging currents for their own feeders. dethe tierra para unsees sistema aislado ays.Sobrecorriente direccional The relay in faulted feeder the charging currents in the rest of the system, with the current of its’ own feeders cancelled out. Figure 9.21 shows the phasor diagram.

urs, the healthy phase e three phase voltages o. Hence, a residual he fault. However, the scrimination, as the of the affected section method is that no CTs sured. However, the tion 9.17.1.1 apply.

, since all relays in the may be possible to use it is not possible to ing this technique.

Figure 9.21: Phasor diagram for insulated system with C phase-earth fault

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Use of Core Balance CTs is essential. With reference to Figure 9.21, the unbalance current on the healthy feeders lags the residual voltage by 90º Curso: IPROSEP

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