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TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCINAREOS Y SUBTERRNEOS
EQUIPO DE TRABAJO
Por Gestin de Gente / Innovacin y DesarrolloIng. Fanny Rodrguez Gerente Gestin de Gente
MSc. Hicela Pez de Del Campo - Consultor
Faci l i tador:
Ing. Luis Felipe Morillo
Julio 2008
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Transformadores de Distribucin
Transformador. Concepto:
El transformador es el aparato utilizado para realizar los cambios de tensin,
se encarga de transferir la energa elctrica de un circuito a una cierta tensin a
otro circuito de tensin diferente por medio de un campo magntico que llega a
ambos circuitos, sin alterar su frecuencia.
Partes que constituyen un Transformador:
a) Un Ncleo comn: formado por laminas de material ferromagntico
(acero al Silicio) aisladas entre s para reducir las corrientes parasitas ode Focault.
b) Dos (2) o ms bobinas aisladas entre s y con respecto al ncleo. Estas
bobinas se dividen el caso ms sencillo en:
Bobina primaria: es la que recibe la energa elctrica.
Bobina Secundaria: es la que entrega la Energa Elctrica.Dichas bobinas pueden ser altas o de baja tensin.
Esquema de un Transformador
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Clasificacin de los Transformadores segn su construccin:
Los transformadores se dividen en dos (2) tipos generales:
Tipo Ncleo (Core Type).
Tipo Acorazado (Shell Type).
Estos tipos difieren en la disposicin del hierro y del cobre, uno respecto a
otro.
Adems de la clasificacin anterior existe el transformador de ncleo arrollado
y el de ncleo distribuido.
En el Transformador tipo ncleo, el devanado o cobre, rodea el ncleo de
hierro. El bobinado primario y el secundario se colocan sobre una misma rama loms cercano posible a fin de reducir al mnimo la dispersin del flujo.
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Transformadores (a) Tipo Ncleo con Ncleo Apilado (b) Tipo Acorazado con
Ncleo Apilado (c) Tipo Ncleo con Ncleo Enrollado (d) Tipo Acorazado con
Ncleo Enrollado.
En el transformador tipo acorazado, el hierro rodea al cobre. En este tipo las
bobinas pueden ser en forma de disco y concntricas, siendo estas ltimas las
ms usadas para tensiones elevadas.
A continuacin se muestran los transformadores tipo ncleo y tipo
acorazado:
TIPO NCLEO TIPO ACORAZADO
Principios de Funcionamiento de un Transformador:
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El transformador se basa en el principio de que la energa se puede
transportar eficazmente por induccin magntica desde un juego de bobinas a
otro, por medio de un flujo magntico variable, si ambos juegos de bobinas estn
en el mismo circuito. Las f.e.m se inducen por una variacin del flujo que atraviesa
un circuito.
Consideremos un transformador con el secundario en circuito abierto
como se muestra en la figura.
Una red de C.A. proporciona el arrollamiento primario una corriente Io, que
varia sensoidalmente con el tiempo, esta corriente es de valor bajo y ser menos
en cuanto mejor sea la calidad magntica de lminas del ncleo, pues menor ser
la f.m.m. querida para establecer un flujo determinado, que tambin es variable
con el tiempo. A la corriente Io se le denomina corriente de vaco o corriente de
excitacin del transformador, tambin se le llama corriente magnetizante.
La corriente Io de excitacin establece un flujo o, el cual induce tensiones
tanto en el devanado primario como en el secundario, de la misma frecuencia que
la del flujo. En el primario la tensin inducida es opuesta a la aplicada, es decir,
tiende a impedir que entre la corriente, por tal razn se le denomina Fuerza
Centroelectromotriz (f.c.e.m.) del primario y se designa con E1.
La corriente Io realiza dos funciones: Una componente Im que est retrasada
90 respecto a la f.e.m. E1 y crea el flujo neutro que debe estar en fase con ella.
Como el flujo es alterno, deber haber prdidas por histresis y por corrientes de
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Foucoult en el ncleo del hierro, por lo tanto deber existir una corriente I fe que
suministre la energa en estas perdidas.
Como tales prdidas en el ncleo son pequeas, el primario trabajando en
vaco constituye una gran impedancia inductiva Luego la corriente en vaco estar
retrasada a la tensin en bornes un ngulo muy grande de o, comprendido entre
84 y 87 y el f.p. estar comprendido entre 10 y5%.
Entonces bajo condiciones de vaco (secundario abierto), se pueden suponer
despreciables las cadas de tensin en el primario, ya que Io es muy pequea
(del orden 3% de la corriente normal). Y en consecuencia la tensin aplicada a
los bornes del primario es aproximadamente igual a f.c.e.m. del mismo, as:
V1 E1 (Relacin valida para Vaco).
Por otra parte el flujo variable o induce en el secundario una tensin E2 cuya
magnitud depende del nmero de esporas del derivado secundario y puesto que la
corriente es cero en este circuito, por estar abierto, dicha tensin inducida ser
igual a la tensin en bornes del derivado correspondiente, luego:
V2 E2 (Relacin valida para Vaco).
Transformador con Carga en el Lado Secundario del Transformador
Si el devanado secundario se le conecta una carga cualquiera cerrando elcircuito secundario; en consecuencia circular una corriente I2 que segn la Ley
Luz tiende a oponerse a la causa que la produce, por lo tanto crea un flujo que se
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opone al producido por el primario, con ello reduce la f.c.e.m. del primario E1, por
lo tanto existir una mayor diferencia entre V1 y E1, incrementndose por ello la
corriente en el primario hasta I1 hasta un valor tal que restablezca el equilibrio,
quedndose el flujo en su valor inicial.
En conclusin: el efecto inmediato de una carga secundaria, es aumentar la
corriente primaria hasta un valor tal que contrarreste el efecto magntico de la
corriente secundaria.
Fig. Transformador con carga en el secundario
Se ha comprobado que la f.e.m. inducida en un transformador es proporcional
a tres factores: flujo, frecuencia y nmero de espiras. As:
E1 = 4Kf. mx. f. N1 (en el primario).
E2 = 4Kf. mx. f. N2 (en el secundario).
Kf = factor de forma, el cual tendr un valor 1,11 si la onda de f.e.m. son
sinusoidales.
Entonces: E1 = 4x 1.11. mx. f. N1
E2 = 4x 1.11. mx. f. N2
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Luego: 1 1 1
2 2 2
E 4 x 1.11 Mx. f. N N
E 4 x 1.11 Mx. f. N N
1 1
2 2
E N
E N
Condiciones Bajo Carga
Como se ha visto la accin de la corriente secundaria, sobre el circuito
primario, es producir en ste un aumento de corriente de tal magnitud que anule el
efecto magntico de aquella y as tratar de mantener constante el flujo mutuo
sobre el margen de trabajo del transformador, en este caso, se puede decir, que la
corriente primaria se ajusta a la carga del secundario. Lo anterior equivale a decir
que la corriente I2 produce una f.m.m. que es contrarrestada por una f.m.m.
producida en el primario igual al anterior, pero opuesta. Es decir, si el flujo no
varia, el nmero de Amperios Vuelta netos que actan sobre el ncleo no vara
tampoco. El efecto N2I2 es reducir el flujo y el efecto N1I1, es aumentar el flujo.
Lo anteriores puede resumir en la relacin siguiente:
K2 N2 I2 = K1 N1 I1
Donde; K2 K1 = Coeficiente constante menor a la unidad tomando en cuenta el
flujo disperso.
I1 = Es la corriente adicional del primario para contrarrestar la accin de I2
recibe el nombre de corriente primaria de carga.
De la relacin anterior se obtiene:
2 21
2 1 1
K NI
I K N
La corriente primario es:
1 1 0I I I
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Nota: La corriente de excitacin Io cuando Tx del circuito est abierto, es algo
diferente que cuando est con carga, pero en la prctica se pueden considerar
iguales, si se desprecian las cadas de tensin.
As: IoCto Abieto IoCarga
Consideraciones para el estudio de los transformadores
1. La corriente de vaco Io generalmente es muy pequea con respecto a la
corriente primaria con carga 1 1I I , Entonces2 21
2 1 1
K NI
I K N.
2. Se dijo que para condiciones de vaco (circuito abierto) se cumple:
V1 E1 y V2 E2 . Se puede decir que: 1 12 2
V NV N
Rendimiento de un Transformador
Salida
Salida Prdidas
Pn x 100
P
PSalida = V2 I2Cos 2
Cos 2 = Factor de potencia de la carga.
El rendimiento se determina por dos mtodos: el indirecto y el directo.El indirecto consiste en medir la potencia de salida y las perdidas y aplicar las
formulas.
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El directo consiste en medir la potencia de salida y la potencia de entrada y
obtener la relacin Salida
Entrada
Pn
P
(este ltimo muy inexacto).
Se puede decir, en general, que cuando el rendimiento de una maquina es
elevado (Tx 98%), no se aplica el mtodo directo sino el indirecto para calcular el
rendimiento.
Perdidas en un Transformador
En los transformadores hay dos clases de perdidas de energa: perdidas en el
hierro (perdidas en el ncleo) y perdidas en las bobinas. As se tiene
Perdidas del hierro a) Prdidas por Histresis.
(Pfe) b) Prdidas por corriente de Foucault.
Prdidas del cobre a) En el devanado primario.
(Pcu) b) En el devanado secundario.
Formulas:
2H m HPh K .B . f . G
Ph = Perdidas por Histresis.
Kh = Coeficiente de Histresis.
Bm = Induccin Mxima.
f = Frecuencia.
GH = Peso del Material
Pf= KF .2
mB .f2 .T2 . V
Pf= Perdidas por Foucoult.Kf= Coeficiente Foucoult.
Bm = Induccin Mxima.
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f = Frecuencia.
T = espesor de la lamina.
V = volumen del material magntico.
Perdidas en el Cobre
Son las prdidas debidas al efecto joule en los devanados primarios y
secundarios.
21 1 1Pcu I R
22 2 2Pcu I R
Pcu1 = Perdida del cobre en el devanado primario.
Pcu2 = Perdida del cobre en el devanado secundario.
I1 ; I2 = Corriente en el primario y secundario respectivamente.
R1 ; R2 = Resistencia en el primario y secundario respectivamente.
Ensayos para la determinacin de las prdidas
a) Ensayo en vaco.
El ensayo vaco se efecta de acuerdo a las conexiones indicadas aplicando
una tensin normal y con circuito abierto en el secundario.
Con este ensayo se obtiene las perdidas del hierro y reciben el nombre de
perdidas fijas, por lo tanto se consideran constantes para cualquier carga si latensin aplicada permanece constante.
Wo Pfe
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b) Ensayo en Cortocircuito.
Tomando como primaria el lado A.T. y aplicando una tensin reducida, con el
fin de limitar la corriente de de cortocircuito a un valor que por lo general es el
nominal. Las perdidas del cobre se denominan perdidas variables, pues dependen
del valor de la corriente del ensayo. Con este ensayo se obtiene:
Wcc = Pcu1 + Pcu2
Wcc = 2 21 1 2 2I R I R
Luego: Wcc = 2ccI Re
Donde: Re = cc2cc
W
I(resistencia equivalente del Tx)
Si el secundario esta en cortocircuito:
Vcc = Icc Ze
CC
CC
VZeI
2 2
eX Ze Re (reactancia equivalente del Tx)
Clasificacin de los Transformadores de distribucin.
Como hemos mencionado anteriormente los transformadores de distribucin
son maquinas elctricas que tienen como funcin principal transformar la energa
elctrica recibida en alto voltaje a voltaje de servicio (120/480); 120/208 volt).
Pueden ser monofsicos o trifsicos.
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Los transformadores de distribucin en nuestros sistemas estn clasificados en
tipo areo y tipo subterrneos.
a) Tipos Areos: Son los transformadores que generalmente estan
montados en postes estructuras siendo las capacidades normalizadas
las siguientes:
KVA
Voltajes en
Baja tensin
120/240 voltios
240/480
Transformador Monofsicode Distribucin
10
15
25
37.5
50
75
100
167
250
333
b) Tipos Subterrneos: Son los transformadores que estn montados en
una base de concreto (Pad Monted) y pueden ser monofsicos o
trifsicos.
A diferencia de los tipos postes estos transformadores son autoprotegidos, es
decir, son fusibles expulsin y fusibles limitadores de corriente.
Las capacidades normalizadas son:
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Monofsicos Trifsicos
KVA37.5
50
75
100 Voltaje BT
167 120/240 Voltios.
KVA150 75
300 225
500
750 Voltaje BT
120/208 Voltios
Slidamente aterrado
conexin.
Transfromador Monofsico de Distribucin tipo
Pad Mounted (Pedestal) pare 13.8 Kv.
Componentes de los Transformadores de distribucin:
En la figura siguiente se muestran los componentes constructivos de un
transformador de distribucin tipo poste:
Es hacer notar que las definiciones de cada componente de los
transformadores tanto areos como subterrneos se encuentran en forma anexo a
esta seccin.
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Detalles Constructivos
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Placa Caracterstica
Grficas de Placa caracterstica de un transformador de distribucin.
Todos los Txs de distribucin deben poseer una placa caracterstica, lo cual
identifica los detalles del uso para su instalacin tanto individual como en equipo
en la red de distribucin, a continuacin se muestran dos (2) placas
caractersticas, uno de teca y otro de Prolec empresas fabricantes de tXs de
distribucin.
Placa Caracterstica de la Empresa Teca.
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Placa Caracterstica de la Empresa Prolec
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Vista de un Tx Monofsico Tipo Pad Mounted Monofsico.
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Vista de Transformadores Trifsicos tipo Pad Mounted. Radiales y en
Anillo.
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Transformador Trifsico. Tipo Pad Mounted.
Disposicin de los Aisladores y Conexiones de A.T. y B.T. en el
Transformador Monofsico.
Designacin de los terminales de los transformadores Monofsicos y
Trifsicos.
De acuerdo a las normas venezolanas, el Terminal de alta tensin marcado H1,
es el de la derecha, visto el transformador desde el lado de alta tensin y los
dems terminales H siguen un orden numrico de derecho a izquierda.
El Terminal Ho de los transformadores trifsicos, si existe est situado a la
derecha de H1. Visto el transformador desde el lado de alta tensin.
En los Txs monofsicos, el Terminal de baja tensin X, esta situado a laderecha, visto el Tx desde el lado de baja tensin si el Tx es de polaridad aditiva
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(x1 queda diagonalmente opuesto a H!) a la izquierda, si el Tx es de polaridad
Substantiva (H1 y X1 son adyacentes).
En los Txs trifsicos, el Terminal X1 queda a la izquierda, visto el Tx desde el
lado de baja tensin. Los terminales X2X3 estn situados para que los tres (3)
terminales queden en orden numrico de izquierda a derecha. El Terminal Xo, si
existe est situado a la izquierda del Terminal X2.
Polaridad:
Los transformadores se construyen de dos tipos de polaridad a saber:
1. Polaridad Aditiva.
2. Polaridad substractiva.La diferencia en estas dos polaridades
obedecen a la manera en que en que la
bobina primaria se encuentra enrollada en el
ncleo laminado de hierro con relacin a la
manera en que est enrollada la bobina
secundaria.
La mayora de los transformadores de distribucin se construyen con polaridad
substractiva, aunque existen los de polaridad aditiva, apareciendo generalmente la
polaridad del mismo en la placa transformador.
Enrollados:
Como hemos dicho anteriormente, los transformadores de distribucin se
componen de los enrollados, aislados entre s, el de alta o primario, y el de baja o
secundario.
El enrollado de alta se compone de una sola bobina para el voltaje que
aparece en la placa del transformador.
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El enrollado de baja compone de dos bobinas, que se pueden conectar en
serie o en paralelo, ambas estn diseadas para un voltaje de 120 voltios.
Los casos I, II y III, representan las conexiones que se deben hacer en losterminales secundarios de los transformadores de distribucin que tienen 4
terminales secundarios.
Los casos IV y V, corresponden a los que solo tienen tres terminales
secundarios.
En el caso V, fue necesario variar las conexiones dentro del tanque apara dar
un voltaje de 120 voltios en el secundario.
Clculo de equipos de Transformadores de Distribucin Tipo Poste.
Con los valores de la carga monofsica y la carga trifsica se pueden calcularlos equipos de transformadores; de acuerdo al voltaje solicitado (tipo de conexin).
Conexin :
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Voltajes secundarios (120/240 Voltios, 4 hilos, 240/480 V 4 Hilos)
KVA 1 y KVA 3
Tx Grande =1 2
KVA 3 KVA 13 3
Tx Pequeo =1 1
KVA 3 KVA 13 3
1I x (Voltaje Secundario)
KVA 11000
3I x 3 x (Voltaje Secundario)
KVA 3 1000
Conexin : (Estrella Estrella)
KVA 1 y KVA 3 . Se buscan los KVA Totales.
KVA Totales = KVA 1 + KVA 3 . (Pad-Mounted)
Tx =KVA Totales
3
(Areo)
Conexin : (Estrella Abierta Delta Abierta)
GRANDEXT KVA 1 60% KVA 3
PEQUEOXT 60% KVA 3
Ferroresonancia
El inters del fenmeno de la ferroresonancia proviene de la preocupacin
natural de las empresas de obtener ambientes e instalaciones seguras.
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Cuando un equipo elctrico es sometido a condiciones de trabajo para la cual
no fue diseado existe la posibilidad de que este equipo falle y ponga en peligro la
seguridad de las instalaciones y de la integridad fsica del personal que las opera.
La ferroresonancia es un fenmeno asociado a ciertos determinados
parmetros de operacin que pueden causar severas fallas en el aislamiento de
los equipos involucrados y generalmente las contingencias asociadas a la
aparicin de este fenmeno conducen tiempos de reposicin elevados. Entre las
fallas ms comunes estn en aisladores fracturados, pararrayos explotados a
sobretensiones que superan las consideradas en el diseo.
Descripcin en el sistema:
La figura muestra un sistema donde las maniobras de un sistema trifsicoson utilizadas en la empresa.
Fig. 1
Fig. 2.
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Circulacin de las corrientes bajo condiciones de ferroresonancia.
En el sistema de distribucin de 24KV se ha presentado en diferentes
oportunidades la quema o dao de uno de los dos transformadores que conforman
el banco trifsico al momento de proceder a su energizacin en forma monopolar
(Ver Fig.2)
Es conveniente sealar que estas fallas se presentan solamente en bancos
de transformacin con conexin estrella flotante Delta ( ) alimentados por
circuitos en 24KV.
Soluciones consideradas a fin de evitar este fenmeno de
Ferroresonancia:
Uso de equipos tripolares para maniobras de conexin y desconexin.
Utilizacin de la conexin estrella con neutro solidamente conectado a
tierra.-
Limitar la distancia desde el punto de desconexin/maniobra monopolar
hasta el primario del banco de Txs.
Estrella con conexin Flotante Delta Cerrada
Este banco de transformadores puede ser usado para el suministro de
energa trifsica. No se producen excesivas corrientes de circulacin, cuando se
conectan transformadores de distintas impedancias y relacin de transformacin.
No hay problemas de sobretensiones producidas por terceras armnicas o de
interferencia telefnica. La carga mxima, desde el punto de vista de seguridad del
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banco en s, para cargas trifsicas equilibradas (cuando las capacidades de los
transformadores son distintas), es tres (3) veces la capacidad de la unidad menor.
Si se caera un transformador, el banco queda fuera de servicio.
Estrella con neutro a tierra Delta Cerrada
Este banco de transformadores puede usarse para suministro de energa
trifsica. En caso de avera de una unidad, el banco puede conectarse en estrella
abierta tringulo Abierto.Cuando se usa transformadores de distintas capacidades, la capacidad
mxima, desde el punto de vista de seguridad del banco en si, es tres veces la
capacidad de la unidad menor. Estos transformadores pueden quemarse
fcilmente. Si se produce algn cortocircuito en el circuito del primario, ya que
cada transformador puede actuar como transformador para conexin a tierra,
cuando existen condiciones de desequilibrio en el sistema primario, lo cual reduce
su propia capacidad con respecto a la carga conectada y aumenta la posibilidad
de que se queme. Si por el contrario, se abre cualquier fase del circuito de
alimentacin primaria, el banco queda automticamente conectado en delta
abierto y continua suministrando energa trifsica a capacidad reducida.
Conexiones de los Transformadores de Distribucin
1.- Introduccin
La presente suministra una gua para la aplicacin correcta de las conexiones
de los Transformadores en el sistema de distribucin. Adems se muestran los
diagramas esquemticos de dichas conexiones.
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2.- Conexiones de Transformadores Monofsico y Bancos Trisicos.
2.1.- Conexin de Tx Monofsicos en paralelo.
Aplicacin: Para aumentar la capacidad de transformacin debido a las
demandas superiores a los tamaos normales de los transformadores.
Condiciones para la puesta en paralelo.
a) El voltaje normal y la posicin de los Taps deben ser iguales en
ambas unidades.
b) La diferencia en la relacin de transformacin de las unidades no ser
mayor de 0.75 % con objeto de limitar la corriente de circulacin.
c) El porcentaje de impedancia de uno de los Txs debe estar
comprendido entre 92.5% y el 107.5% del otro.
d) Las caractersticas de la frecuencia deben ser iguales.
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a. 2.2.- Conexiones Normales de Transformadores: Monofsicos y
Banco Trifsico.
Conexin Monofsico 13.8 Kv/120/240 Volt.(Primario Estrella con Neutro a Tierra)
Conexin Monofsica 13.8 Kv/240/480 Volt.
(Primario Estrella con Neutro a Tierra)
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Conexin Estrella Abierta Delta Abierta 23.9/13.8 Kv 120/240 V.
Estrella con Conexin Abierta Delta Abierta 23.9/13.8 Kv 240/480 V.
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Estrella con Conexin Flotante Delta Cerrada 23.9/13.8 Kv 120/240V.
Conexin Estrella con Neutro a Tierra Delta Cerrada
23.9/13.8 Kv - 240/480 V.
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Conexin Delta Estrella con Neutro a Tierra 13800 V 120/208 V.
Conexin Delta Estrella con Neutro a Tierra 13800 V 240/416 Volt.
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Conexin Estrella Estrella con Neutro a Tierra 23.9/13.8 Kv 120/208 V.
Conexin Estrella Estrella con Neutro a Tierra 23.9/13.8 Kv 240/416 V.
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Conexin Delta Delta 13800 V 120/240 Volt.
Conexin Delta Delta 13800 V 240/480 Volt.
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Notas
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