Proteção de Geradores
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Proteção de GeradoresCondições Anormais de Operação
Paulo Lima
Engenharia de Aplicação e Suporte Técnico
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• Proteção térmica
• Correntes desequilibradas
• Sobreexcitação e sobretensão
• Perda de campo
• Perda de sincronismo
• Funções de retaguarda
Agenda
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• Sobrecarga no gerador
• Falha nos sistemas de refrigeração
• Pontos quentes localizados causados por:
▪ Falha de isolação nas lâminas do núcleo
▪ Falha de isolação no enrolamento
Proteção TérmicaCausas
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SobrecargaSuportabilidade do Gerador para Sobrecarga
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• Tipos: RTD e PTC
• Localização:
▪ Embutidos no meio do enrolamento, em canais de circulação
de ar refrigerante, entre as barras condutoras superior e
inferior
▪ Embutidos entre as barras tubulares do estator com saída de
líquido refrigerante
▪ Embutidos em mancais
Sensores de Temperatura
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Sensores de Temperatura
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Imagem Térmica
( )
2 2
22 ln
P
NOM
I IT
I k I
−= −
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Elemento de Desequilíbrio de Corrente
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Correntes Desequilibradas no Gerador
Produz correntes de sequência negativa que:
▪ Causa fluxo magnético que gira em oposição ao rotor
▪ Induz correntes de dupla frequência no rotor, maior frequência
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Danos Causados pela Corrente de Sequência-Negativa
• Danos nas bordas do rotor devido ao aquecimento
por I22R
• Danos nos anéis de retenção do rotor devido ao
aquecimento por I22R
• Resulta num tempo elevado para reparos com o
gerador fora de serviço
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Causas das Correntes Desequilibradas
• Transformadores monofásicos
• Linhas de transmissão sem transposição
• Cargas desequilibradas
• Faltas desequilibradas no sistema
• Condutor aberto
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Suportabilidade de Sequência-Negativa
Continuamente
Tipo do Gerador I2 Max %
Pólos Salientes (C50.12)
Enrolamentos amortecedores conectados 10
Enrolamentos amortecedores desconectados 5
Pólos Lisos (C50.13)
Refrigeração indireta 10
Refrigeração direta, até 350 MVA 8
351 a 1250 MVA 8
1251 a 1600 MVA 5
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Suportabilidade de Sequência-Negativa
Tempo Curto
Tipo de Gerador I22t Max %
Pólos Salientes (C37.102) 40
Condensador Síncrono (C37.102) 30
Pólos Lisos (C50.13)
Indiretamente Refrigerado 30
Diretamente Refrigerado até 800 MVA 10
Direto. Refrigerado, 801-1,600MVA →
22 2I t K=
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Suportabilidade de Sequência-Negativa
Tempo Curto
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Com I em por unidade, para um gerador de 13,8 kV, 68,9 MVA
Exemplo da Curva de Danos de Tempo Curto para Sequência-Negativa
22 2 10 sI t K= =
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Sobrecorrente de Sequência-Negativa
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Proteção de Sobrecorrente de Sequência-Negativa
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Desbalanço de CorrenteRequisitos Mínimos de Trip
• Trip nos disjuntores principais do gerador
• Trip no disjuntor da excitatriz *
• Trip na Turbina *
• Transferência dos Circuitos Auxiliares *
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Sobreexcitação e Sobretensão
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Saturação Magnética
• Fluxo alinha domínios magnéticos (dipolos) no ferro
• A saturação ocorre quando:
▪ A densidade máxima de fluxo é atingida
▪ Todos os dipolos estão alinhados
• Saturação causa redução da permeabilidade
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Efeitos da Sobreexcitação
• Núcleo fica saturado
• Fluxo flui em componentes não laminados
• Altas correntes parasitas nas extremidades do núcleo
• Maior dano nas extremidades do núcleo
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Caminho do Fluxo SobreexcitadoVista Lateral
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Caminho do Fluxo SobreexcitadoVista Frontal
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Danos Causados pelas Correntes de Eddy
• Aquecimento do núcleo devido a perdas I²*R
• Tensão elevada degrada o isolamento fino
• Dano do núcleo de ferro
▪ Danos podem ocorrer em segundos
▪ Núcleo danificado é muito caro para consertar
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Medição da Densidade de Fluxo
• Monitorar a densidade de fluxo é essencial
• Medir a densidade de fluxo diretamente não é
prático
• Medições alternativas
▪ Densidade de fluxo proporcional à tensão
▪ Densidade de fluxo inversamente proporcional à
frequência
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Método de Detecção Preferencial
Relé de proteção baseado em tensão e frequência
▪ Relé com função volts/hertz (24)
▪ Método preferido para proteger geradores e
transformadores
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Causas de Sobreexcitação
• Controle manual durante a partida da máquina
• Queima de fusíveis do TP
• Conexões incorretas do TP
• Medição ou indicação com defeito
• Falha no regulador ou na excitação
• Perda de geração ou de carga
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• Sem Carga
▪ 1.05 p.u. na base do gerador
• Plena carga
▪ 1.05 p.u. na base do gerador
Norma ANSI/IEEE C50.13
Limites de SobreexcitaçãoContínua do Gerador
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• Sem carga
▪ 1.10 p.u. na base do transformador
• Plena carga
▪ 1.05 p.u. na base do secundário do transformador
com carga nominal e fator de potência igual a 0.8, ou
maior
Norma ANSI/IEEE C57.12.00
Limites de SobreexcitaçãoContínua do Transformador
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Proteção: Volts/Hertz (24)
Tempo-Definido com Dois Níveis
Time (Minutes)
Generator Limit Curve
Transformer Limit Curve
on Generator Voltage Base
0.01 0.1 1.0 10 100 1000
100
110
120
130
140
Vo
lts/H
ert
z (
Pe
rce
nta
ge
)
Relay
Characteristic
24D2P2 = 118%
24D2D2 = 6 s
24D2P1 = 110%
24D2D1 = 60 s
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Proteção de Sobreexcitação
Proteção de Tempo-Definido e Tempo-Inverso
.001 .01 0.1 1.0 10 100
100
110
120
130
140V
olts/H
ert
z (
%)
1000
Característica
do Relé
Tempo (Minutos)
Curva do Limite do Transformador
na Base de Tensão do Gerador
.001 .01 0.1 1.0 10 100
100
110
120
130
140V
olts/H
ert
z (
%)
1000
Pickup=108%
118
1.2 s
Curva de Proteção Recomendada
pelo Fabricante do Gerador
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Proteção de Sobretensão (59)
• A sobretensão pode ocorrer sem sobreexcitação
quando a tensão e a frequência aumentam
proporcionalmente
• Os danos são resultantes do stress dielétrico na
isolação do gerador
• Ocorrem principalmente nos hidrogeradores
• Normalmente, não são um problema para turbinas a
gás e vapor
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Sobretensões Típicas Permissíveis Sem Carga
Geradores Transformadores
105% Continuamente
110% 30 min
115% 5 min
125% 2 min
100% Continuamente
115% 30 min
120% 5 min
130% 3 min
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Proteção de Sobretensão
• Tempo-definido permite que o regulador responda à sobretensão
▪ Partida de tempo-definido com 110%
• Unidade instantânea para sobretensões muito elevadas
▪ Partida instantânea com 130%–150%
Fonte: IEEE C37.102
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Sobreexcitação e SobretensãoRequisitos Mínimos de Trip
• Trip nos disjuntores principais do gerador
• Trip no disjuntor do campo
• Trip na turbina
• Transferência dos circuitos auxiliares
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Perda de Campo
64 Exciter
High-
Voltage
Bus
Field
Winding
59N87G
46
50/
5132
87T
50G
50N/
51N
78
87
63
59
81
49
27
24
Service Transformer
51V
21
Generator
40
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Causas da Perda do Campo
• Circuito aberto no campo
• Curto-circuito no campo
• Trip acidental do disjuntor do campo
• Falha do sistema de controle do
regulador
• Perda do campo da excitatriz principal
• Perda da fonte AC para a excitação
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Efeitos da Perda do Campo
• O gerador absorve potência reativa
• Aumenta a velocidade do gerador
• Funciona como um gerador de indução
• O gerador fornece potência ativa
• O gerador pode perder o sincronismo
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Efeitos no Gerador
• A temperatura do rotor aumenta devido a correntes
parasitas
• A temperatura do estator aumenta devido ao alto
consumo de energia reativa
• Temperatura do ferro no estator aumenta devido ao
fluxo de dispersão axial
• Danos graves podem ocorrer dentro de 10 segundos
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Curvas de Capabilidade do Gerador
![Page 41: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/41.jpg)
Detecção da Perda de Campo
• Absorve potência reativa
• Fornece potência ativa significativamente reduzida
• Impedância aparente corre ao longo do eixo –Y no
gráfico de impedância
• Elemento de impedância é tipicamente usado para
detecção
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Proteção Contra Perda de Campo (40 - LOF) -Elemento Mho
![Page 43: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/43.jpg)
Proteção LOF Usando Elementos Mho de Deslocamento Negativo
![Page 44: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/44.jpg)
Proteção LOF Usando Elementos Mho Com Offset Positivo
Sys T SX X X= +
![Page 45: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/45.jpg)
Requisitos Mínimos de Disparo de Perda de Campo (Trip)
• Trip nos disjuntores principais do gerador
• Trip no disjuntor do campo
• Trip na turbina
• Transferência dos circuitos auxiliares
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Perda de Campo – Exemplo Real
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Perda de Campo – Exemplo Real
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Proteção de Retaguarda
• Esquemas de proteção de backup do sistema
▪ Elementos de distância de fase
▪ Elementos de sobrecorrente de tempo inverso controlados
por tensão ou com restrição de tensão
• Indica-se a aplicação de uma das filosofias
▪ Melhor coordenar com o tipo da proteção do sistema de
transmissão
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Proteção de Backup é Necessária?
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Proteção Distância de Fase
Alcance Típico da Zona de TRIP
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• Zona 1
▪ Alcance para 120% da impedância do Transformador Elevador
▪ Atraso de 0,5 segundo acima da zona 1 do sistema
mais falha do disjuntor (BF). Tipicamente = 0,7 segundos
▪ Usar o alcance reverso, se necessário. A prevenção de
invasão de carga não será necessária. Deve ser usado o
sensor de perda de potencial LOP.
Zona 1 e Zona 2 de Backup
IEEE C37.102 e NERC
![Page 52: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/52.jpg)
• Zona 2
▪ Alcance para 120% da impedância da linha
▪ Atraso de 0,5 segundo acima da zona 3 do sistema
mais falha do disjuntor (BF). Tipicamente = 1.5 segundos
▪ Usar o alcance reverso, se necessário. A prevenção de
invasão de carga pode ser necessária. Deve ser usado o
sensor de perda de potencial LOP.
Zona 1 e Zona 2 de Backup
IEEE C37.102 e NERC
![Page 53: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/53.jpg)
Proteção de Distância de Fase ComBloqueio de Invasão de Carga
![Page 54: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/54.jpg)
Decréscimo da Corrente do Gerador
0
Co
rre
nte
de
Cu
rto
-Circu
ito
Extrapolação da
envoltória do
período transitório
Extrapolação do
período em regime
("steady-state”)
Envoltória da
corrente real
Tempo
Período em regime
(“steady-state”)
Período
transitório
Período
subtransitório
![Page 55: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/55.jpg)
Faltas entre Fases
Sobrecorrente Simples
![Page 56: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/56.jpg)
Faltas entre Fases Sobrecorrente Controlado por Tensão
• Operação controlada por tensão, ou controle de torque (“torque control”)
▪ Opera somente quando a tensão é baixa
▪ A corrente de pickup pode ser ajustada com valores baixos
• Ajuste a corrente de pickup em 30–40% da corrente de plena carga
▪ Use a reatância síncrona (período maior de duração da falta) para verificar a operação e coordenação
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Sobrecorrente com Restrição de TensãoExemplo
0.25
0.50
1.00
0.25 0.50 1.00
Pic
ku
p d
o 5
1V
(pu
do
aju
ste
do
51
VP
)
pu da Tensão
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Elemento de Proteção Para Perda de Sincronismo (78)
64 Exciter
High-
Voltage
Bus
Field
Winding
59N87G
46
50/
5132
87T
50G
50N/
51N40
87
63
59
81
49
27
24
Service Transformer
51V
21
Generator
78
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Estabilidade do Sistema de Potência
• Estabilidade: capacidade de o sistema permanecer em
sincronismo
• Estabilidade em regime: alterações graduais de carga
• Estabilidade transitória: alterações súbitas e em larga
escala
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Revisão: Ângulo do Rotor
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Equação de Oscilação com oÂngulo de Torque
(p.u.)
P T=
mm e f
dJ Torques T T T
dt
= = − −
−−== fem PPPPotênciasdt
dM
2
2
![Page 62: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/62.jpg)
Oscilações de Potência Estáveis e InstáveisÂngulo de Torque vs. Tempo
0 Sistema Estável
t
Sistema Instável
(Out of Step)
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Causas da Perda de Sincronismo
• Faltas no sistema não eliminadas dentro do tempo
crítico de eliminação
• Alterações drásticas de carga
• Perda de geração
• Perda da excitação
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Danos por Perda de Sincronismo
• Correntes altas que podem exceder uma falta trifásica
nos terminais do gerador
• Estresses mecânicos no enrolamento no gerador
• Correntes induzidas no rotor por causa do
escorregamento
• Torques pulsantes podem produzir fortes vibrações e
danos ao eixo
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Transferência de Potência na Rede
•• sin
where
S Re
S L R
E EP
X
X X X X
=
= + +
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Curva do Ângulo de Potência
![Page 67: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/67.jpg)
Capacidade de Transmissão de Energia Durante Faltas
![Page 68: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/68.jpg)
Sistema em Anel Sob Falta
![Page 69: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/69.jpg)
Efeito do Tipo de Falta
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Conversão Estrela-Delta
X Y Y Z Z X
Z
X X X X X XX
X
+ +=
![Page 71: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/71.jpg)
Instabilidade Transitória
![Page 72: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/72.jpg)
Oscilação de PotênciaÂngulo de Torque vs Tempo
![Page 73: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/73.jpg)
Traçado da Oscilação de Potência no
Plano de Impedância
![Page 74: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/74.jpg)
Medição Indireta de
![Page 75: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/75.jpg)
Trajetória da Impedância Aparente
![Page 76: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/76.jpg)
Característica de Perda de Sincronismo
![Page 77: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/77.jpg)
Necessidade de Proteção AutônomaOut-of-Step vs Centro Elétrico
• Com a evolução do Sistema de Potência , a
impedância aparente da oscilação pode sair do
sistema de transmissão e chegar no transformador
elevador
• Ou ainda, dependendo da robustez do Sistema de
Potência relativa à Unidade Geradora, a impedância
aparente da oscilação chegar no gerador
![Page 78: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/78.jpg)
Inadequações de Outros Elementos de Proteção
• Relé de sobrecorrente
• Relé diferencial de corrente
• Relé de impedância ou mho (backup)
• Relé de perda de campo
![Page 79: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/79.jpg)
Inadequações de Outros Elementos de Proteção
Desafios da Aplicação de "Backup" do Sistema
![Page 80: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/80.jpg)
Inadequações de Outros Elementos de Proteção
Desafios da Aplicação de Perda de Campo
![Page 81: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/81.jpg)
Considerações Proteção OOS de Barreiras Simples
![Page 82: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/82.jpg)
Proteção OOS de Barreiras Duplas
![Page 83: Proteção de Geradores](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022032522/6236a1652e1c525d1d4c77a3/html5/thumbnails/83.jpg)
Trip por Perda de Sincronismo(OOS) Requisitos Mínimos
64 Exciter
High-
Voltage
Bus
Field
Winding
87G
46
50/
5132
87T
50G
50N/
51N40
87
63
59
81
49
27
24
Service Transformer
51V
21
Generator
Trip Main Generator Breakers
78