31 de marzo de 2006

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SUBESTACIONES DEL STN QUE SUPERAN SUS PARÁMETROS DE DISEÑO

SOLUCIONESGerencia Centro Nacional de Despacho

Dirigido a : CAPT Marzo31 de 2006Documento XM CND 2006- 0034

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ContenidoObjetivo, Criterios y MetodologíaObjetivo, Criterios y Metodología1

Definición del ProblemaDefinición del Problema2

Soluciones PlanteadasSoluciones Planteadas3

Ventajas y DesventajasVentajas y Desventajas4

Señales Señales RegulatoriasRegulatorias Necesarias Necesarias 5

Conclusiones Conclusiones 6

Compromisos Transportadores Compromisos Transportadores 7

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1. Objetivo, Criterios y Metodología

SUBESTACIONES DEL STN QUE SUPERAN SUS PARÁMETROS DE DISEÑOSOLUCIONES

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Objetivo

Realizar el inventario de Subestaciones del STN que superan las condiciones de diseño por el crecimiento de SIN y establecer las soluciones correspondientes.

Paralelamente, identificar la necesidad de señales regulatorias que viabilicen la solución de estas situaciones.

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Criterios

Subestaciones del STN que superan los parámetros dediseño por el crecimiento de SINSubestaciones del STN que superan los parámetros deSubestaciones del STN que superan los parámetros dediseño por el crecimiento de SINdiseño por el crecimiento de SIN

Algunos parámetros de soportabilidad de las subestaciones del STN son:•Niveles de Cortocircuito •Sobretensiones (Regímenes permanente y transitorio)•Protecciones (CTs, ajustes, equipo serie)•Operativos (Capacidad, Sistemas radiales, asimetrías)

Algunos parámetros de Algunos parámetros de soportabilidadsoportabilidad de las subestaciones del STN son:de las subestaciones del STN son:••Niveles de Cortocircuito Niveles de Cortocircuito ••SobretensionesSobretensiones (Regímenes permanente y transitorio)(Regímenes permanente y transitorio)••Protecciones (Protecciones (CTsCTs, ajustes, equipo serie), ajustes, equipo serie)••Operativos (Capacidad, Sistemas radiales, asimetrías)Operativos (Capacidad, Sistemas radiales, asimetrías)

••Condiciones que se salen del ámbito de las empresas, no previsibCondiciones que se salen del ámbito de las empresas, no previsiblesles••No son casos puntuales sino de ocurrencia general en el STNNo son casos puntuales sino de ocurrencia general en el STN••Exigen una solución definitiva y generalExigen una solución definitiva y general••Pueden tener ocurrencia en niveles de tensión menores a los del Pueden tener ocurrencia en niveles de tensión menores a los del STNSTN

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Criterios

No existe señal No existe señal regulatoriaregulatoria para acometer para acometer las solucioneslas soluciones

La elaboración del inventario debe hacerse de manera conjunta entre la UPME y los agentesLa elaboración del inventario debe hacerse de manera La elaboración del inventario debe hacerse de manera conjunta entre la UPME y los agentesconjunta entre la UPME y los agentes

Corresponde a la CREG dar las señales regulatoriascorrespondientes para viabilizar la implementación de las mejores soluciones técnicas

Corresponde a la CREG dar las señales Corresponde a la CREG dar las señales regulatoriasregulatoriascorrespondientes para viabilizar la implementación correspondientes para viabilizar la implementación de las mejores soluciones técnicasde las mejores soluciones técnicas

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Criterios

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Metodología

Cada Empresa Transportadora establecerá cuáles de sus Subestaciones del STN superan o superarán en el mediano plazo los parámetros de diseño, según los criterios expuestos.

Cada empresa identificará alternativas de solución, las cuales serán analizadas en el CAPT para establecer su bondad, factibilidad y generalidad.

En el CAPT se analizarán las soluciones operativas y su transitoriedad.

En el CAPT se analizarán las soluciones que ya han sido planteadas para casos identificados y servirán de punto de partida para enfrentar las ocurrencias del inventario resultante.

La CREG aportará las señales regulatorias pertinentes para garantizar la coherencia de las soluciones con el Plan de Expansión.

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2. Definición del Problema

SUBESTACIONES DEL STN QUE SUPERAN SUS PARÁMETROS DE DISEÑOSOLUCIONES

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Definición del Problema• El 29 de agosto de 2004, a las 02:57 horas, se presentó

falla en el circuito San Carlos - Esmeralda 2, Fase C, a 690 m de San Carlos. La corriente de falla en el primer semiciclo alcanzó un valor máximo de 50 kA, del orden de 35 kA rms, y en el segundo ciclo ya se presenta el efecto de saturación del CT.

• Topológicamente, la Subestación San Carlos no contaba con los circuitos San Carlos - Ancón 1 y 2 que sólo están energizados como condensadores hasta la torre 78. Si estuviesen conectados, la corriente de cortocircuito habría sido mayor, así como los efectos sobre los equipos de la subestación.

• Se evidencia que la S/E San Carlos 230 kV está cercana al límite de capacidad de cortocircuito para el cual fue diseñada, 40kA.

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Registros de fallaSubestación San Carlos 230 kV

Definición del Problema

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Definición del Problema• El 08 de septiembre de 2003, a las 01:08 horas, se

presentó desprendimiento de cable en la S/E Chivor, a la salida del Circuito Chivor-Guavio 2, a 230 kV. La corriente a través del interruptor alcanzó del orden de los 23.9 kA rms en el primer semiciclo, como lo indica el registro de fallas.

• El evento afectó la topología de la S/E con apertura de líneas y del seccionamiento de barras en Chivordespejando la barra 1, sección 2, y la generación con el disparo de las unidades 5, 6, 7 y 8 en Chivor con 125 MW cada una.

• La capacidad de cortocircuito de diseño de la S/E Chivor es de 25 kA.

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Registros de fallaSubestación Chivor 230 kV

Definición del Problema

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Definición del Problema

Algunos parámetros de soportabilidad de las subestaciones del STN son:

• Niveles de Cortocircuito:Sabanalarga 220 kV 31.5 kAGuavio 230 kV 40.0 kA

• Sobretensiones (Regímenes permanente y transitorio)

• Protecciones (CTs, ajustes, equipo serie)• Operativos (Capacidad, Sistemas

radiales, asimetrías)

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Definición del Problema

• Los niveles de cortocircuito de las subestaciones presentan un crecimiento natural ante la entrada de nuevos proyectos.

• Para dar respuesta a la situación de la S/E San Carlos, diversos estudios han propuesto soluciones temporales, algunas de ellas ya implementadas, mientras se configuran las soluciones definitivas.

• Se ha estado a la espera de señales regulatorias que viabilicen las soluciones definitivas.

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Definición del Problema

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Definición del Problema

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Definición del Problema

Identificar el Riesgo

• Impacto en los equipos:InterruptoresCTsProteccionesMallas de tierraOtros

• Corrientes asimétricas y simétricas: Medición y simulación

• Impacto en la operación

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3. Soluciones Planteadas

SUBESTACIONES DEL STN QUE SUPERAN SUS PARÁMETROS DE DISEÑOSOLUCIONES

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Soluciones Planteadas

Características deseables de una solución

• Operación económica con calidad y seguridad• Mejore o mantenga la confiabilidad• Mejore o preserve condiciones de estabilidad• Permita el libre acceso a la red• Presente mínimo impacto en el usuario final• Disminuya restricciones• General y aplicable• Coherente con la expansión• Mínimo costo• Acorde con la regulación

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Soluciones Planteadas

Actualización del Equipo de SubestaciónActualización del Equipo de Subestación☺☺☺

Estrategias de control, aperturas secuencialesEstrategias de control, aperturas secuenciales

Medidas para limitar corrientes de fallaMedidas para limitar corrientes de fallaMedidas pasivas

Aumento de la impedanciapara condiciones nominales

y de falla

Medidas pasivasAumento de la impedancia

para condiciones nominalesy de falla

Medidas activasBaja impedancia cond. Nominales

Rápido incremento paracondiciones de falla

Medidas activasBaja impedancia cond. Nominales

Rápido incremento paracondiciones de falla

Seccionamiento de BarrasSeccionamiento RedAumento de Nivel de Tensión en S/Es

Aumento deImpedancia en TransformadoresReactores paraLimitar la corrientede falla

Fusibles de Alta Tensión

Limitadores de Corriente

FACTS (SCFCL)Resistencias (Temp)FCL Metal LíquidoFCL estado sólidoFCL híbridos

Acciones enTopología de Red

Equipo adicional

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Soluciones Planteadas

• Cambio de Equipo de S/EInterruptoresCTsRefuerzo Malla de Tierra

• Instalar Reactancias Limitadoras

• Seccionamiento de las S/Es

• Modificar la Topología de la S/ECambiar la distribución de camposDerivar inyecciones de corriente

• Limitar despachos de generación (Restricciones)

• Instalación de equipos FACTS

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Soluciones Planteadas

Referencia 1, UPME, “PLAN DE EXPANSIÓN DE REFERENCIA GENERACIÓN - TRANSMISIÓN 2005 –2019”, Diciembre de 2005

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Soluciones Planteadas

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Soluciones Planteadas

Referencia 2, ISA, “Análisis de Alternativas de Expansión para Eliminar o Reducir Restricciones, Período 2003 – 2010”, DIRECCIÓN PLANEACIÓN DE LA OPERACIÓN, CENTRO NACIONAL DE DESPACHO, Documento ISA UENCND 03-193, Medellín, Diciembre 24 de 2003

Las alternativas planteadas:

1) Seccionamiento de la subestación

2) Derivación de dos unidades de generación directamente a 500 kV

3) Modificar la topología actual en 230 kV para derivar inyección de corriente

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Soluciones PlanteadasReferencia 2A1: Subestación San Carlos con Seccionamiento de Barras

BARRA 1

BARRA 2

D1D2D3D4D5D6D7D8D9

ATR 3ATR 1_2La SierraGuatapé 2Ancon Sur 1Ancon Sur 2La Esmeralda 1La Esmeralda 2

ATR 4 SCARL 1_2SCARL 3_4Purnio 1 Purnio 2 SCARL 5_6SCARL 7_8

SECCIONAMIENTO

Guatapé 1

Las modificaciones se muestran en color azul

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Soluciones PlanteadasReferencia 2A1: Subestación San Carlos con Seccionamiento de Barras

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Soluciones PlanteadasReferencia 2A2: Subestación San Carlos con Derivación de Generación a 500 kV

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Soluciones PlanteadasReferencia 2A2: Subestación San Carlos con Derivación de Generación a 500 kV

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Soluciones PlanteadasReferencia 2A3: Subestación San Carlos con derivación de Guatapé

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Soluciones PlanteadasReferencia 2A3: Subestación San Carlos con derivación de Guatapé

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Soluciones Planteadas

Referencia 3, ISA, “SUBESTACIÓN SAN CARLOS 230 kV, SUPERACIÓN DE CORTOCIRCUITO”, DIRECCIÓN SERVICIOS PARA CONSTRUCCIÓN, DIRECCIÓN DESARROLLO DEL STE, Documento STE – 2110 – 526 Rev. 1, Medellín, Noviembre de 2002

Las alternativas planteadas:

• Seccionamiento de barrasInductanciaInterruptor

• Cambio de equipo• No hacer nada

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Soluciones PlanteadasReferencia 3A1: Seccionamiento de Barras

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Soluciones PlanteadasReferencia 3A1: Seccionamiento de Barras

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Soluciones PlanteadasReferencia 3A1: Seccionamiento de Barras

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Soluciones PlanteadasReferencia 3A1: Seccionamiento de Barras

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Soluciones PlanteadasReferencia 3

A3: No hacer nada

•Implica limitar el despacho de San Carlos de tal manera que el nivel de cortocircuito monofásico en la subestación sea inferior a 40 kA, lo cual se logra restringiendo a 6 el número de unidades despachadas.

•Haciendo uso del modelo MPODE, la diferencia en costo operativo de restringir el numero de unidades de San Carlos estaría entre un rango aproximado de 1,1 a 8 MUSD en un período de 5 años.

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Soluciones PlanteadasLa Ref. 3 estudió el impacto de las soluciones

en la operación económica del SINRecomienda el Seccionamiento de Barras

Realiza: Análisis Energético, Eléctrico, de Contingencias, de Cortocircuito y de Inversióny Costos

Eventos de transformaciónprovocan cascadas

Por las condiciones de la malla de tierraes crítica la tensión de toque en fallas

Analiza la evoluciónDe la tensión

Limitaciones de espacioEn la Subestación San Carlos

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Soluciones Planteadas

Referencia 4, ISA, “ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO DE LA SUBESTACIÓN SAN CARLOS 230 kV”, GERENCIA DE EXPANSIÓN, DIRECCIÓN EVALUACIÓN INTEGRAL DE INVERSIÓN,EQUIPO ESTUDIOS TÉCNICOS,Documento 820-071, (Revisión 2), Medellin, 10 de Octubre de 1997

• Alternativa 1: Inductancias limitadoras de cortocircuito• Alternativa 2: Consiste en modificar la actual red del Sistema de

Transmisión Nacional (STN) (Figura 2), para unir el circuito 1 Guatape - San Carlos, con el circuito 1 San Carlos - Ancón en la subestación San Carlos circuito para una longitud aproximada de 144 km.

• Alternativa 3: Consiste en unir ambos circuitos de la línea Guatapé - San Carlos con los circuitos de la línea San Carlos -Ancón ISA.

• Alternativa 4: Consiste en desconectar el circuito San Carlos —La Sierra y uno de los de San Carlos — Guatapé en San Carlos y conectarlos para conformar un circuito Guatapé — La Sierra de aproximadamente 67 km.

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NIVELES DE CORTO CIRCUITOSoluciones Planteadas

Otras Referencias

- ISA y Mejía Villegas S.A. “Reducción de los Niveles de Cortocircuito”, Documento No. 4500-7100-001. Rev. 0. Octubre de 1997.

- ISA, “Superación de Capacidad de Cortocircuito Interruptores Subestación San Carlos a 230 kV”, Depto Ing de Proyectos. Doc No. 521-96-05-001. Rev. 0. Julio de 1996

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Soluciones PlanteadasInstalación de FACTS

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Soluciones Planteadas

Principio de Operación del Limitador de Corriente de Cortocircuito –SCCL-:• Opera con impedancia cero en condiciones de

estado estacionario.• En caso de cortocircuito, conecta un reactor

limitador en unos pocos milisegundos.

El SCCL se fundamenta en desarrollos de la compensación serie protegida por tiristores de alta potencia, 110 kA de corriente pico durante tiempo suficiente – TPSC- en combinación con un reactor externo. El diseño del reactor está determinado por la corriente de cortocircuito permitida sobre él.

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Soluciones PlanteadasLimitación de Corrientes de Cortocircuito con FACTS

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Soluciones PlanteadasInstalación de FACTS

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Soluciones Planteadas

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Soluciones Planteadas

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Ejemplo para 110 kV

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4. Ventajas y desventajas

SUBESTACIONES DEL STN QUE SUPERAN SUS PARÁMETROS DE DISEÑOSOLUCIONES

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Ventajas y desventajas

Efectos adversos

• Confiabilidad• Estabilidad• Desbalances• RAGs• Desoptimización de la operación

Despachos de generaciónCargabilidad y uso de la red (sobrecargas, pérdidas, uso de líneas y transformadores, disminución de la capacidad de transporte, etc)Regulación de tensiónRestricciones

• Va en contra de la expansión• Provocan asimetrías para protecciones e impacto mayor de los

eventos• Costos

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Ventajas y desventajas

Evaluando desde el segundo semestre de2005, este corte contribuyó a las restricciones eléctricas en todos los meses hasta la fecha,con excepción de sep/05

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Ventajas y desventajas

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Ventajas y desventajas

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Ventajas y desventajas

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5. Señales Regulatorias Necesarias

SUBESTACIONES DEL STN QUE SUPERAN SUS CONDICIONES DE DISEÑOSOLUCIONES

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Señales Regulatorias Necesarias

La excedencia de las condiciones de diseño de las S/Es normalmente son situaciones que se salen del ámbito de las empresas, y en general, no han sido previsibles.Toda inversión para instalación de equipos, renovación de S/Es o modificación de la topología de la red requiere señales regulatorias coherentes con los planes de expansión.Las soluciones operativas son temporales y requieren también soporte regulatorio.Aunque no tomar acciones se convierte en una alternativa, conduce inevitablemente a un incremento de las restricciones eléctricas y a otros efectos adversos.

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6. Conclusiones

SUBESTACIONES DEL STN QUE SUPERAN SUS PARÁMETROS DE DISEÑOSOLUCIONES

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Conclusiones

• Se ha establecido la posibilidad de que algunas subestaciones del STN excedan los límites de diseño y se requiere establecer las soluciones correspondientes.

• Cada empresa de transporte es la más idónea para identificar estas situaciones y para plantear soluciones.

• Por sus funciones, el CAPT es el escenario para analizar y recomendar las mejores soluciones.

• Dado el impacto de las soluciones posibles en la operación del SIN, en la expansión del sistema, en el usuario final y en la remuneración de las empresas, se requieren las señales regulatorias correspondientes que viabilicen su implementación.

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Conclusiones

• El cambio de equipo de la S/E es la solución óptima para la excedencia de los niveles de cortocircuito de diseño. Sin embargo, resulta prudente permitir a las empresas acometer soluciones alternativas que presenten viabilidad y en lo posible sean coherentes con la expansión.

• Una de esas alternativas es el seccionamiento de barras temporal para escenarios de despacho de riesgo y mantener la integridad de la S/E en los casos complementarios. Esta solución requiere inversión y seguimiento operativo estricto.

• Sea cual fuere la solución, se deben evaluar y minimizar sus efectos adversos.

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7. Compromisos de los Transportadores

SUBESTACIONES DEL STN QUE SUPERAN SUS PARÁMETROS DE DISEÑOSOLUCIONES

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Compromisos de los Transportadores

De acuerdo con la metodología planteada, cada Empresa Transportadora:

Establecerá cuáles de sus Subestaciones del STN superan o superarán en el mediano plazo los parámetros de diseño.

Identificará alternativas de solución y las presentará en el CAPT para análisis conjunto.

Para las subestaciones identificadas en STRs y otras redes, acordará con la UPME las soluciones correspondientes.

La UPME integrará la información proveniente de los Transportadores:

CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE BETANIA S.A. E.S.P. CENTRALES ELÉCTRICAS DEL NORTE DE SANTANDER S.A. E.S.P.CORPORACIÓN ELECTRICA DE LA COSTA ATLÁNTICA S.A. E.S.P. DISTASA S.A. E.S.P. EMPRESA DE ENERGÍA DE BOYACA S.A. E.S.P. EMPRESA DE SERVICIOS PÚBLICOS EMPRESA DE ENERGÍA DE BOGOTÁ S.A. E.S.P. EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN E.S.P. EMPRESA DE ENERGÍA DEL PACÍFICO S.A. E.S.P. "EPSA E.S.P." ELECTRIFICADORA DE SANTANDER S.A. E.S.P. INTERCONEXIÓN ELÉCTRICA S.A. E.S.P. TRANSELCA S.A. E.S.P.

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