🛡️ Aula 03 - Dispositivos de Proteção Industrial, Coordenação e Seletividade

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📍 Disciplina: 01 Instalações Elétricas Industriais | ⚡ Área: 04 Sistemas Elétricos de Potência e Eletrotécnica | 🏠 Hub Principal 📄 Apostila Base: Técnicas de Execução e Proteção de Instalações Elétricas ⬅️ Aula Anterior: 02 - Normas, Demanda e Condutores | ➡️ Próxima Aula: 04 - Aterramento e SPDA

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🎯 Objetivos de Aprendizagem e Competências de Engenharia

1. Cálculo Rigoroso de Curto-Circuito Industrial: Determinar a corrente de curto-circuito trifásica simétrica e assimétrica nos diversos barramentos da fábrica pelo método das impedâncias pontuais, incorporando a contribuição subtransitória dos motores de indução.
2. Especificação de Dispositivos de Manobra e Proteção: Dimensionar e especificar disjuntores em caixa moldada (MCCB), disjuntores abertos de potência (ACB) e fusíveis de alta capacidade de ruptura (NH), comparando as capacidades de interrupção nominal em serviço ($I_{cs}$), limite ($I_{cu}$) e corrente suportável de curta duração ($I_{cw}$).
3. Parametrização de Unidades Eletrônicas de Disparo LSI/LSIG: Ajustar as funções de proteção contra sobrecarga de longo tempo ($L$), curto-circuito temporizado de curto tempo ($S$), curto-circuito instantâneo ($I$) e falta à terra ($G$).
4. Princípios de Coordenação e Seletividade: Projetar sistemas de proteção seletivos utilizando seletividade amperimétrica, cronométrica (retardo temporal $\Delta t\ge 100\text{ ms}$), seletividade lógica por intertravamento de zona (ZSI) e seletividade energética por integral de Joule ($I^{2}t$).
5. Engenharia de Filiação (Cascateamento): Aplicar a técnica de proteção de retaguarda (back-up protection) conforme a norma IEC 60947-2 para otimização econômica de quadros terminais sem comprometer a integridade física dos equipamentos.

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🖼️ Visão Sinóptica: Diagrama Conceitual de Proteção e Seletividade

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1. Cálculo das Correntes de Curto-Circuito na Planta Industrial

O correto dimensionamento dos dispositivos de proteção e barramentos elétricos exige o conhecimento exato do nível máximo de falta no ponto de instalação. Uma capacidade de interrupção inferior à corrente de curto presumida resultará na explosão física do disjuntor durante a tentativa de abertura sob falta.

1.1 Curto-Circuito Trifásico Simétrico Franco ($I_{cc,3\varphi }$)

O curto-circuito trifásico simétrico é a falta mais severa em termos de magnitude de corrente na baixa tensão. Pelo Teorema de Thévenin, a corrente de curto no ponto de defeito $k$ é: $I_{cc,3\varphi }=\frac{V_L}{\sqrt{3}\cdot |{\mathbf{Z}}_{\text{th}}|}$ onde ${\mathbf{Z}}_{\text{th}}=R_{\text{th}}+j{X}_{\text{th}}$ é a impedância equivalente vista do ponto de falta.

Componentes da Impedância Equivalente ${\mathbf{Z}}_{\text{th}}$:

1. Impedância da Concessionária (Rede a Montante): Conhecendo-se a potência de curto-circuito fornecida pela concessionária no ponto de entrega em média tensão ($S_{cc,\text{conc}}$ em $\text{MVA}$): $Z_{\text{rede}}=\frac{V_L^2}{S_{cc,\text{conc}}}[\text{m}\Omega ]$ Adota-se usualmente $X_{\text{rede}}\approx Z_{\text{rede}}$ e $R_{\text{rede}}\approx 0,10\cdot X_{\text{rede}}$.
2. Impedância do Transformador da Subestação MT/BT: A partir dos dados de placa do transformador ($S_{\text{trafo}}$, $V_L$, perdas em carga $P_k$ e impedância percentual $u_{cc}\%$): $Z_{\text{trafo}}=\frac{u_{cc}\%}{100}\cdot \frac{V_L^2}{S_{\text{trafo}}}[\text{m}\Omega ]$ $R_{\text{trafo}}=\frac{P_k}{3\cdot I_{n,\text{sec}}^2}=\frac{P_k\cdot V_L^2}{S_{\text{trafo}}^2}[\text{m}\Omega ]$ $X_{\text{trafo}}=\sqrt{Z_{\text{trafo}}^2-R_{\text{trafo}}^2}[\text{m}\Omega ]$
3. Impedância dos Cabos e Barramentos de Alimentação: Para um alimentador de comprimento $L$ metros: $R_{\text{cabo}}=\frac{R_{\text{km}}\cdot L}{1000}[\text{m}\Omega ],X_{\text{cabo}}=\frac{X_{\text{km}}\cdot L}{1000}[\text{m}\Omega ]$

Somando as partes reais e imaginárias: $R_{\text{th}}=R_{\text{rede}}+R_{\text{trafo}}+\sum R_{\text{cabos}},X_{\text{th}}=X_{\text{rede}}+X_{\text{trafo}}+\sum X_{\text{cabos}}$ $|{\mathbf{Z}}_{\text{th}}|=\sqrt{R_{\text{th}}^2+X_{\text{th}}^2}$

1.2 Contribuição Transitória de Motores de Indução

No instante exato do curto-circuito, a tensão no barramento cai abruptamente a zero. A rotação e o fluxo magnético residual no rotor dos motores de indução fazem com que eles atuem transitoriamente como geradores assíncronos, injetando correntes adicionais de alta magnitude no defeito: $I_{cc,\text{motor}}\approx \frac{V_F}{X_d^{\prime \prime }}\approx (4\text{ a }6)\cdot I_{n,\text{motor}}$ Essa injeção dura de $2$ a $4$ ciclos de rede ($30\text{ ms}$ a $70\text{ ms}$). Em plantas com grande concentração de acionamentos elétricos, a contribuição dos motores eleva a corrente de curto inicial em cerca de $15\%$ a $25\%$, devendo ser obrigatoriamente somada na verificação da capacidade de interrupção dos disjuntores.

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2. Dispositivos Industriais de Proteção e Chaveamento

2.1 Categorias e Grandezas Nominais de Disjuntores (IEC 60947-2)

1. Disjuntores em Caixa Moldada (MCCB - Molded Case Circuit Breakers):
   • Faixa de corrente nominal: $I_n=16\text{ A}$ a $1600\text{ A}$.
   • Capacidade de interrupção: $I_{cu}=18\text{ kA}$ a $150\text{ kA}$ em $380/440\text{ V}$.
   • Construção compacta com câmara de extinção de arco fechada e módulos de disparo termomagnéticos ou eletrônicos.
2. Disjuntores Abertos de Potência (ACB - Air Circuit Breakers):
   • Faixa de corrente nominal: $I_n=630\text{ A}$ a $6300\text{ A}$.
   • Capacidade de interrupção: $I_{cu}=I_{cs}=50\text{ kA}$ a $150\text{ kA}$.
   • Característica determinante: $I_{cw}=I_{cu}$. Possuem altíssima corrente suportável de curta duração para $1\text{ segundo}$ ($I_{cw}$), permitindo retardos intencionais de desarme sem qualquer dano térmico ou dinâmico aos contatos, viabilizando a seletividade cronométrica total.
3. Grandezas Nominais Padronizadas:
   • $I_n$ (Corrente Nominal): Corrente máxima contínua em regime permanente.
   • $I_{cu}$ (Capacidade Limite de Interrupção de Curto-Circuito): Corrente de falta máxima que o disjuntor é capaz de abrir na sequência de teste $O-t-CO$ (Abertura - tempo - Fechamento/Abertura). Após o teste, o disjuntor pode não ter mais condições de operar.
   • $I_{cs}$ (Capacidade de Interrupção de Serviço): Corrente que o disjuntor suporta abrir na sequência $O-t-CO-t-CO$ mantendo sua funcionalidade plena e capacidade de continuar conduzindo a corrente nominal. Em projetos industriais de alta confiabilidade, exige-se $I_{cs}=100\%I_{cu}$.
   • $I_{cw}$ (Corrente Suportável de Curta Duração): Corrente térmica que o disjuntor suporta fechado durante $1\text{ s}$ ou $3\text{ s}$ sem abrir seus contatos.

2.2 Unidades Eletrônicas de Disparo Microprocessadas LSI / LSIG

As unidades eletrônicas modernas substituem os antigos bimetálicos e bobinas magnéticas por sensores de corrente internos (bobinas de Rogowski e TCs) e microcontroladores, permitindo o ajuste preciso de quatro curvas independentes:

Função	Parâmetro de Ajuste de Corrente	Parâmetro de Ajuste de Tempo	Aplicação Típica de Proteção
L (Long Time)	$I_r=(0,4\text{ a }1,0)\cdot I_n$	$t_r=0,5\text{ a }24\text{ s}$ (em $6\cdot I_r$)	Proteção contra sobrecargas térmicas; curva de tempo inverso ($I^{2}t=\text{const}$).
S (Short Time)	$I_{sd}=(1,5\text{ a }10)\cdot I_r$	$t_{sd}=0,05\text{ a }0,40\text{ s}$	Curto-circuito temporizado com retardo intencional para seletividade cronométrica.
I (Instantaneous)	$I_i=(2\text{ a }15)\cdot I_n$	Instantâneo ($t<20\text{ ms}$)	Curto-circuito franco de altíssima magnitude; proteção dos contatos e barramentos.
G (Ground Fault)	$I_g=(0,2\text{ a }1,0)\cdot I_n$	$t_g=0,10\text{ a }0,40\text{ s}$	Falta à terra residual de baixa magnitude decorrente de falha de isolação.

2.3 Fusíveis Industriais de Alta Capacidade (NH)

Os fusíveis tipo NH (do alemão Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungen) operam por fusão de elos de prata ou cobre puro imersos em areia de quartzo de alta pureza:

• Classe gL/gG: Fusíveis de faixa plena para proteção geral de condutores contra sobrecargas e curtos-circuitos.
• Classe aM: Fusíveis de faixa parcial (accompagnement moteurs) destinados exclusivamente à proteção contra curto-circuito em circuitos de motores. Suportam o pico de partida do motor ($I_p\approx 6\text{ a }8\cdot I_n$) sem fundir, sendo obrigatoriamente associados a um relé térmico de sobrecarga.
• Capacidade de Ruptura: Tipicamente $120\text{ kA}$ em $500\text{ Vca}$, oferecendo excelente limitação de energia passante.

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3. Teoria da Coordenação e Métodos de Seletividade

A seletividade é a propriedade de uma instalação elétrica pela qual apenas o dispositivo de proteção situado imediatamente a montante do ponto de falta atua para isolar o circuito defeituoso, mantendo todos os demais circuitos da fábrica energizados e operacionais.

3.1 Seletividade Total vs. Parcial

• Seletividade Total: Ocorre quando, para qualquer valor de corrente de defeito possível (desde a menor sobrecarga até o curto-circuito simétrico trifásico máximo presumido no ponto), somente o disjuntor a jusante ($B$) abre, permanecendo o disjuntor a montante ($A$) fechado.
• Seletividade Parcial: A coordenação é garantida apenas até um determinado patamar de corrente, denominado limite de seletividade ($I_s$). Para faltas inferiores a $I_s$, apenas $B$ desarma; para curtos-circuitos superiores a $I_s$, ambos os disjuntores ($A$ e $B$) abrem simultaneamente, desligando setores sadios da indústria.

3.2 Modalidades Técnicas de Seletividade

1. Seletividade Amperimétrica

Baseia-se no ajuste de patamares de corrente distintos para os disparadores instantâneos dos disjuntores: $I_{i,A}>I_{cc,\text{jusante,maˊx}}$ Aplica-se quando existe uma impedância considerável (cabo longo de seção reduzida) entre o disjuntor geral e o quadro terminal, fazendo com que a corrente de curto no quadro terminal seja substancialmente inferior à corrente de curto no QGBT.

2. Seletividade Cronométrica

Baseia-se na introdução de um atraso de tempo intencional na atuação do disjuntor a montante. Mesmo que ambos os disjuntores detectem a mesma corrente de curto-circuito:

• O disjuntor a jusante ($B$) dispara instantaneamente ($t_B\le 30\text{ ms}$).
• O disjuntor a montante ($A$) aguarda temporizado por um intervalo $t_{sd,A}$. Para assegurar a seletividade cronométrica sem sobreposição de curvas, o intervalo de tempo livre ($\Delta t$) deve respeitar a margem de segurança de desengate e extinção do arco: $\boxed{\Delta t=t_{sd,A}-t_{\text{interrupc¸a˜o},B}\ge 100\text{ ms a }150\text{ ms}}$ Para suportar esse atraso temporizado sem queima dos seus próprios contatos, o disjuntor $A$ deve possuir corrente suportável de curta duração compatível: $I_{cw}\ge I_{cc}$ para $t_{sd,A}$.

3. Seletividade Lógica por Intertravamento de Zona (ZSI)

Em redes industriais complexas, o retardo cronométrico convencional pode submeter o transformador e os barramentos a esforços térmicos e eletrodinâmicos perigosos por até $400\text{ ms}$. A tecnologia ZSI (Zone Selective Interlocking) resolve este dilema através de um canal de comunicação digital cabeado entre as unidades de disparo dos disjuntores:

1. Quando ocorre um curto no circuito terminal, o disjuntor de ramal detecta a falta e envia imediatamente um sinal de bloqueio digital (pulso de $24\text{ Vcc}$) para o disjuntor geral a montante.
2. Ao receber o sinal de bloqueio, o disjuntor geral assume sua temporização programada ($t_{sd}$), permitindo que o disjuntor de ramal abra o circuito em $30\text{ ms}$.
3. Caso a falta ocorra diretamente no barramento principal do QGBT (entre o disjuntor geral e os ramais), nenhum disjuntor de ramal detecta a corrente e nenhum sinal de bloqueio é transmitido. O disjuntor geral detecta a ausência de sinal e desarma instantaneamente em menos de $30\text{ ms}$, eliminando a falta com máxima rapidez e preservando a integridade física da subestação.

4. Seletividade Energética por Integral de Joule ($I^{2}t$)

Aplicada primordialmente com fusíveis tipo NH ou disjuntores limitadores ultra-rápidos:

• Para haver seletividade plena entre dois fusíveis em série, a integral de Joule total de operação do fusível a jusante ($I^2{t}_{\text{total},B}$) deve ser estritamente inferior à integral de Joule de pré-arco do fusível a montante ($I^2{t}_{\text{preˊ-arco},A}$): $\boxed{I^2{t}_{\text{total},B}<I^2{t}_{\text{preˊ-arco},A}}$ Como regra prática expedita de projeto para fusíveis NH da mesma classe (gG): $\boxed{\frac{I_{n,A}}{I_{n,B}}\ge 1,60}$

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4. Técnica de Filiação (Cascateamento / Back-up Protection)

A norma IEC 60947-2 admite a técnica de Filiação (ou Cascateamento) como recurso de otimização de custo de engenharia:

• Instala-se no circuito a jusante um disjuntor cuja capacidade de interrupção nominal limite ($I_{cu,B}$) é inferior à corrente de curto-circuito presumida no local ($I_{cu,B}<I_{cc}$).
• Isso é permitido desde que o disjuntor a montante ($A$) seja dotado de característica limitadora de corrente, dissipando parte substancial da energia do arco e reduzindo a corrente de pico passante para um valor inferior a $I_{cu,B}$.
• A capacidade de interrupção resultante do conjunto coordenado passa a ser a Capacidade de Filiação Atestada ($I_{cu,\text{filiado}}$), obrigatoriamente comprovada por tabelas de ensaios laboratoriais emitidas pelo fabricante dos disjuntores.

Custo da Filiação: Perda de Seletividade

Em faltas severas de curto-circuito que demandem a atuação da filiação, ambos os disjuntores (montante e jusante) abrirão simultaneamente. A filiação assegura a integridade física e a não-explosão do disjuntor menor, mas sacrifica a continuidade de serviço dos demais circuitos alimentados pelo disjuntor geral.

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5. Exercícios Resolvidos Passo a Passo e Questões de Fixação

Questão 01 (Oficial - Concurso Petrobras / Cálculo de Curto e Disjuntor Geral)

Enunciado: A subestação de uma refinaria possui um transformador trifásico de $2000\text{ kVA}$, $13,8\text{ kV}/440\text{ V}$, $60\text{ Hz}$, com impedância de curto-circuito $u_{cc}=6,0\%$ e perdas em carga $P_k=20\text{ kW}$. A potência de curto-circuito da concessionária no primário é de $S_{cc,\text{rede}}=500\text{ MVA}$. O barramento principal do QGBT dista $10\text{ metros}$ dos terminais secundários através de barramento de cobre com impedância total de ${\mathbf{Z}}_{\text{barr}}=0,20+j0,60\text{ m}\Omega$. a) Calcule a impedância de Thévenin total (${\mathbf{Z}}_{\text{th}}$) vista no barramento do QGBT em $\text{m}\Omega$. b) Determine a corrente de curto-circuito trifásica simétrica permanente ($I_{cc,3\varphi }$). c) Desconsiderando a contribuição de motores, especifique a capacidade de interrupção mínima ($I_{cu}$) do disjuntor geral do QGBT selecionando entre os valores comerciais: $25\text{ kA}$, $36\text{ kA}$, $50\text{ kA}$, $65\text{ kA}$, $85\text{ kA}$.

Resolução Detalhada: a) Cálculo das impedâncias reduzidas ao secundário ($V_L=440\text{ V}$):

1. Impedância da rede da concessionária: $Z_{\text{rede}}=\frac{V_L^2}{S_{cc,\text{rede}}}=\frac{(440{)}^2}{500\times 10^6}=\frac{193600}{500\times 10^6}=0,000387\Omega =0,387\text{ m}\Omega$ Adotando $R_{\text{rede}}\approx 0,10\cdot X_{\text{rede}}$: $X_{\text{rede}}\approx 0,385\text{ m}\Omega ,R_{\text{rede}}\approx 0,039\text{ m}\Omega$
2. Impedância do transformador: $Z_{\text{trafo}}=\frac{u_{cc}\%}{100}\cdot \frac{V_L^2}{S_{\text{trafo}}}=0,06\cdot \frac{(440{)}^2}{2000\times 10^3}=0,06\cdot \frac{193600}{2\times 10^6}=0,005808\Omega =5,808\text{ m}\Omega$ Resistência do cobre do transformador: $R_{\text{trafo}}=\frac{P_k\cdot V_L^2}{S_{\text{trafo}}^2}=\frac{20000\cdot (440{)}^2}{(2000\times 10^3{)}^2}=\frac{20000\cdot 193600}{4\times 10^{12}}=\frac{3,872\times 10^9}{4\times 10^{12}}=0,000968\Omega =0,968\text{ m}\Omega$ Reatância do transformador: $X_{\text{trafo}}=\sqrt{Z_{\text{trafo}}^2-R_{\text{trafo}}^2}=\sqrt{(5,808{)}^2-(0,968{)}^2}=\sqrt{33,73-0,937}=\sqrt{32,79}\approx 5,726\text{ m}\Omega$
3. Impedância do barramento de conexão: $R_{\text{barr}}=0,20\text{ m}\Omega ,X_{\text{barr}}=0,60\text{ m}\Omega$

Soma das impedâncias: $R_{\text{th}}=0,039+0,968+0,20=1,207\text{ m}\Omega$ $X_{\text{th}}=0,385+5,726+0,60=6,711\text{ m}\Omega$ Módulo da impedância de Thévenin: $|{\mathbf{Z}}_{\text{th}}|=\sqrt{(1,207{)}^2+(6,711{)}^2}=\sqrt{1,457+45,037}=\sqrt{46,494}\approx \boxed{6,819\text{ m}\Omega =0,006819\Omega }$

b) Corrente de curto-circuito trifásica: $I_{cc,3\varphi }=\frac{V_L}{\sqrt{3}\cdot |{\mathbf{Z}}_{\text{th}}|}=\frac{440}{\sqrt{3}\times 0,006819}=\frac{440}{0,01181}\approx \boxed{37256\text{ A}=37,26\text{ kA}}$

c) Seleção do Disjuntor Geral: O disjuntor deve satisfazer $I_{cu}\ge I_{cc,3\varphi }=37,26\text{ kA}$. Entre os valores comerciais padronizados ($25,36,50,65,85\text{ kA}$):

• O valor de $36\text{ kA}$ é inferior a $37,26\text{ kA}$ (reprovado).
• O valor comercial imediatamente superior que garante a segurança é: $\boxed{I_{cu}=50\text{ kA}}$ Especificação: Disjuntor Aberto (ACB) ou Caixa Moldada com $I_n=3200\text{ A}$, $I_{cu}=I_{cs}\ge 50\text{ kA}$ em $440\text{ V}$.

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Questão 02 (Oficial - Concurso Marinha CP-CEM / Seletividade LSI)

Enunciado: Em um painel elétrico QGBT de $380\text{ V}$, tem-se um disjuntor geral $A$ de $I_n=1000\text{ A}$ coordenado com um disjuntor alimentador $B$ de $I_n=250\text{ A}$ que alimenta um motor de indução com corrente nominal de $I_{n,\text{motor}}=180\text{ A}$ e corrente de partida de $I_p=6\cdot I_n=1080\text{ A}$ durante $t_p=5\text{ segundos}$. a) Ajuste a proteção de sobrecarga (função L) do disjuntor $B$ para garantir a proteção térmica sem desarmar na operação contínua do motor. b) Ajuste a proteção de curto temporizado (função S) e instantânea (função I) do disjuntor $B$ para que não dispare durante a partida do motor. c) Determine os ajustes de corrente e tempo da função S do disjuntor geral $A$ para assegurar seletividade cronométrica total com o disjuntor $B$ para uma falta de $12\text{ kA}$ no alimentador.

Resolução Detalhada: a) Ajuste da Função L do Disjuntor $B$: A corrente nominal do motor é de $180\text{ A}$. O disjuntor $B$ tem $I_n=250\text{ A}$. Pela NBR 5410, $I_b\le I_r\le I_z$. Ajusta-se o disparador térmico para uma margem de $10\%$ a $15\%$ acima da corrente nominal do motor: $I_{r,B}=1,15\times 180\text{ A}\approx 207\text{ A}⟹\text{Ajuste }\frac{I_{r,B}}{I_n}=\frac{207}{250}\approx \boxed{0,83\cdot I_n=207,5\text{ A}}$ O tempo de longo tempo $t_r$ deve ser ajustado para tolerar a partida de $5\text{ s}$ a $6\cdot I_n$ (ajuste $t_{r,B}\ge 8\text{ s}$).

b) Ajuste das Funções S e I do Disjuntor $B$: Durante a partida do motor ($I_p=1080\text{ A}$), o disjuntor não pode desarmar. Adota-se margem de segurança de $30\%$ sobre o pico de partida: $I_{\text{bloqueio}}\ge 1,30\times I_p=1,30\times 1080\text{ A}\approx 1404\text{ A}$ Ajuste da função S (curto temporizado): $I_{sd,B}\ge \frac{1404}{I_{r,B}}=\frac{1404}{207,5}\approx 6,77⟹\text{Ajusta-se }\boxed{I_{sd,B}=7\cdot I_r\approx 1450\text{ A}}$ Tempo de curto temporizado: $t_{sd,B}=\boxed{0,10\text{ s}}$ (mínimo). Ajuste da função I (instantâneo): $I_{i,B}=10\cdot I_n=10\times 250=\boxed{2500\text{ A}}$ Como $I_p=1080\text{ A}\ll 2500\text{ A}$, o disjuntor jamais atuará no instante da partida.

c) Ajuste do Disjuntor Geral $A$ para Seletividade com $B$: Para que haja seletividade cronométrica total com uma falta de $12\text{ kA}$:

1. Patamar de Corrente: O valor de curto temporizado de $A$ deve ser superior ao de $B$: $I_{sd,A}>I_{sd,B}⟹\text{Ajusta-se }{I}_{sd,A}=3\cdot I_{n,A}=3\times 1000=\boxed{3000\text{ A}}$
2. Patamar de Tempo: O tempo de retardo de $A$ deve manter um intervalo livre $\Delta t\ge 100\text{ ms}$ em relação ao tempo de abertura total de $B$ ($t_{\text{abertura},B}=t_{sd,B}+t_{\text{arco}}=0,10+0,03=0,13\text{ s}$): $t_{sd,A}\ge t_{sd,B}+0,15\text{ s}=0,10+0,15=\boxed{0,25\text{ s}\text{ a }0,30\text{ s}}$
3. Função Instantânea de $A$: A função instantânea de $A$ deve ser desativada ($\text{OFF}$) ou ajustada acima do curto presumido do ramal ($I_{i,A}>15\text{ kA}$), assegurando que o disjuntor $A$ aguarde pacientemente os $0,30\text{ s}$ sem desarme instantâneo prematuro.

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Questão 03 (Oficial - Caderno Didático EnsineMe / UFRJ)

Enunciado: Em uma indústria têxtil, um alimentador protegido por fusíveis tipo NH classe gG de corrente nominal $I_{n,A}=160\text{ A}$ alimenta um quadro secundário onde operam fusíveis NH gG de $I_{n,B}=100\text{ A}$. As curvas dos fusíveis fornecem os seguintes parâmetros de energia específica passante:

• Fusível $B$ ($100\text{ A}$): $I^2{t}_{\text{preˊ-arco}}=8500{\text{ A}}^2\text{s}$, $I^2{t}_{\text{total}}=38000{\text{ A}}^2\text{s}$;
• Fusível $A$ ($160\text{ A}$): $I^2{t}_{\text{preˊ-arco}}=45000{\text{ A}}^2\text{s}$, $I^2{t}_{\text{total}}=190000{\text{ A}}^2\text{s}$. a) Verifique a relação entre as correntes nominais dos fusíveis conforme a regra prática da norma IEC. b) Analise matematicamente se haverá seletividade total entre os dois fusíveis com base nas integrais de Joule.

Resolução Detalhada: a) Verificação da regra prática: $\frac{I_{n,A}}{I_{n,B}}=\frac{160}{100}=1,60$ Como a razão atinge exatamente o patamar mínimo normativo de $1,60$, a regra prática indica que a combinação é potencialmente seletiva.

b) Análise energética rigorosa da integral de Joule: A condição necessária e suficiente para que o fusível montante $A$ não sofra pré-arco enquanto o fusível jusante $B$ extingue completamente a falta é: $I^2{t}_{\text{total},B}<I^2{t}_{\text{preˊ-arco},A}$ Comparando os valores dados: $I^2{t}_{\text{total},B}=38000{\text{ A}}^2\text{s}$ $I^2{t}_{\text{preˊ-arco},A}=45000{\text{ A}}^2\text{s}$ Constata-se que: $38000{\text{ A}}^2\text{s}<45000{\text{ A}}^2\text{s}⟹\text{CONDIC¸A˜O SATISFEITA}$ A energia total requerida pelo fusível $B$ para abrir e extinguir o arco é estritamente inferior à energia mínima necessária para que o elo de prata do fusível $A$ comece sequer a amolecer ou derreter. Portanto, haverá seletividade energética total entre os dois dispositivos.

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Questão 04 (CESPE/CEBRASPE - Engenharia Elétrica / Técnica de Filiação)

Enunciado: Em um projeto elétrico industrial, o nível de curto-circuito no barramento de um quadro terminal é de $I_{cc}=35\text{ kA}$. O engenheiro projetista decide especificar disjuntores de caixa moldada para os ramais terminais com capacidade de interrupção de apenas $I_{cu}=25\text{ kA}$, associando a montante um disjuntor limitador de $I_{cu}=50\text{ kA}$. Julgue a conformidade técnica dessa decisão à luz da norma ABNT NBR NM 60947-2 e explique os requisitos mandatórios para a validade do projeto.

Resolução Detalhada:

1. Conformidade Normativa: A decisão técnica é plenamente válida e permitida, constituindo a aplicação clássica da Técnica de Filiação (Cascateamento ou Proteção de Retaguarda) prevista na NBR NM 60947-2 (Anexo A).
2. Mecanismo de Atuação: O disjuntor a montante possui alta velocidade de repulsão eletrodinâmica dos contatos, abrindo um arco inicial que introduz forte resistência no circuito, limitando o valor de crista da corrente de curto para um patamar inferior à capacidade suportável pelo disjuntor menor ($I_{\text{passante}}<25\text{ kA}$).
3. Requisitos Obrigatórios para Validação:
   • Os dois disjuntores devem ser comprovadamente do mesmo fabricante e a combinação exata de modelos deve constar na Tabela Oficial de Coordenação por Filiação emitida pelo laboratório credenciado do fabricante. É terminantemente proibido combinar disjuntores de marcas diferentes em filiação.
   • O projeto deve documentar explicitamente que a planta aceita a perda de seletividade para curtos acima de $25\text{ kA}$, pois ambos os disjuntores desarmarão simultaneamente.

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Questão 05 (FCC - Engenharia Elétrica / Proteção Diferencial-Residual DR)

Enunciado: A norma ABNT NBR 5410 prescreve a utilização de dispositivos a corrente diferencial-residual (DR). a) Explique a diferença de atuação entre um dispositivo DR de alta sensibilidade ($I_{\Delta n}=30\text{ mA}$) e um de média sensibilidade ($I_{\Delta n}=300\text{ mA}$ a $500\text{ mA}$). b) Por que é terminantemente proibido instalar dispositivo DR em esquemas de aterramento TN-C?

Resolução Detalhada: a) Diferenciação de sensibilidade:

• Dispositivo DR de Alta Sensibilidade ($I_{\Delta n}\le 30\text{ mA}$): Destinado à proteção complementar contra choques elétricos por contato direto e proteção básica em contatos indiretos. A corrente de $30\text{ mA}$ situa-se rigorosamente abaixo do limiar de fibrilação ventricular cardíaca irreversível do corpo humano em regime contínuo.
• Dispositivo DR de Média Sensibilidade ($I_{\Delta n}=300\text{ mA}$ ou $500\text{ mA}$): Destinado à proteção contra incêndios de origem elétrica causados por correntes de fuga à terra em condutos, painéis e máquinas, e para seletividade contra contato indireto em esquemas TT. Correntes de fuga persistentes superiores a $300\text{ mA}$ concentram energia térmica suficiente para inflamar poeiras, serragem e materiais inflamáveis industriais.

b) Proibição no Esquema TN-C: No esquema TN-C, as funções de Neutro e Condutor de Proteção estão combinadas em um único condutor metálico (PEN). Para que um dispositivo DR funcione, todos os condutores ativos (fases e neutro) devem atravessar o seu transformador toroidal diferencial, e o terra não pode passar por ele. No esquema TN-C, se o condutor PEN passar por dentro do toroide, a corrente de defeito que flui pela carcaça da máquina retorna pelo próprio condutor PEN através do toroide, resultando em soma vetorial nula ($\sum \mathbf{I}\equiv 0$). O DR fica completamente cego e nunca atuará. Se o PEN for derivado antes do DR, perde-se a referência de neutro da máquina. Por essa razão física incontornável, o item 5.4.3.6 da NBR 5410 veta formalmente o uso de DR no esquema TN-C.

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6. Procedimento de Parametrização em Campo de Relés de Proteção

PROCEDIMENTO DE COMISSIONAMENTO: RELÉ DE SOBRECORRENTE INDUSTRIAL

1. CONFIGURAÇÃO DE RELAÇÕES DE TRANSFORMAÇÃO:
   • Inserir no relé a RTC dos transformadores de corrente: RTC = Ip / Is (ex: 800/5 A -> RTC = 160).
   • Inserir a RTP dos transformadores de potencial (quando aplicável).
2. PARAMETRIZAÇÃO DAS FUNÇÕES LSI:
   • Curva de Sobrecarga (ANSI 51): Curva IEC Muito Inversa (Very Inverse) com dial de tempo TD = 0,20.
   • Curva de Curto Temporizado (ANSI 51): Isd = 4,0*In com t_sd = 200 ms (patamar definido).
   • Instantâneo (ANSI 50): Ii = 8,0*In com tempo zero (t < 20 ms).
3. ENSAIO DE INJEÇÃO SECUNDÁRIA COM MALA DE TESTES:
   • Injetar 1,5 * In e cronometrar o tempo de disparo térmico (comparar com a curva do fabricante).
   • Injetar corrente de curto temporizado e medir o tempo exato com cronômetro eletrônico da mala (tolerância ± 5%).
   • Testar o comando de trip da bobina de abertura do disjuntor e a sinalização de alarme visual.

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7. Bibliografia Recomendada e Normas Técnicas

1. MAMEDE FILHO, João. Proteção de Sistemas Elétricos Industriais. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2020.
2. ABNT NBR IEC 60947-2:2013: Dispositivos de manobra e comando de baixa tensão - Parte 2: Disjuntores.
3. ABNT NBR 5410:2004: Instalações elétricas de baixa tensão.
4. KINDERMANN, Geraldo. Proteção de Sistemas Elétricos de Potência. 3. ed. Florianópolis: Edição do Autor, 2011.
5. IEEE Std 242-2001 (Buff Book): IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems.