🛡️ Aula 04 - Proteção de Redes de Distribuição, Seletividade e Índices DEC e FEC

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Objetivos Pedagógicos e Escopo Técnico

• Analisar os princípios operacionais e critérios de aplicação dos dispositivos clássicos de proteção de média tensão: chaves fusíveis indicadoras com elos tipo K, T e H, religadores automáticos microprocessados (reclosers) e seccionalizadores.
• Compreender a filosofia de coordenação tempo-corrente (TCC), comparando analiticamente a estratégia “Salva-Fusível” (fuse-saving) com a estratégia “Queima-Fusível” (fuse-blowing).
• Ajustar relés de sobrecorrente de tempo inverso (ANSI 51/51N) e instantâneos (ANSI 50/50N) na subestação, garantindo intervalo de tempo de coordenação (CTI) adequado.
• Dominar a formulação matemática e o impacto regulatório dos indicadores de continuidade de serviço do PRODIST Módulo 8 da ANEEL (DEC, FEC, DIC, FIC e DMIC) e os padrões internacionais do IEEE 1366 (SAIDI, SAIFI, CAIDI e MAIFI).
• Calcular o ressarcimento financeiro obrigatório por violação de metas individuais de qualidade de continuidade.

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1. Dispositivos de Proteção em Redes Aéreas de Distribuição

A proteção de sistemas de distribuição em média tensão enfrenta uma particularidade severa: cerca de $70\%$ a $80\%$ de todas as faltas elétricas em redes aéreas são de natureza puramente transitória (toques passageiros de galhos de árvores pelo vento, descargas atmosféricas induzidas que cebolam isoladores sem rompimento físico e contatos fugazes de aves ou pipas).

Portanto, o objetivo fundamental da engenharia de proteção é extinguir a falta transitória antes que ocorra a queima desnecessária de fusíveis, isolando permanentemente apenas as faltas reais e sustentadas no menor trecho possível da rede.

1.1 Chaves Fusíveis e Elos Fusíveis (ABNT NBR 7282 / ANSI C37.42)

A chave fusível de distribuição (popularmente denominada chave Matheus) é o dispositivo de proteção mais difundido no sistema de distribuição aérea, instalada na derivação de ramais laterais e na proteção primária de cada transformador de poste.

• Mecanismo de Abertura: Quando a corrente de curto-circuito funde o elo metálico interno, libera-se um mecanismo de mola e o cartucho porta-fusível bascula por gravidade (drop-out), abrindo uma distância de isolamento visível ao eletricista de manutenção na via pública.
• Curvas Características de Operação (TCC - Tempo x Corrente):
  1. Curva de Fusão Mínima (MMT - Minimum Melting Time): Limite temporal até o qual o elo metálico não sofre deformação ou fusão térmica irreversível.
  2. Curva de Interrupção Total (TCT - Total Clearing Time): Tempo acumulado que compreende o aquecimento, fusão e a completa extinção do arco elétrico dentro do cartucho de desionização por queima da fibra vulcanizada.
• Padronização dos Elos Fusíveis:
  • Elo Tipo K (Rápido): Relação de velocidade de queima entre $6$ e $8$ ($\text{Speed Ratio}=\frac{I_{\text{fusa˜o,0,1s}}}{I_{\text{fusa˜o,300s}}}$). Indicado para ramais onde se deseja rápida atuação antes de danos térmicos aos condutores.
  • Elo Tipo T (Lento): Relação de velocidade de queima entre $10$ e $13$. Mais lento para altas correntes de curto, sendo preferido para suportar correntes de partida de motores elétricos e correntes de energização (inrush) de transformadores sem desarmar indevidamente.
  • Elo Tipo H (Alto Surto / High Surge): Elos especiais lentos para correntes de surto atmosférico, utilizados na proteção primária de pequenos transformadores de $5$, $10$ e $15\text{ kVA}$.

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1.2 Religadores Automáticos (Reclosers)

O religador automático é um disjuntor autônomo trifásico (ou monofásico) para montagem em poste, dotado de sensores de corrente embutidos e relé microprocessado capaz de realizar sequências programadas de aberturas e religamentos automáticos (reclosing cycle).

• Meio de Interrupção: Câmaras de vácuo seladas com isolamento sólido polimérico ou gás hexafluoreto de enxofre ($S{F}_6$).
• Ciclo Operativo Típico: Composto por $1$ a $2$ operações em curva rápida (Curva A) seguidas por $1$ a $2$ operações em curva temporizada/lenta (Curva B), com tempos de intervalo morto de religamento programáveis ($0,5\text{ s}$ a $2\text{ s}$): $1\text{A}+2\text{B}⟹\text{Abertura Raˊpida}\to \text{Pausa (1s)}\to \text{Abertura Lenta}\to \text{Pausa (5s)}\to \text{Abertura Lenta}\to \text{Bloqueio (Lockout)}$

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1.3 Seccionalizadores Automáticos

O seccionalizador é um equipamento desprovido de capacidade de interrupção de corrente de curto-circuito. Ele opera em sincronismo estrito com um religador (ou disjuntor de subestação) instalado a montante:

• O seccionalizador monitora a corrente da linha: quando detecta a passagem de uma corrente de curto seguida pela desenergização da linha provocada pelo religador a montante, seu contador digital interno avança $1$ contagem.
• Se o contador atingir a programação ajustada (tipicamente $2$ ou $3$ contagens) durante os intervalos em que o circuito está sem tensão, as lâminas do seccionalizador abrem-se em vazio, isolando o ramal faltoso antes do último religamento do religador a montante.

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2. Filosofias de Coordenação Tempo-Corrente (TCC)

A coordenação entre equipamentos em série ao longo do alimentador primário deve garantir seletividade: o dispositivo mais próximo da falta deve atuar primeiro, confinando a interrupção ao menor número possível de consumidores.

2.1 Critério de Coordenação Fusível-Fusível

Quando dois elos fusíveis estão conectados em série (um fusível protetor a montante e um fusível protegido a jusante), a regra de coordenação que impede a deformação térmica do fusível a montante exige:

$\boxed{TC{T}_{\text{fusıˊvel a jusante}}\le 0,75\cdot MM{T}_{\text{fusıˊvel a montante}}}$

O fator $0,75$ concede uma margem de segurança de $25\%$ para compensar o pré-aquecimento térmico do elo e as tolerâncias de fabricação metalúrgica.

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2.2 Salva-Fusível (Fuse-Saving) versus Queima-Fusível (Fuse-Blowing)

A convivência entre o religador no tronco e as chaves fusíveis nos ramais laterais pode ser operada sob duas diretrizes estratégicas:

A) Filosofia Salva-Fusível (Fuse-Saving)

• Conceito: O religador é ajustado para disparar na sua Curva Rápida (Curva A) em um tempo inferior ao Tempo Mínimo de Fusão ($MMT$) do elo fusível do ramal: $t_{\text{religador,raˊpido}}(I_{\text{cc}})<MM{T}_{\text{fusıˊvel}}(I_{\text{cc}})$
• Vantagem: Se a falta no ramal for transitória (um galho tocando a rede), o religador abre a linha antes do fusível queimar. A falta é desionizada durante o intervalo morto e o sistema religa com sucesso em menos de 1 segundo. Nenhuma equipe precisa ser despachada para trocar o elo fusível.
• Desvantagem: Durante o disparo rápido do religador, todos os clientes do tronco sofrem um afundamento momentâneo de tensão (flicker / interrupção momentânea MAIFI). Se a falta for permanente, o religador abre rápido, fecha sob curto, o fusível finalmente atua na curva lenta e o tronco é recomposto, mas todos no circuito piscaram as luzes.

B) Filosofia Queima-Fusível (Fuse-Blowing / Trip-Saving)

• Conceito: O religador não opera em curva rápida ou seu tempo é intencionalmente retardado para permitir que o elo fusível queime imediatamente: $t_{\text{religador}}(I_{\text{cc}})>TC{T}_{\text{fusıˊvel}}(I_{\text{cc}})$
• Vantagem: Protege a qualidade de energia dos clientes industriais e comerciais situados no tronco principal. O cliente do tronco não sofre interrupção momentânea (zero pisques para faltas ocorridas nos ramais).
• Desvantagem: Qualquer falta transitória de fração de segundo queima o elo fusível, exigindo o deslocamento físico da equipe de campo com viatura para substituir o cartucho, elevando os custos de OPEX da distribuidora e a duração da interrupção (DEC) dos clientes do ramal afetado.

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3. Indicadores de Confiabilidade e Qualidade da Continuidade (PRODIST Módulo 8)

A ANEEL fiscaliza e pune rigorosamente a degradação da continuidade do fornecimento através dos Procedimentos de Distribuição (PRODIST Módulo 8), estabelecendo metas anuais, trimestrais e mensais para cada conjunto elétrico de consumidores.

3.1 Indicadores Coletivos de Continuidade

A) DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora)

Representa o intervalo médio de tempo, expresso em horas, que no período de apuração cada unidade consumidora do conjunto analisado permaneceu desprovida de energia elétrica em interrupções sustentadas ($\text{durac¸a˜o}\ge 3\text{ minutos}$):

$\boxed{DEC=\frac{{\sum }_{i=1}^k\left(C_i\cdot t_i\right)}{C_{\text{total}}}[\text{Horas}]}$

Onde:

• $k$: número total de ocorrências de interrupções sustentadas verificadas no período;
• $C_i$: número de unidades consumidoras interrompidas na ocorrência $i$;
• $t_i$: duração da interrupção na ocorrência $i$, expressa em horas e frações de hora;
• $C_{\text{total}}$: número total de unidades consumidoras ativas faturadas no conjunto.

B) FEC (Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora)

Representa o número médio de vezes que, no período considerado, cada consumidor do conjunto sofreu uma interrupção sustentada de fornecimento:

$\boxed{FEC=\frac{{\sum }_{i=1}^k{C}_i}{C_{\text{total}}}[\text{Vezes / Adimensional}]}$

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3.2 Indicadores Individuais de Continuidade

Enquanto o DEC e o FEC medem o desempenho agregado da coletividade, a ANEEL protege cada cidadão isolado contra o esquecimento da distribuidora através de metas individuais:

• DIC: Duração de Interrupção Individual da unidade consumidora (horas/mês).
• FIC: Frequência de Interrupção Individual (vezes/mês).
• DMIC: Duração Máxima de Interrupção Contínua em um único evento (horas).
• DICRI: Duração de Interrupção Individual ocorrida em Dia Crítico.

3.3 Mecanismo de Compensação Financeira Obrigatória

Caso a distribuidora descumpra os limites contratuais individuais de DIC, FIC ou DMIC para determinado cliente, ela é obrigada por lei a pagar uma indenização direta na conta de luz do consumidor no prazo de até dois meses após o fato gerador, calculada pela formulação da REN ANEEL nº 1.000/2021:

$\boxed{\text{Compensac¸a˜o (R\$)}=K\cdot EU\cdot \frac{DI{C}_{\text{verificado}}-DI{C}_{\text{limite}}}{DI{C}_{\text{limite}}}}$

Onde $EU$ é o Encargo de Uso da Distribuição mensal do cliente e $K$ é um multiplicador punitivo progressivo ($K=15$ a $30$).

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3.4 Padrão Internacional IEEE 1366

Na literatura técnica internacional e normas americanas, utilizam-se índices diretamente análogos:

• SAIDI (System Average Interruption Duration Index) $\equiv DEC$.
• SAIFI (System Average Interruption Frequency Index) $\equiv FEC$.
• CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index): $CAIDI=\frac{SAIDI}{SAIFI}=\frac{DEC}{FEC}[\text{Durac¸a˜o meˊdia das interrupc¸o˜es para quem sofreu a falta}]$
• MAIFI (Momentary Average Interruption Frequency Index): Frequência de interrupções de curtíssima duração ($<3\text{ minutos}$ decorrentes de religamento automático com sucesso).
• Classificação de Dias de Eventos Críticos (MEDs - Major Event Days): Metodologia estatística formal ($2,5\beta$) que permite expurgar tempestades climáticas com ventos com força de furacão e catástrofes naturais dos índices contínuos da distribuidora para fins de comparação operacional.

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4. Estudo de Caso Resolvido: Auditoria Técnica de DEC, FEC e Compensação Regulatória

Enunciado do Problema

Uma subestação de distribuição urbana atende a um conjunto de $C_{\text{total}}=25.000$ unidades consumidoras através de seus alimentadores primários de $13,8\text{ kV}$. Durante o mês de janeiro (período de fortes chuvas de verão), o Centro de Operações da Distribuição (COD) registrou os seguintes quatro eventos de interrupção sustentada:

• Evento 1 (Queda de árvore no tronco do Alimentador 1): Interrompeu $6.000$ clientes durante $2,5\text{ horas}$.
• Evento 2 (Queima de chave fusível no Ramal do Alimentador 2): Interrompeu $800$ clientes durante $4,0\text{ horas}$.
• Evento 3 (Atuação e bloqueio do religador do Alimentador 3 por descarga): Interrompeu $4.500$ clientes durante $1,2\text{ horas}$.
• Evento 4 (Falha em mufla terminal de transformador no Alimentador 1): Interrompeu $1.200$ clientes durante $3,5\text{ horas}$.

As metas regulatórias mensais estabelecidas pela ANEEL para esse conjunto elétrico são:

• $\text{Meta Mensal do }DE{C}_{\text{limite}}=1,10\text{ horas/meˆs}$.
• $\text{Meta Mensal do }FE{C}_{\text{limite}}=0,60\text{ vezes/meˆs}$.

Para um cliente específico do Evento 2 (indústria de panificação), o limite regulatório individual era $DI{C}_{\text{limite}}=2,5\text{ horas}$. O Encargo de Uso mensal do cliente é de EU = \text{R\} , 1.800,00$eomultiplicadorregulat\acute{o}riopunitivovigente\acute{e}$K = 20$.

1. Calcule o DEC realizado do conjunto no mês de janeiro e verifique se houve violação da meta regulatória.
2. Calcule o FEC realizado do conjunto no mês e verifique se houve conformidade.
3. Determine o valor de CAIDI para esse conjunto elétrico no mês.
4. Calcule o valor exato da compensação financeira em Reais (R$) que a distribuidora deverá creditar na fatura da indústria de panificação afetada pelo Evento 2.

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Solução Passo a Passo e Rigorosa

Passo 1: Cálculo do DEC do Conjunto

Calculamos inicialmente o numerador do DEC, correspondente à soma do produto “clientes $\times$ tempo de interrupção”:

${\sum }_{i=1}^4(C_i\cdot t_i)=(C_1\cdot t_1)+(C_2\cdot t_2)+(C_3\cdot t_3)+(C_4\cdot t_4)$

• Evento 1: $6.000\times 2,5=15.000\text{ cliente}\cdot \text{horas}$
• Evento 2: $800\times 4,0=3.200\text{ cliente}\cdot \text{horas}$
• Evento 3: $4.500\times 1,2=5.400\text{ cliente}\cdot \text{horas}$
• Evento 4: $1.200\times 3,5=4.200\text{ cliente}\cdot \text{horas}$

$\sum (C_i\cdot t_i)=15.000+3.200+5.400+4.200=27.800\text{ cliente}\cdot \text{horas}$

Dividindo pelo total de unidades consumidoras ($C_{\text{total}}=25.000$):

$DEC=\frac{27.800\text{ cliente}\cdot \text{horas}}{25.000\text{ clientes}}=1,112\text{ horas/meˆs}$

• Avaliação da Meta de DEC:
  $\text{Meta: }DE{C}_{\text{limite}}=1,10\text{ h}⟹DE{C}_{\text{realizado}}=1,112\text{ h}>1,10\text{ h}⟹\text{META DO DEC VIOLADA!}$

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Passo 2: Cálculo do FEC do Conjunto

O numerador do FEC é a soma total de consumidores atingidos:

${\sum }_{i=1}^4{C}_i=6.000+800+4.500+1.200=12.500\text{ interrupc¸o˜es}$

Dividindo por $C_{\text{total}}$:

$FEC=\frac{12.500}{25.000}=0,500\text{ vezes/meˆs}$

• Avaliação da Meta de FEC:
  $\text{Meta: }FE{C}_{\text{limite}}=0,60\text{ vezes}⟹FE{C}_{\text{realizado}}=0,50\text{ vezes}\le 0,60\text{ vezes}⟹\text{META DO FEC CUMPRIDA!}$

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Passo 3: Cálculo do CAIDI

O índice CAIDI indica a duração média que os consumidores interrompidos de fato esperaram pelo restabelecimento:

$CAIDI=\frac{DEC}{FEC}=\frac{1,112\text{ h}}{0,500\text{ vezes}}=2,224\text{ horas}\approx 2\text{ h e }13\text{ minutos}$

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Passo 4: Cálculo da Compensação Financeira Individual

A indústria de panificação foi atingida pelo Evento 2:

• Duração verificada da interrupção: $DI{C}_{\text{verificado}}=4,0\text{ horas}$.
• Limite regulatório individual contratado: $DI{C}_{\text{limite}}=2,5\text{ horas}$.
• Violação temporal líquida: $\Delta DIC=4,0-2,5=1,5\text{ horas}$.
• Encargo de Uso: EU = \text{R\} , 1.800,00$.
• Fator punitivo da ANEEL: $K=20$.

Aplicando a equação regulatória:

$\text{Compensac¸a˜o}=K\cdot EU\cdot \frac{DI{C}_{\text{verificado}}-DI{C}_{\text{limite}}}{DI{C}_{\text{limite}}}$

$\text{Compensac¸a˜o}=20\times 1.800\times \frac{4,0-2,5}{2,5}=36.000\times \frac{1,5}{2,5}=36.000\times 0,60$

$\boxed{\text{Compensac¸a˜o Financeira a ser creditada na fatura: }R\$21.600,00}$

Essa penalidade direta evidência como a falta de agilidade no reparo de ramais de média tensão acarreta severos prejuízos regulatórios e financeiros ao fluxo de caixa da distribuidora.

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5. Questões de Fixação e Concursos Comentados

Questão 01 - Petrobras / Engenheiro de Equipamentos Júnior - Eletricidade

(Banca Cesgranrio) Na coordenação de dispositivos de sobrecorrente em redes de distribuição de média tensão, ao coordenar dois elos fusíveis conectados em série, um a montante (fusível protetor) e outro a jusante (fusível protegido), a condição que garante que o fusível protetor não sofra fusão térmica ou dano metalúrgico permanente durante a atuação do fusível protegido é:

• (A) O tempo de fusão mínima do fusível protegido deve ser maior que o tempo total de interrupção do fusível protetor.
• (B) O tempo total de interrupção do fusível protegido deve ser menor ou igual a 75% do tempo de fusão mínima do fusível protetor.
• (C) A corrente nominal do fusível a montante deve ser exatamente igual à do fusível a jusante.
• (D) O tempo de arco do fusível a jusante deve ser superior a 10 segundos.
• (E) O fusível protegido deve possuir relação de velocidade de queima obrigatoriamente superior a 25.

Gabarito Comentado: Alternativa (B).
A regra de coordenação fusível-fusível universalmente consagrada prescreve que $TC{T}_{\text{jusante}}\le 0,75\cdot MM{T}_{\text{montante}}$. O coeficiente $0,75$ garante que a energia térmica dissipada pelo arco elétrico a jusante não aqueça o elemento fusível a montante além de sua temperatura de recristalização plástica, prevenindo aberturas indevidas posteriores.

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Questão 02 - CEMIG / Engenharia de Distribuição

(Banca FUMARC) A filosofia de proteção conhecida como “Salva-Fusível” (fuse-saving) empregada em alimentadores aéreos de distribuição baseia-se na coordenação entre o religador automático de tronco e os elos fusíveis de ramais. O princípio fundamental dessa filosofia consiste em:

• (A) Impedir que o religador atue antes de 10 segundos, forçando a queima de qualquer fusível na rede.
• (B) Fazer com que o religador automático atue em sua curva rápida em tempo inferior ao tempo de fusão mínima do fusível do ramal, desenergizando a linha e permitindo a extinção natural de faltas transitórias sem queima de fusível.
• (C) Eliminar a necessidade de aterramento nos transformadores de distribuição.
• (D) Substituir todos os elos fusíveis por chaves seccionadoras manuais unipolares sem elo fusível.
• (E) Garantir que nunca ocorram afundamentos de tensão no tronco principal da rede.

Gabarito Comentado: Alternativa (B).
A estratégia salva-fusível aproveita o fato de que a maioria esmagadora das faltas aéreas é transitória. Ao operar rapidamente (Curva A), o religador desenergiza o alimentador antes que o elo fusível atinja seu ponto de fusão ($t_{\text{religador}}<MM{T}_{\text{fusıˊvel}}$). Desfeita a causa fugaz durante o intervalo de religamento, a linha é restaurada sem necessidade de troca física de componentes.

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Questão 03 - COPEL / Engenharia Elétrica

(Banca NC-UFPR) Um conjunto de distribuição com $10.000$ consumidores apresentou, ao longo de um mês de apuração, três eventos de falta sustentada:

• Falta A: afetou $2.000$ consumidores por $3$ horas.
• Falta B: afetou $4.000$ consumidores por $1$ hora.
• Falta C: afetou $1.000$ consumidores por $2$ horas.

Os valores dos indicadores DEC e FEC desse conjunto para esse mês foram de:

• (A) $DEC=1,2\text{ horas}$ e $FEC=0,7\text{ vezes}$
• (B) $DEC=2,0\text{ horas}$ e $FEC=1,0\text{ vez}$
• (C) $DEC=1,2\text{ horas}$ e $FEC=0,5\text{ vezes}$
• (D) $DEC=0,7\text{ horas}$ e $FEC=1,2\text{ vezes}$
• (E) $DEC=1,5\text{ horas}$ e $FEC=0,8\text{ vezes}$

Gabarito Comentado: Alternativa (A).
Calculando o DEC: $\sum (C_i\cdot t_i)=(2.000\times 3)+(4.000\times 1)+(1.000\times 2)=6.000+4.000+2.000=12.000\text{ cliente}\cdot \text{horas}$ $DEC=\frac{12.000}{10.000}=1,2\text{ horas}$ Calculando o FEC: $\sum C_i=2.000+4.000+1.000=7.000\text{ consumidores atingidos}$ $FEC=\frac{7.000}{10.000}=0,7\text{ vezes}$ Portanto, $DEC=1,2\text{ h}$ e $FEC=0,7\text{ vezes}$.

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Questão 04 - Eletrobras / Furnas - Engenheiro de Proteção

(Banca FGV) No contexto das normas internacionais do IEEE (especificamente o padrão IEEE 1366), a métrica CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index) é obtida analiticamente através de qual relação matemática?

• (A) Pelo produto entre o SAIFI e o MAIFI.
• (B) Pela razão direta entre o índice SAIDI e o índice SAIFI.
• (C) Pelo inverso do índice SAIDI.
• (D) Pela raiz quadrada do somatório das faltas transitórias.
• (E) Pela diferença entre a demanda de ponta e a demanda média.

Gabarito Comentado: Alternativa (B).
Por definição formal da norma IEEE 1366: $CAIDI=\frac{SAIDI}{SAIFI}=\frac{\frac{\sum C_i{t}_i}{C_{\text{total}}}}{\frac{\sum C_i}{C_{\text{total}}}}=\frac{\sum C_i{t}_i}{\sum C_i}$ O CAIDI representa a duração média de interrupção restrita estritamente aos clientes que sofreram a falta (tempo médio de espera pela recomposição).

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Questão 05 - ENEL / Operação do Sistema de Distribuição

(Banca CESPE / CEBRASPE) A respeito do seccionalizador automático de média tensão aplicado em redes de distribuição primária, é correto afirmar que:

• (A) É um disjuntor com grande capacidade de ruptura capaz de extinguir correntes de curto-circuito de até $25\text{ kA}$ em carga.
• (B) Funciona contando os pulsos de corrente de curto-circuito e abrindo suas lâminas durante o intervalo sem tensão promovido pelo religador a montante.
• (C) Substitui completamente a necessidade de relés microprocessados na subestação.
• (D) Deve ser instalado sempre a montante do disjuntor da subestação.
• (E) Só pode ser acionado se houver conexão por fibra óptica dedicada com a central de despacho.

Gabarito Comentado: Alternativa (B).
O seccionalizador não possui câmara de extinção de arco para interromper correntes de curto-circuito. Ele opera contando os disparos do religador instalado a montante. Quando o religador abre a linha e o circuito entra no intervalo desenergizado (tempo morto), o seccionalizador abre seus contatos mecânicos em vazio, isolando o ramal defeituoso antes que o religador tente seu último fechamento.