2 análise de irregularidades na medição de energia elétrica - PUC Rio
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2 ANÁLISE DE IRREGULARIDADES NA MEDIÇÃO DE<br />
ENERGIA ELÉTRICA<br />
2.1 INTRODUÇÃO<br />
Como conseqüência direta das privatizações do mercado <strong>de</strong> <strong>energia</strong>, as<br />
concessionárias do setor elétrico começaram a investigar as suas perdas não<br />
técnicas (comerciais) visando buscar meios para a sua redução. Os resultados<br />
<strong>de</strong>stas investigações mostraram que, em alguns países, estas perdas po<strong>de</strong>m<br />
representar até 20% do total <strong>de</strong> <strong>energia</strong> gerada.<br />
A Figura 1 apresenta a curva das perdas <strong>de</strong> <strong>energia</strong> <strong>elétrica</strong> da Light<br />
Serviços <strong>de</strong> Eletricida<strong>de</strong> S.A. no período <strong>de</strong> janeiro <strong>de</strong> 1997 a julho <strong>de</strong> 2003.<br />
25.0<br />
20.0<br />
15.0<br />
10.0<br />
5.0<br />
Jan/97<br />
Abr<br />
Jul<br />
Out<br />
Jan/98<br />
Abr<br />
Jul<br />
Out<br />
Jan/99<br />
Perdas <strong>de</strong> Energia Elétrica<br />
Abr<br />
Jul<br />
Figura 1 – Curva <strong>de</strong> Perdas <strong>de</strong> Energia Elétrica<br />
Out<br />
Totais<br />
Comerciais<br />
Técnicas<br />
Jan/00<br />
As principais razões para as perdas comerciais são: erros <strong>na</strong> conexão do<br />
medidor, especialmente nos medidores operados via transformador <strong>de</strong> corrente<br />
(TC); baixa qualida<strong>de</strong> do medidor; manipulação fraudulenta do medidor, tal como<br />
modificações <strong>na</strong>s conexões; erros aci<strong>de</strong>ntais <strong>na</strong> leitura ou transmissão dos dados<br />
Abr<br />
Jul<br />
Out<br />
Jan/01<br />
Abr<br />
Jul<br />
Out<br />
Jan/02<br />
Abr<br />
Jul<br />
Out<br />
Jan/03<br />
Abr<br />
24<br />
Jul<br />
22.28
lidos no medidor; erro intencio<strong>na</strong>l <strong>de</strong> leitura do medidor, i.e. frau<strong>de</strong>s causadas<br />
pelos leituristas; e erros <strong>de</strong> faturamento (aci<strong>de</strong>ntais ou intencio<strong>na</strong>is).<br />
Os mesmos problemas po<strong>de</strong>m ser encontrados em maior ou menor grau<br />
em qualquer parte do mundo. A proporção da ocorrência <strong>de</strong> cada irregularida<strong>de</strong> <strong>na</strong><br />
<strong>medição</strong> varia <strong>de</strong> acordo com as diferenças culturais e econômicas <strong>de</strong> cada país.<br />
2.2 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA<br />
Pela Resolução 456/2000 da ANEEL, nos casos <strong>de</strong> irregularida<strong>de</strong>s<br />
imputáveis à concessionária <strong>de</strong> distribuição <strong>de</strong> <strong>energia</strong> <strong>elétrica</strong>, só po<strong>de</strong>rão ser<br />
cobradas as diferenças retroativas a um ciclo <strong>de</strong> faturamento. Portanto, a<br />
i<strong>de</strong>ntificação da irregularida<strong>de</strong> <strong>na</strong> <strong>medição</strong> em seu primeiro ciclo permite uma<br />
ação imediata <strong>de</strong> correção e, conseqüentemente, uma recuperação próxima <strong>de</strong><br />
100% das perdas comerciais.<br />
A Figura 2 ilustra a curva <strong>de</strong> consumo <strong>de</strong> uma unida<strong>de</strong> consumidora <strong>de</strong><br />
média tensão (MT) que apresentou uma irregularida<strong>de</strong> em seu consumo <strong>de</strong> <strong>energia</strong><br />
<strong>elétrica</strong> entre março e maio <strong>de</strong> 2000. Neste caso, ocorreu um erro <strong>na</strong> instalação do<br />
transformador <strong>de</strong> corrente (TC) do conjunto <strong>de</strong> <strong>medição</strong>, o qual teve sua<br />
polarida<strong>de</strong> invertida. A <strong>de</strong>mora <strong>na</strong> i<strong>de</strong>ntificação e correção do problema, ocorrido<br />
ape<strong>na</strong>s em novembro <strong>de</strong> 2000, gerou a uma perda consi<strong>de</strong>rável <strong>na</strong> receita referente<br />
a esta unida<strong>de</strong> consumidora, que neste caso, a concessionária somente po<strong>de</strong>rá<br />
cobrar um ciclo <strong>de</strong> faturamento retroativo a partir do consumo apurado após a<br />
regularização.<br />
Os mo<strong>de</strong>los matemáticos comumente usados <strong>na</strong> i<strong>de</strong>ntificação <strong>de</strong><br />
irregularida<strong>de</strong>s <strong>na</strong> <strong>medição</strong> se baseiam <strong>na</strong> <strong>análise</strong> da redução percentual do<br />
consumo do mês (normalmente <strong>de</strong> 20% a 30%) com relação aos meses anteriores.<br />
Este método tem gerado resultados imprecisos uma vez que consi<strong>de</strong>ra o valor do<br />
consumo como um valor rígido e, portanto, não incorpora o efeito da sazo<strong>na</strong>lida<strong>de</strong><br />
<strong>na</strong> tipologia das cargas das unida<strong>de</strong>s consumidoras.<br />
25
kWh<br />
700,000<br />
600,000<br />
500,000<br />
400,000<br />
300,000<br />
200,000<br />
100,000<br />
0<br />
jan/99<br />
TC com Polarida<strong>de</strong> Invertida<br />
I<strong>de</strong>ntificado em Set/00 - Corrigido em Nov/00<br />
mar/99<br />
mai/99<br />
jul/99<br />
set/99<br />
nov/99<br />
Figura 2 – Perfil <strong>de</strong> Consumo <strong>de</strong> Unida<strong>de</strong> Consumidora com<br />
Irregularida<strong>de</strong> <strong>na</strong> Medição<br />
Dentre as irregularida<strong>de</strong>s causadas <strong>de</strong> forma intencio<strong>na</strong>l <strong>na</strong> <strong>medição</strong> <strong>de</strong><br />
MT, <strong>de</strong>stacam-se, pela quantida<strong>de</strong> relatada, a instalação do conjunto <strong>de</strong> <strong>medição</strong><br />
com a polarida<strong>de</strong> do TC invertida e a utilização <strong>de</strong> um “bypass” ou “shunt” entre<br />
os bornes A e C do TC. Na seção seguinte é revista a estimação dos erros <strong>de</strong><br />
<strong>medição</strong> causados por estas irregularida<strong>de</strong>s, sob a ótica <strong>elétrica</strong>, consi<strong>de</strong>rando a<br />
<strong>medição</strong> trifásica em duas linhas, que é a mais comumente utilizada nos clientes<br />
MT por ser fi<strong>na</strong>nceiramente mais econômica e tecnicamente eficiente.<br />
É importante ressaltar que o sistema proposto neste trabalho tem a<br />
capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> i<strong>de</strong>ntificar qualquer tipo <strong>de</strong> irregularida<strong>de</strong> <strong>na</strong> <strong>medição</strong> <strong>de</strong> <strong>energia</strong><br />
<strong>elétrica</strong>, seja ela intencio<strong>na</strong>l ou espontânea.<br />
2.2.1 Erros <strong>de</strong> Medição Causados pela Inversão da Polarida<strong>de</strong><br />
jan/00<br />
Segundo o Teorema <strong>de</strong> Blon<strong>de</strong>l [9] [11], é sempre possível medir a<br />
potência <strong>de</strong> um circuito trifásico utilizando instrumentos em duas linhas do<br />
mar/00<br />
mai/00<br />
Área que representa o<br />
valor máximo possível<br />
<strong>de</strong> recuperação<br />
jul/00<br />
set/00<br />
nov/00<br />
jan/01<br />
mar/01<br />
mai/01<br />
jul/01<br />
26
circuito. A Figura 3 ilustra esta modalida<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>medição</strong> com a utilização <strong>de</strong> dois<br />
wattímetros: P1 e P2.<br />
A potência <strong>de</strong> um sistema trifásico equilibrado po<strong>de</strong> então ser calculada<br />
pela soma da <strong>medição</strong> dos dois Wattímetros (P1 e P2), logo:<br />
P1= EABIAcos(30 +Φ )<br />
(1)<br />
P2= EBCI c cos(30 −Φ)<br />
(2)<br />
on<strong>de</strong>:<br />
E ij = tensão entre a fase i e a fase j, medida em Volts;<br />
I i = corrente <strong>na</strong> linha i, medida em Àmperes;<br />
Φ = Ângulo do Fator <strong>de</strong> Potência.<br />
Logo, somando-se as eq. (1) e (2) obtém-se a potência total do circuito<br />
trifásico:<br />
[ ] [ ]<br />
P = P1+ P2 = EABIAcos(30 +Φ ) + EBCI C cos(30 −Φ)<br />
(3)<br />
Sendo:<br />
cos(30 +Φ ) = cos30cos Φ−sin 30sin Φ (4)<br />
cos(30 +Φ ) = cos30cos Φ−sin 30sin Φ (5)<br />
e, sendo o circuito trifásico equilibrado, tem-se:<br />
EAB = EBC= E (6)<br />
I A = IC = I<br />
(7)<br />
27
Substituindo as eq. (4), (5), (6) e (7) <strong>na</strong> eq. (3), tem-se que o valor da<br />
potência ativa trifásica <strong>de</strong> um circuito equilibrado, medido pelo método <strong>de</strong> dois<br />
wattímetros, é dado por:<br />
P= P1+ P2 = 2EIcos30cos Φ (8)<br />
P= 2× 0.866EIcosΦ = 1.73EIcosΦ = 3EIcosΦ (9)<br />
on<strong>de</strong> cos Φ é o Fator <strong>de</strong> Potência <strong>na</strong> carga eΦ é o ângulo <strong>de</strong> <strong>de</strong>fasagem<br />
entre a tensão e a corrente <strong>na</strong> mesma carga.<br />
Figura 3 – Medição Trifásica pelo Método dos Dois Wattímetros<br />
Consi<strong>de</strong>rando o fator <strong>de</strong> potência (FP) igual a 1,0 (ângulo <strong>de</strong> <strong>de</strong>fasagem<br />
entre a tensão e a corrente <strong>na</strong> carga igual a 0°), tem-se o diagrama fasorial <strong>de</strong><br />
<strong>medição</strong> ilustrado <strong>na</strong> Figura 4.<br />
Logo, a partir da eq. (9), tem-se:<br />
P= 3EIcosΦ = 3EIcos0= 3EI<br />
(10)<br />
28
Figura 4 – Diagrama <strong>de</strong> Fasores da Medição Trifásica com Dois<br />
Wattímetros para Fator <strong>de</strong> Potência = 1,0 <strong>na</strong> Carga.<br />
A inversão <strong>de</strong> polarida<strong>de</strong> <strong>na</strong> bobi<strong>na</strong> amperimétrica <strong>de</strong> um dos wattímetros<br />
implica <strong>na</strong> inversão do fasor correspon<strong>de</strong>nte, conforme apresentado <strong>na</strong> Figura 5,<br />
que exemplifica a inversão do fasor da corrente <strong>de</strong> linha Ic.<br />
Da eq. (3), consi<strong>de</strong>rando FP =1 <strong>na</strong> carga ( Φ = 0°),<br />
tem-se:<br />
[ ] [ ]<br />
P = P1+ P2 = EABIAcos(30 + 0) + EBCICcos(30 −0− 180)<br />
(11)<br />
Consi<strong>de</strong>rando um circuito trifásico equilibrado, conforme as eq. (6) e (7),<br />
tem-se:<br />
⎛ 3 3⎞<br />
P= EI ⎜<br />
− ⎟=<br />
0<br />
2 2 ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
Logo, nesta situação:<br />
29<br />
(12)<br />
P= P1− P2<br />
(13)<br />
ou<br />
P=− P1+ P2<br />
(14)
Esta mudança no ângulo do fasor faz com que o cosseno seja negativo, o<br />
que tor<strong>na</strong> o valor medido da potência trifásica como sendo a diferença dos dois<br />
wattímetros e não mais a soma <strong>de</strong>stes. Conclui-se, portanto, que para um circuito<br />
trifásico equilibrado com fator <strong>de</strong> potência igual a 1 <strong>na</strong> carga, o erro introduzido<br />
<strong>na</strong> <strong>medição</strong> é <strong>de</strong> 100%.<br />
Figura 5 – Diagrama <strong>de</strong> Fasores da Medição Trifásica com Dois<br />
Wattímetros para Fator <strong>de</strong> Potência = 1,0 <strong>na</strong> Carga. TC da Fase C<br />
Instalado com Inversão <strong>de</strong> Polarida<strong>de</strong>.<br />
Conforme dito anteriormente, a <strong>medição</strong> da potência trifásica em duas<br />
linhas do circuito é amplamente utilizada <strong>na</strong> <strong>medição</strong> <strong>de</strong> unida<strong>de</strong>s consumidoras<br />
supridas em média tensão (MT). O principal motivo <strong>de</strong>sta ampla utilização é a<br />
redução <strong>de</strong> custo <strong>de</strong> material e mão-<strong>de</strong>-obra em comparação à instalação da<br />
<strong>medição</strong> trifásica em três linhas, que utiliza três transformadores <strong>de</strong> potencial (TP)<br />
e três transformadores <strong>de</strong> corrente (TC). Todavia, é importante ressaltar que o<br />
problema <strong>de</strong> inversão <strong>de</strong> polarida<strong>de</strong> <strong>na</strong> instalação <strong>de</strong> TC’s e TP’s causará perdas<br />
<strong>na</strong> <strong>medição</strong> da potência ativa, in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ntemente do mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> <strong>medição</strong> utilizado<br />
ser a dois fios ou a três fios.<br />
30
2.2.2 Erros <strong>de</strong> Medição Causados pelo Desvio entre os Bornes A e C<br />
do TC<br />
Outra irregularida<strong>de</strong> constatada é o artifício ilícito utilizado pelo <strong>de</strong>svio<br />
(shunt) unindo os bornes das fases A e C do TC.<br />
A Figura 6 apresenta o circuito equivalente da <strong>medição</strong> sem irregularida<strong>de</strong>.<br />
Figura 6 – Circuito Equivalente - Medição Trifásica pelo Método dos<br />
Dois Wattímetros<br />
A Figura 7 ilustra o circuito equivalente da <strong>medição</strong> com a irregularida<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>svio inserida.<br />
31
Figura 7 – Circuito Equivalente - Medição Trifásica pelo Método dos<br />
Dois Wattímetros com Shunt<br />
A partir da introdução do <strong>de</strong>svio, o circuito equivalente po<strong>de</strong> ser<br />
re<strong>de</strong>senhado conforme ilustrado <strong>na</strong> Figura 8. O respectivo diagrama <strong>de</strong> fasores é<br />
apresentado <strong>na</strong> Figura 9.<br />
Consi<strong>de</strong>rando o circuito trifásico equilibrado, tem-se:<br />
EAB = EBC= E (15)<br />
I F I<br />
IA = IC<br />
= = (16)<br />
2 2<br />
Consi<strong>de</strong>rando o fator <strong>de</strong> potência <strong>na</strong> carga igual a 1 e aplicando-se as eq.<br />
(15) e (16) em (3) obtém-se o conjugado do medidor que calcula a potência<br />
trifásica no circuito com o <strong>de</strong>svio:<br />
⎡ I ⎤ ⎡ I ⎤<br />
PIrreg = P1+ P2 =<br />
⎢<br />
E cos(30 + 0) + E cos(30 −0)<br />
⎣ 2 ⎥<br />
⎦<br />
⎢<br />
⎣ 2 ⎥<br />
⎦ (17)<br />
32
Logo:<br />
I ⎛ 3 3⎞ 3<br />
PIrreg = E ⎜ EI<br />
2⎜ + ⎟=<br />
2 2 ⎟<br />
⎝ ⎠ 2<br />
Substituindo a eq. (10) em (18), tem-se:<br />
33<br />
(18)<br />
P<br />
P Irreg = (19)<br />
2<br />
Conclui-se que para um circuito trifásico equilibrado com fator <strong>de</strong> potência<br />
igual a 1 <strong>na</strong> carga, o erro introduzido <strong>na</strong> <strong>medição</strong> pela aplicação do <strong>de</strong>svio (shunt)<br />
é <strong>de</strong> 50%.<br />
Figura 8 – Circuito Equivalente Re<strong>de</strong>senhado - Medição Trifásica pelo<br />
Método dos Dois Wattímetros com Shunt
Figura 9 – Diagrama <strong>de</strong> Fasores - Medição Trifásica pelo Método dos<br />
Dois Wattímetros com Shunt<br />
Como <strong>na</strong> prática os circuitos trifásicos não são perfeitamente equilibrados<br />
e, como as ocorrências das irregularida<strong>de</strong>s não são contínuas, tor<strong>na</strong>-se uma tarefa<br />
muito difícil a i<strong>de</strong>ntificação <strong>de</strong> perdas <strong>na</strong> <strong>medição</strong> MT pelos métodos matemáticos<br />
e estatísticos clássicos.<br />
2.3 RESUMO<br />
Neste capítulo foi <strong>de</strong>scrito o problema das perdas comerciais e técnicas<br />
causadas por irregularida<strong>de</strong>s <strong>na</strong> <strong>medição</strong> <strong>de</strong> <strong>energia</strong> <strong>elétrica</strong> das unida<strong>de</strong>s<br />
consumidoras. Como exemplos, foram apresentados os dois casos mais<br />
comumente reportados no dia-dia do trabalho <strong>de</strong> <strong>medição</strong> <strong>de</strong> unida<strong>de</strong>s<br />
consumidoras supridas em média tensão (MT): os erros causados pela inversão <strong>de</strong><br />
polarida<strong>de</strong> dos transformadores <strong>de</strong> corrente (TC’s); e os erros causados pelo<br />
<strong>de</strong>svio aplicado entre bornes <strong>de</strong> duas fases dos TC’s.<br />
34
No capítulo seguinte serão introduzidos os conceitos <strong>de</strong> inteligência<br />
artificial que nortearam o <strong>de</strong>senvolvimento do Sistema <strong>de</strong> Classificação <strong>de</strong><br />
Unida<strong>de</strong>s Consumidoras proposto neste trabalho.<br />
35