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Perdas nos sistemas elétricos de energia. Perdas técnicas 1/15
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Perdas nos sistemas elétricos de energia
Perdas técnicas
Projeto FEUP 2015/2016 -- Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de
Computadores:
Armando Sousa Nuno Fidalgo
Manuel Firmino
Equipa 4:
Supervisor: Nuno Fidalgo Monitor: Rúben Brito
Estudantes & Autores:
Daniel Silva [email protected] Eduardo Costa [email protected]
Nuno Santos [email protected] Sandra Pires [email protected]
Tiago Regallo [email protected]
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Resumo
Este trabalho aprofunda o tema das perdas técnicas de energia, definindo o que são,
o que as causa, maneiras de as reduzir e também os custos que essas perdas acarretam
para a sociedade.
As perdas técnicas de energia consistem na diferença de quantidade de energia que
é produzida e aquela que finalmente chega ao consumidor. Estas perdas ocorrem,
sobretudo, nas redes de distribuição (linhas e transformadores). No primeiro caso, as perdas
dão-se devido ao efeito de Joule. Este efeito também acontece nos transformadores,
juntamente com as perdas de histerese e correntes de Foucault.
Mas como reduzir as perdas? Existem vários métodos usados para a redução das
perdas técnicas de energia, tais como a melhoria das linhas de distribuição, a produção
dispersa, a compensação de energia reativa e a melhoria nos transformadores. Infelizmente,
apesar dos vários métodos para a minimização das perdas, estas continuam a acontecer
levando à perda de enormes quantias de dinheiro.
Palavras-Chave
Perdas; Energia elétrica; Sistemas elétricos; Redes de distribuição;
Perdas nos sistemas elétricos de energia. Perdas técnicas 3/15
Índice
Lista de tabelas .............................................................................................................. 4
Lista de figuras ............................................................................................................... 4
1. Introdução ................................................................................................................... 5
2. O que são perdas? ..................................................................................................... 6
2.1. Distinção entre perdas técnicas e não técnicas .................................................... 6
3. Causas das Perdas Técnicas ..................................................................................... 8
3.1. Perdas de histerese ............................................................................................. 9
3.2. Perdas por corrente de Foucault ........................................................................ 10
4. Medidas para reduzir as Perdas Técnicas de Energia .............................................. 11
4.1. Investimento em linhas ....................................................................................... 11
4.2. Produção dispersa ............................................................................................. 11
4.3. Compensação de Energia Reativa ..................................................................... 12
4.4. Melhoria nos Transformadores ........................................................................... 12
5. Valores das Perdas .................................................................................................. 13
6. Conclusões ............................................................................................................... 14
7. Referências bibliográficas ......................................................................................... 15
Perdas nos sistemas elétricos de energia. Perdas técnicas 4/15
Lista de tabelas
Tabelas Páginas
Tabela 1. Energia inicial, fornecida e perdida, e custos das perdas. 14
Lista de figuras
Figuras Páginas
Figura 1. Processamento da energia elétrica. 7
Figura 2. Perdas por efeito de Joule. 8
Figura 3. Perdas de histerese (ciclo de histeres de dois materiais diferentes). 9
Figura 4. Perdas por correntes de Foucault no núcleo. 10
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1. Introdução
A energia, ao longo dos anos, tornou-se num bem fundamental para a vida do homem.
Ajudou-o a melhorar a sua qualidade de vida, permitindo-o iluminar as horas noturnas,
realizar com maior facilidade as tarefas do dia-a-dia, lavar a roupa, cozinhar, bem como
passar a ferro. Permitiu, também, encontrar maneiras de preencher o seu tempo através de
televisão, computadores, consolas, entre outros. Não podemos afirmar que a nossa vida
sem acesso a energia seria a mesma, provavelmente nem saberíamos como viver sem ela.
A energia elétrica tornou-se indispensável para o ser humano e para os seus modos de vida
atuais e, provavelmente, futuros.
Mas existe sempre uma outra face do problema que, neste caso, trata-se do facto de
a tecnologia não ter evoluído o suficiente para impedir que ocorram perdas de energia, quer
ao longo das redes de distribuição quer à chegada da sua última paragem. Assim, no âmbito
da disciplina Projeto FEUP, desenvolvemos um trabalho que tem como objetivo um
esclarecimento teórico do que são as perdas de energia ao nível da distribuição, as suas
causas e consequências monetárias e possíveis melhorias. Sendo assim, com este trabalho
pretende-se consciencializar e informar os utilizadores e interessados para as perdas de
energia técnicas tendo como base informação recolhida em empresas responsáveis pela
distribuição de energia em Portugal e também em teses e dissertações desenvolvidas em
torno do tema, sendo esta uma abordagem ligeira e clara do tema, suscetível de ser
percebida por todos a fim de suportar conhecimentos básicos e essenciais daquilo que é
parte integrante do quotidiano da sociedade. Este relatório deve ser visto como uma síntese
explicativa e superficial de alguns projetos desenvolvidos, tais como teses e dissertações
realizadas, por exemplo, por alunos da FEUP.
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2. O que são perdas?
Ao longo de um sistema elétrico (tipicamente constituído por três grandes etapas:
produção, transmissão e distribuição) verifica-se uma diferença entre a quantidade de
energia produzida e aquela que chega realmente ao seu consumidor final. A essa diferença
dá-se o nome técnico de perda num sistema elétrico de energia.
Ora, estas ditas perdas são, por questões de logística e afins, diferenciadas. Sendo
agrupadas em dois grandes tipos, as perdas técnicas e as perdas não técnicas [9].
2.1. Distinção entre perdas técnicas e não técnicas
As perdas não técnicas, também denominadas por perdas comerciais, representam
um dos tipos de perdas mais importantes visto que contribuem para o acréscimo da energia
comprada pelo distribuidor que posteriormente não é faturada. Os erros de medição, os
erros de ligação, o desvio de energia antes da medição, a ligação clandestina, bem como a
fraude nos equipamentos de medição são as principais causas das perdas não técnicas [1].
As perdas técnicas resultam de fenómenos físicos associados ao transporte e
distribuição da energia elétrica desde as centrais até aos consumidores. Durante este
processo a energia é dissipada principalmente em condutores e transformadores. As perdas
ocorrem nos mais diversos equipamentos elétricos e podem ser divididas em 2 grupos:
● Perdas ativas - resultam do efeito de Joule constituindo a maior parte das perdas
técnicas e estão presentes em todos os condutores elétricos. As perdas são
proporcionais ao quadrado da corrente elétrica que percorre os condutores, e
determinam-se multiplicando este valor pela sua resistência elétrica (R x 𝐼2).
Relativamente à transmissão de energia em corrente alternada, o efeito pelicular
contribui (de forma não significativa para a frequência de 50 Hz) para o aumento das
perdas, através do aumento da resistência do condutor. Este fenómeno faz com que
a secção útil do condutor se altere visto que, a densidade tende a ser maior na
superfície do condutor e menor (possivelmente nula) no seu eixo.
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● Perdas reativas - ocorrem essencialmente nas reatâncias dos equipamentos. Nos
sistemas de transmissão em corrente alternada as reatâncias armazenam energia
em cada meio ciclo, para de seguida devolver essa mesma energia à fonte. Pelo
facto referido anteriormente, a energia reativa em questão não será efetivamente
perdida, sendo contudo necessária para o funcionamento dos componentes. Embora
não cause perdas diretamente, também as influencia pois contribui para o aumento
da corrente nas linhas [1].
Figura 1 - Processamento da energia elétrica1
1http://www.academiadeciencia.org.br/site/wp-
content/uploads/2012/08/MODELO_TRANSMISS%C3%83O_ENERGIA.gif
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3. Causas das Perdas Técnicas
Nos sistemas elétricos de energia é inevitável referirmo-nos às perdas técnicas, pois
estas estão associadas a fenómenos físicos associados à transformação/distribuição da
energia elétrica, das centrais para os consumidores. Neste processo uma parte da energia é
dissipada fundamentalmente nas redes de distribuição de energia e nos transformadores,
bem como nos equipamentos de medição.
Por um lado, uma das principais causas das perdas nos sistemas de distribuição é
devida à dissipação de calor. Este efeito, que se deve à passagem da corrente elétrica nos
condutores, dá-se o nome de efeito de Joule. O efeito de Joule nos condutores resulta do
choque entre os eletrões livres e os átomos das substâncias constituintes dos condutores
quando a estes estão aplicados uma determinada tensão elétrica. De cada choque resulta
uma libertação de calor, consequentemente, devido a existirem muitos eletrões em
movimento, o calor libertado pode ser considerável [2]. Com isto a energia elétrica que se
transforma em energia calorifica é diretamente proporcional à resistência elétrica deste e ao
quadrado da intensidade da corrente elétrica que neste passa, resultando assim na
expressão:
𝑃𝑗 = 𝑅𝑖 𝑥 𝐼2
onde Pj significa perdas por efeito de Joule e Ri significa resistência interna.
Dada a tecnologia atual estas perdas não podem ser evitadas, contudo podem ser
minimizadas.
Por outro lado, nos transformadores existem mais tipos de perdas, entre elas as perdas
de histerese, por correntes de Foucault e também as perdas por efeito de Joule.
Com isto, tanto as perdas de histerese como por corrente de Foucault são perdas que
se dão no núcleo dos transformadores sendo estas aproximadamente constantes, ou seja,
não dependem da quantidade de energia que transporta mas sim do material que são feitos.
Figura 2 - Perdas por efeito de Joule2
2 http://www.geocities.ws/saladefisica8/eletrodinamica/efeitos10.gif
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3.1. Perdas de histerese
A palavra "histerese" deriva do grego antigo "atraso", consistindo na tendência que um
material ou sistema tem em conservar as suas propriedades na ausência de um estímulo
que as gerou. Cada material é constituído por ímanes elementares sendo que estes vão se
orientando mediante a passagem do campo magnético e a esta orientação é que está
associado o atraso, sendo que este atraso dá-se devido à inercia na orientação dos ímanes.
Consequentemente, quando o campo magnético aplicado em um material ferromagnético
for aumentado até a saturação e em seguida for diminuído, a densidade de fluxo magnético
não diminui tão rapidamente quanto o campo magnético. Desta forma quando o campo
magnético chega a zero, ainda existe uma densidade de fluxo remanescente, Br. Para que
o fluxo magnético chegue a zero é necessário aplicar um campo negativo, chamado de
campo coercitiva. Se o campo magnético continuar a aumentar no sentido negativo, o
material é magnetizado com polaridade oposta. A redução do campo novamente a zero
deixa uma densidade de fluxo remanescente, -Br, e para reduzir B a zero, deve-se aplicar
uma força coercitiva no sentido positivo. Aumentando-se mais ainda o campo, o material
fica novamente saturado, com a polaridade inicial [3]. Deste modo, cria-se então um ciclo
que se denomina de ciclo de histerese. Cada material ferromagnético tem o seu ciclo de
histerese, sendo que nas perdas por histerese corresponde à área desse ciclo.
Figura 3 - Perdas de histerese (ciclo de histeres de dois materiais diferentes)3
3 http://www.mspc.eng.br/elemag/im01/eletrm_mat_025.png
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3.2. Perdas por corrente de Foucault
Correntes de Foucault são correntes elétricas induzidas nas massas metálicas dos
equipamentos e recetores, massas essas que geralmente não fazem parte do circuito
elétrico propriamente dito. Daí terem também a denominação de correntes parasitas. Estas
correntes aparecem no núcleo de ferro do transformador, aquecem-no e, portanto, há
dispêndio de energia sob a forma de calor. Sendo assim, se a corrente variável provoca um
campo magnético variável e, portanto, um fluxo variável, no núcleo ferromagnético, o qual
produz no próprio ferro forças eletromotrizes induzidas, induzindo-se assim, também,
correntes, circulares, que aparecem em planos perpendiculares à direção do campo
magnético.[2] Concluindo, tudo o que existe na natureza necessita de uma energia para
existir, e não é diferente com as correntes de Foucault, que consomem energia útil para o
funcionamento do transformador e não resultam em trabalho nenhum. Devido a isso, esta
corrente é considerada uma perda que deve ser eliminada o máximo possível, para que
tenhamos um maior rendimento do transformador [4].
Figura 4 - Perdas por correntes de Foucault no núcleo4
4 https://dicasdozebio.files.wordpress.com/2014/04/fig10-correntesfoucault1.jpg
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4. Medidas para reduzir as Perdas Técnicas de Energia
A existência de perdas técnicas de energia nos sistemas elétricos obriga a que sejam
implementadas medidas que visam a redução das mesmas. Para isso, foram
implementadas pelas empresas distribuidoras de energia elétrica estratégias como o
investimento e reforço de linhas, compensação reativa, produção dispersa e mudanças do
nível de tensão [1].
4.1. Investimento em linhas
Este método consiste num investimento para a melhoria de linhas de distribuição da
energia elétrica que contribuem para as perdas técnicas. Essa identificação é obtida tendo
como base simulações, análises das linhas mais carregadas e também através da
identificação das linhas mais antigas, uma vez que estas estão mais próximas do fim da sua
vida funcional. Após essa etapa substitui-se as linhas antigas por outra com melhores
propriedades, como menor resistência do material condutor e maior secção útil, uma vez
que as perdas são tanto menores quanto menor for a resistividade elétrica do material
condutor e quanto maior for a secção útil [1].
Outra hipótese relacionada com o investimento de linhas tem como base a colocação
de novas linhas em paralelo, uma vez que se aumenta assim a secção útil e fornece suporte
para as outras linhas mais antigas [5].
4.2. Produção dispersa
A produção dispersa constitui um tipo de produção que é obtida através de pilhas de
células de combustível, microturbinas a gás, energias renováveis, entre outros. Esta
produção é diferente das produções tradicionais uma vez que não é realizada numa grande
central e encontra-se espalhada pelas redes de distribuição [6]. Constitui uma medida de
prevenção das perdas técnicas visto que a produção localiza-se perto dos locais de carga
contribuindo assim para um menor fluxo de energia nas linhas e consequente redução de
perdas [5].
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4.3. Compensação de Energia Reativa
A energia reativa é fundamental uma vez que é a causa da criação dos campos
eletromagnéticos [7]. O inconveniente que a energia reativa acarreta é a circulação dela
pelas linhas entre a fonte de alimentação e as cargas e, consequentemente, reduz a
capacidade de transmissão de linhas elétricas, contribuindo assim para o aumento das
perdas de energia [8].
Assim, a técnica de compensação de energia reativa baseia-se na colocação em sítios
específicos baterias de condensadores que fornecem energia reativa negativa que anula
parte da energia reativa positiva que transita nas linhas, reduzindo assim as perdas de
energia [5].
4.4. Melhoria nos Transformadores
Como referido anteriormente, os transformadores são das principais causas das perdas
técnicas de energia. Para combater essas perdas adotaram-se medidas como substituição,
monitorização e operação de transformadores. A substituição é necessária quando o
transformador antigo já se encontra deteriorado ou se já chegou ao fim da sua vida útil,
optando por um novo transformador com melhor grau de eficiência e com melhores
condutores. A segunda medida visa monitorizar os transformadores e a carga das linhas e
tentar manter uniforme o rendimento durante as horas vazias e as horas de maior consumo.
E a última solução, operação de transformadores, consiste em ligar e desligar
transformadores utilizando apenas os estritamente necessários conforme o consumo de
energia.
Por exemplo, quando o consumo de energia é pequeno é mais vantajoso ter apenas
um transformador ligado do que dois, reduzindo assim as perdas técnicas de energia
através dos transformadores [5].
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5. Valores das Perdas
Como é possível observar na tabela que se segue, as perdas nos sistemas elétricos
representam grande percentagem de toda a energia produzida.
A Tabela 1 apresenta, para os anos desde 2012 a 2015, os seguintes valores:
● Energia de entrada na rede de distribuição
● Energia fornecida aos consumidores
● Perdas na rede de distribuição
● Estimativa do custo das perdas pago pelos consumidores finais.
Estas estimativas foram baseadas num preço médio do GWh de cerca de 99 €/MWh.
Estes montantes representam a despesa relativa à percentagem de energia que é
desperdiçada em perdas todos os anos [10][11]:
Real ERSE
(estimativa) 2012 2013 2014 2015
Energia à entrada da distribuição (GWh) 48 559 48 545 48 547 49 038
Fornecimento aos clientes (GWh) 44 655 43 858 44 075 44 617
Perdas na rede de distribuição (GWh) 3 904 4 687 4 472 4 421
Custo anual das perdas (M€) 607 729 695 687
Tabela 1 – Energia inicial, fornecida e perdida, e custo das perdas5
5 A tabela apresentada apenas fornece informações relacionadas com as perdas nas redes de
distribuição, não albergando as que dizem respeito às redes de transporte nem à produção.
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6. Conclusões
Através da realização deste trabalho conseguimos concluir que as perdas técnicas de
energia ao nível dos sistemas elétricos são um problema bastante atual visto que os
consumidores não dispõem de toda a energia que pagam, mas apenas de uma parte dela.
Ainda assim, existem várias soluções capazes de minimizar as perdas técnicas de energia
elétrica. Desde um melhoramento nos materiais e até a alterações na operação dos
transformadores. E também na utilização de energia dispersa e a diminuição de energia
reativa que circula nas linhas elétricas, entre outros métodos que visam o decréscimo das
perdas.
Assim, embora as perdas de energia sejam um fenómeno inevitável e que, por vezes,
passa despercebidas, elas podem ser “combatidas” por todos, desde o momento em que a
energia é gerada até à sua distribuição.
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7. Referências bibliográficas
1. Bernardes, P.N.B.O., Caracterização das perdas na rede de distribuição de alta tensão, ed. J.N.M.M. Fidalgo. 2011, Porto.
2. Matias José, 2006, Sistemas Analógico e Digitais - 10ºAno - 1ºvolume, Plátano Editora S.A. 3. ebah. Histerese 1. Acedido a 12-10-2015;
http://www.ebah.pt/content/ABAAAA_fUAI/histerese. 4. ebah. Máquinas Elétricas e Acionamentos 2010. 14-10-2015;
http://www.ebah.pt/content/ABAAAAt2YAK/maquinas-eletricas-acionamentos. 5. Couto, M.J.T. and E. Universidade do Porto. Faculdade de, Identificação do potencial de
redução de perdas em redes de distribuição. 2010. 6. Miranda, I.T.S., et al., Otimização do planeamento de sistemas de armazenamento
distribuído de energia em redes com elevada produção dispersa. 2012. 7. ALord. Energia Reactiva. Acedido a 9-10-2015; http://www.alord.pt/energia/energia-reactiva. 8. Qenergia. Compensação de energia reactiva. Acedido a 08-10-2015;
http://www.qenergia.pt/content/index.php?action=detailfo&rec=262.
9. ANEEL - Perdas de energia/espaço do consumidor
http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=801
10. ERSE, Preços de referência no mercado liberalizado de energia elétrica e gás natural em Portugal continental, 29 de setembro de 2015
11. ERSE, Caracterização da procura de energia elétrica em 2015, dezembro de 2014
