Adaptive Insulation Fault Detection in Residential DC/AC Microgrids under Cryogenic Stress: A Transferable Dielectric Degradation Framework from Nordic Field Data to Andean and Amazonian Peru

Resumen Técnico: Detección Adaptativa de Fallas de Aislamiento en Microrredes Residenciales DC/AC bajo Estrés Criogénico

Planteamiento del Problema
La electrificación de las viviendas residenciales mediante sistemas fotovoltaicos (PV) acoplados en corriente continua (DC) y almacenamiento de baterías está alterando los perfiles de corriente de falla en las redes de distribución. A diferencia de los sistemas de corriente alterna (AC), las microrredes de DC carecen de cruces por cero naturales de corriente, lo que complica la extinción del arco y acelera el estrés del aislamiento. Mientras que la literatura existente aborda el envejecimiento del aislamiento en climas templados, existe una falta de marcos unificados para condiciones criogénicas o térmicamente variables. Específicamente, la respuesta dieléctrica del aislamiento de polietileno reticulado (XLPE) en regiones polares (por debajo de −20 °C) se desvía de los modelos de envejecimiento estándar de la IEEE/IEC. Además, no existe un marco documentado cuantitativamente que acople la respuesta dieléctrica in-situ, las firmas de descargas parciales (PD) y la lógica de protección adaptativa a través de topologías tanto de DC como de AC. Esta brecha es particularmente relevante para Perú, donde los entornos de gran altitud (andinos) y de alta humedad (amazónicos) presentan desafíos distintos, pero comparables, para la integridad del aislamiento, regidos por códigos regulatorios específicos (CNE-Utilización y Resolución Ministerial N.° 175-2025-MINEM/DM).

Metodología
Este estudio es un análisis de ingeniería basado en modelos y comparativo, en lugar de un ensayo experimental aleatorizado. La metodología integra datos cuantitativos secundarios de cuatro despliegues verificados mediante DOI (Bornholm, Dinamarca; Kotzebue, Alaska; Cusco, Perú; e Iquitos, Perú) con un modelo de simulación original.

• Modelado Dieléctrico: El estado del aislamiento XLPE se modela utilizando un circuito equivalente de Debye extendido con seis ramas de relajación. El modelo se parametriza mediante datos de corriente de polarización-despolarización (PDC) y de tangente delta (tan δ) de muy baja frecuencia (VLF). La extrapolación criogénica aplica el principio de superposición tiempo-temperatura de Arrhenius, asumiendo una energía de activación de 0.78 eV para la degradación impulsada por carbonilos por debajo de −15 °C.
• Algoritmo de Detección Adaptativa: Se propone un esquema de detección de doble capa:
  • Capa Primaria (DC): Muestrea la corriente del capacitor del enlace DC a 50 kHz para calcular un índice de error normalizado. Las fallas se declaran cuando el índice supera un umbral adaptativo (0.4 A para fallas de alta impedancia).
  • Capa Secundaria (AC): Aplica un estimador de energía de secuencia cero basado en la transformación de Park sobre una ventana deslizante de diez ciclos. Los umbrales se escalan mediante un factor de corrección lineal segmentado por la temperatura ambiente, derivado de las tendencias de la tasa de envejecimiento.
• Validación: El modelo se compara con los valores de referencia de la tensión de inicio de descarga parcial (PDIV) de la norma IEC 60270 y con esquemas de clasificación basados en transformadores reportados en la literatura. La significancia estadística se evalúa mediante una prueba t de Welch de dos muestras en ensayos de inyección de fallas simulados (n ≥ 30).

Contribuciones Clave
El artículo presenta tres contribuciones primarias:

1. Modelo de Degradación Dieléctrica: Un modelo parametrizado por el comportamiento de VLF tan δ y PDC a temperaturas criogénicas, ajustado contra un circuito de Debye extendido y la energía de activación desplazada por Arrhenius.
2. Algoritmo de Detección Adaptativa: Una lógica unificada que fusiona el monitoreo de la derivada de la corriente del enlace DC con la estimación de la energía armónica de secuencia cero de AC, apuntando a un aislamiento de falla de sub-5 ms.
3. Marco de Transferibilidad: Una matriz de comparación documentada de cuatro despliegues de microrredes reales y un protocolo de dos vías propuesto para adaptar las prácticas de protección criogénica nórdica al parque residencial peruano (vías de alta altitud andina y de humedad tropical amazónica).

Resultados

• Comportamiento Dieléctrico: El modelo de Debye extendido reproduce los espectros de VLF tan δ con un R² > 0.96. Al extrapolar a −25 °C, la tan δ de equilibrio a 0.1 Hz aumenta aproximadamente a 0.0085 (un incremento del 112% respecto a la línea base de 0.0040 a 20 °C). El modelo estima que un crecimiento del índice de carbonilo de 0.37 a 0.84 corresponde a 18 años de vida útil a −25 °C.
• Desempeño de Detección: El algoritmo adaptativo logra una latencia de detección simulada de 0.6 ms para fallas de alta impedancia en líneas de 380 V DC y 4.2 ms para alimentadores residenciales de AC a −25 °C.
• Confiabilidad: El esquema adaptativo reduce los disparos por error en un 41% en comparación con los esquemas de umbral fijo (p < 0.001), bajando la tasa del 7.3% al 4.3%.
• Matriz Comparativa: El estudio contrasta cuatro despliegues (Bornholm, Kotzebue, Cusco, Iquitos) respecto a topología, clase de aislamiento y estresores ambientales, destacando que mientras los sitios nórdicos enfrentan ciclos térmicos bajo cero, los sitios peruanos enfrentan la reducción de la tensión de inicio de descarga parcial por gran altitud y fugas superficiales por alta humedad.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar una base cuantitativa y transferible para adaptar la ingeniería de protección criogénica nórdica a las instalaciones residenciales peruanas. La principal novedad reside en el marco de detección adaptativa unificado DC/AC y el modelo de degradación explícitamente desplazado por Arrhenius, diseñado para las realidades regulatorias y climáticas específicas de Perú.

Los autores enfatizan que los resultados son estimaciones basadas en simulaciones contrastadas con literatura de campo, no replicaciones experimentales directas. El estudio reconoce limitaciones, incluyendo la suposición de continuidad de Arrhenius hasta los −25 °C sin validación de muestras de campo peruanas, y la falta de despliegue físico del relé propuesto en una zona piloto regulatoria de Perú. En consecuencia, la significancia se enmarca como un "esquema desplegable" y una "plantilla" para la validación futura, más que una solución probada y desplegada en campo. La implementación propuesta involucra un enfoque por fases: instrumentación piloto en Cusco e Iquitos, seguido de 12 meses de recolección de datos para validar las sustituciones de parámetros antes de la presentación regulatoria.