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

Resumo Técnico: Detecção Adaptativa de Falhas de Isolação em Microredes Residenciais DC/AC sob Estresse Criogênico

Definição do Problema
A eletrificação de residências via sistemas fotovoltaicos (FV) acoplados em corrente contínua (CC) e armazenamento de baterias está alterando os perfótipos de corrente de falta nas redes de distribuição. Diferente dos sistemas CA, as microredes CC carecem de cruzamentos naturais por zero de corrente, o que complica a extinção do arco e acelera o estresse da isolação. Enquanto a literatura existente aborda o envelhecimento da isolação em climas temperados, há uma carência de estruturas unificadas para condições criogênicas ou termicamente variáveis. Especificamente, a resposta dielétrica da isolação de polietileno reticulado (XLPE) em regiões polares (abaixo de −20 °C) desvia-se dos modelos de envelhecimento padrão IEEE/IEC. Além disso, não existe um framework quantitativamente documentado que acople a resposta dielétrica in-situ, assinaturas de descarga parcial (DP) e lógica de proteção adaptativa através de topologias tanto de CC quanto de CA. Esta lacuna é particularmente relevante para o Peru, onde ambientes de alta altitude (Andes) e alta umidade (Amazônia) apresentam desafios distintos, porém comparáveis, à integridade da isolação, regidos por códigos regulatórios específicos (CNE-Utilización e Resolución Ministerial N.° 175-2025-MINEM/DM).

Metodologia
Este estudo é uma análise de engenharia baseada em modelos comparativos, em vez de um ensaio experimental randomizado. A metodologia integra dados quantitativos secundários de quatro implementações com DOI verificado (Bornholm, Dinamarca; Kotzebue, Alasca; Cusco, Peru; e Iquitos, Peru) com um modelo de simulação original.

• Modelagem Dielétrica: O estado da isolação XLPE é modelado usando um circuito equivalente de Debye estendido com seis ramos de relaxação. O modelo é parametrizado por dados de corrente de polarização-despolarização (PDC) e de tangente delta (tan δ) de frequência muito baixa (VLF). A extrapolação criogênica aplica o princípio de superposição tempo-temperatura de Arrhenius, assumindo uma energia de ativação de 0,78 eV para a degradação impulsionada por carbonila abaixo de −15 °C.
• Algoritmo de Detecção Adaptativa: Propõe-se um esquema de detecção de camada dupla:
  • Camada Primária (CC): Amostra a corrente do capacitor do link CC a 50 kHz para computar um índice de erro normalizado. As faltas são declaradas quando o índice excede um limiar adaptativo (0,4 A para faltas de alta impedância).
  • Camada Secundária (CA): Aplica um estimador de energia de sequência zero baseado na transformada de Park sobre uma janela deslizante de dez ciclos. Os limiares são escalonados pela temperatura ambiente usando um fator de correção linear por partes derivado das tendências de taxa de envelhecimento.
• Validação: O modelo é testado contra os valores de referência de PDIV da IEC 60270 e esquemas de classificação baseados em transformadores relatados na literatura. A significância estatística é avaliada usando um teste t de Welch de duas amostras em tentativas de injeção de falta simuladas (n ≥ 30).

Principais Contribuições
O artigo apresenta três contribuições primárias:

1. Modelo de Degradação Dielétrica: Um modelo parametrizado pelo comportamento de tan δ VLF e PDC em temperaturas criogênicas, ajustado contra um circuito de Debye estendido e energia de ativação deslocada por Arrhenius.
2. Algoritmo de Detecção Adaptativa: Uma lógica unificada que funde o monitoramento da derivada de corrente do link CC com a estimação de energia harmônica de sequência zero de CA, visando o isolamento de falhas em sub-5 ms.
3. Framework de Transferibilidade: Uma matriz comparativa documentada de quatro implementações de microredes reais e um protocolo de duas vias proposto para adaptar as práticas de proteção criogênica nórdicas ao estoque residencial peruano (vias de alta altitude andina e de umidade tropical amazônica).

Resultados

• Comportamento Dielétrico: O modelo de Debye estendido reproduz os espectros de tan δ VLF com R² > 0,96. Em uma temperatura extrapolada de −25 °C, o tan δ de equilíbrio a 0,1 Hz sobe para aproximadamente 0,0085 (um aumento de 112% em relação à linha de base de 20 °C de 0,0040). O modelo estima que o crescimento do índice de carbonila de 0,37 para 0,84 corresponde a 18 anos de vida útil a −25 °C.
• Desempenho de Detecção: O algoritmo adaptativo alcança uma latência de detecção simulada de 0,6 ms para faltas de alta impedância em linhas de 380 V CC e 4,2 ms para alimentadores residenciais CA a −25 °C.
• Confiabilidade: O esquema adaptativo reduz o desligamento indevido (nuisance tripping) em 41% em comparação com esquemas de limiar fixo (p < 0,001), baixando a taxa de 7,3% para 4,3%.
• Matriz Comparativa: O estudo contrasta quatro implementações (Bornholm, Kotzebue, Cusco, Iquitos) em relação à topologia, classe de isolação e estressores ambientais, destacando que, enquanto os locais nórdicos enfrentam ciclagem térmica abaixo de zero, os locais peruanos enfrentam redução da tensão de início de descarga parcial em alta altitude e fuga de superfície por alta umidade.

Significância e Alegações
O artigo alega fornecer uma base quantitativa e transferível para adaptar a engenharia de proteção criogênica nórdica para instalações residenciais peruanas. A principal novidade reside no framework de detecção adaptativa unificado CC/CA e no modelo de degradação explicitamente deslocado por Arrhenius, adaptado às realidades regulatórias e climáticas específicas do Peru.

Os autores enfatizam que os resultados são estimativas baseadas em simulação comparadas com literatura de campo, não replicações experimentais diretas. O estudo reconhece limitações, incluindo a suposição de continuidade de Arrhenius até −25 °C sem validação de amostras de campo peruanas, e a falta de implementação física do relé proposto em uma zona piloto regulatória peruana. Consequentemente, a significância é enquadrada como um "esquema implantável" e um "modelo" para validação futura, em vez de uma solução comprovada e implantada em campo. A implementação proposta envolve uma abordagem faseada: instrumentação piloto em Cusco e Iquitos, seguida de 12 meses de coleta de dados para validar as substituições de parâmetros antes da submissão regulatória.