Cómo funciona un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC (SPD): Guía para ingenieros

La peor pesadilla de un ingeniero: un flamante parque solar multimillonario se queda a oscuras tras una tormenta lejana. El inversor se funde. Una torre de telecomunicaciones de última generación pierde la conectividad, provocando un corte en la red. La central eléctrica de corriente continua no funciona. En ambos casos, el culpable no es un rayo directo, sino un asesino silencioso e invisible: una sobretensión en las líneas de CC. Estas sobretensiones transitorias, que duran apenas microsegundos, son lo suficientemente potentes como para degradar, dañar y destruir los sensibles componentes electrónicos que forman la columna vertebral de nuestra infraestructura moderna.

Como ingeniero superior de aplicaciones, he visto este costoso escenario demasiadas veces. Los ingenieros diseñan meticulosamente todos los aspectos de un sistema, sólo para pasar por alto el componente que actúa como guardaespaldas del sistema: el dispositivo de protección contra sobretensiones de CC (SPD). Esta guía pretende cambiar esta situación. Vamos a ir más allá de la descripción genérica de “protección contra rayos” y profundizaremos en los principios de ingeniería de cómo funciona un SPD de CC, cómo seleccionar el adecuado para su aplicación y por qué es la inversión más importante que puede hacer en la fiabilidad de su sistema.

No se trata sólo de teoría. Se trata de una guía práctica para los ingenieros sobre el terreno responsables de mantener los sistemas en línea, proteger activos costosos y evitar fallos catastróficos.

¿Qué es un DOCUP de CC y por qué es diferente?

En esencia, un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC es un componente especializado diseñado para proteger los equipos eléctricos de sobretensiones transitorias en circuitos de corriente continua (CC). Piense en él como un guardián de sus líneas eléctricas. En condiciones normales de funcionamiento, permanece eléctricamente inactivo, sin influir en el sistema. Sin embargo, en el momento en que detecta un pico de tensión por encima de un nivel de seguridad predeterminado, se activa instantáneamente, desvía la energía dañina de la sobretensión de forma segura a tierra y, a continuación, se restablece automáticamente, listo para el siguiente evento.

La distinción fundamental que todo ingeniero debe comprender es que los SPD de CC no son intercambiables con sus homólogos de corriente alterna (CA). No se trata de un truco de marketing, sino de una cuestión fundamental de física eléctrica.

La tensión alterna pasa naturalmente por el cero 100 ó 120 veces por segundo (para sistemas de 50/60 Hz). Cuando un SPD de CA desvía una sobretensión, el punto de paso por cero subsiguiente ofrece una oportunidad para que el componente de protección (como un tubo de descarga de gas) extinga el arco eléctrico y vuelva a su estado no conductor.

La tensión continua, por su naturaleza, es un flujo continuo e incesante de corriente. No hay paso por cero. Si se instalara un SPD de CA en un circuito de CC, después de desviar la sobretensión inicial, probablemente sería incapaz de extinguir la corriente de seguimiento de la fuente de CC. Esto crea un cortocircuito sostenido, haciendo que el SPD falle catastróficamente, a menudo con fuego y humo, mientras que no ofrece protección continua.

Lo más importante: No utilice nunca un SPD de CA en una aplicación de CC. La ausencia de paso por cero en los sistemas de CC requiere componentes diseñados específicamente para extinguir con seguridad un arco de CC. Utilizar un SPD incorrecto es más peligroso que no utilizar ningún SPD.

El principio básico de funcionamiento: Sujeción y desviación

Para entender cómo funciona un SPD, es útil utilizar una analogía: una válvula de alivio de presión de alta velocidad y autorrearme en una tubería de agua.

1. Estado normal: La válvula está cerrada. El agua (tensión) fluye a través de ella a su presión normal (nivel de tensión) hacia el equipo aguas abajo.
2. Evento de sobrecarga: Una onda de presión repentina (subida de tensión) recorre la tubería.
3. Activación: Antes de que la peligrosa onda de presión pueda golpear el equipo sensible, la válvula se abre instantáneamente, desviando el exceso de presión por una salida secundaria conectada a un sistema de drenaje seguro (tierra).
4. Protección: Al abrirse, la válvula “bloquea” la presión en el ajuste de activación de la válvula, garantizando que el equipo aguas abajo sólo vea una presión segura y manejable.
5. Reinicia: En cuanto pasa la onda de presión y la presión del sistema vuelve a la normalidad, la válvula se cierra automáticamente, lista para el siguiente evento.

Un SPD de CC realiza estas dos mismas acciones fundamentales en el ámbito eléctrico:

• Sujeción de tensión: Limita la tensión transitoria a un nivel seguro que el equipo protegido puede soportar. Este nivel se conoce como Nivel de Protección de Tensión (Up) del SPD.
• Desvío actual: Proporciona una vía de baja impedancia para desviar la inmensa corriente de sobretensión lejos de los equipos sensibles y de forma segura hacia el sistema de puesta a tierra.

Para que esto funcione, el SPD debe instalarse en paralelo con la carga a proteger, creando esa vía de “drenaje” alternativa. La eficacia de todo el sistema depende de la calidad de esa vía, en concreto, de una conexión a tierra sólida y de baja impedancia. Un SPD fenomenal con una mala conexión a tierra es como una válvula limitadora de presión con un desagüe obstruido; no sirve para nada.

Dentro de la caja: Desglose de los componentes básicos

Aunque el principio es sencillo, la magia reside en los componentes que permiten esta conmutación casi instantánea. Las dos tecnologías más utilizadas en los SPD de CC son los varistores de óxido metálico (MOV) y los tubos de descarga de gas (GDT). Comprender sus características distintivas es crucial para seleccionar el dispositivo adecuado.

Varistores de óxido metálico (MOV): El caballo de batalla

El MOV es el componente más común en los SPD modernos. Es una resistencia no lineal, que se describe mejor como un interruptor dependiente de la tensión.

• Cómo funciona: Un MOV es un disco similar a la cerámica formado por granos de óxido de zinc (ZnO) mezclados con otros óxidos metálicos. En su estado normal, los límites entre los granos actúan como uniones de alta resistencia, haciendo que el MOV se comporte como un circuito abierto. Cuando se aplica una alta tensión, estos límites de grano se rompen en nanosegundos, su resistencia se colapsa y el MOV se vuelve altamente conductor, desviando la sobretensión. Cuando la tensión vuelve a la normalidad, los límites de grano se vuelven a formar y el MOV recupera su estado de alta resistencia.
• Pros: Tiempo de respuesta muy rápido (normalmente <25 nanosegundos), buena capacidad de manejo de la energía y bajo coste.
• Contras: Se degradan con cada sobretensión que desvían. Cada vez que un MOV bloquea una sobretensión, su estructura interna cambia ligeramente, reduciendo su tensión de ruptura. Con el tiempo, puede degradarse hasta el punto de que empiece a “perder” corriente a tensiones de funcionamiento normales, lo que puede provocar un desbordamiento térmico.

Tubos de descarga de gas (GDT): Los más pesados

Un GDT es una tecnología más antigua pero extremadamente robusta. En esencia, es un pararrayos en miniatura en un tubo sellado.

• Cómo funciona: Un GDT consta de dos o más electrodos sellados en un pequeño cilindro de cerámica lleno de una mezcla de gas inerte. Bajo tensión normal, el gas no es conductor. Cuando una sobretensión alcanza la tensión de chispa del GDT, el gas se ioniza y crea un cortocircuito casi perfecto (un “arco”), desviando la corriente de sobretensión a tierra. Se trata de una acción de “palanca”: en la práctica, deja caer una palanca a través de la línea.
• Pros: Capaces de manejar corrientes de sobretensión extremadamente altas (Iimp), lo que los hace ideales para aplicaciones de impacto directo de rayo (SPD de Tipo 1). Tienen una resistencia de aislamiento muy alta y no se degradan con el uso del mismo modo que los MOV.
• Contras: Su reacción es más lenta que la de los MOV. Hay un ligero retardo cuando el gas se ioniza, durante el cual la tensión puede sobrepasarse. Después de la sobretensión, necesitan que la tensión caiga muy bajo para extinguir el arco, lo que puede ser un reto en los circuitos de CC (en relación con el problema del paso por cero).

SPD híbridos: Lo mejor de dos mundos

Reconociendo los puntos fuertes y débiles de cada tecnología, muchos SPD avanzados son diseños “híbridos”. A menudo utilizan un GDT en serie o en paralelo con un MOV. Una configuración común coloca un GDT en la primera línea para manejar corrientes de rayo masivas, con un MOV aguas abajo para bloquear el voltaje de “paso” más rápido y a un nivel más bajo, proporcionando una estrategia de protección de dos etapas.

Comparación: MOV vs. GDT de un vistazo

Un marco práctico para seleccionar el DOCUP de CC adecuado

Elegir un SPD no consiste en encontrar el “más grande”; es un proceso de gestión de riesgos de ingeniería. Debe adaptar las especificaciones del SPD a los requisitos de su sistema y al entorno externo. He aquí un marco paso a paso para guiar su selección.

Paso 1: Determinar la tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV / Uc)

Este es el parámetro más crítico. El MCOV (designado como Uc en las normas CEI) es la cantidad máxima de tensión continua a la que puede someterse el SPD de forma continua sin que se produzca una conducción.

Regla de oro: El MCOV del SPD debe ser al menos 1,25 veces la tensión nominal máxima del sistema. Este margen de seguridad de 25% tiene en cuenta las fluctuaciones de tensión, las tensiones de carga de las baterías y los efectos de la temperatura en el sistema (especialmente en energía solar fotovoltaica).

• Para un sistema de telecomunicaciones de 48 V CC, se calcularía: 48V * 1,25 = 60V. Debe seleccionar un SPD con un MCOV de 60 V o superior.
• Para un sistema solar fotovoltaico, debe utilizar la tensión máxima en circuito abierto (Voc) de la cadena a la temperatura ambiente más baja prevista y, a continuación, aplicar el factor de seguridad.

Consejo profesional: No confunda la tensión nominal del sistema con el MCOV. Seleccionar un SPD con un MCOV demasiado cercano a la tensión nominal es una de las principales causas de fallo prematuro. El dispositivo interpretará los picos normales de tensión del sistema como pequeñas sobretensiones, lo que provocará una conducción constante y una rápida degradación.

Paso 2: Evaluar el nivel de protección de tensión (Subir)

El nivel de protección de tensión (Arriba) es la tensión máxima que pasará a través de del SPD a los equipos aguas abajo durante un evento de sobretensión. Es la tensión “bloqueada”.

El objetivo es coordinación del aislamiento. En Arriba de su SPD debe ser significativamente inferior a la tensión de resistencia del aislamiento (Uw) del equipo que está protegiendo. La mayoría de los aparatos electrónicos modernos tienen un Uw de unos 1500 V, pero siempre hay que comprobar las especificaciones técnicas del equipo.

Regla de oro: Seleccione un SPD con un Arriba que es al menos 20% inferior al Uw del dispositivo protegido.

• Si su inversor de conexión a red tiene un Uw de 2500V, debe elegir un SPD con un Arriba de 2000 V o menos.

Hay una contrapartida: un Arriba ofrece una mejor protección, pero a veces puede suponer que el SPD trabaje más y tenga una vida útil más corta. No obstante, sustituir un SPD siempre es más barato que sustituir un inversor.

Paso 3: Evaluar los valores nominales de corriente de sobretensión (In, Imax, Iimp)

Este parámetro define cuánta energía de sobretensión puede soportar el SPD. Hay tres clasificaciones clave:

• Corriente nominal de descarga (In): Define la corriente de pico que puede soportar un SPD para una forma de onda normalizada de 8/20 µs durante al menos 15 repeticiones. Indica la robustez del SPD para manejar sobretensiones inducidas (golpes cercanos) y es la clasificación principal para los SPD de Tipo 2. A mayor En (por ejemplo, 20 kA frente a 10 kA) suele implicar una vida útil más larga.
• Corriente máxima de descarga (Imax): Es la corriente de pico máxima que el SPD puede manejar una vez para una forma de onda de 8/20 µs. Es una medida de su capacidad “a prueba de fallos”. Es una clasificación para los SPD de tipo 2.
• Corriente de impulso (Iimp): Esta clasificación es específica de los SPD de Tipo 1. Indica la capacidad del SPD para soportar el impacto directo de un rayo, simulado con una forma de onda de alta energía de 10/350 µs. Los SPD con un Iimp en la entrada de servicio o en lugares muy expuestos a impactos directos.

Guía de selección:

• Para la protección contra choques directos en la entrada de servicio de un edificio, un DOCUP de tipo 1 con un Iimp (por ejemplo, 12,5 kA o 25 kA).
• Para la protección en los subpaneles de distribución o cerca del equipo final (por ejemplo, en la entrada de CC de un inversor solar), un DOCUP de tipo 2 con un robusto En (por ejemplo, 20 kA) es la opción estándar.

Modos de fallo e importancia de la protección térmica

Hemos comprobado que los MOV, los caballos de batalla de los SPD, se degradan con el tiempo. Esto conduce a un modo de fallo crítico: embalamiento térmico.

A medida que envejece un MOV, aumenta su corriente de fuga de reserva a la tensión de funcionamiento normal. Este flujo de corriente genera calor. Si este calor no se controla, aumenta la conductividad del MOV, lo que a su vez aumenta la corriente de fuga, creando un peligroso bucle de retroalimentación positiva. El MOV se calienta cada vez más hasta que falla catastróficamente, normalmente por cortocircuito. En un sistema de CC de alta potencia, este cortocircuito puede provocar un incendio, un arco eléctrico y la destrucción del SPD y del equipo circundante.

Para solucionarlo, los fabricantes de renombre construyen sus SPD con protección térmica integrada. A MOV con protección térmica (TPMOV) incluye un elemento de desconexión térmica unido al cuerpo del MOV.

• Cómo funciona: Si el MOV empieza a sobrecalentarse, antes de que pueda entrar en embalamiento térmico, el elemento desconectador se activa. Desconecta físicamente el MOV del circuito, creando un estado de fin de vida útil seguro y de circuito abierto.

Esta es la característica de seguridad más importante de un SPD moderno basado en MOV. Es la diferencia entre un dispositivo que falla de forma segura simplemente desconectándose y otro que falla incendiándose.

Lo más importante: Especifique e instale siempre SPD que dispongan de protección térmica integrada. El indicador visual de estado (a menudo una bandera que pasa de verde a rojo) está vinculado a este desconectador térmico. Cuando la bandera está roja, no es sólo una sugerencia: es una indicación de que el elemento de protección se ha desconectado de forma segura y el módulo SPD debe sustituirse inmediatamente.

Aplicaciones en el mundo real: En DC SPD Son críticos

Aunque los SPD de CC son valiosos en cualquier sistema de CC, no son negociables en varias aplicaciones clave.

Sistemas solares fotovoltaicos (FV)

Por su naturaleza, los paneles solares están muy expuestos a los fenómenos atmosféricos. Son grandes estructuras metálicas, a menudo instaladas en campo abierto o en tejados, con largos tendidos de cables de CC que actúan como antenas perfectas para captar las sobretensiones inducidas por los rayos cercanos. La parte de CC de una instalación solar, desde los paneles hasta las cajas combinadoras y la entrada del inversor, es el punto más vulnerable del sistema.

• Estrategia de colocación: Los SPD son necesarios en ambos extremos de cualquier tramo largo de cable de CC.
  • Combiner Box: A Tipo 2 DC SPD debe instalarse en la caja del combinador para proteger los paneles.
  • Inversor: Un robusto SPD de CC de tipo 2 es absolutamente crítico en la entrada de CC del inversor central o de cadena. Es la última línea de defensa del componente más caro del sistema.

Aplicaciones industriales y de telecomunicaciones

• Telecomunicaciones: La alimentación de 48 V CC es el estándar mundial para telecomunicaciones y centros de datos. Los SPD son esenciales para proteger rectificadores, plantas de baterías y equipos de radio sensibles en torres de telefonía y estaciones base.
• Sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS): Estos sistemas incluyen grandes bancos de baterías e inversores bidireccionales. Los SPD son cruciales para proteger el sistema de gestión de baterías (BMS) y los convertidores CC-CC de las sobretensiones inducidas por la red o los rayos.
• Sistemas de control industrial: Cualquier instalación que utilice sensores, actuadores o controles PLC alimentados por CC debe tener instalados SPD de CC para evitar costosos tiempos de inactividad por fallos del equipo relacionados con sobretensiones.

Buenas prácticas de instalación: No ponga en peligro su protección

Un SPD caro y perfectamente especificado puede quedar inutilizado por una mala instalación. La física de las sobretensiones de alta frecuencia hace que cada centímetro de cable sea importante.

Regla #1: Mantenga la longitud de los cables tan corta como sea físicamente posible.

Una sobrecorriente es un impulso que aumenta muy rápidamente (alto di/dt). El cable que conecta el SPD a la línea y a tierra tiene inductancia. Esta inductancia crea una caída de tensión aditiva (V = L * di/dt) encima de la tensión de apriete propia del SPD (Arriba).

Ejemplo: Incluso sólo 1 metro de cable de conexión puede añadir más de 1.000 V a la tensión de paso durante una sobretensión típica. Si su SPD tiene un Arriba de 1500V, esos 1000V adicionales de los cables significan que su equipo “protegido” ve ahora 2500V.

Consejo profesional: Siga la regla de los 50 centímetros. La longitud total de los cables de conexión hacia y desde el SPD (Fase + Tierra) no debe superar los 50 cm. Si es posible, retuerza los cables para reducir aún más el bucle de inductancia. Monte el SPD lo más cerca posible del punto de conexión en la barra colectora principal.

Regla #2: Una toma de tierra sólida y de baja impedancia no es negociable.

El SPD funciona desviando la corriente a tierra. Si la conexión a tierra es débil, resistiva o inexistente, la sobretensión no tiene recorrido. La energía simplemente encontrará otro camino, probablemente a través de sus equipos sensibles. Asegúrese de que la conexión a tierra del SPD esté conectada directamente a la toma de tierra del equipo principal (EGC) y al sistema de electrodos de puesta a tierra (GES) con un conductor del tamaño adecuado.

Preguntas más frecuentes (FAQ)

1. ¿Realmente no puedo utilizar un SPD de CA para una aplicación de CC?
En absoluto. Como ya se ha explicado, la incapacidad de un SPD de CA para apagar un arco de corriente de seguimiento de CC lo convierte en un importante peligro de incendio y de seguridad. Son fundamentalmente diferentes y no deben intercambiarse.

2. ¿Es siempre mejor una clasificación kA más alta (como Imax)?
No necesariamente. Una calificación más alta indica mayor robustez, pero es más importante tener la correcto Arriba y MCOV. Un SPD de 40 kA con el MCOV incorrecto fallará más rápido y ofrecerá menos protección que un SPD de 20 kA correctamente seleccionado. Concéntrese primero en seleccionar los parámetros de tensión correctos y, a continuación, elija un valor nominal de kA adecuado para el nivel de exposición.

3. ¿Cuál es la diferencia entre el tipo 1 y el tipo 2? DOCUP?
Un SPD de Tipo 1 está diseñado para instalarse en la entrada de servicio y puede soportar la alta energía de un impulso directo de rayo (Iimp, 10/350µs). Es la primera línea de defensa. Un SPD de Tipo 2 se instala aguas abajo y está diseñado para manejar las sobretensiones inducidas más comunes (En, 8/20µs). No se puede utilizar un Tipo 2 donde se requiere un Tipo 1.

4. ¿Con qué frecuencia debo sustituir mi SPD?
No existe un calendario fijo. Los SPD se degradan en función del número y la magnitud de las sobretensiones que encuentran. Por eso es esencial disponer de un indicador visual de estado. Su plan de mantenimiento debe incluir inspecciones visuales periódicas de todos los SPD. Si el indicador está en rojo (o muestra un fallo), el módulo debe sustituirse inmediatamente.

5. Mi SPD tiene una luz roja. ¿Está mi sistema desprotegido?
Sí. Un indicador rojo significa que la protección térmica interna ha hecho su trabajo y ha desconectado permanentemente el MOV del circuito para evitar un fallo peligroso. El módulo SPD está ahora en “circuito abierto” y no ofrece ninguna protección. Debe sustituirse. La mayoría de los SPD modernos tienen módulos enchufables, lo que permite sustituirlos rápidamente sin necesidad de recablear la base.

Conclusión: La última forma de seguro

En el mundo de los sistemas de CC de alto valor, un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC no es un accesorio opcional; es un componente fundamental de un diseño fiable y resistente. Es el guardián silencioso que está dispuesto a sacrificarse para proteger activos valorados en miles o incluso millones de dólares.

Si va más allá de la simple terminología de “pararrayos” y adopta los principios de ingeniería de MCOV, Up y coordinación de aislamiento, puede transformar la protección contra sobretensiones de un elemento de la lista de comprobación en una estrategia calculada para la mitigación de riesgos. Comprender la tecnología, seleccionar el dispositivo correcto para la aplicación y garantizar una instalación meticulosa no son sólo las mejores prácticas: son las señas de identidad de un ingeniero diligente y profesional. No espere a que la pesadilla de un inversor frito o un emplazamiento celular oscuro se convierta en su realidad. Invierta en la protección adecuada por adelantado y asegúrese de que su sistema está construido para durar.