SPDs: No sólo uno y ya está ⚡

Son las dos de la madrugada de un martes. Tu teléfono zumba en la mesilla y el identificador de llamadas es el supervisor del turno de noche de la planta. Se le encoge el corazón. Nunca son buenas noticias. Hace una hora ha pasado una tormenta por la zona, pero ha sido a kilómetros de distancia, sin impacto directo, ni siquiera un parpadeo en las luces de tu casa. Pero la voz del supervisor es frenética. “La línea 3 no funciona. El PLC principal, dos VFD y la mitad de las tarjetas de E/S están fritos. Estamos completamente muertos”.”

Llevo más de 15 años trabajando como ingeniero superior de aplicaciones y no sé cuántas veces he oído una variación de esta historia. El culpable no es la tormenta en sí, sino el asesino invisible que envía por las líneas eléctricas: una sobretensión transitoria, o lo que comúnmente llamamos sobretensión. Se trata de un pico eléctrico de alta energía y corta duración que puede paralizar o destruir aparatos electrónicos sensibles en un microsegundo. El coste no es sólo de unos pocos miles de dólares por un nuevo PLC, sino de decenas o cientos de miles en pérdidas de producción, incumplimiento de plazos y costes de reparaciones de emergencia.

La mayoría de las instalaciones creen que están protegidas porque disponen de un sistema externo de pararrayos. Pero eso sólo protege la estructura del edificio de un impacto directo que provoque un incendio. No hace nada para detener las sobretensiones eléctricas masivas que se conducen e inducen en sus líneas de energía, datos y comunicación.

Aquí es donde entran en juego los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD). Pero la pregunta que escucho con más frecuencia es: “¿Cuáles necesito? ¿Y dónde? ¿Debo poner SPD en cada panel?”. La respuesta no es sólo “sí” o “no”. La respuesta correcta es estratégica y se basa en la comprensión de los distintos tipos de SPD y las tecnologías que contienen. Esta guía le guiará a través del por qué, el qué y el dónde de la protección contra sobretensiones, desde la entrada de servicio hasta el equipo más sensible de su planta, centrándose en un profundo análisis de la protección contra sobretensiones. comparación de materiales entre los DOCUP de tipo 1, 2 y 3.

Los fundamentos: ¿Cómo funciona un protector contra sobretensiones?

Antes de entrar en los distintos tipos, aclaremos qué hace realmente un SPD. Piense en su sistema eléctrico como en un sistema de fontanería con una presión de agua (tensión) constante y normal. Una sobretensión es como un golpe de ariete repentino y masivo, un pico de presión que puede reventar tuberías y dañar electrodomésticos.

En SPD actúa como una válvula de alivio de presión. En condiciones normales de tensión, se queda ahí, sin hacer nada, presentando una alta impedancia. Pero cuando detecta un pico de tensión por encima de un determinado umbral (su tensión de bloqueo), crea instantáneamente una vía de muy baja impedancia para desviar ese exceso de energía de forma segura a tierra. Una vez que la tensión vuelve a la normalidad, la “válvula” se cierra de nuevo. Todo esto ocurre en nanosegundos.

Las sobretensiones proceden de dos fuentes principales:

1. Sobretensiones externas: Son las grandes, a menudo causadas por rayos (incluso a kilómetros de distancia) u operaciones de conmutación de la red eléctrica. Transportan una energía inmensa y son la principal amenaza para tu servicio eléctrico principal.
2. Sobretensiones internas: Son mucho más comunes y representan hasta 80% de todos los eventos transitorios. Se generan dentro de sus propias instalaciones cada vez que se encienden y apagan grandes cargas como motores, bombas, sistemas de climatización o soldadores. Aunque su magnitud es menor, su repetición constante degrada la electrónica con el tiempo, provocando lo que parecen fallos aleatorios y prematuros.

Dado que estas amenazas proceden tanto del exterior como del interior, no basta con un único protector contra sobretensiones. La estrategia más eficaz es un enfoque coordinado y por capas conocido como “defensa en profundidad”. Imagíneselo como un sistema de filtración de agua: un tamiz grueso en la entrada atrapa las piedras grandes, un filtro más fino aguas abajo atrapa los sedimentos y un filtro de carbón final en el grifo garantiza la pureza del agua. Los SPD funcionan del mismo modo en cascada: No sólo uno y ya está

Un sistema de protección contra sobretensiones por capas o en cascada.

La jerarquía SPD: Una inmersión profunda en los TEP de tipo 1, 2 y 3

El sector, guiado por normas como la UL 1449 y la serie IEC 62305, ha clasificado los SPD en “tipos” en función del lugar donde se instalan y del tipo de sobretensión para el que están diseñados. Comprender esto Tipo 1 vs Tipo 2 vs Tipo 3 SPD La jerarquía es la base de un sólido plan de protección.

SPD de tipo 1: el defensor de primera línea

Un SPD de tipo 1 es la primera línea de defensa de su sistema. Es el guardián de alta resistencia instalado en la entrada de servicio, justo donde la electricidad de la compañía eléctrica entra en su edificio. Puede instalarse en el “lado de la línea” (antes del disyuntor principal) o en el “lado de la carga” (después del disyuntor principal), pero su función principal es hacer frente a las sobretensiones externas más potentes.

• Ubicación: Entrada de servicio principal, cuadro eléctrico principal o transformador de servicio público.
• Propósito: Para proteger contra los transitorios de alta energía provocados por rayos directos o cercanos y las grandes conmutaciones de la red eléctrica.
• Key Spec: Un SPD de tipo 1 se define por su capacidad para resistir un Forma de onda de corriente 10/350µs, La corriente de rayo se denomina corriente de impulso (Iimp). Esta forma de onda simula la energía masiva y la larga duración de una corriente de rayo directa. Piensa que está hecha para resistir un maremoto.
• Consejo profesional: Si su edificio cuenta con un sistema externo de protección contra rayos (pararrayos), un SPD de tipo 1 no sólo es recomendable, sino imprescindible. El sistema de protección contra rayos está diseñado para conducir con seguridad un impacto directo al suelo, pero al hacerlo, inducirá una sobretensión masiva en su sistema eléctrico que sólo un dispositivo de Tipo 1 está preparado para manejar.

SPD de tipo 2: el caballo de batalla de su instalación

Un SPD de Tipo 2 es el tipo más común que encontrará, ya que protege los subpaneles y los cuadros de distribución de toda una instalación. Está diseñado para instalarse en el “lado de carga” de un dispositivo de protección contra sobreintensidades (como un disyuntor).

• Ubicación: Cuadros de distribución, cuadros derivados y alimentaciones de equipos sensibles.
• Propósito: Para desviar la energía residual de sobretensión que “deja pasar” el SPD de tipo 1 aguas arriba y, lo que es más importante, para bloquear las frecuentes sobretensiones generadas dentro de su propia instalación.
• Key Spec: Los SPD de tipo 2 se prueban con un Forma de onda de corriente 8/20µs, denominada corriente nominal de descarga (In). Esta forma de onda tiene un tiempo de subida mucho más rápido y una duración más corta que la onda de 10/350µs, simulando las características de las sobretensiones generadas internamente y los restos de las externas. Piense en ellas como si se tratara de las olas agitadas e imprevisibles del interior del puerto después de que la marejada principal haya sido interrumpida por el dique.

SPD de tipo 3: el pulido final en el punto de uso

Un SPD de Tipo 3 es la última capa de protección, situada justo al lado del equipo que protege. Son los dispositivos que se ven en las regletas eléctricas protegidas contra sobretensiones, en los adaptadores de enchufe o, a veces, integrados directamente en aparatos electrónicos sensibles.

• Ubicación: En la toma de corriente o en la conexión del equipo, normalmente a menos de 10 metros de la carga.
• Propósito: Para bloquear los transitorios pequeños y rápidos que aún pueden superar el SPD de tipo 2 o que son generados por dispositivos cercanos. Su principal ventaja es que proporcionan una tensión de bloqueo muy baja justo donde más se necesita.
• Key Spec: Los dispositivos de tipo 3 también se prueban con una onda de corriente de 8/20µs, pero se centran menos en el manejo masivo de energía y más en un bajo Grado de protección contra la tensión (VPR) o Nivel de protección de tensión (arriba). Esta clasificación le indica la tensión máxima a la que estará expuesto el equipo, y para los componentes electrónicos sensibles, cuanto más baja, mejor.
• Consejo profesional: Nunca confíe únicamente en un SPD de tipo 3. Es como utilizar un filtro de café para detener una inundación. Sin los dispositivos de Tipo 1 y Tipo 2 situados aguas arriba que se encarguen del trabajo pesado, una gran sobretensión destruirá instantáneamente un dispositivo de Tipo 3 y el equipo que se supone que debe proteger.

Comparación de características: Tipo 1 vs Tipo 2 vs Tipo 3

Dentro de la caja: Comparación material de las tecnologías SPD

Entonces, ¿qué hay realmente en el interior de estos dispositivos que les permite realizar estas proezas de ingeniería eléctrica a alta velocidad? El “tipo” de SPD define su aplicación, pero lo que realmente funciona es la tecnología de sus componentes. La elección del material determina el rendimiento, la vida útil y el coste del dispositivo. Encontrará cuatro componentes principales, a menudo utilizados en combinaciones híbridas.

1. Varistor de óxido metálico (MOV)

El MOV es el caballo de batalla indiscutible del mundo de la protección contra sobretensiones y se encuentra en la gran mayoría de los SPD de Tipo 2 y Tipo 3. Es un dispositivo semiconductor cerámico (principalmente óxido de zinc con otros óxidos metálicos) que actúa como un interruptor sensible a la tensión. A tensiones normales, sus límites de grano crean una gran resistencia. Cuando la tensión se dispara, estos límites se rompen en nanosegundos y la resistencia cae hasta casi cero, derivando la corriente de sobretensión a tierra.

• Pros: Tiempo de respuesta muy rápido, gran capacidad de absorción de energía para su tamaño y relativamente barato.
• Contras: Se degradan con cada sobretensión que desvían. Cada evento altera ligeramente el material, reduciendo su tensión de apriete. Con el tiempo, pueden fallar, a veces en cortocircuito. Por este motivo, todos los SPD modernos con MOV DEBEN incluir fusibles térmicos e indicadores de estado para desconectarlos de forma segura al final de su vida útil.

2. Tubo de descarga de gas (GDT)

Un GDT es un dispositivo sencillo pero potente que consta de dos o más electrodos sellados en un pequeño tubo de cerámica lleno de un gas inerte. Cuando la tensión a través de los electrodos supera la tensión de ruptura del gas, se forma un arco que crea una trayectoria de resistencia extremadamente baja (un cortocircuito virtual).

• Pros: Pueden manejar corrientes de sobretensión extremadamente altas (lo que los hace ideales para eventos de nivel de relámpago en aplicaciones de Tipo 1), capacitancia muy baja (excelente para líneas de datos/telecomunicaciones), y son muy robustos, no se degradan con el uso de la misma manera que lo hacen los MOV.
• Contras: Su reacción es más lenta que la de los MOV. Cuando se disparan, el arco crea lo que se conoce como “corriente de seguimiento”: continuará conduciendo incluso después de que haya pasado la sobretensión, siempre que la tensión de línea sea suficiente para mantener el arco. Esto puede ser perjudicial para las líneas de CA y a menudo requiere un componente secundario (como un MOV o un fusible) para extinguir el arco.

3. Espacio de chispa

Una vía de chispas es el protector contra sobretensiones original de “fuerza bruta”. En su forma más simple, son dos conductores separados por un pequeño espacio de aire. Cuando se produce una tensión muy alta (como la de un rayo), un arco salta el hueco, desviando la corriente. Las modernas “vías de chispas activadas” son versiones más avanzadas que utilizan un tercer electrodo o circuito electrónico para disparar de forma más fiable y a tensiones más bajas y controladas.

• Pros: Pueden soportar los niveles más altos de corriente de rayo imaginables (Iimp > 100 kA). Son increíblemente robustos.
• Contras: Tensión de disparo muy lenta e imprecisa, y genera una importante corriente de seguimiento que debe extinguirse, normalmente mediante un fusible o un disyuntor. Se encuentran casi exclusivamente en los SPD de tipo 1 de alta resistencia en subestaciones de servicios públicos o entradas de servicio principales donde la fuerza bruta es la prioridad.

4. Diodo de supresión de tensión transitoria (TVS)

Los diodos TVS son dispositivos semiconductores, como los diodos Zener superrápidos, diseñados específicamente para la protección contra sobretensiones. Son los instrumentos de precisión del mundo de los SPD, que sujetan la tensión con precisión quirúrgica.

• Pros: Tiempo de respuesta extremadamente rápido (picosegundos), tensión de apriete muy precisa y no se degradan con el uso repetido (dentro de su clasificación).
• Contras: Tienen una capacidad de manipulación de energía mucho menor en comparación con las otras tecnologías. Son perfectos para proteger componentes sensibles a nivel de placa y suelen utilizarse como etapa final de protección en dispositivos de Tipo 3.

Matriz de tecnología de materiales: Comparación a simple vista

Lo más importante: El DOCUP perfecto a menudo no consiste en una única tecnología, sino en un diseño híbrido que aprovecha los puntos fuertes de cada uno. Una combinación común y muy eficaz en un SPD de Tipo 1 o Tipo 2 de alto rendimiento es un GDT o Spark Gap para el manejo masivo de energía, emparejado con un MOV para gestionar el tiempo de respuesta y la tensión de apriete, garantizando tanto la protección de fuerza bruta como un apriete rápido y preciso.

De la teoría a la práctica: Guía de selección e instalación en 3 pasos

Ahora viene lo más importante: ¿cómo aplicar todo esto a sus instalaciones? Un buen diseño sigue un proceso claro y lógico.

Paso 1: Conozca sus zonas de protección (concepto LPZ)

La norma IEC 62305 introduce el concepto de zonas de protección contra el rayo (LPZ). Piense en su edificio como una serie de cajas anidadas, en las que cada capa proporciona más protección. Su objetivo es instalar un SPD en el límite de cada transición de zona para reducir progresivamente la energía de sobretensión.

El concepto de Zona de Protección contra el Rayo (LPZ), mostrando la colocación de SPD en los límites de la zona.

• LPZ 0: En el exterior del edificio, expuesto a los rayos directos y a todo el campo electromagnético.
• LPZ 1: La zona situada justo en el interior del edificio, después del primer dispositivo de protección (SPD de tipo 1).
• LPZ 2: En el interior del edificio, tras un dispositivo de protección secundario (SPD de tipo 2).
• LPZ 3: La zona inmediata alrededor de un dispositivo sensible, protegida por un dispositivo final (SPD de tipo 3).

Paso 2: Árbol de decisión para la selección del DOCUP

Utilice este sencillo árbol para guiar su proceso de selección.

Paso 3: Cuatro comprobaciones clave de la instalación

He visto sistemas SPD de varios miles de dólares inutilizados por una instalación chapucera. La física no perdona. Siga estas reglas religiosamente.

1. Ubicación correcta: Coloque el SPD lo más cerca posible del panel o equipo que está protegiendo.
2. Longitudes de cable cortas: Esta es la regla de instalación más importante. Los cables que conectan el SPD a las fases del panel y a la barra de tierra añaden inductancia. Cada centímetro de cable aumenta la tensión de paso durante una sobretensión rápida. La tensión añadida puede ser de cientos de voltios por metro. Consejo profesional: Mantenga la longitud de los cables por debajo de 0,5 metros (unas 20 pulgadas). Retuerce los cables de fase y tierra para reducir el bucle inductivo.
3. Sólida conexión a tierra: La función del SPD es desviar la energía a tierra. Si su sistema de puesta a tierra es deficiente (alta resistencia), la energía no tiene adónde ir y el SPD no puede hacer su trabajo. Asegúrese de que dispone de una única referencia de tierra de baja impedancia.
4. Protección de sobreintensidad adecuada: Los SPD deben conectarse mediante un disyuntor o fusible. Esto NO es para proteger el SPD de sobretensiones, sino para desconectarlo de forma segura de la fuente de alimentación en el raro caso de que se produzca un fallo al final de su vida útil, evitando el riesgo de incendio. Siga siempre las recomendaciones del fabricante en cuanto al tamaño de este disyuntor.

Preguntas más frecuentes (FAQ)

1. ¿Puedo instalar un SPD de tipo 3 (como una regleta) y prescindir de los más grandes?
No. Se trata de un error común y costoso. Un dispositivo de Tipo 3 sólo está diseñado para soportar pequeñas sobretensiones residuales. Una gran sobretensión procedente de la compañía eléctrica o de un rayo cercano lo destruiría, y probablemente también a los equipos conectados a él. Necesita los dispositivos de Tipo 1 y Tipo 2 para reducir la sobretensión a un nivel manejable.

2. ¿Cómo sé si mi protector contra sobretensiones necesita ser sustituido?
La mayoría de los SPD modernos montados en panel (Tipo 1 y 2) tienen una luz indicadora de estado o una bandera mecánica. El verde suele significar que funciona; el rojo, apagado o un color diferente significa que la protección se ha visto comprometida y que es necesario sustituir la unidad. Algunos sistemas avanzados también tienen contactos de supervisión remota que pueden conectarse al sistema de gestión del edificio.

3. ¿Cuál es la diferencia entre un protector contra sobretensiones y un disyuntor?
Un disyuntor protege contra sobrecorriente-una situación en la que el sistema consume demasiada corriente durante un periodo prolongado (por ejemplo, un cortocircuito o un motor sobrecargado). Es un dispositivo termomagnético de acción lenta. Un SPD protege contra sobretensión-un pico de tensión extremadamente rápido y de corta duración. Cumplen dos funciones de protección completamente distintas pero igualmente importantes.

4. ¿Un protector contra sobretensiones protegerá mi equipo de la caída directa de un rayo?
Ningún dispositivo puede ofrecer una protección 100% contra un impacto directo en la propia estructura. Un Sistema de Protección contra el Rayo (SPD) correctamente instalado se encarga del impacto directo. Un SPD de Tipo 1 está diseñado para manejar la inmensa corriente que recibe conducido a las líneas eléctricas desde esa huelga. Son dos partes de un sistema completo.

5. ¿Es siempre mejor un valor kA más alto?
Hasta cierto punto. Una clasificación kA más alta (para Iimp o In) significa que el dispositivo puede soportar más energía de sobretensión o más eventos de sobretensión durante su vida útil, por lo que generalmente indica un dispositivo más robusto y duradero. Sin embargo, una vez que se dispone de una clasificación kA adecuada para el nivel de exposición, una clasificación kA más baja no es suficiente. Tensión nominal de protección (VPR) o superior se convierte en el factor más crítico para proteger los componentes electrónicos sensibles.

6. ¿Por qué es tan importante la longitud de los cables de instalación?
Inductancia. Cada centímetro de cable tiene inductancia, que resiste un cambio rápido de corriente (como una sobretensión). Esta resistencia crea una caída de tensión a lo largo del cable. Durante una sobretensión, esta tensión se suma a la tensión de bloqueo del SPD, aumentando la tensión total que percibe su equipo. Los cables cortos y rectos minimizan esta tensión añadida.

7. ¿Necesito SPD en una zona con tormentas poco frecuentes?
Sí. Recuerde que internamente se generan hasta 80% de sobretensiones. Cada vez que un motor, compresor o variador de frecuencia realiza un ciclo, genera una pequeña sobretensión. Las conmutaciones de la red eléctrica también se producen en todas partes. Estos eventos causan daños acumulativos que reducen la vida útil y la fiabilidad de sus activos electrónicos.

8. ¿Puedo instalar yo mismo un SPD montado en panel?
A menos que sea un electricista cualificado y autorizado, no debería hacerlo. La instalación implica trabajar dentro de cuadros eléctricos bajo tensión o potencialmente bajo tensión, lo cual es extremadamente peligroso. Por seguridad, conformidad y eficacia, contrate siempre a un profesional.

Conclusión: ¿Hay que poner SPD en todos los paneles?

Volvamos a nuestra pregunta original. La respuesta no es poner a ciegas un DOCUP en cada panel, pero para instalar un SPD estratégicamente elegido en cada punto de transición crítico de su sistema eléctrico.

Es decir:

1. Comenzando con un dispositivo Tipo 1 de fuerza bruta en la entrada de servicio para hacer frente a las marejadas del exterior.
2. Añadir dispositivos de tipo 2 en los paneles de distribución clave que alimentan maquinaria sensible o crítica para hacer frente a las agitadas olas del interior.
3. Acabado con dispositivos de precisión de tipo 3 para proteger los equipos de control, datos y microprocesadores más vulnerables.

Al comprender la diferencia en la Tipo 1 vs Tipo 2 vs Tipo 3 SPD debate, profundizando en la comparación de materiales de MOV, GDT y otras tecnologías, y aplicando una estrategia de protección contra sobretensiones coordinada y de varias capas -diseñada con cuidado e instalada con precisión- puede convertir una historia de fallo catastrófico en un no-evento. Puede que las luces parpadeen, pero sus sistemas críticos seguirán funcionando y usted podrá dormir tranquilo durante la próxima tormenta.