¿Qué hace un SPD?

Un Dispositivo de Protección contra Sobretensiones (SPD) es un dispositivo utilizado para proteger equipos electrónicos contra sobretensiones o tensiones transitorias. Se conectan en paralelo con el circuito de alimentación de la carga que necesita protección y también se pueden utilizar en redes de suministro eléctrico a todos los niveles. Este artículo profundizará en el principio de funcionamiento de los dispositivos de protección contra sobretensiones y su importante papel en los sistemas eléctricos.

¿Qué son las sobretensiones?

Las sobretensiones son sobretensiones transitorias que pueden alcanzar decenas de kilovoltios con duraciones del orden de microsegundos. A pesar de su corta duración, el alto contenido energético puede causar serios problemas a los equipos conectados a la línea, como el envejecimiento prematuro de los componentes electrónicos, fallos en los equipos o interrupciones del servicio y pérdidas económicas.

Origen de las sobretensiones

Se sabe que los rayos son la fuente más importante de sobretensiones: se ha registrado que los rayos tienen de un millón a mil millones de voltios y entre 10.000 y 200.000 amperios. Sin embargo, los rayos solo constituyen una parte de todos los eventos transitorios en una instalación. Debido a que los transitorios pueden originarse tanto de fuentes externas (como los rayos) como internas, las instalaciones deben tener tanto un sistema de protección contra rayos como protección contra sobretensiones instalada.

Rayos: La fuente más destructiva de sobretensiones. Según la norma IEC 61643-12, la energía de los rayos puede alcanzar hasta 200 kA. Sin embargo, como referencia, las estimaciones indican que el 65% es inferior a 20 kA y el 85% es inferior a 35 kA.

Inducción: Las fuentes incluyen rayos de nube a nube o impactos de rayos cercanos donde el flujo de corriente induce una sobretensión en las líneas de suministro u otros conductores metálicos.

No hay forma de saber realmente cuándo, dónde, el tamaño o la duración/forma de onda de una sobretensión. Por lo tanto, dentro de las Normas se han hecho algunas suposiciones y se han elegido 2 formas de onda principales para simular diferentes eventos de sobretensión:

- Conducción

  La conducción o 10/350µs simula la energía del impacto directo de un rayo.

- Inducción
  La inducción o 8/20µs simula la energía del impacto indirecto de un rayo.

Fuentes internas:

- Provienen de la conmutación de la red eléctrica, la desconexión de motores u otras cargas inductivas. La energía de estas fuentes también se analiza con la forma de onda 8/20.

- Las sobretensiones transitorias no se producen únicamente en las líneas de distribución de energía, sino que también son comunes en cualquier línea formada por conductores metálicos, como telefonía, comunicaciones, medición y datos.

El papel de los dispositivos de protección contra sobretensiones

Los dispositivos de protección contra sobretensiones controlan las tensiones transitorias desviando o limitando las corrientes de sobretensión, protegiendo los equipos electrónicos sensibles conectados a ellos, como ordenadores, televisores, lavadoras y circuitos de seguridad (como sistemas de detección de incendios e iluminación de emergencia). Estos dispositivos contienen circuitos electrónicos sensibles que son propensos a sufrir daños por sobretensiones transitorias; por lo tanto, los dispositivos de protección contra sobretensiones desempeñan un papel crucial en la protección de los sistemas de instalación eléctrica.

Sin un SPD adecuado, los eventos transitorios pueden dañar los equipos electrónicos y provocar costosos tiempos de inactividad. Por lo tanto, no se puede exagerar la importancia de los dispositivos de protección contra sobretensiones para proteger los equipos eléctricos.

¿Cómo funciona un SPD?

Hay al menos un componente no lineal del SPD, que en diferentes condiciones, realiza la transición entre un estado de alta y baja impedancia. A las tensiones de funcionamiento normales, los SPD están en un estado de alta impedancia y no afectan al sistema. Cuando se produce una tensión transitoria en el circuito, el SPD pasa a un estado de conducción (o baja impedancia) y desvía la energía y la corriente transitorias de vuelta a su fuente o a tierra. Esto limita o fija la amplitud de la tensión a un nivel más seguro. Después de que se desvía el transitorio, el SPD se restablece automáticamente a su estado de alta impedancia.

El principio de funcionamiento del protector contra sobretensiones es el siguiente:

- Funcionamiento normal

  En ausencia de una sobretensión, el dispositivo de protección contra sobretensiones no tiene ningún efecto en el sistema en el que está instalado. Actúa como un circuito abierto, manteniendo

  el aislamiento entre los conductores activos y la tierra.

- Durante una sobretensión
  Cuando se produce una sobretensión, el dispositivo de protección contra sobretensiones reducirá su impedancia en nanosegundos y desviará la corriente de sobretensión. En este

  punto, el SPD se comporta como un circuito cerrado, cortocircuitando la sobretensión y limitándola a valores aceptables para el equipo conectado eléctricamente

  aguas abajo.

- Después de la sobretensión
  Una vez que cesa la sobretensión de impulso, el dispositivo de protección contra sobretensiones restaurará su impedancia original y volverá al estado de circuito abierto, continuando

  monitoreando las condiciones de tensión en el sistema eléctrico.

¿3P o 4P? ¿Cuándo se requiere el polo N-PE?

Los Dispositivos de Protección contra Sobretensiones (SPD) se instalan en paralelo aguas arriba de los equipos eléctricos en una posición tal que, durante cualquier evento de tensión excesiva, el SPD actuará como una ruta de baja impedancia a tierra. Esto canaliza la energía de alta tensión lejos del equipo aguas abajo antes de que se exceda su clasificación de resistencia a la tensión, evitando así daños.

Una consulta común con respecto a los SPD es la distinción entre la aplicación de dispositivos de 3 polos y 4 polos. En el caso de los sistemas de cableado TN-C-S, el conductor neutro está conectado directamente a tierra (enlace MEN). Si se instala un SPD a menos de 10 metros de este enlace MEN, solo se requiere un dispositivo de 3 polos. El polo N-PE adicional proporcionado por los dispositivos de 4 polos es redundante en esta situación, ya que ya existe una ruta a tierra a través del neutro a través del enlace MEN.

Sin embargo, si se instala un SPD a más de 10 metros de un enlace MEN, se requiere un SPD de 4 polos. A medida que la impedancia a tierra aumenta con la longitud del cable, una energía de sobretensión ahora tiene el potencial de entrar en la red después del enlace MEN y dañar el equipo aguas abajo.

Clasificación de los protectores

Los dispositivos de protección se clasifican en tipos según la capacidad de descarga.

Tipo 1:
■ Probado con una forma de onda de 10/350 µs (prueba de Clase I), que simula la corriente producida por un rayo directo.
■ Capacidad para descargar corrientes muy altas a tierra, proporcionando un alto nivel de protección de tensión Up.

■ Debe ir acompañado de protectores de Tipo 2 aguas abajo. Diseñado para su uso en paneles de suministro de energía entrante donde el riesgo de caída de rayos

   es alto, por ejemplo, en edificios con un sistema de protección externo.

Tipo 2:
■ Probado con una forma de onda de 8/20 µs (prueba de Clase II), que simula la corriente producida en caso de una conmutación o caída de rayos en la

   línea de distribución o sus proximidades.
■ Capacidad para descargar altas corrientes a tierra, proporcionando un nivel de protección de tensión Up medio. Diseñado para su uso en paneles de distribución ubicados

   aguas abajo de los protectores de Tipo 1 o en paneles de suministro de energía entrante en áreas con baja exposición a rayos.

Tipo 3:
■ Probado con una forma de onda combinada de 1,2/50 µs - 8/20 µs (prueba de Clase III), que simula la corriente y la tensión que pueden llegar al equipo

   a proteger.
■ Capacidad para descargar corrientes medias a tierra, proporcionando un bajo nivel de protección de tensión Up. Siempre instalado aguas abajo de una protección de Tipo 2

   diseñada para proteger equipos sensibles o equipos ubicados a más de 20 m aguas abajo del dispositivo de Tipo 2.

Características de los SPD basadas en la norma IEC 61643

Parámetros del protector:

- Up Nivel de protección: Tensión residual máxima entre los terminales del dispositivo de protección durante la aplicación de una corriente de pico.

- In Corriente nominal: Corriente de pico en forma de onda de 8/20 µs que el dispositivo de protección puede soportar 20 veces sin llegar al final de su vida útil

- Imax Corriente máxima de descarga: Corriente de pico con forma de onda de 8/20 µs que el dispositivo de protección puede soportar.

- Uc Tensión máxima de funcionamiento continuo: Tensión efectiva máxima que se puede aplicar permanentemente a los terminales del dispositivo de protección

  dispositivo.

- Iimp Corriente de impulso: Corriente de pico con forma de onda de 10/350 µs que el dispositivo de protección puede soportar sin llegar al final de su vida útil.

¿Dónde empezar el diseño de la protección?

Como origen de la instalación, el cuadro principal es el lugar para comenzar el diseño de los SPD en la red.

¿Cómo empezar el diseño de la protección?

Como se indicó anteriormente, el diseño de la protección SPD no depende de las clasificaciones de fallo dadas por el transformador, sino que solo depende del nivel de exposición frente a la sobretensión. Entonces, ¿qué SPD tenemos que instalar en el cuadro principal?

Consulte el diagrama anterior de la norma IEC 63205-1, que muestra la dispersión del rayo más alto considerado: 200 kA a 10/350 µs.

En el peor de los casos, el 50% de esta energía se conduce a tierra, dejando 100 kA potenciales a través de las 3 fases y el neutro de la red.

Aquí se recomienda encarecidamente un SPD de Tipo 1 de 25 kA a 10/350 µs (Iimp) para los casos en que un rayo caiga sobre o cerca de la conexión a tierra del edificio, en particular cuando un edificio tiene un pararrayos.

En el "Escenario normal" se supone que cualquier caída de rayo directa a la red estará a tal distancia de la instalación que otro 50% de la energía se dispersará a tierra a través de otros conductores antes de entrar en su punto de conexión. En este escenario, se recomienda un dispositivo con un Tipo 1 de 12,5 kA a 10/350 µs (Iimp). Además, según la norma IEC 61643-12, 12,5 kA es la clasificación mínima en kA cuando se necesita un Tipo 1.

Si el nivel de exposición de la instalación es inferior a los escenarios descritos anteriormente, se puede considerar un SPD de Tipo 2 (Imax) junto con el riesgo y el coste del equipo y el tiempo de inactividad.

¿Necesito instalar una tercera etapa de dispositivos de protección contra sobretensiones?

Se puede considerar una tercera etapa de protección contra sobretensiones instalada en la carga final, dependiendo de qué cargas, cuán críticas, costosas, el coste del tiempo de inactividad y lo sensibles que sean. Si el coste del equipo y/o el tiempo de inactividad es alto, entonces la instalación de un dispositivo de Tipo 3 (1,5/50 µs) de tercera etapa reducirá aún más el riesgo de que cualquier última energía de sobretensión llegue a su equipo.

Ejemplos de aplicaciones que deben incluir una tercera etapa de protección contra sobretensiones son:

■ Hospitales
■ Centros de datos
■ Aeropuertos
■ Banca y seguros
■ Transporte