Comprensión de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD)
Definición y función principal
A dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) Es un dispositivo de protección que limita las tensiones transitorias mediante la desviación o limitación de la sobrecorriente, y es capaz de repetir estas funciones según lo especificado. Anteriormente, los DPS se conocían como supresores de sobretensiones transitorias (TVSS) o supresores de sobretensiones secundarios (SSA), pero la terminología se estandarizó a DPS con la adopción de la norma ANSI/UL 1449, 3.ª edición, en 2009.
El principio fundamental de los SPD consiste en la conexión en paralelo al circuito de alimentación de las cargas que protegen. Un SPD conectado en paralelo presenta una alta impedancia. Al aparecer una sobretensión transitoria en el sistema, la impedancia del dispositivo disminuye, de modo que la sobrecorriente pasa a través del SPD, eludiendo el equipo sensible.
Sistema de clasificación SPD
Según el Código Eléctrico Nacional (NEC) y ANSI/UL 1449, los SPD se clasifican en tres tipos principales según su ubicación de instalación y aplicación prevista:
SPD tipo 1: protección de entrada de servicio
Tipo 1: Conexión permanente, diseñada para su instalación entre el secundario del transformador de servicio y el lado de línea del dispositivo de desconexión de sobrecorriente (equipo de servicio). Su propósito principal es proteger el aislamiento del sistema eléctrico contra sobretensiones externas causadas por rayos o la conmutación del banco de condensadores de la compañía eléctrica.
Especificaciones principales:
– Onda de corriente: corriente de impulso de 10/350 µs
– Manejo de corriente: 50.000 a 200.000 amperios
– Instalación: Equipos de entrada de servicio
– Protección primaria contra impactos directos de rayos
SPD tipo 2: protección del panel de distribución
Tipo 2: Conexión permanente, diseñada para su instalación en el lado de carga del dispositivo de desconexión de sobrecorriente (equipo de servicio), incluyendo las ubicaciones de los paneles de la marca. Su propósito principal es proteger los componentes electrónicos sensibles y las cargas basadas en microprocesadores contra la energía residual de rayos, sobretensiones generadas por motores y otras sobretensiones generadas internamente.
Especificaciones principales:
– Onda de corriente: onda de corriente de 8/20 µs
– Manejo de corriente: 20.000 a 100.000 amperios
– Instalación: Cuadros de distribución y centros de carga
– Protección primaria para sistemas eléctricos de edificios
SPD de tipo 3: Protección del punto de uso
Tipo 3: SPD de punto de utilización instalados a una longitud de conductor mínima de 10 metros (30 pies) desde el panel de servicio eléctrico hasta el punto de utilización.
Especificaciones principales:
– Onda de corriente: Combinación de voltaje 1,2/50 μs y corriente 8/20 μs
– Manejo de corriente: 5.000 a 20.000 amperios
– Instalación: Cerca de equipos protegidos
– Capa final de protección localizada
Otros métodos de protección contra sobretensiones eléctricas
Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS)
Los sistemas UPS ofrecen una protección eléctrica integral que va más allá de la simple protección contra sobretensiones. Estos dispositivos monitorean continuamente la tensión de entrada y responden a problemas de calidad de la energía cambiando a la alimentación por batería durante cortes de suministro o perturbaciones graves.
Características de protección del UPS:
– Tiempo de respuesta:2-10 milisegundos para transferencia de potencia
– Ámbito de protección: Nivel de equipamiento individual
– Manejo de corriente:Variable según la capacidad de la unidad
– Funciones adicionales: Respaldo de batería, acondicionamiento de energía, regulación de voltaje
– Coste:$100-5000+ dependiendo de la capacidad
Limitaciones del UPS para protección contra sobretensiones:
– Tiempo de respuesta más lento en comparación con los SPD
– Capacidad limitada de manejo de sobrecorrientes
– Requiere mantenimiento y reemplazo de la batería.
– No diseñado para sobretensiones eléctricas de alta energía
Protectores de sobretensión de regletas de enchufes vs. regletas de enchufes básicas
Regletas de enchufes básicas
Una regleta es un bloque de enchufes que permite alimentar varios dispositivos eléctricos desde una sola toma. Las regletas básicas no ofrecen protección contra sobretensiones, a pesar de su similitud visual con los protectores de sobretensión.
Características:
– Función: Solo distribución de energía
– Protección: Disyuntor solo para sobrecargas
– Tiempo de respuesta: Sin capacidad de protección contra sobretensiones
– Costo: $10-30
– Aplicación: Dispositivos no críticos donde no se necesita protección contra sobretensiones
Regletas de enchufes con protección contra sobretensiones para consumidores
La principal diferencia entre un protector contra sobretensiones y una regleta es que este último contiene un MOV. Este desvía las sobretensiones dañinas de los dispositivos conectados.
Características:
– Manejo de corriente: 1.000-4.000 julios típicamente
– Tiempo de respuesta: 25 nanosegundos (basado en MOV)
– Alcance de protección: Solo dispositivos conectados directamente a la regleta
– Voltaje de sujeción: 330-600 voltios
– Vida útil: se degrada con cada evento de sobretensión
Varistores de óxido metálico (MOV)
Los varistores de óxido metálico son resistencias dependientes del voltaje que constituyen la tecnología principal de la mayoría de los protectores contra sobretensiones de consumo. Los MOV contienen una matriz cerámica de granos de óxido de zinc con límites de grano que forman uniones de diodos.
Operación MOV:
– Condiciones normales:Alta resistencia con flujo de corriente mínimo
– Condiciones de sobretensión:La ruptura por avalancha crea una ruta de baja resistencia
– Tiempo de respuesta:25 nanosegundos
– Manejo de corriente:1.000-20.000 amperios dependiendo del tamaño
Limitaciones de MOV:
– Degradación progresiva con exposición repetida a sobretensiones
– Eventualmente requiere reemplazo después de manejar múltiples sobretensiones
– No hay indicación del estado de protección en las implementaciones básicas
Diodos de supresión de voltaje transitorio (TVS)
Los diodos TVS son diodos de avalancha especializados, diseñados para brindar protección contra sobretensiones ultrarrápidas en dispositivos electrónicos sensibles.
Características del diodo TVS:
– Tiempo de respuesta:1 picosegundo (el más rápido disponible)
– Manejo de corriente:Pulso pico de 10.000 a 30.000 amperios
– Precisión de voltaje:Niveles de sujeción muy precisos
– Vida útil:Sin efectos de envejecimiento, excelente estabilidad a largo plazo.
– Aplicación: Protección a nivel de PCB en equipos electrónicos
Ventajas sobre los MOV:
– Sin degradación con el tiempo
– Respuesta extremadamente rápida para protección ESD
– Características precisas de sujeción de voltaje
– Funcionamiento fiable durante la vida útil del dispositivo
Tubos de descarga de gas (GDT)
Los tubos de descarga de gas funcionan como interruptores controlados por voltaje utilizando principios de descarga de gas inerte, comúnmente utilizados en equipos de telecomunicaciones.
Características del GDT:
– Tiempo de respuesta: <1 microsegundo
– Manejo de corriente:10.000-40.000 amperios
– Estado normal:Impedancia muy alta, capacitancia mínima
– Estado activado: Trayectoria de conducción de baja impedancia
– Aplicaciones: Telecomunicaciones, protección de alta tensión
Disyuntores y protección de seguridad
Disyuntores tradicionales
Los disyuntores brindan protección contra sobrecorriente pero no están diseñados para proteger contra sobretensiones.
Especificaciones del disyuntor:
– Función: Protección contra sobrecorriente y cortocircuito
– Tiempo de respuesta:16-100 milisegundos
– Protección contra sobretensiones:Ninguno (demasiado lento para picos de voltaje)
– Manejo de corriente:Amperaje nominal para funcionamiento continuo
– Aplicación: Protección general de circuitos eléctricos
Protección GFCI y AFCI
– GFCI: Protección contra falla a tierra (sensibilidad de 5 mA, respuesta de 25 a 30 ms)
– AFCI: Protección contra arcos eléctricos para la prevención de incendios
– Función:Protección de seguridad, no protección contra sobretensiones
– Requisitos: Obligatorio por NEC en ubicaciones específicas
Sistemas de protección contra rayos
Pararrayos
Los pararrayos protegen los sistemas de transmisión y distribución contra impactos directos de rayos y transitorios de conmutación.
Características del pararrayos:
– Manejo de corriente: 100.000+ amperios
– Niveles de voltaje:Tensiones del sistema de transmisión (>1000 V)
– Tiempo de respuesta:Microsegundos
– Aplicación:Sistemas de transmisión y distribución de servicios públicos
– Coste:$1,000-10,000+ para dispositivos de clase de transmisión
Pararrayos (Terminales Aéreas)
– Función:Proporcione la ruta preferida de impacto del rayo
– Protección: Protección estructural de edificios
– Integración:Funciona con sistema de puesta a tierra
– Manejo de corriente: Corriente máxima del rayo (hasta 200.000 amperios)
Equipos de acondicionamiento y calidad de energía
Reguladores y estabilizadores de voltaje
Los acondicionadores de energía se centran en la calidad de la energía en estado estable en lugar de en la protección contra sobretensiones transitorias.
Características de regulación de voltaje:
– Función:Mantener niveles de voltaje constantes (±1-5%)
– Tiempo de respuesta:Milisegundos para corrección de voltaje
– Tipo de protección: Protección contra caídas de tensión y sobretensiones
– Aplicación:Áreas con mala calidad de suministro eléctrico
– Coste:$100-1.000+ dependiendo de la capacidad
Transformadores de aislamiento
– Función:Aislamiento eléctrico y reducción de sobretensiones
– Protección:Atenuación de sobretensión de modo común (-60 dB o mejor)
– Manejo de la tensión:Entrada de impulso de 30 kV, salida de 10 kV (típica)
– Aplicación:Equipos médicos, instrumentación sensible
Filtros de línea eléctrica y protección EMI
– Función: Filtrar interferencias electromagnéticas y ruido eléctrico
– Operación: Filtrado continuo de EMI/RFI conducido
– Componentes: Inductores, condensadores, núcleos de ferrita
– Alcance:Complementa la protección contra sobretensiones, no la reemplaces
SPD vs. otros métodos de protección contra sobretensiones eléctricas
| Método | Función | Respuesta | Ubicación | Actual | Tensión | Vida útil | Coste | Aplicaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SPD Tipo 1 | Sobretensión eléctrica | 25 ns | Entrada de servicio | 50-200 kA | 700-1500 V | Alta durabilidad | Alta | Paneles de servicio |
| SPD Tipo 2 | Distribución | 25 ns | Distribución | 20-100 kA | 600-1200 V | Alta durabilidad | Medio | Circuitos derivados |
| SPD Tipo 3 | Punto de uso | 25 ns | Cerca del equipo | 5-20 kA | 330-600 V | Durabilidad media | Bajo | Elec sensible |
| Sistemas UPS | Respaldo de energía | 2-10 ms | Nivel de equipo | Variable | ±3-5% | Depende de la batería | Alta | Equipo crítico |
| Interruptores automáticos | Sobrecorriente | 16-100 ms | Distribución | Variable | Ninguno | Muy alta | Bajo | Circuito general |
| MOV | Pinza de tensión | 25 ns | Nivel de dispositivo | 1-20 kA | Variable | Se degrada | Muy bajo | Protección de componentes |
| Diodos TVS | Transitorio rápido | 1 ps | Nivel de PCB | 10-30 kA | Muy preciso | Sin envejecimiento | Bajo | Electrónica |
| Descarga de gas | Alta tensión | <1 µs | Nivel de equipo | 10-40 kA | Alta tensión | Muy alta | Medio | Telecomunicaciones |
| Detención de rayos | Protección contra rayos | Microsegundos | Transmisión | 100+ kA | niveles de kV | Muy alta | Alta | Sistemas de energía |
| Condición de energía | Calidad de la energía | Continuo | Nivel de equipo | Depende de la carga | ±5-10% | Alta | Alta | Equipo sensible |
| Aislamiento Trans | Aislamiento eléctrico | Continuo | Nivel de equipo | Depende de la carga | Buen aislamiento | Muy alta | Alta | Equipo médico |
Comparación completa: SPD vs. otros métodos de protección
Análisis del tiempo de respuesta
Protección ultrarrápida (picosegundos):
– Diodos TVS: 1 picosegundo – Ideal para ESD y transitorios rápidos
Protección rápida (nanosegundos):
– SPD (todos los tipos): 25 nanosegundos – Excelente para sobretensiones
– MOV: 25 nanosegundos – Bueno para sobretensiones moderadas
Velocidad moderada (microsegundos):
– Tubos de descarga de gas: <1 microsegundo – Adecuado para eventos de alta energía
Respuesta lenta (milisegundos):
– Sistemas UPS: 2-10 milisegundos – Adecuado para transferencia de energía
– GFCI/AFCI: 25-30 milisegundos – Aplicaciones centradas en la seguridad
– Disyuntores: 16-100 milisegundos – Solo protección contra sobrecorriente
Comparación de la capacidad de manejo de corriente
Energía más alta (100+ kA):
– Pararrayos: Protección a nivel de transmisión
– SPD Tipo 1: protección de entrada de servicio de 50-200 kA
Alta energía (20-100 kA):
– SPD Tipo 2: protección de distribución de 20-100 kA
– Tubos de descarga de gas: protección de telecomunicaciones de 10-40 kA
Energía moderada (5-30 kA):
– SPD Tipo 3: protección en el punto de uso de 5-20 kA
– Diodos TVS: protección electrónica de precisión de 10-30 kA
Energía limitada (1-20 kA):
– Protectores contra sobretensiones para consumidores: protección de dispositivos de 1 a 4 kA
– MOV: protección de componentes de 1 a 20 kA
Sin protección contra sobretensiones:
– Regletas de enchufes básicas: solo clasificación del disyuntor
– Disyuntores: Protección contra sobrecorriente, sin manejo de sobretensiones
Ubicación de la instalación e integración del sistema
Instalación jerárquica de SPD
Los SPD siguen un enfoque de instalación sistemático que proporciona protección coordinada:
1. DOCUP de tipo 1Entrada de servicio: primera línea de defensa
2. DOCUP de tipo 2: Paneles de distribución – protección del edificio principal
3. DOCUP de tipo 3:Punto de uso: protección del equipo final
Instalaciones con otros métodos
– Sistemas UPS:Nivel de equipo, requiere conexiones de carga
– Protectores contra sobretensiones para consumidores:Nivel de dispositivo, portátil
– Protección de circuitos:Paneles de distribución, centrados en la seguridad
– Protección de componentes:Nivel de PCB o dentro del equipo
– Equipos de calidad de energía: Nivel de equipamiento, aplicaciones específicas
Normas y cumplimiento normativo
Marco de normas SPD
– ANSI/UL 1449:Estándar principal de SPD de América del Norte
– Serie IEC 61643: Normas internacionales de SPD
– Artículo 285 del Código Nacional de Educación: Requisitos de instalación para SPD
– Requisitos obligatorios:NEC 2020+ requiere SPD para unidades de vivienda
Otros estándares de métodos
– Sistemas UPS:Serie UL 1778, IEC 62040
– Interruptores automáticos:Serie UL 489, IEC 60947
– Protectores contra sobretensiones para consumidores:UL 1449 (clasificación tipo 3)
– Protección de componentes:Varios estándares específicos de componentes
Consideraciones económicas y prácticas
Análisis costo-beneficio
Beneficios de la inversión en SPD:
– Protección de todo el sistema frente a costes dispositivo por dispositivo
– Larga vida útil con un mantenimiento mínimo
– Cumplimiento normativo con instalación única
– Protección del cableado del edificio y de los electrodomésticos empotrados
Costo total de propiedad:
– DOCUP de tipo 2:$200-800 plus instalación protege toda la casa
– Protectores contra sobretensiones para múltiples consumidores:$20-100 cada uno, se necesitan varias unidades
– Sistemas UPS:$100-5,000+ más costos de reemplazo de batería
– Daños por sobretensión:Una instalación industrial promedio pierde entre 1TP y 39 mil millones de THB al año
Requisitos de mantenimiento
Bajo mantenimiento:
– SPDs: Monitoreo de estado, inspección periódica
– Diodos TVS: No requieren mantenimiento
– Disyuntores: Pruebas periódicas
Alto mantenimiento:
– Sistemas UPS: Reemplazo de batería cada 3-5 años
– MOV: Reemplazo después de la degradación
– Acondicionadores de potencia: Reemplazo de filtros, calibración
Recomendaciones específicas para cada aplicación
Aplicaciones residenciales
Protección primaria: SPD tipo 2 en el panel principal (requerido por NEC 2020+)
Protección secundaria: SPD tipo 3 para electrónica sensible
Energía de reserva: UPS para equipos críticos (computadoras, dispositivos médicos)
Aplicaciones comerciales e industriales
Protección primaria: SPD tipo 1 o tipo 2 en la entrada de servicio
Protección de distribución: SPD tipo 2 en subpaneles
Protección del equipo: SPD y SAI tipo 3 para sistemas críticos
Protección especializada: Acondicionadores de potencia para procesos sensibles
Telecomunicaciones y centros de datos
Protección de CA: Instalación coordinada de SPD (tipos 1, 2, 3)
Protección de CC: SPD especializados para líneas de telecomunicaciones
Datos de alta velocidad: Diodos TVS para protección de línea de señal
Sistemas críticos: UPS con respaldo de batería para un funcionamiento ininterrumpido
Resumen de las diferencias clave
Protectores contra sobretensiones (SPD) vs. protectores contra sobretensiones para consumidores
– Manejo de energía: Los SPD manejan entre 20 y 200 kA frente a los 1 y 4 kA de las unidades de consumo.
– Alcance de la protección: Protección de todo el sistema frente a protección de dispositivos individuales
– Instalación: Montaje en panel permanente vs. enchufable portátil
– Normas: Estándares eléctricos profesionales vs. estándares de productos de consumo
– Vida útil: Diseñado para una larga vida útil frente a la necesidad de reemplazo después de sobretensiones importantes
SPD vs. Sistemas UPS
– Función principal: Protección contra sobretensiones vs. respaldo de energía
– Tiempo de respuesta: 25 nanosegundos frente a 2-10 milisegundos
– Manejo de energía: Alta corriente de sobretensión frente a protección contra sobretensiones limitada
– Mantenimiento: Reemplazo mínimo vs. reemplazo de batería requerido
– Costo: Instalación única vs. costos continuos de batería
SPD vs. Equipos de calidad de energía
– Tipo de protección: Protección contra sobretensiones transitorias frente a calidad de energía en estado estable
– Velocidad de respuesta: Nanosegundos vs. milisegundos
– Aplicación: Eventos de sobretensión vs. acondicionamiento continuo de potencia
– Instalación: Conexión en paralelo vs. instalación en serie
Conclusión
Los dispositivos de protección contra sobretensiones representan un enfoque especializado y altamente eficaz para la protección contra sobretensiones eléctricas, que difiere fundamentalmente de otros métodos de protección en su aplicación sistemática, cumplimiento normativo y capacidades de protección integrales. Mientras que otros métodos, como los sistemas SAI, los interruptores automáticos, los MOV, los diodos TVS y los acondicionadores de potencia, desempeñan funciones importantes en la protección eléctrica, los DPS ofrecen ventajas únicas gracias a:
– Sistema de clasificación estandarizado (Tipos 1, 2, 3) para protección coordinada
– Tiempos de respuesta rápidos (25 nanosegundos) para una sujeción de sobretensión eficaz
– Alta capacidad de manejo de corriente (20.000-200.000 amperios) para eventos de sobretensión severa
– Marco regulatorio integral con requisitos específicos del NEC
– Jerarquía de instalación sistemática para la protección de todo el edificio
La principal diferencia radica en que los DPS proporcionan una protección fundamental contra sobretensiones para sistemas eléctricos completos, mientras que otros métodos suelen proteger dispositivos individuales o abordar diferentes problemas eléctricos. Las instalaciones eléctricas modernas se benefician al máximo de un enfoque de protección por capas que combina DPS correctamente coordinados con métodos de protección complementarios adecuados según los requisitos específicos de la aplicación.
Comprender estas diferencias permite a los profesionales de la electricidad diseñar estrategias de protección integrales que cumplan con los objetivos de rendimiento y los requisitos reglamentarios y, al mismo tiempo, optimicen la inversión en protección en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales.
Relacionado
¿Qué es un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD)?
Cómo elegir el SPD adecuado para su sistema de energía solar
Dispositivos de protección contra sobretensiones: ventajas y desventajas
Dispositivos de protección contra sobretensiones frente a pararrayos
