Introducción
En los sistemas eléctricos modernos, proteger los equipos contra sobretensiones es fundamental para la continuidad operativa y la seguridad. Si bien los términos “pararrayos” y “supresor de sobretensiones” a menudo se usan indistintamente, estos dispositivos cumplen propósitos distintos en las estrategias integrales de protección. Comprender las diferencias entre los pararrayos y los supresores de sobretensiones es esencial para los ingenieros, los administradores de instalaciones y los profesionales de adquisiciones encargados de diseñar sistemas de protección eléctrica eficaces.
Los rayos siguen siendo una de las fuerzas más destructivas de la naturaleza, capaces de generar sobretensiones instantáneas que superan los 100.000 amperios. Sin embargo, los sistemas eléctricos se enfrentan a muchas otras amenazas, incluidos los transitorios de conmutación, las fluctuaciones de energía y las sobretensiones inducidas. Este artículo aclara las distinciones técnicas entre los pararrayos y los supresores de sobretensiones, examina sus respectivas aplicaciones y proporciona orientación para seleccionar los dispositivos de protección adecuados para su instalación.
¿Qué es un pararrayos?
Definición y propósito principal
Un pararrayos es un dispositivo de protección diseñado específicamente para salvaguardar la infraestructura eléctrica de los rayos directos o cercanos. Su misión principal es interceptar las sobretensiones masivas causadas por los rayos y proporcionar una trayectoria de baja resistencia para desviar de forma segura esta enorme corriente a tierra, evitando daños catastróficos a las estructuras, las líneas de transmisión y los equipos conectados.
Los pararrayos se instalan normalmente en las entradas de servicio, en los tejados, a lo largo de las líneas eléctricas aéreas y en las subestaciones donde la exposición a los rayos directos es mayor. Estos dispositivos están diseñados para manejar corrientes de descarga extremadamente altas, que a menudo superan los 10.000 amperios (10 kA), con frentes de onda muy pronunciados característicos de los eventos de rayos.
Principio de funcionamiento
El pararrayos funciona según las características de impedancia dependientes del voltaje. En condiciones normales de funcionamiento, el pararrayos mantiene una alta impedancia y no afecta el funcionamiento del circuito. Cuando una sobretensión inducida por un rayo excede el voltaje umbral del pararrayos, el dispositivo pasa rápidamente a un estado de baja impedancia, creando una trayectoria conductora preferida a tierra.
Este proceso de descarga desvía la corriente del rayo lejos de los equipos sensibles, limitando el voltaje a niveles seguros. Una vez que pasa la sobretensión, el pararrayos vuelve automáticamente a su estado de alta impedancia, restaurando el funcionamiento normal del sistema sin interrupción. Los pararrayos modernos utilizan la tecnología de varistor de óxido metálico (MOV), principalmente óxido de zinc (ZnO), que proporciona excelentes características no lineales de voltaje-corriente y capacidades de autorrestauración.
¿Qué es un supresor de sobretensiones?
Definición y propósito principal
Un supresor de sobretensiones, también conocido como dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) o supresor de sobretensiones transitorias (TVSS), está diseñado para proteger los equipos eléctricos y electrónicos de las sobretensiones transitorias causadas por perturbaciones internas del sistema. Estas perturbaciones incluyen operaciones de conmutación, conmutación de bancos de condensadores, arranques de motores, variaciones de carga y sobretensiones inducidas indirectamente por rayos.
A diferencia de los pararrayos que manejan rayos directos de alta energía, los supresores de sobretensiones abordan picos de voltaje más pequeños y frecuentes que ocurren dentro del sistema de distribución eléctrica. Se instalan más cerca de los equipos sensibles: dentro de los paneles eléctricos, en los circuitos derivados y cerca de las cargas críticas que requieren protección contra transitorios operativos.
Principio de funcionamiento
Los supresores de sobretensiones funcionan monitoreando continuamente el voltaje en el sistema eléctrico. En condiciones normales, el dispositivo permanece en un estado de alta impedancia con un efecto mínimo en el funcionamiento del circuito. Cuando se detecta una sobretensión transitoria, ya sea por eventos de conmutación o sobretensiones inducidas, el supresor de sobretensiones disminuye rápidamente su impedancia, sujetando el voltaje a un nivel seguro y desviando el exceso de corriente a tierra.
El voltaje de sujeción (también llamado nivel de protección de voltaje o Up) es una especificación crítica que determina el voltaje máximo que aparece en los terminales del equipo protegido durante un evento de sobretensión. Los supresores de sobretensiones de alta calidad proporcionan tiempos de respuesta rápidos (normalmente de nanosegundos a microsegundos) y una limitación de voltaje precisa para proteger los componentes electrónicos sensibles de daños o degradación.
Diferencias clave entre pararrayos y supresor de sobretensiones
Comparación exhaustiva
Si bien ambos dispositivos protegen contra sobretensiones, su diseño, aplicación y capacidades de protección difieren significativamente:
| Aspecto | Pararrayos | Supresor de sobretensión |
|---|---|---|
| Propósito principal | Protección contra rayos directos y sobretensiones de alta energía asociadas | Protección contra transitorios de conmutación y sobretensiones operativas |
| Ámbito de protección | Infraestructura eléctrica externa, entrada de servicio, líneas aéreas | Equipos internos, circuitos derivados, electrónica sensible |
| Capacidad de Manejo de Energía | Extremadamente alto (maneja corrientes de hasta 100+ kA) | Moderado a bajo (normalmente 5-40 kA según el tipo) |
| Rango De Tensión De | Sistemas de alto voltaje (3 kV a 1000 kV); Bajo voltaje (0,28-0,5 kV) | Principalmente bajo voltaje (≤1,2 kV, comúnmente 220-380V) |
| Lugar de instalación | Entrada de servicio, subestaciones, torres de transmisión, tejados | Paneles de distribución, circuitos derivados, cerca de equipos protegidos |
| El Tiempo De Respuesta | Rápido (microsegundos) | Muy rápido (nanosegundos a microsegundos) |
| Forma de onda actual | 10/350 μs (impulso de rayo) | 8/20 μs (sobretensión de conmutación) |
| Normas | IEEE C62.11, IEC 60099-4 | IEC 61643-11, UL 1449, IEEE C62.62 |
| Tamaño Físico | Más grande debido a los requisitos de aislamiento externo | Compacto, adecuado para montaje en panel |
| Contexto de la aplicación | Primera línea de defensa contra los rayos | Capa de protección secundaria/terciaria |
Distinción funcional
Pararrayos están especializados para manejar la descarga de energía masiva e instantánea de los rayos directos. Deben soportar corrientes máximas con tiempos de subida extremadamente pronunciados (microsegundos) y disipar de forma segura energía que puede superar los 10 megajulios. Su construcción prioriza la alta capacidad de descarga y el aislamiento externo robusto.
Pararrayos se centran en suprimir las sobretensiones transitorias más pequeñas y frecuentes que se producen durante el funcionamiento normal del sistema. Proporcionan una sujeción de voltaje ajustada para proteger los circuitos electrónicos sensibles, la instrumentación y los sistemas de control de la degradación causada por la exposición repetitiva a sobretensiones.
Tipos de pararrayos
1. Pararrayos de varilla
El diseño más simple que presenta un electrodo de varilla con una distancia de separación predeterminada. Cuando el voltaje excede el umbral de ruptura, se forma un arco a través del espacio, conduciendo la corriente de sobretensión a tierra. Estos pararrayos tienen una aplicación limitada y se utilizan principalmente en sistemas de bajo voltaje debido a su incapacidad para interrumpir eficazmente la corriente de seguimiento.
2. Pararrayos de bocina
Una mejora con respecto al diseño de varilla, que presenta dos electrodos en forma de bocina separados por un espacio de aire. Cuando cae un rayo, el arco se forma en el punto más estrecho y luego se eleva debido a las fuerzas electromagnéticas y la convección térmica. La creciente distancia entre los espacios ayuda a extinguir el arco de forma natural. Los pararrayos de bocina son adecuados para aplicaciones de media tensión (normalmente hasta 33 kV).
3. Pararrayos de múltiples espacios (tipo expulsión)
Este diseño incorpora múltiples espacios en serie con tubos o cámaras de fibra. Durante el funcionamiento, el arco genera presión de gas que ayuda a extinguir el arco e interrumpir la corriente de seguimiento. Los pararrayos de múltiples espacios proporcionan una mejor protección que los tipos de espacio simple, pero han sido ampliamente reemplazados por diseños modernos.
4. Pararrayos tipo válvula
Un avance significativo que incorpora resistencias no lineales (normalmente carburo de silicio) en serie con espacios de chispa. La resistencia no lineal proporciona baja resistencia durante las condiciones de sobretensión y alta resistencia durante el funcionamiento normal, lo que limita eficazmente la corriente de seguimiento. Los pararrayos tipo válvula ofrecen características de protección superiores y se utilizaron ampliamente en aplicaciones de media y alta tensión.
5. Pararrayos de óxido metálico (MOV)
La tecnología más avanzada y ampliamente utilizada en la actualidad, los pararrayos de óxido metálico utilizan elementos varistores de óxido de zinc (ZnO) sin espacios en serie. La característica de voltaje-corriente altamente no lineal del óxido de zinc proporciona:
- Excelente capacidad de absorción de sobretensiones
- Sin problemas de corriente de seguimiento
- Rendimiento superior de limitación de voltaje
- Larga vida útil con una degradación mínima
- Diseño compacto
- Autorrestauración después de eventos de sobretensión
Los pararrayos MOV están disponibles para todos los niveles de voltaje, desde bajo voltaje (menos de 1 kV) hasta ultra alto voltaje (más de 800 kV) y se han convertido en el estándar de la industria para los sistemas eléctricos modernos.
Tipos de supresores de sobretensiones (Dispositivos de Protección contra Sobretensiones)
De acuerdo con la norma IEC 61643-11 y las normas relacionadas, los supresores de sobretensiones se clasifican según su nivel de protección y la ubicación típica de instalación:
SPD tipo 1 (clase I)
Características:
- Probado con forma de onda de impulso de 10/350 μs
- Máxima capacidad de absorción de energía
- Diseñado para soportar corriente directa de rayo
- Corriente de impulso típica (Iimp): 25 kA a 100 kA
- Corriente máxima de descarga: 50 kA a 100 kA
Aplicaciones:
- Tableros de distribución principales en la entrada de servicio
- Edificios con sistemas externos de protección contra rayos (LPS)
- Instalaciones en áreas de alto riesgo de rayos
- Capa de protección primaria (transición LPZ 0 a LPZ 1)
DPS Tipo 2 (Clase II)
Características:
- Probado con forma de onda de impulso de 8/20 μs
- Absorción de energía moderada
- Protege contra rayos indirectos y sobretensiones de conmutación
- Corriente nominal de descarga típica (In): 5 kA a 40 kA
- Tipo de DPS más comúnmente implementado
Aplicaciones:
- Tableros de subdistribución
- Los paneles de control Industrial
- Instalaciones eléctricas comerciales
- Capa de protección secundaria (transición LPZ 1 a LPZ 2)
DPS Tipo 3 (Clase III)
Características:
- Probado con onda combinada (tensión de 1,2/50 μs, corriente de 8/20 μs)
- Capacidad de energía más baja
- Protección de ajuste fino para equipos sensibles
- Corriente de descarga típica: 1.5 kA a 10 kA
- Nivel de protección de muy baja tensión
Aplicaciones:
- Tomas de corriente cerca de equipos sensibles
- Circuitos derivados finales
- Equipos de TI, instrumentación y sistemas de control
- Capa de protección terciaria (transición LPZ 2 a LPZ 3)
Protección Coordinada de DPS
Las estrategias de protección modernas implementan la instalación de DPS en cascada o coordinada a través de múltiples zonas de protección (Zonas de Protección contra Rayos - LPZ). Los DPS de Tipo 1 en la entrada de servicio manejan sobretensiones de alta energía, los DPS de Tipo 2 en los paneles de distribución proporcionan protección intermedia y los DPS de Tipo 3 en las ubicaciones de uso final ofrecen protección final de ajuste fino para equipos críticos.
Comparación de especificaciones técnicas
| Parámetro | Pararrayos | Supresor de sobretensiones (DPS) |
|---|---|---|
| Tensión nominal | 3 kV a 1000 kV (AT); 0.28-0.5 kV (BT) | ≤1.2 kV; típicamente 230-690V CA |
| Tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV) | Dependiente del sistema, típicamente 0.8-0.84 pu | 1.05-1.15 × tensión nominal |
| Capacidad de Corriente de Descarga | 10 kA a 100+ kA (10/350 μs) | Tipo 1: 25-100 kA; Tipo 2: 5-40 kA; Tipo 3: 1.5-10 kA (8/20 μs) |
| Nivel de Protección de Tensión (Up) | Coordinado con el BIL del equipo | ≤2.5 × tensión del sistema |
| El Tiempo De Respuesta | <100 nanosegundos (tipo MOV) | <25 nanosegundos (Tipo 3); <100 nanosegundos (Tipo 1/2) |
| Absorción de energía | Muy alta (>10 MJ) | Tipo 1: Alta (250-500 kJ); Tipo 2: Moderada (50-150 kJ); Tipo 3: Baja |
| Interrupción de Corriente Posterior | Autoextinguible (tipo MOV) | Autoextinguible |
| Temperatura de funcionamiento | -40°C a +60°C | -40°C a +85°C |
| Vida útil | 20-30 años | 10-25 años (depende de la exposición a sobretensiones) |
| Componentes Principales | Varistores de ZnO, carcasa de cerámica | MOV, GDT (Tubo de Descarga de Gas), diodos TVS, filtros |
Aplicaciones y Ubicaciones de Instalación
Aplicaciones de Pararrayos
Transmisión y distribución de energía:
- Líneas de transmisión aéreas (todos los niveles de tensión)
- Subestaciones eléctricas (AT, MT, BT)
- Transformadores de distribución
- Transformadores montados en plataforma
- Postes elevadores montados en postes
Instalaciones industriales:
- Plantas de fabricación en regiones propensas a rayos
- Instalaciones químicas y petroquímicas
- Explotaciones mineras
- Plantas de tratamiento de agua
- Complejos industriales pesados
Infraestructura:
- Torres de telecomunicaciones
- Sistemas de electrificación ferroviaria
- Instalaciones aeroportuarias
- Sistemas de recolección de parques eólicos y solares
Aplicaciones de descargadores de sobretensión (SPD)
Edificios comerciales:
- Edificios de oficinas
- Centros comerciales
- Hoteles y hostelería
- Centros de salud
- Las instituciones educativas
Sistemas de control industrial:
- Controladores lógicos programables (PLC)
- Sistemas de control distribuido (DCS)
- Variadores de frecuencia (VFD)
- Centros de control de motores
- Sistemas SCADA
IT y Telecomunicaciones:
- Centros de datos
- Salas de servidores
- Equipos de red
- Sistemas de comunicación
- Sistemas de automatización de edificios
Energías renovables:
- Sistemas fotovoltaicos solares (PV)
- Sistemas de turbinas eólicas
- Sistemas de almacenamiento de energía
- Microrredes
Standards and Compliance
Las Normas Internacionales
Las Normas IEC:
- IEC 61643-11: Requisitos y métodos de prueba de SPD de baja tensión (norma primaria para descargadores de sobretensión)
- IEC 60099-4: Descargadores de sobretensión de óxido metálico sin gaps para sistemas de CA (pararrayos)
- IEC 62305: Protección contra el rayo (diseño general del sistema de protección)
Estándares IEEE:
- IEEE C62.11: Descargadores de sobretensión de óxido metálico para circuitos de alimentación de CA (pararrayos)
- IEEE C62.41: Caracterización del entorno de sobretensión
- IEEE C62.62: Especificaciones de prueba para SPD
- IEEE C62.72: Guía de aplicación para SPD
Normas regionales:
- UL 1449 (4ª Edición): Estándar estadounidense para SPD
- EN 61643-11: Adopción europea de la norma IEC
- CSA C22.2 No. 269: Normas canadienses de SPD
Consideraciones de cumplimiento
Al especificar pararrayos o descargadores de sobretensión, asegúrese del cumplimiento de:
- Requisitos de nivel de tensión apropiado para su sistema
- Capacidad de corriente de descarga que coincida con el entorno de sobretensión esperado
- Nivel de protección de tensión compatible con la resistencia al aislamiento del equipo
- Clasificación de temperatura adecuado para el entorno de instalación
- Marcas de certificación de laboratorios de pruebas reconocidos (UL, CE, TÜV, CB)
- Normas de instalación según el artículo 285 de la NEC (EE. UU.) o los códigos eléctricos locales
Preguntas más Frecuentes (FAQ)
1. ¿Puede un descargador de sobretensión reemplazar a un pararrayos?
No, los descargadores de sobretensión no pueden reemplazar a los pararrayos para la protección contra impactos directos de rayos. Si bien un pararrayos puede proporcionar cierta protección contra sobretensiones más pequeñas, los descargadores de sobretensión carecen de la alta capacidad de corriente de descarga (forma de onda de 10/350 μs) necesaria para manejar de forma segura los impactos directos de rayos. Una protección integral requiere ambos dispositivos en un sistema coordinado: pararrayos en la entrada de servicio para la protección primaria y descargadores de sobretensión en la distribución y ubicaciones de uso final para la protección secundaria.
2. ¿Cómo determino qué tipo de SPD (Tipo 1, 2 o 3) se necesita?
La selección de SPD depende del concepto de Zona de Protección contra el Rayo (LPZ):
- DOCUP de tipo 1: Instalar en el límite LPZ 0-1 (entrada de servicio) en edificios con sistemas externos de protección contra rayos o en áreas de alto riesgo de rayos
- DOCUP de tipo 2: Instalar en el límite LPZ 1-2 (paneles de distribución, subcuadros) para la protección general del edificio
- DOCUP de tipo 3: Instalar en el límite LPZ 2-3 (cerca de equipos sensibles) cuando se necesita protección adicional
La mayoría de las instalaciones requieren al menos SPD de tipo 2. Agregue el Tipo 1 si tiene un LPS o se encuentra en áreas de alto riesgo. Incluya el Tipo 3 para equipos electrónicos críticos.
3. ¿Cuál es la diferencia entre las tecnologías de protección contra sobretensiones MOV y GDT?
Varistor de óxido metálico (MOV):
- Resistencia dependiente del voltaje que utiliza óxido de zinc
- Excelente absorción de energía
- Baja tensión de sujeción
- Se degrada gradualmente con sobretensiones repetidas
- Lo mejor para la supresión de sobretensiones de alta energía
Tubo de descarga de gas (GDT):
- Tubo de cerámica lleno de gas con electrodos
- Muy alta capacidad de corriente de sobretensión
- Mayor tensión de sujeción
- Tiempo de respuesta más lento
- Ideal para telecomunicaciones y líneas de señal
Los SPD modernos a menudo combinan ambas tecnologías: GDT para capacidad de alta corriente y MOV para respuesta rápida y sujeción de voltaje.
4. ¿Con qué frecuencia se deben probar o reemplazar los pararrayos y los protectores contra sobretensiones?
Pararrayos:
- Inspección visual: Anualmente
- Pruebas eléctricas (resistencia de aislamiento, tensión de frecuencia industrial): Cada 1-3 años
- Reemplazo: 20-30 años o después de eventos significativos de rayos
- Monitorear los indicadores de condición si están equipados
Protectores contra sobretensiones (SPD):
- Inspección visual: Cada 6-12 meses
- Verificar los indicadores de estado (si están presentes): Mensualmente
- Pruebas eléctricas: Según lo recomendado por el fabricante
- Reemplazo: Después de eventos significativos de sobretensión o cuando los indicadores muestran falla
- Vida útil típica: 10-25 años dependiendo de la exposición a sobretensiones
Documentar todas las actividades de mantenimiento y los contadores de eventos de sobretensión (si están disponibles) para rastrear el estado del dispositivo.
5. ¿Qué sucede si falla un pararrayos o un SPD?
Los modos de falla varían según el diseño:
Falla segura (preferida):
- Se activan los desconectores térmicos incorporados
- El dispositivo se convierte en circuito abierto
- El indicador visual/eléctrico señala la falla
- El sistema continúa operando pero sin protección contra sobretensiones
Falla catastrófica:
- Puede ocurrir una condición de cortocircuito
- La protección contra sobrecorriente aguas arriba (fusibles/interruptores) debe aislar el dispositivo
- Riesgo de incendio si la protección térmica es inadecuada
Los dispositivos de calidad de fabricantes de renombre como VIOX Electric incorporan múltiples mecanismos a prueba de fallas, incluidos desconectores térmicos, alivio de presión e indicadores de falla para garantizar modos de falla seguros.
6. ¿Necesito protección contra rayos si mi instalación tiene alimentación subterránea?
Sí, la protección contra rayos sigue siendo importante incluso con alimentaciones subterráneas. Si bien los cables subterráneos eliminan el riesgo de impacto directo en las líneas eléctricas, los rayos aún pueden afectar su instalación a través de:
- Impactos en la estructura del edificio en sí
- Sobretensiones inducidas por impactos cercanos al suelo que se propagan a través del suelo
- Sobretensiones que ingresan a través de líneas de telecomunicaciones, tuberías de agua u otros conductores
- Transitorios de conmutación de las operaciones de la red eléctrica
Instale SPD de Tipo 2 como protección mínima. Considere los SPD de Tipo 1 si su edificio tiene un sistema externo de protección contra rayos o está en un área de alto riesgo.
Conclusión: El compromiso de VIOX Electric con la protección integral contra sobretensiones
Comprender las diferencias entre los protectores contra sobretensiones y los pararrayos es fundamental para diseñar sistemas de protección eléctrica eficaces. Si bien los pararrayos sirven como la primera línea de defensa contra los impactos directos de rayos y las sobretensiones de alta energía en las entradas de servicio, los protectores contra sobretensiones brindan una protección secundaria crítica contra los transitorios operativos y las sobretensiones inducidas en toda la red de distribución de su instalación.
Una estrategia integral de protección contra sobretensiones requiere el despliegue coordinado de ambas tecnologías, especificadas correctamente de acuerdo con IEC 61643-11, IEEE C62.11 y las normas regionales aplicables. La selección debe tener en cuenta los niveles de tensión, la capacidad de corriente de descarga, los niveles de protección de tensión y los requisitos específicos de la aplicación.
VIOX Eléctrico se especializa en la fabricación de pararrayos y dispositivos de protección contra sobretensiones de alta calidad diseñados para cumplir con estrictas normas internacionales. Nuestra cartera de productos incluye:
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- Soluciones coordinadas de protección contra sobretensiones para aplicaciones industriales, comerciales y de energía renovable
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