Un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) limita las sobretensiones transitorias desviando el exceso de energía a tierra, protegiendo los equipos frente a rayos y eventos de conmutación. Una sobretensión no protegida puede degradar silenciosamente la electrónica de los variadores durante meses antes de una falla total, por lo que el tipo y la colocación del SPD merecen una atención de ingeniería real.
Una sobretensión, o sobrevoltaje transitorio, es un pico breve que dura microsegundos a milisegundos sobre la onda sinusoidal normal. Las sobretensiones relacionadas con rayos provienen de un impacto directo o cercano que inyecta corriente en los conductores de alimentación o de puesta a tierra, directamente o mediante acoplamiento inductivo. Las sobretensiones por conmutación se originan dentro del sistema: conmutación de bancos de condensadores, energización de transformadores, reenganche de alimentadores e interrupción de cargas inductivas como motores y contactores. Los transitorios de conmutación ocurren con mucha más frecuencia que los transitorios por rayos, aunque los eventos de rayos suelen portar más energía por evento.
La norma IEEE C62.41.2 define la forma de onda combinada estándar para estos eventos: una forma de onda de tensión en circuito abierto 1,2/50 microsegundos combinada con una forma de onda de corriente en cortocircuito 8/20 microsegundos. Las corrientes pico medidas de las descargas de retorno de rayos varían ampliamente, con las primeras descargas en un rayo negativo comúnmente agrupándose cerca de una mediana alrededor de 30 kA y las descargas subsiguientes típicamente menores, pero la energía que llega al cableado de baja tensión de la instalación se atenúa mucho por transformadores, impedancia de conductores y cualquier protección aguas arriba.
El Artículo 242 de la NEC (Protección contra sobretensiones), que reemplazó al antiguo Artículo 285 en la NEC 2020, y la norma UL 1449 definen tres tipos de SPD según la ubicación de instalación y la función:
Un SPD Tipo 2 que alimenta un centro de control de motores suele ser la colocación de mayor valor, cerca de los variadores y controladores más sensibles a las sobretensiones, del mismo modo que las elecciones de frecuencia portadora del VFD afectan el estrés eléctrico del variador. Los dispositivos Tipo 3 son una última línea de defensa, no un sustituto de la protección aguas arriba.
La mayoría de los SPDs limitan la tensión con varistores de óxido metálico (MOV), a veces combinados con tubos de descarga gaseosa para una respuesta más rápida. Un MOV es un disco cerámico de granos de óxido de zinc sinterizados que se comporta como millones de uniones de diodo conectadas en antiparalelo. Por debajo de su tensión nominal presenta alta resistencia y sólo consume una pequeña corriente de fuga; una vez que la tensión supera ese umbral, las uniones se descomponen y conducen intensamente, desviando la corriente de la sobretensión lejos del circuito protegido, para luego volver a un estado de alta resistencia cuando el transitorio pasa.
Los MOV tienen una clasificación de tensión máxima continua de funcionamiento (MCOV) con margen por encima de la tensión normal del sistema. Se degradan con la exposición acumulativa a sobretensiones: la conducción repetida somete a tensión los límites de grano del óxido de zinc, reduciendo la tensión de recorte y aumentando la corriente de fuga, lo que incrementa el calentamiento y puede llevar a más fuga y a una carrera térmica si no se controla. La UL 1449 exige que los SPDs basados en MOV incluyan una desconexión térmica, comúnmente un enlace fusible a base de soldadura que se abre antes de que un MOV degradado alcance una temperatura de riesgo de incendio, además de un indicador de fin de vida. Cada SPD también debe llevar una clasificación de corriente de cortocircuito (SCCR) que especifique la máxima corriente de falla que el dispositivo de sobrecorriente aguas arriba puede interrumpir de forma segura si un MOV falla en cortocircuito.
Dos números importan más al comparar SPDs. La clasificación de protección de tensión (VPR), definida en UL 1449, es la tensión de paso medida por el fabricante y redondeada bajo una forma de onda combinada de 6 kV, 3 kA; una VPR más baja significa un recorte más estricto, aunque aún debe ser adecuada a la tensión del sistema para evitar conducciones molestas. La corriente nominal de descarga (In), verificada al sobrevivir 15 descargas al nivel marcado, indica la corriente de sobretensión que el dispositivo puede manejar repetidamente sin fallar. Compare VPR e In entre SPDs candidatos en lugar de fiarse de afirmaciones comerciales sobre picos de sobretensión sin calificar.
Una instalación rara vez depende de un solo SPD. La protección es por capas: un dispositivo Tipo 1 o Tipo 2 en la entrada de servicio absorbe la mayor parte de la energía entrante, los dispositivos Tipo 2 en los tableros aguas abajo atrapan lo que pasa más lo generado internamente por conmutación, y los dispositivos Tipo 3 protegen equipos sensibles individuales. La coordinación depende de la impedancia de los conductores entre etapas: suficiente separación física proporciona inductancia de desacoplo para que el dispositivo aguas arriba se active primero, dejando al dispositivo aguas abajo sólo la energía residual dejada pasar. La práctica industrial basada en la IEC 62305-4 recomienda aproximadamente 10 metros de separación de cable entre etapas de SPD en cascada; cuando las etapas están demasiado juntas, un inductor de desacoplo puede sustituir la longitud de cable. Sin suficiente separación o un inductor, el dispositivo aguas abajo, que normalmente tiene un voltaje de recorte menor, puede dispararse primero y verse obligado a absorber más energía de la que está clasificado para soportar.
La longitud de los conductores de conexión y de entrada también importa: una regla empírica común sitúa la inductancia de un conductor recto en aproximadamente 20 nH por pulgada, y esa inductancia se suma a la tensión dejada pasar durante la rápida subida de corriente de una sobretensión. Los conductores largos o mal encaminados del SPD pueden elevar de forma apreciable la tensión que realmente ve una carga protegida, incluso cuando la tensión de recorte nominal del propio SPD es baja.
La mala coordinación y la degradación de los MOV son ambos modos de falla silenciosos: un SPD puede parecer intacto mientras su rendimiento de recorte ya ha disminuido, el mismo punto ciego que afecta la calidad de la energía y los esquemas de protección contra fallos a tierra, donde un dispositivo está presente pero su condición pasa inadvertida entre pruebas.
Dado que la degradación de los MOV es progresiva e invisible desde el exterior, los SPDs necesitan una rutina de verificación continua, no una instalación única: comprobar el indicador de estado con un intervalo definido, reemplazar inmediatamente los módulos señalados como fin de vida útil e inspeccionar cualquier SPD que haya actuado visiblemente tras un evento conocido de rayos o conmutación aunque aún muestre continuidad. Fabrico lee la condición de la máquina y el OEE directamente desde la línea y puede enrutar automáticamente una orden de trabajo en el momento en que un activo monitorizado muestra una firma de fallo consistente con un evento de sobretensión, usando visión por computadora para captar lo que sensores discretos no detectan. Fabrico está construido en la UE con residencia de datos en la UE y cuenta con certificaciones ISO 27001, ISO 20000-1 e ISO 9001. Reserve una demostración de Fabrico.
No se recomienda. Los SPDs Tipo 3 están diseñados para dejar pasar menos energía y están pensados para funcionar con un dispositivo aguas arriba que maneje la mayor parte de la energía de una sobretensión. Un dispositivo Tipo 3 autónomo puede verse expuesto a más energía de la que está clasificado para absorber de forma repetida.
Sí. Los SPDs basados en MOV se degradan de forma acumulativa con cada sobretensión que limitan, incluidos los pequeños transitorios cotidianos de conmutación que nunca activan un indicador. La tensión de recorte deriva y la corriente de fuga aumenta gradualmente, por eso existen desconexiones térmicas e indicadores de estado en lugar de confiar en fallos evidentes.
Un sistema estructural de protección contra rayos intercepta un impacto directo y lo conduce a tierra, pero no limita las tensiones transitorias que se acoplan al cableado interno de potencia y datos durante ese evento o durante conmutaciones en el lado de la compañía. Los SPDs abordan una vía de fallo distinta y normalmente se especifican junto con, no en sustitución de, la protección estructural contra rayos.
La forma de onda de 8/20 microsegundos representa la energía de rayos inducidos y sobretensiones por conmutación y se usa para probar SPDs Tipo 2 y Tipo 3. La forma de onda de 10/350 microsegundos representa la energía mucho mayor de la corriente de un impacto directo de rayo y se usa para probar SPDs Tipo 1 destinados a ubicaciones con exposición a impactos directos.
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