Protector contra sobretensiones para paneles solares: Dimensionamiento y coordinación 2025

El dimensionamiento y la coordinación de los protectores contra sobretensiones para paneles solares determinan si su instalación de paneles solares sobrevive a los rayos y a los eventos transitorios que ponen en peligro equipos costosos. Una protección contra sobretensiones adecuada requiere algo más que la simple instalación de dispositivos genéricos: hay que calcular los valores nominales adecuados, coordinar varias etapas de protección e integrar los protectores contra sobretensiones con los sistemas de protección contra sobrecorriente y de puesta a tierra. Esta completa guía cubre todo lo que los diseñadores e instaladores solares necesitan para una protección eficaz contra sobretensiones.

Los rayos representan la principal amenaza para las instalaciones solares, ya que una sola descarga puede destruir instantáneamente inversores, módulos y sistemas de monitorización valorados en decenas de miles de dólares. Incluso las descargas casi imperceptibles a cientos de metros de distancia inducen tensiones dañinas a través del acoplamiento electromagnético con los conductores de la matriz. Una selección adecuada de protectores contra sobretensiones evita estas pérdidas mediante un dimensionamiento y una coordinación sistemáticos.

Requisitos de los protectores contra sobretensiones para paneles solares

¿Qué hace única a la protección solar contra sobretensiones?

Los sistemas de energía solar fotovoltaica plantean problemas de protección contra sobretensiones únicos en comparación con las instalaciones eléctricas estándar. Los generadores se montan en lugares expuestos, a menudo en los puntos más altos de los edificios, lo que los convierte en objetivos atractivos para los rayos. Los largos tramos de conductores de CC entre los generadores y los inversores actúan como antenas de captación de la energía electromagnética de los rayos, convirtiendo los campos transitorios en tensiones y corrientes dañinas.

La protección contra sobretensiones de CC difiere fundamentalmente de las aplicaciones de CA. La corriente continua mantiene una tensión constante sin cruces por cero, lo que crea arcos sostenidos en los dispositivos de protección que los sistemas de CA evitan mediante ceros de corriente naturales que se producen 120 veces por segundo. Los protectores contra sobretensiones para energía solar deben hacer frente a este reto de extinción de arcos de CC mientras funcionan a tensiones que normalmente alcanzan de 600 V a 1.500 V, sustancialmente más altas que las tensiones de CA residenciales.

Las instalaciones solares permanecen activadas siempre que la luz incide sobre los módulos, por lo que es imposible desconectarlas por completo sin cubrirlas físicamente o esperar a que oscurezca. Esta energización permanente significa que los protectores contra sobretensiones deben adaptarse simultáneamente a la tensión del lado de la línea y del lado de la carga.

Información clave: La protección solar contra sobretensiones no es un equipo de lujo opcional: la norma NEC 690.35 obliga a utilizar dispositivos de protección contra sobretensiones cuando los conductores de los circuitos de CC se encuentran a más de 2 metros del generador, lo que cubre prácticamente todas las instalaciones excepto los sistemas de microinversores con electrónica a nivel de módulo.

NEC 690.35 Requisitos de tamaño

El artículo 690.35 de NEC establece los requisitos de los dispositivos de protección contra sobretensiones para los sistemas fotovoltaicos, incluidas las disposiciones específicas que afectan al dimensionamiento y la coordinación. La sección 690.35(A) exige SPD para los circuitos de CC cuando los conductores están situados a más de 2 metros (6,6 pies) del generador fotovoltaico, lo que en la práctica requiere protección contra sobretensiones en casi todas las instalaciones solares, excepto en aquellas con microinversores montados directamente en los módulos.

El código exige que los SPD estén dimensionados para la tensión y corriente máximas disponibles en su punto de instalación. La sección 690.35(D) especifica que los SPD deben tener valores nominales de tensión adecuados para la tensión del circuito y valores nominales de corriente suficientes para la corriente de fallo disponible. Aunque el código no especifica los valores nominales exactos, responsabiliza a los diseñadores de calcular y especificar correctamente los valores nominales adecuados.

Los requisitos de ubicación de la instalación según 690.35 obligan a colocar los SPD en la primera ubicación fácilmente accesible de los circuitos de CC. Para la mayoría de los sistemas, esto significa combinadores de matriz, desconexiones principales de CC en las entradas del edificio o terminales de entrada de CC del inversor. La flexibilidad del código permite a los diseñadores optimizar la ubicación de la protección en función de la configuración del sistema, garantizando al mismo tiempo que la protección contra sobretensiones exista donde sea más eficaz.

Selección de la corriente de choque

Cálculo de la corriente de descarga necesaria

Los valores nominales de corriente de los protectores contra sobretensiones deben tener en cuenta la máxima corriente de sobretensión esperada en el lugar de instalación en función de la exposición a los rayos y la configuración del sistema. El valor nominal de la corriente de descarga (In) indica la corriente de sobretensión que el dispositivo soporta repetidamente sin degradarse; normalmente se prueba con 15-20 aplicaciones de sobretensión. La corriente de descarga máxima (Imax) representa la sobretensión más alta a la que sobrevive el dispositivo sin sufrir un fallo catastrófico.

La evaluación de la exposición a los rayos determina las clasificaciones de corriente adecuadas. El nivel keraunic -promedio anual de días de tormenta- indica el riesgo relativo de rayos. Las regiones con más de 40 días de tormenta al año se enfrentan a una alta exposición que requiere una sólida protección contra sobretensiones. Los datos de densidad de relámpagos de tierra, cuando están disponibles, proporcionan una evaluación más precisa del riesgo de rayos medido en relámpagos por kilómetro cuadrado al año.

La ubicación de la instalación afecta a la intensidad nominal requerida. Los combinadores de matrices y los desconectadores principales de CC cerca de matrices expuestas se enfrentan a la mayor energía de sobretensión y requieren protectores de sobretensión de tipo 1 con valores nominales de corriente de 10/350μs. Las ubicaciones de los equipos, como las entradas de CC del inversor, se enfrentan a sobretensiones atenuadas después de que la impedancia del conductor reduzca la energía, lo que permite el uso de dispositivos de Tipo 2 con valores nominales inferiores de 8/20μs. Las diferentes formas de onda representan un contenido energético drásticamente diferente: las formas de onda 10/350μs suministran aproximadamente 20 veces más energía que las 8/20μs con la misma corriente de pico.

Corriente nominal Tipo 1 vs Tipo 2

Los protectores de sobretensión de tipo 1 se someten a pruebas con formas de onda de corriente de 10/350μs que simulan las características de la corriente de impacto directo de un rayo. La larga cola de 350 microsegundos de esta forma de onda proporciona una alta energía sostenida que requiere una construcción robusta del protector contra sobretensiones. Los dispositivos de Tipo 1 de 40kA (10/350μs) manejan aproximadamente 10 megajulios de energía por pulso, suficiente para vaporizar dispositivos de protección inadecuados.

Los protectores de sobretensión de tipo 2 realizan pruebas con formas de onda de 8/20μs que representan corrientes de rayo inducidas y transitorios de conmutación. La cola más corta de 20 microsegundos contiene mucha menos energía que las formas de onda de Tipo 1. Un dispositivo de Tipo 2 de 20kA (8/20μs) gestiona aproximadamente 250 kilojulios, es decir, 2,5% de la energía que gestiona un dispositivo de Tipo 1 de 40kA. Esta gran diferencia explica por qué los dispositivos de Tipo 1 cuestan sustancialmente más y por qué es fundamental seleccionar el tipo de SPD adecuado para cada ubicación.

No confunda los valores nominales de corriente: un dispositivo de tipo 2 de 20 kA NO es equivalente a un dispositivo de tipo 1 de 20 kA a pesar de tener el mismo número de corriente de pico. El manejo de la energía difiere en órdenes de magnitud. Un dispositivo de tipo 2 de 20kA (8/20μs) maneja una energía similar a la de un dispositivo de tipo 1 de 2-3kA (10/350μs). Especifique siempre tanto la intensidad nominal como el tipo de forma de onda para garantizar una selección adecuada del dispositivo.

⚠️ Importante: Tenga cuidado con los fabricantes de protectores contra sobretensiones que sólo indican los valores nominales de corriente de pico sin especificar el tipo de forma de onda. Esta omisión suele ocultar una gestión de energía inferior. Exija especificaciones completas que incluyan “In (10/350μs)” para los dispositivos de Tipo 1 e “In (8/20μs)” para los de Tipo 2.

Coordinación de tensiones

Tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV)

La tensión máxima de funcionamiento continuo representa la tensión más alta que una protección contra sobretensiones soporta de forma continua sin degradación o falsa activación. La MCOV debe superar la tensión máxima que aparece a través de la protección contra sobretensiones en todas las condiciones normales de funcionamiento, incluidas las variaciones de temperatura, los efectos de sombreado parcial y el comportamiento de seguimiento del punto de máxima potencia del inversor.

La tensión de los paneles solares varía considerablemente con la temperatura y la irradiancia. El frío aumenta considerablemente la tensión de circuito abierto de los módulos: algunos módulos ganan 0,3-0,4% por grado centígrado por debajo de las condiciones de ensayo estándar. Un módulo con una tensión nominal de 40V VOC a 25°C puede alcanzar los 50V a -20°C, lo que representa un aumento de 25%. Los cálculos de la tensión de la cadena deben tener en cuenta este coeficiente de temperatura utilizando la metodología de la temperatura ambiente más baja esperada NEC 690.7.

La tensión en el punto de máxima potencia difiere de la tensión en circuito abierto, que suele ser 75-85% de la VOC. Normalmente, los inversores operan las matrices a la tensión MPP, por lo que ésta es la tensión relevante para la selección del MCOV en lugar de la VOC. Sin embargo, las especificaciones del protector contra sobretensiones deben tener en cuenta todo el rango de tensiones, desde la mínima MPPT hasta la máxima VOC corregida por temperatura. El MCOV debe superar la tensión MPP en 10-20%, lo que proporciona un margen para las variaciones de tensión sin acercarse a la VOC, donde podría ser necesaria la protección.

Selección del índice de protección de tensión (VPR)

El índice de protección de tensión, también llamado tensión de bloqueo, indica la tensión máxima que aparece en los equipos protegidos durante los eventos de sobretensión. Los valores más bajos de VPR proporcionan una mejor protección al limitar la exposición a la tensión a niveles más seguros. Sin embargo, el VPR debe permanecer suficientemente por encima del MCOV para evitar la activación falsa del protector contra sobretensiones durante transitorios de tensión normales debidos a efectos de borde de nube, conmutación de inversores u otras operaciones legítimas del sistema.

La tensión soportada por el equipo establece el límite superior de VPR aceptable. Los inversores suelen soportar entre 2000 y 2500 V en las entradas de CC, aunque las especificaciones varían según el fabricante y el modelo. La VPR del protector contra sobretensiones más el aumento de tensión de la inductancia del conductor deben permanecer por debajo de este límite del equipo. Si el VPR es igual a 1500V y la inductancia del cable añade un sobreimpulso de 400V durante los transitorios rápidos, la exposición efectiva del equipo alcanza los 1900V, lo que es adecuado para un valor nominal de resistencia de 2000V, pero marginal para equipos con límites inferiores.

Coordine la VPR en varias etapas de protección para garantizar un funcionamiento correcto. Cuando se utilizan protectores de sobretensión de Tipo 1 y Tipo 2 en serie, el dispositivo de Tipo 1 debe tener una VPR más alta (normalmente 1800-2000V) mientras que los dispositivos de Tipo 2 sujetan más firmemente (1200-1500V). Este diferencial de tensión garantiza que el dispositivo de Tipo 1 situado aguas arriba se active en primer lugar al gestionar la alta energía y que, a continuación, el dispositivo de Tipo 2 proporcione una sujeción fina para la protección de los equipos una vez que la energía de la sobretensión se reduzca a niveles manejables.

Tensión de la cadena frente a tensión del sistema

La tensión individual de cada cadena determina los requisitos del protector contra sobretensiones a nivel del combinador, mientras que la tensión combinada del sistema afecta a la desconexión principal y a la protección de entrada del inversor. Un sistema con diez cadenas de 500 V en paralelo presenta 500 V a los protectores contra sobretensiones en cada posición de cadena, pero puede combinarse en un sistema de 5 kW que funcione a los mismos 500 V con mayor capacidad de corriente. La protección por cadena sólo ve la corriente de sobretensión de cada cadena, no la corriente combinada de varias cadenas.

Sin embargo, la desconexión principal de CC y los protectores de sobretensión de entrada del inversor deben gestionar la sobretensión combinada de todas las cadenas en paralelo. Si cada cadena puede suministrar una corriente de sobretensión de 1.000 A, un conjunto de diez cadenas puede suministrar 10.000 A a la desconexión principal durante eventos que afecten a varias cadenas simultáneamente. Los protectores de sobretensión de desconexión principal necesitan valores nominales de corriente que tengan en cuenta esta exposición combinada, normalmente 2-3 veces la corriente de sobretensión de cada cadena.

La configuración del sistema con conexión a tierra y sin conexión a tierra afecta a los valores nominales de tensión de forma diferente. Los sistemas sin conexión a tierra (flotantes) desarrollan la tensión simétricamente en los conductores positivo y negativo con respecto a tierra: un sistema de 600 V puede mostrar +300 V y -300 V con respecto a tierra. Los protectores contra sobretensiones para cada conductor sólo ven su tensión de conductor a tierra, permitiendo potencialmente dispositivos de menor potencia. Los sistemas con conexión a tierra colocan toda la tensión en el conductor sin conexión a tierra, lo que requiere una mayor capacidad nominal del protector contra sobretensiones en ese conductor.

Coordinación de protección multietapa

Protección primaria en origen

La protección primaria contra sobretensiones se instala normalmente en los combinadores de conjuntos o en las cajas de cadenas, donde los conductores proceden de conjuntos fotovoltaicos expuestos. Esta primera etapa de protección se enfrenta a la máxima energía de sobretensión procedente de descargas directas de rayos o de corrientes inducidas electromagnéticamente por descargas cercanas. Los protectores de sobretensión de tipo 1 con capacidad para formas de onda de 10/350μs proporcionan la robustez adecuada para la protección primaria.

Los valores nominales de corriente de la etapa primaria deben tener en cuenta los peores escenarios de impacto directo. Los rayos que caen sobre las instalaciones o estructuras cercanas pueden inyectar corrientes superiores a 100 kA en los sistemas eléctricos. Aunque los protectores contra sobretensiones individuales no manejan toda esta corriente -se distribuye a través de múltiples caminos a tierra-, la protección primaria debe ser de 40-60kA (10/350μs) en lugares de exposición moderada y de 80-100kA en zonas de alta exposición.

Instale la protección primaria con conexiones a tierra lo más cortas posible utilizando conductores de un calibre mínimo de 6 AWG para dispositivos de Tipo 1. Cada metro de conductor de tierra introduce aproximadamente 1μH de inductancia, lo que provoca un aumento de tensión de aproximadamente 1 kV por metro durante los índices típicos de aumento de corriente de sobretensión. Las conexiones a tierra largas anulan la eficacia de la protección al permitir un aumento excesivo de la tensión a pesar del funcionamiento del protector contra sobretensiones. Intente realizar conexiones a tierra de menos de 1 metro utilizando tramos rectos sin curvas innecesarias.

Consejo profesional: Monte los protectores primarios contra sobretensiones en el interior de las cajas combinadoras o inmediatamente junto a ellas, en lugar de instalarlos a distancia en las paredes. El montaje cercano minimiza la longitud de los cables tanto a los conductores protegidos como a los electrodos de puesta a tierra, lo que mejora significativamente la eficacia de la protección con un coste mínimo.

Protección secundaria en la entrada del edificio

La protección secundaria en los puntos de entrada de los edificios, normalmente los seccionadores principales de CC, proporciona protección de reserva y protege contra las sobretensiones que entran por el lado del sistema eléctrico del edificio. Esta etapa de protección funciona después de que la impedancia del conductor haya atenuado la energía de sobretensión de los eventos originados en el conjunto, lo que permite valores nominales de corriente algo más bajos que la protección primaria, manteniendo al mismo tiempo márgenes de seguridad adecuados.

Los protectores contra sobretensiones de tipo 1 siguen siendo apropiados para ubicaciones de entrada de edificios a pesar de la exposición reducida a la energía, proporcionando solidez frente a amenazas inesperadas. Valore la protección secundaria en 30-50kA (10/350μs) dependiendo de la distancia desde la protección primaria y la exposición al rayo. Los sistemas con tramos largos de conductor entre la protección primaria y la secundaria se benefician de valores nominales secundarios más altos, ya que se acopla más energía electromagnética en segmentos largos de conductor.

Coordine las tensiones nominales de la protección secundaria para que se active a tensiones ligeramente inferiores a las de los dispositivos primarios. Si la protección primaria se bloquea a 1800 V y la secundaria a 1600 V, durante el funcionamiento coordinado el dispositivo primario se encarga de la energía de sobretensión inicial y, a continuación, el dispositivo secundario proporciona bloqueo adicional a medida que se reduce la corriente. Esta progresión de tensión guía la energía de sobretensión a través de las etapas de protección sin que los dispositivos luchen entre sí.

Protección terciaria en los equipos

La etapa de protección final en las entradas de CC del inversor y otros equipos sensibles proporciona un bloqueo de tensión preciso para la protección de la electrónica. Los protectores de sobretensión de tipo 2 para formas de onda de 8/20μs son adecuados para ubicaciones de equipos donde la protección aguas arriba y la impedancia del conductor han reducido las amenazas de sobretensión a niveles moderados. La protección a nivel de equipo se centra en el bloqueo de tensión más que en el manejo de la máxima energía.

Valore la protección de los equipos en 15-25kA (8/20μs) proporcionando una capacidad adecuada para las sobretensiones que alcancen esta ubicación. Los valores nominales más bajos en comparación con los dispositivos de Tipo 1 reflejan la menor amenaza en las ubicaciones de los equipos protegidos, no una protección inadecuada. Intentar utilizar dispositivos de Tipo 1 en todas partes supone malgastar dinero en una capacidad de alta energía innecesaria, a la vez que puede proporcionar un peor bloqueo de tensión debido a que los dispositivos de Tipo 1 suelen tener un VPR más alto.

Instale los protectores contra sobretensiones a nivel de equipo directamente en los terminales de los dispositivos protegidos, idealmente a menos de 0,5 metros. El aumento de tensión de la inductancia del cable resulta especialmente crítico en las ubicaciones de los equipos, donde una tensión de apriete ajustada protege los semiconductores sensibles. Incluso los tramos cortos de conductor entre el protector contra sobretensiones y el equipo introducen un aumento de tensión que anula los beneficios de la protección. Muchos inversores modernos integran la protección contra sobretensiones, lo que elimina los requisitos de instalación externa, aunque hay que verificar que la protección integrada satisface las necesidades del sistema antes de prescindir de dispositivos externos.

Requisitos de conexión a tierra e instalación

Integración del sistema de electrodos de tierra

La eficacia de los protectores contra sobretensiones depende en gran medida de una conexión a tierra adecuada. Los protectores contra sobretensiones desvían la corriente de sobretensión a tierra, por lo que requieren conexiones a tierra de baja impedancia para funcionar eficazmente. Todos los protectores contra sobretensiones de una instalación solar deben conectarse a un único sistema común de electrodos de puesta a tierra, para evitar las diferencias de potencial de tierra que provocan el flujo de corriente de sobretensión a través de los equipos entre los puntos de tierra.

El sistema de electrodos de puesta a tierra debe cumplir o superar los requisitos de la norma NEC 250.50 y suele constar de varillas de tierra, acero de construcción o electrodos revestidos de hormigón unidos entre sí. Las instalaciones solares se benefician de una puesta a tierra mejorada más allá del código mínimo: varias picas de tierra separadas más de 2 metros y unidas con conductores de cobre de 4 AWG o más proporcionan una impedancia menor que los sistemas de una sola pica.

El tamaño del conductor de tierra del protector contra sobretensiones afecta al rendimiento de la protección más a través de la inductancia que de la resistencia. Un electrodo de tierra de 10Ω con un conductor recto 6 AWG de 1 metro proporciona un mejor rendimiento ante sobretensiones que un electrodo de 5Ω alcanzado a través de 10 metros de cable 10 AWG enrollado. La inductancia del conductor más largo crea un aumento de tensión durante las corrientes de sobretensión rápidas que anula la menor resistencia. Dé prioridad a los conductores de tierra cortos y rectos incluso a expensas de una resistencia ligeramente superior.

Minimización de la longitud del cable

La longitud del cable entre los protectores contra sobretensiones y el equipo protegido afecta directamente a la eficacia de la protección. Cada metro de conductor introduce aproximadamente 1μH de inductancia, lo que provoca un aumento de tensión de aproximadamente 1kV por metro durante las tasas típicas de aumento de corriente de sobretensión de rayo (1kA/μs). Este aumento de tensión inductiva se suma a la tensión de bloqueo del protector contra sobretensiones, reduciendo la eficacia de la protección o incluso permitiendo una tensión perjudicial a pesar del funcionamiento del protector contra sobretensiones.

Siempre que sea posible, instale los protectores contra sobretensiones a menos de 0,5 metros de los terminales de los equipos protegidos. Este montaje cercano puede requerir colocar los protectores de sobretensión dentro de los armarios de los equipos o en cajas de conexiones inmediatamente adyacentes en lugar de en ubicaciones convenientes montadas en la pared. El inconveniente de la instalación merece la pena porque la protección mejora notablemente: al reducir los cables de 3 a 0,5 metros se eliminan aproximadamente 2.500 V de aumento de tensión inductiva durante transitorios rápidos.

Cuando no pueda evitarse la separación entre los protectores contra sobretensiones y los equipos, utilice conductores de par trenzado para los conductores positivo y negativo. El trenzado de los conductores minimiza el área de bucle magnético, reduciendo la inductancia al garantizar que las vías de corriente de avance y retorno ocupen prácticamente el mismo espacio. La cancelación del campo magnético resultante reduce la inductancia en 50% o más en comparación con conductores paralelos separados incluso por pequeñas distancias.

Algunos fabricantes de protectores contra sobretensiones ofrecen sistemas de conexión de barra colectora de baja inductancia en lugar de las terminaciones de cable tradicionales. Estos sistemas utilizan conexiones planas de fleje de cobre que minimizan la inductancia parásita y permiten montar el protector contra sobretensiones un poco más lejos del equipo protegido sin que se produzca un aumento excesivo de la tensión. Considere estos diseños de primera calidad para instalaciones críticas en las que el montaje cercano del protector contra sobretensiones resulta difícil o imposible.

Coordinación de protección contra sobreintensidades

Requisitos de protección del circuito SPD

La norma NEC 690.35(B) exige una protección contra sobrecorriente para los circuitos de protección contra sobretensiones que garantice que los dispositivos averiados no generen riesgos de incendio o descarga eléctrica. En ocasiones, los protectores contra sobretensiones fallan por cortocircuito tras una exposición extrema a sobretensiones o por envejecimiento de los componentes, lo que puede provocar la extracción de corriente continua de los generadores fotovoltaicos y crear riesgos térmicos. Los dispositivos de sobreintensidad aíslan los protectores de sobretensión averiados antes de que se produzcan situaciones peligrosas.

Los valores nominales de los fusibles o disyuntores deben proporcionar una protección fiable sin interferir con el funcionamiento del protector contra sobretensiones. El tamaño de la protección contra sobreintensidades debe ser capaz de gestionar la corriente de paso del protector contra sobretensiones durante el desvío normal de la sobretensión y, al mismo tiempo, abrirse de forma fiable si el protector contra sobretensiones falla en caso de cortocircuito. Los valores nominales típicos de los protectores solares de CC oscilan entre 15 y 20 A, aunque debe comprobar las recomendaciones del fabricante para dispositivos específicos.

Algunos protectores contra sobretensiones integran desconectadores térmicos que aíslan automáticamente los elementos de protección averiados sin dispositivos de sobreintensidad externos. Estos desconectadores internos detectan las temperaturas elevadas debidas al fallo de los componentes y separan mecánicamente los elementos averiados antes de que se produzcan riesgos de incendio. Los protectores contra sobretensiones con protección térmica integrada pueden no requerir protección externa contra sobrecorriente, aunque algunas jurisdicciones exigen dispositivos externos independientemente de la protección integrada.

⚠️ Importante: No confunda los valores nominales de corriente de los protectores contra sobretensiones con los valores nominales de los dispositivos de sobreintensidad. Un protector contra sobretensiones de 40 kA se refiere a la capacidad de manejo de sobrecorriente, no a la corriente continua o de falla. La protección de sobreintensidad de 15-20 A protege contra fallos sostenidos si fallan los componentes del protector contra sobretensiones, no contra eventos de sobretensión en los que fluyen corrientes momentáneas elevadas de forma segura.

Coordinación con los fusibles de ramal

Los valores nominales de los fusibles de cadena afectan a la selección y coordinación de los protectores contra sobretensiones. Cuando los fusibles de cadena protegen los circuitos individuales de la matriz, los protectores de sobretensión instalados aguas abajo de los fusibles sólo ven la corriente que puede suministrar una cadena. Esta disposición permite que los valores nominales de corriente de los protectores contra sobretensiones sean algo más bajos, ya que los fusibles limitan la corriente máxima a su valor nominal durante los fallos en estado estacionario (aunque no durante las sobretensiones rápidas de rayo que superan el tiempo de reacción del fusible).

Sin embargo, los fusibles proporcionan una protección mínima durante transitorios de rayos muy rápidos. Los valores I²t de los fusibles indican la energía necesaria para accionarlos; incluso los fusibles “rápidos” necesitan milisegundos para abrirse, mientras que los picos de corriente de los rayos se producen en microsegundos. Durante este breve periodo, toda la corriente del rayo fluye a través de los fusibles, dañando potencialmente los protectores contra sobretensiones aguas abajo a pesar de la presencia del fusible. Dimensione los protectores de sobretensión en función de la corriente de sobretensión máxima prevista, no de los valores nominales de los fusibles de cadena.

Coordine los valores nominales de tensión del protector contra sobretensiones con las características de paso del fusible. Los fusibles de calidad limitan el aumento de tensión en condiciones de fallo gracias a su impedancia. Este efecto limitador de la tensión complementa, pero no sustituye, la sujeción del protector contra sobretensiones. La combinación de la caída de tensión del fusible más la tensión de bloqueo del protector contra sobretensiones debe permanecer por debajo de la tensión soportada por el equipo para proporcionar márgenes de protección adecuados.

Buenas prácticas de instalación

Conexiones correctas de los terminales

Los terminales de los protectores contra sobretensiones requieren conexiones seguras utilizando conductores del tamaño adecuado y valores de par de apriete especificados. Las conexiones flojas introducen resistencia e inductancia que degradan la protección y crean posibles puntos calientes debido al calentamiento de I²R durante las sobretensiones. Pele los conductores a la longitud adecuada (normalmente 10-12 mm de conductor expuesto) e insértelos completamente en los terminales antes de apretarlos.

El uso de casquillos en conductores trenzados proporciona una fiabilidad de terminación equivalente a la de los conductores sólidos. El cable trenzado sin ferrulear tiende a separarse bajo compresión y los hilos individuales se doblan en lugar de crear un contacto uniforme. Los casquillos reúnen los hilos en unidades sólidas, evitando este comportamiento. Algunas jurisdicciones exigen terminaciones con virolas en todos los conductores trenzados conectados a protectores contra sobretensiones y otros dispositivos de protección.

Apriete los tornillos de los terminales según las especificaciones del fabricante utilizando torquímetros calibrados. Un par de apriete insuficiente crea conexiones sueltas que se sobrecalientan y corroen, mientras que un par de apriete excesivo daña los terminales o desprende los tornillos. La mayoría de los terminales de los protectores contra sobretensiones especifican de 7 a 9 lb-pulg para conductores de 12 a 10 AWG, aunque compruebe siempre los requisitos específicos del producto. Documente los valores de par de apriete durante la instalación y planifique una nueva verificación al cabo de 6-12 meses para detectar cualquier aflojamiento debido a ciclos térmicos.

Etiquete los circuitos de protección contra sobretensiones identificando claramente su función, tensión nominal, intensidad nominal y protección contra sobrecorriente asociada. Las etiquetas permanentes con materiales resistentes a la decoloración diseñados para uso en exteriores facilitan el mantenimiento y la resolución de problemas en el futuro. Las etiquetas genéricas de “protector contra sobretensiones” sin valores nominales invitan a realizar sustituciones incorrectas que no protegen adecuadamente.

Indicación de estado y supervisión

Los protectores de sobretensión de calidad incorporan indicadores visuales que muestran el estado operativo. Los LED o indicadores verdes muestran que los protectores de sobretensión están en buen estado y listos para proporcionar protección, mientras que los indicadores rojos o los LED verdes apagados señalan fallos que requieren sustitución. Compruebe los indicadores durante el mantenimiento rutinario (trimestralmente en lugares de alta exposición o anualmente en otros lugares) y sustituya inmediatamente los protectores de sobretensión averiados.

Algunos protectores de sobretensión de alta calidad ofrecen supervisión remota mediante contactos secos o conexiones de red que informan del estado a los sistemas de gestión de edificios. Esta capacidad resulta especialmente valiosa para grandes instalaciones comerciales o de servicios públicos en las que la inspección manual frecuente resulta poco práctica. La supervisión remota permite un mantenimiento proactivo: recibir alertas cuando fallan los protectores contra sobretensiones permite sustituirlos inmediatamente y mantener una protección continua.

Después de que caiga un rayo cerca, inspeccione los protectores contra sobretensiones aunque no haya indicación visual de fallo. La tensión del rayo puede dañar los componentes por debajo de sus umbrales de fallo, dejando los protectores de sobretensión operativos pero degradados. Aunque el dispositivo supere las comprobaciones de los indicadores, su capacidad de protección se ha visto comprometida, por lo que es incapaz de gestionar adecuadamente las sobretensiones posteriores. La sustitución proactiva después de un impacto de rayo previene daños en los equipos en caso de un nuevo impacto de rayo en la misma temporada de tormentas.

Errores comunes de instalación

❌ Valores nominales de corriente subdimensionados

Problema: Instalar protectores contra sobretensiones con valores nominales de corriente inadecuados para la exposición a sobretensiones prevista en el lugar de instalación.

Escenarios comunes:
- Uso de dispositivos de tipo 2 de 15 kA en orígenes de conjuntos que requieren protección de tipo 1
- Selección de protectores contra sobretensiones en función del precio y no de la evaluación de la exposición al rayo
- No distinguir entre las formas de onda de corriente nominal 8/20μs y 10/350μs.

Corrección: Evalúe la exposición a los rayos utilizando el nivel queraúnico o los datos de densidad de relámpagos de tierra. Instale protectores contra sobretensiones de tipo 1 con una capacidad mínima de 40 kA (10/350μs) en los combinadores de matriz y en los desconectadores principales en regiones de exposición moderada, aumentando a 60-100 kA en zonas de alta exposición. Utilice dispositivos de tipo 2 de 20 kA (8/20μs) como mínimo en las ubicaciones de los equipos. Los dispositivos de mayor capacidad cuestan más, pero evitan daños costosos en los equipos que justifican la inversión.

❌ Longitudes de cable excesivas

Problema: Instalación de protectores de sobretensión a distancia de los equipos protegidos con conductores de conexión largos entre el protector de sobretensión y los terminales de los equipos.

Escenarios comunes:
- Protectores de sobretensión de montaje en pared a metros de los inversores para una instalación de aspecto cuidado
- Enrutamiento de los cables del protector contra sobretensiones a través de conductos complejos en lugar de conexiones rectas
- Instalar protectores de sobretensión en cajas de conexiones en lugar de directamente en los equipos protegidos.

Corrección: Monte los protectores contra sobretensiones a menos de 0,5 metros del equipo protegido utilizando cables rectos lo más cortos posible. Cada metro de conductor añade aproximadamente 1 kV de aumento de tensión durante transitorios rápidos, lo que degrada la eficacia de la protección. Acepte instalaciones un poco más desordenadas con protectores de sobretensión montados cerca en lugar de un montaje remoto limpio que comprometa la protección. Muchos daños en los equipos se producen a pesar de la presencia de protectores de sobretensión debido al aumento de tensión en la longitud de los cables, que anula las ventajas de la sujeción.

❌ Conexiones a tierra inadecuadas

Problema: Conexiones a tierra de protectores contra sobretensiones que utilicen conductores de tamaño inadecuado, longitudes excesivas, trazado de circuitos o múltiples electrodos de tierra separados.

Escenarios comunes:
- Utilización de un tamaño de código mínimo de 14 AWG en lugar del óptimo de 6-10 AWG para los dispositivos de Tipo 1.
- Enrollar el exceso de longitud del conductor de tierra en lugar de cortarlo a la longitud mínima.
- Conexión a tierra de diferentes protectores contra sobretensiones a electrodos separados que crean bucles de tierra.

Corrección: Utilice 10 AWG como mínimo para los protectores contra sobretensiones de tipo 2 y 6 AWG como mínimo para los dispositivos de tipo 1. Coloque los conductores de tierra en trayectos rectos sin curvas ni bobinas innecesarias: los trayectos rectos proporcionan una inductancia menor que los trayectos curvos, incluso con una longitud idéntica. Conecte todos los protectores contra sobretensiones y equipos protegidos a un único sistema común de electrodos de puesta a tierra para evitar las diferencias de potencial de tierra que conducen la corriente de sobretensión a través de los equipos entre los puntos de tierra.

❌ Falta de supervisión del estado

Problema: Instalar protectores contra sobretensiones sin indicadores visuales o no inspeccionar nunca el estado de funcionamiento, dejando los dispositivos averiados en los sistemas durante periodos prolongados.

Escenarios comunes:
- Especificar los protectores de sobretensión más baratos que carecen de funciones de indicación de estado
- No existen procedimientos rutinarios de inspección del estado operativo del protector contra sobretensiones
- Suponiendo que los protectores contra sobretensiones proporcionen una protección continua durante toda la vida útil del sistema sin necesidad de mantenimiento

Corrección: Especifique protectores contra sobretensiones con indicación visual del estado de funcionamiento de un vistazo. Incluya la inspección de los protectores contra sobretensiones en los procedimientos de mantenimiento rutinario: compruebe los indicadores trimestralmente en lugares de alta exposición o anualmente en otros lugares. Sustituya inmediatamente los protectores contra sobretensiones averiados. Operar sin una protección contra sobretensiones funcional puede provocar daños costosos en los equipos durante el próximo rayo, que superan fácilmente el coste de la sustitución proactiva de la protección contra sobretensiones.

Consideraciones especiales sobre la aplicación

Antenas en el suelo

Los paneles solares instalados en el suelo se enfrentan a amenazas de sobretensión diferentes a las de las instalaciones en tejados. Las instalaciones situadas en campo abierto constituyen un importante blanco de atracción de rayos, con un blindaje mínimo frente a las estructuras circundantes. Sin embargo, las instalaciones en el suelo permiten enfoques de protección más completos, como sistemas externos de protección contra rayos con terminales aéreas que interceptan los impactos antes de que lleguen a los equipos.

Considere el diseño de un sistema de protección contra rayos (LPS) suplementario según NFPA 780 o IEC 62305 para grandes matrices de tierra en ubicaciones de alta exposición. Un LPS correctamente diseñado con terminales aéreos, conductores de bajada y anillos de tierra intercepta algunos impactos directos reduciendo la demanda de protectores contra sobretensiones. Sin embargo, el LPS no elimina los requisitos de los protectores contra sobretensiones: las sobretensiones inducidas por impactos cercanos y el aumento de tensión del LPS durante la descarga siguen siendo una amenaza para los equipos que requieren protección contra sobretensiones.

Los protectores de sobretensión para matrices de tierra se benefician de una instalación distribuida en lugar de una protección en un único punto. La instalación de protectores de sobretensión en los combinadores de filas y en los puntos de recogida de la matriz principal distribuye la energía de la sobretensión entre varios dispositivos, lo que mejora la capacidad de supervivencia del sistema. Este enfoque distribuido es más costoso, pero merece la pena en el caso de grandes instalaciones de gran valor en las que los daños causados por los rayos podrían reducir considerablemente la capacidad de generación.

Sistemas fotovoltaicos flotantes o con conexión a tierra

Los sistemas FV flotantes (sin conexión a tierra) en los que ningún conductor conductor de corriente se conecta intencionadamente a tierra requieren protectores de sobretensión tripolares que protejan simultáneamente el positivo, el negativo y la tierra del equipo. La tensión se desarrolla simétricamente en ambos conductores con respecto a tierra: un sistema de 600 V puede mostrar +300 V y -300 V con respecto a tierra. Los protectores contra sobretensiones para cada conductor necesitan valores nominales de tensión adecuados para su tensión de conductor a tierra.

Los sistemas FV conectados a tierra con un conductor conductor de corriente conectado a tierra pueden utilizar protectores de sobretensión bipolares sólo en el conductor no conectado a tierra y en la tierra del equipo. El conductor sólidamente conectado a tierra se conecta directamente al sistema de electrodos, por lo que no necesita protector contra sobretensiones. Sin embargo, muchas instalaciones utilizan protecciones tripolares incluso en sistemas conectados a tierra, lo que proporciona mayores márgenes de protección y se adapta a futuras modificaciones del sistema que podrían convertirlo en configuraciones flotantes.

La interacción del sistema de detección de fallas a tierra con los protectores contra sobretensiones requiere consideración tanto en sistemas aterrizados como flotantes. Los protectores contra sobretensiones crean trayectorias conductoras intencionadas a tierra durante su funcionamiento, lo que puede provocar que los sistemas de detección de fallos a tierra se disparen durante los eventos de sobretensión. Seleccione sistemas GFD con umbrales superiores a las corrientes de fuga y de paso de los protectores contra sobretensiones, manteniendo al mismo tiempo la sensibilidad para detectar faltas a tierra peligrosas que requieran interrupción.

Sistemas de alta tensión (>1000 V CC)

Las instalaciones solares que funcionan a más de 1.000 V CC -cada vez más comunes en proyectos comerciales y de servicios públicos- requieren protectores especializados contra sobretensiones diseñados para servicios de tensión extrema. Son pocos los fabricantes que ofrecen productos adecuados para estas tensiones, por lo que es fundamental especificarlos y adquirirlos con antelación. Los plazos de entrega de los protectores contra sobretensiones de alto voltaje pueden llegar a ser de meses, por lo que es necesario planificar la instalación con mucha antelación.

Los protectores contra sobretensiones de alta tensión suelen utilizar tubos de descarga de gas conectados en serie que alcanzan tensiones nominales superiores a 1500 V. Algunos diseños emplean tecnologías híbridas que combinan los GDT con varistores de óxido metálico que proporcionan una respuesta rápida con capacidad de alta tensión. Compruebe que los protectores contra sobretensiones de alto voltaje cuentan con la certificación de pruebas adecuada: los dispositivos genéricos sin listado de terceros pueden carecer de la coordinación de voltaje adecuada o fallar de forma catastrófica.

El personal que trabaja en sistemas de CC de alta tensión necesita una formación especializada que va más allá de las cualificaciones eléctricas estándar. El potencial de arco sostenido en CC de alta tensión resulta especialmente peligroso, por lo que una protección y desconexión adecuadas contra sobretensiones son elementos de seguridad críticos. Documente minuciosamente las instalaciones de protectores contra sobretensiones, incluyendo diagramas de cableado que muestren todas las etapas de protección y su coordinación para facilitar la resolución de problemas y el mantenimiento en el futuro.

Preguntas frecuentes

¿Cómo puedo calcular la corriente nominal correcta del protector contra sobretensiones para mis paneles solares?

Calcule las intensidades nominales de los protectores contra sobretensiones en función de la exposición a los rayos y de la ubicación de la instalación. Para combinadores de matriz y seccionadores principales en regiones de exposición moderada (20-40 días de tormenta al año), especifique protectores de sobretensión de tipo 1 con una capacidad mínima de 40 kA (10/350μs). Las zonas de alta exposición requieren valores nominales de 60-100 kA. Las ubicaciones de equipos como entradas de CC de inversores utilizan protectores de sobretensión de tipo 2 con una capacidad nominal de 15-20kA (8/20μs). No confunda los tipos de forma de onda: el Tipo 2 de 20kA (8/20μs) maneja mucha menos energía que el Tipo 1 de 20kA (10/350μs). Especifique siempre la intensidad nominal y el tipo de onda.

¿Qué protector contra sobretensiones necesito para una instalación solar de 1000 V CC?

Un sistema de 1000V nominales requiere calcular la MCOV máxima corregida por temperatura según NEC 690.7-típicamente 1150-1200V. Seleccione protectores contra sobretensiones en los que la tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV) supere la tensión del punto de máxima potencia en 10-20%, normalmente 1000-1100V MCOV para sistemas de 1000V. La tensión nominal total del protector contra sobretensiones debe ser de 1200-1500V CC para acomodar la MCOV máxima con margen. Compruebe que la tensión nominal de protección (VPR) se mantiene por debajo de la tensión soportada por el equipo, normalmente 2000 V para inversores, teniendo en cuenta el aumento de tensión de la inductancia del cable durante los transitorios rápidos.

¿Puedo utilizar un protector de sobretensión grande en lugar de varios dispositivos más pequeños?

Una protección inadecuada requiere protectores contra sobretensiones en varias ubicaciones para crear una defensa en profundidad. Instale dispositivos de Tipo 1 en los orígenes del conjunto y en las entradas de los edificios para gestionar las sobretensiones de alta energía, además de dispositivos de Tipo 2 en cada inversor para proteger el equipo final. La protección de un solo punto falla porque la impedancia del conductor entre el protector contra sobretensiones y el equipo distante introduce un aumento de tensión que anula la protección. Cada etapa de protección gestiona las amenazas adecuadas a su ubicación. Múltiples etapas coordinadas proporcionan una protección superior a la de los dispositivos individuales, independientemente de la corriente nominal.

¿A qué distancia deben instalarse los protectores de sobretensión de los equipos a proteger?

Siempre que sea posible, monte los protectores contra sobretensiones a menos de 0,5 metros de los terminales de los equipos protegidos. Cada metro de conductor introduce aproximadamente 1μH de inductancia, lo que provoca un aumento de tensión de aproximadamente 1kV durante las sobretensiones típicas. Este aumento inductivo se suma a la tensión de bloqueo del protector contra sobretensiones, degradando la protección: un protector contra sobretensiones montado a 3 metros de distancia introduce aproximadamente 3 kV de tensión adicional a pesar de su tensión de bloqueo. Un montaje cercano mejora drásticamente la eficacia de la protección. Utilice conductores de par trenzado cuando no pueda evitarse la separación para minimizar la inductancia de bucle.

¿Qué tamaño de cable de tierra necesitan los protectores contra sobretensiones?

Utilice cobre 10 AWG como mínimo para los protectores de sobretensión de Tipo 2 y 6 AWG como mínimo para los dispositivos de Tipo 1. Sin embargo, la correcta instalación del conductor de tierra es más importante que el tamaño: un conductor 10 AWG en un tramo recto de 0,8 m proporciona un mejor rendimiento que un 6 AWG a través de 3 metros de cable en espiral. La inductancia del conductor de tierra afecta al rendimiento de la sobretensión más que la resistencia. Coloque los conductores de tierra en el trayecto recto más corto posible, sin curvas innecesarias. Conecte todos los protectores contra sobretensiones a un único sistema común de electrodos de tierra para evitar diferencias de potencial de tierra.

¿Es necesario sustituir periódicamente los protectores contra sobretensiones aunque no presenten fallos visibles?

Sí, en regiones con alta exposición a rayos, considere la sustitución proactiva cada 5-7 años, independientemente de los indicadores de estado. Los protectores contra sobretensiones se degradan por el estrés acumulado de repetidos eventos de sobretensión por debajo del umbral que no desencadenan fallos visibles pero reducen la capacidad de protección. Tras la caída de un rayo cercano, inspeccione los protectores contra sobretensiones y considere la posibilidad de sustituirlos aunque no haya indicios de fallo: la tensión puede haber comprometido la protección sin daños evidentes. Los protectores de sobretensión defectuosos dejan los equipos vulnerables al siguiente rayo, lo que justifica fácilmente los costes de una sustitución proactiva.

¿Puedo instalar protectores contra sobretensiones en serie sin problemas de coordinación?

Sí, cuando se seleccionan adecuadamente. Mantenga un conductor de al menos 10-15 metros entre los protectores de sobretensión de Tipo 1 y Tipo 2 que permita la impedancia para la coordinación natural, o utilice protectores de sobretensión diseñados específicamente para la coordinación de proximidad. Los dispositivos de Tipo 1 deben bloquearse a una tensión más alta (1800-2000V) que los de Tipo 2 (1200-1500V), asegurando que los dispositivos aguas arriba se activen primero al manejar alta energía. Una coordinación incorrecta hace que los dispositivos de tipo 2 se bloqueen primero, lo que les obliga a manejar una energía superior a su capacidad nominal y provoca un fallo prematuro. Consulte las guías de coordinación del fabricante cuando utilice varias etapas de protección.

Recursos relacionados

Para que la protección contra sobretensiones de los paneles solares sea eficaz, es necesario comprender cómo se integran los protectores contra sobretensiones con otros componentes del sistema de protección.

Obtenga más información sobre la protección integral contra sobretensiones en nuestras guías detalladas:

– Diseño del sistema DC SPD - Especificación completa de protección contra sobretensiones
– Protección contra el rayo para la energía solar - Integración LPS externa
– Protección de la caja combinadora FV - Instalación de protectores contra sobretensiones en combinadores
– Sistemas de puesta a tierra de CC - Sistemas de electrodos de puesta a tierra para la eficacia contra sobretensiones

¿Está preparado para instalar una protección contra sobretensiones adecuada en su instalación de paneles solares? Nuestro equipo técnico de SYNODE ofrece asesoramiento experto sobre la selección de protectores contra sobretensiones, la determinación de la intensidad y la tensión nominal y la coordinación de la protección multietapa. Ayudamos a garantizar una protección contra el rayo completa que cumpla los requisitos NEC 690.35, al tiempo que optimiza la eficacia de la protección para proyectos residenciales y a gran escala.

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Última actualización: Octubre de 2025
Autor: Equipo técnico de SYNODE
Revisado por: Departamento de Ingeniería Eléctrica