Comprender el significado de los SPD de CC: Tecnología de protección MOV vs GDT 2025

Significado de Dc spd:DC SPD-Dispositivo de protección contra sobretensiones para sistemas de corriente continua-representa un equipo de seguridad crítico que protege las instalaciones solares fotovoltaicas de transitorios de tensión destructivos. Entender qué son los SPD, cómo funcionan y las tecnologías clave que contienen ayuda a los diseñadores e instaladores de sistemas a seleccionar la protección adecuada para un funcionamiento solar fiable. Esta completa guía explica los fundamentos de los SPD de CC, desde los principios básicos de funcionamiento hasta las tecnologías avanzadas de sus componentes.

El término “SPD” aparece en todos los códigos eléctricos y especificaciones de equipos, pero muchos instaladores tienen dificultades para comprender qué hacen realmente estos dispositivos más allá de la descripción genérica de “protección contra rayos”. Para seleccionar correctamente un SPD es necesario comprender las tecnologías subyacentes, en particular las diferencias entre los elementos de protección de varistor de óxido metálico (MOV) y tubo de descarga de gas (GDT) que forman la base de la mayoría de los protectores solares contra sobretensiones.

¿Qué significa dc spd?

Definición de dispositivo de protección contra sobretensiones

SPD es la abreviatura normalizada de Surge Protection Device (Dispositivo de protección contra sobretensiones): equipo diseñado para limitar las sobretensiones transitorias y desviar las corrientes de sobretensión de los equipos protegidos. Anteriormente, los SPD recibían varios nombres, como supresores de sobretensiones, supresores de sobretensiones de tensión transitoria (TVSS) y descargadores de sobretensiones secundarias. La industria eléctrica estandarizó el término “SPD” para eliminar la confusión y proporcionar una terminología coherente entre las diferentes normas y fabricantes.

La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) define formalmente los SPD en las normas de la serie IEC 61643, que abarcan distintas aplicaciones, como sistemas de alimentación de CA de baja tensión, circuitos de telecomunicaciones e instalaciones fotovoltaicas. La norma IEC 61643-31 aborda específicamente los SPD de sistemas fotovoltaicos, estableciendo requisitos de rendimiento y métodos de ensayo para los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC utilizados en aplicaciones solares.

En Estados Unidos, la norma UL 1449 de Underwriters Laboratories cubre los SPD para circuitos de alimentación de CA y CC, incluidos los sistemas solares fotovoltaicos. Esta norma establece los requisitos de seguridad y rendimiento que deben cumplir los SPD para obtener la certificación UL. El artículo 285 de NEC establece los requisitos de instalación de los SPD en sistemas eléctricos generales, mientras que el artículo 690.35 aborda específicamente los requisitos de protección contra sobretensiones para sistemas fotovoltaicos.

Por qué los SPD de CC difieren de los de CA

La protección contra sobretensiones de CC se enfrenta a retos únicos en comparación con las aplicaciones de CA debido a diferencias fundamentales en el comportamiento de la corriente. La corriente alterna cruza de forma natural la tensión cero dos veces por ciclo eléctrico: 120 veces por segundo en sistemas de 60 Hz. Este paso por cero extingue de forma natural los arcos en los dispositivos de protección, lo que hace que la protección contra sobretensiones de CA sea relativamente sencilla con componentes que solo necesitan interrumpir la corriente durante breves periodos de corriente cero.

La corriente continua mantiene una polaridad constante sin cruces por cero, creando arcos sostenidos cuando los dispositivos de protección actúan durante los eventos de sobretensión. Estos arcos de CC no se extinguen de forma natural y pueden continuar indefinidamente si el dispositivo de protección no puede interrumpir activamente el flujo de corriente. Los SPD de CC deben incorporar mecanismos mejorados de extinción de arcos que los dispositivos de CA no requieren, lo que hace que los SPD de CC sean más complejos y normalmente más caros que la protección de CA equivalente.

Los sistemas solares fotovoltaicos funcionan con tensiones de CC que suelen alcanzar entre 600 V y 1.500 V, considerablemente superiores a las de los sistemas residenciales típicos de 120/240 V CA. Las tensiones más altas crean arcos más fuertes que requieren capacidades de supresión proporcionalmente mayores. Un SPD de CC de 1000 V se enfrenta a condiciones de funcionamiento mucho más severas que un dispositivo de CA de 240 V, lo que requiere diseños y materiales especializados para proteger de forma fiable los equipos durante muchos eventos de sobretensión.

Información clave: No utilice nunca SPD con clasificación de CA en aplicaciones solares de CC: carecen de la capacidad de extinción de arco necesaria para el servicio de CC y fallarán de forma catastrófica. Antes de instalarlos en sistemas fotovoltaicos, compruebe siempre los valores nominales explícitos de tensión CC que figuran en la etiqueta del SPD.

Cómo protegen los EPI los equipos

Principio de bloqueo de tensión

Los SPD protegen mediante el bloqueo-limitación de la tensión que aparece a través de los equipos protegidos durante los eventos de sobretensión. En condiciones normales de funcionamiento, los SPD presentan una impedancia extremadamente alta y aparecen esencialmente como circuitos abiertos. Cuando la tensión supera el nivel de umbral del SPD, el dispositivo pasa rápidamente a baja impedancia, conduciendo la corriente de sobretensión a tierra mientras mantiene la tensión en sus terminales en el nivel de tensión de bloqueo.

Este bloqueo de la tensión impide que una tensión excesiva llegue a los equipos protegidos. Si un inversor puede soportar 2.000 V antes de que se rompa el aislamiento, pero un rayo alcanza los 10.000 V, el SPD debe bloquear la tensión por debajo de los 2.000 V. Un SPD con una clasificación adecuada puede bloquear a 1.500 V, cómodamente por debajo de los límites del equipo, pero manteniéndose lo suficientemente por encima de la tensión de funcionamiento normal para evitar una falsa activación en condiciones normales.

La relación entre la tensión de funcionamiento normal, la tensión de apriete del SPD y la tensión de aislamiento del equipo determina la eficacia de la protección. Los SPD ideales sujetan justo por encima de la tensión de funcionamiento normal, manteniéndose muy por debajo de la tensión soportada por el equipo. Sin embargo, la física limita la tensión de apriete de los SPD: las tensiones de apriete más bajas requieren tecnologías más sofisticadas (caras) y reducen la capacidad de manipulación de energía del SPD.

El tiempo de respuesta de los SPD afecta de forma crítica a la calidad de la protección. Las tensiones de sobretensión de los rayos aumentan extremadamente rápido, a menudo alcanzando el pico de tensión en microsegundos. Si los SPD responden lentamente, la tensión puede aumentar considerablemente por encima de la tensión de bloqueo antes de que el SPD actúe completamente. Los SPD de respuesta rápida limitan este exceso de tensión, proporcionando una mejor protección del equipo que los dispositivos más lentos, incluso cuando ambos se bloquean finalmente a la misma tensión en estado estacionario.

Ruta de desvío actual

Cuando los SPD se activan durante las sobretensiones, desvían la corriente de sobretensión de los equipos protegidos a través de una ruta alternativa a tierra. La corriente de sobretensión fluye desde el conductor de entrada a través del SPD hasta el sistema de electrodos de puesta a tierra en lugar de continuar a través de los equipos protegidos. Esta desviación de la corriente reduce la energía de sobretensión que llega a los equipos de niveles potencialmente destructivos a niveles seguros dentro de la capacidad de resistencia de los equipos.

Una desviación eficaz de la corriente requiere conexiones a tierra de baja impedancia. Los SPD sólo pueden desviar la corriente si el camino a tierra ofrece una impedancia menor que el camino a través del equipo protegido. Los conductores de tierra largos, enrollados o de tamaño insuficiente introducen una impedancia que reduce la eficacia del SPD al forzar el paso de una parte de la corriente de sobretensión a través del equipo a pesar del funcionamiento del SPD. La instalación correcta de un SPD exige conexiones a tierra lo más cortas posible utilizando conductores de tamaño adecuado.

El SPD debe manejar toda la corriente de sobretensión desviada sin dañarla y, al mismo tiempo, sujetar la tensión. Este doble requisito -manejar una corriente elevada manteniendo una tensión baja- representa el reto de ingeniería fundamental en el diseño de los SPD. Las distintas tecnologías de protección logran este equilibrio mediante diferentes mecanismos, siendo los MOV y los GDT los enfoques más comunes en las aplicaciones solares.

Tecnología de varistores de óxido metálico (MOV)

Construcción y explotación de MOV

Los varistores de óxido metálico constituyen el núcleo de la mayoría de los SPD solares de CC debido a su excelente equilibrio entre rendimiento, fiabilidad y coste. Los MOV consisten en un material cerámico de óxido de zinc sinterizado que contiene numerosos límites de grano microscópicos que crean una resistencia dependiente de la tensión. En condiciones normales de tensión, los límites de grano del MOV presentan una alta resistencia que bloquea el flujo de corriente. Cuando la tensión supera el umbral del MOV, los límites de grano se rompen permitiendo la conducción de corriente.

La característica de resistencia dependiente de la tensión da a los MOV su nombre: ”varistor” combina “resistencia variable” para indicar una resistencia que cambia con la tensión aplicada. La resistencia del MOV disminuye drásticamente a medida que la tensión aumenta por encima del umbral, creando la acción de sujeción que limita la tensión durante las sobretensiones. Este comportamiento se produce de forma natural gracias a las propiedades semiconductoras de los límites de grano del óxido de zinc, sin necesidad de circuitos de control externos ni mecanismos de activación.

La construcción del MOV implica mezclar polvo de óxido de zinc con pequeñas cantidades de bismuto, cobalto, manganeso y otros óxidos metálicos, para luego comprimir y sinterizar la mezcla a alta temperatura. El proceso de sinterización funde el material en un disco cerámico sólido con las características eléctricas deseadas. Los electrodos metálicos de las caras del disco proporcionan puntos de conexión, y todo el conjunto suele recubrirse de epoxi o alojarse en cajas cerámicas para protegerlo del medio ambiente y aislarlo.

La tensión nominal del MOV depende del grosor del disco y de la formulación del óxido de zinc. Los discos más gruesos soportan tensiones más altas, ya que existen más límites de grano en serie. La capacidad de manejo de energía está relacionada con el diámetro del disco: los diámetros más grandes disipan más calor y manejan más energía de sobretensión antes de fallar. Los SPD solares de CC suelen utilizar discos MOV de 25 mm a 40 mm de diámetro para un manejo adecuado de la energía con valores nominales de 600 V a 1.500 V.

Consejo profesional: Los valores nominales de tensión de los MOV varían con la temperatura: la tensión de apriete disminuye a medida que aumenta la temperatura. Este coeficiente térmico significa que los MOV se aprietan más cuando están calientes, lo que puede ser beneficioso para la protección, pero también aumenta la tensión en el propio MOV durante sobretensiones repetidas en entornos calientes.

Ventajas y limitaciones del MOV

Los MOV ofrecen varias ventajas significativas que los hacen populares para aplicaciones solares. Su rápido tiempo de respuesta (normalmente se activan en nanosegundos) proporciona una excelente protección contra los rayos transitorios que se producen rápidamente. Los MOV soportan niveles de energía de moderados a altos, adecuados para la mayoría de las necesidades de protección solar contra sobretensiones. La tecnología ha demostrado ser rentable, fiable y bien entendida a lo largo de décadas de uso generalizado en aplicaciones de protección contra sobretensiones.

La tensión de bloqueo de los MOV permanece relativamente estable en una amplia gama de corrientes de choque. A diferencia de algunas tecnologías de protección en las que la tensión de apriete aumenta sustancialmente con la corriente, los MOV mantienen una tensión de apriete razonablemente constante en todo su rango de corriente nominal. Este comportamiento predecible simplifica la coordinación de la protección y permite una especificación segura de la protección del equipo.

Sin embargo, los MOV sufren una degradación gradual cuando se exponen a sobretensiones repetidas o a un funcionamiento prolongado cerca de su tensión nominal. Cada sobretensión daña ligeramente la estructura de óxido de zinc, reduciendo progresivamente el umbral de tensión del MOV. Después de muchas sobretensiones, el MOV puede empezar a conducir a la tensión de funcionamiento normal, consumiendo una corriente continua que genera calor y acaba provocando un fallo catastrófico. Esta degradación hace que la vida útil del MOV sea algo impredecible dependiendo del historial de exposición a sobretensiones.

La corriente de seguimiento de los MOV representa otra limitación en las aplicaciones de CC. Cuando los MOV se bloquean durante las sobretensiones, conducen momentáneamente corrientes elevadas. En los sistemas de CA, el cruce por cero normal de la corriente de CA extingue naturalmente este flujo. En los sistemas de CC sin paso por cero, los MOV pueden seguir conduciendo después de que pase la sobretensión si el sistema puede suministrar suficiente corriente. Los SPD de CC de calidad incorporan seccionadores en serie o elementos limitadores de corriente que gestionan la corriente de seguimiento de los MOV, pero estas adiciones aumentan el coste y la complejidad.

Tecnología de tubo de descarga de gas (GDT)

Construcción y explotación de GDT

Los tubos de descarga de gas ofrecen una tecnología alternativa de protección contra sobretensiones que utiliza la ionización de gas sellado para conducir la corriente de sobretensión. Los GDT constan de dos o tres electrodos separados por pequeños espacios dentro de tubos de cerámica o vidrio llenos de gas inerte, normalmente argón o una mezcla de gases nobles. Con una tensión normal, el gas no es conductor y los GDT presentan una impedancia extremadamente alta que se aproxima al infinito.

Cuando la tensión a través de los electrodos GDT supera el umbral de ionización del gas, éste se descompone convirtiéndose en plasma conductor. Este gas ionizado conduce la corriente de sobretensión entre los electrodos con una resistencia muy baja, normalmente inferior a 1 ohmio cuando está totalmente ionizado. La baja resistencia permite a los GDT manejar corrientes extremadamente altas generando una caída de tensión mínima, lo que los hace excelentes para aplicaciones de protección contra sobretensiones de alta energía.

Una vez que cesa la corriente de sobretensión, el gas ionizado se recombina rápidamente volviendo a su estado no conductor. Esta característica de autorrecuperación significa que los GDT vuelven automáticamente al modo de protección después de eventos de sobretensión sin necesidad de sustitución a menos que se produzcan daños. La rápida desionización en los sistemas de CA se produce de forma natural en los cruces por cero de corriente. En los sistemas de CC, la descarga debe autoextinguirse cuando la corriente de sobretensión cae por debajo del nivel mínimo de corriente de mantenimiento del gas.

La tensión nominal del GDT depende de la separación entre electrodos y de la composición del gas. Los huecos más anchos y el gas a menor presión aumentan la tensión de ruptura, mientras que los huecos más estrechos y la presión más alta la reducen. Los SPD solares de CC suelen utilizar GDT de varias separaciones con tres electrodos que crean dos separaciones de descarga en serie, lo que permite mayores valores nominales de tensión en paquetes compactos. Estos diseños suelen alcanzar valores nominales de 600 V a 1.500 V de CC, adecuados para aplicaciones fotovoltaicas.

Ventajas y limitaciones de la GDT

Los GDT destacan en el manejo de corrientes de sobretensión muy elevadas, sustancialmente más que los MOV de tamaño similar. Su baja caída de tensión de conducción durante las sobretensiones implica una menor disipación de energía en el dispositivo de protección y, en consecuencia, una mayor capacidad de manipulación de energía. Los GDT también presentan una degradación mínima debido a la exposición a sobretensiones, proporcionando un rendimiento constante durante largas vidas de servicio, incluso en entornos de alta exposición a rayos.

La impedancia de estado normal extremadamente alta de los GDT introduce una carga esencialmente nula en los circuitos protegidos. No fluye ninguna corriente de fuga a través de los GDT no conductores, a diferencia de los MOV que presentan pequeñas corrientes de fuga que aumentan con el envejecimiento. Esta característica de cero fugas resulta valiosa en algunas aplicaciones especializadas en las que incluso las corrientes de fuga de microamperios crean problemas.

Sin embargo, los GDT sufren varias limitaciones significativas que afectan a sus aplicaciones solares SPD. El tiempo de respuesta más lento en comparación con los MOV (normalmente microsegundos en lugar de nanosegundos) permite que la tensión aumente considerablemente antes de que se produzca la ionización del GDT. Este rebasamiento de la tensión puede superar los límites de resistencia del equipo a pesar del funcionamiento eventual del GDT. Los relámpagos transitorios rápidos pueden dañar los equipos antes de que los GDT más lentos se activen por completo.

Las características de tensión de los GDT son menos predecibles que las de los MOV. La tensión de ruptura varía con la temperatura, la tasa de aumento de la tensión aplicada e incluso con el historial de sobretensiones anteriores. Los amplios márgenes de tolerancia implican que los GDT del mismo lote de fabricación pueden ionizar a tensiones que varían en ±20% o más. Esta variabilidad complica la coordinación precisa de la protección y hace que sea difícil conseguir una sujeción de tensión ajustada de forma fiable.

Diseños de SPD híbridos

Combinación de las tecnologías MOV y GDT

Muchos SPD solares de CC de alta calidad utilizan diseños híbridos que combinan MOV y GDT para aprovechar las ventajas de cada tecnología y mitigar sus respectivas limitaciones. Las configuraciones híbridas habituales colocan los MOV y los GDT en serie o en paralelo, coordinando su funcionamiento mediante una cuidadosa selección de componentes y elementos de control adicionales.

Los diseños híbridos en serie colocan un GDT en serie con un MOV. El MOV proporciona una respuesta inicial rápida que sujeta la tensión rápidamente, mientras que el GDT maneja una corriente alta sostenida después de que se ioniza. Esta disposición protege tanto contra los transitorios de aumento rápido que requieren una respuesta inmediata como contra las sobretensiones de alta energía que superan la capacidad del MOV. Los diseños en serie requieren una coordinación cuidadosa para garantizar que el GDT se ioniza antes de que se superen los límites de energía del MOV.

Los diseños híbridos en paralelo conectan los MOV y los GDT a través de la misma ruta de línea a tierra con resistencias limitadoras de corriente o inductores que gestionan la interacción entre los elementos. La rápida respuesta del MOV gestiona el aumento de tensión transitorio inicial y, a continuación, el GDT se ioniza y transporta la mayor parte de la corriente de sobretensión debido a su menor resistencia de conducción. Esta configuración proporciona una respuesta rápida con un alto manejo de la corriente, aunque una coordinación adecuada requiere un diseño sofisticado que evite conflictos entre componentes.

⚠️ Importante: Los diseños de SPD híbridos requieren una ingeniería experta que equilibre las características de los componentes. Los diseños híbridos mal coordinados pueden funcionar peor que los SPD de una sola tecnología si los componentes luchan entre sí durante los eventos de sobretensión. Especifique los SPD híbridos de fabricantes reputados que proporcionen datos de pruebas que demuestren una coordinación adecuada.

Diodos de avalancha de silicio (SAD)

La tecnología de diodos de avalancha de silicio representa un tercer enfoque de protección que encuentra aplicaciones en la protección de componentes electrónicos sensibles y en diseños de SPD solares especializados. Los SAD utilizan uniones PN de silicio fuertemente dopadas que sufren una ruptura por avalancha a tensiones precisas, lo que proporciona una sujeción de tensión extremadamente ajustada y una respuesta ultrarrápida medida en picosegundos.

Los SAD ofrecen varias ventajas, como las tolerancias de tensión de apriete más ajustadas de cualquier tecnología de protección, normalmente ±5% en comparación con ±10-20% de los MOV y más amplias de los GDT. Esta precisión permite que los sistemas de protección funcionen más cerca de los límites de tensión de los equipos, maximizando la eficacia. La respuesta ultrarrápida protege incluso contra las subidas transitorias más rápidas sin sobretensión. Los SAD también demuestran una fiabilidad excepcional, sin degradación por exposición a sobretensiones durante millones de operaciones.

Sin embargo, los dispositivos SAD individuales manejan una energía relativamente baja, lo que requiere conjuntos serie-paralelo para aplicaciones de alto voltaje y alta energía, como los sistemas solares. Estos conjuntos aumentan considerablemente el coste y la complejidad. Los SAD funcionan mejor en diseños híbridos que protegen circuitos sensibles aguas abajo de las etapas de protección primaria MOV o GDT. La protección SAD de la etapa final proporciona una sujeción de tensión estricta para los componentes electrónicos delicados después de que la protección aguas arriba reduzca la energía de sobretensión a niveles que los SAD puedan manejar.

Parámetros clave del DOCUP

Tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV)

La tensión máxima de funcionamiento continuo representa la tensión más alta que un SPD puede soportar de forma continua sin degradación o falsa activación. La MCOV debe superar la tensión máxima que aparece en el SPD en todas las condiciones normales de funcionamiento, incluidas las variaciones debidas a los efectos de la temperatura, las fluctuaciones de la tensión de red y los estados operativos del sistema. El funcionamiento continuo de los SPD por encima de su valor nominal de MCOV provoca fallos prematuros por estrés térmico o degradación de los componentes.

En las aplicaciones solares de CC, el MCOV debe tener en cuenta la tensión del punto de máxima potencia de la matriz, que varía con la irradiancia y la temperatura. En días soleados, los generadores funcionan cerca de su tensión nominal de punto de máxima potencia, mientras que en días nublados los inversores pueden funcionar a tensiones más altas para obtener la máxima potencia. El MCOV del SPD debe superar estas tensiones de funcionamiento con un margen adecuado, normalmente 10-20% como mínimo, para garantizar un funcionamiento fiable sin falsas activaciones.

La temperatura afecta a los valores nominales de MCOV de forma diferente para las distintas tecnologías de SPD. Los valores nominales de tensión de los MOV disminuyen ligeramente a temperaturas elevadas, mientras que las tensiones de ruptura de los GDT suelen aumentar con la temperatura. Las especificaciones de los SPD de calidad proporcionan los valores nominales de MCOV en todo el intervalo de temperaturas de funcionamiento en lugar de en temperaturas de prueba arbitrarias. Compruebe que el MCOV del SPD supera la tensión del sistema a la temperatura de funcionamiento más alta prevista, no sólo a la temperatura estándar de 25 °C.

Grado de protección de tensión (VPR) / Tensión de bloqueo

El índice de protección de tensión, también llamado tensión de bloqueo, indica la tensión máxima que aparece a través del SPD y el equipo protegido durante los eventos de sobretensión. Los valores más bajos de VPR proporcionan una mejor protección del equipo al limitar la tensión a niveles más seguros. Sin embargo, el VPR debe permanecer suficientemente por encima del MCOV para evitar la activación falsa del SPD durante las operaciones normales, incluidos los transitorios de tensión procedentes de eventos de conmutación legítimos.

Los fabricantes de SPD suelen especificar la VPR a corrientes de prueba específicas, normalmente 10 kA para dispositivos residenciales y 20 kA para aplicaciones comerciales. La tensión de apriete aumenta en cierta medida con la corriente de sobretensión, por lo que a mayores corrientes de prueba, mayores especificaciones de VPR. Al comparar los SPD, asegúrese de que las comparaciones de VPR utilizan la misma metodología de corriente de prueba: un dispositivo que muestra 1500V VPR a 10kA puede mostrar 1700V a 20kA.

La relación entre la tensión soportada por el equipo, la tensión de bloqueo del SPD y el aumento de tensión debido a la inductancia del cable determina la eficacia global de la protección. Si el equipo soporta 2000 V, el SPD se bloquea a 1500 V, pero la inductancia del cable añade un sobreimpulso de 600 V, la exposición efectiva del equipo alcanza los 2100 V, superando su capacidad de resistencia a pesar de un bloqueo del SPD técnicamente adecuado. Una instalación adecuada del SPD con una longitud mínima del cable es tan importante como las especificaciones VPR del SPD.

Corriente nominal de descarga (In) y corriente máxima de descarga (Imax)

La corriente nominal de descarga (In) indica el nivel de corriente de sobretensión que un SPD soporta repetidamente sin sufrir daños. Los SPD se someten a pruebas con corrientes de sobretensión de nivel In varias veces, normalmente entre 15 y 20 operaciones, para comprobar que sobreviven sin degradarse ni fallar. In proporciona una indicación realista de la robustez del SPD para la exposición normal a sobretensiones esperada durante su vida útil.

La corriente de descarga máxima (Imax) representa la corriente de sobretensión más alta a la que puede sobrevivir un SPD sin que se produzca un fallo catastrófico. Esta clasificación se aplica a los peores casos de sobretensión, como la caída de un rayo cercano, que puede ocurrir sólo una vez durante la vida útil de un SPD. Imax suele superar a In en un factor de 2 a 5, dependiendo del diseño y la tecnología del SPD, lo que refleja la diferencia entre sobretensiones moderadas repetidas y eventos extremos únicos.

Para aplicaciones solares, seleccione SPDs con valores In apropiados para la frecuencia de exposición a sobretensiones esperada e Imax adecuado para las consideraciones de la zona de rayos. Las zonas de exposición moderada a los rayos pueden utilizar SPD con una In nominal de 20kA / Imax de 40kA, mientras que las regiones de alta exposición se benefician de las especificaciones In de 40kA / Imax de 80-100kA. Las especificaciones más altas cuestan más, pero proporcionan los márgenes de protección necesarios en entornos severos.

Consejo profesional: No confunda los valores nominales de corriente de los SPD con los valores nominales de los dispositivos de protección contra sobrecorriente. Un SPD de 20 kA se refiere al manejo de la corriente de sobretensión, no a la corriente continua o de cortocircuito. Los circuitos con SPD siguen necesitando fusibles o disyuntores -normalmente de 15-20 A- que los protejan contra fallos sostenidos si los SPD fallan en cortocircuito.

Criterios de selección del DOCUP

Adaptación del SPD a la tensión del sistema

Para seleccionar correctamente la tensión nominal del SPD es necesario conocer tres niveles de tensión críticos: la tensión nominal del sistema, la tensión del punto de máxima potencia y la tensión en circuito abierto. La tensión nominal (como 600 V o 1.000 V) representa la tensión de funcionamiento típica, pero no abarca la gama de tensiones que deben admitir los SPD. La tensión en el punto de máxima potencia varía con la temperatura y la irradiancia, pero representa la tensión en la que funcionan normalmente los inversores.

La tensión en circuito abierto define el límite superior de tensión cuando los generadores funcionan sin flujo de corriente de carga. Esta condición se produce durante los cortes de red, por la mañana temprano antes de que arranquen los inversores, o cuando los inversores se desconectan de los grupos. El COV varía significativamente con la temperatura: el tiempo frío aumenta el COV sustancialmente por encima de los valores nominales. La norma NEC 690.7 exige calcular el VOC máximo teniendo en cuenta la temperatura ambiente más baja prevista, lo que a menudo da como resultado tensiones 20% por encima de la nominal.

La tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV) del SPD debe superar la tensión del punto de máxima potencia del sistema, mientras que el valor nominal de protección de tensión debe permanecer por debajo de la tensión soportada por el aislamiento del equipo. Un sistema nominal de 1000 V podría tener una tensión MPP de 850 V y una VOC máxima de 1200 V. Las especificaciones apropiadas del SPD podrían ser 1000V MCOV / 1500V VPR, posicionando el SPD para manejar el funcionamiento normal sin activación falsa mientras se bloquea por debajo de los límites del equipo durante las sobretensiones.

Considerar la ubicación de la instalación

Los requisitos de los SPD varían drásticamente en función de la posición de la instalación dentro del sistema fotovoltaico. Los combinadores de matrices y los seccionadores principales de CC se enfrentan a la mayor exposición a sobretensiones provocadas por rayos directos o cercanos, por lo que requieren SPD de Tipo 1 con valores nominales de corriente elevados, normalmente de 40-100 kA en función de la exposición a rayos. Estas ubicaciones se benefician de las tecnologías GDT o híbridas que proporcionan la máxima gestión de la energía.

Los terminales de entrada de CC del inversor requieren una sujeción precisa de la tensión para proteger los semiconductores sensibles, pero se enfrentan a una menor energía de sobretensión después de que la impedancia del conductor aguas arriba y los SPD primarios atenúen las amenazas. Los SPD de tipo 2 con valores nominales de 15-20 kA suelen ser suficientes en las ubicaciones de los inversores. La tecnología MOV funciona bien en este caso, ya que proporciona una respuesta rápida y una tensión de apriete ajustada que protege los componentes electrónicos delicados. Los inversores múltiples necesitan cada uno un SPD individual en lugar de una protección colectiva.

Los terminales de entrada de CC de los equipos necesitan protección individual incluso cuando existen SPD aguas arriba en combinadores o seccionadores. Los tramos de conductor entre las etapas de protección introducen un aumento de tensión durante los transitorios rápidos que puede superar los límites de resistencia del equipo a pesar del funcionamiento del SPD aguas arriba. Los SPD a nivel de terminal proporcionan un bloqueo localizado inmediatamente en las conexiones del equipo, evitando que el aumento de tensión de la inductancia del conductor anule la protección.

Ensayos y normas del DOCUP

IEC 61643-31 Requisitos FV

La norma IEC 61643-31 establece requisitos específicos para los SPD en sistemas fotovoltaicos, abordando los desafíos únicos de la protección contra sobretensiones de CC a altas tensiones. Esta norma define procedimientos de ensayo, clasificaciones de rendimiento y requisitos de marcado que garantizan el funcionamiento fiable de los SPD en aplicaciones solares. Los SPD certificados según la norma IEC 61643-31 han sido sometidos a rigurosas pruebas que simulan la exposición a rayos y sobretensiones de conmutación que sufren los sistemas fotovoltaicos.

La norma establece las clasificaciones de los SPD (Tipo 1, 2 y 3) en función de las formas de onda de corriente probadas y las capacidades de manipulación de energía. Las pruebas de Tipo 1 utilizan formas de onda de corriente 10/350μs que representan la corriente directa del rayo, mientras que las pruebas de Tipo 2 utilizan formas de onda 8/20μs para las sobretensiones inducidas. Estas formas de onda diferentes contienen un contenido energético drásticamente distinto: las formas de onda de 10/350μs proporcionan mucha más energía que las de 8/20μs con la misma corriente de pico, lo que hace que las pruebas de Tipo 1 sean mucho más estrictas.

Las pruebas de ciclos de temperatura verifican el funcionamiento de los SPD en los rangos de -40°C a +85°C típicos de las instalaciones solares exteriores. Las pruebas de funcionamiento a temperaturas extremas garantizan que los SPD no se activen erróneamente en climas fríos (cuando aumentan las tensiones del sistema) o fallen prematuramente en condiciones de calor. Las pruebas de humedad confirman que los SPD mantienen la integridad del aislamiento y no se degradan por la exposición a la humedad en entornos con condensación.

Normas norteamericanas UL 1449

La norma UL 1449 establece los requisitos de ensayo y listado de los SPD norteamericanos para aplicaciones de corriente alterna y continua. La cuarta edición (UL 1449 Ed.4) incluye requisitos mejorados para los SPD de CC utilizados en sistemas fotovoltaicos, lo que refleja el rápido crecimiento de las instalaciones solares. Los SPD listados según la norma UL 1449 han superado ensayos que verifican su rendimiento eléctrico, su seguridad contra incendios y su funcionamiento fiable en condiciones específicas.

Las pruebas de tensión nominal de protección miden la tensión de apriete real a niveles de corriente normalizados utilizando formas de onda específicas. Estas pruebas verifican que los SPD limitan la tensión a sus especificaciones VPR declaradas. La norma UL 1449 también exige pruebas de sobretensión temporal (TOV) en las que los SPD deben soportar sobretensiones sostenidas que podrían producirse por fallos a tierra o averías del sistema sin incendiarse ni crear riesgos de descarga eléctrica.

Las pruebas de corriente de cortocircuito (SCCR) verifican que los SPD pueden soportar la máxima corriente de fallo disponible en su ubicación de instalación sin explotar ni crear riesgos de arco eléctrico. Estas pruebas de seguridad resultan críticas, ya que los SPD que fallan en cortocircuito pueden crear condiciones extremadamente peligrosas con corrientes disponibles que alcanzan decenas de miles de amperios en instalaciones solares. Sólo los SPD que superan con éxito las pruebas SCCR reciben la certificación UL.

Conceptos erróneos sobre los DOCUP

Más DOCUP siempre significa mejor protección

Muchos instaladores creen que instalar los SPD en todas las ubicaciones posibles proporciona la máxima protección, independientemente de los valores nominales o de la coordinación de los SPD. Sin embargo, los SPD mal seleccionados o colocados pueden empeorar la protección al crear bucles de tierra, introducir ruido o provocar fallos de coordinación de los SPD cuando los dispositivos luchan entre sí durante las sobretensiones.

Una protección eficaz utiliza los tipos de SPD adecuados en ubicaciones estratégicas en lugar de la cantidad máxima. Un sistema bien diseñado puede tener SPD de tipo 1 en los combinadores de matrices y en la desconexión principal, además de SPD de tipo 2 en cada inversor, con un total de cuatro a seis SPD para una instalación residencial típica. La instalación de SPD adicionales en cada caja de conexiones o desconexión no mejora la protección y añade costes innecesarios al tiempo que puede crear problemas.

La calidad y la correcta instalación de un menor número de SPD supera a la cantidad de dispositivos mediocres mal colocados. Dos SPD con una capacidad nominal adecuada, una conexión a tierra correcta y una longitud mínima de los cables proporcionan una protección superior a la de una docena de SPD con una capacidad nominal inadecuada, conexiones a tierra largas o una coordinación incorrecta. Céntrese en la especificación e instalación adecuadas de los SPD en lugar de limitarse a maximizar el número de SPD.

Los SPD proporcionan una protección completa contra el rayo

Los SPD son sólo un componente de la protección integral contra el rayo, no soluciones independientes que protejan contra todas las amenazas de rayo. Los SPD protegen contra las sobretensiones que aparecen en los conductores eléctricos, pero no impiden la descarga directa de rayos sobre equipos o estructuras. Una protección completa contra el rayo requiere sistemas externos de protección contra el rayo (terminales aéreas, conductores de bajada, electrodos de puesta a tierra) que trabajen conjuntamente con la protección SPD.

El impacto de un rayo puede destruir módulos, estanterías y componentes estructurales por efecto de fuerzas mecánicas, calor extremo y ondas de choque, independientemente de la protección eléctrica. Los SPD no pueden evitar estos daños: sólo protegen los equipos eléctricos de las sobretensiones y corrientes que se propagan a través de los conductores. Las ubicaciones con una exposición extrema a los rayos pueden necesitar LPS externos que intercepten los impactos antes de que lleguen a los equipos fotovoltaicos.

Una toma de tierra y una conexión a tierra adecuadas son igualmente importantes para la protección de los SPD. Incluso los mejores SPD no protegen adecuadamente los equipos cuando las conexiones a tierra introducen una impedancia excesiva o múltiples electrodos de tierra crean corrientes circulantes. La protección integral integra los SPD, la protección externa contra rayos, la conexión a tierra adecuada y la ubicación de los equipos en sistemas coordinados que abordan todos los vectores de amenaza.

Una tensión nominal más alta siempre es mejor

Algunos instaladores asumen que los SPD con valores nominales de tensión más altos proporcionan mejor protección, seleccionando dispositivos de 1500 V para sistemas de 600 V razonando que “más es mejor”. Sin embargo, una tensión nominal excesiva puede reducir la eficacia de la protección. La tensión de apriete de los SPD es aproximadamente proporcional a la tensión nominal: los SPD de 1500 V suelen apretar en torno a 2500-3000 V, mientras que los dispositivos de 600 V aprietan a 1200-1500 V. El uso de SPD sobrevalorados deja los equipos expuestos a tensiones de apriete innecesariamente altas.

La selección del SPD adecuado se ajusta a los requisitos de tensión del sistema con el margen de seguridad apropiado. Para un sistema nominal de 600 V con un VOC máximo de 720 V, seleccione un SPD de 800-1000 V CC que proporcione un margen adecuado por encima de la tensión del sistema y minimice la tensión de apriete. El valor nominal de 1000 V ofrece un margen cómodo, mientras que un valor nominal de 1500 V no proporciona ningún beneficio y empeora la protección debido a un mayor apriete.

El MCOV proporciona el criterio de selección correcto, no la tensión nominal máxima del SPD. Seleccione los SPD en los que el MCOV supere la tensión del punto de máxima potencia del sistema en 10-20% y, a continuación, compruebe que el VPR se mantiene muy por debajo de la tensión soportada por el equipo. Este enfoque garantiza que los SPD no se activarán falsamente durante el funcionamiento normal, a la vez que proporcionan un bloqueo óptimo durante las sobretensiones.

Preguntas frecuentes

¿Qué significa SPD en sistemas solares?

SPD son las siglas de Surge Protection Device (Dispositivo de protección contra sobretensiones), un equipo que limita las sobretensiones transitorias y desvía las corrientes de sobretensión protegiendo los equipos solares fotovoltaicos de los rayos y los transitorios de conmutación. El término “SPD” se ha estandarizado en los códigos y normas eléctricas internacionales, sustituyendo a términos más antiguos como supresor de sobretensiones o TVSS (transient voltage surge suppressor). Los SPD de CC diseñados específicamente para aplicaciones solares deben tener valores nominales de tensión de CC adecuados para la tensión del sistema y someterse a pruebas según las normas IEC 61643-31 o UL 1449 que abordan los requisitos de protección contra sobretensiones fotovoltaicas.

¿Cuál es la diferencia entre la protección contra sobretensiones MOV y GDT?

Los varistores de óxido metálico (MOV) utilizan cerámica de óxido de zinc dependiente de la tensión que conduce cuando la tensión supera el umbral, lo que proporciona una respuesta rápida (nanosegundos) y una sujeción predecible adecuada para la mayoría de las aplicaciones solares. Los tubos de descarga de gas (GDT) utilizan gas ionizante para conducir la corriente de sobretensión, ofreciendo un manejo de corriente muy elevado y una degradación mínima, pero una respuesta más lenta (microsegundos). Los MOV funcionan bien para la protección de equipos finales que requieren una respuesta rápida, mientras que los GDT sobresalen en la protección primaria que maneja sobretensiones de alta energía en los orígenes del conjunto. Muchos SPD de alta calidad utilizan diseños híbridos que combinan ambas tecnologías.

¿Cómo sé si mi instalación solar necesita SPD de CC?

La norma NEC 690.35(A) exige el uso de SPD de CC cuando los conductores del circuito superan los 2 metros (6,6 pies) desde el campo fotovoltaico hasta el equipo, lo que cubre prácticamente todas las instalaciones solares excepto los sistemas de microinversores. Más allá de los requisitos del código, cualquier sistema con generadores expuestos en tejados, conductores a través de edificios o equipos valiosos justifica la protección con SPD. Los daños causados por los rayos cuestan miles de euros en sustitución de equipos, además de la pérdida de producción. Las regiones con alta exposición a los rayos se benefician especialmente de una protección SPD completa en varias ubicaciones del sistema.

¿Puedo utilizar protectores de sobretensión de CA en circuitos solares de CC?

No utilice nunca SPD de CA en aplicaciones solares de CC. La protección contra sobretensiones de CA se basa en los cruces por cero naturales de la corriente para extinguir los arcos que los sistemas de CC no tienen. Los SPD de CA fallarán catastróficamente en servicio de CC, pudiendo provocar incendios o crear riesgos de descarga eléctrica. Antes de instalarlos en sistemas fotovoltaicos, compruebe siempre los valores nominales explícitos de tensión de CC que figuran en las etiquetas de los SPD. Los SPD de CC de calidad cuentan con listados IEC 61643-31 o UL 1449 que abordan específicamente los requisitos de protección contra sobretensiones de CC, incluida la extinción de arco mejorada para corriente CC sostenida.

¿Con qué frecuencia hay que sustituir los SPD de CC en las instalaciones solares?

Los SPD de calidad con indicación de estado deben inspeccionarse trimestralmente en lugares de alta exposición o anualmente en otros lugares, sustituyendo cualquiera que muestre indicios de fallo. Los SPD sin indicadores visuales se benefician de una sustitución proactiva cada 5-7 años en regiones de alta exposición a rayos o cada 10+ años en zonas moderadas. Las ubicaciones de exposición extrema o los sistemas que experimentan varios rayos pueden requerir una sustitución más frecuente. Sustituya los SPD inmediatamente después de la caída de un rayo cercano, incluso si no hay daños visibles, ya que la tensión puede haber degradado los componentes por debajo de las especificaciones y hacerlos incapaces de proteger contra sobretensiones posteriores.

¿Qué tensión nominal SPD necesito para mi sistema solar de 1000 V CC?

Un sistema de CC nominal de 1000 V requiere el cálculo de la tensión máxima en circuito abierto con corrección de temperatura según NEC 690.7, que suele dar 1150-1200 V. Seleccione los SPD 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 global del SPD debe ser de 1200-1500V CC, proporcionando un margen por encima de la MCOV máxima. Compruebe que la tensión nominal de protección (VPR) se mantiene por debajo de la tensión soportada por el equipo, normalmente 2000 V para inversores. Esto equilibra la prevención de la activación falsa durante el funcionamiento normal, al tiempo que proporciona una sujeción adecuada contra sobretensiones.

¿Los SPD basados en MOV se degradan con el tiempo incluso sin sobretensiones?

Sí, los MOV presentan una degradación gradual debido a la tensión continua, incluso sin que se produzcan sobretensiones importantes. El funcionamiento cerca de la tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV) acelera la degradación, al igual que la temperatura elevada. Cada pequeña sobretensión o transitorio de tensión daña progresivamente la estructura de óxido de zinc, reduciendo lentamente el umbral de tensión. Los SPD de calidad incluyen desconectadores térmicos o fusibles que aíslan los MOV averiados antes de que se produzca un incendio. Esta degradación hace que la inspección periódica y la sustitución proactiva sean importantes: los SPD pierden eficacia antes de mostrar signos evidentes de fallo. Una correcta selección del MCOV con un margen adecuado por encima de la tensión de funcionamiento normal minimiza la tasa de degradación y prolonga la vida útil.

Recursos relacionados

Comprender los fundamentos de los SPD de CC proporciona la base para un diseño e instalación adecuados del sistema de protección contra sobretensiones.

Obtenga más información sobre aplicaciones e instalación de SPD en nuestras completas guías:

– SPD de CC para sistemas solares - Selección y coordinación completas del DOCUP
– Protección contra el rayo solar - Diseño integral del sistema de protección
– Protección de circuitos de CC - Coordinación de los SPD con la protección contra sobreintensidades
– Puesta a tierra del sistema FV - Conexión a tierra adecuada para la eficacia del SPD

¿Preparado para implantar una protección DC SPD eficaz en su instalación solar? Nuestro equipo técnico de SYNODE proporciona orientación experta sobre la selección de dispositivos de protección contra sobretensiones, decisiones sobre tecnología MOV frente a GDT y prácticas de instalación adecuadas. Ayudamos a garantizar una protección completa que cumpla NEC 690.35 optimizando al mismo tiempo la eficacia de la protección y la economía del sistema.

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