Un sistema de DPS coordinados instala dispositivos de protección contra sobretensiones en la entrada de cada zona de protección, con energías coordinadas entre sí. IEC 62305-4 escoge la clase de ensayo según el lugar y la fuente del rayo: clase I (corriente de impulso Iimp, 10/350 µs) en la entrada de la estructura, clase II (corriente nominal In) y clase III (onda combinada) cerca de los equipos. El nivel de protección efectivo debe quedar por debajo de la tensión soportada del equipo.
Respuesta corta. Un sistema de DPS (dispositivos de protección contra sobretensiones) coordinados coloca DPS en la entrada de cada zona de protección contra el rayo (LPZ), con energía coordinada entre etapas. IEC 62305-4 (cláusula 7 y Anexos C y D) fija dónde va cada clase de ensayo: clase I, con corriente de impulso Iimp, en la entrada de la estructura cuando hay rayo directo; clase II y clase III cerca de los equipos. Funciona si el nivel de protección efectivo queda por debajo de la tensión que soporta el equipo.
Qué es un sistema coordinado
IEC 62305-1 (definición 3.54) llama sistema de DPS coordinados a los DPS bien seleccionados, coordinados e instalados para formar un sistema que reduce las fallas de los sistemas eléctricos y electrónicos. La cláusula 7 de la parte 4 establece que:
- Con más de una zona interior (LPZ 1, LPZ 2 y siguientes), se instala un DPS en la entrada de línea de cada zona.
- Con solo la LPZ 1, se instala al menos un DPS en la entrada de línea a la LPZ 1.
- En ambos casos pueden hacer falta DPS adicionales si la distancia entre el DPS y el equipo es grande.
- Se protegen tanto las líneas de potencia como las de señal.
Los ensayos de los DPS se rigen por IEC 61643-1 (potencia) e IEC 61643-21 (telecomunicaciones y señales).
Las tres clases de ensayo y dónde van
| Clase de ensayo | Parámetro de ensayo | Dónde se usa según IEC 62305-4 |
|---|---|---|
| Clase I | Corriente de impulso Iimp (forma típica 10/350 µs) | Entrada de la estructura (frontera de la LPZ 1, por ejemplo el tablero principal), cuando hay corriente de rayo directo o parcial |
| Clase II | Corriente nominal de descarga In (forma típica 8/20 µs) | Entrada de la estructura, solo si las líneas entran totalmente en la LPZ 0B o se puede despreciar la falla por rayos a la estructura o a la línea; y cerca del equipo (tablero secundario, tomacorriente) |
| Clase III | Onda combinada con tensión de circuito abierto UOC | Cerca del equipo, con la misma condición de líneas dentro de la LPZ 0B o riesgo despreciable |
La corriente de cortocircuito de un DPS clase III sale de UOC, porque el ensayo usa un generador de onda combinada con impedancia de 2 Ω. Un DPS con características de clase I y II puede usarse en el tablero secundario.
La condición para despreciar la falla del DPS por rayos a la estructura (ND) o a la línea (NL) es ND + NL ≤ 0,01. En general, la norma recomienda clase I donde intervienen corrientes directas o parciales (rayos a la estructura o a las líneas) y clase II o III para los efectos inducidos (rayos cercanos). Muchos edificios no necesitan protección contra impactos directos, y para ellos puede bastar un sistema de clase II bien diseñado.
La corriente Iimp
La Tabla D.1 da los valores preferidos de Iimp para DPS conectados de línea a neutro, con la carga Q y la energía específica W/R que les corresponden:
| Iimp (kA) | 1 | 2 | 5 | 10 | 12,5 | 20 | 25 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Q (C) | 0,5 | 1 | 2,5 | 5 | 6,25 | 10 | 12,5 |
| W/R (kJ/Ω) | 0,25 | 1 | 6,25 | 25 | 39 | 100 | 156 |
Iimp se asocia a formas de onda más largas (como 10/350 µs) que las de Imax. Para escogerla hay que estimar la corriente en el punto de instalación, que depende del nivel de protección y de cómo se reparte la corriente. Sin un cálculo específico de reparto, la norma supone que el 50 % de la corriente va al sistema de tierra del edificio y el otro 50 % retorna por los DPS de unión equipotencial. Con nivel I (200 kA) y un sistema trifásico con neutro, eso da 25 kA por DPS. Si en cambio entran tres servicios metálicos y se aplica el modelo de la parte 1, la corriente en cada DPS de unión del sistema trifásico baja a 8,3 kA. El esquema de puesta a tierra también influye en el reparto.
Nivel de protección efectivo
La cláusula C.2.1 compara el nivel de protección UP del DPS, que es la tensión residual con su corriente nominal In, con la tensión soportada al impulso UW del equipo. Pero la tensión en el equipo es el nivel de protección efectivo UP/F:
- Para DPS limitadores de tensión: UP/F = UP + ΔU.
- Para DPS conmutadores de tensión: UP/F = el mayor de UP y ΔU.
ΔU es la caída inductiva en los conductores de conexión. En la entrada de la estructura se supone 1 kV por metro de conductor. Si los conductores miden 0,5 m o menos, puede suponerse UP/F = 1,2 × UP. Cuanto más cortos sean, mejor.
Los sistemas internos quedan protegidos si están coordinados en energía con los DPS aguas arriba y se cumple una de tres condiciones:
| Longitud del circuito entre DPS y equipo | Condición | Caso típico |
|---|---|---|
| Despreciable | UP/F ≤ UW | DPS en los bornes del equipo |
| Hasta 10 m | UP/F ≤ 0,8 UW | Tablero secundario o tomacorriente |
| Más de 10 m | UP/F ≤ (UW − UI) / 2 | Entrada de la estructura o tablero secundario lejano |
UI es la sobretensión inducida en el lazo entre el DPS y el equipo. Si hay blindaje espacial o de líneas, suele ser despreciable. Si una falla puede costar vidas o dejar sin servicio al público, la norma pide considerar el doble de tensión por oscilaciones y exigir UP/F ≤ UW / 2. Un circuito largo puede duplicar la tensión (hasta 2 × UP/F) si el equipo queda en circuito abierto.
Procedimiento de instalación
El Anexo C.3.5 resume el procedimiento:
- Instalar el DPS 1 en la entrada de la estructura, con las exigencias de corriente de C.2.2.
- Determinar la tensión soportada UW de los sistemas internos y el nivel de protección UP1 del DPS 1, y verificar C.2.1.
- Si no se cumple, instalar el DPS 2 más cerca del equipo (tablero secundario), coordinado en energía con el DPS 1, y verificar de nuevo.
- Si todavía no se cumple, instalar el DPS 3 junto al equipo, coordinado con los anteriores, y verificar que UP/F3 ≤ UW.
La coordinación de energía entre DPS en cascada sigue IEC 61643-12 o IEC 61643-22, y es el fabricante quien debe dar la información para lograrla. Los DPS deben ir con los conductores de conexión más cortos posible, con las secciones de la Tabla 1 de la parte 4 (16 mm² en cobre para clase I, 6 mm² para clase II, 1 mm² para clase III). Cuanto más cerca de la entrada está un DPS, más equipos protege; cuanto más cerca del equipo, más eficaz es.
Explosor y varistor
La parte 1 (Anexo D.6) trata como casos distintos los DPS con explosores y los DPS con varistores de óxido metálico. En el explosor, el desgaste viene de la erosión de los electrodos por el arco y del choque mecánico. En el varistor, el daño proviene de la sobrecarga por energía absorbida y del contorneo, y el parámetro principal es la carga. Para los pararrayos de patio de MT, AT y EAT, vea descargador de sobretensiones, y para fotovoltaica, DPS en sistemas fotovoltaicos.
Interfaces aislantes
La cláusula 8 y la definición 3.56 llaman interfaces aislantes a los dispositivos capaces de reducir las sobretensiones conducidas en las líneas que entran a la zona. Incluyen transformadores de aislamiento con pantalla puesta a tierra entre devanados, cables de fibra óptica sin metal y optoaisladores (acopladores ópticos). El Anexo B agrega equipos clase II de doble aislamiento sin conductor PE. Su nivel de soportabilidad debe coordinarse con las categorías de sobretensión de IEC 60664-1, y si hace falta se protegen con DPS. Un cable de fibra sin armadura metálica, barrera de humedad metálica ni hilo de acero entre estructuras no necesita medidas de protección.
- ¿Las líneas que entran quedan totalmente en la LPZ 0B, o ND + NL ≤ 0,01?
- Sí: ¿La tensión soportada del equipo se cumple con UP/F del DPS clase II?
- Sí: DPS clase II (In) en la entrada, y verificar la coordinación con los siguientes
- No: DPS clase II más una etapa adicional cerca del equipo
- No: DPS clase I (Iimp) en la entrada, con la corriente de reparto del nivel de protección
- Sí: ¿La tensión soportada del equipo se cumple con UP/F del DPS clase II?
Guías de la misma serie
Las fronteras donde se instalan los DPS son las zonas de protección LPZ; el conjunto de medidas, medidas SPM contra el LEMP; la unión de los DPS con la red, red de unión equipotencial y tierra en 3D. En una planta industrial, vea también protección contra rayos industrial.
Cuándo llamarnos
La selección de clases, corrientes y niveles de protección depende del nivel de protección contra el rayo, de la puesta a tierra, de los cables y de la tensión soportada de cada equipo. Si está diseñando o revisando la protección contra sobretensiones de una planta, una sala de control o una subestación, nuestro equipo de diseño de ingeniería y estudios puede acompañarle en la parte eléctrica del proyecto. Escríbanos por contacto.
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Referencias
- IEC 62305-4:2010, Protection against lightning, Part 4: Electrical and electronic systems within structures: cláusulas 7 y 8, Anexo B.10 y B.13, Anexo C (selección e instalación de DPS coordinados) y Anexo D (Tabla D.1).
- IEC 62305-1:2010, definiciones 3.54 a 3.56, Anexo D.6 y Anexo E.5.
- IEC 61643-1, IEC 61643-12, IEC 61643-21, IEC 61643-22, IEC 60364-5-53 e IEC 60664-1.
Preguntas frecuentes
¿Qué es la corriente Iimp de un DPS y para qué sirve?
Es la corriente de impulso con la que se ensaya un DPS clase I, con una forma de onda larga, típicamente 10/350 µs, que representa la corriente parcial de un rayo directo. IEC 62305-4, Tabla D.1, da los valores preferidos: 1, 2, 5, 10, 12,5, 20 y 25 kA, con su carga y su energía específica asociadas.
¿Cuándo basta un DPS clase II en la entrada de la estructura?
Cuando las líneas que entran están totalmente dentro de la zona LPZ 0B, o cuando puede despreciarse la probabilidad de falla del DPS por rayos a la estructura o a las líneas, lo que ocurre si la suma de los eventos peligrosos ND y NL es menor o igual a 0,01. En los demás casos, la entrada exige un DPS clase I.
¿Por qué no basta con escoger un DPS cuyo nivel de protección UP sea menor que la tensión soportada del equipo?
Porque a UP se suman la caída inductiva en los conductores de conexión, que la norma toma como 1 kV por metro en la entrada de la estructura, y, si el circuito hasta el equipo es largo, la oscilación que puede duplicar la tensión. Por eso la norma exige UP/F menor o igual que UW, 0,8 UW o (UW menos la tensión inducida) / 2, según la longitud del circuito.