SPD Tipo 1+2: cuándo utilizar protección combinada contra rayos y sobretensiones

Un SPD Tipo 1+2 — también denominado SPD Clase B+C — combina en un solo módulo la derivación de una parte de la corriente de rayo y la protección frente a sobretensiones inducidas. Esta guía explica cuándo un SPD combinado es una opción más adecuada que las etapas de protección separadas, dónde encaja dentro de una arquitectura de protección en cascada y qué parámetros determinan su selección.

SPD Tipo 1 y Tipo 2: repaso de la clasificación

La norma IEC 61643-11 clasifica los dispositivos de protección contra sobretensiones de baja tensión en CA en clases de ensayo según el tipo de sobretensión que están diseñados para soportar. Los SPD Tipo 1 se ensayan con una corriente de impulso (Iimp) de forma de onda 10/350 μs, que simula una parte de la corriente de un rayo. La onda 10/350 μs presenta un tiempo de subida relativamente lento (10 μs hasta el pico) y una cola larga (350 μs hasta la mitad del valor), reflejando la duración de una descarga directa de rayo. Los SPD Tipo 2 se ensayan con corriente nominal de descarga (In) y corriente máxima de descarga (Imax) utilizando una forma de onda 8/20 μs, que representa sobretensiones inducidas por maniobras y por rayos, con un frente más rápido y una duración más corta.

El contenido energético de las dos formas de onda difiere aproximadamente en un orden de magnitud. Un impulso de 10/350 μs a 12,5 kA entrega mucha más carga y energía específica que un impulso de 8/20 μs con la misma corriente de pico. Por eso, los elementos de protección Tipo 1 suelen ser de mayor tamaño o utilizar tecnología de vía de chispas capaz de soportar una duración mayor. Esta diferencia de energía es la razón técnica por la que un dispositivo combinado no es simplemente un módulo Tipo 2 con una capacidad superior: sus componentes internos se seleccionan y organizan para soportar ambos perfiles de onda sin degradarse.

Esta diferencia también determina el lugar de instalación. Un SPD Tipo 1 se instala en la entrada principal del edificio, donde puede derivar una parte de la corriente directa de rayo que entra a través de la alimentación o del sistema de puesta a tierra. Un SPD Tipo 2 se instala aguas abajo, en cuadros de subdistribución o más cerca de los equipos sensibles, donde la sobretensión ya se ha atenuado parcialmente y la sobretensión residual es menor. En conjunto, ambas etapas forman una arquitectura de protección en cascada.

La antigua clasificación VDE utilizaba los términos Clase B y Clase C para lo que IEC 61643-11 denomina actualmente Tipo 1 y Tipo 2, respectivamente. Por tanto, el término Clase B+C se refiere a un dispositivo combinado Tipo 1+2. Ambas nomenclaturas siguen apareciendo en documentación de productos y describen la misma categoría de dispositivo. Puede consultar una comparación detallada en la guía de selección SPD Tipo 1 frente a Tipo 2.

¿Qué es un SPD Tipo 1+2 (Clase B+C)?

Un SPD Tipo 1+2 es un dispositivo combinado que cumple, en un solo módulo, tanto el ensayo de corriente de impulso Tipo 1 (Iimp, 10/350 μs) como los ensayos Tipo 2 de corriente nominal y máxima de descarga (In e Imax, 8/20 μs). En la práctica, el dispositivo incorpora elementos de protección dimensionados tanto para una parte de la corriente de rayo de alta energía como para las sobretensiones inducidas repetitivas y de menor energía que pueden producirse después.

El valor de esta combinación reside en la simplificación de la instalación. En una cascada convencional de dos etapas, se instala un SPD Tipo 1 en el cuadro principal de distribución y un SPD Tipo 2 independiente en un cuadro secundario aguas abajo. El SPD combinado Tipo 1+2 integra ambas funciones en una sola unidad física en el cuadro principal, reduciendo la longitud del cableado, el espacio ocupado en el cuadro y el trabajo de coordinación entre etapas.

El diseño interno de un SPD combinado suele utilizar vías de chispas de alta energía o varistores configurados para soportar el impulso 10/350 μs sin degradación, al mismo tiempo que proporciona el nivel de protección (Up) más bajo esperado de un dispositivo Tipo 2 para los equipos aguas abajo. El mecanismo de desconexión térmica y el indicador de estado funcionan de forma similar a los de un módulo Tipo 2 estándar, proporcionando una indicación de fin de vida para mantenimiento.

Una arquitectura interna común utiliza una vía de chispas o una etapa de varistor de alta energía para la función Tipo 1, acoplada a una etapa de varistor para la función Tipo 2. Ambas etapas están integradas para que el componente de alta energía absorba la mayor parte del impulso de rayo y la etapa de varistor más fina limite la tensión residual a un valor Up inferior. En los módulos que utilizan únicamente tecnología de varistor, los componentes se dimensionan para cumplir ambas formas de onda de ensayo mediante su capacidad energética combinada frente a sobretensiones, y la desconexión térmica se calibra para soportar el esfuerzo repetitivo de 8/20 μs característico del servicio a largo plazo.

Nota: “Clase B+C” y “Tipo 1+2” describen la misma categoría de dispositivo. La nomenclatura VDE (Clase B, C) es anterior a la reclasificación IEC 61643-11 (Tipo 1, Tipo 2), y ambas convenciones siguen apareciendo en fichas técnicas de fabricantes y especificaciones de proyectos.

Cuándo elegir un SPD combinado frente a etapas separadas

La decisión entre un SPD combinado Tipo 1+2 y etapas separadas Tipo 1 más Tipo 2 depende de varios factores que deben evaluarse para cada instalación.

Limitaciones de espacio. Un SPD combinado ocupa un único bloque en carril DIN en lugar de dos módulos separados instalados en ubicaciones diferentes. En cuadros principales compactos o armarios exteriores prefabricados donde el espacio es limitado, el dispositivo combinado suele ser la opción más práctica. Esto es especialmente relevante en proyectos de modernización donde no es viable añadir una segunda etapa en un cuadro secundario.

Punto único de entrada de sobretensiones. Cuando el edificio dispone de un único punto de entrada de alimentación y el sistema de protección contra el rayo (LPS) está unido al terminal principal de tierra en ese punto, un SPD combinado instalado en la entrada puede gestionar tanto una parte de la corriente directa de rayo como las sobretensiones inducidas que, de otro modo, se propagarían aguas abajo. En esta topología se reduce la necesidad de una etapa Tipo 1 independiente aguas arriba.

Longitud de cableado y coordinación. En una cascada de dos etapas, la impedancia de desacoplamiento entre los SPD Tipo 1 y Tipo 2 depende de la longitud del cableado entre ambos. IEC 61643-11 exige una longitud mínima de conductor entre etapas — normalmente 10 m, o bien una inductancia de desacoplamiento validada — para garantizar un reparto adecuado de la energía. Cuando no es posible alcanzar esta longitud, un SPD combinado elimina este problema de coordinación al integrar ambas funciones en un solo módulo.

Coste y complejidad. Un único módulo combinado reduce el número de dispositivos, protecciones de respaldo y conexiones de cableado, lo que puede disminuir el coste de instalación y simplificar el mantenimiento. En instalaciones donde todavía se prevé una etapa Tipo 2 aguas abajo para cargas sensibles, el dispositivo combinado del cuadro principal actúa como primera etapa, mientras que el Tipo 2 del cuadro secundario proporciona un segundo nivel de coordinación con un Up más bajo.

Proyectos de modernización y actualización. En instalaciones existentes donde ya hay un SPD Tipo 2 en el cuadro principal pero ha aumentado la exposición al rayo — por ejemplo, después de añadir un sistema estructural de protección contra rayos o de construir un edificio más alto en las proximidades — sustituir el módulo Tipo 2 por un SPD combinado Tipo 1+2 es una vía práctica de actualización que no requiere espacio adicional en el cuadro ni una segunda ubicación de instalación. Normalmente se pueden conservar la protección de respaldo y el cableado existentes, siempre que el formato de los terminales y los requisitos de protección de respaldo del nuevo módulo sean compatibles.

Ejemplos de aplicación

Los siguientes escenarios muestran situaciones en las que se selecciona habitualmente un SPD combinado.

Cuadro principal de distribución de un edificio comercial

En un edificio comercial de tamaño medio con un único transformador y un cuadro principal de baja tensión, se instala un SPD Tipo 1+2 en la sección de entrada. El sistema de protección contra rayos del edificio está conectado al terminal principal de tierra, por lo que una parte de la corriente del rayo puede entrar a través del conductor de puesta a tierra. El SPD combinado deriva esta corriente en el punto de entrada. Aguas abajo, los SPD Tipo 2 de los cuadros secundarios protegen cargas sensibles como equipos informáticos, controles HVAC y drivers LED.

Armario exterior (telecomunicaciones o recarga de vehículos eléctricos)

Los armarios exteriores para estaciones base de telecomunicaciones, estaciones de carga de vehículos eléctricos o sistemas de control de tráfico están expuestos a los efectos directos del rayo porque suelen instalarse en zonas abiertas. Su distribución interna compacta deja poco espacio para una cascada de dos etapas. Un SPD Clase B+C en la entrada del armario proporciona en un solo módulo tanto la capacidad para una parte de la corriente del rayo como la protección frente a sobretensiones inducidas, protegiendo la fuente de alimentación, la placa de control y la interfaz de comunicaciones dentro del armario.

Cuadro principal de una instalación industrial

En una instalación industrial con una subestación dedicada, el cuadro principal puede recibir una parte de la corriente del rayo a través del cable de alimentación o del sistema estructural de protección contra rayos del edificio. Un SPD combinado en el cuadro principal gestiona este punto de entrada, mientras que SPD Tipo 2 independientes en los centros de control de motores (MCC) y cuadros de automatización proporcionan protección coordinada aguas abajo. El dispositivo combinado simplifica la distribución del cuadro principal y reduce el estudio de coordinación necesario entre la subestación y la primera etapa de protección.

Coordinación de la protección en cascada

Un SPD Tipo 1+2 no sustituye toda la arquitectura en cascada; sustituye la primera o las dos primeras etapas en el cuadro principal. El concepto de protección en cascada se define en IEC 62305 mediante las zonas de protección contra el rayo (LPZ), que describen la reducción progresiva de la amenaza de sobretensión a medida que se avanza hacia el interior de la instalación.

En el modelo de zonas, LPZ 0 representa el entorno exterior con exposición directa al rayo. En el límite entre LPZ 0 y LPZ 1 se instala un SPD Tipo 1 o Tipo 1+2 para reducir la amenaza desde una parte de la corriente del rayo hasta niveles de sobretensión inducida. En el límite entre LPZ 1 y LPZ 2 se instala un SPD Tipo 2 para reducir aún más la sobretensión residual hasta un nivel que los equipos sensibles puedan soportar.

Un SPD combinado situado en el límite LPZ 0→1 realiza en un solo módulo la reducción de energía correspondiente a las dos primeras etapas. Cuando los equipos sensibles se encuentran lejos aguas abajo, sigue siendo recomendable instalar un SPD Tipo 2 adicional en el límite LPZ 1→2 para alcanzar el Up más bajo posible en los terminales del equipo. La coordinación entre el dispositivo combinado y el Tipo 2 aguas abajo sigue los mismos principios de desacoplamiento que una cascada convencional: el dispositivo aguas arriba gestiona la parte de alta energía y el dispositivo aguas abajo limita la tensión residual.

El reparto de energía entre las etapas depende de las características de impedancia dinámica de los dos SPD durante la conducción. Cuando llega una sobretensión, el dispositivo combinado aguas arriba comienza a conducir a su tensión de disparo y deriva a tierra la mayor parte de la corriente de sobretensión. La onda de tensión residual continúa hacia el SPD Tipo 2 aguas abajo, que la limita a un nivel menor. Una longitud de conductor de 10 metros entre etapas proporciona desacoplamiento inductivo y permite que ambos dispositivos compartan la energía de la sobretensión sin que una sola etapa absorba una proporción excesiva. Cuando se dispone de esa longitud, la cascada funciona según lo previsto; cuando no, una inductancia de desacoplamiento puede sustituir la longitud de conductor que falta.

Parámetros clave de selección

Al especificar un SPD Tipo 1+2, los parámetros siguientes deben revisarse junto con los criterios habituales de selección de un dispositivo Tipo 2.

La tensión máxima de funcionamiento continuo (Uc) debe seleccionarse con el mismo margen que en un dispositivo Tipo 2, teniendo en cuenta la tensión nominal del sistema y la exposición a sobretensiones temporales. El nivel de protección (Up) de un SPD combinado suele ser comparable al de un módulo Tipo 2, lo que supone una ventaja frente a un Tipo 1 puro, que tiende a presentar un Up más alto debido a la tecnología de vía de chispas. Un Up más bajo en el cuadro principal puede reducir o eliminar la necesidad de una segunda etapa de coordinación en instalaciones donde los equipos aguas abajo tienen una capacidad moderada de soportar impulsos.

El tiempo de respuesta de un SPD combinado es otro parámetro que conviene considerar. Los dispositivos Tipo 1 basados en vía de chispas presentan un cierto retardo de cebado antes de comenzar a conducir, mientras que los dispositivos Tipo 2 basados en varistor empiezan a limitar la tensión casi de forma instantánea. Un SPD combinado que utiliza tecnología de varistor en la parte Tipo 2 ofrece la respuesta rápida asociada a la protección Tipo 2, mientras que los componentes de alta energía gestionan el impulso 10/350 μs de mayor duración. En general, la respuesta es más rápida que la de un Tipo 1 independiente basado únicamente en vía de chispas, lo que beneficia la protección de la electrónica sensible aguas abajo.

La corriente de impulso (Iimp) es el parámetro que diferencia a un SPD combinado de un dispositivo Tipo 2 estándar. Un valor típico de 12,5 kA por polo es el mínimo especificado por IEC 61643-11 para los ensayos Tipo 1, y los dispositivos combinados suelen cumplir o superar este valor. Para instalaciones con alta exposición al rayo puede seleccionarse un Iimp superior de acuerdo con el nivel de protección contra el rayo (LPL) definido en IEC 62305.

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