Dimensionamiento de DPS: tipo, Uc, Up y coordinación Up ≤ Uw

Qué es el dimensionamiento de un DPS

Dimensionar un dispositivo de protección contra sobretensiones no es elegir el modelo de mayor corriente del catálogo: es casar tres tensiones para que una sobretensión transitoria quede recortada a un nivel que el equipo protegido soporte, mientras el propio dispositivo tiene vida larga en el sistema. Esas tres tensiones son Uc (lo que el DPS tolera permanentemente), Up (lo que deja pasar durante la sobretensión) y Uw (lo que el equipo soporta). Acierta la relación entre ellas y la instalación está protegida; falla, y o el DPS envejece y falla, o la sobretensión pasa al equipo.

La falla de campo más común es un DPS que “se quema sin motivo” — casi siempre porque su Uc se eligió igual a la tensión nominal en vez de por encima del esfuerzo permanente real, o porque los conductores de conexión quedaron tan largos que el nivel de protección efectivo superó la soportabilidad del equipo.

Tensión de operación continua Uc — definida por la puesta a tierra

La primera decisión es el Uc, la tensión que el DPS soporta continuamente sin conducir. La gobierna el esquema de puesta a tierra, según la IEC 60364-5-534:

• TN-S, TN-C-S, TN-C: el modo fase-neutro ve hasta 1,1·Uo, así que el Uc debe ser al menos 1,1·Uo.
• TT (DPS conectado fase-PE, arreglo 3+1): el DPS L-PE debe soportar la sobretensión temporal de una falta aguas arriba, así que el Uc debe ser al menos 1,55·Uo — bastante por encima del valor de TN.
• IT (sin neutro distribuido): una primera falta a tierra no se elimina y las fases sanas suben hacia la tensión de línea, así que el DPS debe soportar √3·Uo.

El valor exigido se redondea entonces hacia arriba hasta el próximo Uc comercial de la serie normalizada (150, 275, 320, 335, 350, 385, 420, 440, 460, 550, 690 V). Para un sistema de 230 V eso da 275 V en TN, 385 V en TT (1,55·230 ≈ 357 V) y cerca de 420-440 V en IT. Elegir un Uc demasiado bajo es la causa clásica del envejecimiento prematuro del DPS.

Soportabilidad del equipo Uw — por la categoría de sobretensión

El objetivo que el DPS debe batir es el Uw, la tensión soportada de impulso del equipo que protege. La IEC 60364-4-44 (Tab. 443.2) lo asigna por categoría de sobretensión y banda de tensión:

La banda 120-240 V usa valores menores (4 / 2,5 / 1,5 / 0,8 kV). La categoría disminuye a medida que se avanza del origen hacia la carga, y es justamente por eso que la protección es escalonada: un Tipo 1 en la entrada baja la sobretensión, y un Tipo 2/3 aguas abajo la lleva por debajo del Uw menor de la carga sensible.

El nivel de protección efectivo — Up no basta

El Up del datasheet se mide en los bornes del DPS, pero el equipo se conecta por conductores. Durante una sobretensión rápida, la inductancia de esos cables produce una tensión extra de cerca de 1 kV por metro de conexión (fase + PE). La tensión que el equipo realmente ve es por tanto:

Up_efectivo = Up + ΔU, con ΔU ≈ 1 kV/m · L_conexión

Por eso la conexión debe quedar ≤ 0,5 m: un lazo descuidado de 1 m transforma un DPS de 1,5 kV en 2,5 kV efectivos, suficiente para romper la coordinación con un tablero categoría III (4 kV) y con seguridad con una carga categoría I (1,5 kV). Una conexión corta, en V, es una de las formas más baratas de mejorar la protección.

La condición de coordinación

Todo converge en una única desigualdad. El DPS coordina con el equipo solo cuando:

Up_efectivo ≤ Uw

y la buena práctica agrega una reserva del 20 % para absorber envejecimiento, tolerancia y oscilación:

Up_efectivo ≤ 0,8·Uw

Reordenando, el mayor Up de DPS que aún da el margen del 20 % es Up_max = 0,8·Uw − ΔU. Si el nivel efectivo queda entre 0,8·Uw y Uw, el dispositivo aún protege, pero con poca holgura — la señal para elegir un DPS de Up menor, acortar los conductores o agregar una etapa Tipo 3 junto a la carga.

Eligiendo el Tipo — posición y exposición al rayo

El Tipo (clase de ensayo) del DPS se deriva de dónde está y de si una corriente directa de rayo puede alcanzarlo:

1. Entrada de servicio, con SPCDA o línea aérea expuesta → Tipo 1, ensayado con la corriente de impulso 10/350 µs, Iimp (12,5 kA/polo para NP III/IV, 25 kA/polo para NP I/II, del estudio de riesgo IEC 62305-2 / NBR 5419-2). Solo el Tipo 1 drena una corriente directa de rayo; un Tipo 2/3 en esa posición falla en la primera descarga.
2. Entrada o tablero de distribución, sin exposición a rayo directo → Tipo 2, ensayado con las corrientes 8/20 µs, In (nominal repetitiva) e Imax (pico único). Es el caballo de batalla de los tableros.
3. Junto a equipo sensible (≤ 10 m) → Tipo 3, protección fina, siempre aguas abajo de un Tipo 1/2 y nunca solo en el origen.

Una combinación inválida común, que el método señala como error: un DPS que no es Tipo 1 en una entrada con SPCDA, o un Tipo 3 colocado en el origen.

Soportabilidad a cortocircuito y backup

Un dispositivo de protección contra sobretensiones también debe sobrevivir a la falla a frecuencia industrial que puede seguir. Su corriente nominal de cortocircuito Isccr debe ser al menos la corriente de falla presunta Icc en el punto de instalación, y ese valor solo es válido junto con la protección de backup indicada por el fabricante (fusible gG o interruptor). El conductor de conexión se dimensiona en 6 mm² Cu para un Tipo 2 y 16 mm² Cu para un Tipo 1. Toma el Icc del estudio de cortocircuito; sin él, el Isccr y el backup no pueden verificarse.

Consideraciones prácticas de proyecto

• Fija el Uc por la puesta a tierra primero: 1,1·Uo para TN (L-N), 1,55·Uo para TT (L-PE), √3·Uo para IT, redondeado a un valor comercial.
• Lee el Uw por la categoría: IV en el origen, III en los tableros, II/I hacia la carga — y recuerda la banda de tensión.
• Nunca compares el Up desnudo con Uw: suma la caída en la conexión y mantén el cable ≤ 0,5 m.
• Apunta al margen del 20 %: Up_efectivo ≤ 0,8·Uw deja holgura para el envejecimiento.
• Casa el Tipo con la posición: Tipo 1 solo donde el rayo directo puede llegar; Tipo 3 solo junto a la carga.
• Verifica Isccr ≥ Icc con el backup indicado.

Seguir este encadenamiento — Uc por la puesta a tierra, Uw por la categoría, el Tipo por la posición, luego la coordinación Up_efectivo ≤ Uw y la verificación de cortocircuito — entrega una selección de DPS que protege el equipo y sobrevive al sistema en que está instalado.