Ventajas del dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) 3PN sobre el SPD 4P en sistemas de baja tensión

Ventajas del dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) 3PN sobre el SPD 4P en sistemas de baja tensión

 

En sistemas de distribución de CA de baja tensión, los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) desempeñan un papel fundamental en la protección de los equipos eléctricos contra sobretensiones transitorias. Entre las configuraciones de SPD, se utilizan comúnmente los de tipo 3PN (“3+1”) y 4P (“4+0”). Si bien ambos diseños emplean componentes limitadores de tensión (p. ej., varistores de óxido metálico o MOV) para la protección de fase a neutro (LN) y de fase a tierra (L-PE), su principal diferencia radica en el componente de protección de neutro a tierra (N-PE). Esta distinción influye significativamente en su rendimiento en condiciones de falla específicas, lo que hace que el SPD de tipo 3PN sea superior en escenarios con elevación del potencial del punto neutro. Este artículo analiza la justificación técnica de esta ventaja.

 

Diferencias estructurales entre los SPD 3PN y 4P

• SPD tipo 4P: los cuatro polos (L1-N, L2-N, L3-N y N-PE) utilizan componentes limitadores de voltaje (MOV).  
• SPD tipo 3PN: los polos LN utilizan MOV, mientras que el polo N-PE emplea un componente de conmutación de voltaje, normalmente un tubo de descarga de gas (GDT).  

Esta divergencia en el diseño de protección N-PE aborda directamente un escenario de falla crítico: elevación del potencial del punto neutro durante fallas a tierra de transformadores de media tensión (MV) .

 

Elevación del punto neutro y sus riesgos

En los sistemas eléctricos, los transformadores suelen estar conectados a tierra en el punto neutro. Cuando un transformador de media tensión experimenta una falla a tierra, la corriente fluye a través de la resistencia de puesta a tierra (Rg), lo que eleva el potencial del punto neutro (V _N ) según la Ley de Ohm:  

V _N = I _falla X Rg

Por ejemplo, según la norma GB 50057-2010 de China, Rg ≤ 4 Ω. Si la corriente de falla alcanza los 300 A (un umbral común para la interrupción del circuito), _VN aumenta  a:  

V _N = 300 AX 4 Ω = 1200 V

Esta sobretensión de 1200 V se propaga por el conductor neutro a los sistemas aguas abajo. La norma GB/T 18802.11-2020 exige que los DPS resistan una prueba de 1200 V en la ruta N-PE para simular esta condición.

 

Mecanismo de fallo de los MOV en la ruta N-PE

En un SPD tipo 4P, el MOV N-PE enfrenta dos desafíos en este escenario:  

1. Exceso de tensión de sujeción: La sobretensión de 1200 V supera con creces la tensión máxima de funcionamiento continuo (Uc) de los MOV típicos (p. ej., 440-600 V). Esto provoca una avería inmediata.  

2. Fuga térmica: Tras una avería, el MOV conduce una corriente de falla sostenida. Antes de que el seccionador térmico pueda activarse, la disipación de energía (I²t) suele provocar sobrecalentamiento, ignición o la destrucción del SPD.  

 

Ventajas de los GDT en los SPD de tipo 3PN

El SPD tipo 3PN reemplaza el MOV N-PE con un GDT, que ofrece:  

1. Mayor voltaje de resistencia: los GDT tienen un voltaje de chispa más alto (por ejemplo, 600-1500 V), lo que les permite permanecer inactivos en condiciones normales pero activarse durante sobretensiones severas como la falla de 1200 V.  

2. Current Interruption Capability: Once triggered, GDTs extinguish the arc after the transient, preventing sustained conduction. This avoids thermal stress and ensures SPD survivability.  

3. Energy Coordination: The GDT’s delayed response aligns with upstream MOVs, enabling staged energy dissipation. MOVs handle fast transients (e.g., lightning surges), while the GDT addresses low-frequency, high-magnitude faults.  

 

Compliance with Standards and Safety

The GB/T 18802.11-2020 test validates that only SPDs with voltage-switching components (GDTs) in the N-PE path can safely endure 1200 V overvoltages. 4P-type SPDs, relying solely on MOVs, risk catastrophic failure in this scenario. The 3PN design thus aligns with regulatory requirements while enhancing fire safety and equipment reliability.

 

Conclusion

The 3PN-type SPD’s hybrid design —combining MOVs for L-N protection and a GDT for N-PE protection— provides a robust defense against neutral-point elevation faults. By mitigating thermal runaway risks and complying with rigorous testing standards, the 3PN configuration outperforms the 4P-type SPD in systems prone to ground faults. Engineers and designers should prioritize this topology in applications where neutral conductor overvoltages are a foreseeable risk, ensuring both compliance and operational resilience.