¿Qué es un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD)? Una guía completa sobre tipos, principios de funcionamiento y selección

¿Qué es un dispositivo de protección contra sobretensiones (DPS)?

Un dispositivo de protección contra sobretensiones (DPS) es un dispositivo de protección eléctrica diseñado para limitar las sobretensiones transitorias y derivar las corrientes de sobretensión. En condiciones normales de funcionamiento, el DPS permanece en un estado de alta impedancia y tiene poco o ningún efecto sobre el sistema eléctrico. Cuando un rayo, una conmutación de la red eléctrica, el arranque y parada de motores u otros eventos transitorios provocan un aumento repentino de la tensión de línea, el DPS conmuta rápidamente a un estado conductor de baja impedancia. Esto proporciona una vía de descarga para la corriente de sobretensión, al tiempo que limita la tensión residual que llega a los equipos aguas abajo, reduciendo así el riesgo de rotura del aislamiento, daños en componentes electrónicos, fallos de equipos y tiempos de inactividad no planificados.

El diseño, las pruebas de rendimiento y la aplicación práctica de los DPS deben cumplir con las normas pertinentes. IEC 61643-11 especifica los requisitos de rendimiento y los métodos de ensayo para los dispositivos de protección contra sobretensiones conectados a sistemas de alimentación de CA de baja tensión, mientras que el Artículo 242 de NFPA 70, el Código Eléctrico Nacional (NEC), aborda la aplicación de la protección contra sobretensiones en las instalaciones eléctricas de los Estados Unidos. Estas normas proporcionan una orientación importante para el ensayo, la selección y la instalación de los DPS, lo que contribuye a mejorar la seguridad y la fiabilidad de los sistemas modernos de distribución de energía de baja tensión.

¿Qué es una sobretensión eléctrica?

Una sobretensión eléctrica es un pico de corta duración de tensión o corriente que circula por un circuito de alimentación, control o comunicación. Normalmente aumenta muy rápidamente y luego decae durante un período más largo.
Aunque el evento puede durar solo unos pocos microsegundos, la tensión resultante puede ser lo suficientemente alta como para dañar el aislamiento, los componentes electrónicos, los equipos de control y otras cargas sensibles.
IEC 60050-161 define una sobretensión como una onda transitoria que se propaga a lo largo de una línea o circuito y se caracteriza por un aumento rápido seguido de una caída más lenta.

¿Qué causa las sobretensiones eléctricas?

Las sobretensiones eléctricas suelen estar asociadas a dos fuentes principales: los eventos relacionados con rayos y las operaciones de conmutación dentro del sistema eléctrico.
Los rayos pueden introducir sobretensiones transitorias mediante impactos directos, impactos cercanos o tensiones inducidas en los conductores conectados. Las sobretensiones de conmutación pueden producirse cuando se energizan o desconectan motores, transformadores, bancos de condensadores, contactores, relés u otras cargas de alta potencia.
IEC 61000-4-5 proporciona métodos normalizados para ensayar la inmunidad de los equipos eléctricos y electrónicos frente a sobretensiones unidireccionales causadas por los efectos de los rayos y los transitorios de conmutación del sistema eléctrico.

COMPARACIÓN DE SOBRETENSIONES POR RAYOS Y SOBRETENSIONES DE CONMUTACIÓN

Parameter	Sobretensión por rayo	Sobretensión de conmutación
Formas de onda típicas	10/350 μs para corriente directa de rayo; 8/20 μs para corriente de sobretensión inducida; 10/700 μs para líneas de comunicación	Onda de tensión de 1,2/50 μs y onda de corriente de 8/20 μs
Frecuencia de ocurrencia	Relativamente poco frecuente y asociada principalmente a tormentas eléctricas	Más frecuente y puede ocurrir siempre que se encienda o apague un equipo eléctrico
Nivel de energía	Energía muy alta, que puede alcanzar cientos de kilojulios y causar daños inmediatos en los equipos	Energía generalmente más baja, pero la exposición repetida puede degradar gradualmente los componentes
Enfoque de protección recomendado	DPS Tipo 1 en la acometida principal, seguido de una protección contra sobretensiones coordinada aguas abajo	DPS Tipo 2 o Tipo 3 instalado en los cuadros de distribución o cerca de los equipos sensibles
Rango típico de sobretensión	De varios kilovoltios a decenas de kilovoltios	De varios cientos de voltios a varios kilovoltios
Fuentes comunes	Impactos directos de rayo, impactos cercanos, elevación del potencial de tierra y efectos de rayos inducidos	Motores, transformadores, bancos de capacitores, contactores, relés y otros dispositivos de conmutación
Impacto típico	Ruptura del aislamiento, arco eléctrico, daño en cables, incendio o falla inmediata del equipo	Degradación de componentes electrónicos, mal funcionamiento del sistema de control, errores de datos o reducción de la vida útil del equipo

¿Cómo funciona un dispositivo de protección contra sobretensiones?

Un Dispositivo de Protección contra Sobretensiones (DPS) funciona como una válvula de alivio de presión eléctrica automatizada y ultrarrápida.

En condiciones normales de la red, el DPS actúa como un interruptor abierto con una resistencia interna (impedancia) extremadamente alta, impidiendo que cualquier corriente fluya a través de él. Sin embargo, cuando un pico de sobretensión (causado por un rayo o por conmutación en la red) ingresa al sistema, el DPS reacciona instantáneamente en nanosegundos, reduciendo su resistencia a casi cero. Esto crea una ruta paralela segura que desvía la masiva corriente de sobretensión lejos del equipo sensible y directamente hacia tierra.

El proceso de funcionamiento en 3 pasos

1. Estado normal (alta impedancia): Cuando la tensión de línea se mantiene dentro de los límites operativos normales, los componentes internos mantienen una impedancia de varios megaohmios. El SPD permanece “invisible” para el circuito y prácticamente no consume corriente de fuga.
2. Evento de sobretensión (baja impedancia instantánea): En el momento en que una tensión transitoria supera el umbral de limitación (Uc) del SPD, los elementos internos no lineales conmutan de alta resistencia a baja resistencia en menos de 25 nanosegundos.
3. Derivación de corriente y restablecimiento (disipación de energía): La energía de la sobretensión se canaliza de forma segura a través del conductor de puesta a tierra (PE). Una vez que el pico transitorio disminuye y la tensión de línea vuelve a la normalidad, los componentes internos se recuperan automáticamente a su estado de alta impedancia, restableciendo el funcionamiento normal del circuito.

Los componentes internos principales: MOV frente a GDT

El mecanismo de funcionamiento se basa en componentes eléctricos no lineales de alto rendimiento integrados dentro del módulo:

• Varistores de óxido metálico (MOV): El componente más utilizado en los SPD de Tipo 2 de CA y CC. Los MOV presentan una caída brusca de la resistencia eléctrica a medida que aumenta la tensión, ofreciendo capacidades excepcionales de absorción de energía y tiempos de respuesta inferiores a un nanosegundo.

• Tubos de descarga de gas (GDT): Se emplean habitualmente en arquitecturas de explosor de Tipo 1 o en la protección de líneas de comunicación. Los GDT provocan un arco eléctrico e ionizan el gas cuando se activan, capaces de descargar corrientes de rayo elevadas sin destrucción térmica.

¿Cuáles son los principales tipos de dispositivos de protección contra sobretensiones?

Un evento repentino de rayo o la conmutación y el arranque de equipos de alta potencia en una instalación industrial pueden generar una sobretensión transitoria de gran magnitud en un período muy corto. Dichas sobretensiones pueden dañar controladores costosos, servidores, variadores de frecuencia y otros equipos electrónicos sensibles. En casos graves, pueden incluso provocar la parada de toda una línea de producción. Sin embargo, no todos los dispositivos de protección contra sobretensiones están diseñados para soportar corrientes de rayo de alta energía, y no todos los tipos de SPD son adecuados para instalarse en el mismo punto del sistema de distribución eléctrica.

Un dispositivo de protección contra sobretensiones puede entenderse como el “airbag” del sistema eléctrico, pero cada tipo de SPD tiene una función de protección claramente definida. Desde la primera línea de defensa en la entrada de servicio del edificio, donde se derivan las corrientes de sobretensión de alta energía, hasta la protección intermedia en los cuadros de distribución y la protección fina cerca de los equipos sensibles, los SPD de Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3 operan en diferentes niveles del sistema de protección. Además, los SPD combinados de Tipo 1+2 integran la capacidad de descarga de corriente de rayo de un dispositivo de Tipo 1 con el rendimiento de limitación de tensión de un dispositivo de Tipo 2 en una sola unidad, lo que los convierte en una solución práctica para entradas de servicio y cuadros de distribución principales. Una protección eficaz contra sobretensiones depende de la selección y coordinación de estos dispositivos según el riesgo del sistema, la ubicación de la instalación y la capacidad de soportar impulsos del equipo protegido.

Dispositivo de protección contra sobretensiones de Tipo 1

Los SPD de Tipo 1 son dispositivos de protección primaria contra sobretensiones instalados en el lado de línea de la entrada de servicio principal (entre el secundario del transformador de la compañía eléctrica y el interruptor principal de servicio).

• Función principal: Diseñados para soportar transitorios de alta energía causados por impactos directos o cercanos de rayos y por conmutaciones de la red eléctrica antes de que la sobretensión llegue al cuadro de distribución principal.
• Norma de prueba y forma de onda: Evaluado según las normas IEC 61643 utilizando la forma de onda de corriente de impulso de 10/350 μs (Iimp), que simula descargas de energía de pico alto.

Dispositivo de protección contra sobretensiones Tipo 1+2 (Tipo combinado)

Los DPS Tipo 1+2 (también clasificados como Clase I+II) combinan la capacidad de descarga de corriente de impulso de alta energía de un dispositivo Tipo 1 con el bajo nivel de protección de tensión (Up) de un dispositivo Tipo 2 en una sola unidad compacta.

• Función principal: Desvía directamente corrientes de rayo directo de alta energía mientras limita simultáneamente transitorios de conmutación de bajo nivel, proporcionando protección continua sin requerir una distancia mínima de desacoplamiento entre unidades separadas Tipo 1 y Tipo 2.
• Norma de prueba y forma de onda: Probado doblemente según las normas IEC 61643 tanto para corrientes de impulso de 10/350 μs (Iimp) como para corrientes de descarga nominales/máximas de 8/20 μs (In / Imax).

Nota de ingeniería：
La protección eficaz contra sobretensiones depende de una protección coordinada en diferentes niveles. Los DPS Tipo 1 o Tipo 1+2 manejan sobretensiones de alta energía en la entrada del sistema, los DPS Tipo 2 protegen los circuitos de distribución y los DPS Tipo 3 proporcionan una protección fina para equipos sensibles.

DPS Tipo 1, Tipo 2, Tipo 3 y Tipo 1+2: Diferencias clave

Característica	DPS Tipo 1	DPS Tipo 1+2	DPS Tipo 2	DPS Tipo 3
Función principal	Desvía la corriente de rayo directo	Combina la descarga de corriente de rayo y la protección contra sobretensiones	Protege contra rayos inducidos y sobretensiones de conmutación	Protección final para equipos sensibles
Ubicación de instalación	Entrada de servicio	Entrada de servicio o tablero de distribución principal	Tablero de distribución principal o secundario	Cerca del equipo protegido
Forma de onda de prueba	10/350 μs	10/350 μs y 8/20 μs	8/20 μs	Onda combinada
Parámetros principales	Iimp, Up	Iimp, In, Imax, Up	In, Imax, Up	Uoc, Up
Etapa de protección	Protección primaria	Protección primaria y secundaria	Protección secundaria	Protección final

La tabla anterior ofrece una comparación rápida de los cuatro tipos principales de SPD. En la práctica, la selección del dispositivo de protección contra sobretensiones adecuado depende de la ubicación de la instalación, el riesgo de exposición a rayos, la configuración del sistema y el nivel de protección requerido. En muchas instalaciones, se coordinan múltiples tipos de SPD para lograr una protección eficaz contra sobretensiones en todo el sistema eléctrico.

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Cómo seleccionar el dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) adecuado

Elegir el dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) adecuado implica algo más que seleccionar la corriente de descarga nominal más alta. La tensión del sistema, la ubicación de la instalación, la exposición a rayos, la disposición de la puesta a tierra y la coordinación entre las etapas de protección desempeñan un papel fundamental en el rendimiento general de la protección contra sobretensiones. El siguiente ejemplo ilustra por qué la selección adecuada del SPD es esencial.

In late 2023, a severe thunderstorm swept through an industrial manufacturing facility in central Texas. A direct lightning strike struck the utility line less than 200 meters from the facility’s main power distribution yard. The plant did have a basic surge suppressor installed in the main low-voltage switchboard, leading plant management to believe their operations were fully protected.

En cuestión de milisegundos, la realidad de una protección contra sobretensiones incompleta se hizo evidente:

• Pérdida financiera masiva: El impulso inicial de alta energía sobrepasó el único protector del panel, enviando una severa sobretensión transitoria a través de la red de distribución interna.
• Daños catastróficos en los equipos: Más de 15 variadores de frecuencia (VFD), docenas de controladores lógicos programables (PLC), conjuntos de sensores sensibles y centros de mecanizado CNC computarizados sufrieron una ruptura inmediata del aislamiento y fallos en las placas de circuitos.
• Costoso tiempo de inactividad no planificado: Toda la línea de producción automatizada quedó fuera de servicio durante 16 días mientras se adquirían y reingenierizaban los componentes de reemplazo, lo que resultó en más de $1,2 millones en costos directos de reemplazo de hardware y pérdida de productividad operativa.

Un análisis de ingeniería forense realizado tras el incidente reveló la causa raíz: la falta de protección contra sobretensiones en cascada y de múltiples etapas. La instalación dependía de un único dispositivo de protección en la entrada principal, esperando que absorbiera corrientes de rayo de alta energía y, al mismo tiempo, limitara los picos de tensión de bajo nivel para los microelectrónicos sensibles aguas abajo, una tarea que ningún dispositivo individual está diseñado para realizar por sí solo.

Las sobretensiones transitorias, ya sean generadas externamente por rayos directos o indirectos, o internamente por la conmutación de cargas inductivas pesadas, siguen trayectorias físicas predecibles. Proteger una infraestructura industrial, comercial o residencial requiere una arquitectura de protección escalonada y por niveles definida por normas internacionales reconocidas como IEC 61643-01 y los UL 1449.

Para seleccionar el DPS adecuado, se deben considerar varios factores clave, incluidos el sistema de alimentación, la tensión de funcionamiento, el tipo de DPS, el nivel de protección y los requisitos de instalación.

Selección del DPS de un vistazo

• Paso 1: Confirmar el sistema de alimentación y seleccionar Uc
• Paso 2: Seleccionar el tipo de DPS según la ubicación de instalación y la ZPR
• Paso 3: Determinar Iimp, In e Imax
• Paso 4: Verificar el nivel de protección de tensión Up
• Paso 5: Confirmar el número de polos, el dispositivo de desconexión, la señalización remota y la protección de respaldo
• Paso 6: Verificar la coordinación de energía entre múltiples DPS

Las siguientes secciones explican cada paso con más detalle y muestran cómo estos factores afectan la selección del DPS.

Paso 1: Confirmar el sistema de alimentación y seleccionar Uc

Sistema de alimentación	Selección típica de Uc	Nota de selección
Sistema TN-S, TN-C-S o TT de 230/400 V	275 V CA para protección L–N	Selección común para sistemas de distribución estándar de 230 V CA
Sistema IT de 400 V	Seleccionar según la tensión más alta posible entre línea y tierra	La tensión a tierra puede aumentar durante la primera falla de aislamiento
Sistema de CC solar fotovoltaico	Ucpv debe ser mayor que la tensión máxima de circuito abierto del arreglo fotovoltaico	Considere el aumento de Voc a baja temperatura y la tensión del sistema, como 600 V, 1000 V o 1500 V CC

Paso 2: Seleccionar el tipo de DPS según la ubicación de instalación y la ZPR

Los tipos de DPS deben seleccionarse según la ubicación de instalación, la zona de protección contra rayos, el riesgo de corriente de rayo y la capacidad de soporte de impulsos del equipo aguas abajo. Las categorías comunes de DPS para sistemas de baja tensión incluyen DPS de Tipo 1, Tipo 2, Tipo 3 y DPS combinados Tipo 1+2.

DPS Tipo 1 – Protección contra corriente de rayo

• Installation Location: Building service entrance, main low-voltage switchboard, and the boundary between LPZ 0 and LPZ 1.
• Main Function: Discharges high-energy lightning currents that may enter the electrical installation through the incoming power supply.
• Key Parameters: Tested with a 10/350 μs waveform. Common Iimp ratings include 12.5 kA, 25 kA, and higher values. The voltage protection level, Up, is commonly around 2.5 kV, depending on the product design.
• Typical Applications: Industrial plants, outdoor facilities, large buildings, and installations with external lightning protection systems or a high risk of direct lightning currents.

A Type 1 SPD is mainly intended to handle high lightning current energy. Additional downstream Type 2 or Type 3 protection may still be required to reduce the residual voltage reaching sensitive equipment.

Type 2 SPD – Distribution-Level Surge Protection

• Installation Location: Main distribution boards, sub-distribution boards, workshop power panels, and industrial control cabinets.
• Main Function: Protects against induced lightning surges, switching transients, and residual surge energy passing through an upstream Type 1 SPD.
• Key Parameters: Tested with an 8/20 μs waveform. Common ratings include In of 20 kA and Imax of 40–80 kA. The voltage protection level, Up, is commonly between 1.5 and 1.8 kV.
• Typical Applications: Residential buildings, commercial facilities, and general industrial power distribution systems.

Type 2 SPDs protect electrical systems against induced lightning surges, switching transients, and residual surge energy passing through an upstream Type 1 SPD.

Type 3 SPD – Final Protection for Sensitive Equipment

• Installation Location: Close to PLCs, variable frequency drives, servers, instruments, socket outlets, and other sensitive terminal equipment.
• Main Function: Further limits residual overvoltage and provides final-stage protection for sensitive electronic equipment.
• Key Parameters: Tested with a combination wave. The main parameters are Uoc and Up, although some products may also specify a nominal discharge current.
• Typical Applications: Automation systems, communication equipment, servers, measurement instruments, and other sensitive electronic loads.

Type 3 SPDs have limited energy-handling capability and should normally be coordinated with an upstream Type 1, Type 2, or Type 1+2 SPD.

Type 1+2 Combined SPD – Lightning Current and Surge Protection

• Installation Location: Building service entrances, main switchboards, solar PV AC distribution panels, compact distribution boards, and retrofit installations.
• Main Function: Combines lightning-current discharge capability and surge-voltage limitation in a single device.
• Key Parameters: Iimp, In, Imax, and Up should all be considered. Common Iimp ratings include 12.5 kA and 25 kA per pole, while In is commonly 20 kA or higher. Final values should be confirmed according to the product specifications and project requirements.
• Typical Applications: Industrial facilities, commercial buildings, solar PV systems, compact switchboards, and projects where installation space is limited.

A Type 1+2 SPD meets both Type 1 and Type 2 protection requirements in a single device. It combines high-energy lightning-current discharge capability with voltage-limiting protection.

SPD Selection Guide by Application

Application Condition	Recommended SPD Type	Typical Installation Location	Parámetros clave
Building with an external lightning protection system	Type 1 or Type 1+2	Service entrance or main switchboard	Iimp, Up
General residential or commercial distribution system	Type 2	Tablero de distribución principal o secundario	In, Imax, Up
Sensitive electronic equipment	Type 3	Cerca del equipo protegido	Uoc, Up
Industrial facility with high lightning exposure	Type 1+2 with downstream Type 2 protection	Main switchboard and sub-distribution boards	Iimp, In, Up
Solar PV DC system	DC Type 1+2 or DC Type 2	PV combiner box or DC distribution board	Ucpv, Iimp or In, Up
Sensitive loads located far from the main distribution board	Additional Type 2 or Type 3	Near the downstream equipment	Up, coordination

Paso 3: Determinar Iimp, In e Imax

The discharge current rating of an SPD should be selected according to the expected surge energy, installation location, lightning exposure, and SPD type. The three main current parameters are Iimp, In, and Imax.

Iimp – Impulse Discharge Current

Iimp represents the lightning impulse current that a Type 1 or Type 1+2 SPD can discharge under a 10/350 μs waveform.
It is mainly used to evaluate the SPD’s ability to withstand high-energy lightning currents at the service entrance or LPZ 0–LPZ 1 boundary.

Common In ratings include:

• 10 kA for light-duty terminal protection
• 20 kA for general residential and commercial distribution
• 30–40 kA or higher for industrial and high-exposure installations

For most main and sub-distribution boards, an In rating of 20 kA or higher is commonly selected.

Imax – Maximum Discharge Current

Imax represents the maximum 8/20 μs surge current that an SPD can discharge once or a limited number of times without failing.
Imax is normally higher than In, but it should not be used as the only selection criterion because it does not represent the SPD’s repeated operating capability.

Typical Imax ratings include:

• 20–40 kA for general distribution systems
• 40–80 kA for industrial installations
• Higher values for severe surge environments

Practical Selection Guide

Installation Condition	Recommended Parameter Focus
Building service entrance with lightning protection system	Prioritize Iimp
Tablero de distribución principal o secundario	Prioritize In and Imax
High lightning exposure industrial facility	Higher Iimp and In
Sensitive terminal equipment	Lower Up is usually more important than a very high current rating
DPS Tipo 1+2	Check Iimp, In, Imax, and Up together

Paso 4: Verificar el nivel de protección de tensión Up

The voltage protection level, Up, indicates the SPD’s ability to limit surge voltage under specified test conditions. It is a declared value provided by the manufacturer and represents the protection level achieved when the SPD discharges the specified impulse current.
A lower Up generally means that less surge voltage is allowed to pass toward downstream equipment. However, Up should not be evaluated alone. It must be considered together with the system voltage, maximum continuous operating voltage Uc, discharge-current capacity, temporary overvoltage withstand capability, and the impulse withstand voltage of the protected equipment.

Compare Up with the Equipment Impulse Withstand Voltage

The selected SPD should limit the surge voltage to a level below the impulse withstand voltage of the downstream equipment.
A practical selection principle is:

• The effective protection level at the equipment should remain below the equipment’s rated impulse withstand voltage.

A sufficient safety margin should be allowed because the actual voltage reaching the equipment may be higher than the Up value stated in the datasheet.

Consider Installation Cable Length

The Up value is measured at the SPD terminals under specified laboratory conditions. In an actual installation, the inductance of the connecting conductors can add extra voltage during surge discharge.

Therefore:

• Keep the connecting conductors as short and direct as possible.
• Avoid unnecessary loops and sharp bends.
• Position the SPD close to the protected circuit.
• Install additional downstream protection when the protected equipment is far from the main SPD.

Long connecting cables can reduce the effectiveness of even a low-Up SPD. Correct installation is therefore just as important as product selection. Phoenix Contact also notes that excessively long connection conductors can create installation problems and recommends attention to cable length and layout. 

Practical Selection Focus

Protection Position	Main Selection Focus
Building service entrance	Balance Iimp and Up
Tablero de distribución principal o secundario	Check In, Imax, and Up
Sensitive electronic equipment	Select a sufficiently low Up and install the SPD close to the load
Type 1+2 combined SPD	Check Iimp, In, and Up together
Long distance between distribution boards	Consider an additional downstream SPD

Nota de ingeniería：
Do not select an SPD based only on the lowest Up value. An SPD with a low Up but insufficient discharge capacity may be damaged by the expected surge current. Conversely, an SPD with high discharge capacity but an excessively high Up may not adequately protect sensitive equipment.
The final selection should balance:
Uc + Up + Iimp/In/Imax + equipment withstand voltage + installation distance

Paso 5: Confirmar el número de polos, el dispositivo de desconexión, la señalización remota y la protección de respaldo

After selecting the SPD type and electrical ratings, confirm that the device matches the system configuration and installation requirements. The number of poles, internal disconnection function, remote signaling option, and backup protective device all affect the safety and reliability of the installation.

Confirm the Number of Poles

The SPD pole configuration should match the power system, conductor arrangement, and protection mode.

Sistema de alimentación	Common SPD Configuration
Single-phase L–N system	1P+N or 2P
Three-phase three-wire system	3P
Three-phase four-wire system	3P+N or 4P
TN-C system	Protection between phase conductors and PEN
TN-S or TN-C-S system	Protection between L–N and N–PE, depending on the selected circuit
TT system	Commonly uses a 3+1 or 1+1 circuit
DC or PV system	Select the pole configuration according to system voltage, polarity, and grounding arrangement

The number of poles alone is not enough to determine suitability. The protection circuit must also match the system earthing arrangement and the voltage that may appear between conductors.

Check the Disconnection Device

Most SPDs include an internal thermal disconnection device that separates the protective component from the power system when it reaches the end of its service life or overheats.
The disconnection device helps reduce the risk of:

• Thermal runaway
• Overheating
• Short circuit
• Fire caused by a failed MOV or other protective component

The SPD should also provide a clear status indicator so that maintenance personnel can identify when the protection module needs replacement.

Determine Whether Remote Signaling Is Required

A remote signaling contact allows the SPD operating status to be monitored from a control panel, alarm system, PLC, or building management system.

Remote signaling is particularly useful in:

• Unattended substations
• Industrial production lines
• Data centers
• Telecom facilities
• Solar PV plants
• Critical power systems

When remote monitoring is required, check the contact type, terminal arrangement, rated voltage, and rated current of the signaling contact.

Select the Backup Protective Device

An SPD may require an upstream fuse or circuit breaker to protect the circuit if the SPD fails or develops an internal short circuit.

The backup protective device should be selected according to:

• The manufacturer’s specified maximum backup fuse or circuit breaker
• The available short-circuit current at the installation point
• The SPD’s short-circuit current rating
• The type and cross-sectional area of the connecting conductors
• Coordination with the upstream protective device

Do not select the backup fuse or circuit breaker only according to the SPD discharge-current rating. Follow the manufacturer’s coordination table and installation instructions.

Practical Selection Guide

Elemento de selección	Main Point to Confirm
Número de polos	Match the phase conductors, neutral conductor, and earthing system
Disconnection device	Confirm internal thermal disconnection and visible status indication
Remote signaling	Confirm whether remote alarm or system monitoring is required
Backup protection	Follow the manufacturer’s recommended fuse or circuit-breaker rating
Replaceable module	Check whether the protection cartridge can be replaced without changing the base
Short-circuit rating	Confirm suitability for the prospective short-circuit current

Nota de ingeniería
An SPD with the correct Uc, Up, and discharge-current rating may still be unsuitable if the pole configuration or backup protection is incorrect. Always verify the complete installation arrangement rather than selecting the SPD only from its front-label parameters.

Paso 6: Verificar la coordinación de energía entre múltiples DPS

When several SPDs are installed at different levels of the electrical system, they must operate in a coordinated sequence. The upstream SPD should discharge the highest surge energy, while the downstream SPD further reduces the residual voltage before it reaches sensitive equipment.
Proper energy coordination prevents a downstream SPD from being overloaded before the upstream device has diverted the main surge current.

Typical Cascaded Protection Arrangement

Protection Level	Typical SPD Type	Typical Installation Location	Función principal
First stage	Type 1 or Type 1+2	Service entrance or main switchboard	Discharge high-energy lightning currents
Second stage	Type 2	Sub-distribution board or control cabinet	Limit residual surges and switching overvoltages
Final stage	Type 3	Close to sensitive equipment	Further reduce residual voltage

Check the Distance Between SPDs

Cable length between two SPDs affects how surge energy is shared. The inductance of the connecting cable can help create the voltage difference required for the upstream and downstream SPDs to operate in the correct sequence.
However, there is no single spacing rule that applies to every SPD combination. The required distance depends on:

• SPD technology and internal design
• Upstream and downstream Up values
• Discharge-current ratings
• Cable routing and conductor length
• Manufacturer-tested coordination data

Some installations use cable length to provide natural decoupling. Where the available distance is insufficient, a coordinated SPD combination or a specified decoupling element may be required.

Use Manufacturer-Verified Combinations

The safest method is to select upstream and downstream SPDs that have been tested and confirmed as an energy-coordinated combination by the manufacturer.
Check the manufacturer’s documentation for:

• Permitted upstream and downstream SPD combinations
• Minimum separation distance
• Whether an additional decoupling element is required
• Maximum discharge-current capability
• Backup protective device requirements
• Effective voltage protection level at the load

Do not assume that two SPDs are coordinated simply because one is Type 1 and the other is Type 2.

Consider the Distance to the Protected Equipment

When sensitive equipment is located far from the main SPD, an additional downstream SPD may be necessary. Long cables can pick up new induced surges and can also increase the voltage reaching the equipment.
For long distribution circuits, consider installing:

• Type 2 protection in downstream distribution boards
• Type 3 protection close to sensitive terminal equipment
• Additional SPDs where required by the project design or manufacturer’s instructions

Practical Coordination Checklist

Item to Verify	Selection Requirement
SPD sequence	Type 1 or Type 1+2 upstream, followed by Type 2 and Type 3 where required
Energy capacity	Upstream SPD handles the highest surge energy
Voltage limitation	Downstream SPD provides a lower effective protection level
Separation distance	Follow manufacturer-tested requirements
Cable layout	Keep all SPD connections short and direct
Product compatibility	Use verified coordinated combinations where possible
Protected-equipment distance	Add downstream protection when the load is far from the main SPD

Nota de ingeniería
Energy coordination is not achieved simply by installing several SPDs in series. The devices must share surge energy correctly without overloading the downstream unit.
A poorly coordinated system may cause the Type 2 or Type 3 SPD to operate too early and absorb more energy than it can withstand. Final coordination should therefore follow the manufacturer’s tested combination data and installation instructions.

Where Are Surge Protective Devices Commonly Used?

Surge protective devices are widely used in residential, commercial, industrial, communication, renewable energy, transportation, and outdoor electrical systems. Their main purpose is to protect electrical and electronic equipment from transient overvoltages caused by lightning, switching operations, and power system disturbances.
The required SPD type depends on the system voltage, installation location, earthing arrangement, equipment sensitivity, and expected surge exposure.

Application	Typical Equipment Protected	Common Protection Approach
Residential buildings	Household appliances, computers, security systems, and smart home devices	Type 2 at the main distribution board; Type 1 or Type 1+2 may be required for buildings with external lightning protection
Commercial buildings	Elevators, HVAC systems, fire alarms, CCTV, servers, and building management systems	Type 1 or Type 1+2 at the service entrance, followed by Type 2 protection in downstream boards
Industrial facilities	PLCs, variable-frequency drives, sensors, automation equipment, and production lines	Coordinated Type 1, Type 2, and Type 3 protection
Data centers and communication systems	Servers, UPS systems, network equipment, communication devices, and signal lines	Power-line SPDs combined with dedicated data and signal-line protection
Sistemas solares fotovoltaicos	PV modules, combiner boxes, inverters, and AC/DC distribution circuits	DC SPDs on the PV side and AC SPDs on the inverter output side
EV charging stations	AC chargers, DC fast chargers, controllers, payment modules, and communication equipment	SPD protection at the incoming supply and charging equipment
Wind power and energy storage systems	Converters, inverters, battery management systems, control cabinets, and monitoring equipment	AC and DC SPDs selected according to the system architecture
Outdoor equipment and LED lighting	Streetlights, traffic systems, cameras, electronic signs, and outdoor control cabinets	Local SPD protection close to exposed outdoor equipment

In practice, larger or more complex systems usually require multi-stage surge protection. A high-energy SPD may be installed at the main service entrance, while additional Type 2 or Type 3 SPDs are installed closer to downstream distribution boards and sensitive equipment.

Where Should a Surge Protective Device Be Installed?

The effectiveness of a surge protective device depends not only on selecting the correct SPD type, but also on installing it at the appropriate location within the electrical system. Proper installation helps ensure that surge energy is safely diverted to earth before it reaches sensitive electrical or electronic equipment.
In most low-voltage installations, SPDs are installed in stages to provide coordinated protection from the service entrance to the final load.

Typical SPD Installation Locations

Ubicación de instalación	Recommended SPD Type	Primary Purpose
Entrada de servicio	Type 1 or Type 1+2	Divert high-energy lightning currents entering the building
Main distribution board	Type 2	Protect downstream electrical circuits from switching surges and residual lightning surges
Sub-distribution board	Type 2	Provide additional protection for branch circuits
Close to sensitive equipment	Type 3	Reduce the remaining surge voltage before it reaches sensitive electronic equipment
PV combiner box or DC distribution board	DC Type 1+2 or DC Type 2	Protect photovoltaic DC circuits and inverters
Control cabinets and communication systems	Type 2, Type 3, or signal-line SPDs	Protect PLCs, communication equipment, and control electronics

Installation Recommendations

To achieve the best protection performance, SPDs should be installed as close as possible to the equipment or distribution point they protect. The connecting conductors should be short and direct to minimize additional inductive voltage during surge discharge.
When the distance between the main SPD and the protected equipment is relatively long, an additional downstream SPD may be required to maintain an effective protection level.

Common SPD Installation Mistakes

Even a correctly selected surge protective device may fail to provide effective protection if it is installed incorrectly. Common installation mistakes can increase the residual voltage, reduce the SPD’s service life, or prevent the surge current from being safely diverted.The following issues should be checked during installation and commissioning.

Common Mistake	Why It Is a Problem	Recommended Practice
Installing the wrong SPD type	A Type 2 or Type 3 SPD may not be able to withstand the surge energy expected at the service entrance	Match the SPD type to the installation location and surge exposure
Selecting an incorrect Uc	A Uc value that is too low may cause premature operation or damage; a value that is too high may reduce protection effectiveness	Select Uc according to the system voltage and earthing arrangement
Using excessively long connecting conductors	Long conductors add inductive voltage during surge discharge and increase the effective protection level	Keep the connection path short, direct, and free from unnecessary loops
Poor earthing or equipotential bonding	A high-impedance earth path can prevent surge current from being discharged effectively	Ensure reliable earthing and equipotential bonding
Ignoring backup protection	An internal SPD fault may not be safely disconnected from the power system	Install the fuse or circuit breaker specified by the manufacturer
Installing only one SPD in a large system	A single SPD may not provide sufficient protection for distant distribution boards or sensitive loads	Use coordinated multi-stage protection where required
Using an incorrect pole or circuit configuration	The SPD may not protect all required conductors or may be unsuitable for the earthing system	Match the SPD circuit to the phase, neutral, polarity, and grounding arrangement
Failing to coordinate multiple SPDs	A downstream SPD may absorb more surge energy than it can withstand	Use manufacturer-verified coordinated combinations
Installing the SPD too far from the protected equipment	Long downstream cables may allow additional induced surges or increase the voltage reaching the equipment	Add downstream Type 2 or Type 3 protection when necessary
Failing to inspect or replace a failed SPD	Once the SPD reaches end of life, the circuit may no longer be protected	Check the status indicator and replace failed modules promptly

To avoid these mistakes:

• Select the SPD according to the system voltage, earthing arrangement, and installation location.
• Keep the total connection path as short and direct as practical.
• Use the correct backup protective device.
• Ensure reliable earthing and equipotential bonding.
• Verify coordination between upstream and downstream SPDs.
• Inspect the SPD status indicator during routine maintenance.

Nota de ingeniería
The SPD itself is only one part of the surge protection system. Its actual performance also depends on conductor routing, earthing quality, backup protection, installation distance, and coordination with other SPDs.
A high-performance SPD can still provide poor protection if the installation layout is incorrect.

Frequently Asked Questions About Surge Protective Devices

Can an SPD Be Used Without a Backup Fuse or Circuit Breaker?

It depends on the SPD design and the manufacturer’s installation requirements. Some SPDs require an external backup fuse or circuit breaker, while others may include integrated overcurrent protection.
The backup protective device is used to disconnect the SPD safely if it develops an internal short circuit or reaches the end of its service life. Its rating should not be selected only according to the SPD’s discharge-current rating.
Always follow the manufacturer’s specified maximum backup fuse or circuit-breaker rating, short-circuit current requirements, and coordination instructions.

How Should a Surge Protective Device Be Maintained?

SPD maintenance mainly involves regular inspection rather than internal repair. During routine electrical maintenance, check the status indicator, remote signaling contact, terminal tightness, signs of overheating, and the condition of the backup protective device.
The SPD should also be inspected after severe thunderstorms, lightning events, major power-system faults, or repeated tripping of the upstream protective device.
Replace the SPD or plug-in protection module if:

• The status indicator shows failure.
• A remote alarm is activated.
• The enclosure is discolored, cracked, or overheated.
• The backup fuse or circuit breaker has operated because of an SPD fault.
• The manufacturer’s replacement criteria have been reached.

How Long Does a Surge Protective Device Last?

An SPD does not have a fixed service life. Its lifespan depends on the number, magnitude, and duration of the surges it absorbs, as well as system voltage, temporary overvoltages, environmental conditions, and product quality.
An SPD may remain operational for many years in a low-surge environment, but a single severe surge can significantly reduce its remaining capacity or cause immediate failure.
The status indicator and remote signaling contact should therefore be used to determine whether the SPD is still operational. Replacement should be based on actual condition and manufacturer guidance rather than a fixed number of years alone.

Do I Need Both AC and DC Surge Protection?

Both AC and DC surge protection may be required when a system contains separate AC and DC circuits. An AC SPD cannot automatically replace a DC SPD because the two devices are designed for different voltage characteristics, arc-extinguishing requirements, and system configurations.
For example, a solar PV system may require:

• A DC SPD on the PV array, combiner box, or inverter DC input.
• An AC SPD on the inverter output or AC distribution board.

Energy storage systems, EV charging systems, and industrial DC control circuits may also require separate AC and DC protection.
The selected SPD must be rated for the actual system voltage, polarity, grounding arrangement, and maximum continuous operating voltage.

Can a Damaged SPD Continue Protecting Equipment?

A damaged SPD should not be assumed to provide effective protection. Some SPDs contain an internal disconnection device that isolates the failed protection component while allowing the electrical circuit to remain energized.
In this condition, the connected equipment may continue operating, but surge protection may already be partially or completely lost.
If the status indicator shows failure or the remote alarm is activated, replace the SPD or protection module as soon as possible. Continuing to operate without replacement may leave downstream equipment unprotected.

Are SPDs Required for Solar PV Systems?

SPD requirements for solar PV systems depend on the applicable electrical standard, lightning protection design, installation risk, cable routing, and local regulations.
PV systems are particularly exposed to induced surges because modules and DC cables are usually installed outdoors and may cover a large area. SPDs are commonly installed on the DC side, AC side, or both.
Typical locations include:

• PV combiner boxes
• Inverter DC inputs
• Inverter AC outputs
• Main AC distribution boards

The required SPD type depends on whether the building has an external lightning protection system, the separation distance, the system voltage, and the lightning exposure level.
Therefore, SPDs are not selected simply because the system is photovoltaic. The need, type, and installation position should be determined by the applicable project requirements and risk assessment.

REFERENCES AND TECHNICAL SOURCES

⁠IEC 61643-11:2025 – Low-Voltage Surge Protective Devices – Requirements and Test Methods — International Electrotechnical Commission.

IEC 61643-12 – Low-Voltage Surge Protective Devices – Selection and Application Principles — International Electrotechnical Commission.

UL 1449 – Standard for Surge Protective Devices — UL Solutions.

NFPA 70 – National Electrical Code (NEC) — National Fire Protection Association.

⁠IEEE C62.41.2 – Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-Voltage AC Power Circuits — Institute of Electrical and Electronics Engineers.

NEMA – Low Voltage Surge Protective Devices Guidance— National Electrical Manufacturers Association.

⁠IEC 62305-4 – Protection Against Lightning – Electrical and Electronic Systems Within Structures— International Electrotechnical Commission.

IEC 61643-32 – Surge Protective Devices Connected to the DC Side of Photovoltaic Installations— International Electrotechnical Commission.