Protección contra sobretensiones del radar de nivel: SPD y tierra

El radar de nivel de un tanque exterior o silo alto está muy expuesto durante las tormentas. El daño suele proceder de sobretensiones que viajan por cables de alimentación y señal y llegan antes de que actúe una desconexión, más que del impacto directo. La protección eficaz exige coordinar dos etapas de SPD y un trayecto de tierra de baja impedancia verificado; no basta una pieza junto al instrumento.

Qué hace una sobretensión al transmisor

Un rayo cercano inyecta un pulso rápido de alta corriente, normalmente modelado como onda 8/20 µs, en alimentación, señal o terreno. Busca la menor impedancia a tierra y atraviesa la entrada del transmisor si resulta más fácil que el protector. Puede destruir fuente, controlador de comunicaciones o entrada analógica, con costes superiores al protector porque el tanque queda sin vigilancia. No hace falta impacto en carcasa o antena: basta una sobretensión inducida en 50 m de cable. Proteja los cables: tanto 24 V DC como 4–20 mA o RS485 necesitan dispositivos propios dimensionados para su energía.

Coordinación de SPD de dos etapas

Un protector junto al instrumento suele ser insuficiente: no puede absorber toda la energía de una gran sobretensión y sobrevivir. La disposición habitual combina una etapa de alta energía en la entrada del cuadro y otra fina de menor tensión de limitación en el transmisor. Deben coordinarse para que la primera derive la mayor corriente y deje una carga soportable a la segunda. La tabla da referencias típicas; confirme las fichas reales antes de comprar.

La señal necesita su propio par coordinado: una sobretensión en 4–20 mA evita el protector exclusivo de alimentación y destruye el transmisor. Ambas etapas deben compartir tierra; si no, la fina limita respecto a un nodo flotante y no protege.

El protector de señal añade resistencia serie al lazo 4–20 mA. A 20 mA, 24 V equivalen a 1200 Ω totales. Si el transmisor necesita 12 V en bornes, quedan unos 350 Ω además de los 250 Ω de medida: caben dos protectores de 10 Ω. En un lazo próximo al límite o alimentado a 12 V, cuente esa resistencia antes de elegir, no después de una lectura baja.

Ejemplo de tensión residual

Como estimación resistiva ilustrativa de elevación de potencial de tierra, 1.5 kA por 4 Ω supuestos producen 6.0 kV respecto a una referencia remota. Añadir 0.6 kV de limitación supuesta solo da una posible solicitación de 6.6 kV para una topología concreta de puerto, retorno y referencia; no es automáticamente la tensión entre todas las entradas protegidas. R < (1.5 − 0.6) kV / 1.5 kA = 0.6 Ω es el límite de ese circuito simplificado supuesto, no un requisito universal de aceptación de tierra. Verifique modos reales de sobretensión, impedancias de unión, inductancia, coordinación SPD y soportabilidad de los puertos.

El cable añade tensión no incluida en la limitación de ficha. Un pulso 8/20 µs de 1.5 kA sube aproximadamente a 190 A/µs. Con unos 1 µH por 1 m de conductor equipotencial, V = L · di/dt ≈ 1 µH × 190 A/µs = 190 V. A 5 m se añaden unos 0.95 kV, más que la limitación de etapa 2. Entrada (velocidad de subida y longitud) → conversión (L · di/dt) → resultado (190 V por metro). Se supone recorrido recto sin retorno compartido: un trayecto corto a la barra equipotencial vale más que una limitación menor sobre el papel.

Resistencia de tierra y límite inferior de protección

El SPD limita respecto a sus bornes de referencia especificados. La protección depende de equipotencialidad, recorrido de conductores, distribución de corriente y puertos protegidos. Medir resistencia de electrodo a baja frecuencia aporta evidencia, pero por sí solo no describe la impedancia de impulso de alta frecuencia ni demuestra protección. Aplique el diseño aprobado de tierra y rayos; verifique longitudes, continuidad, electrodos y coordinación. 4 Ω y 1 Ω no son criterios universales para toda instrumentación.

Cuándo no salvará el instrumento

Un SPD fino no constituye un sistema completo contra rayos directos. Si puede entrar corriente de rayo, evalúe protección externa, equipotencialidad y dispositivos coordinados aptos para corriente de rayo, incluido Tipo 1 donde lo exija el diseño. Ninguna disposición garantiza todos los impactos. También falla si solo se protege alimentación, falta tierra o el protector ha agotado su vida tras varios eventos. Un cable largo sin pantalla funciona como antena y lleva tensión inducida a bornes. Tierra larga y fina casi anula el protector: dominan inductancia y resistencia. En regiones con más de unos pocos días de tormenta al año, el tanque debe quedar dentro de una zona de protección bien diseñada, con el instrumento como última etapa fina, no la única.

Lista y registros después de las tormentas

Tras la temporada de tormentas debe demostrarse que la protección sigue funcionando. Use la lista para documentarlo y guárdela con la puesta en servicio, mostrando qué se verificó y cuándo.

Programe la sustitución de cualquier elemento no conforme antes de la siguiente temporada. Un protector agotado no avisa con buen tiempo y falla justo cuando se necesita.

Preguntas frecuentes

P1. ¿Por qué necesito dos protectores?

Uno solo en el transmisor no puede sobrevivir a gran energía y limitar a baja tensión. La etapa gruesa deriva la corriente principal y la fina limita el resto. Sin coordinación, la fina recibe toda la energía, falla y deja expuesto el equipo al siguiente evento.

P2. ¿Qué resistencia de tierra se necesita?

Aplique los criterios del diseño aprobado. El ejemplo de 4 Ω muestra elevación respecto a referencia remota, no tensión universal de bornes ni límite de aceptación. Compruebe electrodos junto con continuidad, disposición de conductores, modos de sobretensión y características SPD coordinadas.

P3. ¿Proteger alimentación también protege señal?

No. Una sobretensión en 4–20 mA o RS485 evita ese protector y destruye el transmisor. La señal necesita protección propia coordinada con la misma tierra; sin ella la etapa fina limita a un nodo flotante y no protege.

P4. ¿Cómo sé que ha fallado un protector?

La mayoría indica estado o presenta cambio medible de resistencia de paso. Sustituya dispositivos disparados o degradados. No avisan con buen tiempo: revíselos periódicamente tras cada temporada, sin esperar al fallo del instrumento.

P5. ¿Puede sobrevivirse a un rayo directo?

El SPD fino solo no aborda corriente directa de rayo. Las estructuras expuestas requieren protección externa y equipotencialidad evaluadas, con SPD coordinados aptos para esa corriente donde lo exija el diseño. Reduce riesgo dentro de límites declarados, sin garantizar cada impacto.

P6. ¿Por qué tierra corta y gruesa?

Inductancia y resistencia dominan durante el impulso; un conductor largo y fino puede anular un buen protector. Use unión corta y de sección generosa a la barra en la entrada, para dar a etapa 2 referencia estable de baja impedancia.

RESUMEN

El radar necesita protección coordinada de alimentación y señal, equipotencialidad y tierra verificada con el diseño del sitio. El cálculo I × R ilustra una posible elevación de potencial; no fija un objetivo universal de 1 Ω ni la tensión de cada entrada. Facilite recorridos, señales y requisitos para evaluar modos reales, SPD y criterios de ensayo.