Was passiert in einem Überspannungsschutz während eines Blitzschlags?

Was passiert in einem Überspannungsschutzgerät während eines Blitzschlags?

Während eines Blitzschlags spielen Überspannungsschutzgeräte (SPDs) eine entscheidende Rolle beim Schutz elektrischer Geräte vor transitorischen Überspannungen (d.h. Überspannungen). Im Folgenden werden die wichtigsten Prozesse und Mechanismen erläutert, die innerhalb eines SPDs während solcher Ereignisse stattfinden:

1. Erkennung und Reaktion auf Überspannungen

Wenn eine durch einen Blitzschlag verursachte Überspannung in das Stromsystem eindringt, erkennt das Überspannungsschutzgerät diese ungewöhnliche Spannung schnell. Typischerweise haben SPDs eine voreingestellte Schwellenspannung; sobald die erkannte Spannung diesen Schwellwert überschreitet, aktiviert der Schutzmechanismus.

2. Energieabsorption und -dissipation

SPDs absorbieren und dissipieren Überspannungsenergie, um zu verhindern, dass sie angeschlossene elektrische Geräte erreicht. Gängige Absorptions- und Dissipationsmechanismen sind:

a. Metalloxidvaristoren (MOVs)

• Funktionsprinzip: MOVs sind nichtlineare Widerstandsmaterialien, deren Widerstand sich mit der angelegten Spannung ändert. Bei normalen Betriebsspannungen weisen MOVs einen hohen Widerstand auf; wenn die Spannung einen bestimmten Schwellwert überschreitet, fällt ihr Widerstand stark, sodass Strom fließen kann.

• Energiedissipation: MOVs wandeln überschüssige elektrische Energie in Wärme um und dissipieren sie. Obwohl MOVs selbstwiederherstellende Eigenschaften besitzen und nach mehreren kleinen Überspannungen weiterhin funktionieren können, können sie nach großen oder häufigen Überspannungen ausfallen.

b. Gasentladungsrohre (GDTs)

• Funktionsprinzip: GDTs sind versiegelte Röhren, die mit Edelgas gefüllt sind. Wenn die Spannung zwischen den beiden Enden einen bestimmten Wert überschreitet, ionisiert das Gas im Inneren und schafft einen leitfähigen Pfad für den Strom.

• Energiedissipation: GDTs dissipieren Überspannungsenergie über das durch Gasionisation entstehende Plasma und löschen das Plasma automatisch, sobald die Spannung wieder normal ist, wodurch die Isolation wiederhergestellt wird.

c. Transiente Spannungsdämpfer (TVS)-Dioden

• Funktionsprinzip: TVS-Dioden bleiben bei normalen Betriebsspannungen in einem Hochwiderstandsstatus. Wenn die Spannung ihre Zerstörungsspannung überschreitet, schaltet die Diode schnell in einen Niederwiderstandsstatus um, sodass Strom fließen kann.

• Energiedissipation: TVS-Dioden dissipieren Überspannungsenergie durch den Lawineneffekt in ihren internen PN-Übergängen und eignen sich für schnelle Reaktionen auf kleine Überspannungen.

3. Energieumleitung und Erdung

SPDs absorbieren nicht nur Überspannungsenergie, sondern leiten auch einen Teil davon in Erdleitungen um, um den Einfluss auf Geräte weiter zu reduzieren. Spezifische Mechanismen sind:

• Umleitungs-Schaltkreise: SPDs sind mit speziellen Umleitungs-Schaltkreisen ausgelegt, um Überspannungen in die Erdleitung zu leiten, um zu verhindern, dass sie direkt in Lastgeräte gelangen.

• Erdungssystem: Ein gutes Erdungssystem ist entscheidend für die effektive Funktion von SPDs. Das Erdungssystem sollte einen niederimpedanziven Pfad bieten, um Überspannungsenergie schnell in die Erde abzuleiten.

4. Wiederherstellung nach dem Überspannungsvorgang

Nach dem Überspannungsvorgang muss das SPD in seinen normalen Betriebszustand zurückkehren. Verschiedene Arten von Schutzgeräten haben unterschiedliche Wiederherstellungsmechanismen:

• MOVs: Wenn die Überspannung keinen dauerhaften Schaden am MOV verursacht, kehrt dieser automatisch in den Hochwiderstandsstatus zurück, sobald die Spannung normalisiert ist.

• GDTs: Sobald die Spannung wieder normal ist, löscht sich das Plasma im GDT automatisch und stellt den isolierenden Zustand wieder her.

• TVS-Dioden: Nachdem die Spannung normalisiert ist, kehren TVS-Dioden ebenfalls automatisch in den Hochwiderstandsstatus zurück.

5. Ausfallarten und Schutz

Obwohl SPDs für den Umgang mit Überspannungen konstruiert sind, können sie in extremen Fällen trotzdem ausfallen. Um Sicherheit zu gewährleisten, verfügen viele SPDs über zusätzliche Merkmale:

• Thermische Trenngeräte: Wenn ein MOV oder eine andere Komponente überhitzt und ausfällt, trennt das thermische Trenngerät den Schaltkreis, um Brände und andere Gefahren zu verhindern.

• Anzeigelampen/Alarme: Einige SPDs sind mit Anzeigelampen oder Alarmanlagen ausgestattet, um Benutzer darüber zu informieren, ob der Schutz noch korrekt funktioniert.

Zusammenfassung

Während eines Blitzschlags schützen Überspannungsschutzgeräte elektrische Geräte durch die folgenden Schritte:

• Erkennung von Überspannungen: Identifizieren von Situationen, in denen die Spannung den normalen Bereich überschreitet.

• Absorption und Dissipation von Energie: Verwendung von Komponenten wie MOVs, GDTs und TVS-Dioden, um Überspannungsenergie in Wärme oder andere Formen von Energie umzuwandeln.

• Umleitung in Erdleitungen: Leiten von Überspannungen in Erdleitungen, um den Einfluss auf Geräte zu minimieren.

• Rückkehr zum Normalzustand: Nach dem Überspannungsvorgang kehrt der Schutz in seinen normalen Betriebszustand zurück.

• Schutz gegen Fehler: Bereitstellung zusätzlicher Sicherheitsmaßnahmen in extremen Fällen, um weitere Schäden zu verhindern.