Что происходит внутри защитного устройства от перенапряжений во время удара молнии?

Что происходит внутри устройства защиты от перенапряжений во время удара молнии?

Во время удара молнии устройства защиты от перенапряжений (SPD) играют ключевую роль в защите электрического оборудования от кратковременных перенапряжений (т.е. скачков напряжения). Ниже приведены основные процессы и механизмы, происходящие внутри SPD во время таких событий:

1. Обнаружение и реагирование на скачок напряжения

Когда скачок напряжения, вызванный ударом молнии, попадает в систему питания, устройство защиты от перенапряжений быстро обнаруживает это аномальное напряжение. Как правило, у SPD установлен пороговый уровень напряжения; когда обнаруженное напряжение превышает этот порог, защитный механизм активируется.

2. Поглощение и рассеивание энергии

Устройства защиты от перенапряжений поглощают и рассеивают энергию скачка напряжения, чтобы предотвратить ее воздействие на подключенные электрические устройства. Общие механизмы поглощения и рассеивания включают:

a. Варисторы на основе оксида металла (MOVs)

• Принцип работы: MOVs — это нелинейные резистивные материалы, сопротивление которых изменяется в зависимости от приложенного напряжения. При нормальных рабочих напряжениях MOVs имеют высокое сопротивление; когда напряжение превышает определенный порог, их сопротивление резко падает, позволяя току проходить через них.

• Рассеивание энергии: MOVs преобразуют избыточную электрическую энергию в тепло и рассеивают ее. Хотя MOVs обладают свойствами самовосстановления и могут продолжать функционировать после нескольких небольших скачков напряжения, они могут выйти из строя после крупных или частых скачков.

b. Газоразрядные трубки (GDTs)

• Принцип работы: GDTs — это герметичные трубки, заполненные инертным газом. Когда напряжение между двумя концами превышает определенное значение, газ внутри ионизируется, создавая проводящий путь для тока.

• Рассеивание энергии: GDTs рассеивают энергию скачка напряжения через плазму, созданную ионизацией газа, и автоматически гасят плазму, как только напряжение возвращается к норме, восстанавливая изоляцию.

c. Диоды подавления кратковременных перенапряжений (TVS)

• Принцип работы: TVS диоды находятся в состоянии высокого сопротивления при нормальных рабочих напряжениях. Когда напряжение превышает их пробивное напряжение, диод быстро переключается в состояние низкого сопротивления, позволяя току протекать.

• Рассеивание энергии: TVS диоды рассеивают энергию скачка напряжения через эффект лавины в своих внутренних PN-переходах и подходят для быстрого отклика на небольшие скачки напряжения.

3. Отведение энергии и заземление

Устройства защиты от перенапряжений не только поглощают энергию скачка, но и отводят часть ее на заземляющие линии, чтобы еще больше снизить воздействие на оборудование. Конкретные механизмы включают:

• Цепи отведения: SPDs спроектированы со специализированными цепями отведения, которые направляют перенапряжение на заземляющую линию, предотвращая его прямое попадание в нагрузочные устройства.

• Система заземления: Хорошая система заземления является ключом к обеспечению эффективной работы SPD. Система заземления должна предоставлять низкоимпедансный путь для быстрого рассеивания энергии скачка в землю.

4. Восстановление после скачка

После события скачка напряжения SPD необходимо вернуться в нормальное рабочее состояние. Различные типы защитных устройств имеют различные механизмы восстановления:

• MOVs: Если скачок не вызвал постоянного повреждения MOV, он автоматически вернется в состояние высокого сопротивления, как только напряжение нормализуется.

• GDTs: Как только напряжение возвращается к норме, плазма внутри GDT автоматически гаснет, восстанавливая изолирующее состояние.

• TVS диоды: После нормализации напряжения TVS диоды также автоматически возвращаются в состояние высокого сопротивления.

5. Режимы отказа и защита

Хотя SPDs разработаны для работы со скачками напряжения, они все же могут выйти из строя в экстремальных случаях. Для обеспечения безопасности многие SPDs включают дополнительные функции:

• Термические разъединительные устройства: Когда MOV или другой компонент перегревается и выходит из строя, термическое разъединительное устройство разрывает цепь, предотвращая возгорания и другие опасности.

• Индикаторные лампы/сигнализация: Некоторые SPDs оснащены индикаторными лампами или сигнализацией, чтобы уведомлять пользователей о том, что защитное устройство работает корректно.

Заключение

Во время удара молнии устройства защиты от перенапряжений защищают электрическое оборудование следующими шагами:

• Обнаружение скачка: Определение ситуаций, когда напряжение превышает нормальные пределы.

• Поглощение и рассеивание энергии: Использование компонентов, таких как MOVs, GDTs и TVS диоды, для преобразования энергии скачка в тепло или другие формы энергии.

• Отведение на заземляющие линии: Направление перенапряжения на заземляющие линии, чтобы минимизировать воздействие на оборудование.

• Возврат в нормальное состояние: После скачка защитное устройство возвращается в нормальное рабочее состояние.

• Защита от неисправностей: Предоставление дополнительных мер безопасности в экстремальных случаях для предотвращения дальнейшего повреждения.