עקרון הגנת מתח מתח
התקן מגן נחשולים (SPD), הידוע גם כ-Surge Protector, הוא התקן מגן לא ליניארי המשמש במערכות חיות להגבלת מתח יתר חולף ולהנחות זרם נחשולי פריקה. הוא משמש להגנה על מערכות חשמליות או אלקטרוניות עם רמות עמידות במתח נמוך מפני פגיעות ברק, פולסים אלקטרומגנטיים או נזקי מתח יתר תפעוליים. בשנים האחרונות התפתחו במהירות מערכות מידע אלקטרוניות (כגון טלוויזיה, טלפון, תקשורת, רשתות מחשבים ועוד) ומספר רב של מכשירי מידע אלקטרוניים צצו והפכו פופולריים. סוגים אלה של מערכות וציוד הם לרוב יקרים וחשובים, עם מתח הפעלה נמוך ועמידים ברמות מתח, מה שהופך אותם לרגישים מאוד לפולסים אלקטרומגנטיים של ברק. לכן, יש להשתמש ב-SPD להגנת מתח יתר.
בשל התקנים השונים שאחריהם מדינות שונות, מפרטי המוצרים אינם מאוחדים, ולזיהוי הפרמטרים יש גם דגש משלהם, שהוא נחות בהרבה ממפרטי מוצרי חשמל אחרים, מה שמביא אי נוחות רבה לתכנון ולבחירה. בתכנון הנדסי, ניתן לחלק את המותגים הנפוצים בעיקר למוצרים מקומיים, למוצרים אירופאים ולמוצרים אמריקאים על סמך מקום מוצאם. הגדרות הפרמטרים של מוצרים מקומיים הן כאוטיות, עם מפרטים מגוונים ומתח שיורי גבוה. חלק מדגמי המוצרים הסטנדרטיים מוגדרים לחקות מוצרים אירופיים, בעוד שאחרים פועלים לפי פרמטרים של תקן לאומי. רוב המוצרים מסומנים עם In ו-Imax. בשל הדרישות הנמוכות של מוצרים ביתיים לאתרי יישומים, רמות בנייה נמוכות וציוד עמיד בערכי מתח גבוהים, ניתן להקל על כמה דרישות פרמטרים.
מוצרים אירופאים מסומנים בדרך כלל עם זרם הפריקה המרבי, וגם דגם המוצר נקבע על סמך פרמטר זה. לדוגמה, מותג אירופאי ידוע XXX65 ו-XXX40, כאשר הערכים של 65 ו-40 הם Imax. עם זאת, התקנים הסיניים קובעים בבירור שיש להשתמש בזרם הפריקה הנומינלי In לבחירה, שזה מצב מביך שנתקל בו בתכנון הנדסי כיום. לאחר בדיקת מידע המוצר, ערך In של XX65 אינו עולה על 20kA, וערך In של XX40 אינו עולה על 15kA. אם מקפידים על הערכים המומלצים של GB50343, ניתן להשתמש בשני המוצרים הללו רק להגנה תלת-מפלסית בקצה הציוד. עם זאת, בתכנון בפועל, הם מותקנים ברמה הראשונה והשנייה, דבר שאינו עולה בקנה אחד עם פרמטרי הבחירה של תקנים לאומיים, והמתח השיורי גבוה. דגמים רגילים בדרך כלל עולים על 1200V. ברגע שסביבת החיווט לא טובה, קל לחרוג מערך המתח של הציוד. בדרך כלל, למוצרים אירופאים יש ערך Uc קטן יחסית והם אופורטוניסטים בתיוג מתח קווי, מה שמקל על הטעיה בעת בחירת דגמים.
עקרון העבודה של SPD
מגן הנחשולים מתאים להגנה על ספק כוח 220/380V במתח נמוך והוא רכיב לא ליניארי. על פי תקני חברת החשמל, מגן הנחשולים הוא מכשיר המשמש בעיקר לדיכוי מתח יתר וזרם יתר של קו ההולכה. הדרישה הבסיסית למגן נחשולי מתח למלא תפקיד מגן היא לעמוד בזרם הברק הצפוי ולכבות ביעילות את הזרם הרציף בתדר ההספק שנוצר לאחר זרימת הברק דרך מתח ההידוק המרבי של הנחשול. היא מגבילה את מתח היתר המיידי הנכנס לקו החשמל או לקו ההולכה של האותות לטווח המתח שהציוד או המערכת יכולים לעמוד בו, או משחרר זרם ברק חזק לאדמה כדי להגן על הציוד או המערכת המוגנים מפני נזק שנגרם כתוצאה מהשפעה.
הסוגים והמבנים של מגיני מתח משתנים בהתאם לשימושים השונים שלהם, אך הם מכילים לפחות אלמנט מגביל מתח לא ליניארי אחד. מגיני מתח נפוץ כוללים MOVs (MetalOxideVaristors) וצינורות פריקת גז. נחשולי מתח חשמלי מכילים אנרגיה עוצמתית ואי אפשר לעצור אותם. מסיבה זו, האסטרטגיה להגנה על ציוד חשמלי רגיש מפני נזקי נחשולים היא להסיט את הנחשול מהציוד ואז לזרום לאדמה.
מגן הנחשולים MOV מורכב משלושה חלקים: חומר תחמוצת מתכת באמצע, המחובר על ידי שני מוליכים למחצה לאספקת החשמל ולחוט ההארקה. כאשר מתרחש גל, ה-MOV פועל מיד עם זמן תגובה של 1-3 ננו-שניות. ה-"V" ב-MOV הוא ריאוסטט. ברגע התגובה, ההתנגדות של ה-MOV יורדת מערכו המקסימלי לכמעט אפס אוהם, וזרם יתר זורם לאדמה דרך ה-MOV. הציוד החשמלי המוגן ממשיך לפעול במתח הפעלה רגיל. לרכיבי המוליכים למחצה יש את התכונה של שינוי התנגדות עם שינויי מתח. כאשר המתח יורד מתחת לערך מסוים, תנועת האלקטרונים במוליך למחצה יוצרת התנגדות גבוהה. להיפך, כאשר המתח חורג מהערך הספציפי הזה, תנועת האלקטרונים תשתנה, והתנגדות המוליכים למחצה תקטן לכמעט אפס אוהם. המתח תקין, ומגן הנחשולים MOV אינו פעיל בצד, מבלי להשפיע על קו החשמל.
האינדיקטורים ליתרונות ולחסרונות של התקני הגנה מפני מתח (MOV) הם: (1) מתח הידוק: מייצג את ערך המתח שיגרום ל-MOVs להתחבר לחוט ההארקה. ככל שמתח ההידוק נמוך יותר, כך ביצועי ההגנה טובים יותר. (2) יכולת ספיגה/פיזור אנרגיה: ערך נומינלי זה מייצג את כמות האנרגיה שמגן הנחשולים יכול לספוג בטרם נשרף, בג'אול. ככל שהערך גבוה יותר, כך ביצועי ההגנה טובים יותר. (3) זמן תגובה: מגיני נחשולי מתח אינם מתנתקים מיד, ויהיה עיכוב קל בתגובתם לנחשולים.
התקן נפוץ נוסף להגנה מפני נחשולי מתח הוא צינור פריקת גז. לצינורות פריקת גז אלה יש את אותה פונקציה כמו MOV, להעביר זרם עודף מהחוט החי אל חוט ההארקה, ומשיגים פונקציה זו על ידי שימוש בגז אינרטי כמוליך בין שני החוטים. כאשר המתח נמצא בטווח מסוים, הרכב הגז קובע כי מדובר במוליך גרוע. אם המתח עולה וחורג מטווח זה, עוצמת הזרם תספיק ליינון הגז, מה שהופך את צינור פריקת הגז למוליך טוב מאוד. הוא יוביל זרם לחוט ההארקה עד שהמתח יחזור לרמות נורמליות, ואז יהפוך למוליך פגום
