התקני הגנה מפני נחשולים מגנים על ציוד חשמלי באמצעות סט של מנגנוני הגנה פיזיים מדויקים, מהירים ואוטומטיים המבוססים על חיבור מעגל מקביל ומאפייני רכיבים לא ליניאריים, ויוצרים לולאת הגנה מלאה על מתח יתר עבור ציוד חשמלי.
ראשית, ה-SPD מותקן במקביל בקצה הקדמי של כל הציוד החשמלי המוגן ומחובר לחוט הארקה של המערכת, ויוצר לולאת הגנה בהמתנה. בהפעלת מתח מדורג רגיל של הציוד, ה-SPD נמצא במצב מבודד-עם עכבה גבוהה. הוא אינו מנטרל זרם הפעלה רגיל, אינו מייצר אובדן נפילת מתח, ולא יפריע לאספקת החשמל ולפעולה הרגילה של ציוד חשמלי.
כאשר נחשול מתח חריג פולש למעגל ופועל על הציוד החשמלי, הרכיבים הרגישים הפנימיים הלא ליניאריים של ה-SPD קולטים מיד את אות מתח היתר ומשלימים את מתג העכבה תוך מיקרו-שניות. המכשיר משתנה מהתנגדות גבוהה להתנגדות נמוכה באופן מיידי, ויוצר ערוץ פריקה במהירות גבוהה- בין החוט החי לחוט ההארקה.
לאחר מכן, זרם הנחשול המיידי העצום שנוצר על ידי מתח היתר מופנה לחלוטין למערכת ההארקה דרך ערוץ ההתנגדות-הנמוכה של ה-SPD, במקום לעבור דרך המעגלים הפנימיים, השבבים והרכיבים של הציוד החשמלי. במקביל, ה-SPD מהדק את מתח הנחשול החריג לערך מתח נמוך בטוח קבוע, ומבטל את השפעת מתח היתר על הציוד.
לאחר שאנרגיית הנחשולים נפרקת לחלוטין ומתח המעגל חוזר לערך המדורג הסטנדרטי, ה-SPD חוזר אוטומטית למצב המתנה של-התנגדות גבוהה, ומנתק את ערוץ פריקת ההארקה. תהליך הגנה מהיר חד-פעמי זה מונע נזקים מהתמוטטות של בידוד הציוד, שחיקה של רכיבים אלקטרוניים ותקלות קצרות במעגלים- הנגרמות כתוצאה ממתח יתר. עבור תנודות מתח ונחשולי מתח קטן-תכופים, ה-SPD יכול להשיג הגנה מחזורית מתמשכת, ובכך להפחית ביעילות את הזדקנות הציוד ואת סיכוני הכשל הנגרמים כתוצאה מהשפעת מתח-ארוכת טווח.
