Überspannungsschutzgeräte sind wichtige Geräte in Stromversorgungssystemen, die ungewöhnlich hohe Spannungen unterdrücken und die Isolationssicherheit von Geräten gewährleisten. Ihr Funktionsprinzip basiert auf der schnellen Änderung ihrer Impedanzcharakteristik, wenn die Spannung ungewöhnlich ansteigt, wodurch die Überspannungsenergie in einen sicheren Bereich geleitet oder begrenzt wird und so ein Isolationsdurchbruch oder thermischer Schaden an der geschützten Ausrüstung verhindert wird. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Schutzvorrichtung, die nichtlineare Elemente und Energieübertragungsmechanismen verwendet, um eine dynamische Spannungsbegrenzung zu erreichen.
Der Betrieb eines Überspannungsschutzes kann in zwei Phasen unterteilt werden: normale Blockierung und abnormale Leitung. Bei normalem Systembetrieb liegt die Spannung innerhalb des Nennbereichs und die Kernkomponenten innerhalb des Schutzes -normalerweise Metalloxid-Varistoren (MOVs), Siliziumkarbid-Varistoren oder Entladungsstrecken-weisen hohe Impedanzeigenschaften auf, was zu einem minimalen Leckstrom führt, der nahezu keine Auswirkungen auf den Systembetrieb hat. Zu diesem Zeitpunkt entspricht der Schutz einem offenen Stromkreis und beeinträchtigt nicht die normale Übertragung und Verteilung elektrischer Energie.
Wenn das System auf ungewöhnliche Bedingungen wie Blitzeinschläge, Schaltvorgänge, Resonanz oder Spannungsanstiege bei der Netzfrequenz stößt, überschreitet die Spannung vorübergehend oder kontinuierlich den eingestellten Schwellenwert und die Impedanzeigenschaften des Schutzgeräts ändern sich drastisch. Am Beispiel von MOV besteht seine Mikrostruktur aus Zinkoxidkörnern und einer Korngrenzschicht. Unter normaler Betriebsspannung behält die Korngrenzschicht einen hohen Widerstand. Wenn die Spannung jedoch die Varistorspannung überschreitet, bricht die Barriere der Korngrenzschicht zusammen und der Widerstand fällt schnell ab, wodurch ein Kanal mit niedrigem Widerstand entsteht, der einem Kurzschluss nahekommt. Der durch die Überspannung erzeugte Überstrom wird über diesen Kanal abgeleitet und der Großteil der Energie wird über den Schutz zum Erdungs- oder Begrenzungskreis abgeleitet, wodurch die an der geschützten Ausrüstung anliegende Spitzenspannung auf den zulässigen Bereich begrenzt und die Isolierung vor Schäden geschützt wird.
Die Leitungsmechanismen verschiedener Arten von Protektoren variieren. Gasentladungsröhren nutzen die Ionisierung von internem Inertgas unter Hochspannung, um eine Bogenentladung zu erzeugen und so eine schnelle Leitung und Stoßstromentladung zu erreichen, die für Hochstromanwendungen geeignet ist. Entladungsstrecken basieren auf Luft oder Vakuum zwischen den beiden Elektroden, um einen Lichtbogenpfad zu bilden, wenn die Spannung die Durchschlagsfestigkeit überschreitet. Die Struktur ist einfach, aber die Reaktion ist etwas langsamer. Siliziumkarbid-Varistoren beruhen auf den nichtlinearen Eigenschaften des Materials, um unter Überspannung zu leiten, und bieten eine hohe Schlagfestigkeit, aber einen höheren Leckstrom als MOVs. In tatsächlichen Produkten werden häufig zwei oder mehr Komponenten kombiniert, um Reaktionsgeschwindigkeit, Stromkapazität und Restspannungspegel auszugleichen.
Während der Energieentladung ist der Protektor gleichzeitig thermischen und elektrodynamischen Effekten ausgesetzt. Um einen Überhitzungsausfall von Bauteilen aufgrund von anhaltendem Überstrom zu verhindern, sind viele Schutzvorrichtungen mit thermischen Auslösern oder Sicherungen ausgestattet. Sobald eine abnormale Temperatur oder eine übermäßige Energieansammlung erkannt wird, kann die Schutzschaltung automatisch getrennt werden, um Geräteschäden zu verhindern und eine klare Statusanzeige bereitzustellen.
Im Allgemeinen basiert das Funktionsprinzip von Überspannungsschutzgeräten auf der Spannungs-{0}}Stromcharakteristikänderung nichtlinearer Komponenten. Wenn eine ungewöhnlich hohe Spannung auftritt, leitet und leitet es Energie schnell um, begrenzt die Spannung auf ein sicheres Niveau und unterbricht bei Bedarf den Stromkreis, um thermische Schäden zu verhindern. Dieser Mechanismus macht es beim Blitzschutz, bei der Schaltüberspannungsunterdrückung und bei der Koordinierung der Systemisolation unersetzlich und bildet eine entscheidende Schutzbarriere für Energieanlagen und elektrische Sicherheit.
