محافظ های اضافه ولتاژ دستگاه های حیاتی در سیستم های قدرت هستند که برای سرکوب ولتاژهای غیرعادی بالا و تضمین ایمنی عایق تجهیزات استفاده می شوند. اصل کار آنها مبتنی بر تغییر سریع ویژگی های امپدانس آنها در هنگام افزایش غیرعادی ولتاژ است، هدایت یا محدود کردن انرژی اضافه ولتاژ در محدوده ایمن، در نتیجه از خرابی عایق یا آسیب حرارتی به تجهیزات محافظت شده جلوگیری می کند. در اصل، این یک دستگاه محافظ است که از عناصر غیر خطی و مکانیسم های انتقال انرژی برای دستیابی به گیره ولتاژ دینامیکی استفاده می کند.
عملکرد یک محافظ اضافه ولتاژ را می توان به دو مرحله تقسیم کرد: انسداد طبیعی و هدایت غیر طبیعی. تحت عملکرد عادی سیستم، ولتاژ در محدوده نامی قرار دارد و اجزای اصلی داخل محافظ-معمولاً وریستورهای اکسید فلزی (MOV)، وریستورهای کاربید سیلیکون، یا شکافهای تخلیه{2}} ویژگیهای امپدانس بالایی از خود نشان میدهند که منجر به جریان نشتی حداقلی میشود که تقریباً هیچ تأثیری بر عملکرد سیستم ندارد. در این زمان، محافظ معادل یک مدار باز است و بر انتقال و توزیع طبیعی انرژی الکتریکی تأثیر نمی گذارد.
هنگامی که سیستم با شرایط غیرعادی مانند برخورد صاعقه، عملیات سوئیچینگ، رزونانس یا افزایش ولتاژ فرکانس برق مواجه می شود، ولتاژ به طور لحظه ای یا پیوسته از آستانه تعیین شده فراتر می رود و ویژگی های امپدانس محافظ به شدت تغییر می کند. با در نظر گرفتن MOV به عنوان مثال، ریزساختار آن از دانه های اکسید روی و یک لایه مرزی دانه تشکیل شده است. تحت ولتاژ عملیاتی معمولی، لایه مرزی دانه مقاومت بالایی را حفظ می کند. با این حال، زمانی که ولتاژ از ولتاژ وریستور بیشتر شود، مانع لایه مرزی دانه شکسته میشود و مقاومت به سرعت کاهش مییابد و کانالی با مقاومت کم- تشکیل میدهد که تقریباً یک اتصال کوتاه است. جریان اضافه تولید شده توسط اضافه ولتاژ از طریق این کانال شنت می شود و بیشتر انرژی از طریق محافظ به مدار اتصال زمین یا محدود کننده منحرف می شود، بنابراین پیک ولتاژ اعمال شده به تجهیزات محافظت شده در محدوده مجاز محدود شده و عایق در برابر آسیب محافظت می شود.
مکانیسم های هدایت انواع مختلف محافظ ها متفاوت است. لوله های تخلیه گاز از یونیزاسیون گاز بی اثر داخلی تحت ولتاژ بالا برای تشکیل تخلیه قوس، دستیابی به رسانایی سریع و تخلیه جریان موجی، مناسب برای کاربردهای ضربه{1} بالا استفاده می کنند. شکاف های تخلیه به هوا یا خلاء بین دو الکترود متکی هستند تا زمانی که ولتاژ از قدرت شکست فراتر رود، یک مسیر قوس تشکیل دهند. ساختار ساده است اما پاسخ کمی کندتر است. وریستورهای کاربید سیلیکون به ویژگیهای غیرخطی مواد برای هدایت تحت ولتاژ اضافی تکیه میکنند که مقاومت در برابر ضربه قوی اما جریان نشتی بالاتری نسبت به MOV ارائه میدهند. در محصولات واقعی، دو یا چند جزء اغلب با هم ترکیب می شوند تا سرعت پاسخ، ظرفیت جریان و سطح ولتاژ باقیمانده را متعادل کنند.
در هنگام تخلیه انرژی، محافظ به طور همزمان در معرض اثرات حرارتی و الکترودینامیکی قرار می گیرد. برای جلوگیری از خرابی بیش از حد قطعات به دلیل جریان اضافه مداوم، بسیاری از محافظها مجهز به دستگاهها یا فیوزهای حرارتی هستند. هنگامی که دمای غیرعادی یا انباشت انرژی بیش از حد تشخیص داده شد، مدار حفاظت را می توان به طور خودکار قطع کرد تا از آسیب دیدگی تجهیزات جلوگیری شود و یک نشانگر وضعیت واضح ارائه شود.
به طور کلی، اصل کار محافظ های اضافه ولتاژ مبتنی بر تغییر مشخصه ولتاژ{0}}جریان اجزای غیرخطی است. هنگامی که ولتاژ بالا غیرعادی رخ می دهد، به سرعت انرژی را هدایت و منحرف می کند، ولتاژ را به سطح ایمن محدود می کند و در صورت لزوم مدار را برای جلوگیری از آسیب حرارتی قطع می کند. این مکانیسم آن را در حفاظت در برابر صاعقه، سرکوب ولتاژ سوئیچینگ، و هماهنگی عایق بندی سیستم، ساختن یک مانع محافظ حیاتی برای تجهیزات برق و ایمنی الکتریکی غیرقابل جایگزین می کند.
