محافظ های اضافه ولتاژ، به عنوان ابزاری حیاتی برای سرکوب اضافه ولتاژهای گذرا و گذرا در سیستم های قدرت، به شدت به ویژگی های الکتریکی، پایداری حرارتی و دوام مواد اصلی خود متکی هستند. مواد مختلف مزایایی در سرعت پاسخ، ظرفیت حمل جریان، ویژگی های جذب انرژی و عمر مفید ارائه می دهند. انتخاب مواد مناسب و کاربرد کامپوزیت کلید بهبود سطح حفاظت کلی محافظ است.
در حال حاضر، مواد اصلی مورد استفاده در محافظهای اضافه ولتاژ شامل وریستورهای اکسید فلزی (MOV)، وریستورهای کاربید سیلیکون (SiC)، رسانههای پرکننده لوله تخلیه گاز (GDT)، مواد الکترود شکاف تخلیه و لایههای عملکردی کامپوزیتی است. در این میان، MOV ها پرمصرف ترین مواد تشکیل دهنده هسته هستند که عمدتاً از اکسید روی (ZnO) با مقادیر کمی بیسموت، کبالت، منگنز و سایر اکسیدهای فلزی که با هم پخته شده اند تشکیل شده اند. وریستورهای مبتنی بر ZnO{2}}ویژگیهای ولتاژ جریان غیرخطی بسیار عالی را نشان میدهند، مقاومت بالا و حداقل جریان نشتی را تحت ولتاژ کاری معمولی نشان میدهند. هنگامی که ولتاژ از آستانه فراتر رفت، مقاومت به سرعت کاهش مییابد و کانالی با مقاومت پایین تشکیل میدهد که پاسخ سطح نانوثانیه- و جذب انرژی جریان زیادی را ممکن میسازد. از مزایای آن می توان به ظرفیت جریان بالا، پاسخ سریع و طول عمر طولانی اشاره کرد، اما دارای الزامات خاصی برای پایداری حرارتی تحت اضافه ولتاژ پایدار است که نیاز به طراحی قطع حرارتی یا اتلاف حرارت دارد.
وریستورهای کاربید سیلیکون (SiC) یک ماده رایج در محافظهای اولیه اضافه ولتاژ بودند که با فشار دادن ذرات SiC با یک بایندر سرامیکی و سپس تف جوشی در دماهای بالا تشکیل شدند. SiC دارای قدرت میدان الکتریکی بحرانی بالا و عملکرد خوب{1}در دمای بالا است که به آن اجازه میدهد در ولتاژهای بالاتر کار کند. با این حال، ضریب غیر خطی آن کمتر از MOV ها است و در نتیجه سرعت پاسخ نسبتاً آهسته و جریان نشتی بیشتر است. اکنون بیشتر در حفاظت ثانویه همراه با شکاف جرقه یا در محیطهای ویژه با دمای بالا استفاده میشود.
لوله های تخلیه گاز از گاز بی اثر (مانند آرگون، نئون یا مخلوطی از گازها) و الکترودهای فلزی ساخته می شوند. اصل کار آنها از تجزیه گاز تحت ولتاژ بالا برای ایجاد یک تخلیه قوس، تخلیه انرژی اضافه ولتاژ به زمین استفاده می کند. لولههای تخلیه گاز ظرفیت جریان بسیار بالایی دارند و میتوانند جریانهای موج دهها کیلو آمپر را تحمل کنند، اما زمان پاسخدهی آنها نسبتاً طولانی است و ممکن است در مدارهای DC یا فرکانس پایین دچار مشکلاتی شوند. بنابراین، آنها اغلب همراه با MOVها یا مقاومتهای محدودکننده جریان برای جبران کاستیهای یک ماده واحد استفاده میشوند.
الکترودهای شکاف تخلیه عمدتاً از مس-آلیاژ تنگستن، فولاد ضد زنگ یا نقره-روکش مس ساخته شدهاند که هدف آن تعادل نقطه ذوب بالا، رسانایی بالا و مقاومت در برابر فرسایش قوس است. ساختار شکاف می تواند به سرعت تحت ولتاژ بالا شکسته شود و یک مسیر رسانا ایجاد کند که مزایایی مانند ساختار ساده، هزینه کم و مقاومت در برابر ضربه های مکرر را ارائه می دهد. با این حال، دقت حفاظت ولتاژ پایین آن کمتر از MOV ها است و به دلیل عوامل محیطی مستعد پیری است.
لایه های کاربردی کامپوزیت در سال های اخیر به یک روند تبدیل شده اند. با پوشاندن سطح MOVها یا SiC با پوششهای پلیمری یا سرامیکی{1}}مقاوم در برابر دمای بالا، رطوبت{{2} و مقاوم در برابر شعله-یا با افزودن یک بستر عایق رسانای حرارتی در داخل، استحکام مکانیکی، سازگاری با محیط و عملکرد اتلاف حرارت بهبود مییابد. این ترکیب از مواد می تواند به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان طولانی مدت دستگاه را در محیط های بیرونی، شیمیایی و دریایی بهبود بخشد و در عین حال ویژگی های الکتریکی اصلی را حفظ کند.
به طور کلی، سیستم مواد محافظ های اضافه ولتاژ تحت سلطه MOV ها است که توسط SiC، دی الکتریک های تخلیه گاز و الکترودهای فلزی تکمیل می شود و به اهداف پاسخ سریع، تخلیه{0} انرژی بالا و عملکرد بادوام از طریق ساختارهای منفرد یا ترکیبی دست می یابد. انتخاب مناسب مواد مختلف و بهینهسازی فرآیند، محافظ را قادر میسازد تا با تهدیدات اضافه ولتاژ مختلف از-تاسیسات عمرانی ولتاژ پایین تا{3}}سیستمهای انتقال ولتاژ بالا مقابله کند، بنابراین یک مانع محافظ عایق جامد برای تجهیزات الکتریکی ایجاد میکند.
