Устройства защиты от перенапряжения, как важнейшие устройства для подавления переходных и переходных перенапряжений в энергосистемах, в значительной степени зависят от электрических характеристик, термической стабильности и долговечности материалов их сердечника. Различные материалы имеют преимущества в скорости срабатывания, допустимой нагрузке по току, характеристиках поглощения энергии и сроке службы. Правильный выбор материала и применение композита являются ключом к повышению общего уровня защиты протектора.
В настоящее время основные материалы, используемые в устройствах защиты от перенапряжения, включают металлооксидные варисторы (MOV), карбидокремниевые (SiC) варисторы, наполнитель газоразрядных трубок (GDT), материалы электродов разрядного промежутка и композиционные функциональные слои. Среди них MOV являются наиболее широко используемым материалом основного компонента, в основном состоящим из оксида цинка (ZnO) с небольшими количествами спеченных вместе оксидов висмута, кобальта, марганца и других металлов. Варисторы на основе ZnO-обладают превосходными нелинейными токо-вольтовыми характеристиками, демонстрируя высокое сопротивление и минимальный ток утечки при нормальном рабочем напряжении. Когда напряжение превышает пороговое значение, сопротивление быстро уменьшается, образуя канал с низким-сопротивлением, обеспечивающий реакцию на наносекундном-уровне и поглощение большой энергии тока. Его преимущества включают высокую допустимую силу тока, быстрый отклик и длительный срок службы, но к нему предъявляются определенные требования к термической стабильности при длительном перенапряжении, что требует теплового отключения или конструкции рассеивания тепла.
Варисторы из карбида кремния (SiC) были распространенным материалом в первых устройствах защиты от перенапряжения, их формировали путем прессования частиц SiC с керамическим связующим и последующего спекания при высоких температурах. Карбид кремния обладает высокой критической напряженностью электрического поля и хорошими -температурными характеристиками, что позволяет ему работать при более высоких напряжениях. Однако его коэффициент нелинейности ниже, чем у MOV, что приводит к относительно медленной скорости отклика и большему току утечки. Сейчас он в основном используется во вторичной защите в сочетании с искровыми разрядниками или в особых средах с высокими-температурами.
Газоразрядные трубки изготавливаются из инертного газа (например, аргона, неона или смеси газов) и металлических электродов. Принцип их работы основан на пробое газа под высоким напряжением с образованием дугового разряда, отводящего энергию перенапряжения на землю. Газоразрядные трубки имеют чрезвычайно высокую токовую мощность и способны выдерживать импульсные токи в десятки килоампер, но время их срабатывания относительно велико, и они могут испытывать проблемы с последующим током в цепях постоянного тока или низких-частотных цепях. Поэтому их часто используют в сочетании с варисторами или токоограничивающими резисторами, чтобы компенсировать недостатки одного материала.
Электроды разрядного промежутка в основном изготавливаются из медного-вольфрамового сплава, нержавеющей стали или посеребренной-меди, чтобы сбалансировать высокую температуру плавления, высокую проводимость и устойчивость к дуговой эрозии. Структура с зазором может быстро разрушаться под высоким напряжением, образуя проводящий путь, предлагая такие преимущества, как простая структура, низкая стоимость и устойчивость к повторяющимся воздействиям. Однако точность защиты от низкого-напряжения уступает варисторам и подвержена старению из-за факторов окружающей среды.
Композитные функциональные слои стали тенденцией последних лет. Покрытие поверхности MOV или SiC высоко-температуростойким, влагостойким-и огнестойким-огнестойким полимерным или керамическим покрытием или добавлением теплопроводящей изолирующей подложки внутри повышает механическую прочность, адаптируемость к окружающей среде и эффективность рассеивания тепла. Такое сочетание материалов может значительно повысить долгосрочную-надежность устройства при эксплуатации на открытом воздухе, в химической и морской среде, сохраняя при этом исходные электрические характеристики.
В целом, в системе материалов устройств защиты от перенапряжения преобладают варисторы, дополненные карбидом кремния, газоразрядными диэлектриками и металлическими электродами, что позволяет добиться быстрого реагирования, высокой-энергии разряда и долговечности за счет одиночных или составных структур. Соответствующий выбор различных материалов и оптимизация процесса позволяют устройству защиты справляться с различными угрозами перенапряжения, начиная от гражданских объектов низкого-напряжения и заканчивая системами передачи высокого-напряжения, создавая тем самым прочный изоляционный защитный барьер для электрооборудования.
