تعد واقيات الجهد الزائد من الأجهزة المهمة في أنظمة الطاقة المستخدمة لقمع الفولتية العالية بشكل غير طبيعي وضمان سلامة عزل المعدات. يعتمد مبدأ عملها على التغيير السريع لخصائص المعاوقة عندما يرتفع الجهد بشكل غير طبيعي، مما يؤدي إلى توجيه أو الحد من طاقة الجهد الزائد ضمن نطاق آمن، وبالتالي منع انهيار العزل أو الضرر الحراري للمعدات المحمية. في الأساس، إنه جهاز وقائي يستخدم عناصر غير خطية وآليات نقل الطاقة لتحقيق تثبيت الجهد الديناميكي.
يمكن تقسيم تشغيل واقي الجهد الزائد إلى مرحلتين: الحجب الطبيعي والتوصيل غير الطبيعي. في ظل التشغيل العادي للنظام، يكون الجهد الكهربي ضمن النطاق المقدر، والمكونات الأساسية داخل الواقي-عادةً ما تكون مقاومات أكسيد المعدن (MOVs)، أو مقاومات كربيد السيليكون، أو فجوات التفريغ- تظهر خصائص مقاومة عالية، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من تسرب التيار الذي ليس له أي تأثير تقريبًا على تشغيل النظام. في هذا الوقت، يعادل الحامي دائرة مفتوحة، ولا يؤثر على النقل والتوزيع الطبيعي للطاقة الكهربائية.
عندما يواجه النظام ظروفًا غير طبيعية مثل الصواعق أو عمليات التبديل أو الرنين أو زيادة جهد تردد الطاقة، يتجاوز الجهد بشكل مؤقت أو مستمر العتبة المحددة، وتتغير خصائص المعاوقة للواقي بشكل كبير. إذا أخذنا MOV كمثال، فإن بنيتها المجهرية تتكون من حبيبات أكسيد الزنك وطبقة حدودية للحبيبات. تحت جهد التشغيل العادي، تحافظ الطبقة الحدودية للحبيبات على مقاومة عالية. ومع ذلك، عندما يتجاوز الجهد جهد المكثف، ينهار حاجز الطبقة الحدودية الحبيبية، وتنخفض المقاومة بسرعة، مما يشكل قناة مقاومة منخفضة -تقترب من دائرة قصر. يتم تحويل التيار الزائد الناتج عن الجهد الزائد من خلال هذه القناة، ويتم تحويل معظم الطاقة إلى دائرة التأريض أو الحد من خلال الحامي، وبالتالي الحد من ذروة الجهد المطبق على المعدات المحمية ضمن النطاق المسموح به وحماية العزل من التلف.
تختلف آليات التوصيل لأنواع مختلفة من الحماة. تستخدم أنابيب تفريغ الغاز تأين الغاز الخامل الداخلي تحت الجهد العالي لتكوين تفريغ قوسي، مما يحقق التوصيل السريع وتفريغ التيار الزائد، وهو مناسب لتطبيقات تأثير التيار العالي-. تعتمد فجوات التفريغ على الهواء أو الفراغ بين القطبين لتشكيل مسار قوسي عندما يتجاوز الجهد قوة الانهيار؛ الهيكل بسيط ولكن الاستجابة أبطأ قليلاً. تعتمد مقاومات كربيد السيليكون على الخصائص غير الخطية للمادة لتعمل تحت الجهد الزائد، مما يوفر مقاومة قوية للصدمات ولكن تيار تسرب أعلى من MOVs. في المنتجات الفعلية، غالبًا ما يتم دمج مكونين أو أكثر لتحقيق التوازن بين سرعة الاستجابة والسعة الحالية ومستوى الجهد المتبقي.
أثناء تفريغ الطاقة، يتعرض الحامي في نفس الوقت للتأثيرات الحرارية والكهروديناميكية. لمنع فشل ارتفاع درجة حرارة المكونات بسبب التيار الزائد المستمر، تم تجهيز العديد من أدوات الحماية بأجهزة فصل حراري أو صمامات. بمجرد اكتشاف درجة حرارة غير طبيعية أو تراكم مفرط للطاقة، يمكن فصل دائرة الحماية تلقائيًا لمنع تلف المعدات وتوفير إشارة واضحة للحالة.
بشكل عام، يعتمد مبدأ عمل واقيات الجهد الزائد على التغير المميز للجهد-التيار للمكونات غير الخطية. عندما يحدث جهد عالي بشكل غير طبيعي، فإنه يقوم بتوصيل الطاقة وتحويلها بسرعة، مما يحد من الجهد إلى مستوى آمن، ويفصل الدائرة إذا لزم الأمر لمنع الضرر الحراري. هذه الآلية تجعلها لا يمكن استبدالها في الحماية من الصواعق، وتبديل قمع الجهد الزائد، وتنسيق عزل النظام، وبناء حاجز وقائي حاسم لمعدات الطاقة والسلامة الكهربائية.
