Los protectores contra sobretensiones, como dispositivos cruciales para suprimir sobretensiones transitorias y transitorias en sistemas de energía, dependen en gran medida de las características eléctricas, la estabilidad térmica y la durabilidad de sus materiales centrales. Los diferentes materiales ofrecen ventajas en cuanto a velocidad de respuesta, capacidad de carga de corriente, características de absorción de energía y vida útil. La selección adecuada del material y la aplicación del compuesto son clave para mejorar el nivel de protección general del protector.
Actualmente, los principales materiales utilizados en los protectores contra sobretensión incluyen varistores de óxido metálico (MOV), varistores de carburo de silicio (SiC), medios de relleno de tubos de descarga de gas (GDT), materiales de electrodos con separación de descarga y capas funcionales compuestas. Entre estos, los MOV son el material componente central más utilizado, compuestos principalmente de óxido de zinc (ZnO) con pequeñas cantidades de bismuto, cobalto, manganeso y otros óxidos metálicos sinterizados juntos. Los varistores basados en ZnO-exhiben excelentes características de voltaje de corriente-no lineal, mostrando alta resistencia y corriente de fuga mínima bajo voltaje de funcionamiento normal. Cuando el voltaje excede el umbral, la resistencia disminuye rápidamente, formando un canal de baja-resistencia, lo que permite una respuesta de nivel de nanosegundos-y la absorción de una gran cantidad de energía actual. Sus ventajas incluyen alta capacidad de corriente, respuesta rápida y larga vida útil, pero tiene ciertos requisitos de estabilidad térmica bajo sobretensión sostenida, lo que requiere disparo térmico o diseño de disipación de calor.
Los varistores de carburo de silicio (SiC) eran un material común en los primeros protectores contra sobretensiones, formados presionando partículas de SiC con un aglutinante cerámico y luego sinterizando a altas temperaturas. El SiC tiene una alta intensidad de campo eléctrico crítico y un buen rendimiento a altas temperaturas-, lo que le permite funcionar a voltajes más altos. Sin embargo, su coeficiente no lineal es menor que el de los MOV, lo que resulta en una velocidad de respuesta relativamente lenta y una mayor corriente de fuga. Ahora se utiliza principalmente en protección secundaria combinada con explosores o en entornos especiales de alta-temperatura.
Los tubos de descarga de gas están hechos de gas inerte (como argón, neón o una mezcla de gases) y electrodos metálicos. Su principio de funcionamiento utiliza la descomposición del gas bajo alto voltaje para formar una descarga de arco, descargando la energía de sobretensión a tierra. Los tubos de descarga de gas tienen una capacidad de corriente extremadamente alta, capaz de soportar sobrecorrientes de decenas de kiloamperios, pero su tiempo de respuesta es relativamente largo y pueden experimentar problemas de seguimiento de corriente en circuitos de CC o de baja-frecuencia. Por lo tanto, a menudo se usan junto con MOV o resistencias limitadoras de corriente-para compensar las deficiencias de un solo material.
Los electrodos de la brecha de descarga están hechos principalmente de aleación de cobre-tungsteno, acero inoxidable o cobre-plateado, con el objetivo de equilibrar el alto punto de fusión, la alta conductividad y la resistencia a la erosión del arco. La estructura de separación puede romperse rápidamente bajo alto voltaje para formar un camino conductor, lo que ofrece ventajas como estructura simple, bajo costo y resistencia a impactos repetidos. Sin embargo, su precisión de protección de bajo-voltaje es inferior a la de los MOV y es susceptible al envejecimiento debido a factores ambientales.
Las capas funcionales compuestas se han convertido en una tendencia en los últimos años. Al recubrir la superficie de los MOV o SiC con recubrimientos cerámicos o de polímeros-resistentes a altas-temperaturas,-resistentes a la humedad y-ignífugos, o al agregar un sustrato aislante térmicamente conductor internamente, se mejoran la resistencia mecánica, la adaptabilidad ambiental y el rendimiento de disipación de calor. Esta combinación de materiales puede mejorar significativamente la-confiabilidad a largo plazo del dispositivo en entornos exteriores, químicos y marinos, manteniendo al mismo tiempo las características eléctricas originales.
En general, el sistema material de los protectores contra sobretensión está dominado por MOV, complementados con SiC, dieléctricos de descarga de gas y electrodos metálicos, lo que logra los objetivos de respuesta rápida, descarga de alta-energía y operación duradera a través de estructuras simples o compuestas. La selección adecuada de diferentes materiales y la optimización del proceso permiten que el protector haga frente a diversas amenazas de sobretensión que van desde instalaciones civiles de bajo-voltaje hasta sistemas de transmisión de alto-voltaje, construyendo así una barrera de protección de aislamiento sólido para equipos eléctricos.
