I dispositivi di protezione da sovratensione sono dispositivi cruciali nei sistemi di alimentazione utilizzati per sopprimere tensioni anormalmente elevate e garantire la sicurezza dell'isolamento delle apparecchiature. Il loro principio di funzionamento si basa sulla rapida modifica delle caratteristiche di impedenza quando la tensione aumenta in modo anomalo, guidando o limitando l'energia di sovratensione entro un intervallo di sicurezza, prevenendo così la rottura dell'isolamento o il danno termico all'apparecchiatura protetta. Essenzialmente, si tratta di un dispositivo di protezione che utilizza elementi non lineari e meccanismi di trasferimento di energia per ottenere un bloccaggio dinamico della tensione.
Il funzionamento di un dispositivo di protezione da sovratensione può essere suddiviso in due fasi: blocco normale e conduzione anomala. Durante il normale funzionamento del sistema, la tensione rientra nell'intervallo nominale e i componenti principali all'interno del protettore-solitamente varistori all'ossido di metallo (MOV), varistori al carburo di silicio o intervalli di scarica-presentano caratteristiche di elevata impedenza, con conseguente corrente di dispersione minima che non ha quasi alcun impatto sul funzionamento del sistema. In questo momento, il protettore equivale ad un circuito aperto, che non pregiudica la normale trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica.
Quando il sistema incontra condizioni anomale come fulmini, operazioni di commutazione, risonanza o aumenti della tensione della frequenza di alimentazione, la tensione supera momentaneamente o continuamente la soglia impostata e le caratteristiche di impedenza del protettore cambiano drasticamente. Prendendo come esempio MOV, la sua microstruttura è costituita da grani di ossido di zinco e uno strato limite di grano. Sotto la normale tensione operativa, lo strato limite del grano mantiene un'elevata resistenza. Tuttavia, quando la tensione supera la tensione del varistore, la barriera dello strato limite del grano si rompe e la resistenza diminuisce rapidamente, formando un canale a bassa-resistenza che si avvicina a un cortocircuito. La sovracorrente generata dalla sovratensione viene deviata attraverso questo canale e la maggior parte dell'energia viene deviata al circuito di messa a terra o di limitazione attraverso il protettore, limitando così la tensione di picco applicata all'apparecchiatura protetta entro l'intervallo consentito e proteggendo l'isolamento da eventuali danni.
I meccanismi di conduzione dei diversi tipi di protettori variano. I tubi a scarica di gas utilizzano la ionizzazione del gas inerte interno ad alta tensione per formare una scarica ad arco, ottenendo una conduzione rapida e una scarica di corrente di picco, adatta per applicazioni ad alto impatto di corrente-. Gli spazi di scarica si basano sull'aria o sul vuoto tra i due elettrodi per formare un percorso ad arco quando la tensione supera la resistenza alla rottura; la struttura è semplice ma la risposta è leggermente più lenta. I varistori al carburo di silicio si affidano alle caratteristiche non lineari del materiale per condurre in caso di sovratensione, offrendo una forte resistenza agli urti ma una corrente di dispersione più elevata rispetto ai MOV. Nei prodotti reali, due o più componenti vengono spesso combinati per bilanciare velocità di risposta, capacità di corrente e livello di tensione residua.
Durante la scarica di energia, il protettore è soggetto contemporaneamente ad effetti termici ed elettrodinamici. Per evitare guasti dovuti al surriscaldamento dei componenti dovuti a sovracorrente continua, molti dispositivi di protezione sono dotati di dispositivi di sgancio termico o fusibili. Una volta rilevata una temperatura anomala o un eccessivo accumulo di energia, il circuito di protezione può essere disconnesso automaticamente per prevenire danni all'apparecchiatura e fornire una chiara indicazione dello stato.
In generale, il principio di funzionamento dei dispositivi di protezione da sovratensione si basa sulla variazione caratteristica di tensione-corrente dei componenti non lineari. Quando si verifica una tensione anormalmente elevata, conduce e devia rapidamente l'energia, limitando la tensione a un livello sicuro e scollegando il circuito, se necessario, per evitare danni termici. Questo meccanismo lo rende insostituibile nella protezione contro i fulmini, nella soppressione delle sovratensioni di commutazione e nel coordinamento dell'isolamento del sistema, creando una barriera protettiva fondamentale per le apparecchiature elettriche e la sicurezza elettrica.
