Prenaponski štitnici su ključni uređaji u elektroenergetskim sistemima koji se koriste za suzbijanje nenormalno visokih napona i osiguravaju sigurnost izolacije opreme. Njihov princip rada zasniva se na brzoj promjeni njihovih karakteristika impedanse kada napon nenormalno poraste, usmjeravajući ili ograničavajući energiju prenapona unutar sigurnog raspona, čime se sprječava kvar izolacije ili termičko oštećenje štićene opreme. U suštini, to je zaštitni uređaj koji koristi nelinearne elemente i mehanizme prijenosa energije za postizanje dinamičkog stezanja napona.
Rad prenaponskog štitnika može se podijeliti u dva stupnja: normalno blokiranje i abnormalno provođenje. U normalnom radu sistema, napon je unutar nominalnog raspona, a komponente jezgra unutar protektora-obično metalni oksidni varistor (MOV), varistor od silicijum karbida ili praznine{2}}pokazuju karakteristike visoke impedancije, što rezultira minimalnom strujom curenja koja gotovo da nema utjecaja na rad sistema. U ovom trenutku, zaštitnik je ekvivalentan otvorenom krugu, ne utiče na normalan prijenos i distribuciju električne energije.
Kada sistem naiđe na abnormalne uslove kao što su udari groma, operacije prebacivanja, rezonancija ili povećanje napona frekvencije struje, napon trenutno ili kontinuirano premašuje postavljeni prag, a karakteristike impedancije zaštitnika se drastično mijenjaju. Uzimajući MOV kao primjer, njegova mikrostruktura se sastoji od zrna cink oksida i graničnog sloja zrna. Pod normalnim radnim naponom, granični sloj zrna održava visoku otpornost. Međutim, kada napon pređe napon varistora, barijera graničnog sloja zrna se ruši, a otpor brzo opada, formirajući kanal niske-otpornosti koji se približava kratkom spoju. Prekomjerna struja nastala prenaponom se šantira kroz ovaj kanal, a većina energije se preusmjerava u uzemljenje ili granični krug kroz zaštitnik, čime se ograničava vršni napon koji se primjenjuje na štićenu opremu unutar dopuštenog raspona i štiti izolaciju od oštećenja.
Mehanizmi provodljivosti različitih tipova zaštitnika se razlikuju. Cijevi za plinsko pražnjenje koriste ionizaciju unutrašnjeg inertnog plina pod visokim naponom da formiraju lučno pražnjenje, postižući brzu provodljivost i pražnjenje prenaponske struje, pogodno za primjene jakih-udarnih struja. Praznične praznine se oslanjaju na zrak ili vakuum između dvije elektrode kako bi formirale putanju luka kada napon premaši snagu proboja; struktura je jednostavna, ali je odziv nešto sporiji. Varistori od silicijum karbida oslanjaju se na nelinearne karakteristike materijala da provode pod prenaponom, nudeći jaku otpornost na udar, ali veću struju curenja od MOV-a. U stvarnim proizvodima, dvije ili više komponenti se često kombinuju kako bi se uravnotežila brzina odziva, trenutni kapacitet i nivo preostalog napona.
Tokom energetskog pražnjenja, zaštitnik je istovremeno podvrgnut termičkom i elektrodinamičkom uticaju. Da bi se spriječilo pregrijavanje komponenti zbog kontinuirane prekomjerne struje, mnogi zaštitnici su opremljeni termalnim okidačima ili osiguračima. Jednom kada se otkrije abnormalna temperatura ili prekomjerna akumulacija energije, zaštitni krug se može automatski isključiti kako bi se spriječilo oštećenje opreme i pružila jasna indikacija statusa.
Općenito, princip rada zaštitnika od prenapona zasniva se na promjeni karakteristike napona-struje nelinearnih komponenti. Kada dođe do nenormalno visokog napona, on brzo provodi i preusmjerava energiju, ograničavajući napon na siguran nivo i isključujući strujni krug ako je potrebno kako bi se spriječilo termičko oštećenje. Ovaj mehanizam ga čini nezamjenjivim u zaštiti od groma, preklopnom suzbijanju prenapona i koordinaciji izolacije sistema, stvarajući ključnu zaštitnu barijeru za električnu opremu i električnu sigurnost.
