(57)【要約】【課題】  超常電磁パルスが発送電システムの電気コンポーネントに到達してこれを動作不能に陥らせないようにするための方法および装置を提供する。【解決手段】  本発明の１つの態様では、コンポーネントはパルスを受電するシステムの伝送路上に位置している。本方法および本装置はパルスが電気コンポーネントに到達して動作不能に陥らせる前に導電路におけるパルスの存在を検出するステップ又は手段を含む。パルスが電気コンポーネントに到達してこれを動作不能にする前に、パルスは電気コンポーネントより低インダクタンス大電流容量の回路を迂回して流れる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発送電システムの電気コンポーネントに超常電気パルスが到達してこれを動作不能に陥らせるのを防止するための方法であって、前記コンポーネントは前記パルスを受電する前記システムの伝送経路上に配置されており、前記方法は以下のステップを含む：
ａ）前記電気コンポーネントに前記パルスが到達して動作不能にする前に前記伝送系路上の前記パルスの存在を検出するステップと、
ｂ）前記パルスが前記電気コンポーネントに到達して動作不能にする前に前記電気コンポーネントに比して低インダクタンス大電流容量の回路を用いて前記電気コンポーネントから前記パルスを迂回させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記伝送系路はさらに第２の電気コンポーネントを含み、さらに以下のステップを含む：
ａ）前記パルスが前記第２の電気コンポーネントに到達して動作不能にする前に前記伝送系路上の前記パルスの存在を検出するステップと、
ｂ）前記パルスが前記第２の電気コンポーネントに到達して動作不能にする前に前記第２の電気コンポーネントに比して第２の低インダクタンス大電流容量の回路を用いて前記第２の電気コンポーネントから前記パルスを迂回させるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の電気コンポーネントと前記第２の電気コンポーネントはそれぞれ変圧器又は発電機を含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記検出するステップは前記伝送系路上において大地に向かって前記電力システム内を移動する前記パルスから発生する過電圧状態を検出するステップを含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記検出するステップは前記大地から前記電気コンポーネントに向かって移動する前記パルスから発生する過電流条件を検出するステップを含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記検出するステップと前記迂回させるステップは５００ピコ秒未満で行われる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項７】
前記低インダクタンス回路は双方向性である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項８】
ａ）前記低インダクタンス回路は、円筒状の内側電極とこれの周囲を包囲する第１の円筒状グリッドと、さらにその周囲を包囲する第２の円筒状グリッドと、さらにその周囲を包囲する円筒状の外側電極とを含むスイッチを含み、前記内側と外側の電極及び前記第１と第２のグリッドは共通の主軸を共有することと、
ｂ）前記内側電極から前記第１のグリッドまでの半径方向の間隔は横断方向の電磁モードをサポートする環状のウェーブガイドをこれらの間に作成可能な間隔であって、前記第２のグリッドと前記外側電極の間の間隔は横断方向の電磁モードをサポートする環状のウェーブガイドをこれらの間に作成可能な間隔であることと、
ｃ）前記第１のグリッドと前記第２のグリッドの間の半径方向の間隔は想定している動作電圧において前記第１と第２のグリッドの間のフラッシュオーバーを防止するのに十分であることと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記スイッチはリエントラント管ソケットに取り付けられて一対の導電性トップハット形状ソケットを含み、そのそれぞれは一端でほとんど閉じており開放端がリム部分で囲まれた円筒状の形状の部分を備え、前記開放端は互いに向き合い前記リム部分が前記スイッチの電極として用いられる
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記スイッチは真空エンクロージャに取り付けられて第１と第２の導電性筐体セクションを含み、その各々は装置的かつ電気的に中間導電性取り付けフランジへ連結されている
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
ａ）連続導体経路は前記第１と第２の筐体セクションおよび中間取り付けフランジを貫通し、
ｂ）前記連続導体は前記円筒状内側電極を支持する
ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記スイッチは更に前記真空エンクロージャ内部に形成されたRF抑圧フィルタを含み、前記フィルタは少なくとも第１のコンデンサプレートを形成する前記連続導体の外側表面と、前記第１と第２の筐体セクションの一方又は両方に装置的かつ電気的に接続された筒状導体で形成される第２のコンデンサプレートの間で形成される
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記低インダクタンス回路は単方向である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項１４】
前記迂回の発生に続けて、前記電気コンポーネントに印加された回線電圧の２サイクルを超えない所定の時間間隔の後で、前記第１と第２の低インダクタンス大電流容量回路を含む回路から前記電気コンポーネントを絶縁するステップを更に含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項１５】
前記絶縁するステップは前記導電性経路上のGICの結果として過電流を検出したことから開始される
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記絶縁するステップは前記導電性経路上のNEMP又はNNEMPの結果として過電圧を検出したことから開始される
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
ａ）前記低インダクタンス回路はスイッチを含み、前記スイッチは細長い導電性のステンレス鋼コアから形成され、共形的導電性クローム・シース層で被覆され、前記クローム・シース層がさらに共形的導電性銅シース層で被覆される自己支持導体上に縦方向に取り付けられたスイッチを含むことと、
ｂ）前記自己支持導体の一端が大地に接続されることと、
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項１８】
前記導電性銅シースは共形的耐蝕性誘電体保護層によって被覆される
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記自己支持導体の主軸に沿った断面が前記主軸に沿って半径の長さに丸めたエッジを有するフラットな長方形実体を画成する
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
超常電磁パルスが電力発送電システムの電気コンポーネントに到達してこれを動作不能にするのを防止するための装置であって、前記コンポーネントは前記パルスを受電する前記システムの伝送系線路上に配置されており、前記方法は
ａ）前記パルスが前記電気コンポーネントに到達してこれを動作不能にする前に前記伝送系線路上で前記パルスの存在を検出するための手段と、
ｂ）前記パルスが前記電気コンポーネントに到達してこれを動作不能にする前に前記電気コンポーネントに比して相対的に低インダクタンス大電流容量回路を用いて前記パルスを前記コンポーネントから迂回させる手段と
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２１】
前記伝送系線路はさらに第２の電気コンポーネントも含み、さらに
ａ）前記パルスが前記第２の電気コンポーネントに到達してこれを動作不能にする前に前記伝送系線路上で前記パルスの存在を検出するための手段と、
ｂ）前記パルスを前記第２の電気コンポーネントから迂回させるための、前記パルスが前記第２の電気コンポーネントに到達してこれを動作不能にする前に前記第２の電気コンポーネントに比して相対的に第２の低インダクタンス大電流容量の回路を用いて迂回させる手段と
をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１と前記第２の電気コンポーネントはそれぞれが変圧器又は発電機を含む
ことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記検出手段は前記発送電システムを移動して大地に向かう前記パルスから発生する前記伝送系線路上での過電圧条件を検出するための手段を含む
ことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記検出手段は前記大地から前記電気コンポーネントに向かって移動する前記パルスから発生する過電流条件を検出するための手段を含む
ことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記検出ステップと前記迂回ステップは５００ピコ秒未満で行われる
ことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項２６】
前記低インダクタンス回路は双方向性である
ことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の装置であって、
ａ）低インダクタンス回路はスイッチを含み、当該スイッチは円筒状内側電極が第１の円筒状グリッドで包囲され、さらにこれが第２の円筒状グリッドで包囲され、さらにこれが円筒状外側電極で包囲され、前記内側と外側の電極及び前記第１と第２のグリッドは共通の主軸を共有することと、
ｂ）前記内側電極から前記第１のグリッドまでの半径方向の距離は、これらの間に環状のウェーブガイドが形成され横断方向の電磁モードを支持するようにしてあることと、前記第２のグリッドと前記外側電極の間の間隔は環状のウェーブガイドが形成され横断方向の電磁モードを支持するようにしてあることと、
c）前記第１のグリッドと前記第２のグリッドの間の半径方向の間隔は想定される動作電圧で前記第１と第２のグリッドの間でのフラッシュオーバーが発生しないようにするのに十分なものである
ことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記スイッチはリエントラント管ソケットに取り付けられ、ソケットには一対の導電性トップハット形状ソケットを含み、そのそれぞれは一端でほぼ封止され他端ではリム部分によって包囲された開放端を有する円筒状の形状の部分を備え、前記開放端は互いに対向し前記リム部分は前記スイッチの電極として機能することと、
を含むことを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記スイッチは真空エンクロージャに装着され、第１と第２の導電性筐体セクションを含み、その各々は中間導電取り付けフランジへ装置的かつ電気的に接続される
ことを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
請求項２９の装置であって、
ａ）連続導体は前記第１と第２の筐体セクションおよび中間取り付けフランジを貫通し、
ｂ）前記連続導体は前記円筒状内側電極を支持する
ことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記スイッチは更に前記真空エンクロージャ内部に形成されたRF抑圧フィルタを含み、前記フィルタは少なくとも第１のコンデンサプレートを形成する前記連続導体の外側表面と、前記第１と第２の筐体セクションの一方又は両方に装置的かつ電気的に接続された筒状導体で形成される第２のコンデンサプレートの間で形成される
ことを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記低インダクタンス回路は単方向性である
ことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項３３】
前記迂回の開始に続けて、前記電気コンポーネントに印加される回線電圧の２サイクルを超えない所定の時間間隔の後で、前記第１と第２の低インダクタンス大電流容量回路を含む回路から前記電気コンポーネントを絶縁するための手段をさらに含む
ことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項３４】
前記絶縁手段は前記伝送系線路上のGICの結果として検出された過電流に応答する
ことを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記絶縁手段は前記伝送系線路上のNEMP又はNNEMPの結果として検出された過電圧に応答する
ことを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
ａ）前記低インダクタンス回路は、スイッチを含み、前記スイッチは細長い導電性ステンレス鋼コアから形成される自己支持導体上に縦方向に取り付けられ、前記コアは共形的導電性クローム・シース層で被覆され、さらに共形的導電性銅シース層により被覆されることと、
ｂ）前記自己支持導体の一端が大地に接地接続されること
をふくむことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項３７】
前記導電性銅シースは共形的耐蝕性誘電保護層で被覆される
ことを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
主方向に沿った前記自己支持導体の断面は前記主方向に沿って半径寸法に丸めたエッジを有する平坦な長方形実体を画成する
ことを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３９】
高速電流シャントであって、
ａ）平坦な導電性金属ストラップを含み、前記ストラップの各端には第１と第２の電極を備え、前記ストラップを通して電流を受電するための外部回路への接続を行えるようにしてあり、前記ストラップは第１の直線部分から第２の直線部分へ前記ストラップの全長に沿って延在する画成された電流測定領域を有するストラップと、
ｂ）テーパー状並列プレート送電線マッチング・トランスを含み、当該トランスは
ｉ）形状においてテーパー状の第１と第２のプレートであって、相互に対して相対的に広い端部と狭い端部を有し、それぞれのテーパー状プレートは前記金属ストラップの幅の約１０倍の長さを有する第１と第２のプレートと、
ｉｉ）前記第１のプレートはその広い方の端部で前記画成された測定領域の前記第１の直線部分にハンダにより取り付けられ、前記第２のプレートはその広い方の端部で前記画成された測定領域の前記第２の直線部分にハンダにより取り付けられることと、
ｉｉｉ）中心導体がハンダにより前記第１のプレートの狭い方の端部に取り付けられ、シールドが前記第２のプレートの狭い方の端部にハンダにより取り付けられる同軸ケーブルと
を含むことを特徴とする高速電流シャント。
【請求項４０】
前記ハンダは重量比５％を超える銀含量の銀ハンダのそれと少なくとも同じ程度に高い導電性を有する
ことを特徴とする請求項３９に記載のシャント。
【請求項４１】
前記導電性金属ストラップは重量比少なくとも９４％の銅含有量を有する市販グレードの銅のそれと少なくとも同じ程度に高い導電性を有する
ことを特徴とする請求項３９に記載のシャント。
【請求項４２】
請求項３９に記載のシャントであって、前記ストラップと前記第１のプレートの前記広い方の端部の接合点から前記第１のプレートの前記狭い方の端部を超えて前記同軸ケーブルの中心導体の下でこれとほぼ並行に長さ方向の全長に沿って延在するスロット内へと延在する前記第１のプレートの下に配置された第１の電気絶縁をさらに含む
ことを特徴とする請求項３９に記載のシャント。
【請求項４３】
請求項３９に記載のシャントであって、前記ストラップと前記第２のプレートの前記広い方の端部との接合点から前記同軸ケーブルに向かう方向へ、前記第２のプレートの全長の半分未満にならない長さで延在する前記第２のプレートの下の第２の電気絶縁をさらに含む
ことを特徴とする請求項３９に記載のシャント。
【請求項４４】
前記テーパー状プレートのそれぞれの幅は前記平坦な金属ストラップの幅とほぼ等しい
ことを特徴とする請求項３９に記載のシャント。
【請求項４５】
前記同軸ケーブルのインピーダンスは５０オームである
ことを特徴とする請求項３９に記載のシャント。
【請求項４６】
前記同軸ケーブルの直径は少なくとも１２．７７ミリメートルである
ことを特徴とする請求項３９に記載のシャント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は超常電磁パルスから電力システムを保護するための方法および装置についてCurtis A. Birnbachによる２００９年９月４日付米国特許出願第１２／５５４，８１８号の部分継起出願である。本出願はさらにCurtis A. Birnbachによる電磁パルス保護のための方法および装置に関する２００８年９月１９日付け出願の米国特許出願第６１／１９２，５９１号からの優先権も主張するものである。
【０００２】
本発明は、例えば核爆発や太陽嵐から発生する超常電磁パルス（EEMP）が電力発電および送電システムの電気コンポーネントに到達してこれらを動作不能に陥らせるのを防止するための方法および装置に関連する。さらに詳しく説明すると、超常電磁パルス（EEMP）は充分な強度の核爆発（NEMP）や非核電磁パルスから発生して発電システムの電気コンポーネントに到達してこれらを動作不能にするトランジェント・パルスとして定義され、集合的にEMPとよばれるもの、又は太陽嵐からのコロナ質量放出の結果としての地磁気誘導電流（GIC）として定義される。本発明のさらなる態様は高速電流シャントに関連し、これを用いてGICパルスの検出を行なうことが出来る。
【背景技術】
【０００３】
現代社会に対する発電システムの性質は良く理解されている。例えば、アメリカ合衆国に対する電磁パルス（EMP）攻撃からの脅威の評価に関する委員会報告、重要な国内インフラストラクチャ、２００８年４月米国印刷局では１７頁で以下のように述べている。
社会機能および経済は電力の利用にきわめて重度に依存している。基本的に米国社会の全ての側面が機能するために電力を必要としている。現代の米国社会は約３億人の米国人に対して電気なしで要求に提供するようには組織されておらずまたそのような手段も備えていない。継続的な電力供給は給水、食品、燃料、通信、米国経済の一部を成すその他全ての製造と配給に必須である。非常にせまい周波数境界内での連続的で高信頼性の電力供給は米国や高度先進国の継続的存在と成長の必須要素である。
【０００４】
前述の委員会報告では更に核爆発により発生する電磁パルスによる発送電システムへの攻撃の脅威についても議論しており、地磁気嵐による発送電システムへの自然発生的脅威についても言及している。委員会報告の１８頁。本明細書で用いているように、発送電システムは電力を発生するためのシステム、その電力を短距離から長距離に亙って伝送するシステム、またその電力を利用者に配分するためのシステムを指す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
刊行されている経験的データによれば、一般にEMP事象は発送電システムの各種コンポーネントを動作不能にすることが受容されている。こうした電気コンポーネントのうちの２つである電力を発生するための発電機と、送電又は配電に必要とされる電圧レベルまでステップアップ又はステップダウンする電気トランスは明らかに最重要である。発電機又はトランスが動作停止した場合、電力システムが故障し我々の知っている社会は終焉する。双方のコンポーネントは、これらからの要求が普通であれば、すなわち想定される製品寿命後に故障が発生した場合、建造に長い先行時間が必要とされる（例えばトランスであれば３〜５年、発電機では１０年まで）。しかし、EMP事象から発生する早期の障害に起因するのであれば発電機とトランスに対する要求が急激に高まり、これらを建造するための先行時間は更に増大し劇的とすら呼ばれるようになる。
【０００６】
したがって各種態様のEMPが給電システムのコンポーネントに到達してこれを動作不能に陥らせるのを防止するための方法を提供するのが望ましい。各種態様のEMPとしては核電磁パルス事象（NEMP）や、非核電磁パルス事象（NNEMP）といった、５００ピコ秒未満の立ち上がり時間で空間強度（例えばメートル当たり２０ボルトを超える場合）上記で述べたような電力発送電システムのコンポーネントに到達してこれを動作不能に陥らせるのに充分なパルスを発生する事象から発生する望ましくない過渡的電磁パルス、又は太陽嵐のコロナ質量放出から発生する地磁気誘導電流（GIC）、又はその他のEMP事象が挙げられる。これらのEMPは本明細書においては超常電磁パルス（EEMP）に分類することにする。
【０００７】
従来技術における別の問題点としては、高速電流パルス例えばGICをいかに正確に測定するかに関連する。従来技術の高速電流パルス測定方法はほとんど推定によるものである。アメリカ国立標準技術研究所（NIST）は推定的測定ではなく可能な限り直接測定法を推奨している。推定的測定技術に関連した数値計算では、生データの補正における誤差混入の確率が増加したまま実際の測定に推定的に到達する。これは必要とされる数値計算が複雑であることによるためで、計算を単純化する傾向が存在し、この処理はほぼ必発で誤差の導入につながる。
【０００８】
高精度高速電流シャントを有する優位な３つの理由は以下の通りである。
１．機器の製造をガイドしてEEMPイベントから電力系の電気機器を保護するリアルタイム・モニタリング手段を提供する。
２．制御回路用に高速出力を提供する。
３．システムオペレータにEEMPイベントを通知する高速出力を提供する。
【０００９】
従って、高速電流パルス測定用の直接技術を提供するのが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１つの態様では超常電磁パルスが電力システムの電気機器に到達してこれを動作不能にするのを防止するための方法および装置を提供し、当該電気機器はパルスを受電する電力システムの導電路上に位置するものとする。本発明の方法および装置はパルスが電気機器に到達して動作不能にする前に導電路上でのパルスの存在を検出するステップ又は手段を含む。パルスが電気コンポーネントに到達してこれを動作不能にする前に、電気コンポーネントに比して低インダクタンス大電流容量の回路を用いて電気コンポーネントから迂回させる。
【００１１】
前述の方法および装置は各種のEEMPが発送電システムの各種コンポーネントに到達してこれらを動作不能に陥らせるのを防止する。
【００１２】
本発明の別の態様では高速電流シャントを提供し、当該シャントは画成された電流測定領域を有する平たい導電性金属ストラップと、電流測定領域に接続されたテーパー状の平行プレート伝送線マッチング・トランスと、同軸ケーブル経由の出力とを有する。
【００１３】
前述の電流シャントは有利にも高速電流パルスの直接測定技術を提供し、前記第１の発明で使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１Ａから図１Ｃは電力送電グリッドの代表的な部分を示し、またグリッドが受電する可能性のある超常電磁パルス（EEMP）の様々な種類を示す。
【００１５】
図１Ａは本発明によってEEMPから保護することが可能なＡＣ電力送電グリッド１０の一部を示す。グリッド１０は送電鉄塔１４ａ，１４ｂから懸垂している送電線１２を含み、送電線の間隔は図示してあるよりも大幅に広いのが普通である。変圧器１６、１８はそれぞれ送電線１２の両端に配置されるのが普通である。それぞれの変圧器は例えばＹ接続３相変圧器のうちの１相を含む。それぞれの変圧器１６，１８の下側に図示してある電極はそれぞれ接地２０に接続されるように図示してある。典型的には、それぞれの接地は地中に埋設した電気導体を含み、大地に対するより堅牢な接続ができるようにしてある。本発明の効果を増大する目的でいっそう堅固な接地を保証するためには、硫化銅の過飽和溶液などの導電性物質を地中に注入するのが望ましい。
【００１６】
図１Ｂには図１のグリッド１０が図示してあり、核電磁パルス（NEMP）又は非核電磁パルス（NNEMP）といった種類のEEMP２２を受電する送電線１２も図示してある。パルス２２はこれに関連して矢印が図示してあり、パルスの移動する方向を示している。送電線１２で受電した後、NEMP又はNNEMP２２は、それぞれが変圧器１６，１８と接地２０を含む２つの送電線２４又は２６のうちのどちらかに沿って流れる。NEMP又はNNEM２２は通常変圧器１６，１８の電流処理能力を大幅に超えた電流を送電線２４又は２６に誘導することがあり、これによってNEMP又はNNEMP２２を変圧器から迂回させない限り変圧器は動作不能に陥る。
【００１７】
図１Ｃでは図１のグリッドを示し、地磁気誘導電流（GIC）の種類のEEMPを送電線１２が受電している。このパルスは参照番号２８で図示してあり、パルスの移動方向はこれに付随する矢印で示してある。送電線１２で受電した後、GICパルス２８はそれぞれが接地と変圧器１６，１８を含む２つの送電線のうちのいずれかに沿って流れる。GICパルス２８は変圧器１６，１８の電流処理能力を大幅に超えた電流を銅電路３０又は３２に誘導するのが普通で、これによってGICパルス２８が変圧器を迂回して流れない限り変圧器は動作不能に陥る。
【００１８】
図２Ａは図１の簡略版の図を示してあり、様々な電流迂回路３６，３８，４０が示してある。電流迂回路３６，３８はそれぞれ変圧器１６，１８から電流を迂回させる。オプションとして電流迂回路４０はEEMPを受電した送電線１２の一部から電流を迂回させることにより送電線１２のこれらの部分がEEMPによって動作不能に陥るのを防止する。電流経路３６，３８，４０のそれぞれは、グリッド１０のそれぞれ関連する電気機器に比して低インダクタンス大電流容量回路を構成しており、これがスイッチ３７ａ，３９ａ，又は４１ａとして模式的に図示してある。このように、EEMPがグリッド内の電気コンポーネントを動作不能に陥らせる前に、変圧器１６，１８から、またEEMPを受電した送電線１２の一部から、EEMPを迂回させることが出来る。
【００１９】
図２Ｂは図２Ａの電流迂回路をさらに詳細に図示している。電流迂回路３６はスイッチ３７ａとスイッチコントローラ３７ｂから構成され詳細については後述するような保護装置３７を含む。変圧器１６の上側ノード１６ａと線路３６の間の長さ４２は、物理的に可能な限り短くするのが望ましく、こうすることで変圧器１６と電流迂回路３６の間の距離４３を最小限にすることができる。電流迂回路３６の立ち上がり時間を十分高速にしておき、損傷を与えるようなパルスが保護される機器に到達する前に迂回回路の経路が完成するようにしておく。また、電流迂回路３６と平行に真空コンデンサ（図示していない）を設け、普通のEMP例えば小さなトランジェントなどを抑圧することも望ましい。本明細書で説明するその他の電流迂回路についてもこのことが当てはまる。
【００２０】
図２Ｃに図示してあるように、スイッチ３７ａはバイトロン４４として知られる双方向高電圧冷陰極電界効果型双方向電子管で実施可能である。「バイトロン」という名称は本発明の発明者により登録商標に登録されており、その構造については後述する。これ以外に、図２Ｄに図示してあるように、スイッチ３７ａは一対のバックツーバック接続高電圧冷陰極電界効果型三極管として実現することができる。スイッチ３７ａ（図２Ｂ）の双方向性により接地２０に対する送電線１２回線電圧の極性と関係なくスイッチを投入することができるようになる。これにより送電線１２のＡＣ回線電圧の１／２周期までのスイッチ３７ａの投入遅延を防止する。スイッチ３７ａの双方向性はまた、図１Ｂにあるように、変圧器１６（又はその他の保護されるべき電気機器）を下向きに通過するEEMPをスイッチが導通させるのが望ましく、又は図１Ｃにあるように変圧器１６（又はその他の電気コンポーネント）を上向きに通過するEEMPをスイッチが導通させるのが望ましい。
【００２１】
図２Ｃに図示してあるように、バイトロン４４の電極は第１と第２のカサノード１３２，１３６、第１と第２のグリッド１０２，１１０を含む。図２Ｄに図示してあるように、高電圧冷陰極電界効果型三極管４５ａ，４５ｂのそれぞれの電極はアノード１００，グリッド１０２，カソード１０４を含む。
【００２２】
NEMP、NNEMP、GICから保護する上で、図２Ｃのバイトロン又は図２Ｄのバックツーバック接続高電圧冷陰極電界効果型三極管のいずれかを、ＡＣ送電線に適用するのと同様にＤＣ送電線にも等しく適用可能である。これはGICパルスに対してEMPの電流が流れる方向が違うことによるもので、図１Ｂおよび図１Ｃに図示したとおり、双方向スイッチング手段が必要である。両方のスイッチとも１００ピコ秒未満の立ち上がり時間を有するのが好ましく、これでNEMPやNNEMPから保護することができるようになる。有意に立ち上がり時間が遅いスイッチはNEMPやNNEEMPを抑圧するのには有効ではない。立ち上がり時間が遅くなるほど保護されるべき電気コンポーネントが損傷を被る確率が増加する。
【００２３】
図２Ａおよび図２Ｂに図示してあるように、電流迂回路３６での適切なスイッチ３７ａにはいくつか設計条件がある。EEMPが、例えば図２Ａの変圧器１６，１８など、保護されるべき電気コンポーネントを動作不能に陥らせる前に、スイッチが投入される必要があり、またEEMPで典型的な大電流を処理する必要がある。図２Ｅと図２Ｆはそれぞれ核電磁パルス（NEMP）の典型的波形と地磁気誘導電流から発生するEEMPの典型的波形を図示している。これらの図面を提示したのは、スイッチ３７ａと３９ａの要件を考慮するためと、またこうしたパルスから保護しようとする電気コンポーネントからEEMPを迂回させるために本明細書で説明している同様なスイッチを考慮するためである。
【００２４】
図２ＥはNEMP４６を示し、また当該NEMPのシーケンシャルなステージ４６ａ、４６ｂ、４６ｃも示す。ステージ４６ａの間には、たとえば、NEMP４６が１００ピコ秒未満の時間で電界強度が２０ボルト／メートルを十分に超える大きさになる。このように高速な立ち上がり時間で２０ボルト／メートルに等しいか又はこれより大きな振幅のパルスは、それがNEMPであってもNNEMPであっても、これから保護しなければならない。立ち上がり時間が１００ピコ秒未満の高速スイッチング手段を使用して、NEMP４６又はNNEMP（図示していない）により電気コンポーネントが動作不能に陥るのを防止する必要がある。受け入れ可能な立ち上がり時間４７は約８０ピコ秒である。１００ピコ秒より有意に長い立ち上がり時間では、保護しようと企図しているコンポーネントが損傷を受ける可能性が高い。この可能性は立ち上がり時間が長くなるほど増大する。
【００２５】
図２Ｅに図示したNEMP波形は、EMPとして、またさらに特定すればNEMPおよびNNEMPとして、共通に知られる波形クラスの代表的構成要素である。これらの波形はそれぞれユニークなものだが、集合的には重要な共通の特性、例えば高速の立ち上がり時間などを共有している。NEMPとNNEMPが共通の特性（例えば立ち上がり時間）を共有しており、本発明と保護される電気機器の視点から、これらが識別不可能であることを認識するのが重要である。
【００２６】
図２ＦはGICパルスから発生するEEMP４８の電流対時間波形を示し、これはフィンランドで１９９９年１月１３日に発生したGICの実際の記録である。図２Ｆから、どちらの波形も発送電システムに対して潜在的に損傷を与えるトランジェントを誘導することが可能であることが分かる。
【００２７】
図３は例えばΔ接続３相回路に見られるように接地に対してフロートしている入力又は出力を有するような保護すべき電気機器を示す。つまり、図3は出力線５０ａと５０ｂにＡＣ出力が発生する発電機５０と、左側に図示した巻線が線５０ａと５０ｂに接続され、出力巻線が出力線５２ａと５２ｂに接続されている変圧器５２とを示す。線５０ａ、５０ｂ、５２ａ、５２ｂは全て接地２０に対して全てフロートしている。変圧器５２は例えば３相Δ接続巻線のうちの１相を含む。
【００２８】
図３において、電流迂回路５４が発電機５０を保護し、一方、電流迂回路５６が変圧器５２の左手に示した一次巻線を保護する。オプションとして、電流迂回路５８が接地２０を通って線５０ｂの電流を消費する回路を提供することができる。前述した電流迂回路は例えば図２Ｂの経路３６などの電流迂回路についての前述の説明と適合する。経路５８は、２つの電流迂回路によって発生する循環エネルギーを接地へ消費させることが可能であることから、特に望ましい。
【００２９】
図４ＡはＹ接続変圧器巻線６０ａ，６０ｂ，６０ｃの一方の側６０を示す。それぞれの巻線６０ａ，６０ｂ，６０ｃは、本発明の１つの態様により、これらに関連する電流迂回路６２，６４，又は６６によってシャントされる。経路６２，６４，６６はそれぞれバイトロン構成の双方向スイッチとして簡略化して図示してあるが、後述する制御回路を用いてバイトロン・スイッチを動作させてもよい。この変圧器のＹ接続の側６０において、巻線およびこれに付随する電流迂回路のそれぞれの一端が接地２０に接続される。
【００３０】
図４ＢはΔ接続変圧器巻線６８ａ，６８ｂ，６８ｃの一方の側を示す。それぞれの巻線６８ａ，６８ｂ，６８ｃは、本発明の１つの態様により、これに関連する電流迂回路７０，７２，又は７４によりシャントされる。経路７０，７２，７４はそれぞれバイトロン構成の双方向スイッチとして簡略化して図示してあるが、後述する制御回路を用いてバイトロン・スイッチを動作させてもよい。この変圧器のΔ接続の側６８では、巻線又はこれに関係する電流迂回路の両方がどの端末も接地（図示していない）に接続されない。
【００３１】
図５Ａと図５Ｂは例えば図４Ａにおいて電流迂回路６２，６４，又は６６を実装するためにＹ接続巻線の場合に使用される電流誘導経路７８を示す。経路６２，６４，６６と同様に図５Ａの電流迂回路７８は接地２０に接続される。
【００３２】
図５Ａにおいて電流迂回路７８は電気的に絶縁され縦方向に支持される接地導体８０、真空筐体８１、電気的に絶縁され横方向に支持される、電力送電グリッドの導体８４への接続装置８３を含む。詳細は後述するように、真空筐体８１は例えば図２Ｂで模式的に参照番号３７ａとして図示してあるようなスイッチと、EEMPを検出するための回路を一緒に含むのが望ましい。絶縁接地導体８０は縦方向の自己支持体とし、図示してあるように下端を装置的に装置的支持８８に固定するのが望ましい。
【００３３】
図５Ｂおよび図５Ｃは図５Ａの電気的また水平方向支持の接続装置８３の好適な構造をさらに詳細に示したもので、この部材により真空筐体８１内部で導体８４からEEMP検出回路への導電路長を最小にできる。そのため、これによって筐体８１内部のスイッチの立ち上がり時間が減少する。
【００３４】
筐体８１は誘電材料を含み、これをさらにオプションとしてケブラー(R)又は同様なアラミド線維のジャケット８２で被覆し、環境的危機例えば砂嵐に対して、または弾丸で射撃された場合にも、筐体８１の抵抗性をいっそう高めらるようにしておくのが望ましい。電力導体８４への接続は金属性コネクタ・アセンブリ８６を用いて行い、金属接続部材８６ｅが例えば位置８６ａで筐体８１に真空封止される。金属コネクタ・アセンブリ８６は導体８５を挟持するためのクランプ８６ｂ，８６ｃ，８６ｄを含み、クランプは一般にＶ字状の溝８６ｆの内部に嵌合するようになっており、鋭利なエッジはすべて除去されている。クランプ８６ｂ，８６ｃ，８６ｄは金属接続部材８６ｅへ例えば適当なねじ８６ｇで取り付けられる。
【００３５】
図５Ｄは図５Ａの矢印５Ｄ〜５Ｄに沿ってみた絶縁接地導体８０の断面図である。絶縁接地導体８０は内側部分８０ａと外側部分８０ｂからなる。内側部分８０ａは細長い導電性ステンレス鋼コア９０とこれを取り囲む同一形状の導電性クローム・シース層９２を含むのが望ましく、シース層はさらに同一形状の導電性銅シース層９４で被覆される。シース９２，９４はプラズマ・スプレー処理によって塗布するのが望ましい。これ以外に、シース層９２，９４は肉厚の電気めっき層として適用することも可能である。望ましくは、耐蝕性誘電保護層９６で銅シース層９４を被覆する。保護層９６は静電粉体コーティングにより塗布するのが望ましい。ケブラー(R)又は同様なアラミド線維ジャケット９９で外側部分８０ｂを包含し、環境的危機例えば砂嵐や弾丸により射撃されるなどに対する抵抗性を提供するのが望ましい。
【００３６】
EEMPを誘導する際の大電流を処理するため、クローム・シース層９２はステンレス鋼コア９０と密着させ、さらに銅シース層９４をクローム・シース層９２と密着させる。さらに、低インダクタンスを実現するためには、ステンレス鋼コア９０は、図５Ｄの縦対横寸法が１０:１を超えるような形状にすべきで、絶縁接地導体８０の内側部分８０ａのエッジ９８ａ，９８ｂ，９８ｃはコア９０と被覆層９２，９４の縦方向に図示した寸法のおよそ半分に等しい半径となるような半径に丸めるのが望ましい。
【００３７】
絶縁接地導体８０の外側部分８０ｂは高温度抵抗性を有するセラミック、又はテラコッタ、又はその他の誘電材料を含むのが望ましい。これが必要なのは、導体８０を通過する大電流レベルのためであり、ある極端な場合には電流が前記接地導体８０をＩ２Ｒ加熱によって加熱しうることによる。
【００３８】
図６Ａおよび図６Ｂは図２Ｄの高電圧冷陰極電界効果型三極管４５ａ（又は４５ｂ）の基本的構造を図示したもので、これは本発明の発明者および他の者による米国特許４，９５０，９６２号に説明されているようにパルサトロンとしても知られている。しかし、パルサトロンは所要の電圧で連続モードで動作するように寸法的に伸縮される。三極管４５ａは円筒状の形状のカソード１００を含み、カソードはさらに円筒状の形状のグリッド１０２により包囲され、さらにグリッドは円筒状の形状のアノード１０４によって包囲される。グリッド１０２は破線で示したように電子の貫通通路として適当な貫通孔を有することを示している。アノード１０４，グリッド１０２，カソード１００は共通の主軸（図示していない）を共有する。カソード１００からグリッド１０２までの半径方向の間隔は、円形のウェーブガイドをこれらの間に作り、横断電磁モード（TEM）をサポートするようにする。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、カソード１００はグラファイト材料からなり、グリッド１０２は導電性金属例えばステンレス鋼からなり、アノード１０４は例えばタングステンなどの耐火性金属からなる。
【００３９】
図６Ｃおよび図６Ｄは図２Ｃの高電圧冷陰極電界効果型真空管４４の基本構造を示したもので、これは前述の通りバイトロンとしても公知となっている。バイトロン４４は円筒状の形状の電極１０６を含み、本明細書ではこれをカサノードと呼称するが、これはカソードとアノードのいずれかとして機能することが可能な電極である。カサノード１０６（図２Ｃでは第１のカサノード１３２と呼ばれる）を包囲しているのは円筒状の形状の第１のグリッド１０２で、これはさらに円筒状の形状の第２のグリッド１１０によって包囲され、これがさらに円筒状の形状のカサノード１１２（図２Ｃにおいては第２のカサノード１３６と称する）によって包囲される。第１と第２のグリッド１０２と１１０を破線で示してあるのは、電子がこれを貫通する通路として適切な貫通孔を有することを表している。カサノード１０６と１１２、および第１と第２のグリッド１０２と１１０は共通の主軸を共有する（図示していない）。カサノード１０６からグリッド１０２への半径方向の間隔は、円形のウェーブガイドをこれらの間に作成して、横断電磁モード（TEM）をサポートするようにする。同様に、カサノード１１２からグリッド１１０への半径方向の間隔は、円形のウェーブガイドをこれらの間に作成して横断方向の電磁モード（TEM）をサポートするようにする。第１のグリッド１０２と第２のグリッド１１０の間の半径方向の間隔は想定される動作電圧でこれらの間でのフラッシュオーバーが起こらないようにするのに十分なものとする。図６Ｃと図６Ｄにおいて、カサノード１０６と１１２はグラファイト材料からなり、グリッド１０２と１１０は導電性金属例えばステンレス鋼などからなる。
【００４０】
図６Ａと図６Ｂの三極管４５ａと図６Ｃと図６Ｄのバイトロン４４は両方とも有利にも４００アンペア／平方センチメートルの電流レベルを処理することが可能である。これらのスイッチのそれぞれの速度は、後述する所謂トップ・ハット・ソケットで増大するのが望ましい。
【００４１】
冷陰極電界効果型電子管、バイトロン、又はパルサトロンのグリッドを設計する上で適合させねばならない幾つかの必須条件が存在する。これは、
（１）グリッド〜カソード間又はグリッド〜カサノード間の間隔はグリッドの全長にわたり一定とする必要がある。これはグリッドを高張力下に置くか堅固な構造で製造することで実現されるのが普通である。
（２）グリッドの元素数は十分高いものにして一定かつ均一な電場がグリッド〜カソード間又はグリッド〜カサノード間に得られるようにする必要がある。
（３）グリッド構造のどこにもバリの鋭利なエッジのようなものが存在しないこと。むしろ、個々の要素は円形、平坦、又はアスペクト比の高い楕円形の形状とすることができる。全てのエッジは完全に丸める必要がある。このコンテクストでは、完全に丸めると言うのは、問題のエッジが材料の厚みの半分に等しい半径を有することを意味する。
【００４２】
これらの設計ルールの実際の実施は、製造されるグリッドの寸法によって決定される。
【００４３】
図６Ｅはバイトロン１６２を示し、これは双方向高電圧冷陰極電界効果電子管の形態をなしている。電子管１６２は電気的に絶縁された筐体１１６と、第１と第２のカサノード１３２，１３６（図６Ｃでは参照番号１０６，１１２で参照される）を含み、カサノードはそれぞれ第１と第２のカサノード・コネクタ１３４，１３８に装着される。第１と第２のグリッド１０２，１１０はそれぞれグリッド・フィードスルー１２６ａ，１２６ｂに装着される。ケミカル・ゲッタ・ポンプ１１８はゲッタ・ポンプ・フィードスルー１２０に取り付けられ、電力が供給されていない間でも筐体１１６内の真空を維持するために使用される。真空排気チップオフ１２２は製造サイクルの最後に作成され製造機器から筐体１１６を封止するために使用される。図６Ａと図６Ｂに図示してある電子管１６８と、図６Ｃおよび図６Ｄに図示してある電子管１６２は実質的に高い動作電圧で設計されているので、図６Ｅに図示した電子管とはアスペクト比が違う。
【００４４】
図６Ｆはリエントラント管ソケット１４２を示し、これはバイトロン１６２又はパルサトロン１６８電子管への接続のインダクタンスを低下させ、典型的には６:１の倍率でスイッチの立ち上がり時間を減少する。この電子管ソケット１４２は、主として平行プレート伝送線で使用するように設計されるが、他の回路構成に組み込むのも問題はない。リエントラント管ソケット１４２は望ましくは同一の導電性トップハット形状部材１４４，１４６を含み、これらはそれぞれが図６Ｅに図示した電気的に絶縁される筐体１１６の長手方向の２つの端部を封止する。それぞれの導電性トップハット形状部材１４４，１４６はそれぞれ外部回路に接続するためのリム１４４ａ又は１４６ａを有する。電気的に絶縁された筐体１１６内部の回路から部材１４４，１４６への電気的接続は図６Ｇに図示したように実現する。この図面に図示してあるように、部材１４４の導電性タブ１５０は取り付けねじ１５１を用いてカサノード・コネクタ１３８と相互接続する。導電性タブ１５０は第１または第２のカサノード・コネクタ１３４又は１３８に接続される。導電性取り付けタブ１５０と取り付けねじ１５１の組み合わせはトップハット形状部材１４４又は１４６と電子管１６２又は１６８との間の装置的相互接続も提供する。導電性取り付けタブ１５０は導電性トップハット形状部材１４４および１４６の頂部に溶接するのが望ましい。トップハット形状部材１４４，１４６には各種のクリアランスホール（例えば１４７）やスロット（例えば１４９）が必要で、これは電子管１６２又は１６８のグリッド・フィードスルー１２６などの電気接続に対応するためである。
【００４５】
リム１４４ａと１４６ａは互いから離しておき、これらの間のフラッシュオーバーを防止するようにしてある。所望であれば、後述する追加のインシュレータ２１２（図１０）をリムの間に配置することができ、これによりスイッチへの接続インダクタンスがさらに低下し、つまりスイッチの立ち上がり時間がさらに減少する。
【００４６】
図６Ｅのバイトロン管１６２全体を遮蔽筐体内部に配置し様々なジオメトリ変更を行なうことで、図６Ｆのリエントラント管ソケット１４２の必要性を排除することが可能である。このような構成を図１２〜図１３との関連で後述する。
【００４７】
図７はＤＣ閾値検出回路１５２を示し、これが通常はＤＣ電圧がかかる導通経路においてNEMP又はNNEMPに対する保護のための制御回路を備えた電流迂回路１５４を実装する。迂回路１５４は単方向スイッチを含み、スイッチはパルサトロン管として知られる高電圧冷陰極電界効果三極管１６８と、これに関連する制御回路を含む。三極管１６８は通常の回線電圧に受け入れ可能な過剰電圧がかかった状態でスタンドオフ条件（すなわち導通しない）にバイアスされる。過剰な電圧値を超過すると、閾値検出回路１５２が三極管１６８を導通状態にして電流迂回路１５４を形成する。
【００４８】
さらに詳しく説明すると、図７において、三極管１６８は分圧器を形成する抵抗Ｒ１とＲ２から構成されたネットワークによりシャットオフまでバイアスされる。抵抗Ｒ１とＲ２は電線上の電圧に比例したグリッド電圧を設定する。三極管はこれを取り付ける送電線の極性に対して適切な方向に向けられる。模式図に図示したのはマイナスの極性の送電線である。抵抗Ｒ１は比較的小さい値の抵抗器で、抵抗Ｒ２は比較的大きい値の抵抗器である。これによりグリッドをカソード電位に近接させる。この関連性は図８Ａ〜図８Ｂに関連して後述する全てのパルサトロンおよびバイトロン回路で保持される。これらの図に関して、奇数の参照番号（例えば１，３，５など）がついた抵抗器は、分圧ネットワーク内で偶数の参照番号（例えば２，４，６など）がついた対応する抵抗器に比して、小さい値を有する。さらに、奇数の参照番号が付いた抵抗器は模式的に図示してあるように調節可能な抵抗器であるのが望ましい。特定の抵抗値は回路が動作する電圧によって変化する。コンデンサＣ１を使用して短時間の間だけ回線電圧が低下するような場合に制御電圧を維持する。これはまた図８Ａ〜図８ＢのコンデンサＣ２及びＣ３についても当てはまる。
【００４９】
図７を参照すると、回線１５８上の電圧が閾値レベルを超えて上昇する場合、分圧器Ｒ１−Ｒ２ネットワークによって設定されたバランスが逆転し、電子管１６８が導通し始める。閾値レベルは、パルスが電気コンポーネントに到達して動作不能にする前に、保護しようとする電気コンポーネントを含む導電路（図示していない）においてNEMP又はNNEMPの存在が検出されるように選択する。したがって、電子管１６８のある電流迂回路１５４は、保護しようとする電気コンポーネントにパルスが到達して機器を動作不能に陥らせる前に、当該電気コンポーネントに比べて低インダクタンス大電流容量の回路によって、NEMP又はNNEMPを保護しようとする電気コンポーネントから迂回させる。
【００５０】
図８Ａは通常はＡＣ電圧がかかっている伝送路に於いてNEMP又はNNEMPからの保護のための制御回路を備えた電流迂回路１６０を示す。しかし、ＡＣ回路において動作が可能になるようにするには、図７の単方向パルサトロン管１６８ではなく双方向バイトロン１６２を用いる。回路の双方向性に対応するには、第２の分圧器Ｒ３−Ｒ４とコンデンサＣ２を含める。NEMP又はNNEMPの検出、また図７に関連して説明したように保護しようとする機器から電流を迂回させる動作は、図８Ａにも適用されるが、ＡＣ動作に対応させるための制御ネットワークを２組使用する点で異なる。
【００５１】
図８Ａでは回路の接地脚にある高速電流シャント１６４も示す。このシャントはバイトロン１６２が導通した際の出力を提供する。ノード１６６にかかる出力を用いてシステムオペレータにEEMPイベントが発生したことを通知したり、又は他の保護回路を起動するための手段として使用したりすることが可能である。
【００５２】
図８Ｂは好適な制御回路１６７を示す。回路１６７は図８Ａと同様だが、GIC検出用のGIC検出回路１６９を示す。GIC検出回路１６９はパルサトロン１６８と併せて、分圧器ネットワークＲ５−Ｒ６とコンデンサＣ３を含む。GICが接地経路を上向きに通って流れる電流を惹起し、電流が電流シャント１６４を通り電流の大きさと時間的波形に比例した電圧を発生する。この電圧がパルサトロン１６８を導通状態にトリガする。
【００５３】
パルサトロン１６８次いでバイトロン１６２を順次導通させるのは図７及び図８ＡのEMP検出処理より長い時間がかかるが、パルサトロン１６８の制御回路で検出されるGICの立ち上がり時間が遅いため、スピードはさほど重要ではない。図７のコンデンサＣ１又は図８ＡのコンデンサＣ１及びＣ２と同様に、コンデンサＣ３は「キープアライブ」機能を実行する。
【００５４】
図８Ａ及び図８Ｂの電流シャント１６４について、図８Ｃ〜図８Ｇとの関連で説明する。図８Ｃは高速電流シャント１６４を図示しており、これは外部回路の接地経路への接続用の接続孔１７０ａを有する平たい導電性金属ストラップ１７０で構成される。金属ストラップ１７０は銅製が望ましく、又は少なくとも市販品位の銅と同程度に低い導電率を有するのが望ましい。「市販品位」は質量比少なくとも９４％の銅含有率に精錬された銅を意味する。銅ストラップ１７０は完全に丸めた端部１７０ｂを有し、図８Ａと図８Ｂにも図示してあるように、ノード１７２への接続、及び接地２０への接続のそれぞれのための孔１７０ａを有する。孔１７０ａは電気的接続の目的で用意されたものである。望ましくは、銅ストラップ１７０のエッジはバリ取りして丸めておく。電流シャント１６４は１００，０００アンペアを超えるパルス電流を測定する能力を有する。
【００５５】
図８Ｃはテーパー状並列プレート送電線マッチング・トランス１７４も図示しており、これは画成された電流測定領域１７１の２つの端部で銅ストラップ１７０へ銀ハンダを用いハンダ付けするのが望ましい。送電線１７４のプレート１７４ａ，１７４ｂの細い端部は５０オーム同軸ケーブル１７６の端部１７３に銀ハンダでハンダ付けするのが望ましい。同軸ケーブル１７６は少なくとも約１／２インチ（１２．７７ミリメートル）の直径を有するものとして、測定領域１７１の両端の間の大量の電流から発生する高電圧を処理できなければならない。電流量が増加するほど段階的に直径が大きい同軸ケーブルを使用せざるを得なくなり、シャント１６４の測定領域１７１によって発生する増大した電圧を処理する必要がある。金属ストラップ１７０への接続点においてプレート１７４ａと１７４ｂの各々の幅はほぼ同一であるのが望ましいが、これらの幅はストラップ１７０の幅に対して約0．９倍から約１．１倍まで変化させても良い。  
【００５６】
上側プレート１７４ａの長さと、フラットな金属ストラップ１７０の幅と比率は約１０対１とするのが望ましい。比率が小さいほどインピーダンス不整合が増大する。実質的に１０対１より大きな比率の場合には、過剰に大きなまた見苦しい構造となる。さらに、プレート１７４ａと１７４ｂは狭い方の端部から広い方の端部に向かって様々なテーパーを有することができる。例えば、最も単純なテーパーは直線で、この場合プレートは二等辺三角形に近い形になる。好適なテーパーはもっと複雑で前述の二等辺三角形に対して指数関数的に変化する側面を有し音楽のトロンボーンのベル（又は出力オリフィス）のカーブに類似したものである。
【００５７】
図８Ｄは銅ストラップ１７０、送電線１７４の上側と下側のプレート１７４ａと１７４ｂ、絶縁１７８ａと１７８ｂの側面図を示す。絶縁１７８ａと１７８ｂは図面の簡略化のため図８Ｃでは省略されている。絶縁１７８ａは第１のプレート１７４ａの下側で全長に亙って延在し、銅ストラップ１７０と上側プレート１７４ａの広い方の端部との接合点から同軸ケーブル１７６の中心絶縁体１７７（図８Ｅ）のスロット１８８の終端部まで延在する。スロット１８８（図８Ｅ）は電子の見通し線経路を除外して中心導体１８２と同軸シールド１８６の間で短絡が形成されるのを防止する機能を供給する。絶縁１７８ｂは、最小限下側プレート１７４ｂの長さの半分に亙り当該プレート下側で、銅ストラップ１７０と下側プレート１７４ｂの広い方の端部との接合点から延在するのが望ましい。
【００５８】
図８Ｅは同軸ケーブル１７６に接続されたテーパー状並列プレート送電線１７４を示す。図面に図示してあるように、同軸ケーブル１７６の中心導体１８２は上側プレート１７４ａの上面にハンダ付けされる（黒く塗りつぶした領域で図示してある）。同様に、同軸ケーブルのシールド１８６はシールドを構成するワイヤの編組線の拡大図として図示してあるように、下側プレート１７４ｂの下側にハンダ付けされる（黒く塗りつぶした領域で図示してある）。望ましくは、前述のハンダ接続は銀含量が重量比約５％を超える銀ハンダを使用して行う。
【００５９】
図８Ｆは中心導体１８２へ銀ハンダでハンダ付けされるのが望ましい上側プレート１７４ａと同軸ケーブル１７６のシールド１８６へ銀ハンダでハンダ付けされるのが望ましい下側プレート１７４ｂからなる送電線１７４を示す。前述のように、絶縁体１７８ａをケーブル１７６の中心絶縁体１７７のスロット１８８へ挿入する。
【００６０】
図８Ｇはケーブル１７６の中心導体１８２へ銀ハンダでハンダ付けされる第１のプレート１７４ａを示す。絶縁体１７８ａは第１のプレート１７４ａの下から突出するのが分かる。
【００６１】
図８Ｃ〜図８Ｇを参照して前述した電流シャント１６４は、上下のプレート１７４ａと１７４ｂの機能を相互に交換して構成することができる。これを視覚化するには、前述の説明において、上側プレート１７４ａは「ホット」導体であり、下側プレートは「接地」導体だった。別のバージョンでは、これらの機能を相互に交換し、上側プレートが接地導体になって同軸ケーブル１７６のシールド１８６へ接続され、下側プレートがホット導体になって同軸ケーブル１７６の中心導体１８２へ接続されるようになる。この構成において、絶縁体１７８ｂは同軸ケーブル１７６のスロット１８８へ挿入される。
【００６２】
従来技術で公知となっているように、高周波電気は導体の表皮に沿って流れ、これは表皮効果として知られるプロセスである。表皮効果は高速パルス電流の直接測定では無視することができず、電流の正確な測定値を取り出すには数学的補正が必要である。電流シャントは電流測定領域の両端の間での電圧降下の関数として電流を電圧に変換する。電流測定領域と測定機器の間での適切なインピーダンス整合には注意を払う必要がある。前述の問題は上記で説明したテーパー状並列プレート送電線マッチング・トランスの導入によって対処する。  
【００６３】
電流シャント出力は抵抗での表皮効果のため高周波数動作において補正されなければならない。長方形断面のシャントの表皮深さの補正方程式（したがって周波数の関数としてのインピーダンス）は公知であり、本発明の電流シャントに応用すると以下のようになる:
2013504297.tif 000003
ここで
Z=電流測定領域１７１のインピーダンス
lth=電流測定領域１７１の長さ
W=導電性ストラップ１７０の幅
t=導電性ストラップ１７０の厚み
f=周波数（立ち上がり時間）
μ=導電性ストラップ１７１の透磁率（H／m）
σ=導電性ストラップ１７１の導電率（１／Ω−m）
注:空気中で動作する銅製シャントでは透磁率は１とする。
【００６４】
オームの法則を応用して（電圧／抵抗=電流、抵抗にＺ値を用いる）電流を求める。ここでは設定された方法により立ち上がり時間を周波数に変換することが必要になる。  
【００６５】
図９は保護装置１９４ａ及び１９６ａを含む電流迂回路１９４，１９６が関連する一対の保護しようとする電気コンポーネント１９０，１９２と、望ましくは一対の普段は閉じている直列スイッチ１９８ａ，１９８ｂを示す。コンポーネント１９０，１９２は例として変圧器の巻線又は発電機の巻線である。電流迂回路１９４，１９６にある保護装置１９４ａ，１９６ａは図２Ｂの保護装置３７の実施例である。保護装置１９４ａ，１９６ａは図２Ｂの保護装置３７の例である。保護装置１９４ａ，１９６ａの普段は開いているスイッチはEEMP事象の検出時に閉じる。NEMP及びNNEMP事象は、望ましくは制御回路１６７ａ，１６７ｂ（図８Ｂの参照番号１６７参照）により電圧として検出され、GIC事象は図９に図示してあるように制御回路１６７ａ，１６７ｂと連動して動作する電流シャント１６４ａ，１６４ｂにより電流として検出される。
【００６６】
適当な電圧又は電流入力を受電した時点で，制御回路１６７ａは制御信号を出力して普段は閉じているスイッチ１９８ａを作動させる。同様に、適当な電圧又は電流入力を受電した時点で、制御回路１６７ｂは制御信号を出力して普段は閉じているスイッチ１９８ｂを作動させる。普段は開いているスイッチを制御回路１６７ａ，１６７ｂからの制御信号に応答して閉じることで、装置１９４ａ，１９６ａが巻線１９０，１９２の磁場を減衰させ、それぞれに電流迂回路１９４，１９６を形成させる。保護装置１９４ａ，１９６ａのスイッチも、EEMP検出後に回線電圧の２周期を超えない所定の時間の後、普段は閉じているスイッチ１９８ａ，１９８ｂを開くトリガとして使用される出力を発生させる。これは保護されるべき機器１９０からの短絡を除去するのが目的である。矢印２００はEEMP事象によって電流迂回路１９４，１９６に発生する電流の循環経路を示す。前述の電流の方向はEEMP事象の時点における回路の瞬間的極性によって変化し、図示した矢頭の方向を向いていることも向いていないこともありうる。図９の普段閉じているスイッチ１９８ａ，１９８ｂは適当な電圧、電流、応答時間の定格を備えたどのような種類のスイッチでも良く、これにはバイトロン４４又は１６２（図２Ｃ又は図６Ｅ）を含む。
【００６７】
図１０は完全なEEMP保護装置２０４を示したもので、これは図８ＢのＹ接続電気コンポーネントの電気回路図の好適実施例である。装置２０４は２種類の内部真空ポンプを備える。第１はケミカル・ゲッタ・ポンプ１１８である。これは常時動作する。第２のポンプは従来設計だが最大導電率のために開放構成となっているイオンポンプ２０６である。内部磁気シールド２０８を設けることで図１０の隣接するスイッチ真空管１６２又はスイッチ管１６８（図示していない）の中の電子軌道との相互干渉を阻止する。イオンポンプ２０６は動作に少量の電気を必要とするが、筐体内部で常に真空が適切に維持されるよう保証することが最重要である。ケミカル・ゲッタ・ポンプ１１８は、例えば輸送中、導入作業中、メンテナンス中、又は停電中など、電気が利用不可能な場合に真空を維持する。
【００６８】
真空筐体８１内部に内蔵されているのは、リエントラント管ソケット１４２の内部に装着されたスイッチ管１６２又は１６８である。トップハット形状ソケット１４４，１４６は絶縁体の壁２１２によって隔離される。この壁２１２は２つのソケット１４４，１４６の間で更なる電気的絶縁を提供することと、同時に管１６２又は１６８とリエントラント管ソケット１４２の装置的装着手段を提供するという２つの目的を持っている。好適な制御回路１６７は管１６２又は１６８の電極に接続される。電気接続リード線の一方２１０ａは絶縁フィードスルー管２１０を貫通して配線され、絶縁壁２１２の反対側でスイッチ管１６２又は１６８の電極へ絶縁電気接続を行なうことを可能にする。
【００６９】
スイッチ管１６２又は１６８に関連して、１つの実施例は例えば筐体１１６（図６Ｅ）のような個別の真空筐体に当該管１６２又は１６８を設けないという考え方を含む。その代わりとして、管は開放筐体で製造され動作に必要な真空を維持する代わりとして真空システム２０６を使用する。
【００７０】
図５Ｄを参照して既に説明した絶縁接地導体８０は一方の端部が筐体８１内部で終止する。接地導体８０は２つの機能がある。Ｙ接続の巻線を有する電気コンポーネントで使用する場合、前記システムの全重量を支持することによってEEMP保護装置２０４の装置的支持を提供すること、そして同時に接地２０への低インダクタンス経路を提供して動作中に電流迂回路を完成させることである。接地接続手段は電流シャント１６４（図８Ｃ〜図８Ｇ）経由で回路のバランス点に接続される。
【００７１】
使用するEEMP保護装置２０４を接続する方法は２種類ある。これは以下のような３相回路における２種類の標準巻線方法に関連する。図４ＡのＹ６０と図４ＢのΔ６８である。これらの図面はそれぞれの巻線方法を図示しており既に説明した通りである。図１１はΔ接続構造変圧器２２０の一組の接続を示す。変圧器２２０の巻線の端部はブッシング２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃとして提示される。３個のEEMP保護装置２０４が横並びに配置されて、それぞれの装置２０４が変圧器２２０巻線の単相を構成するそれぞれの端子対の間に配置されるように配線される。つまり、図１１に図示してあるように、装置２０４ａはブッシング２２２ａと２２２ｂへ接続され、装置２０４ｂはブッシング２２２ｂと２２２ｃへ接続され、さらに装置２０４ｃはブッシング２２２ｃと２２２ａに接続される。これは図４Ｂの変圧器巻線構造６８に対応するものである。
【００７２】
電力発送電システムの保護のためには、そのシステムの全ての変圧器の一次側と二次側を、各相接続で変圧器に物理的に近接して配置されたEMP保護装置２０４により保護する必要がある。電力システム内の発電機も同様に発電機それ自体に物理的に近接して導入された各相接続のEMP保護装置で保護することがさらに必要である。経済的又はその他の理由から、EMP保護装置は電力システムの全部の変圧器及び発電機より少ない個数で使用されることもある。
【００７３】
図６Ｅと図６Ｆのバイトロン管１６２に代わるものとして、図１２ではバイトロン管２２５を示してあり、これはセクション２３６ａと２３６ｂを有する真空封止導電性筐体２３６内部に収容される。筐体セクション２３６ａと２３６ｂは溶接ビード２３７により導電性フランジ２３４へ連続的にタングステン不活性ガス（TIG）溶接される。フランジ２３４は例えば遮蔽された部屋又は建物の外部の導電壁へ装着することが出来る。
【００７４】
図１２において、参照番号２３２で一般にマークされる共通の導電性素子は管２２５全体を貫通し、一次側電気絶縁２３０ａ，２３０ｂを通過する。参照番号２３２ａで中心導体素子２３２が入力電力線（図示していない）と接続されこれを本明細書では以下「線」と称する。同様に、参照番号２３２ｂで中心導体素子２３２が保護されるコンポーネント（図示していない）に接続されこれを本明細書では以下「負荷」と称する。素子２３２はこれの外側表面で第１のカサノード１０６を支持する。素子２３２は少なくともタイプ３０４ステンレス鋼の導電率と同程度に高い導電率を有するのが望ましい。各種の内部電気絶縁体（図示していない）が必要に応じて提供され、本仕様に基づいて当業者には理解されるであろう。例えば、グリッド１０２，１１０への内部接続は各々フィードスルー１２６ａ，１２６ｂに関係しており、これらの全長に亙って望ましくは連続した電気絶縁（図示していない）を提供する。図１３は図１２のバイトロン管２２５の代表的斜視図を示す。
【００７５】
図６Ｅと図６Ｆのバイトロン１６２は一次側電力グリッドコンポーネント、例えば発電機や変電所のトランスで使用するのを主として意図している。対照的に図１２と図１３のバイトロン２２５はEMP遮蔽室や建物で使用する遮蔽フィードスルーやRFおよびEMP迂回コンポーネントとして使用することを主として想定している。フランジ２３４マウントは電気的に遮蔽された壁に対して完全に対称な接地接続を実現するための便利で容易に実装される技術を提供する。つまり、バイトロン２２５の導入は特別な技術を必要とせず、設置のために熟練電気工の技術しか必要としない。
【００７６】
マウンティング・フランジ２３４は２つのボルト円を有し、孔２３４ａの外側のボルト円はバイトロン２２５を物理的に装着し設置するために使用される。孔２３４ｂの内側の円は真空エンクロージャ２３６ａ，２３６ｂの内部にありフランジ２３４のいずれかの側面で各々の筐体セクション２３６ａと２３６ｂの間のベント孔を提供する。フランジ２３４は外側カサノード１１２を装着するためのねじ切りしてあるボス２３８も含む。
【００７７】
図１２および図１４に図示してあるように、少なくともバイパス・コンデンサ２４０を含むローパスフィルタを有利にもバイトロン２２５に内蔵させバイトロン２２５の投入閾値より下の小さなＲＦトランジェント信号を減少させることが出来る。追加の又はこれに代わるRFフィルタ・コンポーネントをバイパス・コンデンサ２４０の図示した位置の近傍に組み込むことが出来る。
【００７８】
バイパス・コンデンサ２４０の一方のプレート２３２ｃは図示したように拡大した導電性素子２３２により形成される。コンデンサ２４０の第２のプレート２４２は導電性の筒状電極を含み、この電極は図示したように筐体セクション２３６ｂから、又は図１４で最も良く図示されているように筐体セクション２３６ａから又は両方の筐体セクション２３６ａと２３６ｂに装置的に懸垂し電気的に接続される。コンデンサ２４０の第２のプレート２４２は例えばスポーク２４４等の支持構造によって筐体セクション２３６ｂから装置的に懸垂し電気的に接続される。スポーク２４４は筐体セクション２３６ｂへ溶接され第２のプレート２４２と一体的に形成される。
【００７９】
バイトロン制御回路は、図８Ａに例示してあるように、多数の独立した電気コンポーネント（例えばＲ１，Ｒ２，Ｃ１，Ｃ２等）を含むことに留意する。これらのコンポーネントはバイトロン１６２（例えば図６Ｅ）又はバイトロン２２５（例えば図１２）の真空エンクロージャの外部に取り付けられるのが望ましいが、これらのコンポーネントの幾つか又は全部が図１２の真空エンクロージャ２３６又は図６Ｅの１１６の内部に物理的に配置されるようにすることも可能である。
【００８０】
本発明は図示の目的で特定の実施例に関連して説明したが、多くの変更及び変化が当業者により行われるであろう。したがって添付の請求項はこれらの変更及び変化の全てを本発明の真の範囲及び精神から逸脱することなく包含することを意図していることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
図面において同様の参照番号は同一の部材を参照する。
【図１】図１ＡはＡＣ送電グリッドの一部の模式図を示す。図１Ｂは核又は非核電磁パルスを受電する図１Ａのグリッドを示す。図１Ｃは地磁気誘導電流パルスを受電する図１Ａのグリッドを示す。
【図２】図２Ａは図１を簡略化したもので、一部をブロック図にしてあり、変圧器からEMPを迂回させる電流迂回路の対と併せて、オプションとして送電線から大地へEMPを迂回させる電流迂回路を示す。図２Ｂは図２Ａの回路の部分を示す。図２Ｃおよび図２Ｄは図２Ｂに図示してある電流迂回路に設けたスイッチの別の実装の略図である。図２Ｅは核電磁パルス（NEMP）での電圧対時間波形を示し、給電システムの電気コンポーネントからNEMPを迂回させるために使用するスイッチに対して望ましい立ち上がり時間との関連で示す。図２Ｆは地磁気誘導電流（GIC）から発生する超常電磁パルス（EEMP）の電流対時間波形を示す。
【図３】図３は本発明の１つの態様による電流拡散経路で使用する電力伝送グリッドの別の一部の略図である。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは本発明の１つの態様によるＹ接続巻線とΔ接続巻線およびこれに関連する電流迂回路の略図をそれぞれで示す。
【図５】図５Ａは本発明の１つの態様による自己支持接地電極を備えた電流迂回路の正面平面図である。図５Ｂは電気的にまた水平に支持する接続装置とこれに関連する図５Ａの構造の部分断面図である。図５Ｃは電気的にまた水平に支持する接続装置と、これに関連して図５Ｂに示してある矢印５Ｃ，５Ｃに沿ってみた図５Ｂの構造の部分断面図である。図５Ｄは図５Ａの矢印５Ｄ，５Ｄに沿ってみた断面図を示す。
【図６】図６Ａと図６Ｂは本発明で使用することができる高電圧冷陰極電界効果型三極管の上部平面図とこれに関連する断面図を示す。図６Ｃと図６Ｄは図６Ａおよび図６Ｂと同様の略図で、双方向高電圧冷陰極電界効果型三極管を示す。図６Ｅは双方向高電圧冷陰極電界効果型三極管の部分断面略側面図を示す。図６Ｆは本発明で使用されるスイッチのリエントラント真空管ホルダとセラミック製筐体の側面斜視図を示す。図６Ｇは図６Ｆの矢印６Ｇ，６Ｇに沿ってみた、図６Ｆの双方向高電圧冷陰極電界効果型三極管からリエントラント真空管ホルダへの電気的および装置的接続に関する詳細部分断面図を示す。
【図７】図７は通常はＤＣ電圧のかかっている伝導路で、NEMP又はNNEMPに対する保護のための制御回路を備える電流迂回路の電気的略図を示す。
【図８】図８Ａは通常はＡＣ電圧のかかっている伝導路で、NEMP又はNNEMPに対する保護のための制御回路を備える電流迂回路の電気的略図を示す。図８Ｂは通常ＡＣ電圧のかかっている伝導路で、NEMP、NNEMP、GICに対する保護のための制御回路を備えた電流迂回路の電気的略図を示す。図８Ｃは図示を簡略にする目的で省略されている絶縁を備える高速電流シャントの略斜視図を示す。図８Ｄは導電性金属ストラップおよび絶縁を有するテーパー状プレートの拡大側面図を示す。図８Ｅは同軸ケーブルに接続された伝送線のプレートの拡大斜視図を示す。図８Ｆは図８Ｅに図示してある電気接続と絶縁に関する部分断面拡大側面平面図を示す。図８Ｇは相互接続の１つとこれに関連して図８Ｅに図示した絶縁の拡大上面平面図を示す。
【図９】図９は電力送電システムのいくつかのコンポーネントとこれに関連する電流迂回路の電気回路図を示す。
【図１０】図１０はＹ接続電気コンポーネントのための完全電流検出および電流迂回装置の側面平面図を示す。
【図１１】図１１はΔ接続電気コンポーネントへの電流迂回装置の相互接続を示す略斜視図を示す。
【図１２】図１２はフランジ装着式双方向高電圧冷陰極電界効果型電子管の部分断面略側平面図を示す。
【図１３】図１３は図１２のフランジ装着式電子管の側面斜視図を示す。
【図１４】図１４は図１３の矢印１４，１４でみたオプションのバイパス・コンデンサの拡大詳細断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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