(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一電気的接続部と、
第二電気的接続部と、
放電装置と、
支持構造体と、を備える電気的保護装置であって、
前記放電装置は、
前記第一電気的接続部に接続された第一導電性バスおよび前記第二電気的接続部に接続された第二導電性バスであって、前記放電装置は、前記第一導電性バスから成る第一電極と前記第二導電性バスから成る第二電極との間にスパークギャップを形成し、前記第一電極および前記第二電極は各々が、少なくとも部分的に、削磨回復力のある材料で構成されて、概ね所定の直径の円筒構造を有し互いに近接して配置されて前記スパークギャップを形成し、
前記スパークギャップはギャップ高と第一ギャップ幅と第二ギャップ幅とを含んで、前記第二ギャップ幅と前記第一ギャップ幅との差が前記所定の直径よりも小さくて前記ギャップ高が少なくとも前記第一ギャップ幅よりも大きい、第一導電性バスおよび第二導電性バスと、
前記スパークギャップから斜めに延伸する一対のアークホーンと、を含み、
前記スパークギャップは、前記第一電極の相互近接領域に隣接する下隅と前記第一電極の前記アークホーンに隣接する上隅とで画定される、前記第一電極の概ね垂直な領域と、前記第二電極の相互近接領域に隣接する下隅と前記第二電極の前記アークホーンに隣接する上隅とで画定される、前記第二電極の概ね垂直な領域と、の間に形成され、前記第一電極の概ね垂直な領域と前記第二電極の概ね垂直な領域との間のギャップは、前記第二ギャップ幅を有する最大幅地点から前記第一ギャップ幅を有する前記一対のアークホーンにより近い最小幅地点まで徐々にリニアに減少する幅を有して、前記第一ギャップ幅は少なくとも１０，０００ボルトの絶縁破壊電圧で空中に電気アークを形成するように選定され、
前記スパークギャップに前記電気アークが発生すると、前記第一電極と前記第二電極との間に電流が流れて、破壊されることなく前記一対のアークホーンの間を電力線周波数の複数サイクルの間に放電されて、
前記支持構造体は、
前記電力線周波数の複数サイクルの間に少なくとも６０，０００アンペアのピーク値を超える前記電流が流れる場合に発生するローレンツ力に耐えるように構築された複数のマウントと、
前記放電装置を堅固に安定化させ前記ローレンツ力に耐えるように構築された複数の支持絶縁体と、を有する
ことを特徴とする電気的保護装置。
【請求項２】
前記第一電気的接続部と前記第二電気的接続部は、電気的システムに接続されている
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気的保護装置。
【請求項３】
前記放電装置と電気的に並列に接続されていて、電気的な構成要素とアースとの間の前記絶縁破壊電圧を検出するために使用可能な自己テストアセンブリとをさらに備え、
前記自己テストアセンブリは、電圧源と、ヒューズと、電圧プローブとを備えている
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気的保護装置。
【請求項４】
前記自己テストアセンブリは、さらに、電流プローブを備えている
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気的保護装置。
【請求項５】
前記削磨回復力のある材料は、タングステン合金を含む
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気的保護装置。
【請求項６】
前記第一ギャップ幅を固定するように構成された一つ以上の絶縁体を、さらに備えている
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気的保護装置。
【請求項７】
前記削磨回復力のある材料は、真鍮、ニッケル被覆銅、またはタングステンと銅の合金から成る
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気的保護装置。
【請求項８】
前記電力線周波数は６０Ｈｚを含む
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気的保護装置。
【請求項９】
前記第一電気的接続部はアース端子に接続され、前記第二電気的接続部は送電線に接続されている
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気的保護装置。
【請求項１０】
前記第一電気的接続部と前記第二電気的接続部は、コンデンサバンクに接続されている
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気的保護装置。
【請求項１１】
第一電気的接続部と、
第二電気的接続部と、
第一電極と第二電極との間に形成されるスパークギャップと、
一対のアークホーンと、を備える電気的保護装置であって、
前記スパークギャップは、
前記第一電極および前記第二電極は各々が概ね所定の直径の円筒構造を有して、前記第一電極は前記第一電気的接続部に接続され前記第二電極は前記第二電気的接続部に接続され、
ギャップ高と第一ギャップ幅と第二ギャップ幅とを含んで、前記第二ギャップ幅と前記第一ギャップ幅との差が前記所定の直径よりも小さくて前記ギャップ高が少なくとも前記第一ギャップ幅よりも大きく、前記第一ギャップ幅は少なくとも１０，０００ボルトの絶縁破壊電圧で空中に電気アークを形成するように選定されて、
前記第一電極の相互近接領域に隣接する下隅と前記第一電極の上隅とで画定される、前記第一電極の概ね垂直な領域と、前記第二電極の相互近接領域に隣接する下隅と前記第二電極の上隅とで画定される、前記第二電極の概ね垂直な領域と、の間に形成され、前記第一電極の概ね垂直な領域と前記第二電極の概ね垂直な領域との間のギャップは、前記第二ギャップ幅を有する最大幅地点から前記第一ギャップ幅を有する最小幅地点まで徐々にリニアに減少する幅を有し、
前記一対のアークホーンは、
前記スパークギャップから延伸し、破壊されることなく電力線周波数の複数サイクル分の放電時間にわたって、前記スパークギャップで生成される電気アークを前記スパークギャップから取り除くように配置され、
前記第一電極の上隅に隣接する第一アークホーンと、前記第二電極の上隅に隣接する第二アークホーンとを含み、前記第一ギャップ幅を有する最小幅地点は前記一対のアークホーンにより近い
ことを特徴とする電気的保護装置。
【請求項１２】
前記第一電気的接続部はアース端子に接続され、前記第二電気的接続部は送電線に接続されている
ことを特徴とする、請求項１１に記載の電気的保護装置。
【請求項１３】
前記第一電極がその内部に取り付けられる第一高剛性支持構造体と、
前記第二電極がその内部に取り付けられる第二高剛性支持構造体と、
前記第一高剛性支持構造体と前記第二高剛性支持構造体との間に配置されている高剛性絶縁体とを、さらに備えている
ことを特徴とする、請求項１１に記載の電気的保護装置。
【請求項１４】
前記高剛性絶縁体の周りの一部を囲むが、前記高剛性絶縁体の周りの全体は囲まない円筒状シールドを、さらに備えている
ことを特徴とする、請求項１３に記載の電気的保護装置。
【請求項１５】
過電圧保護アセンブリと、
支持構造体と、を備える過電圧保護システムであって、
前記過電圧保護アセンブリは、
第一電気的接続部および第二電気的接続部と、
放電装置であって、
前記第一電気的接続部に接続された第一導電性バスおよび前記第二電気的接続部に接続された第二導電性バスであって、前記放電装置は、前記第一導電性バスから成る第一電極と前記第二導電性バスから成る第二電極との間にスパークギャップを形成し、前記第一電極および前記第二電極は各々が、少なくとも部分的に、削磨回復力のある材料で構成されて所定の最小直径を有し、前記第一電極および前記第二電極が互いに近接して前記スパークギャップを形成する、第一導電性バスおよび第二導電性バスと、
前記スパークギャップから斜めに延伸する一対のアークホーンと、を含み、
前記スパークギャップは、前記第一電極の相互近接領域に隣接する下隅と前記第一電極の前記アークホーンに隣接する上隅とで画定される、前記第一電極の概ね垂直な領域と、前記第二電極の相互近接領域に隣接する下隅と前記第二電極の前記アークホーンに隣接する上隅とで画定される、前記第二電極の概ね垂直な領域と、の間に形成され、前記第一電極の概ね垂直な領域と前記第二電極の概ね垂直な領域との間のギャップは、最大幅地点から前記一対のアークホーンにより近い最小幅地点まで徐々にリニアに減少し１ｍｍと２０ｍｍとの間の変動幅と、少なくとも１０，０００ボルトの絶縁破壊電圧と、を有し、
前記最大幅地点と前記最小幅地点との差が前記第一導電性バスまたは前記第二導電性バスのいずれの前記所定の最小直径よりも小さく、前記最大幅地点と前記最小幅地点とのギャップ高が少なくとも前記最小幅地点幅よりも大きく、
前記第一導電性バスと前記第二導電性バスとの間の電圧差が前記絶縁破壊電圧を超えると、前記第一導電性バスと前記第二導電性バスとの間に電流が流れて、破壊されることなく電力線周波数の複数サイクル分の放電時間にわたって放電される放電装置と、を備え、
前記支持構造体は、
前記スパークギャップを流れ６０，０００アンペアを超える電流に基づいて生成されるローレンツ力に耐えるように構成された複数のマウントと、
前記放電装置を堅固に安定化させる複数の支持絶縁体と、
前記過電圧保護アセンブリと電気的に並列に接続されていて、電気的な構成要素とアースとの間の絶縁破壊電圧を検出するために使用可能な自己テストアセンブリと、を備える
ことを特徴とする過電圧保護システム。
【請求項１６】
前記自己テストアセンブリは、電圧源と、ヒューズと、電圧プローブとを備えている
ことを特徴とする、請求項１５に記載の過電圧保護システム。
【請求項１７】
前記自己テストアセンブリは、さらに、電流プローブを備えている
ことを特徴とする、請求項１６に記載の過電圧保護システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１４年２月１９日にＰＣＴ国際出願として出願されたものであって、２０１３年２月２０日に出願された米国仮出願第６１／７６７，１４３号、２０１３年４月３０日に出願された米国仮出願第６１／８１７，７６２号、２０１３年９月２０日に出願された米国仮出願第６１／８８０，３４５号の優先権を主張し、これらはいずれも本明細書に引用により援用される。
【０００２】
本発明は、一般的に電力系統の特徴的な部分、特に、電力系統用の過電圧保護装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
伝統的に、重要な電気系統は、該電気系統内の故障に起因する過電圧から保護される必要がある。これらの障害によって、重要なデバイスに通常よりもはるかに高い電流と電圧が発生し、それらの安全限界を超えてしまうことがある。たとえば、重要なインフラストラクチャの一例に相当する電力系統が地絡を被ると、高電圧信号が接地され、その結果、すべての機器に電流スパイクが発生し、しばしば重要な電気機器に損傷を引き起こすことになる。
【０００４】
障害事象中に該系統を保護するシステムが歴史的に開発されてきた。例えば、ある場合には、歴史的にスパークギャップを用い、オープンエアギャップを横断して、または容器内の不燃性ガスに、スパークが形成されて、所定の閾値を超える電圧事象を緩和することができるようにすることによって、過電圧事象を緩和させてきた。しかし、スパークギャップは非常に変わりやすく、該スパークを発生させる電圧は、湿度および結露または他の環境条件に基づいて最大１０％〜１５％変化する可能性がある。また、ギャップ電極材料が電気アークのエネルギーによって破壊される前にスパークギャップを介して分散させることができるエネルギーの総量には、限りがある。
【０００５】
より最近の保護システムでは、サージアレスタを電力線変圧器と並列に配置して、落雷、地絡、または他の電圧および／または電流スパイク状態のときに保護するようにしている。このような環境下で、サージアレスタは、第一閾値で電圧クリッピングを行ない、その状態では、過電圧事象がアースに送られ、該サージアレスタと並列に配置された電気系統が損傷されないで済む。このサージアレスタは、アースに分流することができるエネルギーの量に限りがある。そのエネルギー限界を超えた後も該事象が続く場合、サージアレスタは、圧力緩和モードとなる。この場合、サージアレスタは、設計値までは電流をアースまで安全に運び保護対象系統の電圧を制限するようになっているが（例えば、ＩＥＥＥ  Ｃ６２．１１に記載されているように）、その後は使用できなくなる。
【０００６】
したがって、従来使用されてきたさまざまなシステムおよび方法には、動作上欠点があり、そのために、時によっては、電気系統のための信頼できる保護として準最適であるに過ぎないものとなっている。
【発明の概要】
【０００７】
以下の開示によって、上記および他の問題は、以下のように対処される。
【０００８】
第一の態様で、電気的保護装置は、第一電気的接続部と、第二電気的接続部と、第一放電装置と、第二放電装置と、を備えている。前記第一放電装置は、前記第一電気的接続部に接続された第一導電性バスと、前記第二電気的接続部に接続された第二導電性バスと、を備え、前記第一放電装置は、第一絶縁破壊電圧を有して、前記第一導電性バスと前記第二導電性バスの電圧差が前記第一絶縁破壊電圧を超えると、前記第一導電性バスと前記第二導電性バスとの間に第一電流が流れる。前記第二放電装置は、前記第一電気的接続部に接続された第三導電性バスと、前記第二電気的接続部に接続された第四導電性バスと、を備え、前記第二放電装置は、第二絶縁破壊電圧を有して、前記第三導電性バスと前記第四導電性バスの電圧差が前記第二絶縁破壊電圧を超えると、前記第三導電性バスと前記第四導電性バスとの間に第二電流が流れる。
【０００９】
第二の態様で、電気的保護装置は、第一電気的接続部と、第二電気的接続部と、第一スパークギャップと、第二スパークギャップとを備えている。前記第一スパークギャップは、第一電極と第二電極との間に形成され、前記第一電極は前記第一電気的接続部に接続され、前記第二電極は前記第二電気的接続部に接続され、前記第一スパークギャップは第一絶縁破壊電圧を有する。前記第二スパークギャップは、第三電極と第四電極との間に形成され、前記第三電極は前記第一電気的接続部に接続され、前記第四電極は前記第二電気的接続部に接続され、前記第二スパークギャップは第二絶縁破壊電圧を有する。
【００１０】
第三の態様で、電気的保護装置は、第一電気的接続部と、第二電気的接続部と、第一スパークギャップと、第二スパークギャップと、第三スパークギャップと、上部プレートと、下部プレートと、絶縁スタンドオフとを備えている。前記第一スパークギャップは、第一電極と第二電極との間に形成され、前記第一電極は前記第一電気的接続部に接続され、前記第二電極は前記第二電気的接続部に接続されていて、前記第一スパークギャップは第一絶縁破壊電圧を有する。前記第二スパークギャップは、第三電極と第四電極との間に形成され、前記第三電極は前記第一電気的接続部に接続され、前記第四電極は前記第二電気的接続部に接続されていて、前記第二スパークギャップは第二絶縁破壊電圧を有する。前記第三スパークギャップは、第五電極と第六電極との間に形成され、前記第五電極は前記第一電気的接続部に接続され、前記第六電極は前記第二電気的接続部に接続されていて、前記第三スパークギャップは第三絶縁破壊電圧を有する。前記上部プレートは、導電性物質から形成されている。前記下部プレートは導電性物質から形成されている。前記絶縁スタンドオフは、前記上部プレートと前記下部プレートとの間に配置されている。前記第一電極と前記第三電極と前記第五電極は、垂直に配向された状態で前記上部プレートに取り付けられている。前記第二電極と前記第四電極と前記第六電極は、垂直に配向された状態で前記下部プレートに取り付けられている。前記第一電極は、前記第一絶縁破壊電圧に相当する第一ギャップ間隔の分だけ、前記第二電極から離されている。前記第三電極は、前記第二絶縁破壊電圧に相当する第二ギャップ間隔の分だけ、前記第四電極から離されている。前記第五電極は、前記第三絶縁破壊電圧に相当する第三ギャップ間隔の分だけ、前記第六電極から離されている。前記第一電気的接続部はアース端子に接続され、前記第二電気的接続部は、接続された電気機器を地絡電流から保護するために、送電線または変圧器の中性点に接続されている。
【００１１】
第四の態様で、過電圧保護システムは、過電圧保護アセンブリと自己テストアセンブリを備えている。前記過電圧保護アセンブリは、第一電気的接続部と第二電気的接続部とを備えている。また、前記第一電気的接続部に接続された第一導電性バスと前記第二電気的接続部に接続された第二導電性バスを含む第一放電装置も備えて、前記第一放電装置は第一絶縁破壊電圧を有し、前記第一導電性バスと前記第二導電性バスの電圧差が前記第一絶縁破壊電圧を超えると、前記第一導電性バスと前記第二導電性バスの間に第一電流が流れる。前記過電圧保護アセンブリは、前記第一電気的接続部に接続された第三導電性バスと前記第二電気的接続部に接続された第四導電性バスを含む第二放電装置も備えて、前記第二放電装置は第二絶縁破壊電圧を有し、前記第三導電性バスと前記第四導電性バスの電圧差が前記第二絶縁破壊電圧を超えると、前記第三導電性バスと前記第四導電性バスの間に第二電流が流れる。前記自己テストアセンブリは、前記過電圧保護アセンブリと電気的に並列に接続されていて、電気的な構成要素とアースとの間の第一絶縁破壊電圧および第二絶縁破壊電圧の少なくとも一方を検出するために使用可能である。
【００１２】
別の態様で、電気的保護装置は、第一電気的接続部および第二電気的接続部と、前記第一電気的接続部に接続された第一側部および前記第二電気的接続部に接続された第二側部を含むサージアレスタとを備えている。前記サージアレスタは、導通を開始しクリッピングが発生する絶縁破壊電圧と、前記サージアレスタがほぼ瞬時に（ここでは、数十マイクロ秒未満で）圧力除去モードに入る上限である圧力除去電圧とを有する。前記電気的保護装置は、前記第一電気的接続部に接続された第一電極と前記第二電気的接続部に接続された第二電極の間に形成されたスパークギャップを備え、前記スパークギャップは第一側部と第二側部とを有し、前記第一側部と前記第二側部の間隔は、前記スパークギャップの絶縁破壊電圧が導通電圧より高いが、接続された電気機器の耐電圧上限より小さくなるように選択される。前記電気的保護装置は、さらに、第一端部と第二端部を含んで前記第一端部が前記スパークギャップの第一側部に接続された第一導体と、第一端部と第二端部を含んで前記第一端部が前記スパークギャップの前記第二側部に接続された第二導体とを備えている。前記第一導体の第二端部と前記第二導体の第二端部の間隔は、前記第一導体の第一端部と前記第二導体の第一端部の間隔よりも大きい。前記サージアレスタと前記スパークギャップは、このように電気的に並列構成で接続されている。
【００１３】
さらに別の態様で、電気的保護装置は、第一電気的接続部および第二電気的接続部と、前記第一電気的接続部に接続された第一側部と前記第二電気的接続部に接続された第二側部を含むサージアレスタとを備えている。前記電気的保護装置は、導電性材料から形成された一対のアークホーン（またはヤコブのはしご）を備え、前記一対のアークホーンの第一アークホーンは前記第一電気的接続部に接続され、前記一対のアークホーンの第二アークホーンは前記第二電気的接続部に接続されている。前記第一アークホーンの中央と前記第二アークホーン（またはヤコブのはしご）の中央との間隔が、前記サージアレスタの導通電圧より大きく、接続された電気機器の耐電圧上限より小さい絶縁破壊電圧を有するスパークギャップとなっている。前記サージアレスタと前記アークホーンは、このように電気的に並列構成で接続されている。
【００１４】
さらなる態様で、電気的保護装置は、第一電気的接続部と、第二電気的接続部と、サージアレスタとを備えている。前記サージアレスタは、前記第一電気的接続部に接続された第一側部と前記第二電気的接続部に接続された第二側部とを備え、クリッピングが発生する絶縁破壊電圧を有する。前記電気的保護装置は、さらに、所定間隔だけ離間した一対の同心円筒状導体によって形成されたスパークギャップを備えている。前記スパークギャップは、前記サージアレスタの導通電圧より大きいが、接続された電気機器の耐電圧上限より小さい絶縁破壊電圧を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】過電圧保護アセンブリの概略図である。
【図２】第一の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリの斜視図である。
【図３】いくつかの例示的な実施形態において、本明細書で説明する過電圧保護アセンブリのデザインを表す例示的な電圧レベルを示している。
【図４】第二の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリの斜視図である。
【図５Ａ】さらなる例示的な実施形態に係る、統合されたガブリエル電極を備えた過電圧保護アセンブリの斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａの過電圧保護アセンブリの一部分の拡大斜視図である。
【図６】さらなる例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリの概略図である。
【図７】さらなる例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリの概略図である。
【図８】さらなる例示的な実施形態に係る、筒状のスパークギャップアセンブリの概略図である。
【図９】さらなる例示的な実施形態に係る、筒状のスパークギャップアセンブリの断面模式図である。
【図１０Ａ】さらなる例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリの斜視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの過電圧保護アセンブリの一部の拡大斜視図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａの過電圧保護アセンブリの別の斜視図である。
【図１１Ａ】過電圧保護アセンブリ内の電極の実施形態の斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの電極の実施形態の拡大斜視図である。
【図１２】他の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリの斜視図である。
【図１３Ａ】他の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリの斜視図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａの過電圧保護アセンブリの内部の斜視図である。
【図１４Ａ】他の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリの斜視図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの過電圧保護アセンブリのサブアセンブリの側面図である。
【図１４Ｃ】図１４Ａの過電圧保護アセンブリの別の実施形態の斜視図である。
【図１４Ｄ】図１４Ａの過電圧保護アセンブリの別の実施形態の斜視図である。
【図１４Ｅ】図１４Ａの過電圧保護アセンブリの導体の別実施形態の側面図である。
【図１４Ｆ】図１４Ａの過電圧保護アセンブリの導体の他の別実施形態の側面図である。
【図１５Ａ】他の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリの斜視図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａの過電圧保護アセンブリの他の斜視図である。
【図１５Ｃ】図１５Ａの過電圧保護アセンブリの下から見た斜視図である。
【図１５Ｄ】図１５Ａの過電圧保護アセンブリの下から見た拡大斜視図である。
【図１５Ｅ】図１５Ａの過電圧保護アセンブリの屋根およびケージの下から見た斜視図である。
【図１５Ｆ】図１５Ａの過電圧保護アセンブリのケージの斜視図である。
【図１６】他の例示的な実施形態に係る過電圧保護システムの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面を参照しながら本発明のさまざまな実施形態について詳細に説明するが、いくつかの図を通して、同じ参照番号は、同じ部品およびアセンブリを表す。さまざまな実施形態を参照するが、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。さらに、本明細書に記載のいずれの実施例も、限定することを意図するものではなく、単に特許請求される本発明の多くの可能な実施形態のうちのいくつかを記載するに過ぎない。
【００１７】
一般的に、本発明は、コンデンサバンクや他の電気系統のような他の電気的構成要素を電力系統の地絡電圧サージから保護する装置に関するものである。本開示のシステムおよび方法の実施形態は、ギャップ間隔とサージアレスタ電気的特性を選択して所定の電圧レベルにおける信頼性の高い保護を与えるように、サージアレスタ、スパークギャップ、およびヤコブのはしご（またはアークホーン）を統合したものを組み入れる。本明細書に記載の電気的保護システムのさらに他の実施形態は、送電網用として費用効率が良い状態のままで、電気系統の過電圧保護を提供するスパークギャップ構成、特に、比較的大きな電力と電流の消費量を必要とする大規模な電力系統（例えば、送電系統）用のスパークギャップ構成を採用する。このような実施形態には、電力線変圧器の中性点で発生する誘導電流から保護するために使用するように調整され、また、電力網で起こり得るような大電流を消費する事象にも対応することができる比較的低コストの構成を提供するように構成されるという特徴を含めることができる。
【００１８】
次に図１と図２を参照すると、コンデンサバンクや他の電力系統構成要素のような、高電力の電気的構成要素を地絡事象中に高電圧から保護するように構成される、例示的な実施形態に係るアセンブリ１００が示されている。このアセンブリは、サージアレスタ１０２と、ヤコブのはしご（またはアークホーン）１０４と、その中に統合されたスパークギャップ１０６とを含み、それらは保護対象である構成要素に接続される回路リード線１０８ａ、１０８bを両端として互いに並列に接続されている。
【００１９】
図示した実施形態において、サージアレスタ１０２には多くのタイプがあり得る。例示的な実施形態では、サージアレスタ１０２は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）サージアレスタである。これは、さまざまな場所に配置することができ、図２の例では、サージアレスタ１０２は、アセンブリの底部に取り付けられている。このサージアレスタ１０２は、コンデンサやコンデンサバンクやコンデンサと抵抗の直列接続の両端に発生する共振電圧や他の電圧をクリッピングし、それによって電圧クリッピングを行なって不要な直列共振、鉄共振、または他の共振を抑えることができる。図示した実施形態では、サージアレスタ１０２は、両側で、回路リード線１０８ａ、１０８bにある第一電気的接続部および第二電気的接続部に電気的に接続されている。
【００２０】
サージアレスタには、ヤコブのはしご（またはアークホーン）１０４とスパークギャップ１０６を組み合わせたものが取り付けられている。ヤコブのはしご１０４は、第一導体１０５ａと第二導体１０５bとを備えて、それらの間にはスパークギャップが形成され、第一電極の上端部と第二電極の上端部との間隔は、第一電極の下端部と第二電極の下端部との間隔よりも大きい。第一導体１０５ａと第二導体１０５bは、さまざまな実施形態において、真鍮、ニッケル被覆銅、タングステン、ニオブ、それらの合金、または導電性の高い他の物質から作ることができる。
【００２１】
図２の実施形態において、スパークギャップ１０６は、ヤコブのはしご１０４の狭い部分にある、二つの導体１０５ａ、１０５ｂの間の狭いギャップであり、電極１１０ａ、１１０ｂを形成する。図示した実施形態では、スパークギャップ１０６は、わずか数ミリメートルのギャップ間隔であり、ヤコブのはしご１０４に組み込まれている。高電流地絡が発生すると、スパークギャップ１０６でアークが形成されて保護対象となる構成要素（すなわち、リード線１０８ａ、１０８ｂに接続された、コンデンサやコンデンサバンクや他の構成要素）の両端にかかる電圧を制限する。
【００２２】
ヤコブのはしご１０４は、スパークギャップ１０６から離れて延びるにつれて間隔が増加するギャップを形成する相補型金属構造をしている。例示した実施形態では、ヤコブのはしご１０４は、真鍮、ニッケル被覆銅、タングステン、ニオブ、それらの合金、または他の適切な金属のような適切な導電性金属で作られ、アークがスパークギャップ１０６から離れた場所まで（例えば、はしごを昇って）移動し、そこで空気中に大量のエネルギーを放散することができる手段を提供している。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ヤコブのはしご１０４のギャップ間隔、ひいては絶縁破壊電圧は、空気中で一定の絶縁破壊電圧を実現するために、一定の間隔になるように設計されている。別の実施形態では、ギャップは調整することができ、それ故に、ギャップの絶縁破壊電圧は調整可能とすることができる。各種ガスの絶縁破壊電圧とギャップ間隔との関係は、平行板間にあるガスの絶縁破壊電圧を圧力およびギャップ間隔の関数として説明するパッシェンの法則で与えられる。
【００２４】
動作中に過電圧事象が発生すると、通常は、スパークギャップ１０６で形成された直後の初期アークは、急速にヤコブのはしご１０４を登り、その後電力サイクル数個分に亘って、６０Ｈｚでは通常は電力サイクル数個（４〜６）分（すなわち、６０〜１００ミリ秒）、はしごの両先端間でアークを発生し続ける。このアークエネルギー放散フェーズの期間中、ヤコブのはしご１０４の先端の一部が加熱されることになり、少量の金属電極チップが気化する可能性がある。
【００２５】
サージアレスタは、電圧クリッピングを行なうことで、不要な共振が起こった場合はそれを減衰させる。サージアレスタのエネルギー吸収限界を超えた場合、スパークギャップが、接続機器をさらなる過電圧事象から保護し続ける。ヤコブのはしごは、サージアレスタおよびスパークギャップとも並列に接続されている。ヤコブのはしごの機能は、アーク伝導経路が確立されるとサージアレスタとスパークギャップを保護することである。つまり、ギャップでアークが起こると急速にはしごの上端まで上昇し、アークエネルギーが空気中に放散される。このようにして、サージアレスタとスパークギャップとヤコブのはしごとを組み合わせたものは、コンデンサバンク、静的ＶＡＲ補償器（ＳＶＣ）、または他の高電力電気系統構成要素のような高電力構成要素に対して非常に信頼性の高い装置を提供する。
【００２６】
図３は、いくつかの例示的な実施形態において、本明細書で説明した過電圧保護アセンブリの仕様を表す例示的な電圧レベル図表３００を示している。図示した図表３００では、上述した保護アセンブリ、ならびに以下の図４〜図５の保護アセンブリの動作を記載している。特に、この保護アセンブリの用途としては、接地変圧器の中性点、ＳＶＣ、または他の電力構成要素の地磁気誘導電流（ＧＩＣ）を阻止するために使用されるコンデンサバンクの保護が挙げられる。
【００２７】
図３の図表３００に見られるように、地絡電圧が発生したときに、例示的なアセンブリ内のサージアレスタ１０２は、電流を導通させ、例えば、５ｋＶ〜７ｋＶの範囲内で、電圧クリッピング機能を実行する。これによって減衰が行なわれて、電力系統に現れる不要な共振を制御する。サージアレスタによってアースに分流されるエネルギーの量がその機能の限界を超えた場合、圧力除去モードに入り、消費される。後続の地絡事象において、電圧がスパークギャップの絶縁破壊電圧を超える（例えば、１１ｋＶの範囲を超える）場合、スパークギャップでアークが形成される。この場合、ギャップ間隔は、例えば、１１ｋＶ〜２５ｋＶ程度の公称電圧でアークが形成されるように選択されることになる。この絶縁破壊電圧は、湿度、結露、大気圧の変化などに依存することが実証されている。しかし、湿度、結露、および圧力の状態の変動がスパークギャップ１０６の絶縁破壊電圧に大きく影響することはなく、むしろ、絶縁破壊電圧のばらつきは比較的小さいと思われ（すなわち、およそ±１０％〜１５％）、この保護アセンブリにとって許容可能である。別の実施形態では、各サージアレスタが同じレベルまたは異なるレベルで圧力緩和モードに入るように構成することができるというように、異なる特性を有する追加のサージアレスタを組み込むことができる。
【００２８】
図４は、第二の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリ４００の斜視図である。このアセンブリ４００は、上述したものと類似する、サージアレスタ４０２、ならびにヤコブのはしご４０４およびスパークギャップ４０６を備えている。この例示的な実施形態では、アセンブリ４００は、ヤコブのはしご４０４の機械的安定性を増し、したがって、より安定したスパークギャップ間隔（すなわち、より一定のギャップ絶縁破壊電圧）を提供するようにデザインされた、ヤコブのはしご４０４の「ブレード」構成を使用して構成されている。図中のアセンブリ４００は、アセンブリの底部に水平に取り付けられたサージアレスタ４０２（ＭＯＶなど）を備えている。ヤコブのはしご４０４の導体４０５ａ、４０５ｂは、サージアレスタ４０２と並列に電気的に接続され、上下方向に延びている。サージアレスタの通電能力を超える場合、圧力除去モードに入り、電気アークが形成される。電圧差が予め設定されたギャップ絶縁破壊電圧に達した場合、その後の過電圧事象により、スパークギャップでアークをが発生する。いずれの場合においても、アークエネルギーは、その後、ヤコブのはしご４０４の先端で放散され、サージアレスタ４０２と、ギャップの寸法、したがって、スパークギャップの絶縁破壊電圧を規定する導電体４０５ａ、４０５ｂの材料とに対する損傷の度合いを減らす。アセンブリ４００は、回路リード線４０８ａ、４０８ｂで保護対象の構成要素に接続されるように構成されている。
【００２９】
ここで図５Ａ、図５Ｂを参照すると、「ガブリエル」が統合された構成を備えた例示的な保護アセンブリ５００がさらに示されている。この実施形態では、アセンブリは、再び、サージアレスタ（図示せず）と、ヤコブのはしご５０４と、スパークギャップ５０６とを備えている。しかし、図示した実施形態では、スパークギャップ５０６は、既存の電極５１０ａ、５１０ｂに加えて、ガブリエル電極５１０ｃを備えている。これによって、より信頼性の高い、ギャップの絶縁破壊電圧が提供される。図示した実施形態では、第三電極５１０ｃは、この例では、この第三電極（この例では、スパークプラグ）の先端がスパークギャップ５０６内に位置するように、スパークプラグ５１２をスパークギャップ５０６に備えることによって実現される。この電極５１０ｃは、直列抵抗（図示しないが、通常はおよそ数メガオームの抵抗）を介して高電圧ラダー電極５１０ｂと電気的に接続されている。電極５１０ｃの機能は、イオン化されたガス柱をより正確な電圧レベルで生じさせ、ギャップでのアーク発生を開始させることである。該抵抗は、アーク電流がヤコブのはしご、すなわちアークホーンの第一電極および第二電極を流れるように、この電極を流れる電流を制限する。それによって、第三電極５１０ｃは、スパークギャップがアークを発生しアセンブリが保護モードに入る、狭い範囲の電圧を提供する。アセンブリ５００は、回路リード線５０８ａ、５０８ｂで保護対象の構成要素に接続されるように構成されている。
【００３０】
今度は図６を参照すると、さらなる実施形態である過電圧保護アセンブリ６００が示されている。図示した実施形態では、スパークギャップ６０２は、高電圧（ＨＶ）および超高電圧（ＥＨＶ）電力機器を地絡から保護するために使用される。図示した実施形態では、ヤコブのはしご６０４は、スパークギャップ６０２と接続して使用し、長寿命であって多くの（例えば、約１００〜１０００）地絡事象に再利用することが可能な保護装置を作成することができる。スパークギャップ６０２は、互いに所定の間隔で離れた電極６０３ａ、６０３ｂを備えている。
【００３１】
図６の過電圧保護アセンブリ６００は、本明細書で説明した他の実施形態と同様に、特別な配置および材料を装置に使用しない限り高電流アークがギャップ領域の金属を融解し破壊する、高電圧で高電流の状況で使用されるときに、多くのスパークギャップで発生する問題を克服する。図６に示す例示的な実施形態では、この破壊的な状況は、スパークギャップ６０２と関連付けられたヤコブのはしご６０４を使用して克服することができ、アークを初期のギャップ領域から外に移動し広範囲に亘ってラダー電極の先端でエネルギーを放散することができる。これにより、過電圧保護アセンブリ６００のような、劣化せずに多くの地絡に再使用することが可能な過電圧保護アセンブリをデザインすることができる。
【００３２】
なお、追加として、過電圧保護アセンブリ６００は、アークの領域の下方に位置するリターン導体（６１２）からのローレンツ力を加えることによって、スパークギャップ６０２で形成されたスパークがヤコブのはしごを上に迅速に移動するようにさらに促す。アセンブリの一側面は、高温側である保護対象の電気装置に接続されている。スパークギャップの第二側面は、接地点６１０でアースされている。導電性バー６１２または他の電気バスは、スパークギャップ６０２の接地リターン経路側に接続し、スパークギャップ６０２の下に配置することができる。
【００３３】
動作時に、ローレンツ力は、スパークギャップおよびヤコブのはしごアセンブリのプラス側の（スパークギャップ６０２の第一側面の）導電経路と、アークプラズマをはじくことによってアークをヤコブのはしご６０４の上に押し上げる、スパークギャップ６０２のリターン経路側との間に発生する。図示した実施形態では、二つの電極間のギャップ間隔は、必要な絶縁破壊電圧を実現することができるように選択される。この間隔は、絶縁破壊電圧と、スパークギャップにあるガス（すなわち、空気）と、受けた圧力と、スパークギャップの間隔との関係として表される、パッシェンの法則の関係式を用いて計算することができる。
【００３４】
図７に示した、本開示のさらなる実施形態では、過電圧保護アセンブリ７００が示されている。この実施形態では、スパークギャップ７０２は、電極７０３ａ、７０３ｂを備えることができ、ガブリエル電極７０４を介して図６に示した構成に導入することができる。この実施形態では、通電経路は図６に示したものと同様であるが、過電圧保護アセンブリ７００では、スパークギャップ７０２の幅を広くすることができる。例えば、いくつかの実施形態では、スパークギャップ７０２は、約６〜１０ミリメートルの幅を有することができる。この構成では、最初のスパークは、第三電極７０４と接地電極７０３ｂとの間に生じる。この第三電極と電極７０３ｂとの通常のギャップ間隔は、必要な絶縁破壊電圧に応じておよそ約１〜４ミリメートルであればよい。初期のスパークの電流は、この第三電極７０４に接続された抵抗器７０６によって制限される。スパークが開始されると、高電圧電極７０３ａと接地電極７０３ｂとの間で高電流アークが確立される。通常６〜２０ミリメートルの大きめのギャップサイズであれば、アークエネルギーを広範囲に亘ってより適切に放散することができ、したがって電極が溶融し破壊される可能性が少なくて済む。さまざまな実施形態で、第三電極７０４は、この電極に発生する摩耗を低減するために、タングステンやニオブや他の高融点金属で作られていることが多い。さらに、いくつかの実施形態では、第三電極は、ギャップ領域の下であって、接地点７１２に電気的に接続されている下側の電気的バス７０９（すなわち、導体）の上方に位置する絶縁材７０８に確実に取り付けることができる。
【００３５】
いくつかの実施形態では、追加としてスパークギャップ電極７０３ａ、７０３ｂは、電極上の高電流事象による溶融および／または破壊的な影響を低減するために、タングステンで作られる。これは、図７に示すように、ヤコブのはしご７１０が取り付けられた二つのタングステン製ブロックを使用するか、あるいはその代わりにヤコブのはしご７１０のアセンブリ全体としてタングステンホーンを使用することによって達成することができる。さらに他の実施形態では、スパークギャップ７０２および／またはヤコブのはしご７１０の他の一部分を、タングステンまたは同等の弾力性がある導電性材料から作ることができる。
【００３６】
図８、図９には、円筒状のスパークギャップアセンブリ８００が例示されている。この実施形態では、二つの同心金属製円筒８０２、８０４が、大面積のスパークギャップを形成し長寿命の地絡保護装置を実現している。この実施形態では、アークが最小ギャップ間隔の領域まで動き回ることができる。金属の削磨や溶融が発生した場合、領域のギャップサイズは大きくなる。したがって、アークは、装置内の別の場所に移動することになる。図８に示した円筒の直径と高さを増加させることによって、大きなスパークギャップ領域を作成することができる。電気的リード線８１０ａ、８１０ｂは、図８、図９に示したように、例えば、接地や保護対象の電気回路網に接続するため、過電圧保護アセンブリ８００に接続することができる。
【００３７】
図９は、筒状のスパークギャップアセンブリ８００の詳細を断面形状で示している。具体的には、図９は、二つの同心金属製円筒８０２、８０４を備えた円筒状のスパークギャップアセンブリ８００を取り付けることを詳細に示している。絶縁材料を使用して、上部ハウジング部品８０６ａおよび下部ハウジング部品８０６ｂを形成することができる。ボルト８０８または他の留め具を使用して、中心電極の円筒を外側電極円筒に対して確実に固定することができる。ボルト８０８とそれに関係付けられた円筒状シェルを使用して、二つの電極間で均一なギャップ間隔を維持することができる。
【００３８】
図１０Ａは、他の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリ１０００の斜視図である。アセンブリ１０００は、ヤコブのはしご１００４と、スパークギャップ１００６と、スタンドオフ１０１２ａ、１０１２ｂとを備えている。
【００３９】
図示した実施形態では、ヤコブのはしご１００４は、電極１０１０ａ、１０１０ｂ（図１０Ｃと関連して以下に説明する実施形態でより明確に示されている）を有する導体１００５ａ、１００５ｂを含み、スパークギャップ１００６で形成されるアークを導体１００５ａ、１００５ｂに沿って搬送したところで大量のアークエネルギーを空気中に放散することができるように構成されている。導体１００５ａ、１００５ｂは、一般的に垂直に配置され、いくつかの実施形態では、円筒形状を有している。導体１００５ａ、１００５ｂは、導体１００５ａ、１００５ｂの中央同士の間隔が導体１００５ａ、１００５ｂの上部同士または底部同士の間隔よりも小さくなるように角度が付けられている。スパークギャップ１００６は、導体１００５ａ、１００５ｂの間の電極同士が互いに最も近い点で形成されている。スパークギャップ１００６の下側では、導体１００５ａ、１００５ｂ間の間隔は、アークが下に向かって移動するのを防止するのに十分なだけ、言い換えれば、機器が保護される方向に広げられている。上述したように、スパークギャップ１００６の間隔は、パッシェンの法則を使用して選択され、所望の絶縁破壊電圧を実現している。例えば、大気圧の窒素中で１０，０００ボルトの絶縁破壊電圧を実現するように構成された実施形態では、スパークギャップ１００６の幅は２．３ｍｍである。
【００４０】
図示した実施形態では、スパークギャップ１００６の真下の導体１００５ａ、１００５ｂの電流は、スパークギャップ１００６に形成されたアークにローレンツ力を提供し、アークを導体１００５ａ、１００５ｂに沿って移動させる。いくつかの実施形態では、アークを通して（すなわち、スパークギャップ１００６を横断して）導体１００５ａを上に移動し、次に導体１００５ｂを下に移動する電流は、スパークギャップ１００６の領域に磁界を生じさせる。この磁界は、アークの電流と相互作用し、アークプラズマにローレンツ力を生じさせ、この力がアークを導体１００５ａ、１００５ｂの上方に押しあげる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、導体１００５ａ、１００５ｂは、スタンドオフ１０１２ａ、１０１２ｂに結合されている。スタンドオフ１０１２ａ、１０１２ｂは、高剛性の絶縁物質で形成され、アークが存在する間は電極が動かないように構成されている。いくつかの実施形態では、スタンドオフ１０１２ａ、１０１２ｂは、さらに別の高剛性の外部構造体にも結合されている。
【００４２】
導体１００５ａ、１００５ｂは、導電性バス１００７ａ、１００７ｂに接続されている。いくつかの実施形態では、ヤコブのはしご１００４は、保護対象の機器と並列に接続されている。いくつかの実施形態では、導電体１００５ａ、１００５ｂの一方は、保護対象の電気機器の高温側に接続され、他方はアースに接続されている。
【００４３】
いくつかの実施形態では、過電圧保護アセンブリ１０００は、さらに、ガブリエル電極１０１０ｃを備えている。他の実施形態は、ガブリエル電極１０１０ｃを備えていない。
【００４４】
ここで図１０Ｂを参照すると、過電圧保護アセンブリ１０００の拡大斜視図が示されている。図示した実施形態では、過電圧保護アセンブリ１０００は、統合された「ガブリエル」電極１０１０ｃを備えている。
【００４５】
図１０Ａ、図１０Ｂに示した実施形態では、ガブリエル電極１０１０ｃは、電極１０１０ａ、１０１０ｂの間のスパークギャップ１００６に配置されている。いくつかの実施形態では、ガブリエル電極１０１０ｃは、電極１０１０ａ、１０１０ｂよりもはるかに小さい電気伝導点である。ガブリエル電極１０１０ｃは、所定の制御電圧でアークを開始するように構成されている。ガブリエル電極１０１０ｃがあると、適度に低い絶縁破壊電圧でアークを開始することができ、高電流アークのエネルギー放散に耐えるように、より大きなギャップにすることができる。いくつかの実施形態では、ガブリエル電極１０１０ｃは、電極１０１０ｂより電極１０１０ａに近い位置に配置され堅固に保持される。これらの実施形態では、スパークギャップ１００６を横断するアークの開始は、電極１０１０ａとガブリエル電極１０１０ｃの先端間の間隔に依存する。また、これらの実施形態では、スパークギャップ１００６を横断するアークの開始は、電極１０１０ａと電極１０１０ｂとの間隔にはあまり依存しない。したがって、ガブリエル電極１０１０ｃを備えた実施形態は、環境の差異、材料の差異、および製造上の差異に対してより大きな耐性を有する。
【００４６】
図示した実施形態では、ガブリエル電極１０１０ｃは、絶縁物１０１１内に配置された導体である。絶縁物１０１１は、ガブリエル電極１０１０ｃを所定の位置に保持する。ガブリエル電極１０１０ｃの先端は、ガブリエル電極が存在しない場合より低い電圧で絶縁破壊が起こるように、電極の一方とのギャップ間隔が他方よりも短くなるようにして、二つの電極のギャップ内に配置される。ガブリエル電極１０１０ｃは、直列抵抗（図示しないが、通常、およそ数メガオームの抵抗）を介して接続されている。ガブリエル電極１０１０ｃの機能は、ギャップ内でアークの形成を開始するために、より正確な電圧レベルでイオン化された気柱を作ることである。該抵抗は、その後、アーク電流がヤコブのはしご１００４の導体１００５ａ、１００５ｂを流れるように、この電極を流れる電流を制限する。それによって、ガブリエル電極１０１０ｃは、スパークギャップ１００６がアークを発生しアセンブリ１０００が保護モードに入る、狭い範囲の電圧を提供する。
【００４７】
図１０Ｃは、過電圧保護アセンブリ１０００の別の斜視図である。スタンドオフ１０１２ａ、１０１２ｂは支持要素１０１３ａ、１０１３ｂに結合されている。通常、支持要素１０１３ａ、１０１３ｂは、剛性があり、コンクリートのような絶縁材料から形成される。スタンドオフ１０１２ａ、１０１２ｂと支持要素１０１３ａ、１０１３ｂは、導体１００５ａ、１００５ｂを固定するように構成されている。こうすれば、アーク電流が流れて発生する力に対して導体１００５ａ、１００５ｂを安定させることができる。したがって、このようなスタンドオフ１０１２ａ、１０１２ｂとサポート要素１０１３ａ、１０１３ｂの使用は、スパークギャップを横断する電流が、例えば、６万アンペア以上になるほど大きい状況では、それらがなければ、かなりのローレンツ力が発生し該アセンブリに損傷を与える可能性があるので、有益であると言える。
【００４８】
さらに、図示した実施形態では、導体１００５ａ、１００５ｂ間の間隔は、さらに絶縁体１０１４ａ、１０１４ｂで固定されている。絶縁体１０１４ａ、１０１４ｂは、剛性があり、コンクリートのような絶縁材料から形成されている。絶縁体１０１４ａ、１０１４ｂは、導体１００５ａ、１００５ｂ間の間隔、したがって、スパークギャップ１００６の幅を確保するように構成されている。
【００４９】
今度は図１１Ａ，図１１Ｂを参照すると、一つの例示的な実施形態に係る、ヤコブのはしご１１００の導体１１０１ａ、１１０１ｂが示されている。導体１１０１ａ、１１０１ｂは、電極（図１１Ｂに詳細に示されている）を有しており、この用途を通して説明される過電圧保護システムで使用されるように構成されている。導体１１０１ａ、１１０１ｂは、下部１１０２ａ、１１０２ｂと上部１１０３ａ、１１０３ｂとを備えている。
【００５０】
通常、導体１１０１ａ、１１０１ｂのために選択される材料は、高伝導性、剛性、アーク放電事象中に放散されるプラズマエネルギーに耐える高融点、およびヤコブのはしご１１００の形状に成形することが可能なことの特性のうちの少なくともいくつかを有している必要がある。例えば、多かれ少なかれこれらの特性を有する材料としては、タングステン、タングステン／銅合金、ニオブ、および銅が含まれる。下部１１０２ａ、１１０２ｂに使用される材料に対する要求は、上部１１０３ａ、１１０３ｂを形成するために使用される材料に対する要求とは異なるので、下部１１０２ａ、１１０２ｂを形成するために使用される材料は、上部１１０３ａ、１１０３ｂを形成するために使用される材料とは異なっていてもよい。
【００５１】
通常、開示した実施例では、下部１１０２ａ、１１０２ｂは、円筒形であり、傾斜部を含み、両者間にスパークギャップ１１０６を形成するように構成されている。いくつかの実施形態では、下部１１０２ａ、１１０２ｂの直径は、３／８インチ（約０．９５ｃｍ）である。他の断面形状を用いた、または別の方法として異なる直径の電極を用いた、他の実施形態も可能である。いくつかの実施形態では、ギャップ１１０６の下の導体１１０１ａ、１１０１ｂがなす頂角は、アークがはしごを「上方に」移動するように、ギャップ１１０６の上の導体１１０１ａ、１１０１ｂがなす頂角よりも大きい。ギャップ１１０６の上の両導体がなす頂角は、機器が保護されている接続部からアークが実際に遠ざかることを確実にするために十分に小さくする必要がある。例えば、５０〜８０度の範囲にある、ギャップ１１０６の上の導体１１０１ａ、１１０１ｂがなす頂角は、ほとんどの高電流アークの用途に適しているであろう。いくつかの実施形態では、下部１１０２ａ、１１０２ｂは、下部の角のある形状を成形型およびプレスの技術を使用して形成することが適切なので、銅から作られる。タングステン、タングステン／銅合金、またはニオブを用いて下部１１０２ａ、１１０２ｂの形状を作る方法は、より困難である。
【００５２】
通常、上部１１０３ａ、１１０３ｂは、円筒状で一直線であり、アーク放電事象によって放散されるエネルギーに耐えるように構成されている。いくつかの実施形態では、上部１１０３ａ、１１０３ｂの直径は、３／８インチ（約０．９５ｃｍ）である。他の実施形態も可能である。いくつかの実施形態では、上部１１０３ａ、１１０３ｂは、タングステンが高融点を有するので、タングステンから形成される。他の実施形態では、上部の構成要素は、タングステン／銅合金またはニオブから形成される。タングステン、タングステン／銅合金、およびニオブは、銅よりも高い融点を有し、しかも剛性がより高いので、上部１１０３ａ、１１０３ｂは、銅のような他の多くの導電性材料が耐えるよりもアーク放電事象によって放散されるエネルギーに良く耐えることができる。
【００５３】
図示した実施形態では、下部１１０２ａ、１１０２ｂは、上部１１０３ａ、１１０３ｂに銀はんだ付けプロセスを使用して結合されている。上部１１０３ａ、１１０３ｂの下端１１０５ａ、１１０５ｂは、球面を有するように機械加工されている。下部１１０２ａ、１１０２ｂの上端は、上部１１０３ａ、１１０３ｂの下端の球面を受け入れるように機械加工されている。このように、導体１１０１ａ、１１０１ｂは、二つの異なる物質を用い、一般的な製造技術で形成されている。また、導体１１０１ａ、１１０１ｂは、導体１１０１ａ、１１０１ｂが銅だけで形成される場合よりも、アーク放電事象によって放散されるエネルギーに耐える優れた性能を有している。
【００５４】
図１２は、別の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリ１２００の斜視図である。該アセンブリ１２００は、導体１２０１ａ、１２０１ｂとスパークギャップ１２０６とを備えている。
【００５５】
通常、導体１２０１ａ、１２０１ｂは、球面を有する電極端１２０２ａ、１２０２ｂを備えた、大径で円筒形のロッドである。導体１２０１ａ、１２０１ｂの直径は、過電圧保護アセンブリ１２００の所定の用途に対する想定アーク電流に基づいて選択される。導体１２０１ａ、１２０１ｂは、電極端１２０２ａ、１２０２ｂが互いに隣接するように、水平に配置されている。電極端１２０２ａ、１２０２ｂは、スパークギャップ１２０６によって隔てられている。いくつかの実施形態では、導体１２０１ａ、１２０１ｂは、タングステンから形成されている。他の実施形態では、導体１２０１ａ、１２０１ｂは、タングステン／銅合金やニオブのような高融点の異なる材料から形成されている。他の実施形態では、他の材料も同様に使用することができる。導体１２０１ａ、１２０１ｂの電極端１２０２ａ、１２０２ｂの球面に起因して、アークは、球面の周りを移動し、表面上のどこも削磨しないであろう。したがって、この実施形態では、過電圧保護アセンブリ１２００は、長寿命であり、多くの地絡事象に対して再使用することができる。いくつかの実施形態では、ガブリエル電極をスパークギャップ１２０６に備えて、上述したようにアークを開始する。
【００５６】
他の実施形態では、導体１２０１ａ、１２０１ｂは、水平に配置されていないが、その代わりに互いに対してある角度で配置されている。このように、アークがスパークギャップ１２０６で形成されると、上述したようにローレンツ力に起因して上方の球面まで移動することになる。アークがこの動きをすることによって、アークエネルギーをより良く放散し、電極材料の削磨をより少なくすることができる。いくつかの実施形態では、ガブリエル電極もスパークギャップ１２０６に備えて、上述したように所定の電圧でアークを開始する。
【００５７】
いくつかの実施形態では、導体１２０１ａ、１２０１ｂをそれぞれのマウント１２０４ａ、１２０４ｂに実装するに際してバネ１２０３ａ、１２０３ｂが使用されている。このような実施形態では、バネ１２０３ａ、１２０３ｂは、導体１２０１ａ、１２０１ｂを圧縮し、互いから離れて反動させることができる。通常動作時には、二つのバネ１２０３ａ、１２０３ｂは、導体１２０１ａ、１２０１ｂを通常の位置に、両者間に初期の狭いギャップがあり互いに指し示す状態で、保持している。電極間に大きな電気的な力が発生した場合には、電極間の力によって電極が反動し、電極間の電気的な結果、すなわちアーク放電をより迅速に放散することができる。このようにすれば、アーク放電を速やかに放散することができるので、アーク放電の際の電極への損傷に対して追加保護を行なうことになる。
【００５８】
図１３Ａは、別の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリ１３００の斜視図である。該アセンブリ１３００は、ヤコブのはしご１３０４と、スパークギャップ１３０６と、支持構造体１３１２とを備えている。
【００５９】
ヤコブのはしご１３０４は、電極１３１０ａ、１３１０ｂを形成する導体１３０５ａ、１３０５ｂを備えている。ヤコブのはしご１３０４は、図１０Ａ、図１０Ｂに関連してより詳細に図示して説明したヤコブのはしご１００４と同様である。いくつかの実施形態では、導体１３０５ａ、１３０５ｂは、１〜１．５インチ（約２．５４〜３．８１ｃｍ）の直径と１０〜１８インチ（約２５．４〜４５．７２ｃｍ）の長さを有している。いくつかの実施形態では、導体１３０５ａ、１３０５ｂは、銅／タングステン合金から形成されている。
【００６０】
図示した実施形態では、スパークギャップ１３０６は、図１０Ａ，図１０Ｂに関連してより詳細に図示して説明したスパークギャップ１００６と同様である。アセンブリ１３００のいくつかの実施形態では、スパークギャップ１３０６の幅は、２〜３ｍｍである。
【００６１】
例示的な実施形態では、支持構造体１３１２は、セラミックや成形コンクリートのような高剛性の絶縁材料から形成された物理的構造体であり、導体１３０５ａ、１３０５ｂを支持するように構成されている。大きな地絡電流時には、導体１３０５ａ、１３０５ｂには、極めて大きな電流（例えば、６０，０００アンペア以上まで）が流れて、導体１３０５ａ、１３０５ｂに大きなローレンツ力を発生させることができる。支持構造体は、導体１３０５ａ、１３０５ｂがローレンツ力によって押し離されたりねじられたりしにくくなるように、導体１３０５ａ、１３０５ｂを支持し安定させるように構成されている。また、支持構造体１３１２は、導体１３０５ａ、１３０５ｂが動いたり反ったりするのを防止または最小化するように構成されている。支持構造体１３１２は、ヤコブのはしご１３０４の機械的安定性を増大させ、したがって、より安定したスパークギャップ間隔とより一貫したギャップ絶縁破壊電圧を生成する。
【００６２】
支持構造体１３１２は、基部１３１３と、支持壁１３１４ａ、１３１４ｂと、下部クランプ１３１５ａ、１３１５ｂと、中間クランプ１３１６ａ、１３１６ｂと、上部クランプ１３１７ａ、１３１７ｂとを備えている。さらに、いくつかの実施形態では、支持壁１３１４ａ、１３１４ｂは、開口部１３１８ａ、１３１８ｂを備えている。いくつかの実施形態では、基部１３１３と支持壁１３１４ａ、１３１４ｂと下部クランプ１３１５ａ、１３１５ｂは、高剛性の導電性材料から形成されている。中間クランプ１３１６ａ、１３１６ｂは、電気絶縁性材料から形成されている。上部クランプ１３１７ａ、１３１７ｂは、高剛性の導電性または絶縁性材料から一体的に形成されている。他の実施形態では、支持構造体１３１２は、接着剤やねじのような一つ以上の留め具と一緒に結合された複数の独立した構成要素から形成されている。
【００６３】
実施形態では、基部１３１３は、導体１３０５ａ、１３０５ｂが導体１３０５ａ、１３０５ｂ同士に発生するローレンツ力によって押し離されないように、曲げに抵抗するために強度を付与する強固な構造である。
【００６４】
支持壁１３１４ａ、１３１４ｂは、高剛性の絶縁材料から形成され、下部クランプ１３１５ａ、１３１５ｂと、中間クランプ１３１６ａ、１３１６ｂと、上部クランプ１３１７ａ、１３１７ｂとを支持して固定するように構成されている。さらに、支持壁１３１３ａ、１３１３ｂは、導体１３０５ａ、１３０５ｂが大きなローレンツ力を受けてもねじれないように横方向に支持している。
【００６５】
開口部１３１８ａ、１３１８ｂは、支持壁１３１４ａ、１３１４ｂ内の開口部である。開口部１３１８ａ、１３１８ｂは、スパークギャップ１３０６に隣接しており、スパークギャップ１３０６内に形成された初期アークによって発生するプラズマ噴出を逃がすように構成されている。このようにして、開口部１３１８ａ、１３１８ｂは、プラズマ噴出によって生じた圧力が支持構造体１３１２を損傷することなく放出されるようにしている。
【００６６】
図１３Ｂは、過電圧保護アセンブリ１３００の内部の斜視図である。この図では、過電圧保護アセンブリ１３００の内部が見えるように、支持壁１３１４ａは、図示していない。
【００６７】
下部クランプ１３１５ａ、１３１５ｂは、導体１３０５ａ、１３０５ｂの下部を固定するための装置である。いくつかの実施形態では、各下部クランプ１３１５ａ、１３１５ｂは、それぞれの導体１３０５ａまたは１３０５ｂの底部が配置される穴を備えている。このようにして、各下部クランプ１３１５ａ、１３１５ｂは、それぞれの導体１３０５ａまたは１３０５ｂを完全に包み込み、ローレンツ力に対して強化された安定性および抵抗性を付与している。
【００６８】
いくつかの実施形態では、下部クランプ１３１５ａ、１３１５ｂは、ギャップ１３１９によって隔てられている。ギャップ１３１９は、下部クランプ１３１５ａ、１３１５ｂ間のこのギャップにかかるアーク放電を防止するのに十分な大きさになっている。
【００６９】
中間クランプ１３１６ａ、１３１６ｂは、導体１３０５ａ、１３０５ｂの中間を固定する装置である。いくつかの実施形態では、中間クランプ１３１６ａ、１３１６ｂは、導体１３０５ａ、１３０５ｂの表面に当接するように構成された一つ以上の支持面を備えている。いくつかの実施形態では、この支持面は、導体１３０５ａ、１３０５ｂの外面のおよそ半分に当接している。このようにして、中間クランプ１３１６ａ、１３１６ｂは、導体１３０５ａ、１３０５ｂを支持しているが、スパークギャップ１３０６におけるアークの形成を妨害したり、アークが導体１３０５ａ、１３０５ｂを上方に移動するのを妨げたりはしない。さらに、いくつかの実施形態では、中間クランプ１３１６ａ、１３１６ｂは、スパークギャップ１３０６において導体１３０５ａ、１３０５ｂに当接しない。このようにして、中間クランプ１３１６ａ、１３１６ｂは、プラズマ噴出がスパークギャップ１３０６から逃れるスペースを確保している。
【００７０】
上部クランプ１３１７ａ、１３１７ｂは、導体１３０５ａ、１３０５ｂの頂部または頂部付近の領域を固定する装置である。いくつかの実施形態では、上部クランプ１３１７ａ、１３１７ｂは、導体１３０５ａ、１３０５ｂの面に当接するように構成された一つ以上の支持面を備えている。いくつかの実施形態では、支持面は、導体１３０５ａ、１３０５ｂの外面のおよそ半分に当接している。このようにして、上部クランプ１３１７ａ、１３１７ｂは、導体１３０５ａ、１３０５ｂを支持しているが、アークが導体１３０５ａ、１３０５ｂを上方に移動するのを妨げはしない。
【００７１】
いくつかの実施形態では、アセンブリ１３００のような複数のアセンブリが、容器内に配置され、同一の導体バスに並列に接続されている。大きな地絡電流が流れている間、アーク電流は、アセンブリのうちの一つのスパークギャップを横断して流れる。アーク電流は、最も低い絶縁破壊電圧を有するアセンブリ内を流れる。アーク電流は、スパークギャップに隣接する電極の一部を削磨することがあり、そうするとスパークギャップが拡がり絶縁破壊電圧が大きくなる。いくつかの状況では、この絶縁破壊電圧が、他のアセンブリのうちの一つが有する絶縁破壊電圧よりも大きくなる。第二の大きな地絡電流が流れている間、アーク電流は、上述した、他のアセンブリのうちの一つのアセンブリのスパークギャップを横断して流れる。このようにして、単一のアセンブリで見込まれる寿命よりも長い寿命に亘って過電圧保護を行なうことができる。並列スパークギャップを備えた例示的な実施形態は、図１４Ａ〜図１４Ｄに関連してより詳細に図示および説明される。
【００７２】
また、アセンブリ１３００のいくつかの実施形態では、導体１３０５ａ、１３０５ｂは、複数の材料から形成され、図１１Ａ，図１１Ｂに関連してより詳細に図示および説明されるように、銀ろうを用いて接合されている。
【００７３】
図１４Ａは、他の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリ１４００の斜視図である。該アセンブリ１４００は、複数のサブアセンブリ１４０１ａ〜１４０１ｃと回路リード線１４０２ａ、１４０２ｂとを備えている。該サブアセンブリは、回路リード線１４０２ａ、１４０２ｂに並列に接続されている。さらに、サブアセンブリ１４０１ａ〜１４０１ｃの各々は、スパークギャップ１４０６ａ〜１４０６ｃを備えている。この図では三つのサブアセンブリが示されているが、他の実施形態は、より多くの、または、より少ないサブアセンブリを備えている。
【００７４】
いくつかの実施形態では、スパークギャップ１４０６ａ〜１４０６ｃの幅は、ほぼ同じである。大きな地絡電流がスパークギャップ１４０６ａ〜１４０６ｃの一つの絶縁破壊電圧の誘因になると、スパークギャップを囲む対応電極の一部が削磨されてスパークギャップの幅が大きくなる。こうしてスパークギャップの幅が増加すると、絶縁破壊電圧も対応して増加する。いくつかの場合には、大きな地絡電流に起因する削磨後のスパークギャップの絶縁破壊電圧は、他のスパークギャップのうちのひとつの絶縁破壊電圧よりも大きくなる。したがって、次の大きな地絡電流が流れている間、異なるスパークギャップでアークが発生することになる。このようにして、アセンブリ１４００は、寿命が長くなり、より多くの大きな地絡電流に耐えられることになる。
【００７５】
図１４Ｂは、アセンブリ１４００のサブアセンブリ１４０１ａの側面図である。サブアセンブリ１４０１ａは、マウント１４０４ａ、１４０４ｂと、導体１４０５ａ、１４０５ｂと、電極１４１０ａ、１４１０ｂと、絶縁体１４１４ａ、１４１４ｂと、円筒状シールド１４１６ａ〜１４１６ｄとを備えている。
【００７６】
マウント１４０４ａ、１４０４ｂは、導体１４０５ａ、１４０５ｂを所望の角度で固定し、支持するように構成された高剛性の支持構造体である。いくつかの実施形態では、該マウントは、導体１４０５ａ、１４０５ｂを垂直線から２．５〜２０度の角度で配置するように構成されている。マウント１４０４ａ、１４０４ｂは、アーク電流が流れると導体１４０５ａ、１４０５ｂ間に発生するローレンツ力に耐えるように構成されている。
【００７７】
通常、導体１４０５ａ、１４０５ｂは、電極１４１０ａ、１４１０ｂを形成する先細の端部を有する大径で円筒状の棒である。導体１４０５ａ、１４０５ｂの直径は、過電圧保護アセンブリ１４００の所定の用途に対して予期されるアーク電流に基づいて選択される。導体１４０５ａ、１４０５ｂは、電極１４１０ａ、１４１０ｂが互いに隣接するように、互いに近づく方向に角度が付けられている。いくつかの実施形態では、導体１４０５ａ、１４０５ｂがなす頂角は、５〜４０度である。電極１４１０ａ、１４１０ｂは、スパークギャップ１４０６ａによって隔てられている。
【００７８】
いくつかの実施形態では、導体１４０５ａ、１４０５ｂと電極１４１０ａ、１４１０ｂは、高融点を有する、高剛性かつ導電性の物質で一体的に形成されている。例えば、いくつかの実施形態では、導体１４０５ａ、１４０５ｂと電極１４１０ａ、１４１０ｂは、銅／タングステン合金から形成されている。他の実施形態では、導体１４０５ａ、１４０５ｂと電極１４１０ａ、１４１０ｂは、タングステン、銅、ニオブのような異なる物質から形成されている。いくつかの実施形態では、上述したように、アークを発生させるためにガブリエル電極をスパークギャップ１４０６内に備えている。
【００７９】
また、電極１４１０ａ、１４１０ｂ間の間隔は、さらに絶縁体１４１４ａ、１４１４ｂで固定されている。絶縁体１４１４ａ、１４１４ｂは、高剛性であり、コンクリートのような絶縁材料から形成されている。いくつかの実施形態では、絶縁体１４１４ａ、１４１４ｂは、円筒形状を有している。絶縁体１４１４ａ、１４１４ｂは、マウント１４０４ａ、１４０４ｂ間、導体１４０５ａ、１４０５ｂ間、電極１４１０ａ、１４１０ｂ間の間隔、したがって、スパークギャップ１４０６の幅も同様に固定するように構成されている。
【００８０】
いくつかの実施形態では、円筒状シールド１４１６ａ〜１４１６ｄが備えられている。該円筒状シールドは、絶縁体１４１４ａ、１４１４ｂの周囲に配置されて、（アーク中に排出されて堆積した炭素または材料から）導電性経路が絶縁体１４１４ａ、１４１４ｂの面に沿って形成されるのを妨げるように構成された中空円筒である。いくつかの実施形態では、円筒状シールド１４１６ａ〜１４１６ｄの各々の半径は、絶縁体１４１４ａ、１４１４ｂの半径よりも０．５〜１インチ（約１．２７〜２．５４ｃｍ）大きい。
【００８１】
図１４Ｃは、別の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリ１４００の斜視図である。図１４Ｃに示されたアセンブリ１４００は、円筒状シールド１４１６ａ〜１４１６ｄを備えていないことを除いて、図１４Ａ、図１４Ｂに示されたアセンブリ１４００と同じである。
【００８２】
図１４Ｄは、別の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリ１４００の斜視図である。図１４Ｄに示されたアセンブリ１４００は、さらに、障壁１４１７ａ、１４１７ｂを備えていることを除いて、図１４Ａ、図１４Ｂに示されるアセンブリ１４００と同じである。
【００８３】
障壁１４１７ａ、１４１７ｂは、絶縁物質から形成された物理的構造体であり、サブアセンブリ１４０１ａ〜１４０１ｃを互いから離すように構成されている。いくつかの実施形態では、障壁１４１７ａ、１４１７ｂは、サブアセンブリ１４０１ａ〜１４０１ｃ間にアーク電流が流れるのを防止するように構成されている。さらに、いくつかの実施形態では、障壁１４１７ａ、１４１７ｂは、アーク電流が流れている間にサブアセンブリ１４０１ａ〜１４０１ｃのうちの一つから排出されるプラズマおよび他の物質が他のサブアセンブリ１４０１ａ〜１４０１ｃに到達するのを防止するように構成されている。
【００８４】
図１４Ｅは、別の例示的な実施形態に係る、導体１４５５ａ、１４５５ｂと、電極１４６０ａ、１４６０ｂと、スパークギャップ１４５６との側面図である。導体１４５５ａ、１４５５ｂは導体１４０５ａ、１４０５ｂの別の実施形態であり、電極１４６０ａ、１４６０ｂは電極１４１０ａ、１４１０ｂの別の実施形態であり、スパークギャップ１４５６はスパークギャップ１４０６ａの別の実施形態である。アセンブリ１４００のいくつかの実施形態では、一部または全てのアセンブリ１４０１ａ〜１４０１ｃは、導体１４０５ａ、１４０５ｂと、電極１４１０ａ、１４１０ｂと、スパークギャップ１４０６ａ〜１４０６ｃのうちの一つとの代わりに、導体１４５５ａ、１４５５ｂと、電極１４６０ａ、１４６０ｂと、スパークギャップ１４５６とを備えている。
【００８５】
導体１４５５ａ、１４５５ｂは、上部１４６８ａ、１４６８ｂと、下部１４６９ａ、１４６９ｂとを備えている。さらに、導体１４５５ａ、１４５５ｂは、電極１４６０ａ、１４６０ｂを形成し、該電極がスパークギャップ１４５６ａを規定する。上部１４６８ａ、１４６８ｂは、スパークギャップ１４５６ａでアークが発生した後に上部１４６８ａ、１４６８ｂを登ってそれに見合う分の大量のエネルギーを放散するように、互いから離れる方向に角度が付けられている。いくつかの実施形態では、上部１４６８ａ、１４６８ｂは、２．５インチ（約６．３５ｃｍ）の長さを有している。他の実施形態では、上部１４６８ａ、１４６８ｂは、それよりも短かかったり長かったりする。いくつかの実施形態では、上部１４６８ａ、１４６８ｂは、下部１４６９ａ、１４６９ｂとは異なる物質から形成されている。これらの実施形態では、上部１４６８ａ、１４６８ｂは、図１１Ａ、１１Ｂに関連して図示および説明されたように、銀はんだ付けプロセスを用いて下部１４６９ａ、１４６９ｂに結合されている。
【００８６】
図１４Ｅで、電極１４６０ａ、１４６０ｂは、半径Ｒの曲面を有している。いくつかの実施形態では、半径Ｒは２インチ（約５．０８ｃｍ）である。他の実施形態では、半径Ｒは１〜３インチ（約２．５４〜７．６２ｃｍ）である。電極１４６０ａ、１４６０ｂの他の実施形態では、半径Ｒはそれよりも小さかったり大きかったりする。
【００８７】
電極１４６０ａ、１４６０ｂは、スパークギャップ１４５６ａの絶縁破壊電圧を超えるとスパークギャップ１４５６ａを横断してアーク電流が流れ始めるように構成されている。先に説明したように、スパークギャップ１４５６ａの絶縁破壊電圧は、その幅を基にしている。多くの場合、電極１４６０ａ、１４６０ｂの物質は、アーク電流によって発生する熱やプラズマによって削磨される。これによって、スパークギャップ１４５６ａが拡がり、結果的に絶縁破壊電圧が大きくなる。電極１４６０ａ、１４６０ｂが曲面を有しているので、アークは、曲面の周りを移動し、面上の単一スポットを最小限しか削磨しない。したがって、この実施形態では、電極１４６０ａ、１４６０ｂは、長い寿命を有することができ、多くの地絡事象に対して再使用することができる。
【００８８】
図１４Ｆは、別の例示的な実施形態に係る、導体１４７５ａ、１４７５ｂと、電極１４８０ａ、１４８０ｂと、スパークギャップ１４７６との側面図である。導体１４７５ａ、１４７５ｂは導体１４０５ａ、１４０５ｂの別の実施形態であり、電極１４８０ａ、１４８０ｂは電極１４１０ａ、１４１０ｂの別の実施形態であり、スパークギャップ１４７６はスパークギャップ１４０６ａの別の実施形態である。アセンブリ１４００のいくつかの実施形態では、一部または全てのアセンブリ１４０１ａ〜１４０１ｃは、導体１４０５ａ、１４０５ｂと、電極１４１０ａ、１４１０ｂと、スパークギャップ１４０６ａ〜１４０６ｃのうちの一つとの代わりに、導体１４７５ａ、１４７５ｂと、電極１４８０ａ、１４８０ｂと、スパークギャップ１４７６とを備えている。
【００８９】
導体１４７５ａ、１４７５ｂは、上部１４８８ａ、１４８８ｂと下部１４８９ａ、１４８９ｂとを備えている。図１４Ｆに示した実施形態は、電極１４８０ａ、１４８０ｂの面が湾曲せずに平坦であることを除き、図１４Ｅに示した実施形態と同じである。いくつかの実施形態では、電極１４８０ａ、１４８０ｂの頂部は、電極１４８０ａ、１４８０ｂの底部よりも小さな間隔で離されている。例えば、いくつかの実施形態では、電極１４８０ａ、１４８０ｂの頂部は、第一幅Ｗ１だけ離され、電極１４８０ａ、１４８０ｂの底部はわずかに大きい第二幅Ｗ２だけ離されている。いくつかの実施形態では、幅Ｗ１は３．９ミリメートルであり、幅Ｗ２は４．３ミリメートルである。いくつかの実施形態では、電極１４８０ａ、１４８０ｂの平坦面は、高さＨを有している。いくつかの実施形態では、、高さＨは、１インチ（約２．５４ｃｍ）である。しかし、他の高さと他の第一幅および第二幅を有する他の実施形態も考えられる。初期の高い地絡電圧が発生している間、電極１４８０ａ、１４８０ｂの頂部にアーク電流が流れることになる。高い地絡電流が流れる事象中に物質が削磨されるので、アークは、スパークギャップ１４７６のより低い位置で開始されることになる。
【００９０】
図１５Ａは、別の例示的な実施形態に係る過電圧保護アセンブリ１５００の斜視図である。アセンブリ１５００は、円形であり、複数のサブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃと、回路リード線１５０２ａ、１５０２ｂと、下部プレート１５０３と、上部プレート１５０４と、スタンドオフ絶縁体１５０７ａ〜１５０７ｃと、下部絶縁体１５２３ａ〜１５２３ｃとを備えている。サブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃは、１２０度の角度分互いから離れてアセンブリ１５００の周りに等間隔で配置され、回路リード線１５０２ａ、１５０２ｂに並列に接続されている。さらに、サブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃは、各々、一対の電極を形成する一対の導体と、スパークギャップ１５０６ａ〜１５０６ｃと（これらの構成要素は、図１５Ｂで最も良く見ることができる）を備えている。この図では三つのサブアセンブリが示されているが、他の実施形態は、より多くの、または、より少ないサブアセンブリを備えている。
【００９１】
下部プレート１５０３は、高剛性導電性物質から形成された円板状の構造体である。同様に、上部プレート１５０４も、高剛性導電性物質から形成された円板状の構造体である。いくつかの実施形態では、下部プレート１５０３と上部プレート１５０４の一方または両方は、円形ではなく、代わりに、矩形のような異なる形状を有している。サブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃは、下部プレート１５０３と上部プレート１５０４の間に配置および固定されている。
【００９２】
スタンドオフ絶縁体１５０７ａ〜１５０７ｃは、高剛性の絶縁物質から形成された高剛性構造体であり、上部プレート１５０４を下部プレート１５０３に固定するように構成されている。上部プレート１５０４は、スタンドオフ絶縁体１５０７ａ〜１５０７ｃの高さ分だけ下部プレート１５０３から離されている。いくつかの実施形態では、スタンドオフ絶縁体１５０７ａ〜１５０７ｃは、高さ８インチ（約２０．３２ｃｍ）、直径４インチ（約１０．１６ｃｍ）である。他の実施形態では、スタンドオフ絶縁体１５０７ａ〜１５０７ｃは、高さがそれよりも高いか低いか、または、異なる直径を有している。
【００９３】
下部絶縁体１５２３ａ〜１５２３ｃは、高剛性の絶縁物質から形成された高剛性構造体であり、アセンブリ１５００を支持するように構成されている。下部絶縁体１５２３ａ〜１５２３ｃは、下部プレート１５０３に固定されている。
【００９４】
図１５Ｂは、過電圧保護アセンブリ１５００の別の斜視図である。図１５Ｂで、上部プレート１５０４は、サブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃとスタンドオフ絶縁体１５０７ａ〜１５０７ｃがよりはっきりと見えるようにするため、図示されていない。同様に、円筒状シールド１５１３ａ〜１５１３ｃおよび絶縁ディスク１５１４ａ〜１５１４ｃも図示されている。
【００９５】
サブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃは、上部導体１５０５ａ〜１５０５ｃと、下部導体１５０８ａ〜１５０８ｃと、半円筒状シールド１５１２ａ〜１５１２ｃとを備えている。いくつかの実施形態では、上部導体１５０５ａ〜１５０５ｃと下部導体１５０８ａ〜１５０８ｃは、１〜１．５インチ（約２．５４〜３．８１ｃｍ）の直径を有している。上部導体１５０５ａ〜１５０５ｃと下部導体１５０８ａ〜１５０８ｃは、垂直に配向されている。上部導体１５０５ａ〜１５０５ｃの底部は、上部電極１５１０ａ〜１５１０ｃを形成している。同様に、下部導体１５０８ａ〜１５０８ｃの頂部は、下部電極１５１１ａ〜１５１１ｃを形成している。スパークギャップ１５０６ａ〜１５０６ｃは、サブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃの各々における上部電極１５１０ａ〜１５１０ｃと下部電極１５１１ａ〜１５１１ｃの間に形成された垂直方向のギャップである。下部導体１５０８ａ〜１５０８ｃは、下部プレートに下部クランプ１５１７ａ〜１５１７ｃ（図１５Ｃ、図１５Ｄで最もよく見える）で固定されている。下部クランプ１５１７ａ〜１５１７ｃを使うことによって、下部導体１５０８ａ〜１５０８ｃの高さ、そして結果として、スパークギャップ１５０６ａ〜１５０６ｃの大きさを個別に調整することができる。いくつかの実施形態では、アセンブリ１５００は、各々のスパークギャップ１５０６ａ〜１５０６ｃが異なる大きさ、そして結果として、異なる絶縁破壊電圧を有するように、構成されている。さらに、いくつかの実施形態では、下部導体１５０８ａ〜１５０８ｃを上昇または下降させる代わりに、またはそれに加えて、上部クランプ１５１５ａ〜１５１５ｃを使用して上部導体１５０５ａ〜１５０５ｃを上昇または下降させる。
【００９６】
半円筒状シールド１５１２ａ〜１５１２ｃは、中空の半円筒形状の物理的構造体であり、絶縁性材料または導電性材料のいずれかから形成されている。半円筒状シールド１５１２ａ〜１５１２ｃは、上部導体１５０５ａ〜１５０５ｃの内側の周りに配置されている。半円筒状シールド１５１２ａ〜１５１２ｃは、一つのサブアセンブリからのアークが別のサブアセンブリ内でアークを開始するのを防止するように構成されている。半円筒状シールド１５１２ａ〜１５１２ｃは、また、アークが形成されると排出されるプラズマや物質がスタンドオフ絶縁体１５０７ａ〜１５０７ｃに到達するのを防止するようにも構成されている。さらに、半円筒状シールド１５１２ａ〜１５１２ｃは、アーク電流が流れると発生するアーク噴出をアセンブリ１５００の外側に向かわさせる。半円筒状シールド１５１２ａ〜１５１２ｃは、垂直に配向され、上部プレート１５０４に固定されるとともにそこからぶら下がっている。半円筒状シールド１５１２ａ〜１５１２ｃは、下部プレート１５０３まで延びていないので、アーク事象中に堆積された物質がその上に導電経路（すなわち、短絡）を形成する可能性のある面がそもそも存在しない。
【００９７】
円筒状シールド１５１３ａ〜１５１３ｃは、中空で円筒状の物理的構造体であり、導電性物質または絶縁性物質のいずれかから形成されている。円筒状シールド１５１３ａ〜１５１３ｃは、スタンドオフ絶縁体１５０７ａ〜１５０７ｃの周りに配置されている。円筒状シールド１５１３ａ〜１５１３ｃは、アークがサブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃに形成されると放出されるプラズマや物質がスタンドオフ絶縁体１５０７ａ〜１５０７ｃの上に堆積するのを防止するように構成されている。円筒状シールド１５１３ａ〜１５１３ｃは、垂直に配向され、上部プレート１５０４に固定されてそこからぶら下がっている。円筒状シールド１５１３ａ〜１５１３ｃは、下部プレート１５０３まで延びていないので、アーク事象中に堆積された物質がその上に導電経路（すなわち、短絡）を形成する可能性のある面がそもそも存在しない。
【００９８】
絶縁ディスク１５１４ａ〜１５１４ｃは、円筒状シールド１５１３ａ〜１５１３ｃと上部プレート１５０４の間に配置され、絶縁物質から形成されている円盤状の物理的な構造体である。いくつかの代替実施形態では、導電性ディスクのような他のタイプのディスクを使用することもある。いくつかの実施形態では、絶縁ディスク１５１４ａ〜１５１４ｃは、０．５〜１インチ（約１．２７〜２．５４ｃｍ）の厚さである。絶縁ディスク１５１４ａ〜１５１４ｃは、さらに、アークイベント中に放出される物質が原因で上部プレート１５０４と下部プレート１５０３の間に導電経路が形成される可能性を最小にするか排除するように構成されている。
【００９９】
図１５Ｃ、図１５Ｄは、アセンブリ１５００を下から見た斜視図である。上部プレート１５０４は、これらの図に示されていない。ルーフ１５１９と下部クランプ１５１７ａの調整機構１５１８ａは、この図に示されている。
【０１００】
ルーフ１５１９は、円錐状の物理的な構造体であり、雨や雪がアセンブリ１５００に入るのを防止するように構成されている。
【０１０１】
調整機構１５１８ａは、下部クランプ１５１７ａの構成要素であり、下側クランプ１５１７ａの気密性を調整可能に制御するように構成されている。調整機構１５１８ａを用いて下部クランプ１５１７ａを緩めると、下部導体１５０８ａの位置を調整することができる。調整機構１５１８ａを用いて下部クランプ１５１７ａを締めると、下部導体１５０８ａは所定の位置に確実に固定されて動かしたり調整したりすることはできない。いくつかの実施形態では、調整機構１５１８ａは、つまみねじを備えている。調整機構１５１８ａの他の実施形態も可能である。下部クランプ１５１７ｂ〜１５１７ｃも同様に調整機構を備えている。
【０１０２】
図１５Ｅは、アセンブリ１５００のルーフ１５１９およびケージ１５２０を下から見た斜視図である。ケージ１５２０は、サブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃを囲み、人や物体がサブアセンブリ１５０１ａ〜１５０１ｃに触れるのを防止するように構成されている物理的な構造体である。いくつかの実施形態では、ケージ１５２０は、中空であって、アーク事象の間に放出される圧力と物質とガスが脱け出るために開口部を有している。
【０１０３】
図１５Ｆは、アセンブリ１５００のケージ１５２０の斜視図である。このケージは、柱１５２２ａ〜１５２２ｃを含む複数の柱によって接合された環状体１５２１ａ、１５２１ｂから形成されている。ケージ１５２０の他の実施形態も可能である。
【０１０４】
図１６は、別の例示的な実施形態に係る過電圧保護システム１６００の回路図である。システム１６００は、過電圧保護アセンブリ１６０１と自己テストアセンブリ１６０２とを備えている。電力系統のオペレータは、自己テストアセンブリ１６０２を使用することによって、サイリスタ（またはＭＯＶ）が動作しなくなった後に地絡が発生した場合にアセンブリ１６０１が保護機能を提供することを確実にすることができる。
【０１０５】
アセンブリ１６０１は、電力系統を過電圧事象から保護するように構成されたシステムである。いくつかの実施形態では、アセンブリ１６０１は、変圧器の中性線に取り付けられている。いくつかの実施形態では、アセンブリ１６０１は、スパークギャップである。他の実施形態では、アセンブリ１６０１は、本明細書に開示した他のアセンブリの一つである。
【０１０６】
自己テストアセンブリ１６０２は、電圧源１６０３と、電圧プローブ１６０４と、ヒューズ１６０５と、電流プローブ１６０６とを備えている。いくつかの実施形態は、電流プローブ１６０６を備えていない。
【０１０７】
電圧源１６０３は、高電圧を発生させることができる電圧源である。いくつかの実施形態では、電圧源１６０３は、交流電圧源である。
【０１０８】
動作中、アセンブリ１６０１の絶縁破壊電圧の測定ができるために、電圧源１６０３を使用して、高電圧であるが制限された電流をアセンブリ１６０１に印加する。電圧源１６０３は、アセンブリ１６０１に印加される電圧を徐々に増加する。例えば、いくつかの実施形態では、電圧は０．２〜０．５秒に亘って増加される。絶縁破壊が発生すると、電圧源１６０３からの限られた電流しか、アセンブリ１６０１を通って流れることはできなくなる。いくつかの実施形態では、これは、いくつかのＡＣ電圧源のような、大電流を供給することができない電圧源１６０３を使用することによって実現できる。
【０１０９】
スパークギャップの絶縁破壊電圧は、電圧を増加しながら電圧プローブ１６０４で電圧を監視し絶縁破壊が発生する電圧レベルを測定することによって、決定することができる。このようにして、アセンブリ１６０１の動作を確認し、指定された絶縁破壊電圧要件を満たすことを確認することができる。いくつかの実施形態では、決定された絶縁破壊電圧は、電力系統のオペレータ、および／または、監視制御・データ収集（ＳＣＡＤＡ）システムに送信される。
【０１１０】
アセンブリ１６０１が電力系統の地絡によって起動される稀なケースでは、ヒューズ１６０５が開いて電圧源１６０３を保護する。
【０１１１】
別の実施形態では、電圧源１６０３は、同様に電圧を徐々に（例えば、いくつかの実施形態では、０．２〜０．５秒に亘って）増加させるように構成されたＤＣ電圧源である。この実施形態では、電流プローブ１６０６が電流をモニタし、電流を検出すると電圧源１６０３を停止する。
【０１１２】
図１〜図１６を全体的に参照すると、別の実施形態では、該装置の一つ以上の特徴を除外してもよいことに留意すべきである。例えば、一つ考えられる実施形態では、サージアレスタとヤコブのはしごが統合されていてもよい。さらなる例示的な実施形態では、サージアレスタとスパークギャップは、ヤコブのはしご構成がスパークギャップから延びることがない場合、組み合わせて使用してもよい。このような実施形態では、スパークギャップで形成されたアークは、電気エネルギーを放電するために使用することができるが、一旦形成されるとスパークギャップから容易には移動しない。さらに、原理的には、並列に電気接続して配置されている一組の類似構成要素またはその一部を使用して他の構成要素に対して保護するというこの概念の他の実装を開発することができる可能性があることが分かる。
【０１１３】
上記の明細書、実施例およびデータは、本発明の構成の製造および使用に関する完全な説明となる。本発明の精神および範囲から逸脱することなく本発明の多くの実施形態を行なうことができるので、本発明は、添付の特許請求の範囲に記述されるものである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１４Ｆ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１６】
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