(57)【要約】  保護回路が開示されている。保護回路は、変圧器の中性点と接地との間に電気的に接続された直流（ＤＣ）遮断コンポーネントと、ＤＣ遮断コンポーネントと電気的に並列接続された過電圧保護装置と、を含む。過電圧保護装置は、閾値を上回る変圧器中性点での電圧に応答して、繰り返しかつ確実に過電圧保護を提供するように構築されている。ＤＣ遮断コンポーネントは所定の値を下回るインピーダンスを有し、これによって変圧器の中性点を効果的に接地する。ＤＣ遮断コンポーネントは、変圧器中性点への接続が持続的に維持される。
2022502000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器を含む交流システムで使用可能な保護回路であって、
前記変圧器の中性点と接地との間に電気的に接続された直流（ＤＣ）遮断コンポーネントと、
前記ＤＣ遮断コンポーネントと電気的に並列接続された過電圧保護装置であって、閾値を上回る前記変圧器中性点での電圧に応答して、繰り返しかつ確実に過電圧保護を提供するように構築されている、過電圧保護装置と、
を含み、
前記ＤＣ遮断コンポーネントは所定の値を下回るインピーダンスを有し、これによって前記変圧器の前記中性点を効果的に接地し、
前記ＤＣ遮断コンポーネントは、前記保護回路の動作中、前記変圧器中性点への接続が持続的に維持される、保護回路。
【請求項２】
前記ＤＣ遮断コンポーネントおよび前記過電圧保護装置は、前記保護回路の動作中、前記変圧器中性点と前記接地との間で接続が維持される、請求項１に記載の保護回路。
【請求項３】
前記保護回路は、前記ＤＣ遮断コンポーネントおよび前記過電圧保護装置を前記変圧器中性点から自動的に切断することができる自動切り替えコンポーネントを欠く、請求項１に記載の保護回路。
【請求項４】
前記変圧器中性点および前記ＤＣ遮断コンポーネントと電気的に直列接続された電力抵抗器をさらに含む、請求項１に記載の保護回路。
【請求項５】
前記ＤＣ遮断コンポーネントはコンデンサを含む、請求項１に記載の保護回路。
【請求項６】
前記過電圧保護装置は、
スパークギャップ、
金属酸化物バリスタ、
シリコンカーボンバリスタ、
可変抵抗器、および
サージアレスタ、
からなる群から選択される少なくとも１つの装置を含む、請求項１に記載の保護回路。
【請求項７】
前記過電圧保護装置は、閾値を上回る前記変圧器中性点での前記電圧に応答して複数回動作する一方、前記変圧器および前記ＤＣ遮断コンポーネントの少なくとも１つの耐電圧を下回っている所定の範囲内で動作性を維持するように構築されている、請求項１に記載の保護回路。
【請求項８】
前記過電圧保護装置はスパークギャップを含む、請求項１に記載の保護回路。
【請求項９】
前記過電圧保護装置は、
第１の導体および対向する第２の導体であって、それぞれが、回路リード、電極領域、およびアブレーション端部につながる延長部を含む、第１の導体および対向する第２の導体と、
前記第１の導体の前記電極領域と前記第２の導体の前記電極領域との間に形成されたスパークギャップであって、前記回路は、前記過電圧保護装置に電気的に接続され、３５０００ボルトを下回る破壊電圧および少なくとも４０ミリ秒にわたって５０００アンペアを上回る電流範囲を有する起こり得る電気的事象にさらされる、スパークギャップと、
を含み、
前記スパークギャップは、前記起こり得る電気的事象の範囲内の電気的事象の場合、前記スパークギャップでの破壊電圧が所定の範囲内に維持され、これによって前記起こり得る電気的事象に対応する電気的事象に関連して前記スパークギャップの繰り返し使用を可能にするように設計されている、請求項１に記載の保護回路。
【請求項１０】
前記過電圧保護装置は、
第１の電気接続部と、
第２の電気接続部と、
前記第１の電気接続部に接続された第１の導電性バスおよび前記第２の電気接続部に接続された第２の導電性バスを含む放電装置であって、前記放電装置は第１の破壊電圧を有し、前記第１の導電性バスと前記第２の導電性バスとの間の電圧差が前記第１の破壊電圧を超えると、前記第１の導電性バスと前記第２の導電性バスとの間を第１の電流が流れる、放電装置と、
を含む、請求項１に記載の保護回路。
【請求項１１】
前記変圧器の前記中性点と前記接地との間に電気的に接続された電圧測定装置をさらに含む、請求項１に記載の保護回路。
【請求項１２】
前記電圧測定装置に接続された制御回路をさらに含み、
前記変圧器は１以上の電力線相に接続され、前記１以上の電力線相は前記変圧器を電気網に接続し、
所定の時間にわたって閾値を超える電圧に応答して、前記制御回路は、作動信号を送信して、前記１以上の電力線相の電力線相にそれぞれ電気的に接続された１以上の回路ブレーカーを作動させ、前記変圧器を前記電気網から電気的に切断するように構成されている、請求項１１に記載の保護回路。
【請求項１３】
前記電圧測定装置に接続された制御回路をさらに含み、
前記変圧器は１以上の電力線相に接続され、前記電力線相は前記変圧器を電気網に接続し、
所定の変化率を超える電圧の変化率に応答して、前記制御回路は、作動信号を送信して、前記１以上の電力線相の電力線相にそれぞれ電気的に接続された１以上の回路ブレーカーを作動させ、前記変圧器を前記電気網から電気的に切断するように構成されている、請求項１１に記載の保護回路。
【請求項１４】
前記電圧測定装置に接続された制御回路をさらに含み、
前記変圧器は１以上の電力線相に接続され、前記１以上の電力線相は前記変圧器を電気網に接続し、
前記電圧測定装置によって検出された閾値に達した電圧に応答して、前記制御回路は、作動信号を送信して、前記電力線相に電気的に接続された１以上の回路ブレーカーを作動させ、前記変圧器を前記電気網から電気的に切断するように構成されている、請求項１１に記載の保護回路。
【請求項１５】
前記電圧は直流電圧を含む、請求項１１に記載の保護回路。
【請求項１６】
前記ＤＣ遮断コンポーネントと前記変圧器中性点との間に電気的に接続されたメンテナンスバイパススイッチをさらに含み、前記メンテナンスバイパススイッチは、メンテナンス中に前記ＤＣ遮断コンポーネントを前記変圧器中性点から切り離すように使用可能である、請求項１に記載の保護回路。
【請求項１７】
前記回路は、前記保護回路の通常の動作中に動作する前記変圧器中性点と前記接地との間の前記ＤＣ遮断コンポーネントと並列のパスに沿って電気的に接続された電子制御スイッチを欠く、請求項１に記載の保護回路。
【請求項１８】
１以上の接続部を有する変圧器であって、各接続部は、交流電力信号の異なる電力線相に関連している、変圧器と、
前記変圧器の中性点と接地との間に電気的に接続された直流中性点遮断回路と、
前記変圧器の前記中性点および接地にわたる電圧を検出すると信号を送信する電圧測定装置と、
前記変圧器の電力線相に電気的に接続された少なくとも１つのブレーカーと、
前記電圧測定装置から前記信号を受信し、
前記変圧器中性点および接地にわたる前記電圧が所定の閾値以上であるという決定に応答して、前記変圧器の前記電力線相に電気的に接続された前記少なくとも１つのブレーカーを開く信号を送る
ように構成された制御回路と、
を含み、
前記所定の閾値を上回る電圧レベルで、過電圧保護装置は、電圧を放電するようにトリガーされるように構成されている、電気的保護システム。
【請求項１９】
前記過電圧保護装置がトリガーされて電圧を放電するように構成されている前記電圧レベルは第２の電圧レベルを下回り、前記第２の電圧レベルは、前記直流中性点遮断回路または前記変圧器の変圧器中性点絶縁体の少なくとも１つの耐電圧限界である、請求項１８に記載の電気的保護システム。
【請求項２０】
前記直流中性点遮断回路は、受動直流中性点遮断回路または能動直流中性点遮断回路の１つを含む、請求項１８に記載の電気的保護システム。
【請求項２１】
電力網内の電力網変圧器の中性点での誘導電流または電圧による損傷に対して前記電力網を保護する方法であって、
前記電力網内の第１の変圧器の変圧器中性点で、前記電力網内に含まれる回路への潜在的な損傷を示す特性を有する電圧を検出するステップと、
前記電力網内の前記第１の変圧器以外の１以上の変圧器を選択するステップであって、前記１以上の変圧器は位相ブレーカーおよび制御回路に関連している、ステップと、
前記１以上の変圧器に関連する前記制御回路に、前記位相ブレーカーを開くように前記制御回路に示す作動コマンドを送信し、これによって前記１以上の変圧器を切断し、前記電力網をセグメント化するステップと、
を含む、方法。
【請求項２２】
前記第１の変圧器に関連する位相ブレーカーを作動させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記１以上の変圧器は、前記第１の変圧器から離れて配置されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記１以上の変圧器を選択するステップは、前記電力網内の複数の変圧器の中から１以上の変圧器を、前記１以上の変圧器の発電所からの距離および前記第１の変圧器と前記１以上の変圧器との間の距離に少なくとも部分的に基づいて選択するアルゴリズムを実行するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１９年９月２７日にＰＣＴ国際出願として出願されており、２０１８年９月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／７３８，８２６号に対する優先権の利益を主張するものであり、その開示を、参照によりその全体を本明細書に組み込む。
【０００２】
本開示は一般に電気機器のための電気的保護装置に関し、特に、本開示は、電力網保護のためのシステム、たとえば、変圧器中性点遮断回路および電圧トリガー変圧器位相切断に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気システム、特に高電圧、高電力の電気システムは、重大な予期しない電気的事象が発生すると損傷を受ける可能性がある。損傷を受けやすい電気システムおよび装置の特定の例は、高電圧変圧器、発電機、ブレーカーおよび電力網に設置されている無効電力サポート機器を含む。
【０００４】
電磁界への曝露により、電気システム、特に電力網などの高感度回路に含まれるものに様々な種類の損傷が引き起こされる可能性がある。たとえば、電磁パルス（electromagnetic pulse、ＥＭＰ）および地磁気擾乱（geomagnetic disturbance、ＧＭＤ）事象により、電気機器に干渉または損傷が引き起こされ、その機器を誤動作させる、または動作不能状態にする可能性がある。電気機器は、強力なＥＭＰまたは地磁気嵐によって破壊される可能性もある。ＥＭＰ放射の詳細な特性は、非特許文献１および非特許文献２に記載されている。一般に、このようなタイプの電磁界により、高電圧変圧器を含むことがあるような電力網に電流が誘導される可能性がある。
【０００５】
地磁気誘導電流（geomagnetically induced current、ＧＩＣ）の場合には損傷のさらなる例が発生する可能性がある。このような場合、かなりの誘導電流も電気機器で発生することがあるが、この電流は電力網内でより緩やかな見た目を有する（数ミリ秒以内ではなく、数秒／数分にわたる）。地磁気嵐の詳細な特性は、非特許文献３に記載されている。ＡＣ網システムの近くで動作するＨＶＤＣシステムにより、接地接続を通してＡＣ網システムに影響を与える可能性のある接地電流が引き起こされる可能性がある。一例が接地帰路モードにあり、ＨＶＤＣシステムはアース電極にＤＣ電流を注入する可能性があり、これにより近くの変圧器の中性点に漂遊ＤＣ電流が流れることがある。
【０００６】
上の例の損傷の原因のそれぞれは、高電圧変圧器などの電力網電気部品の故障につながる可能性がある。これにより、大きな人口／地域についての停電という形で、望ましくない結果が引き起こされる可能性がある。これらの大きな変圧器は高価であり、一般に移転が難しいため、このような変圧器のどのような修理または交換も完了するにはかなりの時間がかかる可能性がある。
【０００７】
ＥＭＰ  Ｅ３事象は、比較的迅速に（数ミリ秒以内に）発生する成分を含むが、ＧＩＣタイプ事象はより緩やかに発生する。そのため、電力網コンポーネントのための保護システムは、事象のタイプのサブセットに対して保護するように構成されている、または様々なタイプの事象に応答し、したがって高速および低速の応答時間を必要とするように構築されている。これらの事象は、電力系統信号に関連する５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数と比較して低い周波数の信号を誘発するため、直流（ＤＣ）または準ＤＣと見なされる。
【０００８】
追加の考慮事項は、ＥＭＰ  Ｅ３から電力網コンポーネントを保護するように設計された機器は耐性であり、かつＥＭＰの以前のＥ１およびＥ２コンポーネントを通して動作することができる必要があるということである。これには、特殊なシールディングおよび設計仕様が必要である。Ｍｉｌ−Ｓｔｄ  １８８−１２５には、特許文献４同様、これらの条件および必要な修復が記載されている。電子機器をＥＭＰ  Ｅ１に耐性にするために必要なシールディングおよび保護は一般に、非特許文献５に記載されているような意図的電磁妨害（intentional electromagnetic interference、ＩＥＭＩ）などの他の有害な高周波事象に対してこれを保護する。
【０００９】
ＥＭＰ／ＩＥＭＩおよびＧＩＣ事象に対して保護するために使用可能な一例の保護システムが特許文献１に記載されている。この特許は、中性点接続が変圧器中性点と接地との間の回路の直流（ＤＣ）遮断コンポーネントに制限されているシステムを記載している。通常の動作中、接地に直接接続された並列回路パスが閉じたまま維持され、ＥＭＰ／ＩＥＭＩまたはＧＩＣ事象の場合には高速動作スイッチが開く。
【００１０】
参照特許に記載されているシステムは、このような潜在的に有害な事象に対して保護するのに効果的であるが、いくつかの電力網オペレータは、スイッチインされたコンポーネントは保護回路内に恒久的に含まれているものより信頼性が低いことがあるという認識のため、スイッチングコンポーネントの使用を避けることを好む。そのため、このようなシステムオペレータは、回路コンポーネントを保護回路に選択的に導入するためにスイッチの使用を必要としない他の解決策を採用することを選択することがある。
【００１１】
損傷事象の能動的検出およびこのような事象に反応するための切り替えを必要としない保護回路および関連システムは、本開示において「受動システム」と見なされる。これらの受動システムは、様々な条件でＤＣ遮断コンポーネントを迂回する自動バイパススイッチを組み込むこと（「自動バイパスを備えた受動システム」）、または自動バイパススイッチなしで構築すること（「完全受動システム」）ができる。これらは、変圧器の中性点と接地との間の回路にＤＣ遮断コンポーネントを自動的に選択的に導入する「能動システム」とは対照的であり得る。
【００１２】
様々な受動システムが存在する。一般的なコンポーネントは、変圧器中性点と接地との間に含まれ得る過電圧保護装置（たとえば、スパークギャップまたは金属酸化物バリスタ（metal oxide varistor、ＭＯＶ）を用いる）である。しかしながら、ほとんどのシステムにおいて、既存の過電圧保護装置は複数の障害事象に耐えるように構築されていない。バルク電力系統上の障害に関連する非常に高い電流のため、システムが稼働状態に戻される前に過電圧保護システムを迂回およびリセットまたは修理する必要がある。スパークギャップは一般的に障害事象のストレス下で大幅に侵食され、材料のその侵食によりギャップが発火することになる破壊電圧が大幅に変化し、破壊電圧が許容できないほど高いレベルに上昇することによって過電圧保護装置としてのその有効性が削減または排除される。ＭＯＶまたはサイリスタなどのソリッドステートデバイスの場合、高電流によって装置が加熱され、再び使用できるようになる前に長期間の冷却が必要になる。これが、受動システムで自動迂回スイッチが必要とされてきた理由の１つである。
【００１３】
さらに、既存の受動保護回路には、損傷事象が存在しないときのその動作に関して欠点がある。たとえば、このような受動システムに「フルタイム」で含まれる（すなわち、バイパススイッチングなどによってスイッチイン／アウトされない）線形抵抗器では、通常の動作中、変圧器中性点と接地との間の接続にかなりの抵抗が残る。これにより、比較的高い値の抵抗が用いられない限り、効果が制限されること、変圧器絶縁レベルおよび地絡リレー方式に悪影響が生じて、効果的に接地された中性点がシステムになくなること、のような問題のある影響が発生する可能性がある。また、中性電流（システム不平衡による）がゼロでなければ、中性点抵抗は強制冷却を必要とすることがあるＩ２Ｒ損失を有する可能性もある。さらに、線形抵抗はＧＩＣによる高調波を防止することにならない。変圧器は、ＧＭＤまたはＥＭＰ事象中に依然として飽和し、配電ネットワークに伝わることになる高調波を誘発して、ビジネス損失、顧客機器損傷、および深刻な場合、電圧崩壊を引き起こす可能性がある。
【００１４】
したがって、電力網内の潜在的に有害な電圧／電流事象に対する認識された信頼性および実際の応答性の両方の観点において電力網オペレータのすべての要件を満たす既存の装置がない。さらに、既存の受動装置は、装置がそのＤＣ耐電圧限界に達するまでしか保護を提供せず、変圧器を保護することができなくなる。これは、大きなＧＭＤまたはＥＭＰ事象など、非常に大きなＤＣ電流が予想されるシナリオにとって厄介である。このような事象の場合、電力網内の誘導電流および電圧の結果、監視されている場所だけでなく、電力網内の他の場所でも、変圧器および関連する回路が損傷することがある。
【００１５】
これらおよび他の理由のため、改善が所望される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第８，８７８，３９６号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】「High Altitude Electromagnetic Pulse Protection for Ground Based C4I Facilities Performing Critical, Time-Urgent Missions」、Military Standard 188-125
【非特許文献２】「The Late-Time (E3) High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid」、Oak Ridge National Laboratories Meta-R-321
【非特許文献３】「Geomagnetic Storms and Their Impacts on the U.S. Power Grid」、Oak Ridge National Laboratories Meta-R-319
【非特許文献４】「Electromagnetic Environmental Effects Requirements For Systems」、Military Standard 464
【非特許文献５】「High-power electromagnetic (HPEM) environments - Radiated and conducted」、IEC 61000-2-13
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
次の開示に従って、上および他の問題に次によって対処する。
【００１９】
第１の態様において、保護回路が開示されている。保護回路は、変圧器の中性点と接地との間に電気的に接続された直流（ＤＣ）遮断コンポーネントと、ＤＣ遮断コンポーネントと並列に電気的に接続された過電圧保護装置と、を含む。過電圧保護装置は、閾値を上回る変圧器中性点での電圧に応答して、繰り返しかつ確実に過電圧保護を提供するように構築されている。ＤＣ遮断コンポーネントは所定の値を下回るインピーダンスを有し、これによって変圧器の中性点を効果的に接地する。ＤＣ遮断コンポーネントは、変圧器中性点への接続が持続的に維持される。
【００２０】
第２の態様において、電気的保護システムが、１以上の接続部を有する変圧器アセンブリを含み、各接続部は、交流電力信号の異なる電力線相または交流電力信号のすべての３つの相に関連している。このシステムは、変圧器の中性点および接地にわたる電圧を検出すると信号を送信する電圧測定装置と、変圧器の電力線相に電気的に接続された少なくとも１つのブレーカーと、をさらに含む。このシステムは、変圧器中性点と接地との間に電気的に接続された直流中性点遮断回路をさらに含む。このシステムは、電圧測定装置から信号を受信するプロセッサを含み、プロセッサは、少なくとも１つのブレーカーに直接または間接的に電気的に接続され、電圧測定装置から信号を受信すると、変圧器中性点および接地にわたる電圧が所定の閾値を上回っているというプロセッサでの決定に応答して、変圧器の電力線相に電気的に接続された少なくとも１つのブレーカーを開く信号を送るように構成されている。
【００２１】
いくつかの態様において、所定の閾値を上回ると、過電圧保護装置が発火することになる、またはＤＣ遮断コンポーネントのＤＣ電圧耐限界および／または変圧器中性点絶縁を超えるリスクがある。目的は、できるだけ多くのＤＣ電流を遮断し、次いで大相回路ブレーカーを安全に開き、変圧器の電源を切って、ＤＣ電圧耐限界に達する、またはＤＣ電流の流入が始まる前、絶対に必要なときにのみ変圧器を損傷から取り除くことである。
【００２２】
さらなる態様において、電力網内の電力網変圧器の中性点での誘導電流または電圧による損傷に対して電力網を保護する方法が開示されている。この方法は、電力網内の第１の変圧器の変圧器中性点で、電力網内に含まれる電気機器への潜在的な損傷を示す特性を有する電圧を検出するステップと、電力網内の第１の変圧器以外の１以上の変圧器を選択するステップと、を含み、１以上の変圧器は位相ブレーカーおよび制御回路に関連している。この方法は、１以上の変圧器に関連する制御回路に、位相ブレーカーを開くように制御回路に示す作動コマンドを送信するステップをさらに含み、これによって電力網をセグメント化し、本質的に第１の変圧器に電圧レベル低下をもたらすであろう「ラインを短く」する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】発電または配電用変電所サイトに設置されるような、本開示の可能な一実施形態による、受動変圧器中性点遮断回路の一例の実施形態の斜視図である。
【図２】本開示の第２の可能な実施形態による、受動変圧器中性点遮断回路の斜視図である。
【図３Ａ】本開示のさらなる可能な一実施形態による、受動変圧器中性点遮断回路の斜視図である。
【図３Ｂ】本開示のさらなる可能な一実施形態による、受動変圧器中性点遮断回路の斜視図である。
【図４】本開示のさらなる可能な一実施形態による、感知および制御電子機器と結合された、受動変圧器中性点遮断回路の斜視図である。
【図５】本開示のさらなる可能な一実施形態による、メンテナンスおよびＡＣブレーカースイッチを有する受動変圧器中性点遮断回路の斜視図である。
【図６】本開示のさらなる可能な一実施形態による、受動変圧器中性点遮断回路の斜視図である。
【図７】本開示のさらなる可能な一実施形態による、位相回路ブレーカーに信号を送る受動変圧器中性点遮断回路の斜視図である。
【図８Ａ】図１〜図７の受動変圧器中性点遮断回路内で使用可能な一例の過電圧保護装置を示す図である。
【図８Ｂ】図１〜図７の受動変圧器中性点遮断回路内で使用可能な一例の過電圧保護装置を示す図である。
【図８Ｃ】図１〜図７の受動変圧器中性点遮断回路内で使用可能な一例の過電圧保護装置を示す図である。
【図８Ｄ】図１〜図７の受動変圧器中性点遮断回路内で使用可能な一例の過電圧保護装置を示す図である。
【図９】受動過電圧保護装置アセンブリの一例の実施形態の正面図である。
【図１０】高ＤＣまたは準ＤＣ電流が遮断されているときの変圧器中性点上のＤＣ電圧のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の様々な実施形態を、図面を参照して詳細に説明するが、同様の参照符号はいくつかの図を通して同様の部品およびアセンブリを表す。様々な実施形態への言及は本発明の範囲を限定するものではなく、これは本明細書に添付された特許請求の範囲によってのみ限定される。加えて、本明細書に記載のいかなる例も限定することを意図するものではなく、特許請求された発明のための多くの可能な実施形態のいくつかを単に記載しているにすぎない。
【００２５】
一般に、本開示は、電力公益変圧器および他の電気または電気機械機器を電力線上の有害なＤＣ電流および結果として高調波成分から保護するためのシステムおよび方法を説明する。大きなＤＣ中性電流および高調波は、地磁気（太陽）嵐、高高度電磁Ｅ３パルス（high altitude electromagnetic E3 pulse、ＨＥＭＰ−Ｅ３）、または接地帰路モードで動作するＨＶＤＣの結果である可能性がある。
【００２６】
全体として、本開示は、潜在的に有害な中性ＤＣ電流を受動的に遮断または低減し、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電力線源の高調波成分の生成を防止して、重要な電気機器を保護するための方法およびシステムを説明する。説明する方法およびシステムにはメンテナンスがほとんど要求されず、ＤＣ遮断回路は、スイッチなどの能動部品を利用する必要がなく、持続的に維持される保護が可能になる。加えて、説明するシステムおよび方法は、効果的に接地された変圧器を提供するために低インピーダンスコンデンサまたはコンデンサバンクを採用し、これによってリレー保護システムの閾値設定に関連する電力系統内の潜在的な問題を回避する。IEEE Standard, C62.91に規定されている接地のための定義を満たしているとき、電気回路が効果的に接地される。
【００２７】
本開示によれば、本明細書で「持続的に維持される(persistently maintained)」直流遮断機能を有すると呼ばれる保護回路は、このような直流遮断器が、少なくとも動作中、変圧器の中性点に接続されたままであり、迂回されていないことを意味する。説明のため、メンテナンス目的のため（すなわち、サービスを受けるべき非動作期間中の手動切断のため）の手動バイパススイッチを有する装置は持続的に維持されるが、変圧器の動作中、動作モード間での切り替えを可能にする自動スイッチまたは電子制御スイッチを有する装置では、ＤＣ遮断コンポーネントを変圧器中性点に持続的に維持しないであろう。さらに、メンテナンス作業中にのみ用いられるが、動作条件に応答して直流遮断コンポーネントを迂回するように作動しないように構成された自動スイッチを有する装置も、その回路の動作中、直流遮断機能を持続的に維持する回路であろう。
【００２８】
本明細書に開示される受動変圧器中性点遮断システムは、標準的な変圧器接地方式と互換性のある接地方式を提供し、したがって、典型的な状況において、電力系統リレー設定に対する変更を必要としないであろう。高ＤＣ（または準ＤＣ）電流または電圧、または高い高調波電力成分が存在するとき、ＤＣ遮断コンポーネントが、その系統におけるＤＣまたは準ＤＣ電流を遮断または減衰する。準ＤＣまたはＤＣ電流を遮断すると、変圧器の半サイクル飽和が防止され、これによって過度の無効電力損失、過熱および損傷から保護される。加えて、ＤＣ電流を遮断すると、部分的に飽和した変圧器における高調波の発生が防止される。このような電力高調波は電力系統リレーをトリップさせる可能性があり、これがひいては局地的または広域の停電を引き起こす可能性がある。過電圧事象が発生したとき、または連続する過電圧事象が短期間内で発生したときは常に、受動過電圧保護装置（overvoltage protection device、ＯＶＰＤ）が動作して過電圧から構成要素を保護することができる。過電圧保護装置は、本開示の様々な例の実施形態によれば、次の、すなわち、スパークギャップ、金属酸化物バリスタ、シリコンカーボンバリスタ、可変抵抗器、サージアレスタ、または閾値電圧を超える信号について保護されるコンポーネントから離れて接地への経路を形成するように設計された任意の他の適切なコンポーネントの１以上を含むことができる。
【００２９】
例の実施形態において、本開示のシステムおよび方法は、地磁気誘導電流（ＧＩＣ）の遮断を可能にし、高調波信号の生成を防止する一方、接地への低インピーダンス、低抵抗接続を維持して電力線変圧器のための有効交流（ＡＣ）接地接続を維持する。したがって、リレーのリセットが必要ない。加えて、クールダウン期間がなく、バイパススイッチを必要とせずに、高電流および高電圧を有する障害を繰り返し処理する過電圧保護装置を含めることができる。加えて、回路は受動であるため、自動バイパススイッチ上では要求されるであろうＥＭＰシールディングまたはフィルタリング機能を含める必要がなく、潜在的に有害な直流、高調波またはＥＭＰ−Ｅ１パルスの検出の場合においてトリガリングが要求されず、これによって回路全体を簡素化する。
【００３０】
さらに、例の実施形態において、変圧器中性点でのＤＣ電圧が、ＤＣ遮断コンポーネントの耐限界または変圧器中性点の絶縁に近い閾値に達すれば、本開示システムのシステムは、ＤＣ遮断コンポーネントを迂回する、または過電圧装置をトリガーする（こうするとＤＣ電流が流れることになる）自動スイッチを切り替えるのではなく、大きなＡＣ位相ブレーカーを開く信号を送り、変圧器を安全に切ってこれを高ＤＣ電流の流入から保護する。
【００３１】
図１は、本開示による受動変圧器中性点遮断システム１００の一般化された一実施形態である。受動変圧器中性点遮断システム１００は一般に、変圧器１２の変圧器中性点１０と接地１４との間に接続されている。受動変圧器中性点遮断システム１００は、変圧器中性点１０への接続部と接地１４との間に接続されたＤＣ遮断コンポーネント１１０を含む。以下の例においてさらに説明するように、ＤＣ遮断コンポーネント１１０は、接地１４と変圧器中性点１０との間に１以上の直流遮断装置（たとえば、コンデンサまたは抵抗器）を含んで、ひいては変圧器１２に損傷を引き起こす可能性がある、変圧器中性点１０における有害なＤＣまたは準ＤＣ接地電流を防止することができる。特定の用途に応じて、容量性または抵抗性（またはこれらの何らかの組合せ）の遮断装置１１０を使用することもできる。ＤＣ遮断コンポーネントの様々な構成が、たとえば、米国特許第８，８７８，３９６号明細書に記載されており、その開示を、参照によりその全体を本明細書に組み込む。しかしながら、比較として、その特許においてＤＣ遮断コンポーネントは、そのシステムの保護スキームの一部としてＤＣ遮断コンポーネントを迂回するように作動可能なスイッチング構成を介して変圧器中性点１０と接地との間の回路から選択的に除去可能である。本願においては、代わりに受動過電圧装置を用いて、さもなければシステム１００を損傷する可能性を有する高ＤＣ電圧事象を放電することができる。
【００３２】
本開示によれば、受動過電圧保護装置（ＯＶＰＤ）１１２が、変圧器中性点１０と接地１４との間でＤＣ遮断コンポーネント１１０と並列に接続されてＤＣ遮断コンポーネントおよび変圧器を保護することができる。受動ＯＶＰＤ１１２は、短期間内での複数の過電圧事象の場合に保護を維持することができる。受動ＯＶＰＤ１１２は、先に説明したように、そして以下の例においてさらに説明するように、任意の数の装置を含むことができる。過電圧保護装置は、本開示の様々な例の実施形態によれば、次の、すなわち、スパークギャップ、金属酸化物バリスタ、シリコンカーボンバリスタ、可変抵抗器、サージアレスタ、または閾値電圧を超える信号について保護されるコンポーネントから離れて接地への経路を形成するように設計された任意の他の適切なコンポーネントの１以上を含むことができる。例の実施形態において、受動ＯＶＰＤ１１２は、たとえば、非破壊的に、繰り返し過電圧事象を放電するように構築された特定のタイプのスパークギャップを含むこともできる。ＯＶＰＤ１１２として使用可能な例のスパークギャップは「Overvoltage Protection For Power Systems」という名称の米国特許第９，６６０，４４１号明細書に記載されており、その開示を、参照によりその全体を本明細書に組み込む。このような装置の代替バージョンを図８Ａ〜図８Ｄおよび図９に関連して以下で説明する。
【００３３】
受動ＯＶＰＤ１１２は、受動変圧器中性点遮断システム１００および変圧器１２のための保護を提供し、障害、または大きなＧＭＤまたはＨＥＭＰ−Ｅ３事象によって引き起こされる可能性のあるもののような、ＤＣ遮断または制限装置の能力を超える大きなＤＣまたは準ＤＣ電圧の場合に有用である。大きなＧＭＤまたはＨＥＭＰ−Ｅ３事象の場合、いくつかの公益事業体によっては、ＤＣ遮断装置のＤＣ電圧耐限界までＤＣを遮断し、次いで大ＡＣ位相ブレーカーをトリガーして開き、これによって受動ＯＶＰＤがトリガーされてＤＣ電流が流れ始める前に変圧器の電源を切ることが好まれ得る。
【００３４】
ここで図２を参照すると、受動変圧器中性点遮断システム２００のさらなる一実施形態が示されている。この実施形態において、受動変圧器中性点遮断システム２００は電力抵抗器２０４を含む。電力抵抗器２０４は、いかなる鉄共振をも減衰するのに十分な抵抗を追加し、障害または過渡事象中にコンデンサバンクにわたる電圧を低減してコンデンサバンクからの放電電流を制限する。例の実施形態において、電力抵抗器２０４は、通常０．３と５．０オームとの間の値を有することができる。
【００３５】
ここで図３Ａを参照すると、受動変圧器中性点遮断システム３００のさらなる一実施形態が示されている。この実施形態において、ＤＣ遮断コンポーネントは、一般にコンデンサバンク３１０と呼ばれる、電気的に並列に接続されたコンデンサ３１０ａ〜ｎのバンクで構成されている。コンデンサバンク３１０は、追加のコンデンサを追加することによって、システムのインピーダンスを下げる。図３Ｂは、コンデンサを直列に追加することによってシステムの電圧スタンドオフを増加させるコンデンサバンク３２０ａ〜ｎを備えたさらなる一実施形態を示す。高インピーダンスコンデンサが用いられるとき、リレーにはリセットが要求されることがあるため、このような低インピーダンスコンデンサバンクの使用が好まれ得る。低インピーダンスコンデンサバンクは、接地のためのＩＥＥＥ  Ｓｔａｎｄａｒｄ，  Ｃ６２．９１の定義に従って有効な接地を維持するためにも重要である。電力系統リレー（たとえば、電力線の相に接続されたリレー）はネットワーク化されており、連携して動作し、電力線相上で伝送される信号レベルに基づいて地絡を取り除く。
【００３６】
ここで図４を参照すると、受動変圧器中性点遮断システム４００のさらなる一例の実施形態が示されている。この例の実施形態において、中性電流監視装置４０２が、ＤＣ遮断コンポーネント１１０と接地１４との間、ならびに受動ＯＶＰＤ１１２と接地との間に接続されている。中性点監視装置４０２は電力系統のＡＣ電流を測定し、電子モジュール４０８とともに、電力系統上のメンテナンスが必要であるときを決定するために用いることができる。いくつかの実施形態において、中性電流監視装置４０２はロゴスキーコイルまたは変流器であり得る。
【００３７】
図４はまた、本開示の可能な一実施形態による電子モジュール４０８を示す。電子モジュール４０８は、中性点遮断器および変圧器の全体的な性能を監視することができ、通信ネットワーク４１２を介して制御室４１４に結果を報告する。制御室４１４はローカルでも電子モジュール４０８からリモートでもよい。図４は、この例において、変圧器中性点１０と接地との間の電圧を電子モジュール４０８に報告するための電圧測定装置４０６を含む。
【００３８】
図示の実施形態において、電子モジュール４０８はシールドエンクロージャ４１０内に封入され、高周波、高出力電磁信号がエンクロージャに入り、これによって高感度電子機器を潜在的な干渉および損傷にさらすのを防止する。電子モジュールは、たとえば、変圧器中性点１０およびシステム４００内で、または電力網全体の大部分にわたって観察される様々な事象の通知を生成するため、たとえば、マイクロプロセッサおよび／または通信回路として実装された制御回路、ならびに中性点監視装置４０２および／または電圧測定装置４０６からの入力を受信するために使用可能な信号調整回路を含むことができる。
【００３９】
図示の実施形態において、シールドエンクロージャ４１０は、ＥＭＰ／ＩＥＭＩファラデーシールドされたエンクロージャであり、すべてのドア開口部の周りに導電性シールを備えて通常約１４ｋＨｚから１０ＧＨｚの電磁周波数からの放射保護を提供する。
【００４０】
ここで図５を参照すると、受動変圧器中性点遮断システム５００のさらなる一実施形態が示されている。この例において、メンテナンスバイパススイッチ５０２およびＡＣ回路ブレーカー５０４の両方が示されている。本開示の様々な実施形態によれば、メンテナンスバイパススイッチ５０２は、受動変圧器中性点遮断回路の安全なメンテナンスを可能にし、ＡＣ回路ブレーカー５０４は、メンテナンススイッチ５０２にわたるアークを防止することによってメンテナンスバイパススイッチ５０２の安全な動作を可能にする。メンテナンススイッチ５０２は通常は閉じており、変圧器中性点１０と受動変圧器中性点遮断回路との間に接続されている一方、ＡＣ回路ブレーカー５０４は、変圧器中性点１０と接地１４との間に接続され、通常は開いている。中性電流監視装置４０２はまた、中性ＡＣ不均衡を測定し、メンテナンススイッチ５０２を動作させることが安全であるときを決定するために用いることができる。上記のように、メンテナンススイッチ５０２は手動で開けない限り閉状態に維持されるので、ＤＣ遮断コンポーネント１１０はシステム５００内で持続的に維持される。
【００４１】
ここで図６を参照すると、受動変圧器中性点遮断システム６００のさらなる一実施形態が示されている。この実施形態において、電子モジュール４０８は、エンクロージャ４１０の周辺に配置された複数のフィルタ６２２を含む。フィルタ６２２は通常、エンクロージャ内部の電子機器および信号処理コンポーネントの性能に悪影響を与える可能性のある信号を抑制するサージ抑制を備えたローパスまたはバンドパスフィルタとすることができる。このような一実施形態において、保護を確実にするため、エンクロージャ４１０を貫通するすべての導電性ワイヤ上にフィルタリングが存在する。加えて、図示の実施形態において、フィルタ６２２が電源入力６３４、ならびにシステムオペレータへの出力上に配置されている。さらなるフィルタ６２２が、感知電子機器６２４と１以上の電磁検出器６５０との間に電気的に接続されている。電磁検出器６５０は、たとえば、ＥＭＰ／ＩＥＭＩ事象を検出するように構成されたシールド磁気ループアンテナベースの検出器であり得る。このような検出器の一例が米国特許第８，７７３，１０７号明細書に記載されており、その開示を、参照によりその全体を本明細書に組み込む。
【００４２】
図６に示すように、感知電子機器６２４は、中性点監視装置４０２および／または電圧測定装置４０６からの信号を検出し、これらの信号を、たとえば、ローカルまたは電子機器６２４からリモートのいずれかに配置された制御室に報告するために用いることができる。感知電子機器６２４は、マイクロプロセッサまたはプログラム可能なゲートアレイタイプの装置などのプログラム可能な回路、ならびにメッセージを生成することができる信号閾値（電流および／または電圧）を定義するための命令を格納するために使用可能なメモリを含むことができる。感知電子機器６２４はまた、以下に説明するような、観察された電流および／または電圧事象に応答して特定の行動をとるための作動信号を生成するように構成することができる。
【００４３】
ここで図７を参照すると、変圧器中性点遮断システム７００のさらなる一実施形態が示されている。この実施形態において、高電圧ブレーカー７０２が変圧器１２の電力線相に電気的に接続されている。このような中性点遮断システムの一例が米国特許出願第１５／８８７，７８１号に記載されており、その開示を、参照によりその全体を本明細書に組み込む。
【００４４】
変圧器中性点遮断システム７００の動作中、電圧測定装置４０６は、変圧器中性点１０から接地１４にわたるＤＣ電圧を電子モジュール４０８に報告することができ、これは、そのＤＣ電圧がＤＣ遮断コンポーネント１１０（たとえば、特定のコンデンサまたはコンデンサバンクの定格電圧を上回る）または変圧器自体（たとえば、変圧器内の絶縁材料に対する損傷が起こり得るレベルにある）に損傷を与える可能性のある事象を示しているということを判定することができる。システム７００全体内のさらに他のタイプの損傷も電子モジュール４０８によって検出することができ、たとえば、所定の閾値を上回る瞬間ＤＣ電圧または（上記のように）所定の閾値レートを上回るＤＣ電圧の変化率に基づき得る。電子モジュール４０８は次いで高電圧ブレーカー７０２の１以上を開く信号を送信して、図１０を参照して以下でさらに説明するように、ＤＣ閾値を上回るＤＣ電圧について受動ＯＶＰＤ１１２のトリガリングを防止することができる。換言すれば、図７に示す実施形態におけるＤＣ閾値は、受動ＯＶＰＤ１１２をトリガーするＤＣ電圧より低く設定することができ、これによって受動ＯＶＰＤ１１２がトリガーされると流れることができるＤＣ電流を防止する。加えて、高電圧ブレーカー７０２は、たとえば、通信ネットワーク４１２を介した電子機器４０８との通信を介して、制御室４１４によって制御することができる。
【００４５】
いくつかの実施形態において、このシステムはまた、図６に示す電磁検出器６５０などの電磁検出器を含むことができる。このような構成において、このシステムはＥＭＰ／ＩＥＭＩ事象に応答するように構成されているので、高電圧ブレーカーは、このような事象中に適切な動作および保護を確保するためにシールドすることができる。
【００４６】
図７を全体的に参照すると、ここに記載の変圧器中性点遮断システムは動作において多くの利点を有することができるということが留意される。具体的には、有害の可能性のあるＤＣ電流の場合における高電圧ブレーカー７０２の作動は、変圧器が保護されたままであることを意味する一方、高電圧ブレーカー７０２は、電子モジュール４０８からの作動信号によって作動することができる。上記のように、このような事象は、たとえば、電圧測定装置４０６（たとえば、電圧プローブまたは他の電圧測定装置）が、所定の閾値を上回る、または所定の時間、所定の閾値を上回る電圧を感知したという電子モジュール４０８での検出を含むことができる。さらに電子モジュール４０８は、たとえば、電圧の速い立ち上がり時間のために、許容可能な変化率を超える電圧の変化に応答して作動信号で高電圧ブレーカー７０２をトリガーすることができる。例の実施形態において、約１００Ｖ／ｍｓから約１７５Ｖ／ｍｓの電圧変化率が、通常のＡＣ電流から区別可能である速い立ち上がり時間を示し得る。
【００４７】
加えて、高電圧ブレーカーの作動はさらなる利点を有することができる。たとえば、回路ブレーカー７０２の作動の結果、変圧器１２を電力網全体から切断することができ、または少なくとも電力網をセグメント化する。変圧器中性点または電力線相上の誘導ＤＣ電圧が発生し得る場合（その大きさはボルト／メートルベースで決定される）、電圧が誘導され得る長さが短縮されるため、電力網内のセグメントが短くなる結果、ＤＣ電圧が低くなる可能性がある。したがって、このセグメント化は、変圧器１２またはＤＣ遮断コンポーネント１１０への潜在的な損傷に対しても保護する。
【００４８】
電子機器４０８が制御室４１４（あるいは他の電力網変圧器に関連する他の変圧器中性点保護回路に関連して配置された他の電子機器４０８）と通信する例の実施形態において、電子機器４０８または制御室４１４のいずれかが通信ネットワーク４１２を介して異なる変圧器に関連する電子機器に宛てられた信号を送信することができる。このように、１つの変圧器で発生する高ＤＣ電圧事象（または変化率電圧事象）の検出により、各保護回路がこのような事象を感知する必要に依存することなく、電力網内の他の場所でも損傷を防止するであろう方法で電力網の即時セグメント化をトリガーすることができる。さらに、例の実施形態において、電子機器４０８または制御室４１４は、電力網内の多数の保護システムの中からどの保護システムがこのような作動コマンドを受信して他の電力網変圧器の位相上の高電圧ブレーカーを開くかを選択するためのアルゴリズムを実行することができる。これは、たとえば、電力網のできるだけ多くの電源への接続を維持しながら、かなりの高電圧を誘導する可能性が低い長さを有するセグメントに電力網を安全にセグメント化することができる変圧器を識別することを含むことができる。このセグメント化は、変圧器間の距離（したがって作成されるセグメントの長さ）または発電所と切断されるべき変圧器との間の距離に基づき得る（たとえば、ブレーカーの作動による電力損失を経験する人口を最小限に抑えるため）。いくつかの場合において、アルゴリズムを適用し、これらの要因と発生する電圧を組み合わせて、ブレーカー作動信号が送信されるべき特定の変圧器保護回路を選択する。
【００４９】
したがって、具体的には図７に関して、高電圧ブレーカー７０２の作動は、本開示の受動中性点遮断装置、ならびに本明細書に参照により組み込まれる特許および刊行物に記載されている他のタイプの受動および能動中性点遮断装置と組み合わせて有利であり得るということが留意される。たとえば、高電圧ブレーカー７０２の作動は、本明細書に記載の受動モードシステムに関して説明するように、システム内のＤＣ遮断コンポーネントを維持しながら特定のＤＣ電圧の検出に応答して実行することができる。しかしながら、その作動は、米国特許第８，８７８，３９６号明細書に示されているように、変圧器中性点と接地との間にＤＣ遮断コンポーネントを選択的に迂回または選択的に導入するスイッチの作動と組み合わせて（または独立して、しかし同じ回路内で）実行することができる。
【００５０】
ここで図１０を参照すると、変圧器中性点で観察されたＤＣ電圧のプロット１０００が時間の関数として示され、本明細書に記載のシステムの動作を説明するという目的のために様々な閾値が示されている。この図、および全体的な開示と併せて、ＤＣ電圧またはＤＣ電流という用語は、それぞれ、ＤＣ電圧および準ＤＣ電圧、またはＤＣ電流および準ＤＣ電流の両方を指すということが留意される。
【００５１】
プロット１０００において、変圧器中性点で発生するＤＣ電圧（たとえば、電圧測定装置４０６によって検出されるような）が示されている。図示の例において、ＤＣ中性点遮断コンポーネント１１０は、ＤＣ電圧レベルＣに対応するＤＣ電圧耐限界を有することができ、このためこの限界を上回るＤＣ電圧は、ＤＣ中性点遮断コンポーネント１１０を破壊または損傷し、変圧器を損傷の危険にさらし始める可能性があり、または加えて／あるいは、変圧器１２自体内の絶縁を損傷し始める可能性がある。これらの閾値は一般に、それぞれ、ＤＣ中性点遮断コンポーネントおよび／または変圧器絶縁体の耐電圧または耐電圧限界と呼ばれる。電圧の例の範囲を以下に記す。
【００５２】
加えて、受動ＯＶＰＤ１１２は電圧レベルＢでトリガーされるように設定することができ、これはＤＣ電圧レベルＣより低く、過電圧事象（たとえば障害）の場合にＤＣ中性点遮断コンポーネント１１０および変圧器１２の両方を損傷から保護することができる。ＤＣ電圧限界Ｂは通常、ＤＣ中性点遮断コンポーネント１１０または変圧器１２の定格電圧よりわずかに低くすることができ、以下に記す範囲内とすることができる。
【００５３】
電圧レベルＢで受動ＯＶＰＤ１１２をトリガーすると、望ましくないＤＣ電流が接地に流れるという結果になることが留意される。したがって、図７に関連して上で説明した様々な回路変形を用いるとき、電子モジュール４０８は、作動信号を送信してＤＣ電圧レベルＡで高電圧ブレーカー７０２の１以上を開くように構成することができる。ＤＣ電圧レベルＡは一般に電圧レベルＢより低く設定され、受動ＯＶＰＤ１１２がＤＣ電圧上でトリガーされることを防止し、これによって高ＤＣ電流の流入が起こり得る前に変圧器の電源を安全に切る。
【００５４】
いくつかの実施形態において、変圧器１２は３５ｋＶのＤＣ電圧限界を有することができ、これを上回ると、変圧器中性点絶縁体の劣化のリスクは許容不可能と見なされる。いくつかの実施形態において、ＤＣ遮断コンポーネント１１０のＤＣ耐電圧限界は、ＤＣ電圧レベルＣに対応する１６〜３４ｋＶのＤＣの範囲にある。したがって、受動ＯＶＰＤ１１２は、電圧レベルＢに対応する約８〜１５ｋＶの範囲内にあるように構成されたＤＣトリガー電圧を有することができる。電子モジュール４０８は、ＤＣ電圧レベルＡに対応する約７〜１４ｋＶのＤＣの範囲内のＤＣ電圧レベルで１以上の高電圧ブレーカー７０２を開くように構成することができる。さらに他の実施形態において、変圧器１２の電圧限界、ＤＣ遮断コンポーネント１１０の耐限界、受動ＯＶＰＤ１１２のトリガー電圧、および電子モジュールが１以上の高電圧ブレーカーを開く電圧レベルは、上述のものとは異なり得るが、動作の相対的順序は一般に、ＤＣ中性点遮断コンポーネント１１０または変圧器１２への損傷に対して保護するように選択されることになる。
【００５５】
ここで図８Ａ〜図８Ｄを参照すると、上述の受動保護回路と併せて用いることができる受動ＯＶＰＤの一例が提供されている。図８Ａは、一例の実施形態による受動ＯＶＰＤアセンブリ８００の斜視図である。受動ＯＶＰＤアセンブリ８００は、複数のサブアセンブリ８０１ａ〜ｃおよび回路リード８０２ａ〜ｂを含む（８０２ｂは図８Ｂに示されている）。サブアセンブリは、回路リード８０２ａ〜ｂに並列接続されている。加えて、サブアセンブリ８０１ａ〜ｃのそれぞれはスパークギャップ８０６ａ〜ｃを含む。この図には３つのサブアセンブリが示されているが、他の実施形態は、より多いまたはより少ないサブアセンブリを含む。サブアセンブリ８０１ａ〜ｃは、導体８０３ａ〜ｃ（たとえば、一般にヤコブの梯子として形成される）および電極８１０ａ〜ｃの狭い領域にスパークギャップ８０６ａ〜ｃを含む。
【００５６】
いくつかの実施形態において、スパークギャップ８０６ａ〜ｃの幅は実質的に同じである。大きな地絡電流がスパークギャップ８０６ａ〜ｃの１つの破壊電圧をトリガーすると、そのスパークギャップを取り囲む対応する電極の一部がアブレーションし、スパークギャップの幅が変化する可能性がある。スパークギャップ幅のこの変化は増加である可能性があり、これによりその特定のスパークギャップの破壊電圧の対応する増加が引き起こされることになる。いくつかの場合において、大きな地絡電流によって引き起こされるアブレーション後のスパークギャップの破壊電圧は、他のスパークギャップの１つの破壊電圧より大きくなる。したがって、次の大きな地絡電流の間、アークは異なるスパークギャップにおいて開始することになる。このように、アセンブリ８００は、寿命が長くなり、複数の大きな地絡電流に耐えることになる。
【００５７】
さらなる実施形態において、および並列装置による維持された破壊電圧の上の特徴に加えて、スパークギャップ８０６ａ〜ｃの１つのスパークギャップ幅は、実質的にアブレーション弾性であることによって、大きな地絡電流がトリガーされた後に全体として維持され、ローレンツ力がスパークギャップ領域から電極の端部に向かって破壊アークを押し出し、したがってスパークギャップ領域を保存するような方法で構築することができる。このような構成において、破壊電圧は、ギャップ幅の実質的な変化、および結果として生じる、複数の衝突にわたるその特定のスパークギャップの破壊電圧の増加をもたらさない可能性がある。一般に、スパークギャップ破壊電圧は、指定された数の事象にわたっていくらかの所定の範囲にとどまることが要求される。
【００５８】
いくつかの実施形態において、受動ＯＶＰＤアセンブリ８００は、５〜８ｋＶを上回り、２８ｋＶを下回る破壊電圧に対応し、少なくとも６０ミリ秒にわたって８，０００アンペアを上回る電流を有する過電圧事象にさらされることがある。他の例において、過電圧事象は、５〜８ｋＶを上回るとともに約３５ｋＶを下回り、電流が少なくとも４０ミリ秒にわたって約５，０００アンペアを上回る破壊電圧に対応する可能性がある。さらに他の閾値も設定することができ、例の閾値は米国特許第９，６６０，４４１号に記載されており、これは先に参照により組み込まれている。
【００５９】
図８Ｂは、受動ＯＶＰＤアセンブリ８００のサブアセンブリ８０１ａの正面図である。サブアセンブリ８０１ａはマウント８０４ａ〜ｂを含み、これは導体８０３ａ〜ｃを支持するが、そのうち導体８０３ａのみが斜視のために示されている。導体８０３ａ〜ｃのそれぞれは、下部導体８０５ａ〜ｂおよび上部導体８０７ａ〜ｂとしてそれぞれ示される、下部導体および上部導体から形成されている。加えて、電極８１０ａ〜ｂは、下部導体と上部導体の接合部に形成されている。受動ＯＶＰＤアセンブリ８００のための支持構造は、マウント８０４ａ〜ｂと組み合わせて、絶縁体８１４ａ〜ｂ、および円筒形シールド８１６ａ〜ｂを含む。
【００６０】
マウント８０４ａ〜ｂは、図示のように、導体８０５ａ〜ｂを所望の角度で固定および支持するように構成された剛性支持構造である。いくつかの実施形態において、マウントは、導体８０５ａ〜ｂを鉛直から２．５〜２０度の角度で配置するように構成されている。代替の一実施形態において、導体の角度は変化させることができ、たとえば、約２〜９０度の間の角度を用いることができる。一般に、少なくとも部分的に上で概説した電圧および電流範囲におけるアーク電流の場合に発生する大きなローレンツ力のため、この角度により、電極８１０ａ〜ｂにわたって上部導体８０７ａ〜ｂに向かって形成されるあらゆる放電アーク電流が促進される。マウント８０４ａ〜ｂは、アーク電流が形成されるときに導体８０５ａ〜ｂの間に生成されるローレンツ力に耐えるように構成されている。
【００６１】
一般に、下部導体８０５ａ〜ｂ（本明細書では回路リードとも呼ばれる）および上部導体８０７ａ〜ｂ（本明細書では延長部とも呼ばれる）は、結合して導体８０３ａ〜ｃを形成する大径の円筒形ロッドであり、下部導体と上部導体の接合部には電極８１０ａ〜ｂが形成されている。導体８０５ａ〜ｂおよび８０７ａ〜ｂの直径は、過電圧保護アセンブリ８００の所与の用途について予想されるアーク電流に基づいて選択される。導体８０５ａ〜ｂは互いに向かって角度をつけており、電極８１０ａ〜ｂが互いに隣接するようになっている。いくつかの実施形態において、導体８０５ａ〜ｂ間の傾斜角は５〜４０度である。電極８１０ａ〜ｂは、スパークギャップ８０６ａによって分離されている。
【００６２】
いくつかの実施形態において、下部導体８０５ａ〜ｂ、上部導体８０７ａ〜ｂ、および電極８１０ａ〜ｂは、高融点の剛性の導電性材料から一体的に形成されている。たとえば、いくつかの実施形態において、導体８０５ａ〜ｂ、８０７ａ〜ｂ、および電極８１０ａ〜ｂは、銅／タングステン合金から形成されている。他の実施形態において、導体８０５ａ〜ｂ、８０７ａ〜ｂ、および電極８１０ａ〜ｂは、タングステン、銅、およびニオブなどの異なる材料から形成されている。
【００６３】
加えて、電極８１０ａ〜ｂ間の間隔は、絶縁体８１４ａ〜ｂによってさらに固定されている。絶縁体８１４ａ〜ｂは剛性であり、絶縁材料から形成されている。いくつかの実施形態において、絶縁体８１４ａ〜ｂは円筒形を有する。絶縁体８１４ａ〜ｂは、マウント８０４ａ〜ｂ、導体８０５ａ〜ｂ、および電極８１０ａ〜ｂの間の間隔、したがって、スパークギャップ８０６の幅も固定するように構成されている。例の実施形態において、絶縁体８１４ａ〜ｂの１以上は、電極８１０ａ〜ｂにわたるアーク電流の形成方向の配向に配置され、これによってその方向に追加の強化を提供してアーク電流の方向におけるローレンツ力によるアーク電流形成の場合に受動ＯＶＰＤアセンブリ８００への損傷を回避する。
【００６４】
いくつかの実施形態において、シールド８１６ａ〜ｂが含まれている。シールドは、図示の例において、絶縁体８１４ａ〜ｂと支持体８０４ａ〜ｂとの間に配置され、絶縁体８１４ａ〜ｂの表面に沿う導電経路（堆積炭素またはアーク中に放出された材料からの）の形成を妨害するように構成された金属タブである。代替の実施形態において、シールド８１６ａ〜ｂは、異なる形状、たとえば、円筒形で絶縁体８１４ａ〜ｂを包囲することもできる。
【００６５】
図８Ｃは、受動ＯＶＰＤアセンブリ８００の拡大正面図である。サブアセンブリ８０１ａは、導体８０５ａ〜ｂおよび８０７ａ〜ｂ、電極８１０ａ〜ｂを含み、スパークギャップ８０６ａは、電極８１０ａ〜ｂの底部より小さい距離だけ分離されている。たとえば、いくつかの実施形態において電極８１０ａ〜ｂの頂部は第１の幅Ｗ１によって分離され、電極８１０ａ〜ｂの底部はわずかに大きい第２の幅Ｗ２によって分離されている。いくつかの実施形態において、幅Ｗ１は０．６５ミリメートルであり、幅Ｗ２は０．８２ミリメートルである。他の実施形態において、幅Ｗ１は０．５ミリメートルと１ミリメートルとの間であり、幅Ｗ２は０．７５ミリメートルと１．２５ミリメートルとの間である。さらに他の実施形態において、幅Ｗ１は０．２５ミリメートルと１０ミリメートルとの間であり、幅Ｗ２は０．４ミリメートルと２０ミリメートルとの間である。いくつかの実施形態において、第１の幅と第２の幅との間の差は約０．４ミリメートルである。他の実施形態において、第１の幅と第２の幅との間の差は、０．１５ミリメートルと１５ミリメートルとの間である。いくつかの実施形態において、電極８１０ａ〜ｂの平坦面は高さＨを有する。いくつかの実施形態において、高さＨは１インチである。他の実施形態において、高さＨは０．５インチと４インチとの間である。しかしながら、他の高さおよび他の第１および第２の幅を備えた他の実施形態も同様に可能である。いくつかの実施形態において、高さＨは５ミリメートルと１５ミリメートルとの間である。しかしながら、他の高さおよび他の第１および第２の幅を備えた他の実施形態も同様に可能である。たとえば、幅Ｗ１とＷ２を同じにして、スパークギャップを平行な表面を有するようにすることができる。これは、スパークが発生するであろう場所にわたる制御が少なくなるため最適ではないが、動作可能である。初期の高地絡電圧の間、アーク電流は電極８１０ａ〜ｂの頂部に形成される。高地絡電流事象中に材料がアブレーションされると、アークはスパークギャップ８０６におけるより低い位置で開始する。それにもかかわらず、スパークギャップでのアブレーションは、受動ＯＶＰＤアセンブリ８００、特に導体８０３ａ〜ｂの形状によって最小化され、導体８０７ａ〜ｂの端部で（延長部の端部で）アブレーションが確実に発生するようにする。
【００６６】
アセンブリ８００は、３５ｋＶを下回る（しかし通常約５〜８ｋＶを上回る）破壊電圧および少なくとも４０ミリ秒にわたって５，０００アンペアを上回る電流に耐えるように構築されているということが留意される。しかしながら、代替の実施形態において、アセンブリ８００は、より大きなまたはより低い破壊電圧および／または電流に耐えるように、または他の期間にわたるこのような電力損失に耐えるように構築することができる。
【００６７】
加えて、電極８１０ａ〜ｂ間の特定の距離は、それぞれ、マウント８０４ａ〜ｂ内の導体８０３ａ〜ｂのそれぞれの位置を調整することによって調整することができるということが留意される。たとえば、下部導体８０５ａ〜ｂの角度のため、導体８０３ａ〜ｂを取り付けてマウントからさらに延長することによって、電極８１０ａ〜ｂはそれらの間の距離をより少なくすることができる一方、導体８０３ａ〜ｂを取り付けてマウントからの距離をより短く延長することにより、電極の間隔をさらに広げることになる。したがって、電極間の距離に基づいて正確な破壊電圧を選択することができる。
【００６８】
図９は、受動ＯＶＰＤアセンブリ９００の特定の一例の実施形態の正面図である。サブアセンブリ９０１ａは、断面積９１５ａを備えた導体９０５ａ、断面積９１７ａを備えた導体９０７ａ、スパークギャップ９０６、およびスパークギャップ９０６の領域における導体９０５ａおよび９０７ａの接合部９０８ａによって形成される断面積９１８ａを含む。具体的には、いくつかの実施形態において（たとえば、上述の電極８１０ａ〜ｂの一部として）、スパークギャップの領域に平坦な表面を形成することができ、上の図８Ｃに示す台形電極領域内で特に平坦化することができる。いくつかの実施形態において、導体９０５ａおよび９０７ｂは、円形または楕円形の断面積９１５ａおよび９１７ａを備えた略円筒形とすることができる。他の実施形態において、導体９０５ａおよび９０７ａは、他の幾何学的断面積形状を備えた他の幾何学的形状を有することができる。いくつかの実施形態において、導体９０５ｂは、９０５ａと実質的に同じ形状および断面積を有し、導体９０７ｂは、９０７ａと実質的に同じ形状および断面積を有し、接合部９０８ｂは、接合部９０８ａおよび断面積９１８ａと実質的に同じ形状および断面積９１８ｂを有する。
【００６９】
図９はまた、断面積９１７ａの長さＡおよびＢ、断面積９１８ａの長さＣ、Ｄ、およびＧ、ならびに断面積９１５ａの長さＥおよびＦを示す。いくつかの実施形態において、長さＡ、Ｂ、Ｅ、およびＦはすべて１インチである。他の実施形態において、長さＡ、Ｂ、Ｅ、およびＦは０．５インチと５インチとの間である。しかしながら、他の長さＡ、Ｂ、Ｅ、およびＦを備えた他の実施形態も同様に可能である。いくつかの実施形態において、長さＣおよびＤは１インチであり、長さＧは０．２インチである。他の実施形態において、長さＣおよびＤは２インチであり、長さＧは０インチである。さらに他の実施形態において、長さＣおよびＤは０．５インチと５インチとの間であり、長さＧは０インチと３インチとの間である。しかしながら、他の長さＣ、Ｄ、およびＧを備えた他の実施形態も同様に可能である。
【００７０】
全体として、本開示の様々な実施形態は、回路保護に関して、特に発電または配電に用いられる変圧器などのＡＣ電気機器の接地接続での高調波信号またはＤＣ電流信号のいずれかに関して、多くの利点を提供するということが認識される。たとえば、ＤＣまたは準ＤＣ中性電流を遮断すると、変圧器コアにおける半サイクル飽和が防止され、これによりひいては変圧器の過熱、損傷または故障が防止される。加えてＤＣ遮断は、電力系統リレーを作動させて重大な不安定性ならびに停電を引き起こす可能性のある高調波を低減することによって電力品質も向上させる。これにより、公益電力系統リレーのトリッピング、電力補償および他の重要な構成要素の切断が大幅に防止され、ひいてはＧＩＣまたはＥＭＰ事象の場合における電力網の部分的または全体的な崩壊が回避される。さらなる利点は、電力網全体、またはその一部の選択的、協調的な保護を含む。
【００７１】
上の明細書、例およびデータは、本発明の構成物の製造および使用の完全な説明を提供する。本発明の多くの実施形態は本発明の精神および範囲から逸脱することなく行うことができるため、本発明は以下に添付される請求項に存在する。
【符号の説明】
【００７２】
１００  受動変圧器中性点遮断システム、１２  変圧器、１０  変圧器中性点、１４  接地、１１０  ＤＣ遮断コンポーネント、１１２  受動過電圧保護装置、２００  受動変圧器中性点遮断システム、２０４  電力抵抗器、３００  受動変圧器中性点遮断システム、３１０ａ〜ｎ  コンデンサ、３２０ａ〜ｎ  コンデンサ、４００  受動変圧器中性点遮断システム、４０２  中性電流監視装置、４０６  電圧測定装置、４０８  電子モジュール，電子機器、４１０  シールドエンクロージャ、４１２  通信ネットワーク、４１４  制御室、５００  受動変圧器中性点遮断システム、５０２  メンテナンスバイパススイッチ、５０４  ＡＣ回路ブレーカー、６００  受動変圧器中性点遮断システム、６２２  フィルタ、６２４  感知電子機器、６３４  電源入力、６５０  電磁検出器、７００  変圧器中性点遮断システム、７０２  高電圧ブレーカー、８００  受動ＯＶＰＤアセンブリ、８０１ａ〜ｃ  サブアセンブリ、８０２ａ〜ｂ  回路リード、８０３ａ〜ｃ  導体、８０４ａ〜ｂ  マウント、８０５ａ〜ｂ  下部導体、８０６ａ〜ｃ  スパークギャップ、８０７ａ〜ｂ  上部導体、８１０ａ〜ｃ  電極、８１４ａ〜ｂ  絶縁体、８１６ａ〜ｂ  円筒形シールド、９００  受動ＯＶＰＤアセンブリ、９０１ａ  サブアセンブリ、９０５ａ  導体、９０５ｂ  導体、９０６  スパークギャップ、９０７ａ  導体、９０７ｂ  導体、９０８ａ  接合部、９０８ｂ  接合部、９１５ａ  断面積、９１７ａ  断面積、９１８ａ  断面積、９１８ｂ  断面積
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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