KR101348990B1 - 고속 전류 션트 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시형태는 이상 전자기 펄스가 전력 시스템의 전기 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만드는 것을 방지하는 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 상기 부품은 펄스를 수신하는 시스템의 도전 경로에 위치된다. 상기 방법 및 장치는 펄스가 전기 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만들기 전에 도전 경로에서 펄스의 존재를 검출하는 스텝 또는 수단을 포함한다. 상기 펄스는 이 펄스가 전기 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만들 수 있기 전에 전기 부품에 대한 저인덕턴스 고전류 용량 회로를 갖는 전기 부품 주위에서 전환된다. 상기 발명은 전류 측정 영역이 형성된 편평한 도전 금속 스트랩, 상기 전류 측정 영역에 부착된 테이퍼진 평행판 전송 라인 매칭 변압기 및 동축 케이블을 통한 출력을 포함하는 고속 전류 션트를 유리하게 사용할 수 있다.

Description

고속 전류 션트{HIGH SPEED CURRENT SHUNT}

관련 출원의 교차 참조

본 출원은 Curtis A. Birnbach에 의해 2008년 9월 19일자로 출원된 미합중국 가특허 출원 제61/192,591호(전자기 펄스 보호 방법 및 장치)의 우선권을 주장한다.

본 발명은, 예컨대 핵폭발 또는 태양 폭풍으로부터 야기되는 이상 전자기 펄스(EEMP)가 전력 발생 및 분배 시스템의 전기 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만드는 것을 방지하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 이상 전자기 펄스(EEMP)는 EMP로 집합적으로 언급된 핵폭발(NEMP), 전력 시스템의 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만드는데 충분한 강도의 비핵 전자기 펄스(NNEMP), 또는 태양 폭풍으로부터의 코로나 질량 분출의 결과로서의 지자기 유도 전류(GIC)로부터 야기되는 트랜지언트 펄스로 규정되어 있다. 본 발명의 다른 실시형태는 GIC 펄스의 검출에 사용될 수 있는 고속 전류 션트에 관한 것이다.

사회를 현대화하는 전력 시스템의 중요한 특징이 잘 인식된다. 예컨대, 2008년 4월에 전자기 펄스(EMP) 공격으로부터 미합중국, 중요한 국가 기반시설, US 정부 인쇄국에 대한 위협을 평가하는 위원회의 보고는 17페이지에 제시되어 있다:

사회 및 경제의 기능은 전기의 유용성에 결정적으로 의존한다. 본래, 미국 사회의 모든 양상은 전력의 기능을 필요로 한다. 현대 U.S. 사회는 구조화되지 않고 전기없이 거의 3억 미국인의 요구를 제공하는 수단을 갖고 있지 않다. 계속된 전기 공급은 송수 설비, 식품의 생산과 분배, 연료, 통신, 및 우리 경제의 일부인 그 밖에 모든 것을 지탱하는데 필요하다. 매우 타이트한 주파수 경계 내의 연속적이고 신뢰성있는 전기 공급은 미국 및 대부분의 선진국의 존속 및 성장에 대한 중요한 요소이다.

이전 위원회 보고는 핵폭발로부터 발생되는 전자기 펄스에 의해 전력 시스템에 공격의 위협을 더 논의하고 지자기 폭풍으로부터 전력 시스템에 자연 발생 위협도 언급한다. 위원회 보고는 18페이지에 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 전력 시스템은 전력을 발생시키고, 그 전력을 짧은 거리에서 긴 거리로 송신하고, 그 전력을 엔드 유저에게 분배하는 시스템을 의미한다.

공개된 경험 데이터에 의거하여, EMP 이벤트가 전력 시스템의 각종 부품을 정지시킬 수 있는 것이 통상 받아들여진다. 2개의 그러한 전기 부품, 전기를 발생시키는 발전기, 및 전력 송신 또는 분배에 요구되는 전압 레벨을 스테핑 업 또는 스테핑 다운하는 변압기가 분명히 필요하다. 발생기 또는 변압기의 동작이 중지하면 전력 시스템은 작동하지 않아서 우리가 알고 있는 사회는 파멸된다. 양 부품은 그것으로부터의 수요가 정상이면, 즉 예상된 제품 수명 후에 고장이 발생하면 빌드할 긴 리드 타임(예컨대, 변압기에 대해서는 3~5년 및 발생기에 대해서는 10년까지)을 필요로 한다. 그러나, 발생기 및 변압기에 대한 수요가 EMP 이벤트로부터 발생되는 영구 고장으로 인해 서지되면 그것들을 빌드하는 리드 타임은 심지어 더욱 그리고 아마 극적으로 증가한다.

그러므로, 각종 폼의 EMP가 전력 공급 시스템의 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만드는 방법을 제공하는 바람직하다. 각종 폼의 EMP는 핵 전자기 펄스 이벤트(NEMP), 상기 규정된 바와 같이 전력 공급 시스템의 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만드는데 충분한 500피코세컨드미만의 상승 시간과 전계 강도(예컨대, 미터 당 20볼트 초과)를 갖는 펄스를 생성하는 비핵 전자기 펄스(NNEMP), 또는 태양 폭풍의 코로나 질량 분출로부터 발생되는 지자기 유도 전류(GIC) 또는 다른 EMP 이벤트로부터 발생되는 불필요한 트랜지언트 전자기 펄스를 포함한다. 이들 EMP는 여기서 이상 전자기 펄스(EEMP)로 분류된다.

종래 기술에서의 다른 문제는 GIC 등의 고속 전류 펄스를 어떻게 정확히 측정하는 지에 관한 것이다. 고속 전류 펄스 측정의 종래 기술은 거의 배타적으로 추정에 의한 것이다. U.S. NIST(National Institute of Standard and Technologies)는 추리 측정이라기 보다는 오히려 가능한 한 직접 측정을 선호한다. 추리 측정 기술과 관련된 수치 계산은 실제 측정에서 추리적으로 도달하는 원시 데이터를 정정할 시에 에러의 가능성을 증가시킨다. 이것은 필요한 수치 계산이 복잡해지기 때문이며, 계산, 에러의 도입을 거의 항상 초래하는 프로세스를 간소화하는 자극이 존재한다.

다음과 같이 고정확 고속 전류 션트를 갖기 위한 3개의 가장 중요한 이유가 존재한다:

1. EEMP 이벤트로부터 전력 시스템의 전기 부품을 보호하는 디바이스의 제조를 가이드하는 실시간 모니터링 수단을 제공.

2. 제어 회로를 위한 고속 아웃풋을 제공.

3. EEMP 이벤트의 시스템 오퍼레이터 통지를 위한 고속 아웃풋을 제공.

그러므로, 고속 전류 펄스의 측정을 위한 직접 기술을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시형태는 이상 전자기 펄스가 전력 시스템의 전기 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만드는 것을 방지하는 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 상기 부품은 펄스를 수신하는 시스템의 도전 경로에 위치된다. 상기 방법 및 장치는 펄스가 전기 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만들기 전에 도전 경로에서 펄스의 존재를 검출하는 스텝 또는 수단을 포함한다. 펄스는 이 펄스가 전기 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만들 수 있기 전에 전기 부품에 대한 저인덕턴스 고전류 용량 회로를 갖는 전기 부품 주위에서 전환된다.

상기 방법 및 장치는 각종 폼의 EEMP가 전력 공급 시스템의 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만드는 것을 방지한다.

본 발명의 다른 실시형태는 전류 측정 영역이 형성된 편평한 도전 금속 스트랩, 상기 전류 측정 영역에 부착된 테이퍼진 평행판 전송 라인 매칭 변압기 및 동축 케이블을 통한 출력을 포함하는 고속 전류 션트를 제공한다.

상기 전류 션트는 고속 전류 펄스의 측정을 위한 직접 기술을 유리하게 제공하고, 먼저 언급한 발명에 사용될 수 있다.

도면에서는 동일 참조 번호가 동일 부분을 언급한다.

도 1a는 AC 전력 송전 그리드의 일부의 개략도를 도시한다.
도 1b는 핵 또는 비핵 전자기 펄스를 수신하는 도 1a의 그리드를 도시한다.
도 1c는 지자기 유도 전류 펄스를 수신하는 도 1a의 그리드를 도시한다.
도 2a는 변압기로부터 떨어져 있는 EMP를 전환하는 전류 전환 경로 및 전송 라인으로부터 접지로 떨어져 있는 EMP를 전환하는 선택적인 전류 전환 경로의 한 쌍과 함께 부분적으로 블록 형태인 도 1의 간소화된 버전을 도시한다.
도 2b는 도 2a의 회로의 프래그먼트를 도시한다.
도 2c 및 도 2d는 도 2b에 도시된 전류 전환 경로에 있어서 스위치의 대체 실시의 개략도를 도시한다.
도 2e는 전력 공급 시스템의 전기 부품으로부터 떨어져 있는 NEMP를 전환하는데 사용되는 스위치의 바람직한 상승 시간에 대하여 핵 전자기 펄스(NEMP)를 위한 전압 대 시간 파형을 도시한다.
도 2f는 지자기 유도 전류(GIC)로부터 발생되는 이상 전자기 펄스(EEMP)를 위한 전류 대 시간 파형을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 의한 전류 전환 경로를 사용한 전력 송전 그리드의 다른 부분의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시형태에 의한 결합된 전류 전환 경로를 갖는 Y자 접속 권선 및 델타 접속 권선의 개략도를 각각 도시한다.
도 5a는 본 발명의 실시형태에 의한 자기 지지 접지 전극을 갖는 전류 전환 경로의 정면도이다.
도 5b는 도 5a의 전기적으로 그리고 수평으로 지지하는 접속 디바이스 및 결합된 구조의 부분 단면도를 도시한다.
도 5c는 도 5b의 화살표 5C, 5C에서 취해진 도 5b의 전기적으로 그리고 수평으로 지지하는 접속 디바이스 및 결합된 구조의 부분 단면도를 도시한다.
도 5d는 도 5a의 화살표 5D, 5D에서 취해진 단면도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 사용될 수 있는 고전압 냉음극 전계 방출 트리오드의 간소화된 평면도 및 결합 단면도를 도시한다.
도 6c 도 6d는 도 6a 및 6b와 유사한 도면을 도시하지만, 양방향 고전압 냉음극 전계 방출 전자관을 위한 도이다.
도 6e는 부분적인 단면인 양방향 고전압 냉음극 전계 방출 전자관의 간소화된 측면도를 도시한다.
도 6f는 본 발명에 사용되는 스위치의 오목관 홀더 및 세라믹 하우징의 측면도를 도시한다.
도 6g는 도 6f의 오목관 홀더로의 고전압 냉음극 전계 방출관의 전기적 및 기계적 접속에 대한 도 6f의 화살표 6G, 6G에서 취해진 부분 단면도인 상세도이다.
도 7은 DC 전압에서 정상적으로 도전 경로에서의 NEMP 또는 NNEMP에 대하여 보호되는 제어 회로를 갖는 전류 전환 경로의 전기적 개략도를 도시한다.
도 8a는 AC 전압에서 정상적으로 NEMP 또는 NNEMP에 대하여 보호되는 제어 회로를 갖는 전류 전환 경로의 전기적 개략도를 도시한다.
도 8b는 AC 전압에서 정상적으로 도전 경로에서의 NEMP, NNEMP 및 GIC에 대하여 보호되는 제어 회로를 갖는 전류 전환 경로의 전기적 개략도를 도시한다.
도 8c는 예시의 명료함을 위해 생략된 절연을 갖는 고속 전류 션트의 간소화된 사시도를 도시한다.
도 8d는 절연을 갖는 도전 금속 스트랩 및 테이퍼진 플레이트의 확대된 측면도를 도시한다.
도 8e는 동축 케이블에 결합된 전송 라인의 플레이트의 확대된 사시도를 도시한다.
도 8f는 도 8e에 도시된 전기적 접속 및 절연의 부분 단면인 확대된 측면도를 도시한다.
도 8g는 도 8e에 도시된 상호접속 및 결합된 절연 중 하나인 확대된 평면도를 도시한다.
도 9는 전력 전송 시스템 및 결합된 전류 전환 경로의 전기 회로도를 도시한다.
도 10은 Y자 접속 전기 부품을 위한 완전한 전류 검출 및 전류 전환 장치의 측면도를 도시한다.
도 11은 델타 접속 전기 부품에 대한 전류 전환 요소의 상호접속의 간소화된 사시도를 도시한다.

도 1a ~ 도 1c는 전력 송전 그리드의 전형적인 부분을 도시하고 그리드에 의해 수신될 수 있는 이상 전자기 펄스(EEMP)의 상이한 타입을 예시한다.

도 1a는 본 발명에 의한 EEMP로부터 보호될 수 있는 AC 전력 송전 그리드(10)의 일부를 도시한다. 그리드(10)는 송전탑(14a 및 14b)으로부터 서스펜드되는 전력 전송 라인(12)을 포함하고, 통상 예시된 것보다 훨씬 길 수 있다. 변압기(16 및 18)는 전력 전송 라인(12)의 2개의 단부에 각각 위치된다. 각 변압기는 예로서 3상 Y자 접속 변압기의 1상을 포함할 수 있다. 각 변압기(16 및 18)의 하부에 도시된 전극은 각 접지(20)의 접속된 것으로 도시된다. 통상적인 바와 같이, 각 접지는 접지로의 더 확고한 접속을 보장하기 위해 접지에 매설된 전기 도체를 포함할 수 있다. 본 발명의 유효성을 증가시킬 목적으로 더 확고한 접지를 보장하기 위해 황산동의 과포화 용액 등의 도전제를 접지로 주입하는 것이 바람직할 수 있다.

도 1b는 핵 전자기 펄스(NEMP) 또는 비핵 전자기 펄스(NNEMP) 종류의 EEMP(22)를 수신하는 전송 라인(12)과 도 1의 그리드(10)를 도시한다. 펄스(22)는 펄스의 이동 방향을 지시하는 화살표와 관련되어 도시된다. 전송 라인(12)에 의해 수신된 후 NEMP 또는 NNEMP(22)는 변압기(16 및 18) 및 접지(20)를 각각 포함하는 2개의 도전 경로(24 또는 26) 중 어느 하나를 따를 수 있다. NEMP 또는 NNEMP(22)는 통상 변압기(16 및 18)의 전류 취급 능력을 훨씬 초과하여 도전 경로(24 또는 26)에서 전류를 유도할 수 있음으로써 NEMP 또는 NNEMP(22)가 그것으로부터 떨어져서 전환되지 않으면 변압기를 정지시킨다.

도 1c는 지자기 유도 전류(GIC) 종류의 EEMP를 수신하는 전송 라인(12)과 도 1의 그리드(10)를 도시한다. 그러한 펄스는 펄스의 이동 방향을 나타내는 화살표와 관련되어 28로 도시되어 있다. 전송 라인(12) 상에 수신된 후, GIC 펄스(28)는 접지 및 변압기(16 및 18)를 각각 포함하는 2개의 도전 경로(30 또는 32) 중 어느 하나를 따를 수 있다. GIC 펄스(28)는 통상 변압기(16 및 18)의 전류 취급 능력을 훨씬 초과하여 도전 경로(30 또는 32)에서 전류를 유도할 수 있음으로써 GIC 펄스(28)가 그것으로부터 떨어져서 전환되지 않으면 변압기를 정지시킨다.

도 2a는 각종 전류 전환 경로(36, 38 및 40)를 갖는 도 1의 간소화된 버전을 도시한다. 전류 전환 경로(36 및 38)는 변압기(16 및 18)로부터 떨어져서 전류를 전환한다. 선택적인 전류 전환 경로(40)는 EEMP를 수용하는 전송 라인(12)의 일부로부터 전류를 전환해서 라인(12)의 그러한 일부가 EEMP에 의해 정지되는 것을 방지한다. 각 경로(36, 38 및 40)는 그리드(10)의 각 결합된 전기 부품에 대하여 저인덕턴스 고전류 용량 회로를 구성하고, 스위치(37a, 39a 또는 41a)로서 개략적으로 도시되어 있다. 이와 같이, EEMP는 이 EEMP가 그리드의 그러한 전기 부품을 정지시킬 수 있기 전에 EEMP를 수용하는 전송 라인(12)의 일부로부터 그리고 변압기(16 및 18)로부터 전환될 수 있다.

도 2b는 도 2a의 전류 전환 경로(36)를 더 상세히 도시한다. 전류 전환 경로(36)는 세목이 이하에 기재되는 스위치(37a) 및 스위치 컨트롤러(37b)로 구성되는 보호 디바이스(37)를 포함한다. 변압기(16)와 전류 전환 경로(36) 사이의 거리(43)가 최소화될 수 있도록 변압기(16)의 상부 노드(16a)와 경로(36) 사이의 길이(42)를 물리적으로 가능한 한 짧게 하는 것이 바람직하다. 이것은 손상되는 펄스가 보호된 부품에 도달하기 전에 전환 회로 경로가 완전해지는 것을 보장하기에 충분히 신속한 전류 전환 경로(36)의 상승 시간을 유지하는 것이 중요하다. 또한, 최소 트랜지언트 등의 통상의 EMP를 억제하기 위해 진공 커패시터(도시되지 않음)를 전류 전환 경로(36)와 병렬로 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 여기서 기재된 다른 전류 전환 경로로 실현된다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 스위치(37a)는 Bi-tron(44)으로서 공지된 양방향 고전압 냉음극 전계 방출 양방향 전자관으로 구체화될 수 있다. "Bi-tron"이라는 명칭은 현재의 발명자에 의해 코인되었고, 그 구성은 이하에 기재된다. 대안으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 스위치(37a)는 한 쌍의 백 투 백(back-to-back) 접속된 고전압 냉음극 전계 방출 트리오드로서 구체화될 수 있다. 스위치(37a)(도 2b)의 양방향성은 전송 라인(12) 상의 라인 전압의 극성이 접지(20)에 관련될 지라도 스위치가 온되게 한다. 이것은 전송 라인(12) 상의 AC 라인 전압을 위한 1/2 사이클까지의 스위치(37a)를 온시킬 시에 지연을 방지한다. 또한, 스위치(37a)의 양방향성은 스위치가 도 1b에서와 같이 변압기(16)(또는 다른 보호된 전기 부품)를 통해 하부로 통과하는 EEMP, 또는 도 1c에서와 같이 변압기(16)(또는 다른 전기 부품)를 통해 상부로 통과하는 EEMP를 안내하는 것이 바람직하다.

도 2c에서, Bi-tron(44)의 전극은 제 1 및 제 2 음양극(132 및 136)과, 제 1 및 제 2 그리드(102 및 110)를 포함한다. 도 2d에서, 고전압 냉음극 전계 방출 트리오드(45a 및 45b) 각각에 대한 전극은 양극(100), 그리드(102) 및 음극(104)을 포함한다.

NEMP, NNEMP 및 GIC를 보호할 때 도 2c의 Bi-tron 또는 도 2d의 백 투 백 고전압 냉음극 전계 방출 트리오드는 AC 전송 라인에 대한 것처럼 DC 전송 라인에 동일하게 적용가능하다. 이것은, 도 1b 및 도 1c에 예시된 바와 같이, EMP 대 GIC 펄스의 전류 흐름 방향에 있어서의 차이로 인한 것이며, 양방향 스위칭 수단을 필요로 한다. 양 스위치는 NEMP 및 NNEMP를 보호하기 위해 100피코세컨드보다 작은 상승 시간을 갖는 것이 바람직하다. 상당히 느린 상승 시간을 갖는 스위치는 NEMP 및 NNEMP를 억제하는데 효과적이지 못하다. 느린 상승 시간은 보호된 전기 부품에 손상을 견디게 하는 가능성을 증가시킨다.

도 2a 및 도 2b에서, 전류 전환 경로(36)를 위한 적절한 스위치(37a)는 수개의 디자인 요건을 갖는다: 그것은 도 2a에서 보호된 전기 부품, 즉 변압기(16 및 18)를 정지시킬 수 있기 전에 온되어야 하고, 또한 그것은 EEMP를 예시하는 고전류를 취급해야 한다. 도 2e 및 도 2f는 지자기 유도 전류로부터 발생되는 EEMP 및 핵 전자기 펄스(NEMP)에 대한 전형적인 파형을 각각 나타낸다. 이 도면은 그러한 펄스로부터 보호될 전기 부품 주위의 EEMP를 전환하기 위한 여기에 기재된 스위치(37a 및 39a) 및 유사한 스위치의 요건을 고려하기 위해 제공된다.

도 2e는 NEMP(46)를 도시하고 그러한 NEMP의 순차적 스테이지(46a, 46b 및 46c)를 더 도시한다. 스테이지(46a) 동안, 예컨대 NEMP(46)는 100피코세컨드보다 작은 전계 강도에서 미터 당 20볼트보다 높게 상승한다. NEMP든 또는 NNEMP든 신속한 상승 시간과 미터 당 20볼트 이상의 진폭을 갖는 진폭을 갖는 펄스가 보호되어야 한다. 전기 부품이 NEMP(46) 또는 NNEMP(도시되지 않음)에 의해 정지되는 것을 방지하기 위해 100피코세컨드보다 빠른 상승 시간을 갖는 스위칭 수단을 사용하는 것이 필요하다. 수용가능한 상승 시간(47)은 약 80피코세컨드이다. 100피코세컨드보다 상당히 긴 상승 시간은 보호될 부품을 손상시킬 수 있다. 가능성은 상승 시간이 증가함에 따라 증가한다.

도 2e에 도시된 NEMP 파형(46)은 EMP, 및 특히 NEMP와 NNEMP로 일반적으로 공지된 파형의 클래스의 대표적인 멤버이다. 이 파형은 각각 유일하지만, 신속한 상승 시간 등의 중요한 공통 특성을 집합적으로 공유한다. NEMP 및 NNEMP가 공통 특성(예컨대, 상승 시간)을 공유하고, 본 발명의 견지로부터 보호된 전기 부품이 구별될 수 있는 것을 인식하는 것이 중요하다.

도 2f는 GIC 펄스로부터 발생되는 EEMP(48)에 대한 전류 대 시간 파형을 도시하고, 필란드에서 1999년 1월 13일에 발생한 GIC의 실제 기록이다. 도 2f로부터, 어느 하나의 파형이 전력 시스템에서 잠재적으로 손상되는 트랜지언트를 유도할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 3은, 예컨대 델타 접속 3상 회로에서 발견되는 바와 같이 접지에 대하여 플로팅되는 입력 또는 출력을 갖는 보호된 전기 부품을 예시한다. 따라서, 도 3은 출력 라인(50a 및 50b)에 나타나는 AC 출력을 갖는 발전기(50), 및 라인(50a 및 50b)에 접속된 좌측 도시 권선을 갖고 출력 라인(52a 및 52b)에 접속된 출력 권선을 갖는 변압기(52)를 도시한다. 라인(50a, 50b, 52a 및 52b)은 접지(20)에 대하여 모두 플로팅된다. 변압기(52)는 예로서 3상 델타 접속 권선의 1상을 포함할 수 있다.

도 3에서, 전류 전환 경로(54)는 발생기(50)를 보호하는 한편, 전류 전환 경로(56)는 변압기(52)의 좌측 도시 1차 권선을 보호한다. 선택적으로, 전류 전환 경로(58)는 접지(20)를 통해 라인(50b)에 전류의 소산을 위한 경로를 제공할 수 있다. 언급된 전류 전환 경로는 도 2b에서의 경로(36) 등의 전류 전환 경로의 상기 설명에 일치한다. 경로(58)는 2개의 전류 전환 경로에 의해 생성되는 순환 에너지가 접지에서 소산됨에 따라 특히 바람직하다.

도 4a는 Y자 접속 변압기 권선(60a, 60b 및 60c)의 일측(60)을 도시한다. 각 권(6Oa, 60b 및 60c)은 본 발명의 실시형태에 의한 결합된 전류 전환 경로(62, 64 또는 66)에 의해 션트된다. 경로(62, 64 및 66)는 이하에 기재된 제어 회로가 Bi-tron 스위치를 동작시키도록 사용될 지라도 Bi-tron 구성의 양방향 스위치로서의 간소화된 형태로 각각 도시되어 있다. 변압기의 이 Y자 접속 측(60)에서, 권선 및 결합된 전류 전환 회로 각각의 일단부는 접지(20)에 접속되어 있다.

도 4b는 델타 접속 변압기 권선(68a, 68b 및 68c)의 일측(68)을 도시한다. 각 권선은 본 발명의 실시형태에 의한 결합된 전류 전환 경로(70, 72 또는 74)에 의해 션트된다. 경로(70, 72 및 74)는 이하에 기재된 제어 회로가 Bi-tron 스위치를 동작시키도록 사용될 지라도 양방향 스위치로서의 간소화된 형태로 각각 도시되어 있다. 변압기의 델타 접속 측(68)에서, 권선의 단부 또는 결합된 전류 전환 경로의 단부의 어느 것도 접지(도시되지 않음)에 접속되지 않는다.

도 5a 및 도 5b는, 예컨대 도 4a에서 전류 전환 경로(62, 64 또는 66)를 실시하기 위해 Y자 접속 권선의 경우에 사용될 수 있는 전류 전환 경로(78)를 예시한다. 경로(62, 64 및 66)와 같이, 도 5a의 전류 전환 경로(78)는 접지(20)에 접속되어 있다.

도 5a에서, 전류 전환 경로(78)는 전기 절연 수직 지지 접지 도체(80), 진공 하우징(81), 및 전력 송전 그리드의 도체(84)로의 전기 수평 지지 접속 디바이스(83)를 포함한다. 이하에 더 기재되는 바와 같이, 진공 하우징(81)은 EEMP를 검출하는 회로와 함께 37a로 도 2b에 개략적으로 도시된 스위치를 포함하는 것이 바람직하다. 절연된 접지 도체(80)는 개략적으로 도시된 기계적 지지체(88)에 기계적으로 고정된 하단부와 수직 자기 지지되는 것이 바람직하다.

도 5b 및 도 5c는 진공 하우징(81) 내에서 도체(84)로부터 EEMP 검출 회로로 도전 경로 길이를 최소화하는 도 5a의 전기 수형 지지 접속 디바이스(83)의 바람직한 구성의 더 상세한 것을 도시한다. 이것은 하우징(81) 내에서 스위치의 상승 시간을 차례로 감소시킨다.

하우징(81)은 모래 폭풍 또는 불릿(bullet)에 쇼팅되는 것 등 환경적 위험 요소에 더욱 견디는 하우징(81)을 제작하기 위해 KEVLAR® 또는 유사한 아라미드 파이버 재킷(82)으로 선택적으로 커버되는 유전체를 포함하는 것이 바람직하다. 전력 도체(84)로의 접속은, 예컨대 위치(86a)에서 하우징(81)에 진공 밀봉되는 금속 접속부(86e)를 갖는 금속 커넥터 어셈블리(86)에 의해 이루어진다. 금속 커넥터 어셈블리(86)는 어떤 날카로운 에지가 제거되는 일반적으로 V-형상 홈(86f) 내에 끼워맞춰지는 도체(84) 상에 클램핑하기 위한 클램프(86b, 86c 및 86d)를 포함한다. 클램프(86b, 86c 및 86d)는, 예컨대 적절한 스크류(86g)를 갖는 금속 접속부(86e) 상에서 유지될 수 있다.

도 5d는 도 5a의 화살표 5D, 5D에서 취해진 절연된 접지 도체(80)의 단면도이다. 절연된 접지 도체(80)는 내부 부분(80a) 및 외부 부분(80b)을 갖는다. 내부 부분(80a)은 컨포멀 도전성 크롬 피복층(92)으로 둘러싸여진 다음 컨포멀 도전성 구리 피복층(94)에 의해 커버되는 연장된 도전성 스테인레스 스틸 코어(90)를 포함하는 것이 바람직하다. 피복층(92 및 94)은 플라즈마 스프레이 프로세스에 의해 적용되는 것이 바람직하다. 대안으로, 피복층(92 및 94)은 두꺼운 전기도금층으로서 적용될 수 있다. 바람직하게는, 내식성 유전체 보호층(96)은 구리 피복층(94)을 커버한다. 보호층(96)은 정전 분말 코팅에 의해 적용되는 것이 바람직하다. KEVLAR® 또는 유사한 아라미드 파이버 재킷(99)은 모래 폭풍 또는 불릿에 쇼팅되는 것 등 환경적 위험 요소에 대하여 저항을 제공하는 외부 부분(80b)을 인케이싱하는 것이 바람직하다.

EEMP를 도전할 때 고전류를 취급하기 위해 크롬 피복층(92)은 스테인레스 스틸 코어(90)에 밀하게 일치되어야 하고, 구리 피복층(94)은 크롬 피복층(92)에 밀하게 일치되어야 한다. 대안으로, 저인덕턴스를 위해 스테인레스 스틸 코어(90)는 10:1을 초과하는 도 5d에서의 수직 대 수평 치수를 가져야 하는 것이 바람직하고, 절연된 접지 도체(80)의 내부 부분(80a)의 에지(98a, 98b, 98c 및 98d)는 반경이 코어(90) 및 층(92 및 94)의 수직으로 도시된 치수의 대략 반과 같아지도록 라디우스되는(radiused) 것이 바람직하다.

절연된 접지 도체(80)의 외부 부분(80b)은 고온에 견디는 세라믹 또는 테라코타 또는 다른 유전체를 포함하는 것이 바람직하다. 이것은 도체(80)를 통해 고전류 레벨로 인해 필요하며, 몇몇 극도의 경우에 상기 접지 도체(80)가 I²R 가열로 인해 가열되게 할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 현재의 발명자 및 다른 발명자에 의해 USP 4,950,962에 기재된 바와 같은 Pulsatron으로도 공지되어 있는 도 2d의 고전압 냉음극 전계 방출 트리오드(45a)(또는 45b)의 기본 구조를 도시한다. 그러나, Pulsatron은 필요한 전압에서 연속 모드로 동작하는 사이즈로 스케일된다. 트리오드(45a)는 원통 형상 그리드(102)로 둘러싸여진 다음 원통 형상 양극(104)으로 둘러싸여지는 원통 형상 음극(100)을 포함한다. 그리드(102)는 전자를 통과시키는 적당한 구멍을 갖는 것을 지시하도록 대시 라인으로 도시되어 있다. 양극(104), 그리드(102) 및 음극(100)은 공통 주축(도시되지 않음)을 공유한다. 음극(100)으로부터 그리드(102)로의 레이디얼 스페이싱은 그 사이에서 TEM(transverse electromagnetic mode)을 지원하는 원형 도파관을 생성하도록 하는 것이다. 도 6a 및 도 6b에서, 음극(100)은 흑연 재료로 이루어지고, 그리드(102)는 스테인레스 스틸 등의 도전성 재료로 이루어지며, 양극(104)은 예로서 텅스텐 등의 내화성 재료로 이루어진다.

도 6c 및 도 6d는 상술한 바와 같이 Bi-tron으로도 공지되어 있는 도 2c의 고전압 냉음극 전계 방출관(44)의 기본 구조를 도시한다. Bi-tron(44)은 여기서 음양극으로 언급되는 원통 형상 전극(106); 즉 음극 또는 양극 중 어느 하나로 기능하는 전극을 포함한다. 인서클링 음양극(106)[도 2c에서의 제 1 음양극(132)으로 언급됨]은 원통 형상 제 1 그리드(102), 이어서 원통 형상 제 2 그리드(110), 그 다음 원통 형상 음극(112)[도 2c에서의 제 2 음극(136)으로 언급됨]으로 둘러싸여진다. 제 1 및 제 2 그리드(102 및 110)는 전자를 통과시키는 적당한 구멍을 갖는 것을 지시하는 대시 라인으로 도시되어 있다. 음양극(106 및 112), 및 제 1 및 제 2 그리드(102 및 110)는 공통 주축(도시되지 않음)을 공유한다. 음양극(106)으로부터 그리드(102)로의 레이디얼 스페이싱은 그 사이에서 TEM(transverse electromagnetic mode)을 지원하는 원형 도파관을 생성하도록 하는 것이다. 마찬가지로, 음양극(112)로부터 그리드(100)로의 레이디얼 스페이싱은 그 사이에서 TEM(transverse electromagnetic mode)을 지원하는 원형 도파관을 생성하도록 하는 것이다. 제 1 그리드(102)와 제 2 그리드(110) 사이의 레이디얼 스페이싱은 의도된 동작 전압에서 플래시오버를 방지하는데 충분하다. 도 6c 및 도 6d에서, 음양극(106 및 112)은 흑연 재료로 이루어지고, 그리드(102 및 110)는 예로서 스테인레스 스틸 등의 도전성 재료로 이루어진다.

도 6a 및 도 6b의 트리오드(45a) 및 도 6c 및 도 6d의 Bi-tron(44)은 제곱 센티미터 당 400 Amps의 전류 레벨을 취급할 수 있다. 이 스위치 각각의 속도는 이하에 기재된 소위 탑햇(탑햇) 소켓에 의해 증대되는 것이 바람직하다.

냉음극 전계 방출 전자관, Bi-tron 또는 Pulsatron을 설계할 때 충족되어야 하는 수개의 중요한 조건이 존재한다.

(1) 그리드-음극 또는 그리드-음양극 스페이싱은 그리드의 길이에 걸쳐 일정해야 한다. 이것은 통상 고장력 하에 그리드를 위치시키거나 그것을 강성 구조로 빌딩함으로써 달성된다.

(2) 그리드에서의 소자의 수는 그리드-음극 또는 그리드-음양극 영역에서 일정하고 균일한 전계를 보장하기에 충분히 높아야 한다.

(3) 그리드 구조의 어디에서 버(burr)의 날까로운 에지가 존재하지 않아야 한다. 오히려, 개별 소자는 원형이거나, 편평하거나, 또는 고 종횡비 형상일 수 있다. 모든 에지는 완존지 라디우스되어야 한다. 이 문맥에서, 완전히 라디우스된(radiused) 것은 당해 에지가 재료의 두께 반과 같은 반경을 갖는 것을 의미한다.

이 설계 규칙의 실제 구현은 빌트될 그리드의 사이즈에 의해 결정된다.

도 6e는 양방향 고전압 냉음극 전계 방출 전자관의 형태인 Bi-tron(162)을 도시한다. 전자관(162)은 전기 절연된 하우징(116)과, 제 1 및 제 2 음양극 커넥터(134 및 138) 각각에 실장된 제 1 및 제 2 음양극(132 및 136)(도 6c에서 106 및 112로 언급됨)을 포함한다. 제 1 및 제 2 그리드(102 및 110)는 각각의 그리드 피드스루(126a 및 126b)에 실장된다. 화학적 게터 펌프(118)는 게터 펌프 피드스루(120)에 장착되고 전력이 사용가능하지 않은 기간 동안 하우징(116)에서 진공을 유지하는데 사용된다. 진공 배기 팁오프(122)는 제조 사이클의 마지막에 생성되고 제조 설비로부터 하우징(116)을 실 오프(seal off)하는데 사용된다. 도 6a, 도 6b에 도시된 전자관(168) 및 도 6c, 도 6d에 도시된 전자관(162)은 실질적으로 높은 동작 전압을 위해 설계되므로 도 6e에 도시된 전자관과 상이한 종횡비를 갖는다.

도 6f는 Bi-tron(162) 또는 Pulsatron(168) 전자관에 대한 접속의 인덕턴스를 낮추고 전형적으로 6;1일 수 있는 인자에 의해 스위치의 상승 시간을 감소시키는 오목관 소켓(142)을 도시한다. 이 관 소켓(142)은 다른 회로 구성으로 성공적으로 집적될 지라도 병렬 플레이트 전송 라인과의 사용을 위해 주로 설계된다. 오목관 소켓(142)은 도 6e에 도시된 전기 절연된 하우징(116)의 2개의 종단부를 각각 둘러싸는 동일한 도전성 탑햇 형상 부재(144 및 146)를 포함하는 것이 바람직하다. 각각의 도전성 탑햇 형상 부재(144 및 146)는 외부 회로에 접속하기 위한 각각의 림(144a 또는 146a)을 갖는다. 전기 절연된 하우징(116) 내의 회로로부터 부재(144 및 146)로의 전기적 접속은 도 6g에 도시된 바와 같이 달성될 수 있다. 그 도면이 예시된 바와 같이, 부재(144)의 도전성 탭(150)은 장착 스크류(151)에 의해 음양극 커넥터(138)와 상호 접속된다. 도전성 탭(150)은 제 1 또는 제 2 음양극 커넥터(134 또는 138)에 접속된다. 또한, 도전성 장착 탭(150)과 장착 스크류(151)의 조합은 탑햇 형상 부재(144 또는 146)와 전자관(162 또는 168) 사이에 기계적 상호접속을 제공한다. 도전성 장착 탭(150)은 도전성 탑햇 형상 부재(144 및 146)의 상부에 용접되는 것이 바람직하다. 탑햇 형상 부재(144 및 146)에서의 각종 클리어런스 구멍(예컨대, 147) 및 슬롯(예컨대, 149)이 전자관(162 또는 168) 상의 그리드 피드스루(126) 등의 전기적 접속을 수용하기 위해 요구되는 것은 당업자에게 명백해질 것이다.

림(144a 및 146a)은 그 사이에서 플래시오버를 방지하기 위해 서로 이격되어 있다. 필요하다면, 이하에 기재되는 추가적인 절연체(212)(도 10)는 스위치에 대한 접속의 인덕턴스를 더 낮추는 림 사이에 위치되어 스위치의 상승 시간을 감소시킬 수 있다.

도 7은 통상 DC 전압으로 도전 경로에서 NEMP 또는 NNEMP를 보호하는 제어 회로를 갖는 전류 전환 경로(154)를 제공하는 DC 역치 검출 회로(152)를 도시한다. 경로(154)는 Pulsatron 관 및 결합된 제어 회로로 공지된 고전압 냉음극 전계 방출 트리오드(168)를 구비한 단방향 스위치를 포함한다. 관(168)은 정상 라인 전압 플러스 수용가능한 초과 전압에서 스탠드오프 조건(즉, 도전되지 않음)에 바이어싱된다. 초과 전압값이 초과될 때 역치 검출 회로(152)는 전류 전환 경로(154)를 생성하기 위해 관(168)을 전도하게 한다.

특히, 도 7에서 관(168)은 전압 분배기를 형성하는 저항(R1 및 R2)으로 이루어진 네트워크에 의해 셧오프로 바이어싱된다. 저항(R1 및 R2)은 라인 상의 전압에 비례하는 그리드 전압을 확립한다. 관은 부착되는 전송 라인의 극성에 대해 적절히 오리엔트된다. 부극성 라인이 개략적으로 도시되어 있다. 저항(R1)은 비교적 낮은 값 저항이고 저항(R2)은 비교적 높은 값 저항이다. 이것은 음극 전위 근방에 그리드를 위치시킨다. 이 관계는 도 8a ~ 도 8b와 관련하여 이하에 기재된 Pulsatron 및 Bi-tron 회로에서 유지되며; 이 도면과 관련하여, 참조 홀수(즉, 1, 3 및 5)를 갖는 저항은 참조 짝수(즉, 2, 4 및 6)를 갖는 전압 분배기 네트워크에서의 관련된 저항에 대해 낮은 값을 갖는다. 또한, 참조 홀수를 갖는 저항은, 개략적으로 도시된 바와 같이, 조정가능한 저항인 것이 바람직하다. 특정값은 회로가 동작하는 전압에 의존한다. 커패시터(C1)는 라인 전압이 단기간 동안 낮아지면 제어 전압을 유지하는데 사용된다. 또한, 이것은 도 8a ~ 도 8b의 커패시터(C2 및 C3)에 해당된다.

도 7을 참조하면, 라인(158) 상의 전압이 역치 레벨을 초과해서 상승되는 경우 전압 분배기(R1-R2) 네트워크에 의해 확립된 밸런스가 업셋되어 관(168)은 전도를 개시한다. 역치 레벨은 보호된 전기 부품을 포함하는 도전 경로(도시되지 않음)에서의 NEMP 또는 NNEMP의 존재가 그러한 전기 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만드는 펄스 전에 검출되도록 선택된다. 따라서, 관(168)을 갖는 전류 전환 경로(154)는 펄스가 전기 부품에 도달해서 동작 불능 상태로 만들 수 있기 전에 전기 부품에 대하여 저인덕턴스 고전류 용량 회로를 갖는 보호된 전기 부품 주위에서 NEMP 또는 NNEMP를 전환시킨다.

도 8a는 통상 AC 전압으로 도전 경로에서 NEMP 또는 NNEMP를 보호하는 제어 회로를 갖는 전류 전환 경로(160)를 도시한다. 그러나, AC 회로에서 동작시키기 위해 도 7의 단방향 Pulsatron 관(168)보다는 오히려 양방향 Bi-tron(162)이 사용된다. 회로의 양방향 형태를 수용하기 위해 제 2 전압 분배기(R3~R4) 및 커패시터(C2)가 포함된다. 도 7과 관련하여 설명된 바와 같이 보호된 부품으로부터 떨어져서 NEMP 또는 NNEMP의 검출 및 전류의 전환의 동작은 AC 동작을 수용하는 제어 네트워크의 중복을 제외하고 도 8a에 적용된다.

또한, 도 8a는 회로의 접지 레그에서의 고속 전류 션트(164)를 도시한다. 이 션트는 Bi-tron(162)이 도전될 때 출력을 제공한다. 노드(166) 상의 이러한 출력은 EEMP 이벤트의 시스템 조작자를 어드바이스하거나 다른 보호 회로를 트리거하는 수단으로서 사용될 수 있다.

도 8b는 바람직한 제어 회로(167)를 도시한다. 회로(167)는 도 8a와 유사하지만, GIC를 검출하기 위한 GIC 검출 회로(169)를 도시한다. GIC 검출 회로(169)는 Pulsatron(168)과 함께 전압-분배기 네트워크(R5~R6) 및 커패시터(C3)를 포함한다. GIC는 전류가 접지 경로를 통해 상부로 흐르게 할 때 전류 션트(164)를 가로지르는 전류는 전류의 크기 및 그 시간적 파형에 비례하는 전압을 일으킨다. 그러한 전압은 Pulsatron(168)을 도전으로 트리거한다.

Pulsatron(168), 그 다음 Bi-tron(162)을 순차적으로 온하는 것은 도 7 및 도 8a의 EMP 감지 프로세스보다 길게 걸리므로 속도는 Pulsatron(168)을 위한 제어회로로 검출되는 GIC의 느린 상승 시간으로 인하여 중요하지 않다. 도 7의 커패시터(C1) 및 도 8a의 커패시터(C1 및C2)와 관하여 커패시터(C3)는 "킵 얼라이브(keep-alive)" 기능을 수행한다.

도 8a 및 도 8b의 전류 션트(164)가 도 8c ~ 도 8g와 관련하여 이제 설명될 것이다. 도 8c는 외부 회로의 접지 경로로의 접속을 위한 접속 구멍(170a)을 갖는 편평한 도전 금속 스트랩(170)으로 이루어진 고속 전류 션트(164)를 도시한다. 금속 스트랩(170)은 구리로 제조되거나 적어도 상용 등급 구리와 같이 도전율을 갖는 것이 바람직하다. "상용 등급"은 94 질량 퍼센트 이상의 구리로 정제된 구리를 의미한다. 구리 스트랩(170)은 완전히 라디우스된 단부(170b)와, 도 8a 및 도 8b에도 도시된 노드(172)의 각각의 접속을 위한 구멍(170a), 및 접지(20)를 갖는 것이 바람직하다. 구멍(170a)은 전기적 접속 목적을 위해 제공된다. 바람직하게는, 구리 스트랩(170)의 에지가 디버되어 라디우스된다. 전류 션트(164)는 100,000 Amp를 초과하여 펄스 전류를 측정하는 능력을 갖는다.

또한, 도 8c는 규정된 전류 측정 영역(171)의 듀얼 단부에서의 구리 스트랩(170)에 바람직하게 은 납땜되는 테이퍼진 평행 플레이트 전송 라인 매칭 변압기(174)를 도시한다. 전송 라인(174)에서의 플레이트(174a 및 174b)의 협단부는 50ohm 동축 케이블(176)의 단부(173)에 은 납땜되는 것이 바람직하다. 동축 케이블(176)은 측정 영역(171)을 가로질러 대량의 전류로부터 발생되는 고전압을 취급하기 위해 직경에 있어서 적어도 대략 1/2-인치(12.77 mm)이어야 한다. 증가하는 양의 전류는 션트(164)의 측정 영역(171)에 의해 생성되는 증가된 전압을 취급하기 위해 점진적으로 큰 직경의 동축 케이블의 사용을 강제한다. 금속 스트랩(170)의 접속 접합에서의 플레이트(174a 및 174b) 각각의 폭은 그 폭이 스트랩(170) 폭의 0.9 내지 1.1배에서 변경될 수 있을 지라도 대략 동일할 것이 바람직하다.

상부 플레이트(174a)의 길이와 편평한 금속 스트랩(170)의 폭의 비는 대략 10 내지 1인 것이 바람직하다. 낮은 비는 임피던스 미스매칭을 증가시킨다. 10 내지 1보다 실질적으로 큰 비를 가지면 과도하게 크고 다루기 힘든 구조를 초래한다. 또한, 플레이트(174a 및 174b)는 협단부로부터 광단부로의 각종 테이퍼를 가질 수 있다. 예컨대, 가장 간단한 테이퍼는 직선 라인이며 플레이트는 정삼각형과 비슷하다. 바람직한 테이퍼는 뮤지컬 트럼본의 벨(또는 출력 오리피스)의 곡선과 비슷한 이전 정삼각형의 지수적으로 변화하는 측을 갖기 위해 더 복잡하다.

도 8d는 구리 스트랩(170), 전송 라인(174)의 상부와 하부 플레이트(174a 및 174b), 및 절연체(178a 및 178b)의 측면도를 도시한다. 그러한 절연체(178a 및 178b)는 예시를 명백히 하기 위해 도 8c로부터 생략된다. 절연체(178a)는 구리 스트랩(170)의 접합부 및 상부 플레이트(174a)의 광단부로부터 동축 케이블(176)의 중심 절연체(177)(도 8e)에서의 슬롯(188)의 단부까지 전체 길이 아래의 제 1 플레이트(174a)로 연장된다. 슬롯(188)(도 8e)은 단락 회로가 중심 도체(182)와 동축 실드(186) 사이에서 형성되는 것을 방지하기 위해 전자를 위한 가시 라인 경로를 제거하는 기능을 한다. 절연체(178b)는 구리 스트랩(170)의 접합부 및 하부 플레이트(174b)의 광단부로부터 그러한 플레이트 아래에서 하부 플레이트(174b)의 최소 1/2 길이로 연장되는 것이 바람직하다.

도 8e는 동축 케이블(176)에 접속된 테이퍼진 평행 플레이트 전송 라인(174)을 도시한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 동축 케이블(176)의 중심 도체(182)는 플레이트(174a)의 상측에 납땜된다(짙은 검정 영역으로 도시됨). 유사하게도, 실드를 형성하는 와이어의 브레이드(braid)의 확대도로 도시된 동축 케이블 실드(186)는 하부 플레이트(174b)의 하측에 납땜된다(짙은 검정 영역으로 도시됨). 바람직하게는, 이전 땜납 접속은 대략 5 질량 퍼센트를 초과하는 은 함량을 갖는 은 땜납을 사용하여 이루어진다.

도 8f는 중심 도체(182)에 바람직하게 은 납땜된 상부 플레이트(174a) 및 동축 케이블(176)의 실드(186)에 바람직하게 은 납땜된 하부 플레이트(174b)를 갖는 전송 라인(174)을 도시한다. 상술한 바와 같이, 절연체(178a)는 케이블(176)의 중심 절연체(177)에서의 슬롯(188)으로 삽입된다.

도 8g는 케이블(176)에서의 중심 도체(182)에 은 납땜된 제 1 플레이트(174a)를 도시한다. 절연체(178a)는 제 1 플레이트(174a)로부터 돌출된 것으로 보여질 수 있다.

도 8c ~ 도8g의 이전 전류 션트(164)는 기능적으로 교환되는 상부 및 하부 플레이트(174a 및 174b)로 배열될 수 있다. 이것을 시각화하기 위해 이전 논의에서 상부 플레이트(174a)는 "핫" 도체이고 하부 플레이트(174b)는 "접지" 도체이다. 대체 버전에서, 이들 기능은 상부 플레이트가 접지 도체가 되어 동축 케이블(176)의 실드(186)에 부착되고 하부 플레이트가 핫 도체가 되어 동축 케이블(176)의 중심 도체(182)에 부착되도록 교환된다. 이 구성에서, 절연체(178b)는 이제 동축 케이블(176)의 슬롯(188)으로 삽입된다.

당업계에 잘 공지된 바와 같이, 고주파수 전기는 표피 효과로 공지되어 있는 프로세스에서의 도체의 표피에서 이동한다. 표피 효과는 고속 펄스 전류의 직접 측정에서 무시될 수 없고, 수학적 보상은 전류의 정확한 측정을 추출하기 위해 요구된다. 전류 션트는 전류 측정 영역에 걸쳐 드롭하기 위해 전압의 함수로서 전압을 전류로 변환한다. 측정기에 대한 전류 측정 영역의 적절한 임피던스 매칭이 주의되어야 한다. 이전 관심은 상기 테이퍼진 평행 플레이트 전송 라인 매칭 변압기의 편입에 의해 어드레스된다.

전류 션트 출력은 저항에 관한 표피 효과로 인한 고주파수 동작을 위해 정정될 수 있다. 직사각형 단면 션트의 표피 깊이 정정(및 주파수의 함수로서의 임피던스)의 식은 잘 공지되어 있고, 본 전류 션트에 적용되는 바와 같이 다음과 같다:

여기서:

Z = 전류 측정 영역의 임피던스 171

I_th = 전류 측정 영역의 길이 171

w = 도전성 스트랩 폭 170

t = 도전성 스트랩 두께 170

f = 주파수(상승 시간)

μ = 도전성 스트랩의 투자율(H/m) 171

σ = 도전성 스트랩의 도전율(1/Ω-m) 171

Note: 공기중에서 동작하는 구리 션트를 위해 투자율은 1로 취해진다.

오옴의 법칙은 전류를 결정하기 위해 적용된다(저항에 대한 Z값을 사용하는전압/저항 = 전류). 물론, 확립된 방법에 의해 상승 시간을 주파수로 변환하는 것이 필요하다.

도 9는 한 쌍의 보호된 전기 부품(190 및 192)과, 보호 디바이스(194a 및 196a)를 포함하는 결합된 전류 전환 경로(194 및 196) 및 바람직하게는 한 쌍의 상시 폐쇄 직렬 스위치(198a 및 198b)를 도시한다. 부품(190 및 192)은 예로서 변압기 또는 발전기의 권선일 수 있다. 전류 전환 경로(194 및 196)에서의 보호 디바이스(194a 및 196a)는 도 2b의 보호 디바이스(37)의 예이다. 보호 디바이스(194a 및 196a)에서의 상시 개방 스위치는 EEMP 이벤트의 검출에 따라 폐쇄된다. NEMP 및 NNEMP 이벤트는 바람직하게는 제어 회로(167a 및 167b)(도 8b에서 167 참조)에 의한 전압으로서 검출되고, GIC 이벤트는 도 9에 도시된 바와 같이 제어 회로(167a 및 167b)와 관련하여 동작하는 전류 션트(164a 및 164b)에 의한 전류로서 검출된다.

적당한 전압 또는 전류 입력을 수신함에 따라 제어 회로(167a)는 제어 신호를 출력해서 상시 폐쇄 스위치(198a)를 활성화시킨다. 마찬가지로, 적당한 전압 또는 전류 입력을 수신함에 따라 제어 회로(167b)는 제어 신호를 출력해서 상시 폐쇄 스위치(198b)를 활성화시킨다. 제어 회로(167a 및 167b)로부터의 제어 신호에 따른 상시 개방 스위치의 폐쇄는 디바이스(194a 및 196a)가 권선(190 및 192)에서의 자계를 콜랩스하게 하고, 전류 전환 경로(194 및 196)를 각각 생성한다. 또한, 보호 디바이스(194a 및 196a)에서의 스위치는 라인 전압의 두 사이클만의 EEMP의 검출 후의 소정 시간 후에 상시 폐쇄 스위치(198a 및 198b)의 개방을 트리거하는데 사용되는 출력을 생성한다. 이것은 보호된 부품(190)으로부터 단락 회로를 제거하기 위한 것이다. 화살표 200은 전류 전환 경로(194 및 196)에서의 EEMP 이벤트에 의해 생성되는 전류의 순환 경로를 도시한다. 이전 전류의 방향은 EEMP 이벤트 시에 회로의 순시 극성에 의존하고, 도시된 바와 같이 화살촉의 방향일 수 있다. 도 9의 상시 폐쇄 스위치(198a 및 198b)는 Bi-tron(44 또는 162)을 포함하는 적당한 전압, 전류, 및 응답 시간 레이팅을 갖는 어떤 타입의 스위치일 수 있다(도 2c or 도 6e).

도 10은 Y자 접속 전기 부품을 전기적 개략도인 도 8b의 바람직한 실시형태인 완존한 EEMP 보호 디바이스(204)를 도시한다. 디바이스(204)는 2개의 타입의 내부 진공 펌프를 갖는다. 첫번째는 화학적 게터 펌프(118)이다. 이것은 항상 작용한다. 두번째는 최대 도전율의 개방 구성인 종래 디자인의 이온 펌프(206)이다. 도 10의 인접한 스위치 관(162) 또는 스위치 관(168)(도시되지 않음)에서 전자 궤적과의 간섭을 방지하는 내부 자기 실딩(208)이 존재한다. 이온 펌프(206)가 동작을 위해 소량의 전기를 필요로 하는 한 진공이 인클로저에서 항상 적절히 유지되는 것을 보장하는 것은 중요하다. 화학적 게터 펌프(118)는 선적, 설치, 유지 또는 정전 등 전기가 이용가능하지 않을 때 진공을 유지한다.

오목관 소켓(142) 내측에 장착된 스위치 관(162 또는 168)은 진공 하우징(81) 내에 포함된다. 탑햇 형상 소켓(144 및 146)은 절연체 벽(212)에 의해 분리된다. 이 벽(212)은 2개의 소켓(144 및 146) 사이에 전기적 절연을 제공하는 듀얼 목적을 서빙함과 동시에 관(162 또는 168) 및 오목관 소켓(142)을 위한 기계적 장착 수단을 제공한다. 바람직한 제어 회로(167)는 관(162 및 168)의 전극에 접속된다. 전기 접속 리드 중 하나(210a)는 절연된 피드스루 관(210)을 빠져 나가서 절연된 벽(212)의 타측 상의 스위치 관(162 또는 168)의 전극으로의 절연된 전기적 접속을 허용한다.

스위치 관(162 또는 168)과 관련하여, 일실시형태는 하우징(116)(도 6e) 등의 개별 진공 하우징에서 그러한 관(162 또는 168)을 갖지 않는 개념을 포함한다. 그 대신에, 관은 개방 하우징으로 구성되고, 동작에 필요한 진공을 유지하지 않고 진공 시스템(206)을 사용한다.

도 5d에 먼저 기재된 절연된 접지 도체(80)는 하우징(81) 내측으로 터미네이트된 일단부를 갖는다. 접지 도체(80)는 2개의 기능을 서빙할 수 있다: Y자 구성에서 권선을 갖는 전기 부품에 사용될 때 그것은 상기 시스템의 전체 중량을 지지함으로써 EEMP 보호 디바이스(204)를 위한 기계적 지지를 제공하고, 동시에 동작 동안 전류 전환 경로를 완료하기 위해 저인덕턴스 경로를 접지(20)에 제공한다. 접지 접속 수단은 전류 션트(164)(도 8c ~ 도 8g)를 통해 회로의 밸런스에 접속된다.

사용을 위해 EEMP 보호 디바이스(204)를 접속하는 2개의 방법이 존재한다. 그것은 3상 회로를 위한 이하의 2개의 표준 배선 스킴에 관한 것이다: 도 4a의 Y(60) 및 도 4b의 델타(68). 이 도면은 각각의 배선 방법을 도시하고 먼저 기재되어 있다. 도 11은 델타 구성 변압기(220)의 접속 중 한 세트를 도시한다. 변압기(220)의 권선을 위한 터미네이션은 부싱(222a, 222b, 및 222c)으로 제공된다. 3개의 EEMP 보호 디바이스(204)는 사이드 바이 사이드(side by side)로 위치되고 변압기(220) 권선의 단상을 구성하는 각 쌍의 단자 사이에서 각 디바이스(204)를 위치시키도록 배선된다. 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 디바이스(204a)는 부싱(222a 및 222b)에 접속되고, 디바이스(204b)는 부싱(222b 및 222c)에 접속되고, 디바이스(204c)는 부싱(222c 및 222a)에 접속된다. 이것은 도 4b의 변압기 권선 구성(68)에 대응한다.

전력 시스템의 보호를 위해, 각 상 접속에 대한 변압기에 물리적으로 인접하여 설치된 EMP 보호 디바이스(204)로 전력 시스템의 제 1 및 제 2 변압기를 보호하는 것이 필요하다. 발생기 자체에 물리적으로 인접하여 설치된 각 상 접속에 대한 EMP 보호 디바이스로 전력 시스템의 발생기를 마찬가지로 보호하는 것이 더욱 필요하다. 경제적 또는 다른 이유를 위해 EMP 보호 디바이스는 전력 시스템의 모든 변압기 및 발생기보다 적게 사용될 수 있다.

본 발명이 예시에 의해 특정 실시형태에 대하여 기재되었을 지라도 당업자는 다수의 수정 및 변경을 생각한다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범위 및 정신 내에 있으므로 모든 그러한 수정 및 변경을 커버하는 것이 이해되어야 한다.

Claims (39)

1. a) 스트랩을 통해 전류를 수신하는 외부 회로로의 접속을 위한 상기 스트랩의 각 단부에 제 1 전극 및 제 2 전극을 갖고, 상기 스트랩의 길이를 따라 제 1 선형 위치로부터 제 2 선형 위치로 연장되는 규정된 전류 측정 영역을 갖는 편평한 도전 금속 스트랩, 및
   b) 테이퍼진 평행 플레이트 전송 라인 임피던스-매칭 변압기를 포함하고;
   상기 변압기는,
   i) 서로에 대하여 형상에 있어서 테이퍼지고 광단부 및 협단부를 갖는 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트를 포함하고; 각각의 테이퍼진 플레이트는 상기 금속 스트랩 폭의 10배의 길이를 갖고;
   ii) 상기 제 1 플레이트는 그 광단부에 있어서 땜납에 의해 상기 규정된 측정 영역의 제 1 선형 위치에 부착되고, 상기 제 2 플레이트는 그 광단부에 있어서 땜납에 의해 상기 규정된 측정 영역의 제 2 선형 위치에 부착되며;
   iii) 중심 도체를 갖는 동축 케이블은 땜납에 의해 상기 제 1 플레이트의 협단부에 부착되고, 실드는 땜납에 의해 상기 제 2 플레이트의 협단부에 부착되는 것을 특징으로 하는 고속 전류 션트.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 땜납은 5질량 퍼센트를 초과하는 은 함량을 갖는 은납이상의 도전율을 적어도 갖는 것을 특징으로 하는 고속 전류 션트.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 금속 스트랩은 94질량 퍼센트 이상의 구리 함량을 갖는 상용 등급 구리이상의 도전율을 적어도 갖는 것을 특징으로 하는 고속 전류 션트.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 스트랩의 접합부 및 상기 제 1 플레이트의 광단부로부터 상기 제 1 플레이트의 협단부를 넘어서 연장되는 제 1 플레이트 아래에, 그리고 상기 동축 케이블의 중심 도체 아래에 그리고 상기 중심 도체와 평행한 종방향 길이를 따라 연장되는 슬롯내에 제 1 전기 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 전류 션트.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 플레이트의 길이의 1/2이상인 동축 케이블을 향하는 방향으로 상기 스트랩의 접합부 및 상기 제 2 플레이트의 광단부로부터 연장되는 제 2 플레이트 아래에 제 2 전기 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 전류 션트.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 각각의 테이퍼진 플레이트의 폭은 상기 편평한 금속 스트랩 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 고속 전류 션트.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 동축 케이블의 임피던스는 50ohm인 것을 특징으로 하는 고속 전류 션트.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 동축 케이블의 직경은 12.77mm 이상인 것을 특징으로 하는 고속 전류 션트.
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