High-speed current shunt

関連出願への相互参照 本出願はカーティス・エー・バーンバックによる電磁パルス保護のための方法および装置と題する２００８年９月１９日付米国特許出願第６１／１９２，５９１号から優先権を主張する。

発明の分野 本発明は，例えば核爆発や太陽嵐などにより発生する超常電磁パルス（EEMP）が電力発電系および送電系の電気部品に到達して動作できないようにするのを防止するための方法および装置に関連する． さらに詳しく説明すると，超常電磁パルス（EEMP）は電力系の部品に到達してこれを動作できなくする十分な強度を備えた核爆発（NEMP）や、非核電磁パルス（NNEMP）で発生するような、集合的にEMPと呼ばれるトランジェント・パルス、または太陽嵐によるコロナ質量放出の結果としての地磁気誘導電流（GIC）と定義される。 本発明のさらなる態様はGICパルスの検出に使用することができる高速電流シャントに関連する。

発明の背景 現代社会に対する電力系の重要な性質は十分に認識されている。 例えば、電磁パルス（EMP）攻撃による米国に対する脅威評価委員会の報告によると、重要な米国内インフラストラクチャについて、米国政府印刷局、２００８年４月では、１７ページで以下のように述べている。

社会の機能と経済は電力の可用性に極めて強く依存している。 米国社会の基本的に全ての側面が機能するために電力を必要としている。 現代の米国社会は３億近い米国人の要求に電気無しで応えるような構造もなければそのような手段も持ち合せていない。 継続的な電力供給が水道の供給、食物の生産と配送、燃料、通信、また米国経済の一部をなすその他全てを維持するために必要とされる。 究めてタイトな周波数限界内での継続的で、信頼性のある電力供給は米国と大半の開発途上国の継続的な存在と成長に必須の要素である。

前述の委員会報告ではさらに核爆発による電磁パルスによる電力供給システムへの攻撃の脅威についても議論し地磁気嵐に由来する電力供給システムへの自然発生的な脅威についても言及している。 委員会報告ページ１８。 本明細書で用いている、電力供給システムは電力を発生させるシステム、その電力を短距離から長距離にわたって伝送するためのシステム、およびその電力をエンドユーザに分配するシステムを意味する。

公開されている経験的データに基づくと、EMPイベントは電力供給システムの様々な機器を動作不能に陥らせることがあることが一般に受け入れられている。 このような電気装置のうちの２つ、電気を発生させる発電機と電力の伝送又は配分に必要な電圧レベルまで昇圧又は降圧するための変圧器が明らかに重要である。 発電機又はトランスが動作を停止すると、電力系は停電し我々の知っている社会は終息する。 どちらの装置も建造には長い準備期間が必要（変圧器では３〜５年、発電機では１０年まで）で、これは電力需要が正常の場合すなわち予想される製品寿命の後で故障が発生した場合である。 しかし、EMPイベントに起因する早期の故障のため発電機と変圧器に対する需要が高まると、建造に必要な準備期間がさらにまた劇的なまでに増加する。

よって、電力供給システムの機器に様々な種類のEMPが到達し動作不能に陥らせるのを防止するための方法を提供することが望まれる。 各種のEMPとしては、核電磁パルスイベント（NEMP）による望ましくない過渡的電磁パルス、５００ピコ秒未満の立ち上がり時間を有しさらに前述したような電源供給システムの機器に到達して動作不能にするのに十分なフィールド強度（例えば２０ボルト／メートルを超える）を有するパルスを発生する非核電磁パルス（NNEMP）イベント、又は太陽嵐のコロナ質量放出に起因する地磁気誘導電流（GIC）、又はその他のEMPイベントがある。 これらのEMPは本明細書では超常電磁パルス（EEMP）と分類することにする。

従来技術における別の問題点としては、高速電流パルス例えばGICを正確に測定する方法に関連する。 従来技術の高速電流パルス測定方法はほとんど推論によるものである。 アメリカ国立標準技術研究所（NIST）は推論的測定ではなく可能であれば直接測定法を推奨している。 推論的測定技術に関連した数値計算では、生データの補正における誤差の確率を増加させ実際の測定に推論的に到達する。 これは必要とされる数値計算が複雑なためで、計算を単純化する傾向が存在し、この処理はほぼ必発で誤差の導入につながる。

高精度高速電流シャントを有する優位な３つの理由は以下の通りである。

１． 機器の製造をガイドしてEEMPイベントから電力系の電気部品を保護するリアルタイム・モニタリング手段を提供する。

２． 制御回路用に高速出力を提供する。

３． システムオペレータにEEMPイベントを通知する高速出力を提供する。

従って、高速電流パルス測定用の直接技術を提供するのが望ましい。

発明の要約 本発明の１つの態様では超常電磁パルスが電力供給システムの電気部品に到達してこれを動作不能にするのを防止するための方法および装置を提供し、電気部品はパルスを受電する電力供給システムの導電路上に位置するものとする。 本発明の方法および装置はパルスが電気部品に到達して動作不能にする前に導電路上でのパルスの存在を検出するステップ又は手段を含む。 パルスが電気部品に到達してこれを動作不能にする前に電気部品に対して低インダクタンス大電流容量回路を用いて電気部品から迂回させる。

前述の方法および装置は各種のEEMPが電力供給システムの各種機器に到達して動作不能にするのを防止する。

本発明の別の態様では高速電流シャントを提供し、当該シャントは画成された電流測定領域を有する平たい導電性金属ストラップと、電流測定領域に接続されたテーパー状の平行プレート伝送線マッチング・トランスと、同軸ケーブル経由の出力とを有する。

前述の電流シャントは有利にも高速電流パルスの直接測定技術を提供し、前記第１の発明で使用することができる。

図面において同様の参照番号は同一の部材を参照する。

図１ＡはＡＣ電力伝送グリッドの一部の模式図を示す。 図１Ｂは核又は非核電磁パルスを受電する図１Ａのグリッドを示す。 図１Ｃは地磁気誘導電流パルスを受電する図１Ａのグリッドを示す。

図２Ａは図１の簡略版で一部ブロック図にしてあり、変圧器から拡散するEMPの電流拡散経路の対と併せて伝送線から大地へ拡散していくEMPの電流拡散経路を示す。 図２Ｂは図２Ａの回路の部分を示す。 図２Ｃおよび図２Ｄは図２Ｂに図示してある電流拡散経路にあるスイッチの別の実装の略図である。 図２Ｅは核電磁パルス（NEMP）での電圧対時間波形を示し、電力供給系の電気部品からNEMPを拡散させるために使用するスイッチで望ましい立ち上がり時間に関連して示す。 図２Ｆは地磁気誘導電流（GIC）から立ち上がる超常電磁パルス（EEMP）の電流対時間は系を示す。

図３は本発明の１つの態様による電流拡散経路で使用する電力伝送グリッドの別の一部の略図である。

図４Ａおよび図４Ｂは本発明の１つの態様によるＹ接続巻線とΔ接続巻線およびこれに関連する電流拡散経路の略図をそれぞれで示す。

図５Ａは本発明の１つの態様による自己支持接地電極を備えた電流拡散経路の正面平面図である。 図５Ｂは図５Ａの構造に関連し電気的にまた水平に支持する接続装置の部分断面図である。 図５Ｃは図５Ｂに示してある矢印５Ｃ，５Ｃに沿ってみた図５Ｂの構造に関連し電気的にまた水平に支持する接続装置の部分断面図である。 図５Ｄは図５Ａの矢印５Ｄ，５Ｄに沿ってみた断面図を示す。

図６Ａと図６Ｂは本発明で使用することができる高電圧冷陰極電界効果型三極管の上部平面図とこれに関連する断面図の略図を示す。 図６Ｃと図６Ｄは図６Ａおよび図６Ｂと同様の略図で、双方向高電圧冷陰極電界効果型三極管を示す。 図６Ｅは双方向高電圧冷陰極電界効果型三極管の部分断面略側面図を示す。 図６Ｆは本発明で使用されるスイッチのリエントラント真空管ホルダとセラミック製筐体の側面斜視図を示す。 図６Ｇは図６Ｆの矢印６Ｇ，６Ｇに沿ってみた図６Ｆの双方向高電圧冷陰極電界効果型三極管からリエントラント真空管ホルダへの電気的および機械的接続に関する詳細部分断面図を示す。

図７は通常はＤＣ電圧のかかっている伝導路に於けるNEMP又はNNEMPに対する保護のための制御回路を備える電流拡散経路の電気的略図を示す。

図８Ａは通常はＡＣ電圧のかかっている伝導路に於けるNEMP又はNNEMPに対する保護のための制御回路を備える電流拡散経路の電気的略図を示す。 図８Ｂは通常ＡＣ電圧のかかっている伝導路に於けるNEMP、NNEMP、GICに対する保護のための制御回路を備えた電流拡散経路の電気的略図を示す。 図８Ｃは図示を簡略にする目的で省略されている絶縁を備える高速電流シャントの略斜視図を示す。 図８Ｄは絶縁を有する導電性金属ストラップおよびテーパー状プレートの拡大側面図を示す。 図８Ｅは同軸ケーブルに接続される伝送線のプレートの拡大斜視図を示す。 図８Ｆは図８Ｅに図示してある電気的接続と絶縁に関する部分断面拡大側面平面図を示す。 図８Ｇは図８Ｅに図示した相互接続とこれに関連した絶縁の１つの拡大上面平面図を示す。

図９は電力送電システムのいくつかの構成機器とこれに関連する電流拡散経路の電気回路図を示す。

図１０はＹ接続電気部品のための完全な電流検出および電流拡散装置の側面平面図を示す。

図１１はΔ接続電気部品への電流拡散装置の相互接続の略斜視図を示す。

図面の詳細な説明 図１Ａから図１Ｃは電力送電グリッドの代表的な部分を示し、またグリッドが受電する可能性のある超常電磁パルス（EEMP）の様々な種類を示す。

図１Ａは本発明によってEEMPから保護することが可能なＡＣ電力送電グリッド１０の一部を示す。 グリッド１０は送電鉄塔１４ａ，１４ｂから懸垂している送電線１２を含み、送電線の間隔は図示してあるよりも大幅に広いのが普通である。 変圧器１６、１８はそれぞれ送電線１２の両端に配置されるのが普通である。 それぞれの変圧器は例えばＹ接続３相変圧器の１相を含む。 それぞれの変圧器１６，１８の下側に図示してある電極はそれぞれ接地２０に接続されるように図示してある。 典型的には、それぞれの接地は地中に埋設した電気導体を含み、大地に対するより堅固な接続ができるようにしてある。 本発明の効果を増大する目的でいっそう堅固な接地を保証するためには、硫化銅の過飽和溶液などの導電性物質を地中に注入する。

図１Ｂには図１のグリッド１０が図示してあり、核電磁パルス（NEMP）又は非核電磁パルス（NNEMP）各種からなるEEMP２２を受電する送電線１２も図示してある。 パルス２２はこれに関連して矢印が図示してあり、パルスの移動する方向を示している。 送電線１２で受電した後、NEMP又はNNEMP２２は、それぞれが変圧器１６，１８と接地２０を含む２つの送電線２４又は２６のうちのどちらかに沿って流れる。 NEMP又はNNEM２２は通常変圧器１６，１８の電流処理能力を大幅に超えた電流を送電線２４又は２６に誘導することがあり、これによってNEMP又はNNEMP２２が変圧器から拡散するまで変圧器は動作不能に陥る。

図１Ｃでは図１のグリッドを示し、地磁気誘導電流（GIC）各種のうちのEEMPを送電線１２が受電している。 このようなパルスは参照番号２８で図示してありパルスの移動方向はこれに付随する矢印で示してある。 送電線１２で受電した後、GICパルス２８はそれぞれが接地と変圧器１６，１８を含む２つの送電線のうちのいずれかに沿って流れる。 GICパルス２８は変圧器１６，１８の電流処理能力を大幅に超えた電流を銅電路３０又は２３に誘導するのが普通で、これによってGICパルス２８が変圧器から拡散されるまで変圧器が動作不能に陥る。

図２Ａは図１の簡略版の図を示してあり、様々な電流拡散経路３６，３８，４０が示してある。 電流拡散経路３６，３８はそれぞれ変圧器１６，１８から電流を拡散させる。 オプションとして電流拡散経路４０はEEMPを受電した送電線１２の一部から電流を拡散させることにより送電線１２のその部分がEEMPによって作動不能に陥るのを防止する。 電流経路３６，３８，４０のそれぞれは、グリッド１０のそれぞれ関連のある電気部品に対して低インダクタンス大電流容量回路を構成するもので、これがスイッチ３７ａ，３９ａ，又は４１ａとして模式的に図示してある。 このように、EEMPがグリッドの電気部品を使用不能にする前に、EEMPを受電した変圧器１６，１８から、またEEMPを受電した送電線１２の一部から、EEMPを拡散することができる。

図２Ｂは図２Ａの電流拡散経路をさらに詳細に図示している。 電流拡散経路３６はスイッチ３７ａとスイッチコントローラ３７ｂから構成され詳細については後述するような保護装置３７を含む。 変圧器１６の上側ノード１６ａと経路３６の間の長さ４２は物理的に可能なかぎり短くするのが望ましく、これにより変圧器１６と電流拡散経路３６の間の距離４３を最小限にすることができる。 これは重要なことで、電流拡散経路３６の立ち上がり時間を十分高速にしておくと、損傷を与えるようなパルスが保護される電力供給システム構成ユニット（以下、単に「電気部品」と称する）に到達する前に拡散回路の経路が完成するようにしておく。 また、電流拡散経路３６と平行に真空コンデンサ（図示していない）を提供し、小さいトランジェントなどの普通のEMPを抑圧することも望ましい。 本明細書で説明するその他の電流拡散経路についてもこのことが当てはまる。

図２Ｃに図示してあるように、スイッチ３７ａはバイトロン４４として知られる双方向高電圧冷陰極電界効果型双方向電子管である。 「バイトロン」という名称は本発明の発明者によるものでその構造については後述する。 これ以外に、図２Ｄに図示してあるように、スイッチ３７ａは一対のバックツーバック接続高電圧冷陰極電界効果型三極管として実現することができる。 スイッチ３７ａ（図２Ｂ）の双方向性により接地２０に対する送電線１２回線電圧の極性と関係なくスイッチを投入することができる。 これにより送電線１２のＡＣ回線電圧の１／２周期までの間にスイッチ３７ａを投入する際の遅延を防止する。 スイッチ３７ａの双方向性はまた、図１Ｂにあるように、変圧器１６（又はその他の保護される電気部品）を下向きに通過するようにスイッチがEEMPを導通させるのに望ましく、又は図１Ｃにあるように変圧器１６（又はその他の電気部品）を上向きに通過するEEMPをスイッチが導通させるのに望ましい。

図２Ｃに図示してあるように、バイトロン４４の電極は第１と第２のカサノード１３２，１３６、第１と第２のグリッド１０２，１１０を含む。 図２Ｄに図示してあるように、高電圧冷陰極電界効果型三極管４５ａ，４５ｂのそれぞれで電極はアノード１００，グリッド１０２，カソード１０４を含む。

NEMP、NNEMP、GICから保護する上で、図２Ｃのバイトロン又は図２Ｄのバックツーバック接続高電圧冷陰極電界効果型三極管のどちらかがＡＣ送電線に適用するのと同様にＤＣ送電線に等しく適用可能である。 これはGICパルスに対するEMPの電流が流れる方向の差によるもので図１Ｂおよび図１Ｃに図示したとおりである。 またこれには双方向スイッチング手段が必要である。 両方のスイッチとも１００ピコ秒未満の立ち上がり時間を有するのが好ましく、これによりNEMPやNNEMPから保護することができるようになる。 優位に遅い立ち上がり時間を有するスイッチはNEMPやNNEEMPを抑圧するのには有効ではない。 立ち上がり時間が遅いと保護される電気部品が損傷を被る確率が増加する。

図２Ａおよび図２Ｂに図示してあるように、電流偏向経路３６での適切なスイッチ３７ａにはいくつかの設計上の要件が存在する。 EEMPが例えば図２Ａの変圧器１６，１８など保護される電気部品を動作不能にする前に投入される必要がある。 またEEMPで典型的な大電流を処理する必要がある。 図２Ｅと図２Ｆはそれぞれ核電磁パルス（NEMP）の典型的な波形と地磁気誘導電流から発生するEEMPのそれを図示している。 これらの図面を提示したのは、スイッチ３７ａと３９ａの要件を考量すること、またこうしたパルスから保護しようとする電気部品の付近でEEMPを偏向するために本明細書で説明しているのと同様なスイッチを考慮することためである。

図２ＥはNEMP４６を示し、また当該NEMPのシーケンシャルな段階４６ａ、４６ｂ、４６ｃも示す。 ステージ４６ａの間には、たとえばNEMP４６が立ち上がり、１００ピコ秒未満の時間で電場強度で２０ボルト／メートルを十分に超える大きさになる。 このように高速な立ち上がり時間で２０ボルト／メートルに等しいか又はこれより大きな振幅のパルスは、NEMPであってもNNEMPであっても、これから保護しなければならない。 立ち上がり時間が１００ピコ秒未満のスイッチング手段を使用してNEMP４６又はNNEMP（図示していない）により電気部品が動作不能に陥るのを防止する必要がある。 受け入れ可能な立ち上がり時間４７は約８０ピコ秒である。 １００ピコ秒より有意に長い立ち上がり時間では、保護しようと企図している機器が損傷を受ける可能性が高い。 この可能性は立ち上がり時間が長くなるほど増大する。

図２Ｅに図示したNEMP波形は、EMPとして、またさらに特定すればNEMPおよびNNEMPとして、共通に知られる波形のクラスの代表的構成要素である。 これらの波形はそれぞれユニークなものだが、集合的には重要な共通の特性、例えば高速の立ち上がり時間などを共有している。 NEMPとNNEMPは共通の特性（例えば立ち上がり時間）を共有しており、本発明の観点から保護される電気部品は識別不可能であることを認識するのが重要である。

図２ＦはGICパルスから発生するEEMP４８の電流対時間波形を示し、これはフィンランドで１９９９年１月１３日に発生したGICの実際の記録である。 図２Ｆから、波形は電力供給システムの潜在的に損傷を与えるトランジェントを誘導することが可能であると理解できる。

図３は例えばΔ接続３相回路に見られるように接地に対して浮遊（フロート）している入力又は出力を有するような保護しなければならない電気部品を示す。 つまり、図3は出力線５０ａと５０ｂにＡＣ出力が発生する発電機５０と、左側に図示した巻線が線５０ａと５０ｂに接続され、出力巻線が出力線５２ａと５２ｂに接続されている変圧器５２とを示す。 線５０ａ、５０ｂ、５２ａ、５２ｂは全て接地２０に対して全てフロートしている。 変圧器５２は例えば３相Δ接続巻線のうちの１相を含む。

図３において、電流を誘導する経路５４は発電機５０を保護する一方、電流を誘導する経路５６が変圧器５２の左手に示した一次巻線を保護する。 オプションとして、電流を誘導する経路５８が接地２０を通して線５０ｂの電流を消費する経路を提供することができる。 前述した電流を誘導する経路は例えば図２Ｂの経路３６などの電流を誘導する経路の前述の説明と一致する。 経路５８は、２つの電流を誘導する経路によって発生する循環するエネルギーを接地に対して消費することが可能であることから、特に望ましい。

図４ＡはＹ接続変圧器巻線６０ａ，６０ｂ，６０ｃの一方の側６０を示す。 それぞれの巻線６０ａ，６０ｂ，６０ｃは、本発明の１つの態様により、これらに関連する電流誘導経路６２，６４，又は６６によってシャントされる。 経路６２，６４，６６はそれぞれバイトロン構成の双方向スイッチとして簡略化したかたちで図示してあるが、後述する制御回路を用いてバイトロン・スイッチを動作させることになる。 この変圧器のＹ接続の側６０において、巻線およびこれに付随する電流誘導経路のそれぞれの一端が接地２０に接続される。

図４ＢはΔ接続変圧器巻線６８ａ，６８ｂ，６８ｃの一方の側を示す。 それぞれの巻線６８ａ，６８ｂ，６８ｃは、本発明の１つの態様により、これに関連する電流誘導経路７０，７２，又は７４によりシャントされる。 経路７０，７２，７４はそれぞれバイトロン構成の双方向スイッチとして簡略化したかたちで図示してあるが、後述する制御回路を用いてバイトロン・スイッチを動作させることになる。 この変圧器のΔ接続の側では、巻線又は付随する電流誘導経路の両方でどの端子も接地（図示していない）に接続されない。

図５Ａと図５Ｂは例えば図４Ａにおいて電流誘導経路６２，６４，又は６６を実装するためにＹ接続巻線の場合に使用される電流誘導経路７８を示す。 経路６２，６４，６６と同様に図５Ａの電流誘導経路７８は接地２０に接続される。

図５Ａにおいて電流誘導経路７８は電気的に絶縁され縦方向に支持される接地導体８０、真空筐体８１、電気的に絶縁され横方向に支持される、電力送電グリッドの導体８４への接続装置８３を含む。 詳細に後述するように、真空筐体８１は例えば図２Ｂで模式的に参照番号３７ａとして図示したようなスイッチと、EEMPを検出するための回路を一緒に含むのが望ましい。 絶縁接地導体８０は縦方向に自己支持体とし下端が図示したように機械的に機械的支持８８に固定されるのが望ましい。

図５Ｂおよび図５Ｃは図５Ａの電気的また水平方向支持の接続装置８３の好適な構造をさらに詳細に示したもので、この部材により真空筐体８１内部で導体８４からEEMP検出回路への導電経路長を最小にする。 そのため、これによって筐体８１内部のスイッチの立ち上がり時間が減少する。

筐体８１はオプションとしてケブラー又は同様なアラミド線維ジャケット８２で被覆し環境的危機例えば砂嵐に対して、また弾丸で射撃された場合に筐体８１の抵抗性をいっそう強めるように、誘電材料を含むのが望ましい。 電力導体８４への接続は金属性コネクタ・アセンブリ８６を用いて行い、金属接続部分８６ｅが例えば位置８６ａで筐体８１に真空封止される。 金属コネクタ・アセンブリ８６は導体８５をクランプするためのクランプ８６ｂ，８６ｃ，８６ｄを含み、クランプは一般にＶ字状の溝８６ｆの内部に適合するようになっており、鋭利なエッジはまったく除去されている。 クランプ８６ｂ，８６ｃ，８６ｄは金属接続部材８６ｅに例えば適当なねじ８６ｇで取り付けられる。

図５Ｄは図５Ａの矢印５Ｄ〜５Ｄに沿ってみた絶縁接地導体８０の断面図である。 絶縁接地導体８０は内側部分８０ａと外側部分８０ｂからなる。 内側部分８０ａは細長い導電性ステンレス鋼コア９０とこれを取り囲むように一致した形状の導電性クローム・シース層９２を含むのが望ましく、シース層はさらに一致する形状の導電性銅シース層９４で被覆される。 シース９２，９４はプラズマ・スプレー処理によって塗布するのが望ましい。 これ以外に、シース層９２，９４は厚い電気めっき層として塗布することも可能である。 望ましくは、耐蝕性誘電保護層９６が銅シース層９４を被覆する。 保護層９６は静電粉体コーティングにより塗布するのが望ましい。 ケブラー又は同様なアラミド線維ジャケット９９が外側部分８０ｂを包含して環境的危機例えば砂嵐や弾丸により射撃されるなどに対する抵抗性を提供するのが望ましい。

EEMPを誘導する際に大電流を取り扱うためには、クローム・シース層９２はステンレス鋼コア９０と密着させ、また銅シース層９４はクローム・シース層９２と密着させる。 さらに、低インダクタンスを実現するためには、ステンレス鋼コア９０は、図５Ｄの縦対横寸法が１０:１を超えるような形状にすべきで、絶縁接地導体８０の内側部分８０ａのエッジ９８ａ，９８ｂ，９８ｃはコア９０と被覆層９２，９４の縦方向に図示した寸法のおよそ半分に等しい半径となるような半径を有するのが望ましい。

絶縁接地導体８０の外側部分８０ｂは望ましくはセラミック、又はテラコッタ、又はその他の誘電材料を含み、高音に抵抗性を有するようにする。 これが必要なのは、導体８０を通過する大電流レベルのためであり、電流は極端な場合には前記接地導体８０をＩ２Ｒ加熱によって温度上昇させる場合がある。

図６Ａおよび図６Ｂは図２Ｄの高電圧冷陰極電界効果型三極管４５ａ（又は４５ｂ）の基本的構造を図示したもので、これは本発明の発明者および他の者による米国特許４，９５０，９６２号に説明されているようにパルサトロンとしても知られている。 しかし、パルサトロンは所望の電圧でまた連続モードで動作するように寸法的に伸縮される。 三極管４５ａは円筒状の形状のカソード１００を含み、カソードはさらに円筒状の形状のグリッド１０２により包囲され、さらにグリッドは円筒状の形状のアノード１０４によって包囲される。 グリッド１０２は破線で示したように電子の貫通通路として適当な貫通孔を有することを示している。 アノード１０４，グリッド１０２，カソード１００は共通の主軸（図示し低内）を共有する。 カソード１００からグリッド１０２までの半径方向の間隔は、円形のウェーブガイドをこれらの間に作り、横断電磁モード（TEM）をサポートする。 図６Ａおよび図６Ｂにおいて、カソード１００はグラファイト材料からなり、グリッド１０２は導電性金属例えばステンレス鋼からなり、アノード１０４は例えばタングステンなどの耐火材料からなる。

図６Ｃおよび図６Ｄは図２Ｃの高電圧冷陰極電界効果型真空管４４の基本構造を示したもので、これは前述の通りバイトロンとしても知られている。 バイトロン４４は円筒状の形状の電極１０６を含み、これは本明細書ではカサノードと呼び、これはカソードとしてもアノードとしても機能することが可能な電極である。 カサノード１０６（図２Ｃでは第１のカサノードと呼ばれる）を包囲しているのは円筒状の形状の第１のグリッド１０２で、これはさらに円筒状の形状の第２のグリッド１１０によって包囲され、これがさらに円筒状の形状のカサノード１１２（図２Ｃにおいては第２のカサノード１３６と称する）によって包囲される。 第１と第２のグリッド１０２と１１０は破線で示してあり、電子がこれを貫通する通路として適切な貫通孔を有することを表している。 カサノード１０６と１１２、および第１と第２のグリッド１０２と１１０は共通の主軸を共有する（図示していない）。 カサノード１０６からグリッド１０２への半径方向の間隔は、円形のウェーブガイドをこれらの間に作り、横断電磁モード（TEM）をサポートする。 第１のグリッド１０２と第２のグリッド１１０の間の半径方向の間隔は想定される動作電圧でこれらの間でのフラッシュオーバーが起こらないようにするのに十分なものとする。 図６Ｃと図６Ｄにおいて、カサノード１０６と１１２はグラファイト材料からなり、グリッド１０２と１１０は導電性金属例えばステンレス鋼などからなる。

図６Ａと図６Ｂの三極管４５ａと図６Ｃと図６Ｄのバイトロン４４はどちらも有利にも４００アンペア／平方センチメートルの電流レベルを処理することが可能である。 これらのスイッチのそれぞれの速度は、望ましくは後述するようにいわゆるトップ・ハット・ソケットで増大するのが望ましい。

冷陰極電界効果型電子管、バイトロン、又はパルサトロンのグリッドを設計する上で適合しなければならない幾つかの必須条件がある。

（１）グリッド〜カソード間又はグリッド〜カサノード間の間隔はグリッドの全長に沿って一定とする必要がある。 これはグリッドを高張力下に置くか堅固な構造で建造することで実現されるのが普通である。

（２）グリッドの元素数は十分高いものにして一定かつ均一な電場がグリッド〜カソード間又はグリッド〜カサノード間に得られるようにする必要がある。

（３）グリッド構造のどこにもぎざぎざな鋭利なエッジのようなものが存在しないこと。 むしろ、個々の要素は円形、平坦、又はアスペクト比の高い楕円形の形状とすることができる。 全てのエッジは完全に丸める必要がある。 この内容で、完全に丸めると言うのは、問題のエッジが材料の厚みの半分に等しい半径を有することを意味する。

これらの設計規則の実際の実施は、建造されるグリッドのサイズによって決定される。

図６Ｅはバイトロン１６２を示し、これは双方向高電圧冷陰極電界効果電子管の形態をなしている。 電子管１６２は電気的に絶縁された筐体１１６と、第１と第２のカサノード１３２，１３６（図６Ｃでは参照番号１０６，１１２で参照される）を含み、カサノード葉それぞれ第１と第２のカサノード・コネクタ１３４，１３８に装着される。 第１と第２のグリッド１０２，１１０はそれぞれグリッド・フィードスルー１２６ａ，１２６ｂに装着される。 ケミカル・ゲッター・ポンプ１１８はゲッタ・ポンプ・フィードスルー１２０に取り付けられ電力が供給されていない期間中に筐体１１６内の真空を維持するために使用される。 真空排気チップオフ１２２は製造サイクルの最後に作成され製造機器から筐体１１６を封止するために使用される。 図６Ａと図６Ｂに図示してある電子管１６８と、図６Ｃおよび図６Ｄに図示してある電子管１６２は実質的に高い動作電圧のために設計されているので、図６Ｅに図示した電子管とは違うアスペクト比を有している。

図６Ｆはリエントラント管ソケット１４２を示し、これはバイトロン１６２又はパルサトロン１６８電子管への接続のインダクタンスを低下させ典型的には６:１の倍率でスイッチの立ち上がり時間を減少する。 このチューブ・ソケット１４２は、主として平行プレート送電線で使用するように設計されるが、他の回路構成に組み込むことも問題なくできる。 リエントラント管ソケット１４２は望ましくは同一の導電性トップハット形状部材１４４，１４６を含み、これらはそれぞれが図６Ｅに図示した電気的に絶縁される筐体１１６の長手方向２箇所の端部を封鎖する。 それぞれの導電性トップハット形状部材１４４，１４６はそれぞれ外部回路に接続するためのリム１４４ａ又は１４６ａを有する。 電気的に絶縁された筐体１１６内部の回路から部材１４４，１４６への電気的接続は図６Ｇに図示したように実現する。 この図面に図示してあるように、部材１４４の導電性タブ１５０は取り付けねじ１５１を用いてカサノード・コネクタ１３８と相互接続する。 導電性タブ１５０は第１または第２のカサノード・コネクタ１３４又は１３８に接続される。 導電性取り付けタブ１５０と取り付けねじ１５１の組み合わせはトップハット形状部材１４４又は１４６と電子管１６２又は１６８との間の機械的相互接続も提供する。 導電性取り付けタブ１５０は導電性トップハット形状部材１４４および１４６の頂部に溶接されるのが望ましい。 トップハット形状部材１４４，１４６には各種のクリアランスホール（例えば１４７）やスロット（例えば１４９）が必要で、これは電子管１６２又は１６８のグリッド・フィードスルー１２６などの電気接続に対応するためである。

リム１４４ａと１４６ａは互いから距離が離れこれらの間のフラッシュオーバーを防止するようにする。 所望であれば、後述する追加のインシュレータ２１２（図１０）をリムの間に配置することができ、これによりスイッチへの接続インダクタンスをさらに低下させ、つまりスイッチの立ち上がり時間をさらに減少させる。

図７はＤＣ閾値検出回路１５２を示し、これが通常はＤＣ電圧がかかる導通経路においてNEMP又はNNEMPに対する保護のための制御回路を備えた電流誘導経路１５４を実装する。 経路１５４は単方向スイッチを含み、スイッチはパルサトロン管として知られる高電圧冷陰極電界効果三極管１６８と、対応する制御回路を含む。 三極管１６８は通常の回線電圧に受け入れ可能な過剰電圧がかかった状態でスタンドオフ条件（すなわち導通しない）にバイアスされる。 過剰な電圧値を超過すると、閾値検出回路１５２により三極管１６８が導通状態にされ電流誘導経路１５４を形成するようになる。

さらに詳しく説明すると、図７において、三極管１６８は分圧器を形成する抵抗Ｒ１とＲ２から構成されたネットワークによりシャットオフまでバイアスされる。 抵抗Ｒ１とＲ２は電線上の電圧に比例したグリッド電圧を設定する。 三極管はこれを取り付ける送電線の極性に対して適切な方向に向けられる。 模式図に図示したのはマイナスの極性の送電線である。 抵抗Ｒ１は比較的小さい値の抵抗器で、抵抗Ｒ２は比較的大きい値の抵抗器である。 これによりグリッドがカソード電位に近接して構成される。 この関連性は図８Ａ〜図８Ｂに関連して後述する全てのパルサトロンおよびバイトロン回路で維持される。 これらの図に関して、奇数の参照番号（例えば１，3，５など）がついた抵抗器は分圧ネットワーク内で偶数の参照番号（例えば２，4，６など）がついた対応する抵抗器に比して小さい値を有する。 さらに、奇数の参照番号が付いた抵抗器は模式的に図示してあるように調節可能な抵抗器であるのが望ましい。 特定の値は回路が動作する電圧に依存する。 コンデンサＣ１を使用して短い期間の間で回線電圧が低下する場合に制御電圧を維持する。 これはまた図８Ａ〜図８ＢのコンデンサＣ２及びＣ３についても当てはまる。

図７を参照すると、回線１５８上野電圧が閾値レベルを超えて上昇する場合、分圧器Ｒ１−Ｒ２ネットワークによって設定されたバランスが逆転し、電子管１６８が導通し始める。 閾値レベルは、パルスが電気部品に到達して動作不能にする前に、保護しようとする電気部品を含む導通経路（図示していない）においてNEMP又はNNEMPの存在を検出するように選択する。 したがって、電子管１６８のある電流誘導経路１５４は、保護しようとする電気部品にパルスが到達して機器を動作不能に陥らせる前に、当該電気部品に比べて低インダクタンス大電流容量の回路によって保護しようとする電気部品からNEMP又はNNEMPを迂回させる。

図８Ａは通常はＡＣ電圧がかかっている導通経路においてNEMP又はNNEMPからの保護のため制御回路を備えた電流誘導経路１６０を示す。 しかし、ＡＣ回路において動作が可能になるようにするには、図７の単方向パルサトロン管１６８ではなく双方向バイトロン１６２を用いる。 回路の双方向性に対応するには、第２の分圧器Ｒ３−Ｒ４とコンデンサＣ２を含める。 NEMP又はNNEMPの検出、また図７に関連して説明したように保護しようとする機器から電流を誘導する動作は図８Ａにも適用されるが、ＡＣ動作に対応する制御ネットワークの重複の点で異なる。

図８Ａは回路の接地脚にある高速電流シャント１６４も示す。 このシャントはバイトロン１６２が導通する際に出力を提供する。 ノード１６６での出力を用いてシステムオペレータにEEMPイベントが発生したことを通知したり、又は他の保護回路を起動するための手段として使用したりすることが可能である。

図８Ｂは好適な制御回路１６７を示す。 回路１６７は図８Ａと類似のもののだが、GIC検出用のGIC検出回路１６９を示す。 GIC検出回路１６９はパルサトロン１６８と併せて、分圧器ネットワークＲ５−Ｒ６とコンデンサＣ３を含む。 GICが接地経路を上向きに通って流れる電流を惹起し、電流が電流シャント１６４を通り電流の大きさと時間的波形に比例した電圧を発生する。 この電圧がパルサトロン１６８を導通状態にトリガする。

パルサトロン１６８さらにはバイトロン１６２を順次導通させるのは図７及び図８ＡのEMP検出処理より長い時間がかかるので、パルサトロン１６８の制御回路で検出されるGICの立ち上がり時間が遅いことが原因でスピードは対して重要ではない。 図７のコンデンサＣ１又は図８ＡのコンデンサＣ１及びＣ２と同様に、コンデンサＣ３は「キープアライブ」機能を実行する。

図８Ａ及び図８Ｂの電流シャント１６４について、図８Ｃ〜図８Ｇとの関連で説明する。 図８Ｃは高速電流シャント１６４を図示しており、これは外部回路の接地経路への接続用の接続孔１７０ａを有する平たい導電性金属ストラップ１７０で構成される。 金属ストラップ１７０は銅製が望ましく、又は少なくとも市販品位の銅と同程度に低い導電率を有するのが望ましい。 「市販品位」は質量比少なくとも９４％の銅含有率に精錬された銅を意味する。 銅ストラップ１７０は完全に半径に丸めた端部１７０ｂを有し、図８Ａと図８Ｂにも図示してあるノード１７２への接続、及び接地２０への接続のそれぞれのための孔１７０ａを有する。 孔１７０ａは電気的接続の目的で用意されたものである。 望ましくは、銅ストラップ１７０のエッジはバリ取りされ半径に丸められる。 電流シャント１６４は１００，０００アンペアを超えるパルス電流を測定する能力を有する。

図８Ｃはテーパー状並列プレート送電線マッチング・トランス１７４も図示しており、これは画成された電流測定領域１７１のデュアル端部で銅ストラップ１７０へ銀ハンダでハンダ付けするのが望ましい。 送電線１７４のプレート１７４ａ，１７４ｂの狭い端部は５０オーム同軸ケーブル１７６の端部１７３に銀ハンダでハンダ付けするのが望ましい。 同軸ケーブル１７６は少なくとも約１／２インチ（１２．７７ミリメートル）の直径を有するものとして、測定領域１７１の両端にかかる大量の電流から発生する高電圧を処理できなければならない。 電流量が増加するほど段階的に大きな直径の同軸ケーブルを使用せざるを得なくなり、シャント１６４の測定領域１７１により発生する増大した電圧を処理する必要がある。 金属ストラップ１７０への接続点でプレート１７４ａと１７４ｂのそれぞれの幅はほぼ同一であるのが望ましいが、これらの幅はストラップ１７０の幅に対して約０．９倍から約１．１倍まで変化させても良い。

上側プレート１７４ａの長さに対する平たい金属ストラップ１７０の幅の比率は望ましくは約１０対１とする。 比率が小さいとインピーダンス不整合が増大する。 実質的に１０対１より大きな比率を有する場合には過剰に大きなまた見苦しい構造となる。 さらに、プレート１７４ａと１７４ｂは狭い方の端部から広い方の端部に向かって各種のテーパーを有することができる。 例えば、もっとも単純なテーパーは直線で、プレートは二等辺三角形に近付く。 好適なテーパーはもっと複雑で前述の二等辺三角形に対して指数関数的に変化する側面を有し音楽のトロンボーンのベル（又は出力オリフィス）のカーブに類似したものである。

図８Ｄは銅ストラップ１７０、送電線１７４の上側と下側のプレート１７４ａと１７４ｂ、絶縁１７８ａと１７８ｂの側面図を示す。 絶縁１７８ａと１７８ｂは図面の簡略化のため図８Ｃでは省略されている。 絶縁１７８ａは第１のプレート１７４ａの全長にわたって延在し、銅ストラップ１７０と上側プレート１７４ａの広い方の端部との接合点から同軸ケーブル１７６の中心絶縁体１７７（図８Ｅ）におけるスロット１８８の終端部まで延在する。 スロット１８８（図８Ｅ）は電子の見通し線経路を除外して中心導体１８２と同軸シールド１８６の間で短絡が形成されるのを防止する機能を供給する。 絶縁１７８ｂは、下側プレート１７４ｂの長さの半分を最小限として延在し、銅ストラップ１７０と下側プレート１７４ｂの広い方の端部との接合点から当該プレートの下に延在するのが望ましい。

図８Ｅは同軸ケーブル１７６に接続されたテーパー状並列プレート送電線１７４を示す。 図面に図示してあるように、同軸ケーブル１７６の中心導体１８２は上側プレート１７４ａの上面にハンダ付けされる（黒く塗りつぶした領域で図示してある）。 同様に、同軸ケーブルのシールド１８６はシールドを形成するワイヤの編組線の拡大図に図示してあるように、下側プレート１７４ｂの下側にハンダ付けされる（黒く塗りつぶした領域で図示してある）。 望ましくは、前述のハンダ接続は重量比約５％を超える銀含量の銀ハンダを使用して行う。

図８Ｆは中心導体１８２へ銀ハンダでハンダ付けされるのが望ましい上側プレート１７４ａと同軸ケーブル１７６のシールド１８６へ銀ハンダでハンダ付けされるのが望ましい下側プレート１７４ｂを備えた送電線１７４を示す。 前述のように、絶縁体１７８ａをケーブル１７６の中心絶縁体１７７のスロット１８８へ挿入する。

図８Ｇはケーブル１７６の中心導体１８２へ銀ハンダでハンダ付けされる第１のプレート１７４ａを示す。

図８Ｃ〜図８Ｇを参照して前述した電流シャント１６４は上下のプレート１７４ａと１７４ｂの機能を交換して構成することができる。 これを視覚化するには、前述の説明において、上側プレート１７４ａは「ホット」導体であり、下側プレートは「接地」導体だった。 別のバージョンでは、これらの機能を交換して、上側プレートは接地導体になり同軸ケーブル１７６のシールド１８６へ連結され、下側プレートはホット導体になり同軸ケーブル１７６の中心導体１８２へ連結される。 この構成において、絶縁体１７８ｂは同軸ケーブル１７６のスロット１８８へ挿入される。

従来技術で公知となっているように、高周波電気は導体の表皮に沿って流れ、これは表皮効果として知られるプロセスである。 表皮効果は高速パルス電流の直接測定では無視することができず、電流の正確な測定を取り出すには数学的補償が必要である。 電流シャントは電流測定領域の両端の間での電圧降下の関数として電流を電圧に変換する。 電流測定領域と測定機器の間の適切なインピーダンス整合には注意を払う必要がある。 前述の注意は前述のテーパー状並列プレート送電線マッチング・トランスの導入によって対処する。

電流シャント出力は抵抗上の表皮効果のため高周波数動作で補正されなければならない。 長方形断面のシャントの表皮深さの補正方程式（したがって周波数の関数としてのインピーダンス）は公知であり、以下の通り本発明に応用することができる。

Z=電流測定領域１７１のインピーダンス

lth=電流測定領域１７１の長さ

W=導電性ストラップ１７０の幅

t=導電性ストラップ１７０の厚み

f=周波数（立ち上がり時間）

μ=導電性ストラップ１７１の透磁率（H／m）

σ=導電性ストラップ１７１の導電率（１／Ω−m）

注:空気中で動作する銅製シャントでは透磁率は１とする。

オームの法則を応用して（電圧／抵抗=電流、抵抗にＺ値を用いる）電流を求める。 ここで設定された方法により立ち上がり時間を周波数に変換することが必要になる。

図９は電流誘導経路１９４，１９６が付随しこれには保護装置１９４ａ及び１９６ａを含む一対の保護しようとする電気部品１９０，１９２と望ましくは一対の通常は閉じている直列スイッチ１９８ａ，１９８ｂを示す。 構成要素１９０，１９２は例としては変圧器の巻線又は発電機の巻線でありうる。 電流誘導経路１９４，１９６にある保護装置１９４ａ，１９６ａは図２Ｂの保護装置３７の実施例である。 保護装置１９４ａ，１９６ａの通常開いているスイッチEEMPイベントの検出時に閉じる。 NEMP及びNNEMPイベントは望ましくは制御回路１６７ａ，１６７ｂ（図８Ｂの参照番号１６７参照）によって電圧として検出され、GICイベントは図９に図示してある制御回路１６７ａ，１６７ｂとの関連で動作する電流シャント１６４ａ，１６４ｂによって電流として検出される。

適当な電圧又は電流入力を受電した時点で制御回路１６７ａは制御信号を出力して通常は閉じているスイッチ１９８ａを作動させる。 同様に、適当な電圧又は電流入力の受電時点で、制御回路１６７ｂは制御信号を出力して通常は閉じているスイッチ１９８ｂを作動させる。 通常は開いているスイッチを制御回路１６７ａ，１６７ｂからの制御信号に応答して閉じることで、装置１９４ａ，１９６ａが巻線１９０，１９２の磁場を消滅させ、それぞれに電流誘導経路１９４，１９６を形成させる。 保護装置１９４ａ，１９６ａのスイッチも、回線電圧の２周期を超えないEEMP検出後の所定の時間の後、通常は閉じているスイッチ１９８ａ，１９８ｂを開くトリガとして使用される出力を発生させる。 これは保護されるべき機器１９０からの短絡を除去する目的である。 矢印２００は電流誘導経路１９４，１９６にEEMPイベントによって発生する電流の循環経路を示す。 前述の電流の方向はEEMPイベントの時点での回路の瞬間的極性によって変化し、図示した矢頭の方向を向いていることも向いていないこともありうる。 図９の通常は閉じているスイッチ１９８ａ，１９８ｂは適当な電圧、電流、応答時間定格を持ったどのような種類のスイッチでも良く、バイトロン４４又は１６２（図２Ｃ又は図６Ｅ）を含むことがある。

図１０は完全なEEMP保護装置２０４を示したもので、これはＹ接続電気部品の図８Ｂの電気回路図の好適実施例である。 装置２０４は２種類の内部真空ポンプを備える。 一方はケミカル・ゲッター・ポンプ１１８である。 これは常に動作する。 第２のポンプは従来設計だが最大導電率のための開放構成のイオンポンプ２０６である。 図１０の隣接するスイッチ真空管１６２又はスイッチ管１６８（図示していない）における電子軌道との干渉を阻止するための内部磁気シールド２０８を設ける。 イオンポンプ２０６は動作するのに少量の電気を必要とするが、筐体内部で常に真空が適切に維持されることを保証することが最重要である。 ケミカル・ゲッター・ポンプ１１８は、例えば輸送中、導入作業中、メンテナンス中、又は停電中など、電気が利用不可能な場合に真空を維持する。

真空筐体８１内部に内包されるのがリエントラント管ソケット１４２の内部に取り付けられたスイッチ管１６２又は１６８である。 トップハット形状ソケット１４４，１４６は絶縁体の壁２１２によって隔離される。 この壁２１２は２つのソケット１４４，１４６の間で追加の電気的絶縁を提供することと、同時に管１６２又は１６８とリエントラント管ソケット１４２の機械的取り付け手段を提供することの２つの目的を持っている。 好適な制御回路１６７は管１６２又は１６８の電極に接続される。 電気接続リード線の一方２１０ａは絶縁フィードスルー管２１０を貫通して配線され、絶縁壁２１２の反対側でスイッチ管１６２又は１６８の電極への絶縁電気接続を可能にする。

スイッチ管１６２又は１６８に関連して、１つの実施例は例えば筐体１１６（図６Ｅ）のような個別の真空筐体にこのような管１６２又は１６８を有さない考え方を含む。 その代わり、管は開放筐体に建造され動作に必要な真空を維持する代わりに真空システム２０６を使用する。

図５Ｄを参照して既に説明した絶縁接地導体８０は一方の端部が筐体８１内部で終止する接地導体８０は２つの機能に用いられる。 Ｙ接続の巻線を有する電気部品で使用する場合、前記システムの全重量を支持することによってEEMP保護装置２０４の機械的支持を提供することと、接地２０への低インダクタンス経路を提供して動作中の電流誘導経路を完成させることである。 接地接続手段は電流シャント１６４（図８Ｃ〜図８Ｇ）経由で回路のバランスに接続される。

使用するEEMP保護装置２０４を接続する方法は２種類ある。 これは以下のような３相回路での２種類の標準巻線方法に関連する。 図４ＡのＹ６０と図４ＢのΔ６８である。 これらの図面はそれぞれの巻線方法を図示しており既に説明した通りである。 図１１はΔ構造変圧器２２０の一組の接続を示す。 変圧器２２０の巻線の端部はブッシング２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃで提示される。 ３個のEEMP保護装置２０４を横並びに配置してありそれぞれの装置２０４が変圧器２２０巻線の単相を構成するそれぞれの端子対の間に配置されるように配線してある。 つまり、図１１に図示してあるように、装置２０４ａはブッシング２２２ａと２２２ｂへ接続される。 装置２０４ｂはブッシング２２２ｂと２２２ｃへ接続される。 また装置２０４ｃはブッシング２２２ｃと２２２ａに接続される。 これは図４Ｂの変圧器巻線構造６８に対応するものである。

電力供給システムの保護のためには、そのシステムの全ての変圧器の一次側と二次側を、各相接続で変圧器に物理的に近接して配置されたEMP保護装置２０４で保護する必要がある。 電力供給システムの発電機も同様に発電機それ自体に物理的に近接して配置された各相接続のEMP保護装置で保護することがさらに必要である。 経済又はその他の理由でEMP保護装置は電力供給システムの全部の変圧器及び発電機より少ない個数で使用することもできる。

本発明は図示の目的で特定の実施例に関連して説明したが、多くの変更及び変化が当業者により行われるであろう。 したがって添付の請求項はこれらの変更及び変化の全てを本発明の真の範囲及び精神から逸脱することなく包含することを意図していることは理解されるべきである。