JP2024513339A - Method and apparatus for protecting electrical components from transient electromagnetic disturbances transmitted on parallel power lines - Google Patents

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エー. ビルンバッハ,カーティス
アンソニー カッペレッティ,ジョン
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Abstract

電力システム内の同相の複数の隣接する平行電力線のグループ内の電力線上の有害なEMIによって誘導される信号が、複数の電力線のうちの1つに接続されている電気コンポーネントに到達するのを防ぐための装置であって、この装置が、同相の複数の隣接する電力線を受け入れるための複数の穴を含むディスク状構造を有する少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子を含み、各ディスク状構造が、複数の平行電力線すべての直径よりも大きな外径を有し、導電性インピーダンス遷移素子と複数の電力線の隣接部分との間にインピーダンスの不整合を意図的に生じさせる。インピーダンスの不整合により、導電性インピーダンス遷移素子が、有害なEMIによって複数の電力線に誘導された信号の高周波成分の反射を生じさせ、高周波成分は反射されて熱として放散される。【選択図】図30Preventing signals induced by harmful EMI on power lines within a group of multiple adjacent parallel power lines in phase in a power system from reaching electrical components connected to one of the multiple power lines Apparatus for, the apparatus comprising at least one conductive impedance transition element having a disk-like structure including a plurality of holes for receiving a plurality of adjacent power lines in phase, each disk-like structure having a plurality of holes. having an outer diameter larger than the diameters of all of the parallel power lines, intentionally creating an impedance mismatch between the conductive impedance transition element and adjacent portions of the plurality of power lines. The impedance mismatch causes the conductive impedance transition element to reflect high frequency components of signals induced by harmful EMI onto multiple power lines, where the high frequency components are reflected and dissipated as heat. [Selection diagram] Figure 30

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2021年3月17日に出願された米国特許出願第17/204,527号(‘527出願)の優先権及び利益を主張するものであり、共通譲渡され同時係属中の、2018年8月30日に出願された米国特許出願第16/773,418(‘418出願)の一部継続出願であり、それぞれの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority and benefit from U.S. patent application Ser. is a continuation-in-part of pending U.S. patent application Ser.

本発明は、自然発生的にまたは人為的に発生し得る電磁パルスなどの過渡電磁障害を含む有害なEMIから電子機器(電気コンポーネント(EC))を保護するための方法及び装置に関する。
定義
コンポーネント:個別の電気または電子素子、または定義された回路またはシステムに接続された複数のその素子。
The present invention relates to a method and apparatus for protecting electronic equipment (electrical components (EC)) from harmful EMI, including transient electromagnetic disturbances such as electromagnetic pulses that can be generated naturally or artificially.
DEFINITIONS Component: An individual electrical or electronic element, or a plurality of such elements connected in a defined circuit or system.

導電性インピーダンス遷移素子(CITE):導体に結合され、導体に対して直径が急激に増大する導電性素子。 Conductive Impedance Transition Element (CITE): A conductive element that is coupled to a conductor and whose diameter increases rapidly with respect to the conductor.

減衰共振器:導体上に間隔をあけて配置された2つのCITE素子またはCITE素子のクラスタ。電磁信号の高周波成分がCITE素子間で往復反射し、信号が熱として消散するまで反射が継続する。CITE素子間の間隔は、選択された周波数帯域の電磁信号が衝突せず、建設的干渉を介して追加されるように選択される。 Damped Resonator: Two CITE elements or a cluster of CITE elements spaced apart on a conductor. The high frequency components of the electromagnetic signal are reflected back and forth between the CITE elements, and the reflection continues until the signal is dissipated as heat. The spacing between CITE elements is selected such that electromagnetic signals in the selected frequency bands do not collide and are added via constructive interference.

電磁攻撃:一部の電気または電子機器またはシステムに、そのシステムにおける損傷、混乱、または混乱を引き起こす目的で、有害なEMI信号が意図的に加えられるシナリオ。 Electromagnetic Attack: A scenario in which harmful EMI signals are intentionally applied to some electrical or electronic equipment or system with the purpose of causing damage, disruption, or disruption in that system.

電磁干渉(EMI):電磁放射線、それを電気系統で受けると、伝達される信号またはその系統に結合された機器に干渉する可能性があるため、望ましくない。EMIは、本明細書では、以下に定義される多数のサブタイプを包含する広範な用語として定義される。 Electromagnetic interference (EMI): Electromagnetic radiation, which is undesirable when received by an electrical system because it can interfere with transmitted signals or equipment coupled to the system. EMI is defined herein as a broad term encompassing numerous subtypes defined below.

電磁パルス(EMP):通常5ナノ秒未満という立ち上がり時間が速い電磁放射線の有害な過渡バーストであり、潜在的に損傷を与える電流及び電圧サージを発生させる可能性がある(したがって、有害なEMIのサブセットとみなされ得る)。一般的なEMP強度は、数万ボルト/メートル程度である。EMPは、核爆発(NEMP、立ち上がり時間は通常5ナノ秒未満)、またはコロナ質量放出など、突発的な電磁場の揺らぎを発生させる非核発生源(NNEMP、立ち上がり時間は通常5ナノ秒未満)によって発生し得る。 Electromagnetic Pulse (EMP): A harmful transient burst of electromagnetic radiation with a rapid rise time, typically less than 5 nanoseconds, that can generate potentially damaging current and voltage surges (and thus (can be considered a subset). Typical EMP intensity is on the order of tens of thousands of volts/meter. EMP is caused by a non-nuclear source (NNEMP, rise time typically less than 5 nanoseconds) that produces sudden fluctuations in the electromagnetic field, such as a nuclear explosion (NEMP, rise time typically less than 5 nanoseconds) or a coronal mass ejection. It is possible.

電磁的脅威:システムの損傷、混乱、または混乱を引き起こす目的で、電気または電子機器またはシステムに対して、有害で意図的な電磁信号が使用される可能性がある状況。 Electromagnetic Threat: A situation in which harmful, intentional electromagnetic signals may be used against electrical or electronic equipment or systems with the purpose of damaging, disrupting, or disrupting the system.

異常電磁パルス:US8,300,378で以前に定義されている、本明細書に記載されているさまざまな電磁脅威をすべて包含するEMPのクラス。異常なEMPは、核爆発から生じる過渡パルス(NEMP)、電力系統のコンポーネントに到達して動作不能にするのに十分な強度の非核電磁パルス(NNEMP)、または太陽嵐からのコロナ質量放出の結果として生じる地磁気誘導電流(GIC)を含む。 Anomalous Electromagnetic Pulse: A class of EMP previously defined in US 8,300,378 that encompasses all of the various electromagnetic threats described herein. Abnormal EMPs can be the result of transient pulses (NEMPs) resulting from nuclear explosions, non-nuclear electromagnetic pulses (NNEMPs) strong enough to reach and render power system components inoperable, or coronal mass ejections from solar storms. This includes geomagnetically induced currents (GICs) generated as a result.

有害なEMI:電磁干渉、それを電気系統で受けると、その系統に結合されている電気機器、例えば、これらに限定されないが、発電機、電子回路基板及び変圧器などが損傷する、または動作不能になる可能性が高くなる。この干渉は、パルスまたは連続放射である可能性がある。 Harmful EMI: Electromagnetic interference that, when experienced by an electrical system, can damage or render inoperable electrical equipment coupled to that system, such as, but not limited to, generators, electronic circuit boards, and transformers. becomes more likely to occur. This interference can be pulsed or continuous radiation.

高高度電磁パルス(HEMP):これもNEMPのサブセットである。HEMPは、核兵器が地表の上空(大気圏外)で爆発したときに発生し、大気と相互作用して強力な電磁エネルギー場を生成するガンマ線を生成する。この電磁エネルギー場は、外部に放射されるため人体には無害だが、回路には、落雷に似ているが落雷よりもはるかに迅速に損傷を与える影響を与える過負荷がかかる可能性がある。 High Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP): This is also a subset of NEMP. HEMP occurs when a nuclear weapon detonates above the Earth's surface (outside the atmosphere), producing gamma rays that interact with the atmosphere and create a powerful electromagnetic energy field. Although this electromagnetic energy field is harmless to humans as it is radiated outward, circuits can be overloaded with effects similar to but much more quickly damaging than a lightning strike.

高透磁率:高透磁率は、本明細書では1×10-3μ(H/m;絶対透磁率)(>1000μ/μ0(相対透磁率))以上の透磁率として定義される。 High permeability: High permeability is defined herein as a magnetic permeability greater than or equal to 1×10 −3 μ (H/m; absolute permeability) (>1000 μ/μ0 (relative permeability)).

意図的電磁干渉(IEMI):対象となる電気系統に悪影響を与えるように意図的に(人為的に)生成される電磁干渉。この干渉は、パルスまたは連続放射である可能性がある。 Intentional Electromagnetic Interference (IEMI): Electromagnetic interference that is intentionally (artificially) generated to adversely affect a targeted electrical system. This interference can be pulsed or continuous radiation.

狭帯域幅EM信号:中心周波数の25パーセント以下の帯域幅を有するEM信号。 Narrow Bandwidth EM Signal: An EM signal that has a bandwidth of 25 percent or less of the center frequency.

核電磁干渉(NEMI):核装置の爆発によって発生し、初期立ち上がり時間が3ナノ秒未満である電気干渉。NEMIは、立ち上がり時間の速い電磁パルス(以下に定義)と、立ち上がり時間が遅く持続時間の長い放射線を含む。これは通常、電磁パルス(EMP)として知られている(上記参照)。 Nuclear Electromagnetic Interference (NEMI): Electrical interference produced by the detonation of a nuclear device with an initial rise time of less than 3 nanoseconds. NEMI includes fast rise time electromagnetic pulses (defined below) and slow rise time, long duration radiation. This is commonly known as electromagnetic pulse (EMP) (see above).

位相線:互いに隣接して配置され、単相または多相電力線の同じ位相を伝送する2つ以上の導体。 Phase Line: Two or more conductors placed adjacent to each other and carrying the same phase of a single-phase or multiphase power line.

電力線:複数の同期された発電源を含む電力網を含む発電、送電、または配電システム。より具体的には、電力線は、3つの別個の導体を有する「三相線」を含むことができ、各導体は、他の導体と位相シフトした関係で電力信号を伝送する。第4の導体は中性であり得る。 Power Line: An electric power generation, transmission, or distribution system that includes an electric power grid that includes multiple synchronized generation sources. More specifically, a power line may include a "three-phase line" having three separate conductors, each conductor carrying a power signal in a phase-shifted relationship with the other conductors. The fourth conductor may be neutral.

無線周波数(RF):数キロヘルツから数テラヘルツの範囲の、スペクトルの無線部分の電磁放射及び信号。 Radio Frequency (RF): Electromagnetic radiation and signals in the radio portion of the spectrum, ranging from a few kilohertz to a few terahertz.

発生源領域電磁パルス(SREMP):核電磁パルス(NEMP)のサブセット。SREMPは、低高度(大気圏内)の核爆発によって生成される。有効な正味の垂直電子流は、大気中と地面の電子の非対称堆積によって形成され、この電流の形成と減衰により、電流に垂直な方向に電磁放射のパルスが放出される。低高度爆発による非対称性は、下方に放出された電子の一部が地表の上部ミリメートルに捕捉される一方で、その他の電子は上方及び外側に移動して大気中を長距離移動し得、イオン化と電荷分離を引き起こすために発生する。高高度での爆発では、大気の密度勾配により、より弱い非対称性が存在する可能性がある。 Source Region Electromagnetic Pulse (SREMP): A subset of the Nuclear Electromagnetic Pulse (NEMP). SREMPs are produced by low-altitude (intraatmospheric) nuclear explosions. The effective net vertical electron flow is formed by the asymmetric deposition of electrons in the atmosphere and on the ground, and the formation and decay of this current emit pulses of electromagnetic radiation in a direction perpendicular to the current. The asymmetry caused by low-altitude explosions means that some of the electrons ejected downward are trapped in the upper millimeters of the Earth's surface, while others can travel upwards and outwards and travel long distances through the atmosphere, becoming ionized. and occurs to cause charge separation. In high-altitude explosions, weaker asymmetries may exist due to atmospheric density gradients.

システム生成EMP(SGEMP):SGEMPは、機器の筐体内で反射したエネルギーの結果として発生する特別なクラスのEMP信号である。通常、ミサイルに関連し、ミサイル内で見られるが、他の場所でも発生する可能性がある。これは、EMP放出の二次的な形式であるという点でユニークである。 System Generated EMP (SGEMP): SGEMP is a special class of EMP signals that are generated as a result of reflected energy within the equipment enclosure. Usually associated with and found within missiles, but can occur elsewhere as well. This is unique in that it is a secondary form of EMP release.

超高帯域幅EM信号:信号の中心周波数の75パーセント以上の帯域幅を有するEM信号。 Ultra-high bandwidth EM signal: An EM signal with a bandwidth greater than or equal to 75 percent of the signal's center frequency.

NEMP、HEMP、SREMP、SGEMPなどはすべて、核装置の爆発(核分裂、核融合、熱核融合)によって発生する電磁パルスであることに留意する。いずれも、通常5ナノ秒未満の非常に速い立ち上がり時間が特徴であり、立ち上がり時間がサブナノ秒の範囲になる場合もある。これらすべてのEMPタイプは、非核EMPクラス(NNEMP)と同様に、通常数キロヘルツから数ギガヘルツの範囲にある非常に広いRF帯域幅に代表されるパルスを発生させる。さらに、スペクトルのこの部分にわたる、いかなる個々の周波数での信号レベルも均一ではないが、エネルギーの大部分は約200メガヘルツ未満に位置していることに留意する。これらの境界は固定されておらず、そのパルスの発生の瞬間に存在するいくつかのパラメータによって決定される。 Note that NEMP, HEMP, SREMP, SGEMP, etc. are all electromagnetic pulses produced by the explosion of a nuclear device (fission, fusion, thermonuclear fusion). Both are characterized by very fast rise times, typically less than 5 nanoseconds, and in some cases rise times can be in the sub-nanosecond range. All these EMP types, as well as the non-nuclear EMP class (NNEMP), generate pulses that are typically represented by very wide RF bandwidths ranging from a few kilohertz to a few gigahertz. Additionally, note that the signal level at any individual frequency across this portion of the spectrum is not uniform, but that the majority of the energy is located below about 200 MHz. These boundaries are not fixed and are determined by several parameters present at the moment of the pulse's occurrence.

特定の事象が発生すると、電力インフラに極めて壊滅的な影響を及ぼす可能性のある電磁放射線が発生する可能性があることがよく知られている。この広範なカテゴリーの電磁放射線に対して本明細書で使用される用語は、「有害な電磁干渉(EMI)」である。核兵器及び同様の破壊技術の拡散に関する懸念を考慮して、核爆発(NEMI)によって放出される有害なEMIの強力なバーストの影響を調査する研究が行われてきた。研究によると、核爆発は非常に速い立ち上がり時間(5ナノ秒未満程度)で電磁パルス(EMP)のバーストを発生させ、その後、信号のより遅く長く持続する部分を伴うことが示されるが、それは長時間持続することがあり、時には数分に及ぶことがある。核によって発生するEMPパルスの最終的な形状を決定する主な要因の1つは、核が爆発する高度である。一般的なEMP強度は、数万ボルト/メートル程度である。これと比較して、近くのレーダーが200ボルト/メートル、通信機器が10ボルト/メートル、及び一般的な大都市圏の環境が0.01ボルト/メートル程度である。Federal Communication Commission(FCC)のガイドラインでは、この種の放射に対して、送電サイトの敷地境界線の端で0.5ボルト/メートルの制限を義務付けていることにも留意されたい。 It is well known that certain events can generate electromagnetic radiation that can have extremely devastating effects on power infrastructure. The term used herein for this broad category of electromagnetic radiation is "harmful electromagnetic interference (EMI)." In light of concerns regarding the proliferation of nuclear weapons and similar destructive technologies, research has been conducted to investigate the effects of the powerful bursts of harmful EMI emitted by nuclear explosions (NEMI). Research shows that a nuclear explosion produces a burst of electromagnetic pulse (EMP) with a very fast rise time (on the order of less than 5 nanoseconds), followed by a slower, longer-lasting portion of the signal, which It can last for a long time, sometimes up to several minutes. One of the main factors that determines the final shape of the EMP pulse produced by a nucleus is the altitude at which the nucleus detonates. Typical EMP intensity is on the order of tens of thousands of volts/meter. In comparison, nearby radar is at 200 volts/meter, communications equipment is at 10 volts/meter, and a typical metropolitan environment is on the order of 0.01 volts/meter. It should also be noted that Federal Communications Commission (FCC) guidelines require a limit of 0.5 volts/meter at the edge of the property line at a transmission site for this type of radiation.

電気機器にとって脅威となるEMPの特性には、非常に速い立ち上がり時間、非常に短いパルス幅、及び広い周波数スペクトルの信号を発生させる電場振幅などがある。導電構造体へのEM結合には3つの基本機構、すなわち、線状導体の基本機構である電気誘導、導電構造体が閉ループを形成するときの主要機構である磁気誘導、及びアース(すなわち物理的な惑星)を介した信号伝達がある。電気的過渡現象による機能損傷の影響を受ける可能性のある装置には、能動電子装置、受動電子コンポーネント、半導体装置、スクイブ及び発火装置、メーター、ならびに電源系統、ケーブル、送電網スイッチング素子及び配電素子が含まれる。デジタル処理システム、メモリユニット、誘導システム、及び配電系統では、動作上の混乱及び障害が予想され得る。障害機構には、絶縁破壊、熱影響及び相互接続、スイッチング、変圧器及び発電機の故障が含まれる。 Characteristics of EMP that pose a threat to electrical equipment include very fast rise times, very short pulse widths, and electric field amplitudes that produce signals with a wide frequency spectrum. There are three basic mechanisms for EM coupling to conducting structures: electrical induction, which is the basic mechanism for linear conductors, magnetic induction, which is the primary mechanism when conducting structures form a closed loop, and grounding (i.e., physical There is signal transmission via planets. Equipment that can be affected by functional damage due to electrical transients includes active electronic equipment, passive electronic components, semiconductor equipment, squib and ignition devices, meters, as well as power systems, cables, grid switching and distribution elements. is included. Operational disruptions and failures can be expected in digital processing systems, memory units, guidance systems, and power distribution systems. Failure mechanisms include dielectric breakdown, thermal effects and interconnection, switching, transformer and generator failures.

あらゆるタイプの核EMPのスペクトルとエネルギー分布は、主に大気中で爆発が起こる高さに依存する。地表から40km以下で発生する爆発は大気圏内爆発と呼ばれ、発生源領域電磁パルス(SREMP)を生成する。一方、地表から40km以上で発生する爆発は大気圏外爆発と呼ばれ、高高度電磁パルス(HEMP)を生成する。SREMPは、ガンマ線からの光子と大気中の分子との衝突によって生成される。これらの高エネルギーの光子は周囲の空気分子から電子を放出し、イオン化した空気分子を生成する。この莫大な電荷分離により、数十万ボルト/メートルにも達し得る強力な電場が生成され、5000アンペアターン/メートルにも達し得る大きな関連磁場が発生する。図19Aは、例示的な100キロトンの大気圏内爆発によって生成される例示的なEMP波形の経時的なグラフである。図19Aに示すように、SREMPの波形(E1)の始まりは、約1ナノ秒で250KV/メートルに達し得る最大値まで上昇し、10ナノ秒以内に約10KV/メートルまで下降する非常に強力なパルスである。上で特定したシナリオでは、波形の第2の部分(E2)では、電場は10KV/メートルでほぼ一定のままであり、爆発後の10ナノ秒の標示から約100μsまで続く。爆発後約100μsで始まる波形の第3の部分(E3)では、電場は、1ミリ秒の標示までに10KV/メートルから約ゼロに下降する。図19Bは、SREMP波形の相対エネルギー対周波数のグラフである。示されているように、SREMP波形の周波数成分は1MHz未満の周波数範囲にあり、スペクトル成分の大部分は10kHz未満にある。正確な電界強度、パルスの立ち上がり時間、持続時間は、装置の形状、装置の収量、爆発の高さ、爆発時の大気条件などの複数の要因の組み合わせに依存することに留意する。 The spectrum and energy distribution of any type of nuclear EMP depends primarily on the height at which the explosion occurs in the atmosphere. Explosions that occur below 40 km from the Earth's surface are called atmospheric explosions and produce source region electromagnetic pulses (SREMPs). On the other hand, explosions that occur more than 40 km above the Earth's surface are called ex-atmospheric explosions and generate high-altitude electromagnetic pulses (HEMP). SREMPs are produced by the collision of photons from gamma rays with molecules in the atmosphere. These high-energy photons eject electrons from surrounding air molecules, creating ionized air molecules. This enormous charge separation generates powerful electric fields that can reach hundreds of thousands of volts/meter, and large associated magnetic fields that can reach 5000 ampere turns/meter. FIG. 19A is a graph over time of an exemplary EMP waveform produced by an exemplary 100 kiloton atmospheric explosion. As shown in Figure 19A, the beginning of the SREMP waveform (E1) is very strong, rising to a maximum value that can reach 250 KV/meter in about 1 ns and falling to about 10 KV/meter within 10 ns. It's a pulse. In the scenario identified above, in the second part of the waveform (E2), the electric field remains approximately constant at 10 KV/meter, lasting from the 10 nanosecond mark until about 100 μs after the explosion. In the third part of the waveform (E3) starting about 100 μs after the detonation, the electric field drops from 10 KV/meter to about zero by the 1 millisecond mark. FIG. 19B is a graph of relative energy versus frequency of the SREMP waveform. As shown, the frequency components of the SREMP waveform are in the frequency range below 1 MHz, and the majority of the spectral components are below 10 kHz. Note that the exact field strength, pulse rise time, and duration depend on a combination of multiple factors, such as device geometry, device yield, explosion height, and atmospheric conditions at the time of the explosion.

対照的に、HEMPは高度40キロメートル超で大気分子に吸収されるガンマ光子によって生成される。この吸収により、電子が地球の磁場によって磁力線の周りの螺旋経路に偏向され、電磁エネルギーを放射する。図20Aは、例示的な大気圏外爆発によって生成されるEMI波形の経時的なグラフである。示されているように、HEMPの波形はSREMPの波形とは大きく異なる。5キロトンから1メガトンの範囲の装置の場合、この電子放射エネルギーは、数十キロボルト/メートルの範囲の大きくて多様な電界と、10から300アンペアターン/メートルの範囲の関連する磁場を生成する。HEMP波形の一部の継続時間はSREMPよりも長くなり、場合によっては数秒続くことがある。上述のように、波形の特定の部分の継続時間は、装置の形状、装置の収量、爆発の高さ、爆発時の大気条件などの多くの要因に依存する。図20Bは、HEMP波形の相対エネルギー対周波数の概略グラフである。示されているように、エネルギーの約90パーセントは100KHzから10MHzの範囲に含まれている。 In contrast, HEMP is produced by gamma photons absorbed by atmospheric molecules at altitudes above 40 kilometers. This absorption causes the electrons to be deflected by the Earth's magnetic field into a spiral path around the magnetic field lines, emitting electromagnetic energy. FIG. 20A is a graph over time of an EMI waveform produced by an exemplary exo-atmospheric explosion. As shown, the HEMP waveform is significantly different from the SREMP waveform. For devices in the 5 kiloton to 1 megaton range, this electron radiation energy produces large and variable electric fields in the range of tens of kilovolts/meter and associated magnetic fields in the range of 10 to 300 ampere turns/meter. The duration of some of the HEMP waveforms can be longer than SREMP, lasting several seconds in some cases. As mentioned above, the duration of a particular portion of the waveform depends on many factors, such as the geometry of the device, the yield of the device, the height of the explosion, and the atmospheric conditions at the time of the explosion. FIG. 20B is a schematic graph of relative energy versus frequency of the HEMP waveform. As shown, approximately 90 percent of the energy is contained in the 100 KHz to 10 MHz range.

EMP対雷
上述のように、本明細書に開示される装置及び方法は、速い立ち上がり時間の電磁パルス(EMP)だけでなく、比較的遅い落雷を含む有害なEMIからの保護を提供する。例えば、大気圏内の外延から発生するEMP(SREMP)は、立ち上がり時間が速く(通常はサブナノ秒)、パルス持続時間が短い(500ナノ秒以下)。このEMPは、通常10KV/メートルから500KV/メートルの範囲にあるが、これに限定されない、かなりの電場強度を有する。雷によって発生する電力線の電気パルスは、SREMPパルスと同様に挙動するが、核により、または他の人為的手段により発生したEMPよりも立ち上がり時間が遅く(通常約20ナノ秒)、長いパルス幅を有する。この結果、低Q値減衰共振器は、SREMPまたは非核発生源からの過渡誘導信号を抑制する場合よりも、雷からの過渡誘導信号を抑制する効果が若干劣る傾向がある。しかしながら、さまざまな実施形態及び構成において減衰共振器のQ値を調整することにより、どちらのタイプのEMPが、特定の電力線において、より重大な脅威であると見なされるかに応じて、極めて短いEMP(SREMP)またはより長いパルスのEMP(例えば、雷)をターゲットとすることが可能である。
EMP Lightning Protection As discussed above, the apparatus and methods disclosed herein provide protection from harmful EMI, including fast rise time electromagnetic pulses (EMP) as well as relatively slow lightning strikes. For example, EMP (SREMP) originating from the outer reaches of the atmosphere has a fast rise time (typically sub-nanoseconds) and a short pulse duration (less than 500 nanoseconds). This EMP has significant electric field strengths, typically in the range of 10 KV/meter to 500 KV/meter, but not limited to. Power line electrical pulses produced by lightning behave similarly to SREMP pulses, but have slower rise times (typically about 20 nanoseconds) and longer pulse widths than EMP produced by nuclear or other human means. have As a result, low-Q damped resonators tend to be slightly less effective at suppressing transient induced signals from lightning than they are at suppressing transient induced signals from SREMP or non-nuclear sources. However, by adjusting the Q factor of the damped resonator in various embodiments and configurations, very short EMP It is possible to target (SREMP) or longer pulse EMP (eg lightning).

従来の保護スキーム
電磁攻撃シナリオの大部分では、その攻撃で単一パルスより多いパルスが使用されることに留意されたい。この結果、保護スキームが実行可能であるためには、そのような保護スキームが実行可能な保護手段とみなされるために、複数回の連続電磁攻撃、場合によっては絶え間のない電磁攻撃に耐えることができなければならない。一部の保護スキームは単発または単発の可能性があるため、現在広く使用されているにもかかわらず、保護サービスには真の意味で適していない。
Traditional Protection Schemes Note that in most electromagnetic attack scenarios, more than a single pulse is used in the attack. As a result, in order for a protection scheme to be viable, it must be able to withstand multiple consecutive electromagnetic attacks, or even constant electromagnetic attacks, in order for such a protection scheme to be considered a viable protection measure. Must be able to do it. Some protection schemes are one-shot or potentially one-off, and therefore not truly suitable for protection services, despite their current widespread use.

上述のように、核の提供(SREMP及びHEMP)によって生成される有害なEMIに加えて、電気及び電子機器は、非核電磁パルス、意図的な電磁バースト、コロナ質量放出(太陽嵐)及び雷雨などの他の事象によって損傷を受ける可能性がある。電気系統を有害なEMIから保護するために、特定の対策が講じられている。例えば、EMP及び雷などの有害なEMIを抑制するための従来のシステム及び装置には、電子管保護装置、金属酸化物バリスタ及び他の固体装置、スパークギャップ、ならびにインダクタが含まれるが、これらに限定されない。 As mentioned above, in addition to the harmful EMI generated by nuclear offerings (SREMP and HEMP), electrical and electronic equipment can also be affected by non-nuclear electromagnetic pulses, intentional electromagnetic bursts, coronal mass ejections (solar storms) and thunderstorms, etc. may be damaged by other events. Certain measures are taken to protect electrical systems from harmful EMI. For example, conventional systems and devices for suppressing harmful EMI such as EMP and lightning include, but are not limited to, electron tube protectors, metal oxide varistors and other solid state devices, spark gaps, and inductors. Not done.

電子管保護装置:本出願の発明者は、電気及び電子機器を前述の電磁的脅威のいずれかによる損傷から保護するための好ましい手段として、高速高出力冷陰極電界放出電子管を利用した保護手段を以前に開発した。この保護用冷陰極電界放出電子管は、Birnbachによる米国特許第8,300,378号「Method and apparatus for protecting power systems from extraordinary electromagnetic pulses」に記載されている。このクラスの電子管装置のテストでは、パルス繰り返し率が500キロヘルツを超える繰り返しパルスの用途での保護サービスに適していることが示されている。 Electron Tube Protection Device: The inventors of the present application have previously identified a protection measure utilizing high speed, high power cold cathode field emission electron tubes as a preferred means of protecting electrical and electronic equipment from damage from any of the aforementioned electromagnetic threats. Developed in This protective cold cathode field emission electron tube is described in US Pat. No. 8,300,378 by Birnbach, "Method and apparatus for protecting power systems from extraordinary electromagnetic pulse ses”. Testing of this class of electron tube devices has shown them to be suitable for protection service in repetitive pulse applications with pulse repetition rates in excess of 500 kilohertz.

金属酸化物バリスタ(MOV):MOVは、静止状態で非常に高いインピーダンス(通常は10MΩから100MΩ)を示す固体装置であるが、これに限定されない。ある所定の閾値を超える電圧がMOVの両端に印加されると、MOVはその内部インピーダンスを非常に低いインピーダンス状態に変化させる。これにより、MOVを使用して重要な回路素子の周囲の過電圧を分流することができる。このインピーダンスの変化が起こる速度は、そのMOVの特定の設計と材料内容の関数である。MOV装置の重大な制限は、MOV装置が半導体であるため、基板の結晶構造に障害が発生すると修復できず、自己修復できないことである。前述のタイプの障害は、MOVの主な障害モードである。その結果、MOVを信頼して複数の過電圧状況に対する保護を提供することができなくなる。この制限にもかかわらず、MOVは現在公共事業で使用されている主なサージ抑制手段である。 Metal oxide varistors (MOVs): MOVs are, but are not limited to, solid state devices that exhibit very high impedance (typically 10 MΩ to 100 MΩ) at rest. When a voltage above some predetermined threshold is applied across the MOV, the MOV changes its internal impedance to a very low impedance state. This allows MOVs to be used to shunt overvoltages around critical circuit elements. The rate at which this impedance change occurs is a function of the specific design and material content of the MOV. A significant limitation of the MOV device is that since the MOV device is a semiconductor, it cannot be repaired if a failure occurs in the crystal structure of the substrate, and cannot self-repair. The aforementioned types of failures are the main failure modes of MOVs. As a result, MOVs cannot be relied upon to provide protection against multiple overvoltage situations. Despite this limitation, MOVs are currently the primary surge suppression method used in public utilities.

さらに、ほとんどのMOVは、核爆発(NEMP)によるEMPの抑制に役立つほど十分に速い立ち上がり時間(通常は約20ナノ秒)を有さないため、MOVを指定する場合、特にSREMPのE1部分とHEMPの速い立ち上がり時間部分に留意する必要がある。速い立ち上がり時間(約2から5ナノ秒の立ち上がり時間)に適応した速い反応時間を含むMOVであっても、通常サブナノ秒の立ち上がり時間を有するすべてのE1パルスに対して効果を発揮するには遅すぎる。この速度差により、保護動作が発生する前に壊滅的に大量のエネルギーが通過することになり、その結果、保護対象装置が故障し、場合によっては保護装置(MOV)も故障する。したがって、MOVは一般にNEMPに対して効果がない。 Additionally, most MOVs do not have fast enough rise times (typically about 20 nanoseconds) to help suppress EMP from nuclear explosions (NEMPs), so when specifying MOVs, especially the E1 portion of the SREMP It is necessary to pay attention to the fast rise time part of HEMP. Even MOVs with fast reaction times adapted to fast rise times (approximately 2 to 5 nanosecond rise times) are typically too slow to be effective for all E1 pulses, which have sub-nanosecond rise times. Too much. This speed difference allows a catastrophically large amount of energy to pass before protection action occurs, resulting in failure of the protected device and possibly the protection device (MOV). Therefore, MOV is generally ineffective against NEMP.

市場には、接続ワイヤの直径が0.125インチ(1/8インチ)未満であっても、5,000アンペアを超えるパルスから保護する用途に適していると主張するMOVがいくつかある。パルスが十分に短く、持続時間が1ナノ秒未満であれば、接続ワイヤは蒸発しない可能性があるが、現実世界の電磁攻撃シナリオでは、ワイヤが蒸発して装置が役に立たなくなる。このような装置の使用は、現実世界の電磁脅威に対する保護を提供するには不十分であることは、当業者には明らかであろう。 There are several MOVs on the market that claim to be suitable for applications that protect against pulses greater than 5,000 amps even though the diameter of the connecting wire is less than 0.125 inch (1/8 inch). If the pulse is short enough and lasts less than 1 nanosecond, the connecting wire may not evaporate, but in a real-world electromagnetic attack scenario, the wire would evaporate and render the device useless. It will be apparent to those skilled in the art that the use of such devices is insufficient to provide protection against real world electromagnetic threats.

その他の半導体装置:過渡現象抑制用途のために、その他にもさまざまな半導体装置が使用中または開発中であることに留意する。この例としては、窒化ガリウムアバランシェダイオードがある。これは、十分に堅牢なパラメータを含む高速立ち上がり時間スイッチングダイオードであり、特定の用途に応じて直列または並列でいくつかを一緒に使用すると、グループの速度は、相互接続と必須の平衡回路網によってもたらされる寄生インダクタンスと寄生容量によって、個々の装置の速度よりも遅くなる。関連するすべての半導体装置は、圧電効果に関連した結晶構造の破損により故障する可能性がある。このクラスの半導体装置は、前述したようにMOV装置と同じ故障モードの影響を受けやすい。 Other Semiconductor Devices: Note that there are various other semiconductor devices in use or under development for transient suppression applications. An example of this is a gallium nitride avalanche diode. It is a fast rise time switching diode with sufficiently robust parameters, and when several are used together in series or parallel depending on the specific application, the speed of the group can be increased by the interconnection and the required balanced network. The resulting parasitic inductance and capacitance result in slower speeds than the individual devices. All related semiconductor devices are susceptible to failure due to damage to the crystal structure associated with piezoelectric effects. This class of semiconductor devices is susceptible to the same failure modes as MOV devices, as described above.

スパークギャップ:スパークギャップは、有害なEMIからの保護に使用されることがある、高速スイッチの形態である。敏感なコンポーネントの周囲の過電圧を分流するために、スパークギャップを配線する。閾値電圧は、スパークギャップの電極の間隔によって決まる。スパークギャップの問題は、それらを、ある所定の電圧で確実にトリガさせることである。さらなる問題は、一度発火するとスパークギャップの接触面が腐食により劣化し、電極間隔の変化を引き起こして、その後の発火事象では通常、スパークギャップが新品のときと同じ電圧で発火しないことである。スパークギャップには非常に高度なメンテナンスが必要であり、その使用は一般に実験室のパルスパワー実験に限定されている。配電及び送電業界のみで使用されるスパークギャップの別の形態は、「ホーン」と呼ばれることが多い、1セットの特に間隔を空けた湾曲したロッドである。立ち上がり時間の速いEMPに対する保護には立ち上がり時間が遅すぎるが、ホーンは雷保護のための簡単なアプローチであることが示されており、広く使用されている。ホーンの主な欠点は、損傷しやすく、頻繁に交換する必要があることである。 Spark Gap: A spark gap is a form of fast switch that is sometimes used to protect against harmful EMI. Wire spark gaps to shunt overvoltages around sensitive components. The threshold voltage is determined by the spacing of the spark gap electrodes. The problem with spark gaps is getting them to trigger reliably at some predetermined voltage. A further problem is that once ignited, the contact surfaces of the spark gap deteriorate due to corrosion, causing changes in electrode spacing such that subsequent ignition events typically do not ignite at the same voltage as when the spark gap was new. Spark gaps require very high maintenance and their use is generally limited to laboratory pulsed power experiments. Another form of spark gap used only in the power distribution and transmission industry is a set of specially spaced curved rods, often referred to as "horns." Although the rise time is too slow for protection against fast rise time EMP, horns have been shown to be a simple approach for lightning protection and are widely used. The main disadvantage of horns is that they are easily damaged and need to be replaced frequently.

インダクタ:回路と直列に接続すると、高速な過渡信号を抑制できる。直列接続されたインダクタを保護装置として使用する場合の問題は、電気絶縁要件と、過熱することなく一定量の電流を処理する能力に関連するインダクタの導体の直径の許容差が非常に厳しいことである。一般に、直列インダクタだけでは、有害なEMI信号を適切に抑制できない。複数の反復パルスに耐えるインダクタの能力は、その設計、特に絶縁と熱定格の関数である。インダクタはエネルギーを消費するため、通常、余剰エネルギーがすぐに利用できる変電所でのみ使用される。 Inductor: When connected in series with a circuit, it can suppress high-speed transient signals. The problem with using series-connected inductors as a protection device is that the tolerances on the diameter of the inductor's conductor are very tight in relation to electrical insulation requirements and the ability to handle a certain amount of current without overheating. be. Generally, series inductors alone do not adequately suppress harmful EMI signals. An inductor's ability to withstand multiple repetitive pulses is a function of its design, particularly its insulation and thermal rating. Inductors consume energy and are typically used only in substations where surplus energy is readily available.

したがって、前述の欠点を確実かつ効率的に克服することができ、有害なEMIから電子機器を保護することができる方法及び装置が必要とされている。 Therefore, there is a need for a method and apparatus that can reliably and efficiently overcome the aforementioned drawbacks and protect electronic equipment from harmful EMI.

本開示は、発電、送電、及び配電システム内の同相の複数の隣接する平行電力線のグループ内の1つまたは複数の電力線上の有害なEMIによって誘導される電気信号が、複数の平行電力線の1つに接続されている電気コンポーネントに到達するのを防止するための装置を提供する。この装置は、少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子を含み、この少なくとも1つの導電性インピーダンス素子は、複数の隣接する同相の電力線のうちの1つを受け入れて取り囲むように寸法決めされ、互いに離間した複数の穴を有するディスク状構造を含み、各ディスク状構造は複数の平行電力線すべての直径よりも大きい外径を有し、導電性インピーダンス遷移素子と複数の電力線の隣接部分との間にインピーダンスの不整合を意図的に生じさせる。インピーダンスの不整合により、導電性インピーダンス遷移素子は、有害なEMIによって複数の電力線に誘導された信号の高周波成分を反射し、高周波成分は反射されて熱として放散される。 The present disclosure provides that an electrical signal induced by harmful EMI on one or more power lines in a group of in-phase, adjacent parallel power lines in a power generation, transmission, and distribution system is transmitted to one of the plurality of parallel power lines. Provides a device for preventing access to electrical components connected to the device. The apparatus includes at least one conductive impedance transition element sized to receive and surround one of a plurality of adjacent in-phase power lines spaced apart from each other. including a disc-like structure having a plurality of holes, each disc-like structure having an outer diameter greater than the diameter of all of the plurality of parallel power lines, and providing impedance between the conductive impedance transition element and adjacent portions of the plurality of power lines. Deliberately create inconsistencies. Due to the impedance mismatch, the conductive impedance transition element reflects high frequency components of the signal induced onto the power lines by harmful EMI, and the high frequency components are reflected and dissipated as heat.

本開示はさらに、発電、送電及び配電システムの等位相の複数の平行電力線のグループの電力線に結合されたコンポーネントを有害なEMIから保護する方法を提供する。この方法は、電力線の直径よりも大きい直径を有する少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子(CITE)を、電力線の延長された長さと素子との間の位置で等位相のすべての電力線に取り付けることによって、意図的にインピーダンスの不整合を生じさせることを含む。CITEと電力線の直径の差により、2つ以上の導電性インピーダンス遷移素子と電力線の隣接部分との間にインピーダンスの不整合が意図的に引き起こされ、このインピーダンスの不整合により、有害なEMIによって電力線に誘導された信号の高周波成分が、複数の導電性インピーダンス遷移素子のペアの間に形成された減衰共振器によって反射され消散する。 The present disclosure further provides a method for protecting components coupled to power lines of a group of equiphase parallel power lines of a power generation, transmission, and distribution system from harmful EMI. The method is implemented by attaching at least one conductive impedance transition element (CITE) having a diameter greater than the power line diameter to all power lines in equal phase at a location between the extended length of the power line and the element. , including intentionally creating an impedance mismatch. Due to the difference in diameter between the CITE and the power line, an impedance mismatch is intentionally induced between two or more conductive impedance transition elements and adjacent portions of the power line, and this impedance mismatch causes harmful EMI to interfere with the power line. High frequency components of the induced signal are reflected and dissipated by damped resonators formed between pairs of conductive impedance transition elements.

インピーダンス不整合の大きさは周波数に依存し、誘導過渡電磁信号の低周波成分が複数の導電性インピーダンス遷移素子を通過することを可能にする一方で、誘導過渡電磁信号の高周波を複数のインピーダンス遷移素子から反射する。 The magnitude of the impedance mismatch is frequency dependent, allowing the low frequency components of the induced transient electromagnetic signal to pass through multiple conductive impedance transition elements, while allowing the high frequency components of the induced transient electromagnetic signal to pass through multiple impedance transitions. reflected from the element.

導電性インピーダンス遷移素子の効率を高めるために、複数のその導電性インピーダンス遷移素子のうちの1つまたは複数は、フェライト材料で構成され得るか、またはフェライト材料の部分を含み得る。このフェライト材料は、別個のディスクユニットとして組み込むことも、導電性ディスク素子に統合することもできる。 To increase the efficiency of the conductive impedance transition elements, one or more of the plurality of conductive impedance transition elements may be constructed of or include portions of ferrite material. This ferrite material can be incorporated as a separate disk unit or integrated into a conductive disk element.

1つまたは複数のCITEは、カーボン、グラファイトなどの部分導電または半導電性材料で構成され得ることに留意する。これにより、ディスクは入射エネルギーの一部を吸収できる。この吸収性CITEは、当業者には理解されるように、個別に、等間隔のセットで、不等間隔のセットで、及び他の構成で使用され得る。 Note that one or more CITEs may be constructed of partially conductive or semiconductive materials such as carbon, graphite, etc. This allows the disk to absorb a portion of the incident energy. The absorbent CITEs may be used individually, in equally spaced sets, unevenly spaced sets, and in other configurations, as will be understood by those skilled in the art.

発明のさらなる特徴及び利点は、同様の参照番号が同様の要素を指す添付図面と以下の詳細な説明を併せ読むことにより明らかになるであろう。図面及びその一部は例示的なものであり、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。 Further features and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings in which like reference numerals refer to like elements. The drawings and portions thereof are illustrative and are not necessarily drawn to scale.

電力線(104)に接続され、過渡電磁干渉信号(14)による損傷を受けやすい電気コンポーネント(E.C.)の先行技術の概略図である。1 is a prior art schematic diagram of an electrical component (EC) connected to a power line (104) and susceptible to damage by transient electromagnetic interference signals (14); FIG. 本開示による、少なくとも1つの図示された導電性インピーダンス遷移素子(CITE;106、107)によって、過渡電磁干渉信号の破壊的な結果から保護される電気コンポーネント(P.C.)を有する実寸ではない電力線の概略図である。Not to scale having an electrical component (P.C.) protected from the destructive consequences of transient electromagnetic interference signals by at least one illustrated conductive impedance transition element (CITE; 106, 107) according to the present disclosure FIG. 2 is a schematic diagram of a power line. 本開示による、電力線が2つのCITE(125)によって保護される、別の実施形態の概略図である。2 is a schematic diagram of another embodiment in which a power line is protected by two CITEs (125) according to the present disclosure. FIG. 図3の構成の点線で囲まれた長方形の部分の変形である。This is a modification of the rectangular portion surrounded by the dotted line of the configuration in FIG. 3. 本開示による、電力線が3つのCITE(178、179)によって保護される、別の実施形態の概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of another embodiment in which a power line is protected by three CITEs (178, 179) according to the present disclosure. 本開示によるCITEが、第1の保護対象コンポーネント(100)及び第2の保護対象コンポーネント(102)を有する電力線上で使用される別の実施形態の概略図である。2 is a schematic diagram of another embodiment in which a CITE according to the present disclosure is used on a power line having a first protected component (100) and a second protected component (102). FIG. 図6と同様で、左側のコンポーネントを保護するCITEのより一般的な位置と、右側のコンポーネントを保護するCITEのより一般的な位置を示す。Similar to FIG. 6, showing a more general position of a CITE protecting a component on the left and a more general position of a CITE protecting a component on the right. CITEが電力線に沿って3つのグループ(235)で配置される、別の実施形態の概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of another embodiment in which CITEs are arranged in three groups (235) along a power line. 本開示による導電性インピーダンス遷移素子(CITE)の第1の実施形態の片面の平面図である。1 is a single-sided plan view of a first embodiment of a conductive impedance transition element (CITE) according to the present disclosure; FIG. ヒンジ素子を中心に下部素子に対して枢動されたCITEの上部コンポーネントを示す平面図であり、電力導体への取り付けを可能にする、部分的に開いた状態の第1の実施形態を示す。FIG. 7 is a plan view of the upper component of the CITE pivoted relative to the lower element about the hinge element, showing the first embodiment in a partially open state to allow attachment to a power conductor; CITEの第1の実施形態のヒンジ端面図である。FIG. 3 is a hinge end view of the first embodiment of the CITE. 部分的に開いたCITEの第1の実施形態の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a first embodiment of CITE partially open; CITEの第1の実施形態の下部コンポーネントの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the lower component of the first embodiment of the CITE. CITEの第1の実施形態の上部コンポーネントの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the upper component of the first embodiment of CITE; 図11の軸15-15に沿った、CITEの第1の実施形態の縦断面図である。12 is a longitudinal cross-sectional view of the first embodiment of the CITE along axis 15-15 of FIG. 11; FIG. 本開示によるCITEの別の実施形態の片面の平面図である。FIG. 4 is a single-sided plan view of another embodiment of a CITE according to the present disclosure. 本開示による導電性インピーダンス遷移素子(CITE)の別の実施形態の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of another embodiment of a conductive impedance transition element (CITE) according to the present disclosure. 楕円形の断面形状を有するCITEの別の実施形態の平面図である。FIG. 4 is a plan view of another embodiment of a CITE having an elliptical cross-sectional shape. 多角形の断面形状を有するCITEの別の実施形態の平面図である。FIG. 4 is a plan view of another embodiment of a CITE having a polygonal cross-sectional shape. 非対称の断面形状を有するCITEの別の実施形態の平面図である。FIG. 4 is a plan view of another embodiment of a CITE having an asymmetric cross-sectional shape. ミューメタルコーティングを有するCITEの一実施形態の側断面図である。FIG. 3 is a side cross-sectional view of an embodiment of a CITE with a mu-metal coating. 例示的な大気圏内爆発(SREMP)によって生成されるEMI波形の経時的なグラフである。(Sandia National Laboratoryより、以下「Sandia」)。1 is a graph of an EMI waveform produced by an exemplary atmospheric explosion (SREMP) over time; (From Sandia National Laboratory, hereinafter referred to as "Sandia"). SREMP波形の相対エネルギー対周波数のグラフである。(Sandiaより)。2 is a graph of relative energy versus frequency of the SREMP waveform. (From Sandia). 例示的な大気圏外(HEMP)爆発によって生成されるEMI波形の経時的なグラフである。(Sandiaより)。1 is a graph of an EMI waveform produced by an exemplary extra-atmospheric (HEMP) explosion over time; (From Sandia). HEMP波形の相対エネルギー対周波数のグラフである。(Sandiaより)。2 is a graph of relative energy versus frequency of the HEMP waveform. (From Sandia). 本開示による、フェライトビーズとして形成された導電性インピーダンス遷移素子(CITE)の別の実施形態の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of another embodiment of a conductive impedance transition element (CITE) formed as a ferrite bead in accordance with the present disclosure. A及びBは、本開示によるCITEを組み立てる方法の一実施形態を示す、CITEの縦断面の平面図である。A and B are longitudinal cross-sectional plan views of a CITE illustrating one embodiment of a method of assembling a CITE according to the present disclosure. 球形を有するCITEの代替的な実施形態の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of an alternative embodiment of a CITE having a spherical shape. 蛍光ガスが充填された透明な外周部分を有するCITEの正面平面図である。FIG. 2 is a front plan view of a CITE having a transparent peripheral portion filled with fluorescent gas. グラフェンなどの吸収性材料(A)、アルミニウムなどの金属(B)、及びフェライト材料(C)など、それぞれ異なる材料で形成された中央部分を有するCITEの実施形態を示す。FIG. 3 shows an embodiment of a CITE having a central portion formed of different materials, each of which is an absorbent material such as graphene (A), a metal such as aluminum (B), and a ferrite material (C). 金属製の中央部分を有する、本開示によるCITEの別の実施形態の第1の側面の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a first side of another embodiment of a CITE according to the present disclosure having a metallic central portion; 吸収性の中央部分を有する、本開示によるCITEの別の実施形態の第2の側面の斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a second side of another embodiment of a CITE according to the present disclosure having an absorbent central portion. ケーブルの長さに沿って差動インピーダンスを有する半導体層を有する地中同軸電力ケーブルの軸方向断面図である。1 is an axial cross-sectional view of an underground coaxial power cable having semiconductor layers with differential impedance along the length of the cable; FIG. 図27Aに示す地中同軸電力ケーブルの縦断面図である。FIG. 27B is a vertical cross-sectional view of the underground coaxial power cable shown in FIG. 27A. CITEの上部及び下部コンポーネントを固定するためのさねはぎを有する、CITEの別の実施形態の側面図である。FIG. 7 is a side view of another embodiment of a CITE with rabbets for securing the upper and lower components of the CITE. 図28Aに示す実施形態の正面平面図である。28B is a front plan view of the embodiment shown in FIG. 28A. FIG. 平行位相線に適合したCITEの一実施形態の正面平面図である。FIG. 3 is a front plan view of an embodiment of a CITE adapted for parallel phase lines. 図29Aに示すCITEの中央部分の拡大図である。FIG. 29B is an enlarged view of the central portion of the CITE shown in FIG. 29A. 図29Aに示すCITEの斜視図である。FIG. 29B is a perspective view of the CITE shown in FIG. 29A. 三相線に適合したCITEの一実施形態の別の視点からの正面平面図である。FIG. 4 is a front plan view from another perspective of an embodiment of a CITE adapted for three-phase line; ミューメタルコーティングを有するCITEの一実施形態の側断面図である。FIG. 3 is a side cross-sectional view of an embodiment of a CITE with a mu-metal coating.

本明細書に開示される装置(システム)及び方法は、電子機器、電気コンポーネント、及びそれらのシステムを、過渡電磁パルス(EMP)を含む有害なEMIから保護するように構成される。 The apparatus (systems) and methods disclosed herein are configured to protect electronic equipment, electrical components, and their systems from harmful EMI, including transient electromagnetic pulses (EMP).

前述したように、EMPは核爆発と関連して最初に注目された。しかし、近年、電気的手段(人工兵器及びシミュレータ)によって、核爆発によって生成されるものと同等またはそれを超えるEMP信号を生成することが可能になった。問題となる電磁パルスは、通常、10KV/メートルから500KV/メートル以上の範囲にあるが、これに限定されない。本明細書に開示される装置及び方法は、核(NEMP)発生源及び非核(NNEMP)発生源から生じるEMPを含む有害なEMIから電気インフラを保護する。 As previously mentioned, EMP first came to prominence in connection with nuclear explosions. However, in recent years, it has become possible to generate EMP signals by electrical means (man-made weapons and simulators) that are comparable or even superior to those produced by nuclear explosions. Electromagnetic pulses of concern are typically in the range of, but not limited to, 10 KV/meter to 500 KV/meter or greater. The apparatus and methods disclosed herein protect electrical infrastructure from harmful EMI, including EMP arising from nuclear (NEMP) and non-nuclear (NNEMP) sources.

意図的に生じさせたインピーダンスの不整合
開示された装置(システム)及び方法は、指定されたタイプの電力線に沿ったインピーダンスの意図的な不整合によって、入射する有害なEMIのかなりの部分が反射する原理を利用しており、この有害なEMIはEMPまたは干渉信号の形式であり得る。本明細書で使用されるこの「電力線」は、複数の同期した発電源を含む電力網を有する発電、送電、または配電システムの電力線であり得る。より具体的には、電力線は、3つの別個の導体を有する「三相線」を含むことができ、各導体は、他の導体と位相シフトした関係で電力信号を伝送する。第4の導体は中性であり得る。しかしながら、このシステム及び方法は、一般的に、配電システムで使用される位相の全範囲に適用でき、通常は1から場合によっては6以上の範囲に及ぶ。システムでの位相の数は、中性を含むすべての位相に1つまたは複数のCITE装置またはその装置のセットを装備しなければならないという制約を課すこと以外は、CITE技術の使用には影響しない。有害なEMI信号のかなりの部分が反射すると、電気コンポーネントがその信号によって損傷したり動作不能になったりすることを防ぎ得る。周波数依存インピーダンスの意図的な不整合は、電力線に導電性インピーダンス遷移素子(CITE)を組み込むことによって実現される。CITEは、電力線への導電性アタッチメントと考えることができる。導電性アタッチメント(CITE)は、電力線と同じ断面形状を有し得るが、直径は電力線の直径より数倍大きくなる。
Deliberately Created Impedance Mismatch The disclosed apparatus (system) and method provide a means for creating an intentional impedance mismatch along a power line of a specified type so that a significant portion of the incoming harmful EMI is reflected. This harmful EMI can be in the form of EMP or interference signals. As used herein, a "power line" may be a power line of a power generation, transmission, or distribution system having a power grid that includes multiple synchronized generation sources. More specifically, a power line may include a "three-phase line" having three separate conductors, each conductor carrying a power signal in a phase-shifted relationship with the other conductors. The fourth conductor may be neutral. However, the systems and methods are generally applicable to the full range of phases used in power distribution systems, typically ranging from 1 to potentially 6 or more. The number of phases in the system does not affect the use of CITE technology, other than imposing the constraint that every phase, including neutral, must be equipped with one or more CITE devices or sets of such devices. . Reflecting a significant portion of harmful EMI signals may prevent electrical components from being damaged or rendered inoperable by the signals. Intentional frequency-dependent impedance mismatching is achieved by incorporating conductive impedance transition elements (CITEs) into power lines. A CITE can be thought of as a conductive attachment to a power line. The conductive attachment (CITE) may have the same cross-sectional shape as the power line, but the diameter will be several times larger than the power line diameter.

例えば、以下の円形断面の素子の低周波インダクタンスの合計を考える。 For example, consider the following total low-frequency inductance of an element with a circular cross section.

Figure 2024513339000002
式中:
dcは、ナノヘンリー(nHまたは10-9H)を単位とする「低周波」または直流インダクタンスである。
lは素子または構造の長さ(cm)である。
rは素子または構造の半径(cm)である。
Figure 2024513339000002
In the formula:
L dc is the "low frequency" or direct current inductance in nanohenries (nH or 10 -9 H).
l is the length of the element or structure (cm).
r is the radius of the element or structure (cm).

(E.B.Rosa、「The Self and Mutual Inductances of Linear Conductors」、Bulletin of the Bureau of Standards、Vol.4、No.2、1908、301ページ以降)。インダクタのリアクタンス(すなわち、一種のインピーダンス)は次のとおりである。
=2πfL
この式から、素子の半径の変化によりインダクタンス(L)の変化が生じ、次に、それに比例して、インピーダンス(X)に変化が生じることがわかる。ここでの「f」は、インダクタに入力される信号の周波数である。換言すると、電力線上のCITEの存在によって変数r(電力線の半径)がr+xへ意図的に変更(ここで、xはrに対するCITEの正の直径の変化を表す)された場合、CITEと、元の値rを有する隣接する長さの電力線との間に、対応するインピーダンスの意図的な不整合が発生する。上の方程式は、Lの差異によるインピーダンスの不整合が周波数値で乗算され、周波数が高くなるほど不整合が大きくなるということをさらに示す。
(E.B.ROSA, "THE SELF AND MUTUAL INDUTUCTANCES OF LINEAR CONDUCTORS", Bulretin of the Bureau OF Standards, Vol.4, 301, 301, 301, 301. After the page). The reactance (i.e., a type of impedance) of an inductor is:
X L =2πfL
From this equation, it can be seen that a change in the radius of the element causes a change in inductance (L), which in turn causes a proportional change in impedance (X L ). "f" here is the frequency of the signal input to the inductor. In other words, if the presence of a CITE on a power line intentionally changes the variable r (radius of the power line) to r + x (where x represents the positive diameter change of the CITE with respect to r), then the CITE and the original A corresponding impedance intentional mismatch occurs between adjacent lengths of power line having a value of r. The above equation further shows that the impedance mismatch due to the difference in L is multiplied by the frequency value, and the higher the frequency, the greater the mismatch.

1つの非限定的な例として、電力線が直径1インチのワイヤを含む場合、CITEは直径15から20インチのディスクとして構成され得る。この実施形態は、複数の電力線が通常、電力線間に十分な距離を置いて、並んで、または互いに重なり合っている従来の電力線設定での使用に適している。特に、各電力線を他の電力線から離間する距離を規定する、当業者によく知られた規格がある。CITEが電力線よりも大きな幅(直径)を有するため、CITEは電力線から隣接する電力線に向かって外側に延びることが理解されるであろう。2本の導体が近接することによるアーク放電またはその他の悪影響を回避するには、CITEの外縁と隣接する電力線、または隣接する電力線上のCITEの周縁との間に十分な距離を維持する必要がある。電力線が揺れてテザリングから離れ、隣接する線間の距離が短くなる可能性があるため、この現象を考慮して追加の許容誤差も追加される。いくつかの実施態様では、電力線が約18インチ離れている場合、CITEの周縁は、隣接する電力線から所定の距離、例えば約6から12インチに位置する。CITEハードウェアの設置を可能にするために、送電システム内の個々の線を離間する距離を延ばすことは比較的簡単な問題であることに留意する。 As one non-limiting example, if the power line includes a 1 inch diameter wire, the CITE may be configured as a 15 to 20 inch diameter disk. This embodiment is suitable for use in conventional power line settings where multiple power lines are typically placed side by side or overlapping each other with sufficient distance between the power lines. In particular, there are standards well known to those skilled in the art that define the distance that each power line should be separated from other power lines. It will be appreciated that because the CITE has a greater width (diameter) than the power line, the CITE extends outward from the power line toward the adjacent power line. To avoid arcing or other adverse effects due to the proximity of two conductors, sufficient distance must be maintained between the outer edge of a CITE and the adjacent power line or the perimeter of a CITE on an adjacent power line. be. Additional tolerances are also added to account for this phenomenon, as power lines can swing away from tethering and shorten the distance between adjacent lines. In some implementations, when the power lines are approximately 18 inches apart, the perimeter of the CITE is located a predetermined distance from adjacent power lines, such as approximately 6 to 12 inches. Note that increasing the distances separating individual lines in a power transmission system to allow for the installation of CITE hardware is a relatively simple matter.

電力線間の間隔に関する考慮事項とは別に、CITEの直径も電力線の電圧レベルに依存する。電力線で使用される電圧が高くなるほど、電力線に取り付けられるCITEの直径も大きくする必要がある。 Apart from considerations regarding the spacing between power lines, the diameter of the CITE also depends on the voltage level of the power lines. The higher the voltage used on the power line, the larger the diameter of the CITE attached to the power line must be.

本明細書で論じられるように、CITEの例示的な実施態様は、ユニットとして一緒に結合され、電力線に沿って配置される2つ以上のCITEの配置を含む。システム全体の効率は、少なくとも部分的に、電力線に沿って所定の様式で配置されるCITEまたはCITEのグループの数、ならびにそのCITE及びCITEのグループの間隔に基づき得る。 As discussed herein, exemplary implementations of CITEs include arrangements of two or more CITEs coupled together as a unit and placed along a power line. Overall system efficiency may be based, at least in part, on the number of CITEs or groups of CITEs arranged in a predetermined manner along the power line and the spacing of the CITEs and groups of CITEs.

インピーダンスの不整合により、送電線に沿って定在波が発生し、電圧定在波比(VSWR)が、線に沿った波腹での部分的な定在波の電圧振幅(最小)と、波節での電圧振幅(最大)の比として定義される。VSWRは、送電線の特性インピーダンスに対する電源及び負荷のインピーダンスの整合(または不整合)の尺度である。CITEまたはCITEのグループと電力線の間のインピーダンスの意図的な不整合によって引き起こされる高いVSWRは、入射する有害なEMI信号(例えば、EMP)の高周波成分(MHzからGHzの範囲)の反射を引き起こすが、電力線に電力を供給する電流信号のはるかに低い基本周波数成分(例えば、50から400Hz)への影響は小さい。過渡信号の高周波成分の反射は、(1)変圧器、発電機、モータへの熱または絶縁損傷など、そのコンポーネントの設計電圧よりも高い電圧が、電力線に接続された磁気巻線を含む電気コンポーネントに到達して動作不能にすることによる破壊的な結果、及び/または、(2)電力線の電流を遮断するために配置されている開閉装置コンポーネントにその高周波成分が到達して動作不能にすることによる破壊的な結果、を防ぐために行われる。他の障害メカニズムも考えられることに留意する。 The impedance mismatch creates standing waves along the transmission line, and the voltage standing wave ratio (VSWR) is the voltage amplitude (minimum) of the partial standing wave at the antinode along the line; Defined as the ratio of the voltage amplitude (maximum) at the node. VSWR is a measure of the match (or mismatch) of the source and load impedances to the characteristic impedance of the power transmission line. High VSWR caused by an intentional mismatch in impedance between a CITE or group of CITEs and the power line causes reflection of high frequency components (in the MHz to GHz range) of incoming harmful EMI signals (e.g. EMP), but , the much lower fundamental frequency components (e.g., 50 to 400 Hz) of the current signal powering the power line are less affected. Reflection of high frequency components of transient signals can cause (1) electrical components, including magnetic windings, connected to power lines at voltages higher than that component's design voltage, such as thermal or insulation damage to transformers, generators, and motors; and/or (2) its high frequency components reaching and rendering inoperable switchgear components positioned to interrupt power line current. This is done to prevent the destructive consequences of Note that other failure mechanisms are also possible.

破壊的干渉と建設的干渉の影響
上述の電力線内で反射された過渡信号の破壊的または建設的干渉が存在する状況を意図的に作り出すことが可能であることに留意する。CITEシステムを設計する際には、この点を考慮することが重要である。さらに、CITEシステムを最適化して、高周波成分の破壊的干渉を意図的に生成し、CITEシステムの通常動作とは無関係に高周波成分が自ら打ち消すことができるようにすることが望ましい。
Effects of Destructive and Constructive Interference It is noted that it is possible to intentionally create a situation in which there is destructive or constructive interference of reflected transient signals in the power lines mentioned above. It is important to consider this point when designing a CITE system. Additionally, it is desirable to optimize the CITE system to intentionally create destructive interference of high frequency components, such that the high frequency components are able to cancel themselves independently of the normal operation of the CITE system.

破壊的干渉を確実にするには、電力線の両端のCITEの間隔が、建設的干渉を引き起こす大きさでないことが必要である。保護対象線の電源をオフにし得る設置の場合、簡単なテストを実施して最適な間隔を決定し得る。 To ensure destructive interference, it is necessary that the spacing of the CITEs at both ends of the power line is not large enough to cause constructive interference. For installations where the protected lines may be de-energized, a simple test can be performed to determine the optimal spacing.

このテストでは、適切な立ち上がり時間、パルス幅、及び振幅の直接注入パルス源が、CITE構造の設置後に電力線に容量結合される。最小1GHzの瞬時帯域幅を有する高速オシロスコープが、CITE構造の1つの反対側の線に結合される。パルスを注入して波形を観測する。電力線の注入側からサンプリングされたパルスと比較してパルスの振幅が小さい場合、間隔は適切である。パルスが大きい場合は、最小パルスサイズが観察されるまで1セットのCITE構造を移動する必要がある。このテストは、CITE構造の適切な動作を検証するために電力線が認証される方法でもある。 In this test, a direct injection pulse source of appropriate rise time, pulse width, and amplitude is capacitively coupled to the power line after installation of the CITE structure. A high speed oscilloscope with a minimum instantaneous bandwidth of 1 GHz is coupled to one opposite line of the CITE structure. Inject a pulse and observe the waveform. The spacing is appropriate if the amplitude of the pulse is small compared to the pulse sampled from the injection side of the power line. If the pulse is large, one set of CITE structures needs to be moved until the minimum pulse size is observed. This test is also the method by which power lines are certified to verify proper operation of the CITE structure.

図1は、電気コンポーネント(E.C.)(電気または電子機器)10が従来技術による発電、送電及び配電システムの電力線104に接続されている、縮尺通りではないシステムの概略図である。電力線104は、導電性であることを示すために網掛けで示されている。電磁パルス(EMP)などの外部の有害な電磁信号12(有害なEMI)は、電力線104上にパルス14として電磁信号を誘導し、電気コンポーネント(E.C.)10に向けられる。電気コンポーネント(E.C.)10に到達する電圧パルス14の大きさが、前述した1つまたは複数の故障メカニズムによって高すぎる場合、電気コンポーネント(E.C.)10は動作不能になる。 FIG. 1 is a schematic diagram, not to scale, of a system in which an electrical component (EC) (electrical or electronic equipment) 10 is connected to a power line 104 of a power generation, transmission and distribution system according to the prior art. Power lines 104 are shown shaded to indicate that they are conductive. External harmful electromagnetic signals 12 (harmful EMI), such as electromagnetic pulses (EMP), induce electromagnetic signals as pulses 14 on power lines 104 and are directed toward electrical components (EC) 10 . If the magnitude of the voltage pulse 14 reaching the electrical component (E.C.) 10 is too high due to one or more of the failure mechanisms described above, the electrical component (E.C.) 10 becomes inoperable.

図2は、保護対象コンポーネント100(「P.C.」と図示)、電力線104、及び単一の導電性インピーダンス遷移素子(CITE)106の、縮尺通りではない概略図である。CITE106は、保護対象コンポーネント(P.C.)100を有害なEMIの影響から保護する手段または技術として、電力線104に沿って意図的に生成された周波数依存のインピーダンスの不整合を導入している。代表的なCITE106が概略的に示されており、より詳細な実施形態が以下に説明され、後続の図に示されている。CITE106は導電性であり(例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、フェライトなどの金属、それらの何らかの組み合わせ、または他の導電性材料で、形成されるかコーティングされる)、電力線104の長さに向かって保護対象コンポーネント(P.C.)100とは反対側を向く第1の側面107を有する。一般に、CITEは、素子の一方の側(「第1の」側面と呼ばれる)が素子と電力線との間の直径比を最大化するように構造化されている。取り付け中、CITEの第1の側面は、保護対象コンポーネントとは反対側を向くように取り付けられる。CITE106の第1の側面107と電力線104の軸方向に隣接する部分との間には、急激なインピーダンスの不整合が存在する。単一のCITEが不要な高周波成分を100%反射するわけではないことに留意する。これを達成するには、図3から図8に示すような、より複雑な構造が必要になるが、以下で説明する。図2から図5は、単一の保護対象コンポーネントを含む電力線の一端を指すことに留意する。さらに、わかりやすくするために信号は電力線から空間的にずらして示されているが、すべての信号は電力線の導体上を伝わることに留意する。 FIG. 2 is a schematic diagram, not to scale, of a protected component 100 (denoted as “P.C.”), a power line 104, and a single conductive impedance transition element (CITE) 106. CITE 106 introduces an intentionally created frequency-dependent impedance mismatch along power line 104 as a means or technique to protect protected component (P.C.) 100 from harmful EMI effects. . A representative CITE 106 is shown schematically, and more detailed embodiments are described below and illustrated in subsequent figures. CITE 106 is electrically conductive (e.g., formed or coated with a metal such as aluminum, copper, stainless steel, ferrite, some combination thereof, or other electrically conductive material) and extends along the length of power line 104. and has a first side 107 facing away from the protected component (P.C.) 100. Generally, CITEs are structured such that one side of the element (referred to as the "first" side) maximizes the diameter ratio between the element and the power line. During installation, the first side of the CITE is installed facing away from the component to be protected. A sharp impedance mismatch exists between the first side 107 of the CITE 106 and the axially adjacent portion of the power line 104 . Note that a single CITE does not reflect 100% of unwanted high frequency components. Achieving this requires a more complex structure, as shown in FIGS. 3-8, and will be explained below. Note that FIGS. 2-5 refer to one end of a power line that includes a single protected component. Additionally, note that although the signals are shown spatially offset from the power lines for clarity, all signals travel on the conductors of the power lines.

潜在的に有害なEMI信号108は、電力線104に影響を与える外部の有害なEMI109(例えば、EMP)によって電力線104上に誘導される(場合によっては、注入される)。信号108は、本明細書では「過渡誘導信号108」とも呼ばれる。電力線104に沿ったCITE106の存在によって導入される意図的なインピーダンスの不整合により、CITE106の第1の側面107は、過渡誘導信号108の第1の部分110を保護対象コンポーネント(P.C.)100から遠ざけるように反射する。反射部分110は、上述の反射により、過渡誘導信号108と比較して極性が反転する。過渡誘導信号108のより小さい振幅の第2の部分112は、保護対象コンポーネント100に向かって伝送される。保護対象コンポーネントから離れて伝送される第1の部分110は、第2の部分より(振幅において)はるかに大きく、その比はインピーダンスの不整合の程度の関数である。図2は、過渡電磁干渉信号の描写、ならびに過渡電磁干渉信号の伝送部分及び反射部分の描写に関して(同様の図と同様に)簡略化されていることを理解されたい。例えば、図2では、過渡誘導信号108及び過渡誘導信号の反射された第1の部分110は、垂直距離によって離間されて示される別個の経路に沿って伝わるように見える。しかし、これらの信号108、110は、実際には、電力線104を含む重複する経路に沿って反対方向に伝わる。さらに、図2(及び同様の図)には、説明を簡略化するために、過渡電磁干渉信号108の代表的な伝送部分及び反射部分のほんの一部のみが示されている。図2の構成は実行可能かつ動作可能ではあるが、好ましい実施形態ではなく、主に例示の目的でここに提供されていることに留意する。 Potentially harmful EMI signals 108 are induced (and in some cases injected) onto power line 104 by external harmful EMI 109 (eg, EMP) impacting power line 104 . Signal 108 is also referred to herein as "transient induced signal 108." Due to the intentional impedance mismatch introduced by the presence of the CITE 106 along the power line 104, the first side 107 of the CITE 106 directs the first portion 110 of the transient induced signal 108 to the protected component (P.C.). Reflect it away from 100. Reflective portion 110 is reversed in polarity compared to transient induced signal 108 due to the reflection described above. A smaller amplitude second portion 112 of the transient induction signal 108 is transmitted toward the protected component 100 . The first portion 110 that is transmitted away from the protected component is much larger (in amplitude) than the second portion, the ratio being a function of the degree of impedance mismatch. It should be appreciated that FIG. 2 is simplified (as are similar figures) with respect to the depiction of the transient electromagnetic interference signal and the depiction of the transmitted and reflected portions of the transient electromagnetic interference signal. For example, in FIG. 2, the transient guidance signal 108 and the reflected first portion of the transient guidance signal 110 appear to travel along separate paths shown separated by a vertical distance. However, these signals 108, 110 actually travel in opposite directions along overlapping paths that include power line 104. Additionally, only a small portion of the representative transmitted and reflected portions of the transient electromagnetic interference signal 108 are shown in FIG. 2 (and similar figures) for ease of illustration. Note that while the configuration of FIG. 2 is feasible and operable, it is not a preferred embodiment and is provided here primarily for illustrative purposes.

電力線104上のCITE106(及び他のCITE)の設計及び配置は、保護対象コンポーネント(P.C.)100の両端に印加される電圧が、そのコンポーネントが動作不能になるという破壊的な結果を回避するのに十分に低いことを保証することを目的としている。上述のように、(CITE106による)周波数依存のインピーダンスの不整合により、保護対象コンポーネント(P.C.)100から離れた電力線に電力を供給する電流の基本周波数での、電力線104上の電圧の反射も回避される。この基本周波数は、通常、例えば、50、60、または400Hzであり得る。 The design and placement of CITE 106 (and other CITEs) on power line 104 ensures that the voltage applied across protected component (P.C.) 100 avoids the destructive consequences of rendering that component inoperable. The objective is to ensure that the As discussed above, frequency-dependent impedance mismatch (according to CITE 106) reduces the voltage on power line 104 at the fundamental frequency of the current powering the power line away from protected component (P.C.) 100. Reflections are also avoided. This fundamental frequency may typically be, for example, 50, 60, or 400Hz.

保護対象コンポーネント(P.C.)100に伝送される過渡誘導信号108の部分112の最大閾値電圧を決定するための1つの有用なガイドラインは、配電網に結合された電気コンポーネントを保護するための基準として世界的に使用される、国境を越えた基準「Basic Insulation Level」(BIL)である。知られているように、システムの機器の絶縁は、インパルス(例えば、雷インパルス)過電圧がサージ保護装置などを通じて放電される前に、特定の最小電圧に耐えるように設計されなければならない。したがって、サージ保護装置の動作電圧レベルは、機器の最低耐電圧レベルよりも低い必要がある。この最小電圧定格は、電気機器のBILまたは基本絶縁レベルとして定義される。多くの場合、電気機器が確実に保護されるように、BILはサージ保護装置の動作電圧レベルより6倍から7倍高くなる。BILの倍数は動作電圧に依存し、動作電圧が上昇するにつれて低下することに留意する。 One useful guideline for determining the maximum threshold voltage of the portion 112 of the transient inductive signal 108 transmitted to the protected component (P.C.) 100 is to The Basic Insulation Level (BIL) is a cross-border standard that is used worldwide. As is known, the equipment insulation of the system must be designed to withstand a certain minimum voltage before impulse (e.g. lightning impulse) overvoltages can be discharged through surge protection devices, etc. Therefore, the operating voltage level of the surge protector must be lower than the minimum withstand voltage level of the equipment. This minimum voltage rating is defined as the electrical equipment's BIL or basic insulation level. In many cases, the BIL is 6 to 7 times higher than the operating voltage level of the surge protector to ensure that the electrical equipment is protected. Note that the multiple of BIL depends on the operating voltage and decreases as the operating voltage increases.

したがって、1つまたは複数のCITEは、CITE(複数可)を通過して保護対象機器(P.C.)100に到達する部分112が、その機器のBIL定格(または何らかの設定された基準もしくは閾値)内に収まるように、保護対象機器(P.C.)100に十分に近接して配置される。 Accordingly, one or more CITEs may be used to ensure that the portion 112 passing through the CITE(s) to the protected equipment (P.C.) 100 is determined by the BIL rating (or some set standard or threshold) of that equipment. ) is placed sufficiently close to the protected equipment (P.C.) 100 such that the

また、本明細書で説明するように、保護対象コンポーネント(P.C.)100は、幅広い用途にわたって任意の数の異なる形態をとり得る。例えば、保護対象コンポーネント(P.C.)100は、住居(住宅)またはそのサブコンポーネントの形態であってもよいし、変電所または発電機などの産業用電力機器の形態であってもよい。 Additionally, as described herein, protected component (P.C.) 100 may take any number of different forms across a wide range of applications. For example, the protected component (P.C.) 100 may be in the form of a dwelling or a subcomponent thereof, or may be in the form of industrial power equipment such as a substation or a generator.

図3は、2つのCITE120、122が結合される電力線104の別の実施形態を示す。CITE120、122のそれぞれは、保護対象コンポーネント(P.C.)100から離れる方向を向く第1の側面と、保護対象コンポーネント(P.C.)100に向かう方向を向く第2の側面とを有する。CITE120の第1の側面及びCITE122の第1の側面は、電力線104の部分を挟んで互いに向かい合い、過渡誘導信号のエネルギーを放散するための減衰共振器125を形成する。過渡誘導信号126は、外部の有害なEMI127によって電力線104上に誘導される。過渡誘導信号126の一部は、伝送部分128としてCITE122を通って左に通過する。過渡誘導信号の別の一部は、反射部分134としてCITE122の第2の側面から反射される。CITE122を通過する伝送部分128の一部は、反射部分130としてCITE120の第1の側面から右側に反射される。反射部分130の一部は、伝送部分131としてCITE122を通過する。伝送部分128の別の一部は、伝送部分132としてCITE120を通って左側に通過する。有害なEMI127の受信から、誘導信号126及び伝送部分128、132を介した保護対象コンポーネント100への信号の伝送部分は、破線のボックス150で囲まれている。 FIG. 3 shows another embodiment of a power line 104 where two CITEs 120, 122 are coupled. Each of the CITEs 120, 122 has a first side facing away from the protected component (P.C.) 100 and a second side facing towards the protected component (P.C.) 100. . A first side of CITE 120 and a first side of CITE 122 face each other across a portion of power line 104 to form a damped resonator 125 for dissipating the energy of the transient induced signal. A transient induced signal 126 is induced onto the power line 104 by external harmful EMI 127. A portion of the transient induced signal 126 passes to the left through the CITE 122 as a transmission portion 128. Another portion of the transient induced signal is reflected from the second side of CITE 122 as reflected portion 134. A portion of transmit portion 128 that passes through CITE 122 is reflected to the right from a first side of CITE 120 as reflective portion 130 . A portion of reflective portion 130 passes through CITE 122 as transmitting portion 131 . Another portion of transmission section 128 passes to the left through CITE 120 as transmission section 132. The transmission portion of the signal from the reception of the harmful EMI 127 to the protected component 100 via the inductive signal 126 and transmission portions 128, 132 is surrounded by a dashed box 150.

反射部分130の一部は、さらなる反射部分136としてCITE122の第1の側面から左側に反射される。反射部分136の一部は、伝送部分140としてCITE120を通って左側に通過する。反射部分136の別の一部は、さらなる反射部分138としてCITE120の第1の側面から右側に反射される。信号が反射されると、さらなる反射部分が入射部分と比較して減衰する。例えば、反射部分138は、反射部分136と比較して減衰する。反射部分138の一部は、伝送部分142としてCITE122を通って右側に通過する。外部の有害なEMI127の部分から始まり、電力線126上の誘導信号、最初にCITE122を介して伝送される信号126の部分128、及びCITE120を介して伝送される信号128の部分132を含む誘導信号の主な伝送成分は、破線の長方形のボックス150で囲まれている。「左」及び「右」という用語は、図3に示されるシステム、及び部品の相対的な配置ならびにさまざまな信号の相対的な進行方向を説明する際の便宜のためにのみ使用されることが理解されるであろう。 A portion of the reflective portion 130 is reflected to the left from the first side of the CITE 122 as a further reflective portion 136 . A portion of reflective portion 136 passes to the left through CITE 120 as transmitting portion 140. Another portion of reflective portion 136 is reflected to the right from the first side of CITE 120 as a further reflective portion 138 . When a signal is reflected, the further reflected portion is attenuated compared to the incident portion. For example, reflective portion 138 is attenuated compared to reflective portion 136. A portion of reflective portion 138 passes to the right through CITE 122 as transmitting portion 142. of the induced signal, starting from a portion of the external harmful EMI 127, including the induced signal on the power line 126, a portion 128 of the signal 126 initially transmitted through the CITE 122, and a portion 132 of the signal 128 transmitted through the CITE 120. The main transmitted components are surrounded by a dashed rectangular box 150. The terms "left" and "right" are used only for convenience in describing the system shown in FIG. 3 and the relative placement of components and relative directions of travel of the various signals. It will be understood.

本明細書で説明するように、CITE120、122は、所定の距離だけ互いに離間することができ、その値は、電力線104の種類などのいくつかの動作パラメータに依存する。以下に説明するように、CITEは、CITEを互いに離間した望ましい距離に自動的に配置する内部スペーサまたはガイドを提供するように構築され得る。 As described herein, CITEs 120, 122 may be spaced apart from each other by a predetermined distance, the value of which depends on several operating parameters, such as the type of power line 104. As described below, the CITEs may be constructed to provide internal spacers or guides that automatically position the CITEs at a desired distance apart from each other.

図3及び前述の段落から、最初の伝送部分がさらなる反射部分のカスケードを引き起こすこと、具体的には、伝送部分128が反射部分130を生じさせ、これがさらなる反射部分136を生じさせ、さらに、反射部分136がさらなる反射部分138を生じさせることを理解されたい。図3は、強度が連続的に減少していく反射部分のそれぞれを概略的に示す。その結果、CITE120及び122は、有害なEMIへの曝露によって生じる過渡誘導信号のエネルギーを無害に放散するための減衰共振器125を形成する。 From FIG. 3 and the previous paragraph, it can be seen that the initial transmitted portion causes a cascade of further reflected portions, specifically, the transmitted portion 128 gives rise to a reflected portion 130 which gives rise to a further reflected portion 136, which in turn gives rise to a reflected portion 130. It should be appreciated that portion 136 creates an additional reflective portion 138. FIG. 3 schematically depicts each of the reflective sections with successive decreases in intensity. As a result, CITEs 120 and 122 form a damped resonator 125 for harmlessly dissipating the energy of transient induced signals caused by exposure to harmful EMI.

図3では、信号131、134、及び142は、CITE122から電力線104に沿って右側に進み、そこでそれらのエネルギーが電力線内で熱として無害に放散される。減衰共振器125内では、過渡誘導信号126の一部の減衰共鳴反射も、電力線104内で熱として無害に放散される。CITE120から保護対象コンポーネント100に向けられた部分132及び140のそれぞれの電圧は、保護対象コンポーネント100が動作不能及び/または損傷することを避けるために十分に低く保たれる。CITEの間隔によって、建設的干渉または破壊的干渉が可能になることを理解されたい。しかし、当業者には、対象となる周波数での建設的干渉を回避すべきであることは明らかであろう(上記の建設的干渉と破壊的干渉についての議論を参照)。 In FIG. 3, signals 131, 134, and 142 travel from CITE 122 to the right along power line 104 where their energy is harmlessly dissipated as heat within the power line. Within the damped resonator 125, some damped resonant reflections of the transient induced signal 126 are also harmlessly dissipated as heat within the power line 104. The voltage on each of portions 132 and 140 directed from CITE 120 to protected component 100 is kept sufficiently low to avoid inoperability and/or damage to protected component 100. It should be understood that the CITE spacing allows for constructive or destructive interference. However, it will be clear to those skilled in the art that constructive interference at the frequencies of interest should be avoided (see discussion of constructive and destructive interference above).

図3に示される実施形態では、外部EMIがCITE120、122の両方の右側に信号を誘導する。図4は、有害なEMIがCITE120、122の間の電力線の一部を攻撃する別のシナリオの概略図である。図4は、図3のボックス150との比較の基礎として、破線のボックス150a内の伝送部分を示す。図示の通り、図4では、図3とは異なり、示された有害なEMIがCITE120と122との間の電力線の部分で受信されている。過渡電磁信号160は、有害なEMI162によって電力線104上に誘導され、信号の伝送部分165はCITE120を通過して電気コンポーネント(図4には図示せず)に向かう。 In the embodiment shown in FIG. 3, external EMI induces signals to the right side of both CITEs 120, 122. FIG. 4 is a schematic diagram of another scenario in which harmful EMI attacks a portion of the power line between CITEs 120, 122. FIG. 4 shows the transmission portion within dashed box 150a as a basis for comparison with box 150 of FIG. As shown, in FIG. 4, unlike FIG. 3, the harmful EMI shown is received on the portion of the power line between CITEs 120 and 122. A transient electromagnetic signal 160 is induced onto power line 104 by harmful EMI 162, and a transmission portion 165 of the signal passes through CITE 120 to an electrical component (not shown in FIG. 4).

一般に、保護対象コンポーネント(P.C.)100と第1のCITE(すなわち、120)との間の電力線104の長さを実用的である限り短く保つことが望ましい。外部の有害なEMIからの影響の確率は、露出した電力線の長さに比例するため、これにより、前述の電力線104の長さが過渡電磁信号(誘導信号)に露出することが制限され、その結果、この長さが外部の有害なEMIによる影響を受ける可能性が制限される。一例として、電力線が第1の変圧器と第2の変圧器の間に延びる場合、CITEの第1のセットが第1の変圧器に近接して配置され、CITEの第2のセットが第2の変圧器に近接して配置され、CITEの両方のセットが本明細書に記載される方法で第1及び第2の変圧器を保護するように、1つまたは複数の、好ましくは複数のCITEが電力線の両端に配置される必要がある。もちろん、変圧器の代わりに、電力線の端を、本明細書で説明する例示的なものや他のものなど、任意の保護対象電気コンポーネントに接続し得ることが理解されるであろう。 It is generally desirable to keep the length of the power line 104 between the protected component (P.C.) 100 and the first CITE (i.e., 120) as short as practical. Since the probability of influence from external harmful EMI is proportional to the length of the exposed power line, this limits the length of the aforementioned power line 104 from being exposed to transient electromagnetic signals (inductive signals) and As a result, the possibility that this length will be affected by external harmful EMI is limited. As an example, if a power line extends between a first transformer and a second transformer, a first set of CITEs is placed proximate the first transformer and a second set of CITEs is placed proximate the first transformer. one or more, preferably a plurality of CITEs, such that both sets of CITEs protect the first and second transformers in the manner described herein. must be placed at both ends of the power line. Of course, it will be appreciated that instead of a transformer, the end of the power line may be connected to any protected electrical component, such as the exemplary ones described herein or others.

図5は、過渡電磁妨害から生じる過渡誘導信号から電気コンポーネントを保護するために、3つのCITEが電力線104に結合される本開示の別の実施形態の概略図である。この実施形態では、CITE170、172、174は、2つの減衰共振器、CITE170と172との間の第1の共振器178、及びCITE172と174との間の第2の共振器179を形成する。 FIG. 5 is a schematic diagram of another embodiment of the present disclosure in which three CITEs are coupled to a power line 104 to protect electrical components from transient induced signals resulting from transient electromagnetic interference. In this embodiment, CITEs 170, 172, 174 form two damped resonators, a first resonator 178 between CITEs 170 and 172, and a second resonator 179 between CITEs 172 and 174.

図5では、上記と同じ規則が適用され、CITE170、172、174は、保護対象コンポーネント(P.C.)100から離れる方向を向く第1の側面と、保護対象コンポーネント(P.C.)100に向かう方向を向く第2の側面とを有する。 In FIG. 5, the same rules as above apply, and the CITEs 170, 172, 174 have a first side facing away from the protected component (P.C.) 100 and a protected component (P.C.) 100. and a second side face facing in the direction.

図5では、外部の有害なEMI182は、電力線104上に信号180を誘導または注入する。信号180の一部は、CITE174の第1の側面で反射部分184として右側に反射される。過渡電磁(誘導または注入)信号180のさらなる部分は、伝送部分186としてCITE174を通って左側に伝送される。次に、伝送部分186の一部はCITE172の第1の側面に到達し、反射部分188としてまた右側に反射される。伝送部分186の別の一部は、伝送部分187としてCITE172を通って左側に通過する。伝送部分187の一部は、CITE170を介して伝送信号198としてさらに伝送される。振幅に関して、伝送部分186は伝送部分187よりも大きな振幅を有し、伝送部分187は部分198よりも大きな振幅を有することにさらに留意されたい。伝送部分187の別の一部は、CITE170によって反射部分195として右側に反射される。反射部分188がCITE174の第2の側面に到達すると、信号の第1の部分は信号190として伝送され、第2の部分は信号192として左側に反射される。左側に向かう信号192の第1の部分は信号194としてCITE172を介して伝送され、信号192の第2の部分は信号196としてCITE172の第1の側面で反射される。信号194がCITE170の第1の側面に到達すると、信号の第1の部分は信号200として反射され、第2の部分は伝送部分202としてCITE170を介して伝送される。さらに、信号196がCITE174の第2の側面に到達すると、信号の一部が伝送部分197としてCITE174を介して伝送される。 In FIG. 5, external harmful EMI 182 induces or injects signal 180 onto power line 104. In FIG. A portion of signal 180 is reflected off the first side of CITE 174 to the right as reflected portion 184 . A further portion of the transient electromagnetic (inductive or injected) signal 180 is transmitted to the left through the CITE 174 as a transmission portion 186. A portion of transmit portion 186 then reaches the first side of CITE 172 and is reflected back to the right side as reflective portion 188. Another portion of transmission portion 186 passes to the left through CITE 172 as transmission portion 187. A portion of the transmission portion 187 is further transmitted as a transmission signal 198 via the CITE 170 . It is further noted that with respect to amplitude, transmit portion 186 has a larger amplitude than transmit portion 187, which in turn has a larger amplitude than portion 198. Another portion of transmit portion 187 is reflected to the right by CITE 170 as reflective portion 195 . When reflected portion 188 reaches the second side of CITE 174, the first portion of the signal is transmitted as signal 190 and the second portion is reflected to the left as signal 192. A first portion of signal 192 to the left is transmitted through CITE 172 as signal 194 and a second portion of signal 192 is reflected off the first side of CITE 172 as signal 196. When signal 194 reaches the first side of CITE 170, a first portion of the signal is reflected as signal 200 and a second portion is transmitted through CITE 170 as transmission portion 202. Furthermore, when the signal 196 reaches the second side of the CITE 174, a portion of the signal is transmitted through the CITE 174 as a transmission portion 197.

部分198及び202のそれぞれの電圧は、保護対象コンポーネント(P.C.)100が動作不能になるのを避けるために十分に低く保たれる最終的な伝送部分である。伝送部分184、190、197はCITE122から右側に向けられ、そのエネルギーを熱として電力線104に沿って放散する。 The voltage on each of sections 198 and 202 is the final transmission section that is kept sufficiently low to avoid rendering protected component (P.C.) 100 inoperable. Transmission portions 184 , 190 , 197 are directed to the right from CITE 122 and dissipate that energy as heat along power line 104 .

図5では、2つの減衰共振器178及び179の使用により、図3に示される単一の減衰共振器125の使用と比較して、過渡電磁干渉信号のより多くのエネルギーの放散が可能になるが、これは、CITE間での反射信号及び伝送信号の通過回数が多くなり、電力線に沿って熱放散が増加するためである。したがって、減衰共振器の複数のペアの使用は、保護対象コンポーネント100に到達する過渡誘導信号の任意の部分を最小限に抑えるのに役立つ可能性がある。CITE構造がヒートシンクとして機能することはあっても、それ自体がヒートシンクとして機能することを意図したものではないことが理解されよう。むしろ、熱は、放射プロセスによって電力線104自体によって放散されることが予想される。 In FIG. 5, the use of two damped resonators 178 and 179 allows more energy to be dissipated in the transient electromagnetic interference signal compared to the use of a single damped resonator 125 shown in FIG. However, this is due to the increased number of passes of reflected and transmitted signals between CITEs and increased heat dissipation along the power line. Accordingly, the use of multiple pairs of damped resonators may help minimize any portion of transient induced signals reaching the protected component 100. It will be appreciated that although the CITE structure may function as a heat sink, it is not intended to function as a heat sink itself. Rather, heat is expected to be dissipated by the power line 104 itself by a radiative process.

図6は、本開示によるCITEが、第1の保護対象コンポーネント201及び右端に第2の保護対象コンポーネント203を有する電力線上で使用される、別の実施形態の概略図である。したがって、図2から図5とは対照的に、図6から図8は電力線の両端を示しており、それぞれが各保護対象コンポーネント201、203を有する。図6の例示的な実施形態では、第1及び第2の保護対象コンポーネントは変圧器である。それらは同様に(上で定義したような)他のコンポーネントであり得ることを理解されたい。図6では、可変CITE素子230が、保護対象コンポーネント201に関連付けられたCITE及びCITEグループの可変数(1からN)を表し、可変CITE素子232は、保護対象コンポーネント203に関連付けられたCITEの可変数n(1からN)を表す。さらに、可変CITE素子230が、可変CITEの個々の素子(1からN)を示すために右側に独立して示されている。素子230、232のそれぞれは、素子内のCITEの数から1を引いた数(n-1)に等しい数の隣接する減衰共振器を含む。例えば、1、2、3の番号が付けられた3つのCITEが電力線上に直列に配置されている場合、CITE1と2の間に1つの減衰共振器が存在し、CITE2と3の間には別の減衰共振器が存在することになる。図6に示される例では、共振器235-1は、例示的な可変CITE素子であるCITE1と2の間に配置され、共振器235-2はCITE2と3の間に配置される。 FIG. 6 is a schematic diagram of another embodiment in which a CITE according to the present disclosure is used on a power line having a first protected component 201 and a second protected component 203 at the far right. Thus, in contrast to FIGS. 2-5, FIGS. 6-8 show opposite ends of the power line, each with a respective protected component 201, 203. In the exemplary embodiment of FIG. 6, the first and second protected components are transformers. It should be understood that they can be other components (as defined above) as well. In FIG. 6, variable CITE element 230 represents a variable number (1 to N) of CITEs and CITE groups associated with protected component 201, and variable CITE element 232 represents a variable number of CITEs and CITE groups associated with protected component 203. Represents a variable n (1 to N). Additionally, the variable CITE elements 230 are shown separately on the right to indicate the individual elements (1 through N) of the variable CITE. Each of elements 230, 232 includes a number of adjacent damped resonators equal to the number of CITEs in the element minus one (n-1). For example, if three CITEs numbered 1, 2, and 3 are placed in series on a power line, there will be one damped resonator between CITEs 1 and 2, and one damped resonator between CITEs 2 and 3. Another damped resonator will be present. In the example shown in FIG. 6, resonator 235-1 is located between exemplary variable CITE elements CITE1 and 2, and resonator 235-2 is located between CITE2 and 3.

図7は、1つまたは複数のCITEを含む可変CITE素子を設置するためのより多くの場所を含む、図6と同様の別の実施形態の概略図である。例えば、素子240、242、244、246、248、250、252、254は、保護対象コンポーネント100、102の間で電力線104に結合される。再び、可変CITE素子240から254のそれぞれは、1からN個のCITEを含み得る。図7は、可変CITE素子240から252のそれぞれが、CITEの数から1を引いた数(n-1)に等しい数の、隣接する減衰共振器を含むことを示す凡例を有する。図7に示す例では、共振器235-3は例示的な可変CITE素子のCITE1と2の間に現れ、共振器235-4はCITE2と3の間に現れる。図7に示す配置で組み合わせ得る多数のCITEは、有害なEMIによって誘導される任意の信号を放散するために多数の減衰共振器を提供し得る。例えば、電力線上で互いに近接して位置する可変CITE素子240及び242が、それぞれ3つのCITEを含む場合、素子240、242の一般的な位置におけるCITEの総数は6つのCITEとなり、その間に5つの減衰共振器を提供することになる。 FIG. 7 is a schematic diagram of another embodiment similar to FIG. 6, including more locations for installing variable CITE elements that include one or more CITEs. For example, elements 240, 242, 244, 246, 248, 250, 252, 254 are coupled to power line 104 between protected components 100, 102. Again, each of variable CITE elements 240-254 may include 1 to N CITEs. FIG. 7 has a legend indicating that each variable CITE element 240-252 includes a number of adjacent damped resonators equal to the number of CITEs minus one (n-1). In the example shown in FIG. 7, resonator 235-3 appears between CITE1 and 2 of the exemplary variable CITE element, and resonator 235-4 appears between CITE2 and 3. The multiple CITEs that may be combined in the arrangement shown in FIG. 7 may provide multiple damped resonators to dissipate any signals induced by harmful EMI. For example, if variable CITE elements 240 and 242 located close to each other on a power line each include three CITEs, the total number of CITEs in the general location of elements 240, 242 would be six CITEs, with five CITEs between them. This will provide a damped resonator.

図8は、CITEが電力線104に沿って3つのグループで配置される、別の実施形態の概略図である。グループ内のCITEは、互いに比較的近接して配置される(例えば、約1センチメートルから10,000センチメートルの間)。この間隔を、以下グループ内間隔と呼ぶ。CITE260、261、及び262が第1のグループを形成する。CITE265、266、及び267は第2のグループを形成する。CITE270、271、及び272は第3のグループを形成する。CITE275、276、277は第4のグループを形成する。前述の3つのCITEのグループのそれぞれは、グループ内間隔と比較してより大きなグループ間距離で、3つのCITEの隣接するグループから離間され得る。グループ内間隔及びグループ間距離は、当業者には知られているように、相対論的速度を達成するために必要な電圧レベルと比較した実際の電圧によって決定される光の速度の一部である、電力線上の誘導信号の速度によって決定される建設的干渉の生成を回避するために選択される。真空での光の速度はナノ秒あたり約1フィートであることに留意する。ここで考えられるタイプの送電線(例えば、線104)では、電磁波の速度は、多くの物理的考慮事項に応じて、1.25から7ナノ秒当たり約1フィート程度遅くなる。送電線上の電磁波の速度低下に基づいて、各CITE間の減衰共振器の間隔を選択すると、各CITE間の減衰共振器の最適な距離が得られる。いくつかの実施形態では、共振器間の間隔は約800フィートから約1200フィートである。しかしながら、この範囲は本質的に単に例示的なものであり、限定的なものではないことが理解されるであろう。このタイプの送電線におけるパルスの伝播はよく知られており、電磁パルス理論の教科書で説明されている。 FIG. 8 is a schematic diagram of another embodiment in which CITEs are arranged in three groups along a power line 104. CITEs within a group are placed relatively close to each other (eg, between about 1 centimeter and 10,000 centimeters). This interval is hereinafter referred to as the intra-group interval. CITEs 260, 261, and 262 form the first group. CITEs 265, 266, and 267 form the second group. CITEs 270, 271, and 272 form a third group. CITE 275, 276, 277 form the fourth group. Each of the aforementioned groups of three CITEs may be separated from adjacent groups of three CITEs by a greater inter-group distance compared to the intra-group spacing. Intragroup spacing and intergroup distance are, as known to those skilled in the art, the fraction of the speed of light determined by the actual voltage compared to the voltage level required to achieve relativistic speed. is chosen to avoid producing constructive interference, which is determined by the speed of the induced signal on the power line. Note that the speed of light in a vacuum is approximately 1 foot per nanosecond. For power transmission lines of the type contemplated herein (eg, line 104), the speed of electromagnetic waves slows down by about 1 foot per 1.25 to 7 nanoseconds, depending on many physical considerations. Selecting the spacing of the damped resonators between each CITE based on the slowing down of the electromagnetic waves on the transmission line provides the optimal distance of the damped resonators between each CITE. In some embodiments, the spacing between resonators is about 800 feet to about 1200 feet. However, it will be understood that this range is merely exemplary in nature and not restrictive. Pulse propagation in this type of transmission line is well known and explained in textbooks on electromagnetic pulse theory.

図8は、さらに、グループ内(すなわち、第1のグループの235-5及び235-6、第2のグループの235-8及び235-9、第3のグループの235-11及び235-12、第4のグループの235-14及び235-15)、ならびにグループ間(すなわち、235-7、235-10、235-13)の隣接する減衰共振器を示す。 FIG. 8 further shows that within the groups (i.e., 235-5 and 235-6 in the first group, 235-8 and 235-9 in the second group, 235-11 and 235-12 in the third group, 235-14 and 235-15) of the fourth group, as well as adjacent damped resonators between the groups (ie, 235-7, 235-10, 235-13).

減衰共振器のCITEのペアは、別の減衰共振器のCITEの別のペア内にネストされ得る。例えば、図8では、第1のグループのCITE262及び第2のグループのCITE265は、その間に共振器235-7を画定するが、第1のグループのCITE261と第2のグループのCITE266は、共振器235-7を含む大きな共振器235-15を画定すると考えることができる。前述の方法でCITEをネストすることにより、過渡誘導信号の減衰の程度が増大する。これにより、システムを設計する便利な方法が得られる。システムが保護するように設計されている誘導信号の最大振幅を取得し、それを減衰共振器のCITEのネストされたペアごとの減衰係数で割って、必要なネストされたセットの数を取得する。 A pair of CITEs of a damped resonator may be nested within another pair of CITEs of another damped resonator. For example, in FIG. 8, a first group of CITEs 262 and a second group of CITEs 265 define a resonator 235-7 therebetween, whereas a first group of CITEs 261 and a second group of CITEs 266 define a resonator 235-7 between them. It can be thought of as defining a large resonator 235-15 containing 235-7. By nesting CITEs in the manner described above, the degree of attenuation of transient induced signals is increased. This provides a convenient way to design the system. Take the maximum amplitude of the induced signal that the system is designed to protect and divide it by the damping coefficient for each nested pair of damped resonators' CITE to get the number of nested sets required .

従来のローパスフィルタとの比較
さらに、本開示のCITEは、従来のローパスフィルタと比較して有用な特性を有する。本開示のCITEは、電気的には、低Q値のローパスフィルタとして説明され得る。Q値はリアクタンスと抵抗の比であり、発振器または共振器の減衰がどの程度であるかを表し、中心周波数に対する共振器の帯域幅を特徴付ける。Q値が高いほど、共振器の蓄積エネルギーに比べてエネルギー損失率が低いことを示し、振動は、よりゆっくりと消える。通常、フィルタは可能な限り高いQ値を有するように設計されるが、本発明は、フィルタによって捕捉されたエネルギーをフィルタによって散逸させるのに最適な構成であるため、特に低いQ値に対して最適化される。さらに、本発明のCITEは、CITEが非共振設計を有し、アクロマティックで動作し、特有で固有の周波数応答曲線を有するという点で、従来のローパスフィルタとは区別される。従来のフィルタが熱として内部にエネルギーを吸収するように設計されているのに対し、CITEは不要なエネルギーの一部を反射するように設計されていることが理解できよう。
Comparison with Conventional Low-Pass Filters Furthermore, the CITE of the present disclosure has useful characteristics compared to conventional low-pass filters. Electrically, the CITE of the present disclosure can be described as a low-Q low-pass filter. The Q factor is the ratio of reactance to resistance, which describes how damped an oscillator or resonator is, and characterizes the bandwidth of the resonator relative to the center frequency. A higher Q value indicates a lower rate of energy loss compared to the stored energy in the resonator, and the vibrations die out more slowly. Typically, filters are designed to have as high a Q value as possible, but the present invention provides an optimal configuration for dissipating the energy captured by the filter, especially for low Q values. Optimized. Furthermore, the CITE of the present invention is distinguished from conventional low-pass filters in that the CITE has a non-resonant design, operates achromatically, and has a unique and unique frequency response curve. It can be seen that while conventional filters are designed to absorb energy internally as heat, CITE is designed to reflect some of the unwanted energy.

従来のローパスフィルタは通常、インダクタ、コンデンサ、及び抵抗器を使用してさまざまなタイプの共振回路を形成する。これらのタイプのコンポーネントをさまざまに組み合わせて使用することで、ほぼすべての伝達関数のフィルタを構築できる。このアプローチの問題は、50から60ヘルツで従来のAC電圧と電流で動作する一般的な送電及び配電システムでは、個々のコンポーネントが非常に大きく、扱いにくく、高価になることである。本発明は、インダクタ、コンデンサ、または抵抗器の使用を回避し、代わりに著しく不整合な導電性インピーダンス遷移素子(CITE)と置き換えることによってこの問題を解決する。本開示のCITEは、単に信号の不要な部分を吸収する、インダクタ、コンデンサ及び/または抵抗器の任意の組み合わせで構成される同調共振電子回路の使用とは対照的に、選択的なインピーダンスの不整合を使用して信号の不要な部分の反射を生成するため、従来のローパスフィルタ設計とは区別される。 Conventional low-pass filters typically use inductors, capacitors, and resistors to form various types of resonant circuits. By using various combinations of these types of components, you can build filters for almost any transfer function. The problem with this approach is that in typical power transmission and distribution systems operating with conventional AC voltages and currents at 50 to 60 hertz, the individual components are very large, cumbersome, and expensive. The present invention solves this problem by avoiding the use of inductors, capacitors, or resistors and instead replacing them with highly mismatched conductive impedance transition elements (CITEs). The CITE of the present disclosure provides selective impedance impedance, as opposed to the use of tuned resonant electronic circuits comprised of any combination of inductors, capacitors, and/or resistors that simply absorb unwanted portions of the signal. It is distinguished from traditional low-pass filter designs because it uses matching to generate reflections of unwanted portions of the signal.

本発明のCITEは、約1メガヘルツ未満の周波数が妨げられずに通過し、より高い周波数が選択的に減衰されるという点で、よりアクロマティックな周波数応答を提供する。従来のフィルタ設計の場合のように成分値を変更する必要がなく、周波数が高くなるほど減衰係数も高くなる。複数の減衰共振器を使用すると、高周波成分の減衰がさらに大きくなる。本明細書で説明する設計方法は、ほぼ階段関数の周波数応答を提供する。 The CITE of the present invention provides a more achromatic frequency response in that frequencies below about 1 megahertz pass unhindered and higher frequencies are selectively attenuated. There is no need to change component values as in conventional filter designs, and the higher the frequency, the higher the attenuation coefficient. Using multiple damped resonators further increases the attenuation of high frequency components. The design method described herein provides an approximately step function frequency response.

ローパスフィルタは、サイズが大きく関連するコンポーネントのコストが大きいため、歴史的に落雷抑制には使用されていないことに留意する。 Note that low-pass filters have not historically been used for lightning suppression due to their large size and associated component cost.

低「Q」、すなわち品質係数が低い(Q<1/2)システムは、過減衰していると言われる。このようなシステムは振動に十分耐えられないが、平衡定常状態出力から外れると、指数関数的減衰によって平衡定常状態出力に戻り、漸近的に定常状態の値に近づく。これは、異なる減衰率を有する2つの減衰指数関数の合計であるインパルス応答を有する。品質係数が減少するにつれて、より遅い減衰モードがより速いモードに比べて強くなり、システムの応答を支配し、結果としてシステムが遅くなる。非常に低い品質係数を有する2次ローパスフィルタは、ほぼ1次のステップ応答を有する。システムの出力は、漸近線に向かってゆっくりと上昇することによってステップ入力に応答する。 A system with a low "Q", ie, a low quality factor (Q<1/2), is said to be overdamped. Such a system does not tolerate vibration well, but when it departs from the equilibrium steady-state output, it returns to the equilibrium steady-state output by exponential decay, approaching the steady-state value asymptotically. It has an impulse response that is the sum of two decaying exponential functions with different decay rates. As the quality factor decreases, the slower decay modes become stronger compared to the faster modes and dominate the system response, resulting in a slower system. A second order low pass filter with a very low quality factor has an approximately first order step response. The output of the system responds to the step input by slowly rising toward an asymptote.

E1パルスに関連して本発明に適用されるように、トラップされたEMPまたは他の過渡電磁妨害からの不要なエネルギーを減衰共振器(複数可)内で消滅させ、熱として放散させるため、低Q値を有するフィルタが望ましい。E1パルスのパルス幅は通常500ナノ秒未満と非常に短いため、装置のQ値をさらに下げるために複数の減衰共振器を使用することが望ましい。 As applied to the present invention in connection with the E1 pulse, a low A filter with a Q value is desirable. Since the pulse width of the E1 pulse is very short, typically less than 500 nanoseconds, it is desirable to use multiple damped resonators to further reduce the Q factor of the device.

CITEの実施形態
本明細書で説明するように、本システムのコンポーネントの1つは、インピーダンス遷移素子(CITE)であり、通常、好ましくは少なくとも2つのCITEのセットで配置される。
CITE Embodiments As described herein, one of the components of the present system is an impedance transition element (CITE), typically arranged in sets of at least two CITEs.

したがって、減衰共振器の片面を形成する導電性インピーダンス遷移素子(CITE)は、それが取り囲む電力線よりも直径が大きい導電性ディスクとして実装することができ、導電性ディスクは電力線に電気的に結合される。前述のように、結果として生じる、CITEと電力線の隣接部分との間の直径の差異により、CITEと電力線の隣接部分との間のインピーダンスの不整合の比率の結果として、過渡電磁(誘導)信号の高周波に対して高いVSWRを示す構造が作成される。 Thus, the conductive impedance transition element (CITE) forming one side of the damped resonator can be implemented as a conductive disk with a larger diameter than the power line it surrounds, and the conductive disk is electrically coupled to the power line. Ru. As previously mentioned, the resulting diameter difference between the CITE and the adjacent portion of the power line causes transient electromagnetic (inductive) signals as a result of the ratio of impedance mismatch between the CITE and the adjacent portion of the power line. A structure is created that exhibits high VSWR for high frequencies.

本開示によるCITEの例示的な一実施形態及びその一部について、図9から図15に関連して説明する。図9は、CITE300の片面の平面図である。CITE300は、全体としてディスク状に形成されており、中央穴302の形状の開口部を有している。CITE300は、第1の(例えば、上部)部分305及び第2の(例えば、下部)部分310が、2つの部分305、310が少なくとも部分的に相互に離間される開位置と、図9に示される閉位置との間で移動できるように、ヒンジ素子315によって結合された、第1の部分305及び第2の部分310から形成される。 An exemplary embodiment of CITE and portions thereof according to the present disclosure will be described in connection with FIGS. 9-15. FIG. 9 is a plan view of one side of the CITE 300. CITE 300 is generally disk-shaped and has an opening in the shape of a central hole 302 . CITE 300 is shown in FIG. 9 with first (e.g., upper) portion 305 and second (e.g., lower) portion 310 in an open position in which the two portions 305, 310 are at least partially spaced apart from each other. It is formed from a first portion 305 and a second portion 310 joined by a hinge element 315 for movement between a closed position and a closed position.

図9に示すように、CITE300は、図示のようにトロイダル形状を有し得る外周部分と、中間部分と、中央穴302が形成される中央部分とを有する。CITE300が、第1の部分305と第2の部分310によって画定されるため、これらの部分のそれぞれは、外周部分と、中間部分と、中央部分とを有する。したがって、外周部分は、コロナ放電を除去及び/または制御することを目的とする、丸みを帯びた縁を含む。 As shown in FIG. 9, CITE 300 has an outer peripheral portion that may have a toroidal shape as shown, a middle portion, and a central portion in which a central hole 302 is formed. Since CITE 300 is defined by first portion 305 and second portion 310, each of these portions has a peripheral portion, a middle portion, and a central portion. The outer peripheral portion therefore includes rounded edges intended to eliminate and/or control corona discharge.

図示の実施形態では、上部コンポーネントは幅が増大した外周部分312を有し、下部コンポーネントは幅が増大した対応する外周部分313を有する。一実施態様では、外周部分312はトーラスの約1/2であり、外周部分313も同様にトーラスの約半分であり、その結果、2つの部分312、313が組み合わされると、CITE300の外周に沿ってほぼトロイダル形状を画定する。換言すれば、これらの部分312、313は丸みを帯びた表面を有する。312及び313の内面は、穴を開けてこれらの素子に含まれる電源導体との電気的接触を増加させるために、テクスチャー加工されているか、または均等なスパイク形状であり得ることに留意する(図9から図11には示されていないが、図12から図15に示されている)。 In the illustrated embodiment, the top component has a peripheral portion 312 of increased width and the bottom component has a corresponding peripheral portion 313 of increased width. In one implementation, perimeter portion 312 is approximately 1/2 of a torus, and perimeter portion 313 is likewise approximately half a torus, such that when the two portions 312, 313 are combined, they extend along the perimeter of CITE 300. to define an almost toroidal shape. In other words, these portions 312, 313 have rounded surfaces. Note that the inner surfaces of 312 and 313 may be textured or even spike-shaped to perforate and increase electrical contact with the power conductors contained in these elements (Fig. 9 to 11, but shown in FIGS. 12 to 15).

第1の部分305は、外周部分312に対して凹んだ中間部分314を有し、第2の部分310は、外周部分313に対して凹んだ対応する中間部分315を有する。外周部分のトロイダル形状と比較して、中間部分312、314は平面形状であり得、一般に半円形状を有する。 The first portion 305 has an intermediate portion 314 that is recessed relative to the outer circumferential portion 312 and the second portion 310 has a corresponding intermediate portion 315 that is recessed relative to the outer circumferential portion 313. Compared to the toroidal shape of the outer circumferential portion, the intermediate portions 312, 314 may be planar in shape and generally have a semicircular shape.

第1の部分305は、保護対象コンポーネントに面するCITEの第2の側面に位置する突出締結ハブ316(図9の図ではページの外に延在する)をさらに含み、第2の部分310はCITEの第2の側面に同様に位置する、対応する突出締結ハブ317を含む。図示のように、締結ハブ316、317は、中央穴302の周囲にリップを形成する。締結ハブは、CITEを電力線に確実に結合するために、また、図10から図12を参照して以下でさらに説明するように、上部305及び下部310を互いに確実に固定するために使用される。図9に示す図では、上部コンポーネント305は下部コンポーネント上に設置される。 The first portion 305 further includes a protruding fastening hub 316 (extending out of the page in the illustration of FIG. 9) located on the second side of the CITE facing the protected component; It includes a corresponding protruding fastening hub 317 similarly located on the second side of the CITE. As shown, the fastening hubs 316, 317 form a lip around the central hole 302. The fastening hub is used to securely couple the CITE to the power line and to securely secure the upper portion 305 and lower portion 310 to each other, as described further below with reference to FIGS. 10-12. . In the view shown in FIG. 9, the upper component 305 is installed on the lower component.

図10に示すように、ヒンジ素子315を介して、上部コンポーネント305は下部コンポーネント310から離れる方向に反時計回りに旋回し得る。旋回すると、上部コンポーネント305と下部コンポーネント310との間に隙間または空間が開く。図示のように、この隙間の開口部は、その周囲にCITEが配置される電力線(ケーブル)を受ける締結ハブ316、317の間に画定される中央開口部へのアクセスを同様に提供する。同様に、図10には、締結ハブ316及び317のそれぞれの足部分321、327を通る隙間穴307及びネジ穴308が示されている。再び図9に戻ると、上部と下部を接合する(枢動を解除する)と、ボア穴307、308が一致し、ネジまたはボルトなどの締結素子を挿入し得る連続穴を形成し、CITEの上部と下部を共に固定する。そのような締結素子を表すために、例示的なネジ頭303が図9に示されている。いくつかの実施形態では、部分321、327は、CITEの上部と下部の締結ハブ間の緊密な結合をさらに確実にするために、追加のネジまたはボルトを受け入れるための追加のボア穴を含み得る。また、リベットを使用してもよく、その場合にはネジ素子を必要としない。さらに図12には、上部コンポーネント305の相補的な接触面(図示せず)に着座する下部コンポーネントの傾斜接触面328が示されている。 As shown in FIG. 10, via hinge element 315, upper component 305 may pivot counterclockwise away from lower component 310. When pivoted, a gap or space opens between the upper component 305 and the lower component 310. As shown, this gap opening similarly provides access to a central opening defined between fastening hubs 316, 317 that receives power lines (cables) around which the CITE is disposed. Similarly, FIG. 10 shows clearance holes 307 and threaded holes 308 through the foot portions 321, 327 of fastening hubs 316 and 317, respectively. Returning again to FIG. 9, when the upper and lower parts are joined (unpivoted), the bore holes 307, 308 coincide, forming a continuous hole into which a fastening element such as a screw or bolt can be inserted, and the CITE Secure the top and bottom together. An exemplary screw head 303 is shown in FIG. 9 to represent such a fastening element. In some embodiments, portions 321, 327 may include additional bore holes to accept additional screws or bolts to further ensure a tight coupling between the upper and lower fastening hubs of the CITE. . Also, rivets may be used, in which case no screw elements are required. Further shown in FIG. 12 is an angled contact surface 328 of the lower component that seats against a complementary contact surface (not shown) of the upper component 305.

いくつかの実施形態では、締結ハブ316、317は、CITE300の片側に配置され(すなわち、ディスクの面に対して一方向に垂直に外側に突出する)、複数のCITE300が直列に結合される場合、2つの隣接するCITE300が、突出締結ハブ316、317が隣接するCITE300の反対面に接触するか、または近接するように配置され得るため、締結ハブはスペーサとして機能し得る。したがって、2つの隣接するCITE300が互いに押し付けられて接触すると、締結ハブ部分316、317は、2つの隣接するCITE300間の距離を決定し得る。締結ハブ316、317の長さは、CITEのグループが1つのユニットにまとめられる実施形態において、2つの隣接するCITE300間の距離(ギャップ)を画定するために使用され得る。したがって、第1のCITE300から保護対象電気コンポーネントに向かって移動する伝送された過渡誘導信号は、第1のCITE300から所定の設定距離(突出する内側部分316、317の長さとして画定される)離れた位置にある第2のCITE300に遭遇する。このようにして、直列のCITE300を電力線に沿って制御された間隔で配置し得る。直列に隣接するCITE300間の間隔は均一であり得ることが想定されるが、2つの隣接するCITE300間に少なくとも第1の距離があり、他の2つの隣接するCITE300間に異なる第2の距離があり得るという点で、間隔が不均一であり得ることも理解されよう。CITE300の不均一な間隔は、電力線104に沿って複数の破壊的干渉状態を提供するのに役立つ可能性がある。入射する有害なEMIはさまざまなスペクトル成分を含む可能性があるため、不均一な間隔が存在すると、さまざまな周波数範囲にわたって破壊的干渉を確実にする。 In some embodiments, the fastening hubs 316, 317 are located on one side of the CITE 300 (i.e., projecting outward perpendicularly in one direction to the plane of the disk) when multiple CITEs 300 are coupled in series. , two adjacent CITEs 300 may be arranged such that the protruding fastening hubs 316, 317 contact or are in close proximity to opposite sides of the adjacent CITEs 300, so that the fastening hubs may function as spacers. Thus, when two adjacent CITEs 300 are pressed together into contact, the fastening hub portions 316, 317 may determine the distance between the two adjacent CITEs 300. The length of the fastening hubs 316, 317 may be used to define the distance (gap) between two adjacent CITEs 300 in embodiments where groups of CITEs are grouped into one unit. Accordingly, the transmitted transient inductive signal traveling from the first CITE 300 toward the electrical component to be protected is transmitted a predetermined set distance (defined as the length of the protruding inner portions 316, 317) from the first CITE 300. A second CITE 300 is encountered at the same location. In this manner, a series of CITEs 300 may be placed at controlled spacing along the power line. Although it is envisioned that the spacing between series-adjacent CITEs 300 may be uniform, there may be at least a first distance between two adjacent CITEs 300 and a different second distance between two other adjacent CITEs 300. It will also be appreciated that the spacing may be non-uniform. The uneven spacing of CITEs 300 can serve to provide multiple destructive interference conditions along power line 104. Since the incoming harmful EMI can contain different spectral components, the presence of non-uniform spacing ensures destructive interference over different frequency ranges.

いくつかの実施形態では、CITE300の本体は、プラスチックまたはガラス繊維などの軽量材料から作成される。それ自体は絶縁性である、主にそのような材料で構成されたCITEを導電性とするために、例えば、銅、ニッケル、鉄、またはミューメタルの導電性コーティングが、電気メッキ(電流の有無にかかわらず)及び真空蒸着を含むがこれらに限定されない、当業者に知られている技術を使用して外周部分に塗布される。CITEの外周部分への導電性コーティングの密着性を高めるために、形成中にCITEの本体を構成する材料に金属片または粒子が注入され得る。塗布されるコーティングと同じ組成の粒子(例えば、鉄またはニッケル)を使用することが好ましい。あるいは、あまり好ましくない実施形態では(重いため)、CITEの本体全体が、銅、ニッケル、鉄、もしくはミューメタルなどの導電性材料、またはそれらの組み合わせから構成され得る。 In some embodiments, the body of CITE 300 is made from lightweight materials such as plastic or fiberglass. In order to make a CITE mainly composed of such materials, which are themselves insulating, conductive, a conductive coating of, for example, copper, nickel, iron, or mu-metal can be applied by electroplating (with or without electric current). applied to the peripheral portion using techniques known to those skilled in the art, including but not limited to) and vacuum deposition. Metal flakes or particles may be injected into the material making up the body of the CITE during formation to enhance the adhesion of the conductive coating to the outer peripheral portion of the CITE. Preferably, particles of the same composition as the coating to be applied (eg iron or nickel) are used. Alternatively, in a less preferred embodiment (due to its weight), the entire body of the CITE may be constructed from a conductive material such as copper, nickel, iron, or mu-metal, or a combination thereof.

以下でさらに説明するように、CITEの性能は、CITE314の中間部分の透磁率を増加させることによって改善することができ、中間部分は高透磁率を有する材料でコーティングされ得る。好ましい実施形態では、中間部分は、ミューメタルまたは高純度鉄でコーティングまたはメッキされ得る。別の実施形態では、中間はフェライト材料でコーティングされ得る。 As discussed further below, the performance of the CITE can be improved by increasing the magnetic permeability of the middle portion of the CITE 314, and the middle portion can be coated with a material having high magnetic permeability. In preferred embodiments, the intermediate portion may be coated or plated with mu metal or high purity iron. In another embodiment, the intermediate may be coated with a ferrite material.

図11は、上部及び下部コンポーネント305、310が着座位置から離れる方向に枢動されている図10に示すCITEのヒンジ端面図である。この図では、上部コンポーネントの底面322がギザギザの輪郭を有し、下部コンポーネントの上面324が上部コンポーネントの底面と協働して係合するように適合された相補的なギザギザの輪郭を有することが分かる。しかしながら、表面322、324は面一には係合しておらず、CITE内に内側に延びるノッチ325が残る。 FIG. 11 is a hinge end view of the CITE shown in FIG. 10 with the upper and lower components 305, 310 pivoted away from the seated position. In this view, the bottom surface 322 of the top component has a jagged contour and the top surface 324 of the bottom component can have a complementary jagged contour adapted to cooperatively engage the bottom surface of the top component. I understand. However, surfaces 322, 324 do not engage flush, leaving an inwardly extending notch 325 within the CITE.

図12は、わずかに枢動した位置にあるCITE300の斜視図であり、締結ハブ316、317をより明確に示している。締結ハブ316は、半円形のリップ部分319と、足部の長方形の「足」部分321とを含む。同様に、締結ハブ317は、半円形のリップ部分323及び長方形の足部分327を含む。各締結ハブの「足」部分321a、327aは、図9及び図10に示す締結機構とは異なる締結機構を有する。この実施形態では、(締結ハブ316の)足部分321aの底面は、締結ハブ317の足部分327bのレセプタクル345内に配置された対応する歯に対して所定の位置に屈曲してスナップする能力を有する可撓性の歯を含むラチェット素子343を含む。このラチェット式ファスナに使用される製造方法及び材料特性は、当業者には既知である。CITEが閉じられ、ラチェット素子343がレセプタクル345に入るとき、上部305と下部310は所定の位置に共に固定される。また、図12には、上部コンポーネント305の相補的な接触面(図示せず)に着座する下部コンポーネントの傾斜接触面328が示されている。 FIG. 12 is a perspective view of CITE 300 in a slightly pivoted position to more clearly show fastening hubs 316, 317. The fastening hub 316 includes a semi-circular lip portion 319 and a rectangular “foot” portion 321 of the foot. Similarly, fastening hub 317 includes a semicircular lip portion 323 and a rectangular foot portion 327. The "foot" portions 321a, 327a of each fastening hub have a fastening mechanism that is different from that shown in FIGS. 9 and 10. In this embodiment, the bottom surface of the foot portion 321a (of the fastening hub 316) has the ability to flex and snap into place against corresponding teeth disposed within the receptacle 345 of the foot portion 327b of the fastening hub 317. The ratchet element 343 includes flexible teeth with a ratchet element 343. The manufacturing methods and material properties used in this ratcheting fastener are known to those skilled in the art. When the CITE is closed and ratchet element 343 enters receptacle 345, upper portion 305 and lower portion 310 are locked together in position. Also shown in FIG. 12 is an angled contact surface 328 of the lower component that seats against a complementary contact surface (not shown) of the upper component 305.

締結ハブの半円形部分319、323の内面は、鋭い切開素子341(まとめて識別される)を含む。切開素子は、CITEが取り付けられ、締結ハブ316、317が電力線の周りで閉じるときに、電力線の外面に切り込むように適合されている。電力線に切り込むことにより、CITEと電力線の間の安定した安全な導電性接続が確保される。切開素子341は、図示のようなスパイク様のピラミッド形状、または当業者に知られている切開素子の機能的目的をサポートする他の形状に形成され得る。使用される個々の切開素子の数とサイズは、電力線の既知の特性に基づいて変更され得る。 The inner surface of the semicircular portions 319, 323 of the fastening hub includes sharp cutting elements 341 (identified collectively). The cutting element is adapted to cut into the outer surface of the power line when the CITE is attached and the fastening hubs 316, 317 are closed around the power line. Cutting into the power line ensures a stable and secure conductive connection between the CITE and the power line. Cutting element 341 may be formed into a spike-like pyramid shape as shown, or other shapes that support the functional purpose of the cutting element known to those skilled in the art. The number and size of individual cutting elements used may be varied based on the known characteristics of the power line.

アーク放電を防ぐために、CITE内のすべての接合部及びCITEと電力線の間の界面に導電性ペーストが塗布される。例えば、電力線に設置する際、OregonのLake OswegoのCool Amp ConductoLube Co.によって製造されたConductoLubeなどの導電性ペースト、または同等品が、表面328及び上部コンポーネント305、及び下部コンポーネント310の間の他のすべての界面に塗布され得る。図示の実施形態では、ヒンジ素子でのアーク放電も防止するために、導電性ペーストが同様にヒンジ表面322、324に塗布される。CITEが電力線の周囲に取り付けられ、電力線がCITEの中央穴302内に配置されると、中央穴の縁の周囲に導電性ペーストを塗布して、CITEと電力線との間の均一な導電接続を確保し得る。 To prevent arcing, a conductive paste is applied to all joints within the CITE and the interface between the CITE and the power line. For example, when installed on power lines, Cool Amp ConductoLube Co., of Lake Oswego, Oregon, is used. A conductive paste such as ConductoLube manufactured by ConductoLube, or the like, may be applied to the surface 328 and all other interfaces between the upper component 305 and the lower component 310. In the illustrated embodiment, a conductive paste is also applied to the hinge surfaces 322, 324 to also prevent arcing at the hinge elements. Once the CITE is installed around the power line and the power line is placed within the center hole 302 of the CITE, a conductive paste is applied around the edges of the center hole to create a uniform conductive connection between the CITE and the power line. Can be secured.

図13はCITEの下部コンポーネント310の斜視図であり、図14は上部コンポーネント310の斜視図である。図13及び図14のコンポーネント図は、上部コンポーネントと下部コンポーネントが接続される傾斜接触面328、329をより明確に示している。表面328、329の両方は不連続であり、中央で途切れており、中央穴302が設けられている。図15は、図11の軸15-15に沿った縦断面図である。図15は、上部及び下部コンポーネントのそれぞれのヒンジ素子315以外の、外側部分312、313の大部分が中空であり、これがCITEの重量及びコストの削減に役立つことを示している。 FIG. 13 is a perspective view of the lower component 310 of the CITE, and FIG. 14 is a perspective view of the upper component 310. The component diagrams of FIGS. 13 and 14 more clearly show the sloped contact surfaces 328, 329 where the upper and lower components are connected. Both surfaces 328, 329 are discontinuous, broken in the middle, and provided with a central hole 302. FIG. 15 is a longitudinal cross-sectional view taken along axis 15-15 of FIG. Figure 15 shows that most of the outer portions 312, 313, other than the respective hinge elements 315 of the upper and lower components, are hollow, which helps reduce the weight and cost of the CITE.

したがって、CITE300の構造は、その構造を容易に開いてケーブルを受け入れることができ、その後、上部コンポーネント305及び下部コンポーネント310を密閉して閉じることによってケーブルが捕捉され、それによってCITE300がケーブルに確実に結合される。 Thus, the structure of CITE 300 allows the structure to be easily opened to receive the cable, which is then captured by sealing the top component 305 and bottom component 310, thereby ensuring that the CITE 300 is securely attached to the cable. be combined.

図28A及び図28Bに示すCITE1300のもう一つの実施形態では、CITEの上部コンポーネントが、図9から図16に示される実施形態の上部コンポーネントと同様に、コンポーネントの底面から突出する舌素子355を有する。下部コンポーネントは、確実な電気接触を達成するために、わずかな公差で舌素子をしっかりと受け入れるサイズの相補的な溝357を含む。舌部と溝部のペアは、締結ハブと共に、CITEを電力線に取り付けた後、上部コンポーネント及び下部コンポーネントを共に固定するのに役立つ。 In another embodiment of the CITE 1300 shown in FIGS. 28A and 28B, the top component of the CITE has a tongue element 355 projecting from the bottom surface of the component, similar to the top component of the embodiment shown in FIGS. 9-16. . The lower component includes a complementary groove 357 sized to securely receive the tongue element with close tolerances to achieve reliable electrical contact. The tongue and groove pair, along with the fastening hub, serve to secure the upper and lower components together after attaching the CITE to the power line.

図16は、本開示によるCITEの別の実施形態の斜視図である。CITE600は、ヒンジ素子に取り付けられていない上部605及び下部610を含む。図示の実施形態では、部分605の締結ハブ616は、cite602を通る中央穴の周囲に縁を形成する半円形のリップ621と、半円形のリップ621の両側に位置する2つの足部623、624を含む。同様に、部分610の締結ハブ617は、中央穴602の周りに配置された半円形のリップ631と、2つの足部633、634を含む。上部の足部623は下部の足部633に結合し、上部の足部624は下部の足部634に結合して、上部と下部を互いに固定する。好ましい実施形態では、一致するネジ付きボア穴が部分623/633及び624/634に穿設され、ネジ、ボルト、リベットまたは同様の締結素子が一致する部分を貫通し確実に結合できるようにする。電力線に取り付ける際、上部と下部の間の界面全体に導電性ペーストが塗布され、部分間の隙間でのアーク放電を防ぐ。 FIG. 16 is a perspective view of another embodiment of a CITE according to the present disclosure. CITE 600 includes an upper portion 605 and a lower portion 610 that are not attached to hinge elements. In the illustrated embodiment, the fastening hub 616 of the portion 605 has a semi-circular lip 621 forming a lip around a central hole through the cite 602 and two feet 623, 624 located on either side of the semi-circular lip 621. including. Similarly, fastening hub 617 of section 610 includes a semicircular lip 631 disposed around central hole 602 and two feet 633, 634. The upper foot 623 connects to the lower foot 633 and the upper foot 624 connects to the lower foot 634 to secure the upper and lower parts together. In a preferred embodiment, matching threaded bore holes are drilled in portions 623/633 and 624/634 to allow screws, bolts, rivets or similar fastening elements to pass through the matching portions for secure coupling. When attached to power lines, a conductive paste is applied across the interface between the top and bottom to prevent arcing in the gaps between the parts.

一方、図9から図16に示す実施形態では、CITEの断面形状は円形であるが、使用される1つまたは複数のCITEは、楕円形、多角形、及び不均一(例えば、非対称及び/または不規則)を含む他の形状を有し得る。このようなすべての実施形態において、CITEの断面寸法は、CITEが取り付けられる電力線の直径よりも大きく、円形のCITEの場合と同様に、意図的なインピーダンスの不整合が生じる。 On the other hand, in the embodiments shown in FIGS. 9-16, the cross-sectional shape of the CITE is circular, whereas the one or more CITEs used may be elliptical, polygonal, and non-uniform (e.g., asymmetric and/or may have other shapes, including (irregular). In all such embodiments, the cross-sectional dimension of the CITE is larger than the diameter of the power line to which it is attached, creating an intentional impedance mismatch, similar to the case with circular CITEs.

信号伝達目的でのCITE素子の使用
図9から図16に示される実施形態のCITEは、例えば、遠くまで視認できるように高圧送電線の存在を知らせることが有用な空港及びその他の施設において、高圧送電線の存在を知らせるのに有効に適合させ得る。図24に示されるCITE1000の一実施態様では、外周「トーラス」部分1010の壁は、少なくとも部分的に、プラスチックまたはガラス繊維などの透明な材料で作成され得る。トーラス部分は中空であるため、高電場の存在下で蛍光を発するネオンなどのガスで満たされ得る。外周部分1010から発せられる蛍光放射線、例えば1015が示されている。このようなガスが充填された透明(または部分的に透明)なトーラスを含むCITEが高圧送電線に取り付けられると、電力線によって生成される電場によってガスが蛍光を発する。この蛍光により、CITEが遠くからでも視認できるようになり、CITEが取り付けられている高電圧電力線の存在を知らせる。
Use of CITE Elements for Signaling Purposes The CITE of the embodiments shown in FIGS. It may be usefully adapted to signal the presence of power lines. In one implementation of the CITE 1000 shown in FIG. 24, the walls of the outer "torus" portion 1010 may be made, at least in part, of a transparent material, such as plastic or fiberglass. Because the torus section is hollow, it can be filled with a gas such as neon that fluoresces in the presence of a high electric field. Fluorescent radiation, e.g. 1015, is shown emanating from a peripheral portion 1010. When a CITE containing such a transparent (or partially transparent) gas-filled torus is attached to a high-voltage power line, the electric field generated by the power line causes the gas to fluoresce. This fluorescence makes the CITE visible from a distance and signals the presence of the high-voltage power line to which it is attached.

ガス放電発光の通常の成分が存在する必要があることに留意する。したがって、好ましくはネオンまたはアルゴンなどの希ガスである蛍光ガスの純度を維持するために、ゲッターポンプが望ましい。 Note that the normal components of gas discharge luminescence need to be present. A getter pump is therefore desirable to maintain the purity of the fluorescent gas, preferably a noble gas such as neon or argon.

追加のCITEの実施形態
図17は、番号500が付されたインピーダンス遷移素子(CITE)の代替的な実施形態を示す。本明細書で説明されるすべてのCITEと同様に、CITE500は導電性であり、電力線104と導電接触し、電力線104を一周する(取り囲む)。CITE500は、右側に示されるほぼ平坦な面505と、面510から左に向かって傾斜する円錐状の面510とを有する。第1の反射面としての平坦な面505は、直径の急激な変化により、電力線104の隣接部分(面505の右側)のインピーダンスと比較して、急激なインピーダンスの変化を示す。左側の円錐形の面は、電力線104の隣接部分(平坦な面510の左側)のインピーダンスと比較して、より緩やかなインピーダンスの変化を示す。したがって、平坦な面505は、過渡電磁干渉信号を反射するために使用される。先の実施形態と同様に、CITE500は、電力線の寸法(直径)と比較してはるかに大きな直径(寸法)を有する結果として機能する。
Additional CITE Embodiments FIG. 17 shows an alternative embodiment of an impedance transition element (CITE) labeled 500. Like all CITEs described herein, CITE 500 is electrically conductive and makes electrically conductive contact with and surrounds power line 104 . CITE 500 has a generally flat surface 505 shown on the right and a conical surface 510 that slopes to the left from surface 510. The flat surface 505 as the first reflective surface exhibits a sudden change in impedance compared to the impedance of the adjacent part of the power line 104 (to the right of the surface 505) due to the sudden change in diameter. The left conical surface exhibits a more gradual change in impedance compared to the impedance of the adjacent portion of power line 104 (to the left of flat surface 510). Therefore, flat surface 505 is used to reflect transient electromagnetic interference signals. Similar to the previous embodiment, CITE 500 functions as a result of having a much larger diameter compared to the power line dimensions.

図18Aから図18Cは、異なる断面形状を有するCITEの実施形態を示す。図18Aは、組み立てられたときに楕円形の断面形状を有する上部705及び下部710を有するCITE701の実施形態を示す。図18Bは、組み立てられたときに多角形(この場合は六角形)の形状を有する上部715及び下部720を有するCITE711の実施形態を示し、図18Cは、組み立てられたときに非対称の断面形状を有する上部725及び下部730を有するCITE712の実施形態を示す。図示の実施形態では、CITE701、711、及び721は、その他の点では、図16に示した実施形態と構造的に同様である(例えば、それぞれ、電力線に取り付けるための中央穴の両側にネジ素子を含む同様の締結ハブを含む)。 18A-18C illustrate embodiments of CITEs with different cross-sectional shapes. FIG. 18A shows an embodiment of CITE 701 having an upper portion 705 and a lower portion 710 that have an oval cross-sectional shape when assembled. FIG. 18B shows an embodiment of CITE 711 having an upper portion 715 and a lower portion 720 that have a polygonal (hexagonal in this case) shape when assembled, and FIG. 18C shows an embodiment of a CITE 711 that has an asymmetric cross-sectional shape when assembled. 7 shows an embodiment of a CITE 712 having an upper portion 725 and a lower portion 730. In the illustrated embodiment, CITEs 701, 711, and 721 are otherwise structurally similar to the embodiment illustrated in FIG. (including similar fastening hubs).

上述のように、ガラス繊維またはプラスチックなどの軽量素子からCITEを形成し、導電性と高い透磁率を有する材料でCITEをコーティングすることが実用的である。好ましい実施形態では、CITEの外側「トーラス」部分は、電気メッキまたは真空蒸着を使用して、銅、ニッケル、高純度鉄またはミューメタルなどの導電性金属でコーティングされ得る。CITEの中間部分は、非常に高い透磁率を有するミューメタルでメッキされ得る。中央部分は外側トーラス部分よりも表面積が小さいため、適用されるミューメタルまたは高純度鉄の体積が減り、透磁率を大幅に向上させながら全体のコストを削減する。いくつかの実施形態では、ミューメタルまたは鉄はCITEの片面のみにコーティングされるが、他の実施形態では両面がコーティングされる。ミューメタルまたは鉄を追加すると、はるかに小さいCITE構造(すなわち、直径がより小さい)を使用して、同程度のE1パルスの減衰を得ることができる。 As mentioned above, it is practical to form CITEs from lightweight elements such as fiberglass or plastic and coat them with materials that are electrically conductive and have high magnetic permeability. In a preferred embodiment, the outer "torus" portion of the CITE may be coated with a conductive metal such as copper, nickel, high purity iron or mu-metal using electroplating or vacuum deposition. The middle part of the CITE can be plated with mu-metal, which has very high magnetic permeability. The central section has a smaller surface area than the outer torus sections, which reduces the volume of applied mu-metal or high-purity iron, significantly increasing magnetic permeability while reducing overall cost. In some embodiments, mu-metal or iron is coated on only one side of the CITE, while in other embodiments both sides are coated. With the addition of mu-metal or iron, a much smaller CITE structure (ie, smaller diameter) can be used to obtain a similar degree of E1 pulse attenuation.

さらに、磁気シールドの性能は、高透磁率材料と低透磁率材料の交互層でシールドを構成することによって改善され得る。改善の程度は、使用される材料の比透磁率、厚さ、間隔などを含む多くの要因に依存する。追加の実施形態では、CITEは、その両側に対称的に配置されたミューメタルまたは高純度鉄の層を追加し、高-低-高(HLH)透磁率の断面を有する「サンドイッチ」構造を生成することによって構築され得る。図32は、そのような「サンドイッチ」構造を有する側面の実施形態を示す。図示のように、CITE1400は、CITEの第1の側面の表面にコーティングされた第1のミューメタルまたは高純度鉄層1410と、CITEの第2の側面の表面にコーティングされた第2のミューメタルまたは高純度鉄層1420とを有する。追加の層を追加することも可能だが、実用的な目的では、3層のCITEの設計が好ましい。 Additionally, the performance of the magnetic shield can be improved by constructing the shield with alternating layers of high and low permeability materials. The degree of improvement depends on many factors including the relative permeability of the material used, thickness, spacing, etc. In an additional embodiment, CITE adds a symmetrically placed layer of mu-metal or high-purity iron on either side of it, creating a "sandwich" structure with a high-low-high (HLH) permeability cross-section. It can be constructed by Figure 32 shows a side embodiment with such a "sandwich" structure. As shown, the CITE 1400 includes a first mu metal or high purity iron layer 1410 coated on the surface of the first side of the CITE, and a second mu metal layer 1410 coated on the surface of the second side of the CITE. or a high purity iron layer 1420. Although additional layers can be added, for practical purposes a three layer CITE design is preferred.

他の実施態様では、全体的または部分的にフェライトコンポーネントからCITEを形成することが実用的である。フェライトの使用には、物理的サイズの縮小及びQ値の低下など、多くの利点があるが、コストは増加する。図21は、電力線104上の同軸上に配置されたフェライトビーズの形態の導電性インピーダンス遷移素子(CITE)の別の実施形態を示す。フェライトビーズのCITE570の形状と電磁特性により、電力線上の外部の有害なEMIによって誘導される比較的高い周波数の信号を減衰させ、さらに高周波無線干渉(RFI)電子ノイズを減衰させる、高周波信号に対して比較的高いインピーダンスが得られる。これらのエネルギー源からのエネルギーは、電力線104に沿って誘導信号源に向かって反射されるか、電力線に沿って低レベルの熱として放散される。極端な場合にのみ、熱が顕著になる。フェライトはエネルギーの一部を反射するだけでなく、エネルギーも吸収することに留意する。 In other embodiments, it is practical to form the CITE entirely or partially from ferrite components. The use of ferrite has many advantages, such as reduced physical size and lower Q-factor, but increases cost. FIG. 21 shows another embodiment of a conductive impedance transition element (CITE) in the form of a ferrite bead placed coaxially on the power line 104. The CITE570 ferrite bead's shape and electromagnetic properties make it highly effective against high frequency signals, attenuating relatively high frequency signals induced by external harmful EMI on power lines, as well as radio frequency interference (RFI) electronic noise. A relatively high impedance can be obtained. Energy from these energy sources is either reflected along the power line 104 toward the inductive signal source or dissipated along the power line as low-level heat. Only in extreme cases does the fever become noticeable. Note that ferrite not only reflects some of the energy, but also absorbs it.

CITEは通常、エネルギーを放散しないが、その代わりに、過渡電磁干渉信号の比較的高い周波数の流れを妨げるリアクタンスを生成する。このリアクタンスは一般に単にインピーダンスと呼ばれるが、インピーダンスは抵抗とリアクタンスを任意に組み合わせたものになり得る。フェライトは磁場を集中させ、インピーダンスを増加させ、したがってリアクタンスを増加させ、高周波信号を妨害または「除去」する。フェライトビーズは通常、既存の電力線への取り付けを容易にする分割構成で製造される。 CITE typically does not dissipate energy, but instead creates a reactance that impedes the flow of relatively high frequency transient electromagnetic interference signals. This reactance is commonly referred to simply as impedance, but impedance can be any combination of resistance and reactance. Ferrite concentrates the magnetic field, increases impedance and therefore reactance, and interferes with or "cancels out" high frequency signals. Ferrite beads are typically manufactured in a segmented configuration that facilitates attachment to existing power lines.

フェライトコンポーネントがそのように設計されている場合、フェライト自体の抵抗加熱の形で追加の損失が発生し得る。インダクタのQ値は、特定の周波数におけるリアクタンスと抵抗の比である。フェライトインダクタのQ値が低い場合、抵抗が比較的高いため、抵抗加熱を受けやすくなる。用途に応じて、フェライトの抵抗損失特性が望ましい場合と望ましくない場合がある。(電気コンポーネントを過渡電磁干渉信号から保護することに加えて)ノイズフィルタリングを向上させるためにフェライトビーズを使用するフェライトCITEの設計では、フェライトCITEを含む回路の特定の特性と、ブロックする周波数範囲も考慮する必要がある。フェライト材料が異なれば、周波数に関する特性も異なる。当業者であれば、製造業者の資料が周波数範囲に対して最も効果的な材料を選択するのに役立ち得ることが理解されよう。2つ以上の異なるフェライト組成からなるフェライト構造を利用して、CITEの反射特性と吸収特性の両方を最適化し得ることに留意されたい。2つ以上のフェライトコンポーネントを組み合わせるさまざまな方法が当業者には知られているであろう。 If the ferrite component is so designed, additional losses may occur in the form of resistive heating of the ferrite itself. The Q value of an inductor is the ratio of reactance to resistance at a particular frequency. When a ferrite inductor has a low Q value, it has a relatively high resistance and is therefore susceptible to resistance heating. Depending on the application, the resistive loss characteristics of ferrite may or may not be desirable. The design of ferrite CITE, which uses ferrite beads to improve noise filtering (in addition to protecting electrical components from transient electromagnetic interference signals), also depends on the specific characteristics of the circuit containing the ferrite CITE and the frequency ranges it blocks. need to be considered. Different ferrite materials have different frequency characteristics. Those skilled in the art will appreciate that manufacturer's documentation can assist in selecting the most effective material for a frequency range. Note that ferrite structures consisting of two or more different ferrite compositions may be utilized to optimize both the reflection and absorption properties of the CITE. Various methods of combining two or more ferrite components will be known to those skilled in the art.

当業者には知られているように、フェライトの透磁率は、使用される特定のフェライト混合物に依存する。一般に、フェライトの透磁率は1500から3000(相対)の範囲である。同じ相対スケールで80,000から100,000の範囲の透磁率を持つミューメタル(ニッケル75%から80%、バランスは特定の合金に依存)など、実質的に高い透磁率を有する材料が使用される場合、少なくとも同等の透磁率特性を有しながら、CITEのサイズを縮小し得る。したがって、上述のように、ミューメタルを追加すると、はるかに小さなCITE構造を使用して、同じ程度のE1パルスの減衰を得ることができる。いくつかの実施形態では、縮小サイズのCITEは、CITEの片面の表面上にコーティングされたミューメタルの層を含み得る。 As known to those skilled in the art, the magnetic permeability of ferrite depends on the particular ferrite mixture used. Generally, the magnetic permeability of ferrite ranges from 1500 to 3000 (relative). Materials with substantially higher magnetic permeability are used, such as mu-metal (75% to 80% nickel, balance dependent on the specific alloy), which has a magnetic permeability in the range of 80,000 to 100,000 on the same relative scale. In this case, the size of the CITE can be reduced while having at least comparable permeability properties. Therefore, as mentioned above, with the addition of mu-metal, a much smaller CITE structure can be used to obtain the same degree of E1 pulse attenuation. In some embodiments, the reduced size CITE may include a layer of mu-metal coated on the surface of one side of the CITE.

ミューメタルまたは高純度鉄を使用する実施形態では、ミューメタルまたは高純度鉄とアルミニウムとの間に導電性結合を形成する必要がある。これは、導電性エポキシ接着、はんだ付け、ろう付け、圧力(摩擦)による接着などを含むがこれらに限定されない、多くの手段によって実現され得る。 In embodiments using mu-metal or high-purity iron, it is necessary to form a conductive bond between the mu-metal or high-purity iron and the aluminum. This can be accomplished by many means including, but not limited to, conductive epoxy bonding, soldering, brazing, pressure (friction) bonding, and the like.

さらに、CITEの一方の側からミューメタルまたは高純度鉄を中心線を横切って延在させて、装置の反対側のミューメタルまたは高純度鉄と重なるようにし、電気的に接続することが望ましい。これにより、磁気特性が、ギャップを有するリングではなく、磁気特性の連続したリングであることを確実にする。ギャップを有する設計を使用する場合、ギャップはアーク放電を防ぐのに十分な広さである必要がある。そのギャップの寸法は、CITEが動作するように設計されている動作電圧によって決まる。 Additionally, it is desirable to extend the mu-metal or high-purity iron from one side of the CITE across the centerline so that it overlaps and electrically connects with the mu-metal or high-purity iron on the opposite side of the device. This ensures that the magnetic properties are continuous rings of magnetic properties rather than rings with gaps. If a design with a gap is used, the gap must be wide enough to prevent arcing. The size of that gap is determined by the operating voltage at which the CITE is designed to operate.

当業者には知られているように、最適な動作のためには、ミューメタルまたは高純度鉄の製造後、水素で焼成し、アニールする必要があることに留意されたい。 It should be noted that, as known to those skilled in the art, for optimal operation, the mu-metal or high-purity iron requires hydrogen firing and annealing after production.

導電性インピーダンス遷移素子(CITE)の形状に関係なく、反射された過渡電磁干渉信号の減衰を大きくするために複数のCITEのペアが使用され得ることに留意することが重要である。このインピーダンス遷移素子の複数のペアは、本発明の好ましい実施形態を構成する。さらに、インピーダンス遷移素子は、アーク、コロナ放電、及び電気的短絡の形成を防止または最小限に抑えるための、適切な高電圧工学の実行と一致するように設計及び形成されることに留意されたい。これらの形状は、高電圧技術の当業者にはよく知られている。 It is important to note that regardless of the shape of the conductive impedance transition element (CITE), multiple CITE pairs may be used to increase the attenuation of reflected transient electromagnetic interference signals. This plurality of pairs of impedance transition elements constitutes a preferred embodiment of the invention. Additionally, it is noted that the impedance transition elements are designed and formed consistent with proper high voltage engineering practices to prevent or minimize the formation of arcs, corona discharges, and electrical shorts. . These shapes are well known to those skilled in the high voltage art.

導電性インピーダンス遷移素子(CITE)は、さまざまな方法で製造され得る単純な物理構造を有する。これらの方法は、機械加工、鋳造、ダイカスト、射出成形、鍛造、スタンピング、ロストワックス鋳造、粉末冶金及び焼結、3D積層造形、ジェット水流によるプロファイリング、レーザーによるプロファイリングなど、及びこれらの方法の組み合わせを含むが、これらに限定されない。さらに、CITEは、外周に取り付けられたコロナ防止リングを含むディスクや、中央に取り付けられたクランプ機構などの構成部品から組み立てられ得る。選択される特定の方法(複数可)は、当業者にとってありふれたものであり、通常は、所定の期間にわたって必要な数の装置を製造するための最も費用効果の高い方法(複数可)、及び、メーカーが利用できる製造プロセスに基づくものである。 Conductive impedance transition elements (CITEs) have a simple physical structure that can be manufactured in a variety of ways. These methods include machining, casting, die casting, injection molding, forging, stamping, lost wax casting, powder metallurgy and sintering, 3D additive manufacturing, water jet profiling, laser profiling, etc., and combinations of these methods. including but not limited to. Additionally, the CITE can be assembled from components such as a disk containing an anti-corona ring attached to the outer periphery and a centrally attached clamping mechanism. The particular method(s) selected will be routine to those skilled in the art and will typically be based on the most cost-effective method(s) for manufacturing the required number of devices over a given period of time; , based on the manufacturing processes available to the manufacturer.

多くの実施態様では、CITEは上部コンポーネント及び下部コンポーネントから組み立てられ、それぞれが別々に製造される。他の実施形態では、CITEは、縦断面からの製造を含む他の方法で製造され得る。図22A及び図22Bは、2つの縦断面からCITEを組み立てる方法を示す平面図である。図22Aは、ディスク状の第1の部分805の正面図を示す。図示されている部分の前面は、「断面の平面」を画定する。第1の部分は、ディスクの外周から中心に延在するスロット808を有する。スロット808の直径は、図示のように電力線804がスロット内に受け入れられるように設定される。取り外し可能なブラケット815が、部分805の中央のスロット808の内端の下に配置されて示されている。ブラケットは、ネジまたはボルトなどのネジ素子817、818を受け入れるための隙間穴を含む。部分805キャブの背面は、部分の平面(図22Aには図示せず)に対して垂直に、横方向に延びるネジまたはボルトなどの締結具を受け入れるための追加の締結素子(例えば、穴)を含む。 In many implementations, the CITE is assembled from an upper component and a lower component, each manufactured separately. In other embodiments, CITEs may be manufactured in other ways, including from longitudinal sections. 22A and 22B are plan views showing how to assemble a CITE from two longitudinal sections. FIG. 22A shows a front view of the disc-shaped first portion 805. The front surface of the illustrated portion defines a "plane of cross-section." The first portion has a slot 808 extending centrally from the outer periphery of the disk. The diameter of slot 808 is set such that power line 804 is received within the slot as shown. A removable bracket 815 is shown positioned below the inner end of central slot 808 of portion 805. The bracket includes clearance holes for receiving threaded elements 817, 818, such as screws or bolts. The back of the section 805 cab includes additional fastening elements (e.g., holes) for receiving fasteners such as screws or bolts that extend laterally, perpendicular to the plane of the section (not shown in FIG. 22A). include.

図22Bは、相補的なディスク形状の第2の部分820の背面図である。第2の部分820は、CITEを組み立てるために部分805に適合するように設計されている。第2の部分820は、電力線804を受け入れるために、部分805のスロット808と同様の形状のスロット822を含む。上部のブラケット815と相補的なブラケット825が、スロット822の内端の上に示されている。ブラケット825は、第1の部分の相補的なブラケット815のネジ素子817、818を受け入れるように適合したネジ穴827、828を含む。このようにして、第1の部分は、電力線804の周りにしっかりと嵌合するブラケット815、825で第2の部分に固定され得る。さらに、第2の部分の表面は、追加の締結素子を受け入れるためのネジ穴、例えば831、832を含み得る。このようにして、各部分は、第1及び第2の部分を部分の平面内に固定する相補的なブラケット815、825を介して、さらに、第1及び第2の部分を部分の平面に対して横方向に沿って固定する追加の締結素子を介して、互いに固定され得る。 FIG. 22B is a rear view of the complementary disc-shaped second portion 820. The second part 820 is designed to fit into part 805 for assembling the CITE. Second portion 820 includes a slot 822 shaped similarly to slot 808 of portion 805 for receiving power line 804 . A bracket 825, complementary to top bracket 815, is shown above the inner end of slot 822. Bracket 825 includes threaded holes 827, 828 adapted to receive threaded elements 817, 818 of complementary bracket 815 of the first portion. In this manner, the first portion may be secured to the second portion with brackets 815, 825 that fit tightly around power line 804. Furthermore, the surface of the second part may include threaded holes, such as 831, 832, for receiving additional fastening elements. In this way, each section is further fixed relative to the plane of the section via complementary brackets 815, 825 that secure the first and second sections in the plane of the section. They can be fastened to each other via additional fastening elements that fasten along the lateral direction.

図23に示すように、別の実施形態では、CITE900が、電力線904の直径よりも大きな直径を有する球体905の形状に形成される。これはCITEにとって好ましい形式ではないが、球体はさらに、入射する有害なEMIの反射を引き起こすインピーダンスの不整合を提供する。 As shown in FIG. 23, in another embodiment, CITE 900 is formed in the shape of a sphere 905 having a diameter greater than the diameter of power line 904. Although this is not the preferred form for CITE, the sphere also provides an impedance mismatch that causes reflection of incoming harmful EMI.

さらに、本発明のCITEは、既存の電力線にクランプする単純な構造を含む。これらはアクティブな電子回路を持たず、事実上あらゆる運用シナリオで損傷または劣化する可能性のある内部コンポーネントも含んでいない。 Furthermore, the CITE of the present invention includes a simple structure for clamping to existing power lines. They have no active electronic circuitry and contain no internal components that can be damaged or degraded in virtually any operational scenario.

さらに、物理的に単純な設計による機能として、インピーダンス遷移素子は容易に大量生産され得る。したがって、減衰共振器を形成するCITEのペアのコストは、他のソリューションのコストのほんの一部で済む。さらに、CITEは通電中の電力線に簡単に設置できるように設計され得るため、他の技術と比較して設置時間とコストを大幅に削減できる。電力線を介した電力供給が中断されないため、節約は特に顕著になる。 Furthermore, as a function of their physically simple design, impedance transition elements can be easily mass-produced. Therefore, the cost of a pair of CITEs forming a damped resonator is a fraction of the cost of other solutions. Additionally, CITE can be designed to be easily installed on live power lines, significantly reducing installation time and cost compared to other technologies. The savings will be particularly significant since the power supply via the power line will not be interrupted.

吸収体素子
上述のCITE素子は導電性であり、入射する有害なEMIのエネルギーを吸収しない。図2から図8に示される実施形態では、入射するEMIのエネルギーは電力線に沿って熱として放散される。放散率を高め、電力線が単位時間当たりに放散する必要があるエネルギー量を減らすために、CITE素子と連携して、またはCITE素子に加えて、1つまたは複数の吸収体素子が電力線に取り付けられ得る。吸収体素子は、CITEと同様の方法で形成され得るが、グラフェンなどの抵抗性または半抵抗性(または半導電性)材料から作成される。抵抗性材料は、入射する有害なEMIからのエネルギーを吸収し、電磁エネルギーを熱に変換するように設計される。このようにして発生した熱は、放射冷却または伝導冷却によって、時間の経過と共に環境中に放散される。1つまたは複数の吸収体素子が、電力線に沿って規則的または不規則な間隔で追加され得る。CITEのグループが一緒に組み立てられる一例では、吸収体素子は各アセンブリに追加され得るか、各アセンブリに隣接して配置され得る。これは一例にすぎず、追加の熱放散能力を提供するという目的に応じて、吸収体素子がさまざまな数及び構成で追加され得ることが当業者には容易に理解されよう。
Absorber Element The CITE element described above is electrically conductive and does not absorb incident harmful EMI energy. In the embodiments shown in FIGS. 2-8, the energy of the incoming EMI is dissipated as heat along the power lines. One or more absorber elements are installed on the power line in conjunction with or in addition to the CITE element to increase the dissipation rate and reduce the amount of energy that the power line needs to dissipate per unit time. obtain. The absorber element may be formed in a similar manner to CITE, but made from a resistive or semi-resistive (or semi-conducting) material such as graphene. Resistive materials are designed to absorb energy from incoming harmful EMI and convert electromagnetic energy into heat. The heat thus generated is dissipated into the environment over time by radiation or conduction cooling. One or more absorber elements may be added at regular or irregular intervals along the power line. In one example where groups of CITEs are assembled together, absorber elements may be added to or placed adjacent to each assembly. Those skilled in the art will readily understand that this is only one example and that absorber elements may be added in various numbers and configurations depending on the purpose of providing additional heat dissipation capacity.

吸収体素子は、別個のスタンドアロン素子であってもよく、または、いくつかの実施形態では、吸収体素子は、CITE素子の一部として統合されてもよい。別個の吸収体素子と統合された吸収体素子とを組み合わせて使用することもできる。図25Aから図25Cは、ディスクの中央部分が異なる材料で作成されたディスク素子を示している。図25Aでは、中央部分1025が、吸収体素子として機能するグラフェンなどの抵抗性材料または半導電性材料から作成される。図25Bでは、中央部分1035がアルミニウムなどの金属から作成される。この実施形態は、図9から図16を参照して上述したCITEと同様である。図25Cは、中央部分1045が、入射する有害なEMIの反射体及び吸収体の両方として機能し得るフェライト系材料から作成されるディスク素子を示している。 The absorber element may be a separate standalone element, or in some embodiments the absorber element may be integrated as part of a CITE element. A combination of separate and integrated absorber elements can also be used. Figures 25A to 25C show disk elements in which the central portion of the disk is made of different materials. In FIG. 25A, the central portion 1025 is made from a resistive or semiconducting material, such as graphene, which acts as an absorber element. In FIG. 25B, central portion 1035 is made from a metal such as aluminum. This embodiment is similar to CITE described above with reference to FIGS. 9-16. FIG. 25C shows a disk element in which the central portion 1045 is made from a ferritic material that can function as both a reflector and absorber of incoming harmful EMI.

一体化されたCITE/吸収体素子の別の実施形態が、図26A及び図26Bに示されている。この実施形態では、CITE1105の片面は導電性の中央部分1115を含み、CITE1110の反対側の面はその中央部分1120素子に吸収性材料(抵抗性または半導電性)を含む。CITEアセンブリが、入射信号の不要な高周波成分の最大限の抑制を達成するために、(図8に示されるような)CITEのアレイにおける導電性材料、吸収性材料、及びフェライト系材料のさまざまな組み合わせで構成され得ることに留意されたい。 Another embodiment of an integrated CITE/absorber element is shown in FIGS. 26A and 26B. In this embodiment, one side of CITE 1105 includes a conductive central portion 1115 and the opposite side of CITE 1110 includes an absorbent material (resistive or semiconductive) in its central portion 1120 element. The CITE assembly incorporates a variety of conductive, absorbent, and ferritic materials in the array of CITEs (as shown in Figure 8) to achieve maximum suppression of unwanted high frequency components of the incident signal. Note that it can be configured in combination.

同相の隣接する電力ケーブルの実施形態
多くの高電圧電力線設備は、複数の平行の位相線のセットを有する。このような設備では、電力線の各セットの複数の位相は、通常はフィート単位で測定される相互の距離を置いて配置されるが、同相の平行電力線は、通常はインチ単位で測定される距離で、互いに非常に近くに配置される。換言すれば、相間の導体間隔は、同相の導体の間隔よりも一桁大きい。これは、同相の隣接する電力線が同じ電圧であるため、それらの間隔をかなり近づけることができるという事実による。実際の間隔は、直径及びその他の要因など、電力線の特性によって異なる。いくつかの実施形態では、同位相の隣接する電力線のセット間の距離は、例えば、2インチから36インチであってもよく、より典型的には6インチから12インチ離れていてもよい。一般に、平行な電力線はすべて同じ直径を有する。
In-Phase Adjacent Power Cable Embodiments Many high-voltage power line installations have multiple sets of parallel phase lines. In such installations, the multiple phases of each set of power lines are placed at a distance from each other, typically measured in feet, while in-phase parallel power lines are placed at a distance, typically measured in inches. and are placed very close to each other. In other words, the interphase conductor spacing is an order of magnitude larger than the in-phase conductor spacing. This is due to the fact that adjacent power lines in phase are at the same voltage, so they can be spaced fairly close together. Actual spacing will vary depending on power line characteristics, such as diameter and other factors. In some embodiments, the distance between adjacent sets of in-phase power lines may be, for example, 2 inches to 36 inches apart, and more typically 6 inches to 12 inches apart. Generally, all parallel power lines have the same diameter.

図29Aは、同相の2つの隣接する平行電力線に、有害なEMIに対する保護を提供するように特に適合されたCITEの一例を示す。当業者であれば、図示の実施形態が、2つより多い別個の隣接する平行な電力線のセットを有する設備に延長され得ることを理解するであろう(その一例を図31に示し、以下で説明する)。図29Aに示される実施形態では、電力線が互いに水平方向に隣接するように示されている。これは考えられる配置の1つであるが、隣接する電力線は、平行を保ち、他の相の電力線に近づきすぎない限り、互いに対して任意の角度または向きに設定され得る。図29Aに戻ると、CITE1150は、上部1155及び下部1160を含む。上部1155は上部中央ハブ1157を含み、下部1160は下部中央ハブ1162を含む。図示の実施形態では、上部中央ハブ部分1157は2つの弓形半円筒形ノッチを含み、下部中央ハブ部分1162は相補的な弓形半円筒形ノッチを含む。識別できるように、上部1155及び下部1160が組み立てられると、上部及び下部の中央ハブのノッチが結合して、隣接する平行電力線を受け入れ得る2つの中央穴1171、1172を形成する。切開素子、例えば1174、1175が、穴1171、1172の内面に配置される。 FIG. 29A shows an example of a CITE specifically adapted to provide protection against harmful EMI to two adjacent parallel power lines that are in phase. Those skilled in the art will appreciate that the illustrated embodiment can be extended to installations having more than two separate sets of adjacent parallel power lines (an example of which is shown in FIG. 31 and described below). explain). In the embodiment shown in FIG. 29A, the power lines are shown horizontally adjacent to each other. Although this is one possible arrangement, adjacent power lines may be set at any angle or orientation relative to each other as long as they remain parallel and not too close to other phase power lines. Returning to FIG. 29A, CITE 1150 includes an upper portion 1155 and a lower portion 1160. The upper portion 1155 includes an upper central hub 1157 and the lower portion 1160 includes a lower central hub 1162. In the illustrated embodiment, the upper central hub portion 1157 includes two arcuate semi-cylindrical notches and the lower central hub portion 1162 includes a complementary arcuate semi-cylindrical notch. As can be seen, when the top 1155 and bottom 1160 are assembled, the notches in the top and bottom central hubs combine to form two central holes 1171, 1172 that can receive adjacent parallel power lines. Cutting elements, e.g. 1174, 1175, are arranged on the inner surface of the holes 1171, 1172.

図29Bは、上部及び下部の中央ハブ157、162ならびに中央穴1171、1172の拡大図を示す。図29Bでは、中央穴1171、1172間の最近接距離(D)が示されている。上述のように、距離(D)は電力線の設置によって決定され、2インチから36インチの範囲になり得る。したがって、複数の隣接する電力線に対するCITE1150のハブ領域は、通常、単一の電力線のためのCITEの実施形態よりも大きい。より大きなハブに対応するために、CITEの直径もそれに応じて大きくなり得る。他の実施形態と同様に、CITE1150は、アルミニウムまたは銅などの金属を使用して作成され得る。CITEはフェライト材料を含んでもよく、いくつかの実施態様では、上述のように吸収体素子を含み得る。 FIG. 29B shows an enlarged view of the upper and lower central hubs 157, 162 and central holes 1171, 1172. In FIG. 29B, the closest distance (D) between central holes 1171, 1172 is shown. As mentioned above, the distance (D) is determined by the power line installation and can range from 2 inches to 36 inches. Therefore, the hub area of CITE 1150 for multiple adjacent power lines is typically larger than the CITE embodiment for a single power line. To accommodate larger hubs, the diameter of the CITE may be increased accordingly. As with other embodiments, CITE 1150 may be made using metals such as aluminum or copper. The CITE may include ferrite materials and, in some embodiments, may include absorber elements as described above.

図30は、二相線用のCITE1150の斜視図である。図30は、わずかに開いた位置にあるCITEを示し、この位置では、CITEは平行電力線を中央穴1171、1172に挿入して、平行電力線に設置され得る。この図は、CITEの上部1155と下部1160を相互に固定するためのラチェットロック機構も明確に示す。図示の実施形態では、ロック機構は、歯を含むラチェット素子1180と、ラチェット素子を確実に受け入れるように適合された対応する輪郭を含む対応するレセプタクル1182とを備える。上述の、図9から図28Eに示される単一の電力線に適合した設計の態様は、さらに、同相の複数の隣接する平行電力線に取り付けるように適合し得る点に留意されたい。例えば、複数の線に適合したCITEはヒンジを含み得、図30に示す機構とは異なるロック機構を使用し得る。 FIG. 30 is a perspective view of CITE 1150 for two-phase lines. FIG. 30 shows the CITE in a slightly open position, in which the CITE can be installed in parallel power lines by inserting the parallel power lines into the central holes 1171, 1172. This view also clearly shows the ratchet locking mechanism for securing the top 1155 and bottom 1160 of the CITE to each other. In the illustrated embodiment, the locking mechanism includes a ratchet element 1180 that includes teeth and a corresponding receptacle 1182 that includes a corresponding profile adapted to reliably receive the ratchet element. Note that the design aspects described above and adapted for a single power line shown in FIGS. 9-28E may also be adapted for attachment to multiple adjacent parallel power lines in phase. For example, a multi-line compatible CITE may include a hinge and may use a different locking mechanism than that shown in FIG. 30.

図31は、三相線に適合したCITE1200の実施形態の別の正面平面図であり、中央ハブ及び切開要素なしで示されている。CITE1200は、上部1205及び下部1210を含む。上部及び下部は両方とも、弓形の外周と平面の面取りされた縁部(図12に示すように)を含む、図示のような半円形の形状であることが好ましい。上部1205は、平面縁部から現れる2つの弓形ノッチ1207を含む。この例示的な実施形態では、下部1210は上部の正確な鏡像ではない。特に、下部の平面縁部は、平面縁部の広い側面と、下部の外周に向かう狭い側面とを有する中央多角形ノッチ1212によって変形される。図示の実施形態では、多角形ノッチは台形であるが、多角形ノッチは非対称または対称の他の形状に形成され得る。多角形ノッチの狭い縁部は、中央弓形ノッチ1214をさらに含む。下部の多角形ノッチ1212は、下部の平面縁部上に位置する広い縁部と、下部の多角形ノッチの狭い縁部上に位置する狭い縁部を有する、対応する形状の多角形インサート1220で塞がれる。多角形インサート1220の幅広部分は、上部のそれぞれの作動ノッチ1207及び1209と位置が一致して嵌合する2つのさらに弓形のノッチを有する。多角形インサートの狭い縁部の弓形ノッチ1226は、下部の弓形ノッチ1214と位置が一致して嵌合する。多角形インサート1220と、上部及び下部の縁部の機械表面は、さねはぎ機構または他の嵌合素子を用いて機械加工することができ、多角形インサートは多角形ノッチ1212内に位置決めされると所定の位置に固定され、電力線導体の軸に沿ってインサートのあらゆる動きが妨げられる。多角形のインサート及び関連するノッチは、下部ではなく上部にあってもよいことにも留意されたい。 FIG. 31 is another front plan view of an embodiment of the CITE 1200 adapted for three-phase line, shown without the central hub and cutting element. CITE 1200 includes an upper portion 1205 and a lower portion 1210. Both the upper and lower portions are preferably semi-circular in shape as shown, including an arcuate outer periphery and a flat chamfered edge (as shown in Figure 12). The top 1205 includes two arcuate notches 1207 emerging from the planar edge. In this exemplary embodiment, the bottom portion 1210 is not an exact mirror image of the top portion. In particular, the bottom planar edge is modified by a central polygonal notch 1212 with a wide side of the planar edge and a narrow side towards the outer periphery of the bottom. In the illustrated embodiment, the polygonal notch is trapezoidal, but the polygonal notch can be formed into other shapes, asymmetrical or symmetrical. The narrow edge of the polygonal notch further includes a central arcuate notch 1214. The lower polygonal notch 1212 has a correspondingly shaped polygonal insert 1220 with a wide edge located on the flat edge of the lower part and a narrow edge located on the narrow edge of the lower polygonal notch. Blocked. The wide portion of the polygonal insert 1220 has two more arcuate notches that mate in alignment with the respective actuation notches 1207 and 1209 on the top. An arcuate notch 1226 on the narrow edge of the polygonal insert mates in alignment with an arcuate notch 1214 on the bottom. The polygonal insert 1220 and the top and bottom edge mechanical surfaces can be machined using a tongue and groove mechanism or other mating elements, with the polygonal insert positioned within the polygonal notch 1212. and fixed in place, preventing any movement of the insert along the axis of the power line conductor. It is also noted that the polygonal insert and associated notch may be on the top rather than the bottom.

識別できるように、対応する弓形ノッチ1207/1222、1209/1224、及び1226/1214は、同相の電力線を設置し得る穴を形成する。CITE1200の設置中、電力線は下部のノッチ1214に取り付けられ得る。次に、多角形インサート1220がこの電力線の上に配置され得る。追加の電力線をインサートのノッチ1222、1224上に配置することができ、上部は追加の電力線の上に配置することができる。これらの部分は、上述の実施形態で説明した締結具を使用して固定され得る。さらに、弓形ノッチは、上述したような切開素子を含み得る。導電性ペーストを使用して、多角形インサート1220をCITEの下部1210に接合する縁部をシールする必要がある。特定の実施形態では(図31には示されていない)、CITEの上部及び下部は、(例えば、図10に示すように)ヒンジで連結され得る。 As can be discerned, the corresponding arcuate notches 1207/1222, 1209/1224, and 1226/1214 form holes in which in-phase power lines may be installed. During installation of the CITE 1200, power lines may be attached to the bottom notch 1214. A polygonal insert 1220 may then be placed over this power line. Additional power lines can be placed on the notches 1222, 1224 of the insert, and the top can be placed on top of the additional power lines. These parts may be secured using the fasteners described in the embodiments above. Additionally, the arcuate notch may include a cutting element as described above. A conductive paste should be used to seal the edges joining the polygonal insert 1220 to the bottom part 1210 of the CITE. In certain embodiments (not shown in FIG. 31), the top and bottom of the CITE may be hinged (eg, as shown in FIG. 10).

地中電力ケーブルのインピーダンスの不整合
上記の実施形態は、露出した地上の電力線に関する。特に大都市圏では、かなりの数の電力線が露出せずに地下を通っている。地下ケーブルにインピーダンスの不整合素子を設けて、それに取り付けられた電気及び電子コンポーネントの保護を提供することが有用であろう。図27A及び図27Bは、それぞれ、本開示による、インピーダンスの周期的変化を有する同軸電力ケーブル1200の軸方向断面図及び縦断面図である。ケーブルは、1つまたは複数の導電性ワイヤを有するコア1205、コアを取り囲む半導電層1210、導電性シールド層1215、及びシールド層を取り囲む絶縁層1220を含む。図27Bに示すように、半導体層110は、インピーダンスの周期的変化(差動)に対応する容量の周期的変化を有する。例えば、領域1232及び1234は、それぞれの隣接する領域1233及び1235と比較して高い抵抗を有する。
Impedance Mismatch in Underground Power Cables The embodiments described above relate to exposed above-ground power lines. Especially in large metropolitan areas, a significant number of power lines run underground rather than being exposed. It may be useful to provide impedance mismatching elements in underground cables to provide protection for electrical and electronic components attached thereto. 27A and 27B are axial and longitudinal cross-sectional views, respectively, of a coaxial power cable 1200 with periodic changes in impedance in accordance with the present disclosure. The cable includes a core 1205 with one or more conductive wires, a semiconducting layer 1210 surrounding the core, a conductive shield layer 1215, and an insulating layer 1220 surrounding the shield layer. As shown in FIG. 27B, the semiconductor layer 110 has a periodic change in capacitance corresponding to a periodic change (differential) in impedance. For example, regions 1232 and 1234 have a higher resistance compared to their respective adjacent regions 1233 and 1235.

差動インピーダンスの隣接領域は、地上の電力線に沿った誘導信号がCITE素子によって反射されるのと同様の方法で、受信した有害なEMIが反射されるインピーダンスの不整合境界面を生成する。 Adjacent regions of differential impedance create mismatched interfaces of impedance against which received harmful EMI is reflected in a manner similar to how inductive signals along terrestrial power lines are reflected by CITE elements.

半導体層のインピーダンスの変動を実現するにはいくつかの方法があることに留意されたい。これらは、半導体層の組成の導電率の変動、半導体層の厚さの変動、及び同軸タイプのケーブルの製造における当業者には明らかなその他の変更を含むが、これらに限定されない。 Note that there are several ways to achieve variations in the impedance of the semiconductor layer. These include, but are not limited to, variations in the conductivity of the composition of the semiconductor layer, variations in the thickness of the semiconductor layer, and other variations apparent to those skilled in the art of manufacturing coaxial type cables.

当業者には明らかなように、本明細書に記載のCITEは、電力会社が有害なEMIから保護するために使用する、真空管装置などの他の保護手段と組み合わせて使用され得るが、これらに限定されない。 As will be apparent to those skilled in the art, the CITE described herein may be used in conjunction with, but not limited to, other protection measures used by power companies to protect against harmful EMI, such as vacuum tube devices. Not limited.

特許請求の範囲は、本明細書に記載の好ましい実施形態及び実施例によって限定されるべきではなく、全体として記載された説明と一致する最も広い解釈が与えられるべきである。当業者には、本明細書の範囲内に含まれる多くの可能な変形が存在することが明らかであろう。

The claims should not be limited by the preferred embodiments and examples described herein, but are to be given the broadest interpretation consistent with the description as a whole. It will be apparent to those skilled in the art that there are many possible variations that fall within the scope of this specification.

Claims (23)

発電、送電、及び配電システム内の同相の複数の隣接する平行電力線のグループ内の1つまたは複数の電力線上の有害なEMIによって誘導される電気信号が、前記複数の平行電力線の1つに接続されている電気コンポーネントに到達するのを防止するための装置であって、
少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子を含み、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス素子は、前記同相の複数の隣接する電力線のうちの1つを受け入れて取り囲むように寸法決めされ、互いに離間した複数の穴を有するディスク状構造を含み、前記ディスク状構造は前記複数の平行電力線すべての直径よりも大きい外径を有し、前記導電性インピーダンス遷移素子と前記複数の電力線の隣接部分との間にインピーダンスの不整合を意図的に生じさせ、
前記インピーダンスの不整合により、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子が、有害なEMIによって前記複数の電力線に誘導された信号の高周波成分の反射を生じさせ、
前記高周波成分が反射され、熱として放散される、前記装置。
An electrical signal induced by harmful EMI on one or more power lines in a group of a plurality of contiguous parallel power lines in phase within a power generation, transmission, and distribution system connects to one of said plurality of parallel power lines. A device for preventing access to an electrical component that is
at least one conductive impedance transition element, the at least one conductive impedance element having a plurality of spaced apart holes sized to receive and surround one of the plurality of adjacent power lines of the in-phase. a disk-like structure having an outer diameter greater than a diameter of all of the plurality of parallel power lines, and wherein the disk-like structure has an outer diameter greater than the diameter of all of the plurality of parallel power lines, and the disk-like structure has an impedance between the conductive impedance transition element and adjacent portions of the plurality of power lines. Intentionally creating inconsistencies;
the impedance mismatch causes the at least one conductive impedance transition element to reflect high frequency components of signals induced onto the plurality of power lines by harmful EMI;
The device, wherein the high frequency components are reflected and dissipated as heat.
前記少なくとも1つの導電性遷移素子が、2つの隣接する平行電力線を受け入れるための2つの中央穴を含む、請求項1に記載の装置。 2. The apparatus of claim 1, wherein the at least one conductive transition element includes two central holes for receiving two adjacent parallel power lines. 前記インピーダンスの不整合の大きさが、周波数に依存し、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子から、前記誘導される過渡電磁信号の前記不要な高周波スペクトル成分を反射させながら、前記誘導された過渡電磁信号の低周波スペクトル成分が、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子を通過できるようにする、請求項1に記載の装置。 The magnitude of the impedance mismatch is frequency dependent and reflects the unwanted high frequency spectral components of the induced transient electromagnetic signal from the at least one conductive impedance transition element. 2. The apparatus of claim 1, wherein low frequency spectral components of an electromagnetic signal are allowed to pass through the at least one conductive impedance transition element. 前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子のうちの1つまたは複数が、全体的または部分的にフェライト材料で構成される、請求項1に記載の装置。 2. The apparatus of claim 1, wherein one or more of the at least one conductive impedance transition element is comprised in whole or in part of a ferrite material. 前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子のうちの1つまたは複数が、2つ以上の異なるフェライト材料から構成される、請求項4に記載の装置。 5. The apparatus of claim 4, wherein one or more of the at least one conductive impedance transition element is comprised of two or more different ferrite materials. 前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子の前記外径と前記複数の電力線の前記直径との比が、約1.5:1から100:1の範囲内である、請求項1に記載の装置。 2. The apparatus of claim 1, wherein the ratio of the outer diameter of the at least one conductive impedance transition element to the diameter of the plurality of power lines is within a range of about 1.5:1 to 100:1. 前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子の前記直径と前記複数の電力線の前記直径との前記比が、好ましくは約2:1から80:1の範囲内である、請求項6に記載の装置。 7. The apparatus of claim 6, wherein the ratio of the diameter of the at least one conductive impedance transition element to the diameter of the plurality of power lines is preferably within a range of about 2:1 to 80:1. 前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子のそれぞれが、第1の部分(section)及び第2の部分(section)を含み、前記第1の部分(part)及び前記第2の部分(section)のそれぞれが複数の締結ハブを含み、前記締結ハブのそれぞれが前記電力線を受け入れるためのノッチを有し、前記第1及び前記第2の部分(section)の前記締結ハブが前記電力線に取り付けられたときに前記第1及び前記第2の部分(part)を共に固定するために互いに締結される、請求項1に記載の装置。 Each of the at least one conductive impedance transition element includes a first section and a second section, each of the first part and the second section includes a plurality of fastening hubs, each of the fastening hubs having a notch for receiving the power line, when the fastening hubs of the first and second sections are attached to the power line. 2. The apparatus of claim 1, wherein the first and second parts are fastened together to secure them together. 前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子の前記締結ハブが、前記複数の電力線に切り込み、それによって前記導電性インピーダンス遷移素子を前記電力線に固定するように適合された切開素子を支持する内面を有する、請求項8に記載の装置。 the fastening hub of the at least one electrically conductive impedance transition element has an inner surface supporting a cutting element adapted to cut into the plurality of power lines, thereby securing the electrically conductive impedance transition element to the power lines; 9. Apparatus according to claim 8. 前記第1の部分(part)及び第2の部分(section)の前記複数の締結ハブがそれぞれ、複数の半円筒部分及び足部分を含み、前記第1の部分(section)の前記足部分がラチェット素子を有し、前記第2の部分(section)の前記足部分が、前記ラチェット素子と一致する特徴を有するレセプタクルを有し、前記第1及び前記第2の部分(section)が互いに固定されることを可能にする、請求項8に記載の装置。 The plurality of fastening hubs of the first and second sections each include a plurality of semi-cylindrical sections and a foot section, and the foot section of the first section is a ratchet. the foot portion of the second section has a receptacle having features matching the ratchet element, and the first and second sections are secured to each other. 9. The device according to claim 8, which allows. 発電、送電及び配電システムの等位相の複数の平行電力線のグループの電力線に結合されたコンポーネントを有害なEMIから保護する方法であって、
前記電力線の直径よりも大きい直径を有する少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子(CITE)を、前記電力線の延長された長さと前記コンポーネントとの間の位置で前記等位相の電力線すべてに取り付けることによって、意図的にインピーダンスの不整合を生じさせることを含み、
前記CITEと前記電力線の前記直径の差異により、前記2つ以上の導電性インピーダンス遷移素子と前記電力線の隣接部分との間にインピーダンスの不整合が意図的に引き起こされ、前記インピーダンスの不整合により、前記有害なEMIによって前記電力線に誘導された信号の高周波成分が、前記複数の導電性インピーダンス遷移素子のペアの間に形成された減衰共振器によって反射され放散する、前記方法。
A method for protecting components coupled to power lines of a group of equiphase parallel power lines of a power generation, transmission, and distribution system from harmful EMI, the method comprising:
by attaching at least one conductive impedance transition element (CITE) having a diameter greater than the diameter of the power line to all of the equal phase power lines at a location between the extended length of the power line and the component; Including intentionally creating an impedance mismatch;
The diameter difference between the CITE and the power line intentionally causes an impedance mismatch between the two or more conductive impedance transition elements and adjacent portions of the power line, the impedance mismatch comprising: The method wherein high frequency components of signals induced in the power line by the harmful EMI are reflected and dissipated by damped resonators formed between pairs of the plurality of conductive impedance transition elements.
前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子の前記直径と、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子が取り付けられる前記電力線の前記直径との比が、約1.5:1から100:1の範囲内である、請求項11に記載の方法。 the ratio of the diameter of the at least one conductive impedance transition element to the diameter of the power line to which the at least one conductive impedance transition element is attached is within a range of about 1.5:1 to 100:1. 12. The method of claim 11. 前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子の前記直径と、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子が取り付けられる前記電力線の前記直径との前記比が、好ましくは約2:1から80:1の範囲内である、請求項12に記載の方法。 The ratio of the diameter of the at least one electrically conductive impedance transition element to the diameter of the power line to which the at least one electrically conductive impedance transition element is attached is preferably within the range of about 2:1 to 80:1. 13. The method according to claim 12. 前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子がディスクの形状に形成される、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, wherein the at least one conductive impedance transition element is formed in the shape of a disk. 前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子が、減衰共振器を形成する少なくとも1つのペアに配置された複数の導電性インピーダンス遷移素子を含む、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, wherein the at least one conductive impedance transition element comprises a plurality of conductive impedance transition elements arranged in at least one pair forming a damped resonator. 発電、送電、及び配電システム内の同相の複数の隣接する平行電力線のグループ内の1つまたは複数の電力線上の有害なEMIによって誘導される電気信号が、前記複数の平行電力線の1つに接続されている電気コンポーネントに到達するのを防止するための装置であって、
少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子を含み、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子が、上部及び下部を含むディスク状構造を含み、前記上部及び前記下部の少なくとも一方が、前記同相の複数の隣接する電力線を受け入れるためのさらなるノッチを含む、インサートを受け入れるためのノッチを含み、前記ディスク状構造が、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子と、前記複数の電力線の隣接部分との間にインピーダンスの不整合を意図的に作り出すために、前記複数の平行電力線のすべての直径よりも大きい外径を有し、
前記インピーダンスの不整合により、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子が、有害なEMIによって前記複数の電力線に誘導された信号の高周波成分の反射を生じさせ、
前記高周波成分が反射され、熱として放散される、前記装置。
An electrical signal induced by harmful EMI on one or more power lines in a group of a plurality of contiguous parallel power lines in phase within a power generation, transmission, and distribution system connects to one of said plurality of parallel power lines. A device for preventing access to an electrical component that is
at least one conductive impedance transition element, the at least one conductive impedance transition element comprising a disk-shaped structure including an upper part and a lower part, at least one of the upper part and the lower part being connected to the in-phase plurality of adjacent a notch for receiving an insert, the disk-like structure including a further notch for receiving a power line, the disk-like structure providing an impedance discontinuity between the at least one conductive impedance transition element and adjacent portions of the plurality of power lines; having an outer diameter greater than the diameters of all of the plurality of parallel power lines to intentionally create alignment;
the impedance mismatch causes the at least one conductive impedance transition element to reflect high frequency components of signals induced onto the plurality of power lines by harmful EMI;
The device, wherein the high frequency components are reflected and dissipated as heat.
前記インサートが多角形の形状であり、前記インサートの前記ノッチが、前記少なくとも1つの導電性インピーダンス遷移素子の前記上部及び前記下部のうちの一方の対応するノッチと一致する、請求項16に記載の装置。 17. The insert of claim 16, wherein the insert is polygonal in shape and the notch in the insert matches a corresponding notch in one of the top and bottom of the at least one conductive impedance transition element. Device. 前記導電性インピーダンス遷移素子の前記ディスク状構造が、第1の厚さを有する半径方向外側部分と、前記第1の厚さより小さい第2の厚さを有する半径方向中間部分とを有し、前記構造は、プラスチック及びガラス繊維素材のうちの1つから構成される、請求項1に記載の装置。 the disc-like structure of the conductive impedance transition element has a radially outer portion having a first thickness and a radially intermediate portion having a second thickness less than the first thickness; 2. The device of claim 1, wherein the structure is constructed from one of plastic and fiberglass materials. 前記導電性インピーダンス遷移素子の前記外側部分が、導電性材料でコーティングされている、請求項18に記載の装置。 19. The apparatus of claim 18, wherein the outer portion of the conductive impedance transition element is coated with a conductive material. 前記導電性材料が、銅及びニッケルのうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載の装置。 19. The apparatus of claim 18, wherein the electrically conductive material includes at least one of copper and nickel. 前記導電性インピーダンス遷移素子の前記中間部分が、高透磁率の材料でコーティングされている、請求項18に記載の装置。 19. The apparatus of claim 18, wherein the intermediate portion of the conductive impedance transition element is coated with a high magnetic permeability material. 前記高透磁率の材料がミューメタルである、請求項21に記載の装置。 22. The apparatus of claim 21, wherein the high permeability material is mu metal. 前記高透磁率の材料が高純度鉄である、請求項21に記載の装置。

22. The apparatus of claim 21, wherein the high permeability material is high purity iron.

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