JP7325440B2 - 電磁パルスにより誘導された電気系統のサージを抑制するシステムおよび方法 - Google Patents

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本特許出願は、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｕｌｓｅ－Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｕｒｇｅｓ（電磁パルスにより誘導された電気系統のサージを抑制するシステムおよび方法）」と題する、２０１８年１月９日付で出願された米国特許仮出願第６２／６１５，１５９号に対して優先権を主張する、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｕｌｓｅ－Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｕｒｇｅｓ（電磁パルスにより誘導された電気系統のサージを抑制するシステムおよび方法）」と題する、２０１９年１月７日付で出願された米国特許本出願第１６／２４０，８９７号に対して優先権を主張するものであり、両出願は、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

電磁パルスまたはＥＭＰは、通常、自然現象または人工的活動によって生成される、短時間の電磁放射バーストとして特徴付けることができる。但し、一般的に「ＥＭＰ」という用語は、核兵器爆発に伴って発生する電磁放射バーストを説明する際に特に用いられる。したがって、本明細書では、「ＥＭＰ」という用語は、核兵器または非核兵器を用いたＥＭＰ兵器などの兵器によって発生する電磁パルスを指すものとする。

このような兵器によるＥＭＰは、広域配電網の電気系統や住宅、商業用ビルの電気系統、さらに、車両の電気系統に、電圧および対応する電流を誘導可能である。そのような不必要な電流は、防止、若しくは抑制されない限り、影響を受けた電気系統内のコンポーネントを破損または破壊する可能性があり、それによって電気系統の動作が低減するか、若しくは往々にして修理が行われない限り電気系統が使用不能となる。また、大規模な太陽現象によって同様の電気的大災害が起きる可能性があると考えられている。例えばコロナガスの噴出は、太陽による超高温プラズマの噴出であり、これによって太陽系に亘って荷電粒子が噴出されて電力系統に過電流が誘導され、その結果変圧器が過熱されて電力系統内で大規模な停電が起きる可能性がある。

当該技術分野において電気系統用のサージ抑制器が公知であるが、これらのサージ抑制器は、通常、落雷または電気系統の障害（例えば、配電網内の変圧器の障害または電力線に亘って発生した短絡）などの一般的に起きる現象によって発生した、比較的短時間のサージに対する使用のみに最適化されるようになっている。しかしながら、これらの公知のサージ抑制器は、兵器により誘導されたＥＭＰパルスよって発生または生成された複合多重サージに対しては効果がない。

一般的な現象に関連した電磁放射または電磁パルスとは異なり、核兵器によって発生する電磁パルスは異なる持続時間の多重パルスからなるため、より正確には、国際電気標準会議（ＩＥＣ）よってＥ１、Ｅ２、およびＥ３として定義された３つの主成分の観点から通常説明される、複合多重電磁パルスと考えられる。

このように、Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３の成分からなるＥＭＰパルスの複合性のため、当該技術分野において、核兵器爆発で広がったＥＭＰにより発生する電気サージを抑制するための改良されたシステムおよび方法が必要とされている。したがって、核兵器爆発によって発生する、複合多重電磁パルスのＥ１、Ｅ２、およびＥ３成分により誘導される電気系統のサージを抑制するシステムおよび方法を有することが望ましい。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１） 米国特許出願公開第２０１６／０１２６７３８号明細書
（特許文献２） 米国特許出願公開第２０１０／０１２７６２５号明細書
（特許文献３） 米国特許第６，８４７，５１４号明細書
（特許文献４） 欧州特許第２２４４３５３号明細書

本発明の実施形態は、以下の特許請求の範囲によって定義されるものであり、本発明の概要によって定義されるものではない。本開示の概要を提供し、かつ以下の詳細な説明の項においてさらに説明する概念の一部を導入するために、本概要では、本発明の様々な観点についての上位概念の概要を提供する。本概要は、特許請求の範囲に記載された内容における重要な技術的特徴または必須の技術的特徴を特定することを意図したものではなく、また、特許請求の範囲における記載内容の範囲を決定する上での補助手段として単独で利用されることを意図したものでもない。端的に言えば、本開示では特に、核兵器爆発によって発生する複合多重電磁放射パルスのＥ１、Ｅ２、およびＥ３成分によって誘導される電気サージを抑制するシステムおよび方法について説明する。

１観点において、電磁パルスにより誘導された電気系統のサージを抑制する方法は、電気系統における複数の電力線間に配置され、これらの電力線と電気的に連通する複数の分路（ｓｈｕｎｔｓ）を有するものであり、所定のレベルを超える電力線間の電圧差は、複数の分路のうちの少なくとも１つによって分流され、これによって電圧差が所望のレベルを超えることを防ぐ。

別の観点において、複数の分路の反応時間と許容可能な差動電圧レベルが選択されて組み合わされることにより、核兵器爆発によって発生する複合多重ＥＭＰパルスのＥ１、Ｅ２、およびＥ３成分に反応するための適切な反応時間および保護レベルが実現される。

さらに別の観点において、前記システムおよび前記方法は、電気系統の電力線における電力線間、電力線と中性線との間、中性線と接地との間、および電力線と接地との間の配置構成を保護するとともに、それらの組み合わせおよびそれらの副次的組み合わせを保護する。

代替実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、地上型単相電気系統および三相電気系統を保護するように構成され、さらなる代替実施形態において、システムおよび方法は、自動車、トラック、機関車、ボート、および航空機などの乗り物の電気系統、および基板に実装された電気系統を採用する乗り物の電気系統で利用されるように構成されている。

以下、添付の図面を参照して本発明の例示的な実施形態を詳細に説明する。
図１は、先行技術の例示的な単相電気系統の概略図である。 図２は、先行技術の例示的な三相電気系統の概略図である。 図３は、例示的なＥＭＰパルスのＥ１成分を表すタイミング図である。 図４は、例示的なＥＭＰパルスのＥ２成分を表すタイミング図である。 図５は、例示的なＥＭＰパルスのＥ３成分を表すタイミング図である。 図６は、典型的な単相電気系統で使用する本発明のシステムおよび方法の例示的な実施形態の概略図である。 図７は、典型的な三相電気系統で使用する本発明のシステムおよび方法の例示的な実施形態の概略図である。 図８は、典型的な単相電気系統で使用する、ケースに収容された本発明のシステムの１実施形態の概略図である。 図９は、典型的な三相電気系統で使用する、ケースに収容された本発明のシステムの１実施形態の概略図である。 図１０は、本発明に基づいたシステムの動作を図示するブロック図である。

本明細書では、法定要件を満たすために本発明の特定の実施形態の内容について具体的に記載するが、当該記載自体は特許請求の範囲を必ずしも限定することを意図するものではない。むしろ、特許請求の範囲の内容は、現在または将来の技術とともに、本明細書に記載する構成要素、工程、またはその組み合わせに類似する他の構成要素、工程、またはその組み合わせを含む他の態様で実施されてもよい。各工程の順序が明示されていない限り、本明細書の用語によって本明細書に開示されている様々な工程間の特定の順序が暗示されていると解釈ずべきではない。本明細書で使用する、「約（ａｂｏｕｔ）」、「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語、または他の近似値を示す用語は、変化による厳密値からの偏差を表すものであるか、若しくは機能的に重要ではない偏差を表わすものである。

上述したように、核兵器爆発によって発生する電磁パルスは異なる持続時間の多重パルスからなるため、より正確には、国際電気標準会議（ＩＥＣ）よってＥ１、Ｅ２、およびＥ３として定義された３つの主成分の観点から通常説明される、複合多重電磁パルスと考えられる。

複合多重電磁パルスのＥ１成分は、核爆発によって発生したガンマ線より、高層大気中において原子から電子がはじき出されたときに発生する。電子は、相対論的速度（すなわち、光速の９０％よりも早い速度）で略下方向に移動し始める。磁場が存在しない場合、変位電子は高層大気中において垂直方向の大電流パルスを影響を受けた地域全体に亘って発生させることとなる。しかしながら、地球磁場が電子に作用するため、地磁気に対して直角に電子流の方向が変化する。そして、この地球磁場と下方向の電子流の相互作用により、影響を受けた地域に亘って大パルスであるが、持続時間が非常に短い電磁パルスが発生する。

成層圏の中間地帯でガンマ線により原子から電子がはじき出される過程において、この中間地帯はイオン化されて導電体となり、このイオン化によりさらなる電磁信号の生成が阻止され、磁場強度が約５０，０００ボルト毎メートルで飽和状態になる。Ｅ１の強度は、兵器によって発生するガンマ線の数と強度に依存する。Ｅ１の強度はまた、比較的依存性は低いが、核兵器が爆発する高度にも依存する。

超高速で移動する負荷電の電子と磁場の相互作用により、短時間の間、高強度パルスの電磁エネルギーが放射される。このパルスは通常、約５ナノ秒内にピークの大きさに達し、２００ナノ秒内にピーク値の半分の値に減衰する。ＩＥＣの定義によると、Ｅ１パルスは、発生時から１マイクロ秒以内に終止する。

このように、Ｅ１成分は、導電体に非常に高い電圧を誘導可能、かつ持続時間が短い高強度電磁パルスである。当該パルスによって誘導された高電圧は、コンピュータおよび通信機器等で使用される一般的な電気系統のコンポーネントの耐電圧を超えるものであり、それによってコンポーネントが劣化および／または破壊される。Ｅ１成分のパルスは非常に高速で発生するため、最も一般的に入手可能な落雷用サージ保護装置では、Ｅ１パルスによって電気系統に誘導されたサージを抑制することはできない。

複合多重パルスのＥ２成分は、核兵器によって放射された中性子から発生する散乱ガンマ線および非弾性ガンマ線により発生する。Ｅ２成分は中間持続時間を有するパルスであり、ＩＥＣの定義によると、電磁パルスの発生時から約１マイクロ秒～１秒持続する。Ｅ２成分のパルスは、電光によって発生する電磁パルスに多くの点で類似しているが、非常に近接した落雷によって誘導される電磁パルスは核兵器によるＥＭＰのＥ２成分よりも大幅に大きい可能性がある。

Ｅ２パルスは、電光によって発生するパルスとの類似性および落雷保護技術の広範な普及のため、最も防護し易いと考えられている。しかしながら、核兵器によって発生するＥＭＰは、複合多重パルス（すなわち、Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３）を有するものであるため、Ｅ２成分における潜在的な最大の問題点は、落雷によって発生するサージからの防護を目的とし、潜在的にＥ２成分のパルスからの防護を可能とする全て装置を破損する可能性が高いＥ１成分の直後に発生するという事実にある。Ｅ２成分のパルスに言及する米国ＥＭＰ委員会の２００４年執行部報告書に記述されているように、「一般的に、重要な基盤システムは偶発的な落雷に対する防護のための既存の保護手段を装備しているため、問題とはならないが、Ｅ２成分は、保護機能および制御機能の多くを故障若しくは破壊する威力を持つ第１の成分による障害が起こった一瞬後に発生するものであるため、最も重大な危険性はその相乗作用にある。すなわち、この第２の成分によって発生したエネルギーはシステムを通過して破損する可能性がある。」
複合多重パルスのＥ３成分は、核爆発によって発生し、数十秒から数百秒持続する非常に低速なパルスであり、地球磁場の変動を起こすが、続いて磁場は元の状態に回復する。Ｅ３成分は、非常に激しい太陽コロナ質量放出（ＣＭＥ）によって引き起こされる磁気嵐、または恒星ガンマ線のバースト源、超新星、極超新星、および中性子星の衝突による恒星誘導型ＥＭＰによって引き起こされる磁気嵐と類似している。磁気嵐と同様に、Ｅ３パルスは、地磁気によって誘導された電流を長い導電体に発生させる場合があり、これにより、電力線用変圧器などのコンポーネントを破損または破壊する可能性がある。Ｅ３により誘導された電流は持続時間が長く、持続時間が短いパルスというよりもむしろ、電池からの直流に類似しているため、疑似直流（ＤＣ）電流と呼ばれることが多い。Ｅ３によって最新システムにおいて生じる破損は、ほとんどの場合、通常直流を処理するように設計されていないＡＣ電力系統に起こり、特に、ＡＣ配電系統において遍在する電力変圧器などの重要な装置において起こる。

ここでまず図１を参照すると、参照番号１０は、住宅または住居のための電気系統などの、先行技術における典型的な単相電気系統の概略図を示す。電気系統は、外部配電網から住宅に電力を供給する３つの電力線１２、１４、１６を有する。住宅に供給される電力は通常、電柱または地面などに設置された近傍の変圧器から取り込まれる。住宅に引き込まれる電力線１２、１４、１６は通常、それぞれ（中性線に対して）約１２０ボルトの電位で交流電流を流す電力線（１２、１６）と、約０ボルトの電位を有する中性線（１４）とを含む。このような電気系統を通常１２０／２４０ボルト系統と呼び、また２つの電力線１２、１６はＬ１、Ｌ２と呼ばれ、それぞれ中性線に対して１２０ボルトを提供し、互いに対して２４０ボルトを提供する。このように、前記電気系統は住宅に対して、１２０ボルトの２つの「脚」を提供、若しくはＬ１、Ｌ２の電力線間で取り込まれた２４０ボルトを提供する。

外部変圧器からの電力線１２、１６は通常、住宅内に設置されたブレーカーボックス１８に引き込まれ、さらに下流での過電流を防護するとともに、住宅所有者または修理工による電力の遮断を可能とする主回路遮断器（または遮断器）２０ａ、２０ｂに接続されている。電力は通常、この主回路遮断器２０ａ、２０ｂからさらなる一連の回路遮断器に配電され、この一連の回路遮断器は、照明、電化製品などに供給するための電力が配電される、住宅内の電気回路を画定する。

埋め込まれた導電棒または埋め込まれた導電水道管などの、接地に設けられた接地線２２は、同様にブレーカーボックス内に引き込まれ、当該ブレーカーボックス内で利用可能な接地経路を提供する。接地線は通常、Ｌ１、Ｌ２、および中性線１２、１４、１６のように外部配電網から提供されるものではない。地域の建築基準法および住宅における所望の電気系統の構成に応じて、接地線は多くの場合、ブレーカーボックス内の中性線に接続されるため、ブレーカーボックス内における名目上の接地電位である。

図２を参照すると、参照番号５０は、商業用ビルのための電気系統などの、先行技術における典型的な三相電気系統の概略図を示す。電気系統は、外部配電網から商業用ビルに電力を供給する４つの電力線５２、５４、５６、５８を有する。このようなビルに供給される電力は通常、電柱または地面などに設置された近傍の変圧器から取り込まれる。ビルに引き込まれる電力線５２、５４、５６、５８は通常、それぞれ（中性線に対して）約１２０ボルトの電位で交流電流を流す電力線（５２、５４、５６）と、約０ボルトの電位を有する中性線（５８）とを含む。このような電気系統を通常２０８ボルト三相系統と呼び、また３つの電力線５２、５４、５６はＰ１、Ｐ２、Ｐ３または位相１、位相２、位相３と呼ばれる。ここで各位相における電流は先行および後続する位相に対してそれぞれ１２０度ずつ位相がずれているため、それぞれの位相間において測定される電圧は２０８ボルトとなる。

単相系統と同様に、外部変圧器からの三相系統電力線５２、５４、５６、５８は通常、ビル内に設置されたブレーカーボックス６０に引き込まれ、さらに下流での過電流を防護するとともに、修理工による電力の遮断を可能とする主回路遮断器（または遮断器）６２ａ、６２ｂ、６２ｃに接続されている。電力は通常、この主回路遮断器６２ａ、６２ｂ、６２ｃからさらなる一連の回路遮断器に配電され、この一連の回路遮断器は、照明、電化製品などに供給するための電力が配電される、ビル内の電気回路を画定する。

埋め込まれた導電棒または埋め込まれた導電水道管などの、接地に設けられた接地線６４は、同様にブレーカーボックス内に引き込まれ、当該ブレーカーボックス内において接地経路を提供する。接地線は通常、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３および中性線５２、５４、５６、５８のように外部配電網から提供されるものではない。地域の建築基準法およびビルにおける所望の電気系統の構成に応じて、接地線は多くの場合、ブレーカーボックス内の中性線に接続されるため、ブレーカーボックス内における名目上の接地電位である。

上述したように、住宅および商業用ビルにおける典型的な地上型単相電気系統および三相電気系統は、相互接続された何マイルにも延びる電線と、広範囲な地域に亘って電力を配電する変圧器とを有する電力系統から配電される電力を受け取るが、この電力系統では、送電線および電線は電柱間に張り巡らされるか、若しくは地面の浅い場所に埋め込まれる。電力系統が広域に亘ることにより、当該電力系統の任意の場所の近接地で爆発した核兵器により発生する誘導電圧および／または誘導電流の影響を特に受けやすくなり、また核兵器によるＥＭＰのＥ１、Ｅ２、およびＥ３成分によって誘導された外乱が広がりやすくなる。

図３～５を参照すると、核兵器爆発によって発生する複合多重パルスＥＭＰのＥ１、Ｅ２、およびＥ３成分の大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）およびタイミングを表す図が示されている。当業者であれば、これらのタイミング図では、対数目盛を用いて経過時間（ｘ軸）が示されていることが明らかであると考えられる。また、これらのタイミング図における大きさ（ｙ軸）は絶対値ではなく、所定の基準または測定点からの電磁エネルギーの値を表すことを理解されたい。例えば、以下、Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分に関連して説明するピークの大きさは、核兵器爆発地点を基準とした任意の場所で測定された最大の大きさを指すものであり、異なる場所で測定されたピーク値は、爆発地点からの距離を含む様々な要因に依存して、より大きくまたはより小さくなる可能性がある。また、任意の測定地における絶対ピーク値とは関係なく、パルス形状およびタイミングは任意の測定地において実質的に同一であることを理解されたい。さらに、ＥＭＰによって電力系統および／または電気系統に誘導される電圧は、電力系統に誘導される電磁エネルギーに比例するため、誘導電圧のタイミング図におけるタイミングおよび形状は、電磁エネルギー図におけるタイミングおよび形状と実質的に同一であることについても理解されたい。

まず最初に図３を参照すると、上記で説明したように、Ｅ１成分のパルスは、持続時間が短い高強度パルスエネルギーであり、参照番号１００によって示されている。図に示すように、パルスは約５ナノ秒以内にピークの大きさ１０２に達し、２００ナノ秒内にピーク値１０４の半分の値に減衰する。ＩＥＣの定義によると、Ｅ１パルスは、発生時から１０００ナノ秒（すなわち、１マイクロ秒）以内に終止１０６する。

次に図４を参照すると、上記で説明したように、Ｅ２成分は中間持続時間を有するパルス１１０であり、電磁パルスの発生時から約１マイクロ秒でピーク１１２に達し、その持続時間は通常１秒未満である。上記で説明したように、パルス１１０のＥ２成分は、近接した落雷によって発生するパルスに類似しており、（Ｅ１成分と比べると）比較的立上り時間が遅く、（約１秒以下の）中間持続時間を有する。

最後に図５を参照すると、Ｅ３成分のパルス１２０はピークの大きさ１２２に達する非常に低速のパルスであり、数十秒から数百秒持続する。

図３～５のＥ１、Ｅ２、およびＥ３成分のタイミング図において明らかなように、核兵器爆発によって発生する、ＥＭＰの複合多重電磁パルスは、公知のサージ抑制装置によっては完全に抑制することができない、異なるタイミング特性を有する多重パルスを呈するものである。

図６を参照すると、参照番号２００は、核兵器爆発によって発生するＥＭＰを抑制するシステムを図示し、このシステムが上記で図１に関連して説明した典型的な単相電気系統に接続されていることを示す。

システム２００は、様々な組み合わせの電力線間に接続された複数の分路（ｓｈｕｎｔｓ）を有する。分路２０２はＬ１（２１０）と中性線（２１２）との間に接続され、分路２０４はＬ２（２１４）と中性線（２１２）との間に接続され、分路２０６はＬ１（２１０）とＬ２（２１４）との間に接続され、分路２０８は中性線（２１２）と接地（２１６）との間に接続される。また、分路２０５はＬ２（２１４）と接地（２１６）との間に接続され、分路２０７はＬ１（２１０）と接地（２１６）との間に接続される。システム２００は、上述した単相電気系統で通常使用されるブレーカーボックス内またはその近傍に実装されるのが好ましい。

各分路２０２、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、ガス放電管、これらの組み合わせ、およびその他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置などの複数の分路装置を有する。各分路２０２、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８は、異なる反応時間および電圧を有し、ＥＭＰパルスのＥ１、Ｅ２、およびＥ３の１若しくはそれ以上に対して反応するように構成されかつ動作可能な分路装置、および／または分路装置の組み合わせを有することが最も好ましい。

例えば、各分路２０２、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８は、Ｅ１成分のパルス特性を有する過電圧パルスに反応して分流するように構成された、ＭＯＶ、ガス放電管、またはその他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、またはその他の分路コンポーネントの組み合わせを含むことが好ましく、また、Ｅ２成分のパルス特性を有する過電圧パルスに反応して分流するように構成された、ＭＯＶ、ガス放電管、またはその他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置、またはその他の分路コンポーネントの組み合わせを含むことが好ましく、また、Ｅ３成分のパルス特性を有する過電圧パルスに反応して分流するように構成された、ＭＯＶ、ガス放電管、またはその他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置、またはその他の分路コンポーネントの組み合わせを含むことが好ましい。ＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントは、電力線間、コモンモード、電力線と中性線との間、電力線と接地との間における過電圧事象を検出しそのような電圧事象に対する保護を提供することが好ましい。例示的な１実施形態において、前記装置は、さらに、中性線と接地との間の過電圧に対する保護を提供しこの過電圧を分流するように構成されている。

実施例について引き続き説明すると、各分路は、Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分のパルスの各々を分流し、図３～５に示すパルスのタイミングに反応するように動作可能であるＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントの組み合わせを有する。ＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントの構成は、軍用規格ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１２５－１に準拠して過電圧を検出および分流することが可能な定格および特性を有することが最も好ましい。また、ＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、またはその他の分路コンポーネントは、多数の分流事象の発生後においてもシステム２００の電気系統の保護機能を維持できるように、劣化を最小限に抑えてＥ１、Ｅ２、およびＥ３成分を分流する定格を有することが好ましい。

例示的な１実施形態において、システム２００のコンポーネント（すなわち、ＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネント）および当該コンポーネントに関連したその他任意の回路および配線はプリント回路基板上に組み立てられてケースに収容され、またこのケースは、図８に示すように、電力線が電力系統から住宅またはビルに引き込まれるブレーカーボックスに近接した位置に取付られる。さらなる実施形態において、システム２００および当該システムに関連した回路および配線は、エポキシ樹脂などのポッティング材により注封される。

上記でシステム２００として説明したシステムは、５０Ｈｚ、２４０ボルトで動作する欧州連合共通の単相給電装置の保護を支援するために適用されてもよい。米国（ＵＳ）と欧州連合（ＥＵ）における単相給電装置の主な相違点は、米国型が接地を基準として１２０ボルトの電位をそれぞれ有する２つの入力電力供給線（Ｌ１およびＬ２）を備えるのに対し、欧州連合型は接地を基準として２４０ボルトの電位を有する１つの入力電力供給線を有することにある。さらに、米国型の給電装置は６０ヘルツ（Ｈｚ）で動作するのに対し、欧州連合型システムは５０Ｈｚで動作する。上記で説明したシステムを、欧州連合型の単相給電装置を利用する住宅および企業を保護するために再構成することは、当業者であれば容易に達成できる事項である。本実施形態は、電力線と中性線、電力線と接地、中性線と接地との間における過電圧／過電流を検出し、過電圧／過電流に対する保護を提供する。

図７を参照すると、図６に関連して上述したシステム２００と類似する、核兵器爆発によって発生するＥＭＰを抑制するシステム３００が、図２に関連して上述した典型的な三相電気系統に接続されていることを示す。

システム３００は、単相電気系統について上記で説明した分路と同様の態様で、様々な組み合わせの電力線間（および接地および中性線）に接続された複数の分路３０２、３０４、３０５、３０６、３０７、３０８、３０９、３１０、および３１２を有する。また、上述したように、各分路は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、およびこれらの組み合わせなどを含む複数の分路装置を有し、各分路は、異なる反応時間および電圧を有し、ＥＭＰパルスのＥ１、Ｅ２、およびＥ３の１若しくはそれ以上に対して反応するように構成されかつ動作可能な分路装置、および／または分路装置の組み合わせを含む。

上述したシステム３００と実質的に同様に、米国型２７７／４８０ボルトの三相給電装置の保護を支援するために、閾値およびコンポーネントの構成を変更してもよい。当該システムは、上記システム３００と同一に見えるが、上記のシステム３００における１２０／２０８の動作電圧とは異なる、より高電圧である２７７／４８０ボルトの動作電圧を支援する過電圧閾値および過電流閾値を有する。この変更実施形態におけるシステム３００は、電力線間、電力線と中性線、電力線と接地、中性線と接地との間における過電圧／過電流を検出し、過電圧／過電流に対する保護を提供する。

上述したシステム３００と実質的に同様に、５０Ｈｚ、４００ボルトで動作する欧州連合共通の三相給電装置の保護を支援するために、閾値およびコンポーネントの構成を変更してもよい。当該システムは、上記システム３００と同一に見えるが、上記のシステム３００における１２０／２０８の動作電圧とは異なる、より高電圧である２４０／４００の動作電圧を支援する過電圧閾値および過電流閾値を有する。この変更実施形態におけるシステム３００は、電力線間、電力線と中性線、電力線と接地、中性線と接地との間における過電圧／過電流を検出し、過電圧／過電流に対する保護を提供する。

同様に、各分路は、Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分のパルスの各々を分流し、図３～５に示すパルスのタイミングに反応するように動作可能であるＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントの組み合わせを有する。ＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントの構成は、軍用規格ＭＩＬ－ＳＴＤ－１８８－１２５－１に準拠して過電圧を検出および分流することが可能な定格および特性を有することが最も好ましい。

例示的な１実施形態において、システム３００のコンポーネント（すなわち、ＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネント）および当該コンポーネントに関連したその他任意の回路および配線はプリント回路基板上に組み立てられてケースに収容され、またこのケースは、図９に示すように、電力線が電力系統から住宅またはビルに引き込まれるブレーカーボックスに近接した位置に取付られる。さらなる実施形態において、システム３００および当該システムに関連した回路および配線は、エポキシ樹脂などのポッティング材により注封される。

使用時において、上記のシステム２００、３００は、以下のように（Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分のパルスを有する）ＥＭＰパルスを抑制するように動作可能である。複数の電力線のいずれか１つにおいて、Ｅ１の第１の所定の閾値を超える過電圧の検出後ナノ秒未満以内に、１若しくはそれ以上のＭＯＶ、１若しくはそれ以上のガス放電管、またはその他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、またはその組み合わせを利用して、過電圧を中性線または接地に分流して電圧レベルの大きさをＥ１の第２の所定の閾値よりも低いレベルに低減する。持続時間が短いＥ１成分のパルスの検出および分流と同時に、Ｅ２の第１の所定の閾値を超える、中間持続時間のＥ２成分のパルスを検出後マイクロ秒以内に、ＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントを利用して第２の過電圧を分流し、Ｅ２の第２の所定の閾値よりも低いレベルに低減する。それと同時にシステムは、Ｅ３の第１の所定の閾値を超える、持続時間が長いＥ３成分のパルスを検出後約１秒以内に、ＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントを利用して第３の過電圧を分流し、Ｅ３の第２の所定の閾値レベルに低減する。

例示的な１実施形態において、Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分のそれぞれを検出および分流するために利用されるＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントは分離されており、また、他の例示的な１実施形態において、Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分を検出および分流するために利用されるＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントは、少なくとも部分的に共通性があり、１若しくはそれ以上のＭＯＶ、ガス放電管、その他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置、および／またはその他の分路コンポーネントは、１若しくはそれ以上のＥ１、Ｅ２、およびＥ３成分の事象を検出および分流するために利用される。

別の観点において、大気中の電位が電力系統の配線に過電圧を発生させ、その過電圧がアーク放電を発生させるほど十分高い場合、上記で説明したシステムおよび方法は、破損が生じない方法で、過電圧を接地に分流するように動作可能なアークギャップ技術（ａｒｃ－ｇａｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を含んでもよい。この場合、破損が生じない方法で過電圧が接地に対して確実に分流されるように、アークギャップ技術は、調整された間隔をおいて実施される。

使用時において、電磁パルスにより誘導された電気系統のサージを抑制するシステムおよび方法は、電力系統および電力系統のコンポーネント（すなわち、変圧器、変電所、配線、絶縁体、および関連するハードウェア）を保護するために利用することができる。最初に、本明細書に記載の分路装置は、各ヒューズの電源側に配置および実装され、各分路装置は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、ガス放電管、およびその他の機械的放電装置、放電装置、電離放電装置を含む。システムは、所定のレベルを超える電圧サージまたは過電流状態を検知した際、この過電圧または過電流状態をヒューズ（すなわち、遮断器をトリップさせること、ヒューズを溶断すること、若しくは電流を接地側に流すこと）を介して回避するように動作可能である。これにより、変圧器または変電所は電力系統から隔離されれるとともに、「アンテナ（すなわち、電力系統の配線）」から隔離されるため、潜在的な電流が変圧器または変電所に流れることが阻止され、変圧器または変電所内の発熱量の増大が排除されて、変圧器または変電所自体に対する障害が排除または低減される。

本明細書で説明する、分路アセンブリ（ｓｈｕｎｔｉｎｇ ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ）が電気系統を保護するために実装される複数の場所については、図１０に示すブロック図を参照することにより最もよく理解される。電気は、発電所、原子力発電所、水力発電所などの発電所４００によって生成される。次に、生成された電気は、山頂を超えてカナダから米国に亘って延びる長距離かつ太い電力線などの、長距離かつ国境を横断する送電線４０２を介して送電される。本明細書に記載する分路装置は、送電線４０２を電磁パルスから隔離するために送電線４０２の上流に実装されてもよく、これは第１段階保護４０４と呼ばれる。次に、送電された電気の電圧は、各変電所４０３で低減され、送電された電気は分離されて各地域に向けて送られる。本発明の分路装置をこれらの各変電所４０３の上流に実装することを第２段階保護４０５と呼ぶ。

次に、電気は、地方自治体（すなわち、市町）の電柱４０６間に見られる電線などの、地域の電力系統を通して送電されっる。このレベルに本発明を実装することを第３段階保護４０７と呼ぶ。最後に、電圧はさらに低減され、変圧器を介して住居または商業施設などの顧客施設４０８に供給される。上記で説明した分路装置は、住居またはビルに隣接またはその内部にある各メーターまたは電源ボックスの上流に実装される。このような保護は第４段階保護４０９として知られている。

初期段階の発電所から下流のすべてのエンドユーザまでに亘り、各変圧器または変電所におけるヒューズに対して上記で説明したシステムおよび装置を実装することで、電力系統を構成するために利用される変圧器および変電所の全てを当該電力系統を構成する配線から隔離することが可能となる。換言すれば、電気を使用する住居、企業、または施設のすべてが上記で説明したシステムが利用することで、これらの場所を破損および機能障害を引き起こすサージ（すなわち、Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分のスパイク）、およびエンドユーザーの施設に対しする送り配線やエンドユーザーの施設内の配線によって発生するいかなる後続のサージからも保護することが可能となる。

したがって、本発明のシステムおよび方法は、核兵器爆発によって誘導された電気サージおよび過電圧、さらにその爆発に伴って発生するＥ１、Ｅ２、およびＥ３の複合多重パルスを抑制するのに好適である。上記で説明したシステムおよび方法と以下に記載する特許請求の範囲は、太陽嵐によって誘導された電磁パルスを分流するために実質的に同様な態様で機能する。例えば、コロナガスの噴出は、太陽による超高温プラズマの噴出であり、これによって太陽系に亘って荷電粒子が噴出されて電力系統に電流が誘導され、その結果変圧器が圧倒されて電力系統内で大規模な停電が起きる可能性がある。

さらに、電磁パルスによって誘導された電気系統のサージを抑制するシステムおよび方法は、上記で説明した態様と実質的に同様な態様で無線システムを、当該無線システムのアンテナおよび配線に誘導された過電圧／過電流から保護するために利用できる。具体的には、このアプリケーションは、無線信号と同期するように実装され、無線システムの正常な電力供給設定における所定の閾値を超える過電圧／過電流を分流する。本システムは、高周波（ＨＦ）、超高周波（ＶＨＦ）、および極超高周波（ＵＨＦ）無線システム用の無線周波通信装置、アンテナ、および同軸ケーブルのすべてに適用可能である。

同様に、電磁パルスによって誘導された電気系統のサージを抑制するシステムおよび方法は、データシステム、イーサネット（登録商標）、ＲＳ－４８５、ＲＳ－４２２、ＲＳ－２３２、および低電圧制御システムを保護するために利用可能である。明確化のために言うと、以下の特許請求の範囲で言及する「電気系統」とは、米国型、欧州型、軍事用に構成された電気系統を指し、無線信号、計算、データ転送などに関連する場合がある。さらに、本システムおよび方法は、ＤＣ電気系統（すなわち、電池を含むもの）を保護するために利用されてもよい。すべての実施例において分路アセンブリは、上記で説明した電磁パルスから保護されるべき電気系統の上流に実装される。

記載および図示したシステムとともに図示しない構成要素および特徴について、以下の特許請求項の範囲から逸脱することなく様々な配置および構成が可能である。同様に、記載された方法における工程の順番を変更すること、および工程の組み合わせを変更することは本発明の範囲内である。本技術の実施形態は、限定することを意図するものではなく、例示することを意図している。本開示を一読後、または一読することによって代替実施形態は自明であると考えられる。以下の特許請求の範囲から逸脱することなく、代替手段によって上記発明を実施することが達成可能である。本開示および以下の特許請求の範囲において特定の機能を実行するように構成された構造についての特定事項は、本開示の範囲内であるとともに、当業者によって容易に特定され、また特定の機能を同様の態様で実行することが可能な構造、配置、およびそれらの設計を包含することを意図している。特定の技術的特徴および副次的組み合わせが利用可能であり、他の技術的特徴および副次的組み合わせに言及することなく採用されてもよい。また、これらは特許請求項の範囲内であると考えられる。

本明細書では、法定要件を満たすために本発明の特定の実施形態の内容について具体的に記載してきたが、当該記載自体は特許請求の範囲を必ずしも限定することを意図するものではない。むしろ、特許請求の範囲の内容は、現在または将来の技術とともに、本明細書に記載する構成要素、工程、またはその組み合わせに類似する他の構成要素、工程、またはその組み合わせを含む他の態様で実施されてもよい。各工程の順序が明示されていない限り、本明細書の用語によって本明細書に開示されている様々な工程間の特定の順序が暗示されていると解釈ずべきではない。

Claims (18)

1. 核兵器爆発によって発生する電磁パルス（ＥＭＰ）によって誘導される電気サージを抑制する方法であって、
   Ｅ１成分のパルスによって電気系統に誘導された、Ｅ１の第１の所定の閾値レベルを超える第１の過電圧を検出する工程と、
   前記第１の過電圧の検出後１ナノ秒以内に、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、ガス放電管と、その他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置と、その組み合わせとを含む第１の分路アセンブリを利用して、前記第１の過電圧を分流して前記第１の過電圧のレベルをＥ１の第２の所定の閾値レベルに低減する工程と、
   Ｅ２成分のパルスによって電気系統に誘導された、Ｅ２の第１の所定の閾値レベルを超える第２の過電圧を検出する工程と、
   金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、ガス放電管と、その他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置と、その組み合わせとを含む第２の分路アセンブリを利用して、前記第２の過電圧を分流して前記第２の過電圧のレベルをＥ２の第２の所定の閾値レベルに低減する工程と、
   Ｅ３成分のパルスによって電気系統に誘導された、Ｅ３の第１の所定の閾値レベルを超える第３の過電圧を検出する工程と、
   金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、ガス放電管と、その他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置と、その組み合わせとを含む第３の分路アセンブリを利用して、前記第３の過電圧を分流して前記第３の過電圧のレベルをＥ３の第２の所定の閾値レベルに低減する工程と、
   を有し、
   前記第１、第２、および第３の分路アセンブリの各々は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、ガス放電管と、その他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置と、その組み合わせとを含む群から選択される複数の分路装置を含むものであり、
   前記第１、第２、および第３の分路アセンブリは、それぞれ異なる反応時間と異なる電圧とを有し、前記Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分のパルスのうちの対応する１のパルスに対してそれぞれ反応するように動作可能なものである、
   
   電気サージを抑制する方法。
2. 請求項１記載の電気サージを抑制する方法において、さらに、
   各前記第１、第２、および第３の分路アセンブリに対する劣化を最小限に抑制して、各前記第１、第２、および第３の過電圧を分流する工程を有するものである、電気サージを抑制する方法。
3. 請求項１記載の電気サージを抑制する方法において、さらに、
   前記分路アセンブリのそれぞれをブレーカーボックスに近接した場所に取り付けるように構成されたケースに取り付ける工程を有するものである、電気サージを抑制する方法。
4. 請求項１記載の電気サージを抑制する方法において、さらに、
   外部の配電網を住居用電源ボックスに接続する工程を有し、
   前記電気系統は第１および第２の電力線を有する単相電気系統であり、各電力線は中性線に対して１２０ボルトを有し、前記第１および第２の電力線は電力系統の上流かつ住居の下流において電気的に接続されているものである、
   電気サージを抑制する方法。
5. 請求項４記載の電気サージを抑制する方法において、
   前記外部の配電網は変圧器を有するものであり、
   前記住居用電源ボックスは電気の過電流を遮断するように動作可能な遮断器を有するものである、
   電気サージを抑制する方法。
6. 請求項５記載の電気サージを抑制する方法において、
   前記電気系統は、前記遮断器と電気的に連通し、前記過電流のための接地経路として動作可能な接地線を含むものである、電気サージを抑制する方法。
7. 請求項１記載の電気サージを抑制する方法において、さらに、
   外部の配電網を商業用電源ボックスに接続する工程を有し、
   前記電気系統は第１、第２、および第３の電力線を有する三相電気系統であり、各電力線は中性線に対して１２０ボルトを有し、前記第１および第２の電力線は電力系統の上流かつ住居の下流において電気的に接続されているものである、
   電気サージを抑制する方法。
8. 請求項７記載の電気サージを抑制する方法において、
   前記外部の配電網は変圧器を有するものであり、
   前記商業用電源ボックスは電気の過電流を遮断するように動作可能な遮断器を有するものである、
   電気サージを抑制する方法。
9. 請求項８記載の電気サージを抑制する方法において、
   前記電気系統は、前記遮断器と電気的に連通し、前記過電流のための接地経路として動作可能な接地線を含むものである、電気サージを抑制する方法。
10. 自然現象による電磁パルス（ＥＭＰ）によって誘導される電気サージを抑制するサージ抑制システムであって、
    金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、ガス放電管と、その他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置と、その組み合わせとを含む第１の分路アセンブリであって、
    Ｅ１成分のパルスによって電気系統に誘導された、Ｅ１の第１の所定の閾値レベルを超える第１の過電圧を検出するように動作可能であり、
    前記第１の過電圧の検出後１ナノ秒以内に、前記第１の過電圧を分流して前記第１の過電圧のレベルをＥ１の第２の所定の閾値レベルに低減するように動作可能である、
    前記第１の分路アセンブリと、
    金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、ガス放電管と、その他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置と、その組み合わせとを含む第２の分路アセンブリであって、
    Ｅ２成分のパルスによって電気系統に誘導された、Ｅ２の第１の所定の閾値レベルを超える第２の過電圧を検出するように動作可能であり、
    前記第２の過電圧を分流して前記第２の過電圧のレベルをＥ２の第２の所定の閾値レベルに低減するように動作可能である、
    前記第２の分路アセンブリと、
    金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、ガス放電管と、その他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置と、その組み合わせとを含む第３の分路アセンブリであって、
    Ｅ３成分のパルスによって電気系統に誘導された、Ｅ３の第１の所定の閾値レベルを超える第３の過電圧を検出するように動作可能であり、
    前記第３の過電圧を分流して前記第３の過電圧のレベルをＥ３の第２の所定の閾値レベルに低減するように動作可能である、
    前記第３の分路アセンブリと、
    を有し、
    前記第１、第２、および第３の分路アセンブリの各々は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、ガス放電管と、その他の機械的放電装置、放電装置、および電離放電装置と、その組み合わせとを含む群から選択される複数の分路装置を含むものであり、
    前記第１、第２、および第３の分路アセンブリは、それぞれ異なる反応時間と異なる電圧とを有し、前記Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分のパルスのうちの対応する１のパルスに対してそれぞれ反応するように動作可能なものである、
    サージ抑制システム。
11. 請求項１０記載のサージ抑制システムにおいて、
    前記第２の分路アセンブリは、前記第２の過電圧の検出後１マイクロ秒以内に、前記第２の過電圧を分流するように動作可能であり、
    前記第３の分路アセンブリは、前記第３の過電圧の検出後１秒以内に、前記第３の過電圧を分流するように動作可能である、
    サージ抑制システム。
12. 請求項１０記載のサージ抑制システムにおいて、前記第１の分路アセンブリ、前記第２の分路アセンブリ、および前記第３の分路アセンブリはそれぞれ、前記Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３成分のパルスのタイミングに同時に反応するように動作可能である、サージ抑制システム。
13. 請求項１０記載のサージ抑制システムにおいて、前記第１の分路アセンブリ、前記第２の分路アセンブリ、および前記第３の分路アセンブリはそれぞれ、他の任意の分路アセンブリに対する劣化を最小限に抑制して、前記第１、第２、および第３の過電圧を分流するように動作可能である、サージ抑制システム。
14. 請求項１０記載のサージ抑制システムにおいて、前記第１の分路アセンブリ、前記第２の分路アセンブリ、および前記第３の分路アセンブリは、ブレーカーボックスに近接した場所に取り付けるように構成されたケースに取り付けられるものである、サージ抑制システム。
15. 請求項１０記載のサージ抑制システムにおいて、前記電気系統は中性線に対して２４０ボルトを有する単一の電力線を備える欧州連合型単相電気系統であり、前記単一の電力線は電力系統の上流かつ住居の下流において電気的に接続されているものである、サージ抑制システム。
16. 請求項１０記載のサージ抑制システムにおいて、
    前記電気系統は第１、第２、および第３の電力線を有する２７７／４８０ボルトの三相電気系統であり、各電力線は中性線に対して２７７ボルトを有し、前記第１、第２、および第３の電力線は電力系統の上流かつビル内のブレーカーボックスの下流において電気的に接続されているものである、
    サージ抑制システム。
17. 請求項１０記載のサージ抑制システムにおいて、前記電気系統は無線システムであり、前記第１、第２、および第３の分路アセンブリは、当該無線システムに関連するアンテナおよび同軸ケーブルの上流に取り付けられているものである、サージ抑制システム。
18. 請求項１０記載のサージ抑制システムにおいて、前記電気系統は第１、第２、および第３の電力線を有する２４０／４００ボルトの欧州連合型三相電気系統であり、各電力線は中性線に対して２４０ボルトを有し、前記第１、第２、および第３の電力線は電力系統の上流かつビル内のブレーカーボックスの下流において電気的に接続されているものである、サージ抑制システム。

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