保護電力系統遠離極強電磁脈衝損害的方法及裝置的製作方法

2023-09-27 07:22:50 4

專利名稱：保護電力系統遠離極強電磁脈衝損害的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及防止極強電磁脈衝(EEMP)產生，例如，阻止核爆炸或太陽風暴，從而避免極強電磁脈衝到達發電系統及配電系統，使其電氣元件失效。具體來講，極強電磁脈衝 (EEMP)是由核爆炸(NEMP)和非核電磁脈衝引起的、力量足以接近並引起電力系統元件失效的瞬時脈衝，這些統稱為EMP，或由太陽風暴日冕團塊噴射引起的地磁感應電流(GIC)。 本發明另一方面涉及用於檢測GIC脈衝的高速分流器。
背景技術：
電力系統對於現代社會的重要性是公知的。比如，由國家關鍵基礎設施部和美國政府印刷局於2008年4月頒布的《委員會對於美國遭受電磁脈衝(EMP)攻擊威脅的評估報告》，其第17頁提到社會和經濟的運作主要依賴於電力供應。基本上美國社會各個方面都需要依靠電力才能運作。如果離開了電，現今的美國社會將呈現混亂的結構，也無法滿足將近3億人的需求。持續的電力供應對於維持水供應、食物的生產和分配、燃油、交通及任何其它都是十分必需的，而這些都是我們經濟的一部分。密集頻率範圍內持續可靠的電力供應對於美國和大多數發達國家的存續和發展都是十分關鍵的因素。上述《委員會報告》進一步討論了核爆炸帶來的電磁脈衝對電力系統造成的威脅， 同時也提及了地磁暴對於電力系統自然形成的威脅。見《委員會報告》第18頁。正如本文所指，電力系統指發電、將電由近距離向遠距離傳輸並分配給最終用戶的系統。從已發布的實驗數據來看，人們普遍認同EMP事件可導致電力系統的多種元件失去效力。有兩種這樣的電氣元件——用於發電的發電機以及根據電力輸配需要升壓或降壓的變壓器，這兩者都是極其重要的。假如發電機或變壓器停止運行，電力系統就會崩潰，正如我們所知，社會就會癱瘓。如果產品需求正常，即產品預期壽命之後出現故障，那麼修建這兩大元件需要相當長的生產周期(比如變壓器需要3至5年，而發電機則需10年)。然而，如果EMP事件導致發電機和變壓器過早損壞，那麼其需求就會急劇上升，修建發電機和變壓器的生產周期就會變得更長甚至可能非常漫長。因此，需要提供方法防止各種形式的EMP到達並導致供電系統元件失效。所述各種形式的EMP包括核電磁脈衝事件(NEMP)引發的冗餘瞬變電磁脈衝，或非核電磁脈衝 (NNEMP)事件引發的、升壓時間低於500皮秒且場強(如大於20伏/米)大到足以到達上述供電系統並使其元件失效的脈衝，或由太陽風暴日冕團塊噴射及其它EMP事件引發的地磁感應電流(GIC)。這些EMP事件引發的脈衝在此歸為極強電磁脈衝(EEMP脈衝)一類。現有技術的另一個問題是關於如何精確測量高速電流脈衝，比如GIC。現有高速電流脈衝測量技術幾乎完全依靠推理。在可能的情況下，比起推理性測量，美國國家標準與技術局(NIST)更青睞直接的測量。在校正原始數據使其在理論上趨近實際測量結果的過程中，與推理測量技術相關的數值計算增加了失誤的可能性。這是由於需要進行的數值計算非常複雜，所以迫切需要簡化計算，但該簡化過程通常會導致失誤的發生。需要配備高精確度的高速分流器的原因主要有以下三點1、提供實時監控裝置指導設備的製造，以保護電力系統元件免受EEMP事件的損害。2、為控制電路提供高速輸出裝置。3、為EEMP事件的系統操作員通知提供高速輸出裝置。因此，需要提供直接技術用於高速電流脈衝的測量。

發明內容
本發明一方面提供防止極強電磁脈衝到達電力系統及使其電氣元件失效的方法及裝置，其中電氣元件位於系統接收脈衝的導電通路中。該方法及裝置包括在脈衝到達並使電氣元件失效前檢測導電通路中是否存在脈衝的步驟或裝置。在脈衝到達並使電氣元件失效前，脈衝通過一個相對於電氣元件的低電感、高電容電路繞開電氣元件。上述方法及裝置防止各種形式的EEMP到達電力系統並避免導致其元件失效。另一方面本發明提供了高速分流器，該分流器包括具有規定測電區的平面導電金屬板、與變壓器匹配的連接至測電區的錐形平行板傳輸線以及經由同軸電纜線進行信息輸出的輸出裝置。上述分流器為測量高速電流脈衝提供了直接而實質的技術，可應用於前面所說的發明。


在附圖中，相同的參考數字表示相同元件圖IA為是部分交流電輸電網示意圖。圖IB為是圖IA所示的接收核電磁脈衝或非核電磁脈衝的輸電網。圖IC為是圖IA中接收地磁感應電流脈衝的輸電網。圖2A為圖1的簡化圖，圖中部分呈塊狀分布，一對分流線路將EMP產生的脈衝從變壓器處分流開，而另一可選分流線路將EMP產生的脈衝從輸電線分流至接地。圖2B為圖2A電路的一部分。圖2C和2D為圖2B所示分流線路中開關的可選裝置的示意圖。圖2E為涉及開關所需上升時間的核電磁脈衝(NEMP)電壓-時間波形圖，該開關用於將NEMP由供電系統電氣元件處分流開。圖2F為地磁感應電流(GIC)弓丨起的極強地磁脈衝(EEMP)電流-時間波形圖。圖3為根據本發明採用了分流線路的輸電網另一部分的示意圖。圖4A和4B分別為根據本發明採用具有分流線路的Y形繞組和三角形繞組示意圖。圖5A為根據本發明採用自立接地電極的分流線路的前平面圖。圖5B為圖5A的水平導電支撐連接裝置及連接結構的部分剖視圖。
圖5C為圖5B中箭頭標識為5C、5C處水平導電支撐連接裝置及連接結構的部分剖視圖。圖5D為圖5A中箭頭標識為5D、5D部分的剖視圖。圖6A和6B為本發明可能會採用的高壓冷陰極場發射三極體的簡化俯視圖及相關剖視圖。圖6C和6D為所示與圖6A和6B相似，但圖6A和6B表示的是雙向高壓冷陰極場
發射電子管。圖6E為雙向高壓冷陰極場發射電子管的簡化側視圖，其中一部分是剖面圖。圖6F為本發明所用開關的凹入管座和陶瓷套的側面透視圖。圖6G為圖6F中箭頭標識為6G，6G部分的高壓冷陰極場發射電子管與圖6F中凹入管座的電氣連接和機械連接詳圖，其中一部分是剖面圖。圖7為具有控制電路的分流線路的電路簡圖，該分流線路通常用於在直流電壓的導電通路中保護電路使其免受NEMP或NNEMP的損害。 圖8A為具有控制電路的分流線路的電路簡圖，該分流線路通常用於在交流電壓的導電通路中保護電路使其免受NEMP或NNEMP的損害。圖8B為具有控制電路的分流線路的電路簡圖，該分流線路通常用於在交流電壓的導電通路中保護電路使其免受NEMP、NNEMP以及GIC的損害。圖8C為高速分流器的簡化透視圖，為了說明清晰，該透視圖省略了絕緣部分。圖8D為導電金屬板和具有絕緣體的錐形板的放大側視圖。圖8E為與同軸電纜相連的輸電線板的放大透視圖。圖8F為圖8E所示電氣連接和絕緣部分的放大側視圖，其中一部分是剖面圖。圖8G為圖8E所示交錯連接及相關絕緣部分的一處放大俯視圖。圖9為輸電系統的部分元件和相關分流線路的電路圖。圖10為Y形連接電氣元件的完整電流檢測和電流分流裝置側視圖。圖11為電流分流裝置與三角形連接電氣元件的連接簡化透視圖。附圖的詳細說明圖IA至IC所示為輸電網具有代表性的一部分，同時示例出輸電網可能接收到的不同類型的極強電磁脈衝(EEMP)。圖IA所示為本發明可防止受到EEMP的損害的交流輸電網10的一部分。輸電網 10包括輸電線12，輸電線12懸吊於輸電塔14a和輸電塔14b之間，輸電線12通常比圖中示意的還要長很多。變壓器16和18分別位於輸電線12的兩端。舉例來說，各變壓器可由一個三相Y形變壓器的一個相位構成。如圖所示，變壓器16和18的低顯示電極分別與接地線20相連。一般來講，各接地線可內含一條接地的電導線，這樣做可以確保其與地面的連接更加穩固。為了使接地線接地更穩固以提高本發明的有效性，可向地下注入導電劑，比如硫酸銅過飽和溶液。圖IB為圖1所示的輸電網10，其中輸電線12可接收到多種核電磁脈衝(NEMP)或非核電磁脈衝(NNEMP) 22。如圖所示，22由相關箭頭指明脈衝22的移動方向。輸電線12 接收到脈衝之後，NEMP或NNEMP22將沿導電通路M或沈繼續擴散，該通路沿路分別布有變壓器16和18以及接地線20。通常NEMP或NNEMP22會將電流引入導電通路對或沈，這將遠遠超出變壓器16和18處的電負荷。如果不將NEMP或NNEMP22從變壓器處分流開，則會導致變壓器失效。圖IC為圖1所示的輸電網10，其中輸電線12可接收到多種地磁感應電流(GIC) 引起的EEMP。如脈衝觀，如圖示相關箭頭指明脈衝的移動方向。輸電線12接收到脈衝觀之後，GIC脈衝觀將沿導電通路30或32繼續擴散，導電通路沿路分別布有接地線以及變壓器16和18。通常GIC脈衝28會將電流引入導電通路30或32，這將遠遠超出變壓器16 和18的處電負荷。如果不將GIC脈衝觀從變壓器處轉移走，則會導致變壓器失效。圖2A為圖1的簡化圖，圖2A具有多條分流線路36、38及40等。分流線路36和38 分別將電流從變壓器16和變壓器18處轉移走。備選分流線路40將電流從接收EEMP的輸電線12的一部分轉移走，從而避免輸電線12的該部分被EEMP影響導致失效。各線路36、 38及40組成了一條低電感、高電容的電路，該電路分別與輸電網10的電氣元件相連，如圖中所示為開關37a、39a或41a。這樣，在EEMP使輸電網的變壓器、輸電線類電氣元件失效前，EEMP可以從變壓器16和18處以及從接收EEMP的輸電線12的一部分處轉移走。圖2B更詳細地示意出圖2A所示的分流線路36。分流線路36包括保護裝置37， 該保護裝置37由一個開關37a和開關控制器37b組成，具體細節描述如下。安裝於變壓器 16的上節點16a與線路36之間的長度為42，在現實允許的情況下應儘可能短，這樣可以將變壓器16與分流線路36之間的距離43降到最短。這一點對於將分流線路36的上升時間維持在很快的速度來說很重要，從而在起破壞作用的脈衝到達受保護元件之前確保分流線路的實現。同時也可以與分流線路36—起提供真空電容器(圖中未示)，用於抑制普通的 EMP，如輕微的瞬時脈衝。這一點也適用於本文描述的其它分流線路。如圖2C所示，開關37a可以是一個雙向高壓冷陰極場發射雙向電子管，稱之為「雙向管」44。「雙向管」這一名稱是由本發明的發明人定義的，其構造如下描述。另外，如圖2D 所示，開關37a也可以是一對背-背相連的高壓冷陰極場發射三極體。開關37a(圖2B)具有雙向性，不管輸電線12上的線路電壓相對於接地線20的極性如何，開關都可以開啟。這樣一來，當輸電線12上的交流線路電壓高達1/2周波(cycle)時，開關37a就不會延遲開啟。開關37a具有的雙向性十分有用，正如圖IB所示，其可以讓開關將EEMP經變壓器16 (或其它受保護的電氣元件)向下分流，或者如圖IC所示，將EEMP經變壓器16 (或其它電氣元件)向上分流。圖2C中，「雙向管14的電極包括第一陰極132和第二陰極136以及第一柵極102 和第二柵極110。圖2D中，各高壓冷陰極場發射三極體4 和45包括陽極100、柵極102 以及陰極104。在防止NEMP、NNEMP及GIC方面，圖2C所示的「雙向管」和圖2D所示的背-背式高壓冷陰極場發射三極體均適用於交流輸電線和直流輸電線。正如圖IB和IC所示，這是由於EMP脈衝相對於GIC脈衝的電流方向的不同引起的，這種不同方向的電流傳輸需要採用雙向開關裝置。兩種開關較佳的具有上升時間均低於100皮秒，從而防止來自NEMP和 NNEMP的損害。上升時間極慢的開關抑制NEMP和NNEMP的效力不夠強。緩慢的上升時間增加了受保護電氣元件受損的可能性。在圖2A和2B中，對適於分流線路36的開關37a，在設計上有幾點要求在EEMP到達並使電氣元件(如圖2A中的變壓器16和18)，失效前，開關必須開啟，且必須能夠承受
9EEMP典型的強電流。圖2E和2F分別表示地磁感應電流引起的核電磁脈衝(NEMP)和EEMP 的典型波形圖。示意出上述附圖用於考慮到本文描述的開關37a、39a及其它類似開關的要求，這些開關將此類脈衝繞開受保護電氣元件。圖2E所示為NEMP46，該圖進一步示意了此類NEMP各連續階段46a、46b及46c。比如在46a階段，NEMP46在不到100皮秒的時間內就遠遠超過了每米20伏的場強。上升時間像這樣短，且振幅等於或大於每米20伏的脈衝，不管是NEMP還是NNEMP，都應該受到防護。需要採用上升時間快於100皮秒的開關裝置保護電氣元件免受NEMP46或NNEMP (圖中未示)的影響而失效。一個可接受的上升時間47約為80皮秒。上升時間遠遠大於100皮秒的可能會使受保護元件受到損害。上升時間越長，受保護元件受損的可能性也越大。圖2E所示的NEMP波形46是這一類波形的代表，通常被稱為EMP，具體還可被稱作 NEMP和NNEMP。這些波形都是獨一無二的，但都具有重要的共同點，比如都有極短的上升時間。認識到NEMP和NNEMP具有共同特點(比如上升時間)這一點很重要。另外根據本發明的觀點來看，受保護的元件彼此都難以區分。圖2F所示為GIC脈衝引起的EEMP48的電流-時間波形圖，是對1999年1月13 日發生在芬蘭的GIC的實際記錄。從圖2F可以看出，每個波形都可以在電力系統中產生具有潛在破壞作用的瞬時波。圖3所示為具有輸入或輸出線路的受保護電氣元件，該線路浮於接地線之上並與之相連，正如呈三角連接的三相電路中的情況。因此，圖3所示為位於輸出線路50a和50b 之上的、具有交流輸出線路的發電機50，以及根據圖示左邊繞組連接至線路50a和50b且輸出繞組與輸出線5 和5 相連的變壓器52。線路50a、50b、5^i及5 都浮於接地線20 之上。舉例來說，變壓器52可由一個呈三角形連接的三相繞組的一個相位構成。圖3中，分流線路M用於保護髮電機50，而分流線路56則用於保護圖左所示的變壓器52的初級繞組。另外，分流線路58為線路50b中的電流流經接地線20提供了釋放線路。此處的分流線路符合上文分流線路的說明，比如圖2B中的線路36。分流線路58非常有用，因為分流線路58可將兩條分流線路產生的循環能量釋放到地面。圖4A所示為呈Y形連接的變壓器繞組60a、60b及60c的一個側面60。按照本發明的一個方面，繞組60a、60b及60c均由相關分流線路62、64或66進行分流。雖然下文將會提到用控制電路來操控「雙向管」開關，但圖中所示的分流線路62、64和66均以「雙向管」 構造的雙向開關的簡化形式表示。在變壓器呈Y形連接的一側60，各繞組的末端以及相關的分流線路都與接地線20相連。圖4B所示為呈三角形連接的變壓器繞組68^6 及68c的一側68。按照本發明的一個方面，繞組68a、68b及68c均由相關分流線路70、72或74進行分流。雖然下文將會提到用控制電路來操控「雙向管」開關，但圖中所示的分流線路70、72和74均以「雙向管」 構造的雙向開關的簡化形式表示。在變壓器呈三角形連接的一側68，各繞組的末端以及相關的分流線路都不與接地線(圖中未示)相連。圖5A和5B所示為Y形繞組可能會採用的分流線路78，比如，其可以用來布置圖 4A所示的分流線路62、64或66。與線路62、64和66 —樣，圖5A所示的分流線路78也與接地線20相連。圖5A中，分流線路78包括一條絕緣且垂直放置的接地導體80、一個真空罩81以
10及一個與電力輸電網的導線84相連且水平放置的電氣連接設備83。正如下文詳細描述的一樣，真空罩81最好包括一個開關，正如圖2B中37a的示意圖，還有用於檢測EEMP的電路。 絕緣接地導體80最好豎直放置，絕緣接地導體80較低端採用機械方式固定於機械支撐物 88上，正如圖5A所示。圖5B和5C所示為圖5A所示的水平放置的電氣連接設備83的優選構造的細節圖， 該構造將導線84至真空罩81內EEMP檢測電路的導電通路長度降到最低。這反過來也會縮短罩81內開關的上升時間。罩81最好由電介質材料組成，上面選擇性地加以KEVLAR 或類似的芳綸纖維外殼82包裹，從而增強罩81對環境危害(比如沙塵暴或中彈)的抵禦能力。電導線84通過金屬接頭總成86進行連接，比如，其中金屬連接部分86e在86a位置真空密封於罩81。金屬接頭總成86包括夾鉗86b、86c以及86d，夾鉗86b、86c以及86d夾固導線84，導線84 通常要能與V形槽86f相吻合，且必須去除槽內鋒利的邊緣。比如，夾鉗86b、86c及86d可用適合的螺絲86g連在金屬連接部分86e上。圖5D是圖5A中的兩個箭頭5D指示的絕緣接地導體80的剖面圖。絕緣接地導體 80有一個內部80a和外部80b。內部80a較佳的具有一個具導電性的伸長不鏽鋼芯90，不鏽鋼芯90由具導電性的正形鉻保護層92包裹，鉻保護層92則由正形銅保護層94包裹。保護層92和94最好通過等離子噴霧進行噴塗，或者作為通過電鍍方式鍍上厚厚的一層保護層。防蝕介電保護層96最好由銅保護層94包裹。保護層96最好通過靜電粉末噴塗法進行噴塗。最好能使用KEVLAR 纖維或相似的芳綸纖維外殼99包覆外部80b以防止環境造成的危害。為了在傳導EEMP時能承受高強度電流，鉻保護層92應緊密包裹不鏽鋼芯90，而銅保護層94則應緊密包裹鉻保護層92。除此之外，對於低電感，不鏽鋼芯90在圖5D中的水平和垂直尺寸比最好大於10 1，而絕緣接地導體80內部80a的邊緣98a，98b，98c最好呈半圓狀，這樣其半徑就大致等於核芯90和保護層92，保護層94圖示垂直尺寸的一半。絕緣接地導體80的外部80b最好由陶瓷或赤陶土或其他能抗高溫的介電材料組成。由於通過導體80的電流強度極高，在極端情況下，甚至會由於I2R加熱導致導體80升溫，因此採用上述材料是必要的。圖6A和6B所示為圖2D高壓冷陰極場發射三極體4 (或45b)的基本結構，也可以稱作脈衝管，如本發明的發明人和其他人提出的USP4，950，962中。然而，脈衝管的尺寸要能保證其在理想的電壓下以連續方式進行運作。三極體4 包括一個圓柱形的陰極100， 這個陰極由圓柱形的柵極102圍繞，而柵極102則由一個圓柱形的陽極104包圍。柵極102 以虛線表示，表明柵極102可能有適合電子穿行的孔。陽極104，柵極102和陰極100共有一條主軸(圖中未示)。從陰極100到柵極102的徑向間距要足夠大以便能在兩者間生成一個圓波導來支持橫電磁波模式(TEM)。在圖6A和6B中，陰極100由石墨材料製成，柵極 102由導電金屬製成，如不鏽鋼，陽極104由耐熔金屬製成，如鎢。圖6C和6D所示為2C圖中高壓冷陰極場發射管44的基本結構，其在上文稱作雙向管。雙向管44包括一個圓柱形電極106，在這裡指一個陰陽電極，也就是既能用作陰極又可用作陽極的電極。環繞式陰陽電極106(指圖2C中的第一個陰陽極132)是一個圓柱形第一柵極102，而這一柵極又被圓柱形第二柵極110環繞，而第二柵極110又被圓柱形陰陽電極112環繞(指圖2C中的第二個陰陽電極136)。第一和第二柵極102和110以虛線表示以表明其可能有適合電子穿行的孔。陰陽電極106和112，以及第一柵極102和第二柵極110共用一條主軸(圖中未示)。從陰陽電極106到柵極102的徑向間距要足夠大以便能在兩者間生成一個圓波導來支持橫電磁波模式(TEM)。同樣，從陰陽電極112到柵極110 的徑向間距也要足夠大以便能在兩者間生成一個圓波導來支持橫電磁波模式(TEM)。從第一柵極102到第二柵極110的徑向間距也要足夠大以便能防止在預期運行電壓下，第一柵極102與第二柵極110之間發生跳火現象。在圖形6C和6D中，陰陽極106和112由石墨材料製成，柵極102和110由導電金屬製成，如不鏽鋼。圖6A和6B中的三極體45a，圖6C和6D中的雙向管44可以承受每平方釐米400 安培的電流速度。這當中的每個開關的速度最好是通過叫做「帽座」的插座來提高，對「帽座」的描述如下在為一個冷陰極場發射電子管、一個雙向管或一個脈衝管設計一個柵極時需要以下幾種要求(1)柵極-陰極或柵極-陰陽電極間距必須是穿過柵極長度的常量。這通常伴隨著在高應力狀況下安裝柵極或用剛性結構建造柵極的情況。(2)組成柵極的元件數量必須足夠以確保在柵極-陰極或柵極-陰陽電極區域內有一個恆定和均勻的電場。(3)在柵極結構中的任何地方都不允許出現尖銳的毛刺邊。單獨的元件最好是圓形，扁平或高縱橫比率的橢圓形。所有邊緣都要充分磨削。在這裡，充分磨削的意思是上述邊緣的半徑等於材料厚度的一半。這些設計規則的具體實施由製造出的柵極尺寸決定。圖6E所示為雙向管162，其是雙向高壓冷陰極場發射電子管的一種形式。管162 包括一個電絕緣的外殼116，分別安裝在第一和第二陰陽極連接器134和138上的第一和第二陰陽極132和136 (指圖6C中的106和11 。第一和第二柵極102和110分別安裝在柵極連接線126a和126b上。化學吸附泵118安裝在吸附泵連接線120上，在電力中斷的情況下用來維持外殼116內的真空狀態。真空排氣管的封口部分122形成於製造周期的最後階段，用來封閉外殼116使其不與生產設備接觸。圖6A，6B所示的電子管168和圖6C，6D 所示的電子管162是為更高的工作電壓設計的，因此，比起圖形6E所示的電子管，它們具有不同的縱橫比率。圖6F所示為凹入管座142，其能降低雙向管162或脈衝管168電子管的電感連接並能通過一般為6 1的係數縮短開關的上升時間。儘管凹入管座142能成功地融入其他電路配置，但凹入管座142主要還是為使用平行板傳輸線設計。凹入管座142最好由相同的導電性帽形部件144和146組成，這兩個部件分別圍繞圖6E所示的不導電的保護外殼116的兩個縱向末端。每個導電性帽形部件114和116分別有用來連接外部線路的邊緣 11 和116a。從不導電的保護外殼116中的線路到部件114和146的電氣連接可通過圖 6G所示方式實現。如圖6G所示，通過安裝固定螺釘151將部件144的導電插片150與陰陽電極連接器138互連。導電插片150連在第一或第二陰陽電極連接器134或138上。導電安裝插片150和固定螺釘151的結合使用也在帽形部件144或146與電子管162或168之間提供了機械連接。導電安裝插片150最好焊接到導電帽形部件144和146上。很明顯對
12本領域技術人員來說在帽形部件144和146上的各種各樣的清除孔(如147)和插槽(如 149)要能適於起電氣連接，如在電子管162或168上的柵極連接線126。邊緣14 和146a分開安裝以防止在其間發生跳火。如果需要，可以在邊緣之間多安裝一個如下所示的絕緣體212(圖10)，這能降低連接到開關的電感，進一步減少開關的上升時間。圖7所示為一個直流閾值檢測器電路152，通過使用控制電路來防止在一個常規直流電壓中的導電通道中核電磁脈衝(NEMP)或NNEMP的產生，實現了電流分流線路154。 線路巧4包括一個單向開關，該單向開關由一個高壓冷陰極場發射三極體168組成，也可以是一個脈衝管和相關的控制電路。管168傾向於在正常線路電壓加上一個可接受的額外電壓的平衡狀態(如不導電的情況)下使用。當額外的電壓值超過臨界值時，閾值檢測器電路152會使管168進入導電狀態以便形成電流分流線路154。在圖7中，尤其是管168偏向於通過由電阻器Rl和R2構成的網路實現關閉，以形成一個分壓器。電阻Rl和R2建立起一個與在線路電壓形成比例的柵極電壓。電子管位於其附著的輸電線的兩極上。原理圖展示的是負極性輸電線。電阻器Rl是一個相對低值電阻而電阻器R2是一個相對高值電阻。這就使得柵極和陰極電位接近。這一位置關係在以下相關圖8A-8B中所有脈衝管和雙向管電路中都有表明。關於這些圖形，在一個電壓分配器網路中，與相關的帶偶數參考數字(如2、4和6)的電阻器相比，帶奇數參考數字的電阻器(如1、3和5)相對低價。而且，帶偶數的電阻器更多是可調式電阻器，如圖表所示。具體的電阻價取決於電路運行的電壓值。如果線路電壓出現短期降低的情況，電容器Cl可以用來穩定控制電壓。圖8A-8B中的電容器C2和C3也是如此。關於圖7，如果線路158的電壓高於一個閾值等級，通過分壓器R1-R2網路建立起的平衡關係就會被打破，管168也會開始導電。選用一個閾值等級以便能夠在脈衝到達並使導電通路(圖中未示)中受保護的電氣元件失效之前，監測到導電通路中出現核電磁脈衝(NEMP)或NNEMP。因此，通過一個相對於電氣元件的低電感，高於電電路，電子管168的電流分流線路1 在脈衝到達並使電氣元件失效之前將核電磁脈衝NEMP或NNEMP繞開電氣元件。圖8A所示為一個帶控制電路的電流分流線路160，保護在一個常規交流電壓下的導電通路中不產生核電磁脈衝NEMP或NNEMP。然而，為了能在交流電路中進行操作，需要裝一個雙向管而不使用圖7所示單向脈衝管168。為了調節電路的雙向性，還要用到另一個分壓器R3-R4和電容器C2。如圖7所示的監測NEMP或NNEMP的操作模式和將電流從一個受保護的元件上轉移開來的方法也適用於圖8A，除了多一個控制網路以適應在交流電狀況下操作。圖8A還示出了在地面電路臂裡的一個高速分流器164。當雙向管162導電時，這個分流器會為電流提供一個出口。節點166上的這一出口能用來提示系統操作者可能發生 EEMP事件，或作為一個觸發其他保護電路的方式。圖8B所示為一個優選的控制電路167。電路167和圖8A相似，但有一個用來檢測地磁感應電流(GIC)的GIC檢測電路169。GIC檢測電路169由脈衝管168，分壓器網路 R5-R6和電容器C3組成。當一個地磁感應電流引起電流往上穿過地線，電流穿越分流器164 會形成一個與電流量和其時域波形成比例的電壓。這一電壓使得脈衝管168進入導電狀態。連續先後打開脈衝管168和雙向管162會比圖7和圖8A所示的電磁脈衝(EMP) 傳感過程花費更長的時間，通過脈衝管168的控制電路檢測出地磁感應電流(GIC)的上升時間較慢，因此速度不是至關重要。正如圖7中的電容器Cl或圖8A中的電容器Cl和C2， 電容器C3也起著一個「保持通電」的作用。圖8A和8B所示的分流器164現在相關的圖8C-8G中有描述。圖8C示意出了高速分流器164，其包括一塊平坦的導電金屬板170，金屬板170具有連接孔170a，連接孔170a 用來連接到外部電路的地線上。金屬板170最好用銅製成或其導電性至少要和商品級的銅的導電性一樣低。「商品級」的意思是以質量計，成品銅的銅含量至少要達到94%。銅板 170端部170b最好是經過充分磨削成半圓形，並有連接孔170a以分別連接到節點172上， 這在圖8A和8B上以及接地20也有表明。連接孔170a用來進行電氣連接。銅板170邊緣最好無毛刺呈半圓形。分流器164能測試超過100，000安培的脈衝電流。圖8C還示出了一個與變壓器174匹配的錐形平行板傳輸線路，變壓器174最好是通過銀焊連接至銅板170上位於一個規定的電流測量區171的雙重末端。傳輸線174的平行板17 和174b的狹窄端部最好是銀焊接至一個50歐姆同軸電纜176的一個端部173。 同軸電纜176直徑須至少約為1/2英寸(12. 77毫米)以便承受大量電流經過測量區171 時產生的高壓。增加的電流量迫使逐漸採用較大直徑的同軸電纜以承受由於分流器164測量區171增加的電壓。每塊平行板17 和174b從其連接點到金屬板170的寬度最好大致相同，儘管這些寬度值可能在金屬板170的寬度值的0. 9到1. 1倍之間。上面一塊平行板17 的長度與金屬板170的寬度比值最好是接近10比1。低於這個值的比值會導致增加阻抗失配的機率。而大體上大於這個值的比值又會導致產生一個過大和累贅的結構。而且，從其狹窄端部到寬闊端部，平行板17 和174b能形成各種椎形。 如，最簡單的椎形是一條直線這樣平行板近似於一個等邊三角形。優選的錐形更複雜以至於比起上述等邊三角形它要有指數式的不同面，接近於一個樂器中長號發出的聲音(或輸出孔)曲線。圖8D所示為銅板170，傳輸線174上下兩塊平行板17 和174b，以及絕緣體178a 和178b的側視圖。為了清晰的說明，圖8C中省略了絕緣體178a和178b。絕緣體178a順著第一平行板17 下方，從銅板170與平行板17 的寬闊端的連接處延伸到同軸電纜的中心絕緣177(圖8E)的狹槽188的一個端部。狹槽188(圖8E)起著消除電子的一個視線路徑以防止從中心導線182和同軸罩186之間形成短路。絕緣178b順著第二平行板174b 下方，從銅板170與平行板174b的寬闊端的結合處至少延伸至平行板174b長度的一半。圖8E所示為錐形平行板傳輸線174連接到同軸電纜176上的情況。如圖所示，同軸電纜176的中心導線182焊接到(用黑色區域標示)上方平行板17 的上側。同樣， 同軸電纜186，用形成同軸罩的編織電線放大圖示，焊接到(用黑色區域標示)下方平行板 174b的下側。上述焊接最好是採用含銀量超過大約5%的銀焊料進行操作。圖8F所示為傳輸線174，這一傳輸線有通過銀焊連接到中心導線182的上方平行板17 和通過銀焊連接到同軸電纜176的同軸罩186上的下方平行板174b。如上所述，絕緣178a被插入到電纜176的中心絕緣177裡的狹槽188內。圖8G所示為銀焊到電纜176中的中心導線182的第一平行板17如。圖中可以看到絕緣178a從第一平行板17 下方伸出。上述圖8C-8G中的分流器164可以和上方及下方平行板17 和174b功能互換。 形象說來，如上所述，上方平行板17 就是「熱」導體而下方平行板174b是「地面」導體。 從另一方面看，這些功能都能互換以至於上方平行板成為地面導體並連接到中心導線176 的同軸罩186上，下方平行板成為熱導體並連接到同軸電纜176的中心導體182上。在這一結構中，絕緣178b現在被插入到同軸電纜176的狹槽188中。正如在技術領域中廣為人知的，高頻電在導體表面穿行的過程被稱作表層效應。 在直接測量高速脈衝電流時不能忽略表層效應，需要利用數學補償來進行精確的電流測量。當電壓偶遇電流測量區時，一個分流器將電流轉化成電壓。必須要注意電流測量區和測量設備的阻抗要相匹配。之前描述過的錐形平行板傳輸線路匹配變壓器提到了這一注意事項。分流器輸出須調整到適合導通電阻表層效應引起的高頻運作。矩形橫截面分流器的表層深度修正公式(阻抗成為了頻率的一個函數)是眾所周知的，用在本發明分流器上， 計算如下式中Z =電流測量區171的阻抗Ith =電流測量區171的長度W=導電板170的寬度t=導電板170的厚度f=頻率(上升時間)μ =導電板171的磁導率(H/m)σ =導電板171的電導率(Ι/Ω-m)注意對於在空氣中運作的銅製分流器，磁導率為1。歐姆定律(電壓/電阻=當前使用的電阻Z值)用來計算電流。當然，有必要通過現有的方法將上升時間轉化成頻率。圖9所示為一對受保護的電氣元件190和192，電氣元件190和192有相關的電流分流線路194和196，這一線路中包括保護裝置19 和196a以及一對最好是常閉系列開關198a和198b。舉例來說，元件190和192可能是一個變壓器或發電機的繞組。在電流分流線路194和196中的保護裝置19 和196b是圖2B中保護裝置37的範例。在保護裝置 194a和196a中的常開開關在檢測到EEMP狀況時會關閉。NEMP和NNEMP最好是通過控制電路167a和167b (參見圖8B中的167)作為電壓被檢測出來，而地磁感應電流(GIC)則通過分流器16 和164b和圖9所示的控制電路167a和167b的結合運作中作為電流被檢測出來。根據適當的電壓輸入或電流輸入，控制電路167a輸出一個控制信號來激活常閉開關198a。同樣，根據適當的電壓輸入或電流輸入，控制電路167b輸出一個控制信號來激活常閉開關198b。響應來自控制電路167a和167b，使得裝置19 和196a破壞繞組190 和192的磁場，並形成分流線路194和196。在預定時間後，在檢測出不超過2周波的線路
15電壓的EEMP後，保護裝置19 和196a中的開關也會產生輸出，利用這個輸出來打開常閉開關198a和198b。這是為了防止受保護部件190發生短路。箭頭200表明在電流分流線路194和196中EEMP現象產生的電流循環線路。上述電流方向取決於EEMP發生時的瞬時極性，也有可能或者可能是朝著箭頭所指的方向。圖9所示的常閉開關198a和198b可能是任意類型的開關，有著適當的電壓，電流和反應時間額定值，它還可能包括一個真雙向管 44或162(圖2C或圖6E)。圖10所示為一個完整的EEMP保護裝置204，這是Y形管連接電器元件電路簡圖 8B的較佳實施例。裝置204有兩種內部真空泵。一個是化學吸附泵118，這通常是功能性的。第二個是常規設計的電子泵206，但其有適用於最大導電率的開放性結構。內部磁屏蔽 208用來排除圖10中的相鄰開關電子管162或電子管168(圖中未示)電子軌跡引起的幹擾。當電子泵206需要少量電力來進行操作時，關鍵是要確保在密封空間內一直保持真空狀態。斷電時，如在裝運，安裝，維護或停電期間，化學吸附泵118保持真空狀態。真空保護外殼81裡面裝有開關管162或168，這一開關管內部配有凹入管座142。 帽座144和146被一面絕緣牆212分開。絕緣牆212有雙重目的，一是在兩個帽座144和 146之間提供額外的電氣絕緣體，二是同時為電子管162或168，以及凹入管座142提供一種機械安裝方式。首選的控制電路167被連接到電子管電極162和168上。其中一條電氣連接引線210a，穿過絕緣引線管210以使得絕緣電氣連接到絕緣牆212另一面上的開關電子管電極162或168。關於開關管162或168，具有代表性的一種觀念就是真空罩如真空罩116(見圖 6E)內不存在這樣的開關管。相反，開關管建在室外罩內，而且是利用真空系統206來維持其正常運行所需的真空環境。在圖5D中所示的接地導線80有一末端置於罩81內。接地導線80有兩個功能 一是當它在Y形線路充當電力元件時，它通過對上述整個系統重量的支撐為EEMP保護裝置提供機械支持力，同時在系統運行期間它還給接地20提供低電感線路，從而使電流分流線路得以完成。接地導線裝置與分流線路164的穩定性相關(見圖8C-8G)。提供兩種方式用於與EEMP保護裝置204相連接。兩種方式涉及以下兩個為三相電路設置的標準線路方案圖4A中的Y形線路60和圖4B中的三角形線路68，兩種線路在圖中以及上文做過描述。圖11所示為一組三角形變壓器220之間的連接。連接變壓器220 的線路末端分別是套管22h、222b和222c。三個EEMP保護裝置204並置在一起，三者之間由變壓器202線路隔開。其中每兩個線端裝置就組成一段變壓器220線路。如圖11所示， 裝置20 與套管22 和222b連接，裝置204b與套管222b和222c連接，裝置2(Mc與套管222c和22 連接。類似圖4B中變壓器的線路連接68。為保護電力系統，在變壓器周圍每個相連接處安裝一個EMP保護裝置204，以確保系統中所有變壓器的初級繞組和次級繞組。同樣，在每個發電機周圍每個相連接處也安裝了一個EMP保護裝置確保電力系統的發電機。出於經濟或其他方面的考慮，EMP保護裝置的安裝數量可以少於電力系統中變壓器和發電機的總數量。通過圖示闡述了本發明的具體實施例，本領域技術人員可以作修改和改變。因此， 應理解所附權利要求旨在涵蓋本發明實際範圍和精神內所包括的所有修改和改變。
權利要求
1.一種防止極強電磁脈衝到達並導致電力系統的電力元件失效的方法，所述元件位於接收所述脈衝的所述系統的導電通路中，其特徵在於，包括a)在所述脈衝到達並導致所述電力元件失效之前，檢測所述脈衝存在於所述導電通路中；b)通過一個相對於所述電力元件的低電感和高電容電路，在所述脈衝到達並導致所述電力元件失效之前，使所述脈衝繞開所述電力元件。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述導電通路還包括一個第二電力元件， 所述方法還包括a)在所述脈衝到達並導致所述第二電力元件失效前，檢測所述脈衝存在於所述導電通路中；b)通過一個相對於所述第二電力元件的低電感和高電容電路，在所述脈衝到達並導致所述第二電力元件失效之前，使所述脈衝繞開所述第二電力元件。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述電力元件和所述第二電力元件分別包括變壓器或發電機。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述檢測包括檢測由於所述脈衝從所述電力系統中流入地面而造成的所述導電通路的超電壓情況。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述檢測包括檢測由於所述脈衝從地面流入所述電力元件而造成的所述導電通路的超電流情況。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述檢測和所述繞開發生在500皮秒以內。
7.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述低電感電路為雙向作用的。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，包括a)所述低電感電路包括一個開關，所述開關包括被第一圓柱柵極環繞的圓柱形內電極，所述第一圓柱柵極被第二圓柱柵極環繞，所述第二圓柱柵極被圓柱形外電極環繞，並且所述內電極和所述外電極與所述第一柵極和所述第二柵極共享一個主軸；b)所述內電極與所述第一柵極之間的徑向間距創造一個環形波導以支撐橫向電磁模式；而且所述第二柵極與所述外電極之間的間距創造一個環形波導以支撐橫向電磁模式；c)所述第一柵極和所述第二柵極之間的徑向間距足以防止在預定運行電壓之下，所述第一柵極和所述第二柵極之間發生跳火；d)所述開關安裝在凹入管座上，所述凹入管座包括一對導電帽形座，各帽形座有一個圓柱形狀的部分，大部分封閉在一端，開放的一端被邊緣部分環繞，各帽形座的開放端相對，且邊緣部分作為所述開關的電極。
9.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述低電感電路為單向作用的。
10.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在預定時間後，不超過 2周波的線路電壓應用於所述電力元件，在所述繞開開始後，將所述電力元件絕緣於包含所述第一、第二低電感和高電容電路。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，由於所述導電通路中的GIC，所述絕緣從檢測到超電流開始。
12.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，由於所述導電通路中的NEMP或NNEMP，所述絕緣從檢測到超電壓開始。
13.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於a)所述低電感電路包括一個安裝在一個自承式導體上的開關，所述導體由一個伸長的導電不鏽鋼芯構成，不鏽鋼芯外面有正形導電鉻保護層包裹，所述鉻保護層外面包裹著正形導電銅保護層；b)所述自承式導體的一端與地面相接。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述銅導電保護層外面有正形防腐絕緣保護層包裹。
15.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述自承式導體的橫截面包括沿主尺寸的平板矩形體以及沿所述主尺寸的半圓邊緣。
16.一種防止極強電磁脈衝到達並導致電力系統中的電力元件失效的裝置，所述元件位於接收所述脈衝的所述電力系統的導電通路中，其特徵在於，所述裝置包括a)用於在所述脈衝到達並導致所述電力元件失效前，檢測所述脈衝存在於所述導電通路中的裝置；b)用於通過一個相對於所述電力元件的低電感和高電容電路，在所述脈衝到達並導致所述電力元件失效之前，使所述脈衝繞開所述電力元件的裝置。
17.根據權利要求16所述的裝置，其特徵在於，所述導電通路還包括一個第二電力元件，所述裝置還包括a)用於在所述脈衝到達並導致所述第二電力元件失效前，檢測所述脈衝存在於所述導電通路中的裝置；b)用於通過一個相對於所述第二電力元件的較電感和高電容電路，在所述脈衝到達並導致所述第二電力元件失效之前，使所述脈衝繞過所述第二電力元件的裝置。
18.根據權利要求16或17所述的裝置，其特徵在於，所述電力元件和所述第二電力元件分別包括變壓器或發電機。
19.根據權利要求16或17所述的裝置，其特徵在於，所述檢測裝置包括檢測由所述脈衝從所述電力系統流入地面而引起的所述導電通路的超電壓情況的裝置。
20.根據權利要求16或17所述的裝置，其特徵在於，所述檢測裝置包括檢測由所述脈衝從地面流向所述電力系統而引起的所述導電通路的超電流情況。
21.根據權利要求16或17所述的裝置，其特徵在於，所述檢測和繞開發生在500皮秒以內。
22.根據權利要求16或17所述的裝置，其特徵在於，所述低電感電路為雙向作用的。
23.根據權利要求22所述的裝置，其特徵在於a)所述低電感電路包括一個開關，所述開關包括被第一圓柱柵極環繞的圓柱形內電極，所述第一圓柱柵極被第二圓柵極環繞，所述第二圓柱柵極被圓柱形外電極環繞，並且所述內電極和所述外電極與所述第一柵極和第二柵極有共同的主軸；b)所述內電極與所述第一柵極之間的徑向間距創造一個環形波導以支撐橫向電磁模式；而且所述第二柵極與所述外電極之間的間距創造一個環形波導以支撐橫向電磁模式；c)所述第一柵極和所述第二柵極之間的徑向間距足以防止在預定運行電壓之下，所述第一柵極和所述第二柵極之間發生跳火；d)所述開關安裝在在凹入管座上，所述凹入管座包括一對導電帽形座，各帽形座有一個圓柱形狀的部分，大部分封閉在一端，開放的一端被邊緣部分環繞，各帽形座的開放端相對，且邊緣部分作為所述開關的電極。
24.根據權利要求16或17所述的裝置，其特徵在於，所述低電感電路為單向作用的。
25.根據權利要求17所述的裝置，其特徵在於，還包括絕緣裝置，用於在預定時間後， 不超過2周波的線路電壓應用於所述電力元件，在所述繞開開始後，將所述電力元件絕緣於包含所述第一、第二低電感和高電容電路。
26.根據權利要求25所述的裝置，其特徵在於，由於所述導電通路中的GIC，所述絕緣裝置對檢測的超電流進行響應。
27.根據權利要求25所述的裝置，其特徵在於，由於所述導電通路中的NEMP或NNEMP， 所述絕緣裝置對檢測的超電壓進行響應。
28.根據權利要求16或17所述的裝置，其特徵在於a)所述低電感電路包含一個安裝在一個自承式導體上的開關，所述導體一個伸長的導電不鏽鋼芯構成，不鏽鋼芯外面有正形導電鉻保護層包裹，所述鉻保護層包裹著正形導電銅保護層；b)所述自承式導體的一端與地面相接。
29.根據權利要求觀所述的裝置，其特徵在於，所述銅導電保護層外面有正形防腐絕緣保護層包裹。
30.根據權利要求觀所述的裝置，其特徵在於，所述自承式導體的橫截面包括沿主尺寸的平板矩形體以及沿所述主尺寸的半圓邊緣。
31.一種高速電流分流器，其特徵在於，包括a)一個平板導電金屬板，所述金屬板每一端有一個第一電極和第二電極與外部電路相連接，以通過所述金屬板接收電流；沿著所述金屬板的長度方向從第一直線向第二直線延伸，所述金屬板有一個限定的電流測量區；b)一個與變壓器匹配的錐形平行板傳輸線路，包括i)第一平板和第二平板呈錐形，兩端寬窄不一，所述第一平板和所述第二平板彼此相對設置，每塊平板的長度約為金屬板的寬度的10倍； )所述第一平板的寬端通過焊料與所述限定的測量區的第一直線相接，所述第二平板的寬端通過焊料與所述限定的測量區的第二直線相接；iii) 一個具有中心導體的同軸電纜通過焊料與所述第一平板的窄端相接，以及一個護罩通過焊料與所述第二平板的窄端相接。
32.根據權利要求31所述的高速電流分流器，其特徵在於，所述焊料的導電性至少不低於含銀量超過5%的銀焊料的導電性。
33.根據權利要求31所述的高速電流分流器，其特徵在於，所述導電金屬板的導電性至少不低於含銅量不低於94%的商品級銅的導電性。
34.根據權利要求31所述的高速電流分流器，其特徵在於，還包括一個第一電絕緣體，所述第一電絕緣體位於所述第一平板下面，從所述金屬板與所述第一平板的寬端的連接處向外延伸過所述第一平板的窄端，進入一個狹縫，所述狹縫沿著低於或平行於所述同軸電纜的中心線的縱向長度延伸。
35.根據權利要求31所述的高速電流分流器，其特徵在於，還包括一個第二電絕緣體，所述第二電絕緣體位於所述第二平板下面，從所述金屬板與所述第二平板的寬端的連接處往所述同軸電纜的方向延伸，所述第二電絕緣體的長度不低於所述第二平板長度的一半。
36.根據權利要求31所述的高速電流分流器，其特徵在於，各所述錐形板的寬度約等於所述平板金屬板的寬度。
37.根據權利要求31所述的高速電流分流器，其特徵在於，所述同軸電纜的電阻為50 歐姆。
38.根據權利要求31所述的高速電流分流器，其特徵在於，所述同軸電纜的直徑至少為12. 77毫米。
全文摘要
本發明提供防止極強電磁脈衝到達電力系統並使其電氣元件失效的方法及裝置，其中電氣元件位於系統接收脈衝的導電通路中。該方法及裝置包括在脈衝到達並使電氣元件失效前檢測導電通路中是否存在脈衝的步驟與裝置。在脈衝到達並使電氣元件失效前，脈衝通過一個相對於電氣元件的低電感、高電容電路繞開電氣元件。本發明有效利用高速分流器，其中高速分流器包括具有規定的測電區的平面導電金屬板、與變壓器匹配的連接至測電區的錐形平行板傳輸線路，以及經由同軸電纜進行信息輸出的輸出裝置。
文檔編號H02H9/00GK102217159SQ200980136684
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月4日 優先權日2008年9月19日
發明者柯蒂斯·A·比恩巴赫 申請人:高級融合系統有限責任公司