DE102013104286A1 - Device and method for error arc detection - Google Patents
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Abstract
Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Fehlerlichtbogens unter Verwendung eines Stromleiters (14) auf einer Leiterplatte (PCB) (10) geschaffen, der Energie von einer externen Energiequelle zu elektrischen Komponenten auf der Leiterplatte (10) liefert, indem ein Wert erfasst wird, der die Änderungsgeschwindigkeit eines durch den Stromleiter (14) fließenden Stroms kennzeichnet. Die Vorrichtung und das Verfahren können verwendet werden, um sowohl interne Fehler innerhalb der Leiterplatte (10) als auch externe Fehler außerhalb der Leiterplatte (10) zu detektieren.There is provided an apparatus and method for detecting a fault arc using a current conductor (14) on a printed circuit board (PCB) (10) that provides power from an external power source to electrical components on the circuit board (10) by detecting a value which characterizes the rate of change of a current flowing through the current conductor (14). The apparatus and method may be used to detect both internal faults within the circuit board (10) and external faults outside the circuit board (10).
Description
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 1. Mai 2012 eingereichten
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG BACKGROUND TO THE INVENTION
Elektrische Schaltungen, wie beispielsweise diejenigen, die in Flugzeugluftfahrtsystemen verwendet werden, können eine relativ hohe Spannung verwenden und sind in der Lage, einen hohen Strom zu liefern. Es können elektrische Fehler, wie beispielsweise ein Fehlerlichtbogen, darin auftreten, und diese ermöglichen es, dass Strom entweder durch ein leitfähiges Medium fließt oder über ein nicht leitfähiges Medium von einem Leiter zu einem anderen springt. Die Fähigkeit, derartige Fehlerlichtbögen zu detektieren, ist wichtig, weil für den Fall, dass diese nicht schnell detektiert werden, aus Fehlerlichtbögen Kurzschlüsse, Fehlfunktionen und weitere Probleme in der durch die elektrischen Schaltungen versorgten Ausrüstung entstehen können. Electrical circuits, such as those used in aircraft airborne systems, can use a relatively high voltage and are capable of delivering high current. Electrical faults, such as a fault arc, may occur therein, and these allow current to either flow through a conductive medium or to jump from one conductor to another via a nonconductive medium. The ability to detect such arcing faults is important because if they are not detected quickly, arcing faults can cause short circuits, malfunctions and other problems in the equipment powered by the electrical circuits.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
In einer Ausführungsform enthält eine Leiterplatte (die auch als Platine oder gedruckte Schaltung, Printed Circuit Board (PCB) bezeichnet wird) mehrere elektrische Komponenten, einen Stromleiter, der eingerichtet ist, um mit einer externen Energieversorgung außerhalb der Leiterplatte gekoppelt zu sein und Energie zu den mehreren elektrischen Komponenten zu liefern, und einen Fehlerlichtbogendetektor, der einen ersten Lufttransformator enthält, der in der Nähe des Stromleiters angeordnet ist, um mit einem Magnetfeld gekoppelt zu sein, das durch einen durch den Stromleiter fließenden Strom erzeugt wird, und eine Ausgangsspannung, Vout, liefert, die zu der Änderungsgeschwindigkeit des Stroms, dI/dt, der durch den Stromleiter fließt, proportional ist. In one embodiment, a printed circuit board (also referred to as a printed circuit board (PCB)) includes a plurality of electrical components, a power conductor configured to be coupled to an external power supply external to the circuit board, and power to a plurality of electrical components, and a fault arc detector including a first air transformer disposed in the vicinity of the conductor to be coupled to a magnetic field generated by a current flowing through the conductor, and an output voltage, Vout, which is proportional to the rate of change of current, dI / dt, flowing through the conductor.
In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Verfahren zur Detektion eines Fehlerlichtbogens in einem Stromleiter auf einer Leiterplatte ein Erfassen eines Wertes, der die Änderungsgeschwindigkeit eines durch den Stromleiter fließenden Stroms kennzeichnet, durch einen Lufttransformator, der auf der Leiterplatte angeordnet ist, und Feststellen eines Fehlerlichtbogenzustands auf der Basis des erfassten Wertes. In another embodiment, a method for detecting an arc of error in a conductor on a printed circuit board includes detecting a value indicative of the rate of change of a current flowing through the conductor through an air transformer disposed on the circuit board and detecting a fault arc condition on the circuit Basis of the recorded value.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
In den Zeichnungen: In the drawings:
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Verwendung eines auf einer Leiterplatte (PCB) realisierten kernlosen Lufttransformators, um die schnelle Stromänderungsgeschwindigkeit (dI/dt) zu erfassen, die, um ein nicht beschränkendes Beispiel anzugeben, in Speiseleitungen zur Energieverteilung in Flugzeugen, während serieller und paralleler Fehlerlichtbogenereignisse erzeugt werden können. In historischen Fehlerlichtbogendetektionssystemen sind hardwarebasierte Widerstand-Kondensator-Differenzierer verwendet worden, um das dI/dt von einer Ausgangsstrommessschaltung einer Halbleiter-Leistungssteuerung (Solid State Power Controller, SSPC) zu bestimmen. SSPCs sind gewöhnlich ausgelegt, um etwa 600% ihrer Nennströme einzulesen, um in der vorgesehenen Umgebung zu funktionieren. Fehlerlichtbögen bei hohen Spannungen rufen Stromstörungen in der Größenordnung von lediglich 5% des Nennstroms hervor. Somit kann es schwierig sein, die Fehlerlichtbogenstörung von dem allgemeinen Rauschen der Schaltung zu trennen. SSPCs verwenden häufig Shunt-Widerstände als ein Mittel zur Messung des durch ihre Anschlüsse fließenden Stroms, und die Shunt-Widerstände sind entsprechend dem vorstehenden Bereich bemessen, was bedeutet, dass das zur Fehlerlichtbogendetektion verfügbare Signal-Rausch-Verhältnis begrenzt ist. Shunt-Widerstände funktionieren gut in Niederspannungsanwendungen, verlieren jedoch ihre Fähigkeit, die Fehlerlichtbogenstörung von dem allgemeinen Rauschen der Schaltung zu unterscheiden, wenn die Spannung steigt. Diese Schwierigkeit kann mit Blick auf spezielle Beispiele veranschaulicht werden. Embodiments of the invention include the use of a coreless air transformer implemented on a printed circuit board (PCB) to detect the rapid rate of change of current (dI / dt), as a non-limiting example, in power distribution feeders in aircraft during serial and parallel fault arc events can be generated. Historical arc fault detection systems use hardware-based resistor-capacitor differentiators to determine the dI / dt of an output current sense circuit of a solid state power controller (SSPC). SSPCs are typically designed to read in about 600% of their rated currents to operate in the intended environment. Fault arcs at high voltages cause current disturbances on the order of only 5% of the rated current. Thus, it may be difficult to separate the fault arc fault from the general noise of the circuit. SSPCs often use shunt resistors as a means of measuring the current flowing through their terminals, and the shunt resistors are sized according to the above range, which means that the signal-to-noise ratio available for error arc detection is limited. Shunt resistors work well in low voltage applications, but lose their ability to distinguish the arc fault from the general noise of the circuit as the voltage increases. This difficulty can be illustrated by looking at specific examples.
In Hochspannungssystemen wird die Änderung des Ausgangsstroms aufgrund eines seriellen Fehlerlichtbogens gemäß der Gleichung verringert:
In der vorgesehenen Umgebung hat ein typisches Fehlerlichtbogenereignis ein 20-Volt-Signal zur Folge. In einem 28-Volt-DC-System ergibt die Reduktion des Stroms während eines 20-Volt seriellen Fehlerlichtbogenereignisses die folgende Beziehung: deltaI / ILOAD = 20 / 28 = 0,714 = 71,4%. In einem 270-Volt-DC-System ergibt die Stromreduktion während eines ähnlichen 20-Volt seriellen Fehlerlichtbogenereignisses jedoch die folgende Beziehung: deltaI / ILOAD = 20 / 270 = 0,074 = 7,4%. In einem typischen Stromüberwachungssystem innerhalb einer SSPC umfasst der Messbereich gewöhnlich 0% bis 600% des Nennstroms. Typische Lasten, die an SSPCs angewandt werden, werden auf ungefähr 75% des Nennstromwertes herabgesetzt, so dass folglich die Stromänderung aufgrund eines seriellen Fehlerlichtbogens unter der Annahme einer Leitungsspannung von 270 Volt DC 7,4% des 75%-igen Laststroms beträgt und lediglich einen Stromwert von 5,6% des 600%-igen vollen Skalenbereichs darstellt. Im Unterschied hierzu beträgt der herabgesetzte Laststrom in dem 28-Volt-DC-System 53,6%, was fast 10 Mal höher ist. Der Stromwert von 5,6% im Verhältnis zu dem 600%-Bereich beträgt nur 0,93% des vollen 600%-Skalenbereichs im Vergleich zu 8,9% für das 28-Volt-System. Eine derartige Stromänderung von 0,93% aufgrund des seriellen Fehlerlichtbogens liegt in der gleichen Größenordnung wie die der Genauigkeit des Stromüberwachungssystems innerhalb der SSPC. Die Änderung für das 28-Volt-System ist um eine Größenordnung höher. Obwohl somit das Fehlerlichtbogenereignis in einem 28-Volt-DC-System mit dem Shunt-Widerstand leicht bestimmt werden kann, gilt dies nicht für das Fehlerlichtbogenereignis in dem 270-Volt-DC-System. In the intended environment, a typical fault arc event results in a 20 volt signal. In a 28 volt DC system, the reduction of current during a 20 volt serial arc event gives the following relationship: delta I / ILOAD = 20/28 = 0.714 = 71.4%. However, in a 270 volt DC system, the current reduction during a similar 20 volt serial arc event gives the following relationship: delta I / ILOAD = 20/270 = 0.074 = 7.4%. In a typical current monitoring system within an SSPC, the measurement range usually ranges from 0% to 600% of the rated current. Typical loads applied to SSPCs are reduced to approximately 75% of the rated current value, so that the current change due to a serial fault arc assuming a line voltage of 270 volts DC is 7.4% of the 75% load current and only one Current value of 5.6% of the 600% full scale range. In contrast, the reduced load current in the 28 volt DC system is 53.6%, which is almost 10 times higher. The current value of 5.6% relative to the 600% range is only 0.93% of the full 600% scale range compared to 8.9% for the 28 volt system. Such a current change of 0.93% due to the serial fault arc is of the same order of magnitude as the accuracy of the current monitoring system within the SSPC. The change for the 28 volt system is an order of magnitude higher. Thus, although the arc fault event can be readily determined in a 28 volt DC system with the shunt resistor, this does not apply to the fault arc event in the 270 volt DC system.
Die Informationen, die für die Zwecke der Fehlerlichtbogendetektion erforderlich sind, sind lediglich der AC-Gehalt des DC-Signals, das Leistung zu der gegebenen Last liefert. Folglich kann der DC-Gehalt des Signals ignoriert werden, und es kann die AC-Kopplungseigenschaft des Transformators genutzt werden. Aufgrund der hohen DC-Strompegel in dem System kann ein typischer eisenkernhaltiger Stromtransformator aufgrund des Problems der Kernsättigung nicht verwendet werden. Der auf einer Leiterplatte (PCB) realisierte kernlose Luftstromtransformator wird nicht gesättigt und löst dieses Problem folglich, indem er jegliche DC-Stromkomponenten ignoriert und unmittelbar dI/dt liefert. The information required for the purposes of error arc detection is merely the AC content of the DC signal that provides power to the given load. Consequently, the DC content of the signal can be ignored, and the AC coupling characteristic of the transformer can be utilized. Due to the high DC current levels in the system, a typical core-containing current transformer can not be used due to the problem of core saturation. The coreless air-flow transformer implemented on a printed circuit board (PCB) does not saturate and thus solves this problem by ignoring any DC current components and supplying immediate dI / dt.
Die Erfindung liefert eine Lösung zur Bestimmung von Fehlerlichtbogenereignissen in Hochspannungsumgebungen. Eine Ausführungsform der Erfindung ist in
Der Stromleiter
Der Fehlerlichtbogendetektor
Der erste und der zweite Lufttransformator
Die Wicklungen
Der Fehlerlichtbogendetektor
Im Betrieb kann ein Fehlerlichtbogen in dem Stromleiter
Um einen Fehlerlichtbogen festzustellen, erfasst der Fehlerlichtbogendetektor
worin Vout = Spannung über den beiden in Reihe geschalteten Spulen;
dI/dt = Änderungsgeschwindigkeit des Stroms durch die Stromschiene;
K = die Anzahl von Spulen;
N = die Anzahl der Windungen;
a = Abstand von dem Mittelpunkt der Stromschiene zu dem Rand der Spule;
w = Weite der Spule;
l = Länge der Spule; und
s = Abstand zwischen Windungen in jeder Spule. To detect a fault arc, the fault arc detector detects
where Vout = voltage across the two series-connected coils;
dI / dt = rate of change of the current through the bus bar;
K = the number of coils;
N = the number of turns;
a = distance from the center of the bus bar to the edge of the coil;
w = width of the coil;
l = length of the coil; and
s = distance between turns in each coil.
Für die beispielhafte Ausführungsform mit Doppelspule, fünf Windungen, wie sie in den
Das Spannungssignal ist für die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms im Verlauf der Zeit kennzeichnend, und der Fehlerlichtbogendetektor
Je mehr Windungen pro Spule und je mehr Schichten bzw. Ebenen pro Spule verwendet werden, desto größer ist auch die Kopplung zwischen dem dI/dt und der Spulenausgangsspannung Vout. Die Beziehung zwischen der Spulenlänge und der Ausgangsspannung ist linear, jedoch ist die Beziehung von Vout zu der Spulenweite proportional zu derjenigen des Verhältnisses ln(b/a), so dass eine größere Zunahme von w oder b (
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ergeben vielfältige Vorteile, zu denen die Fähigkeit gehört, serielle und/oder parallele Fehlerlichtbögen in AC- und DC-Systemen zu detektieren, und sind insbesondere zur Detektion serieller Fehlerlichtbögen in Hochspannungssystemen nützlich. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können zur Detektion von für die Leiterplatte sowohl internen als auch externen Fehlerlichtbögen verwendet werden. Der Luftstromtransformator stellt eine Einrichtung zur Bestimmung des dI/dt-Signals in einer Speiseleistung zur Stromverteilung bereit, ohne den Absolutstrom messen zu müssen und ohne anschließend den Zwang einer Differentiation dieses Signals zu haben. Die vorstehenden Ausführungsformen ergeben ferner einen verbesserten Dynamikbereich des dI/dt-Signals im Vergleich zu einer Differentiation eines absoluten Stromsignals. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bieten ferner eine galvanische Trennung des Strommesssystems, was eine Flexibilität in jeder erforderlichen Signalverarbeitungsschaltung ermöglicht. In Hochspannungssystemen muss der Stromerfassungsverstärker für den verwendeten Sensor nicht auf der Netzspannung schweben, wie dies ein Shunt-Stromsensor auf der hohen Seite tun müsste. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können AC-Komponenten von DC-Strömen hoher Stärke ohne Sättigung erfassen und sorgen für eine gute Unterdrückung von Nahbereichs-Störquellen, wie sie in Flugzeugumgebungen vorgefunden werden. Die Lösung erfordert sehr wenige periphere Komponenten und lässt sich im Vergleich zu alternativen Lösungen kostengünstig implementieren. The embodiments described above provide numerous advantages, including the ability to detect serial and / or parallel fault arcs in AC and DC systems, and are particularly useful for detecting serial arc faults in high voltage systems. The embodiments described above may be used to detect both internal and external fault arcs for the printed circuit board. The air-flow transformer provides a means for determining the dI / dt signal in a power distribution feed power without having to measure the absolute current and without subsequently having to force differentiation of this signal. The above embodiments further provide an improved dynamic range of the dI / dt signal as compared to a differentiation of an absolute current signal. The embodiments described above further provide galvanic isolation of the current measuring system, allowing flexibility in any required signal processing circuit. In high-voltage systems, the current sense amplifier for the sensor used does not have to float on the line voltage, as a shunt current sensor on the high side would have to do. The embodiments described above can detect AC components of high-intensity DC currents without saturation, and provide good suppression of near-end interference sources as found in aircraft environments. The solution requires very few peripheral components and can be implemented cost-effectively compared to alternative solutions.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch einem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten. This written description uses examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to practice the invention, including the creation and use of any devices or systems, and performing any incorporated methods , The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they have structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal languages of the claims.
Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Fehlerlichtbogens unter Verwendung eines Stromleiters
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Leiterplatte, gedruckte Schaltung (PCB) Printed circuit board, printed circuit board (PCB)
- 11 11
- Mikroprozessor microprocessor
- 12 12
- Platine circuit board
- 13 13
- elektrische Komponenten electric components
- 14 14
- Stromleiter conductor
- 16 16
- Fehlerlichtbogendetektor Arc fault detector
- 20 20
- erster Lufttransformator first air transformer
- 21 21
- Fehlerlichtbogendetektionsschaltung Arc fault detection circuit
- 22 22
- zweiter Lufttransformator second air transformer
- 24 24
- Wicklung winding
- 26 26
- Wicklung winding
- 28 28
- Pfeil arrow
- 30 30
- Spule Kitchen sink
- 32 32
- Öffnungen openings
- 100100
- Konfigurationsschaltung configuration circuit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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