JP2006138849A - アーク検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】全ての突入電流を無視し、実際的なアークが検出されるときにのみ作動する改善されたアーク検出回路を提供する。
【解決手段】 電圧を検出するための電圧発生器３００と、時間に関して前記電圧を積算し、前記積算に対応して出力信号を生起させる積算器３０２と、からなるアーク検出器である。またアーク検出器は、前記積算器３０２の前記出力信号を制御するための放電コントローラ３０４と、前記積算器３０２からの前記出力信号を増幅し増幅された信号を出力する増幅器３０６と、前記増幅された出力信号を基準電圧と比較し前記比較に基づいて検出信号を生起させる比較器３０８と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、故障状況を検出する電気装置の分野に関し、より詳細には、回路におけるアークの存在を感知する装置に関する。

アーク発生は、ワイヤーの擦れ合い、塵埃の蓄積および湿気によって生じる局所的な高エネルギーの事象であり、破滅的な火災を引き起こすかもしれない。しかしながら、アークは、多くの過渡的現象と同様に、非常に短いものであり、従って、バイメタル要素または電子機器に対しては僅しか影響を与えない。その結果として、従来の回路遮断器および電子的なワイヤー保護方式は、損害または火災を防止するに足るほど十分に速く回路を遮断するものではない。異なった２種類のアーク、すなわち直列アークおよび並列アークがある。

一般に、反対に帯電した２つの導体の間において電流が流れ、接点における金属を液化させ、結果として生じるそのギャップを電流に飛び越えさせるとき、並列アークが発生する。アークは、その後、消散するかもしれないが、後になってそれ自身を再度確立する電位を有している。また、並列アークは、通常は振動の結果として、一度も激しい短絡に変わることなく、断続的に生じるかもしれない。図９は、アークを発生させる事象が数秒間にわたって生じる２８ＶＤＣシステムにおける典型的なアークを示している。

並列アークにおけるアーク電流は、負荷を通すものでなく、供給源の電流可能出力および配線抵抗だけがピークのアーク電流を限定する。並列アークが生じるシナリオは、幾つかある。例えば、並列アークは、ワイヤーの絶縁が消失しているかまたは損傷していて、航空機の出力バスに接続されるワイヤーが機体のアース（またはもう１本の露出したワイヤー）に軽く接触しているとき、或いは湿っているかまたは汚れている環境に配置された絶縁が消失しているかまたは損傷しているときに、生じ得るのである。

もう一方のアークの種類は、直列アークである。直列アークは、ギャップすなわち回路内の断絶が航空機の出力バスに対して標準的に接続されている負荷と直列に展開していて、負荷電流がそのギャップを飛び越えるときに、発生する。残念ながら、所定の負荷が直列アークを標準的な機能の一部として利用しているので、それらは、確実に検出され得るものではない。例えば、モーター整流器の標準的なスパークは、直列アークから識別され得ないのである。アーク灯、すなわちストロボおよび蛍光灯照明もまた、アークから識別することが困難である。

様々な種類のアーク検出器が、アーク電流を検出するために開発されおよび／または提案されている。一般に、２種類の検出器がある。一方の種類は、アークによって生起される電流波形のランダム高周波ノイズ部分に反応する。この高周波ノイズは、特には、分岐回路に接続され得る所定の負荷におけるフィルタの存在によって、緩和される傾向がある。もう一方のアーク検出器の基本的な種類は、アークが繰返しかつランダムに生じるときに発生する電流の階段状の増大に反応する。後者の種類のアーク検出器の具体例は、特許文献１および特許文献２に開示されている。

米国特許第５２２４００６号明細書 米国特許第５６９１８６９号明細書

これらの先行技術の装置は、標準的な突入電流からのアーク電流の識別において困難を有している。例えば、静電容量性突入電流、ランプ突入電流またはモーター突入電流のような突入電流は、１つの非常に重要な点においてアーク電流と異なっている。突入電流は、遥かに規則的かつ予想可能なのである。例示的な種類の突入電流が、以下で説明される。

静電容量性突入電流は、例えば、航空電子工学機器の飛行コンピュータ、データ収集ボックス（「ブラックボックス」）または類似の部分のような入力においてコンデンサバンクを有する電子装置のように、回路抵抗および負荷静電容量によって測定される時定数を備えて、図１０において示される指数関数的な形状である。ランプ突入電流は、白熱ランプにおいて冷えたフィラメントから熱いフィラメントへと抵抗が変化するときに発生する。ランプ突入電流に関する１つの例示的な波形が、図１１に示されている。しかしながら、ランプ突入電流は、ランプの種類によって変化する。モーター突入電流は、モーターが始動するときに発生する。

効果的なアーク電流検出器は、これらの種類の全ての突入電流を無視し、実際的なアークが検出されるときにのみ作動することになる。それ故、改善されたアーク検出回路が必要なのである。

本発明は、概して回路に関し、より詳細にはアーク検出回路に関するものであり、電圧を検出するための電圧発生器と、時間に関して前記電圧を積算する積算器と、積算器からの電流の出力を制御するための放電コントローラと、積算器からの電流出力を増幅する増幅器と、増幅器からの信号出力を基準電圧と比較し、その比較に基づいて検出信号を生起させる比較器とを含んでいる。

本発明に従ったアーク検出器は、負荷を横断して接続される回路モジュールを含んでいる。

その回路モジュールの機能は、図１を参照して説明される。電圧発生器３００において、電圧は、負荷２００を横断する電圧に比例して生起される。電圧発生器３００によって生起される電圧は、積算器３０２に対して出力される。積算器３０２は、電圧発生器３００からの電圧出力を積算するものであり、すなわち、所定の時間間隔にわたって電圧発生器３００からの総電圧出力に従った信号を発生させる。放電コントローラ３０４は、積算器３０２を介する電流の流れを制御し、それによって、１方向においてのみ電流が積算器を介して流れることを保証する。増幅器３０６は、積算器３０２からの信号出力を増幅し、この信号を比較器３０８に対して出力する。比較器３０８は、増幅された信号を基準電圧のそれと比較し、アークの存在を示す信号を出力する。

本発明のアーク検出器のブロック図に従った１つの例示的な回路が、図１および図２を参照して説明されることになる。その例示的な回路において、電圧発生器３００は、電流検知抵抗器１によって構成される。電流検知抵抗器１は、それを横断して、電流検知抵抗器１を介して流れる電流に比例した電圧を有する。従って、電流検知抵抗器１の大きさすなわちその抵抗は、既知の電圧が所定の電流で形成され得るようにして選択される。また、電流検知抵抗器１は、大量の回路が構成要素を再設計することなく製造され得るように変更可能なものでもある。

電流検知抵抗器１は、電圧供給源３００および積算器３０２に対して接続される。積算器３０２は、抵抗器２、ダイオード３およびコンデンサ５によって構成される。積算器は、次のようにして機能する。電流検出抵抗器１を介する電流は、電流検出抵抗器１を横断して電圧を出現させ、それによって、電流が抵抗器２およびダイオード３を通るときコンデンサ５に蓄電させる。コンデンサ５において十分な電荷が蓄積すると、そのコンデンサは放電する。積算器の積算時定数、すなわちコンデンサ５の蓄電時間が、最大の許容可能な突入電流をもたらす。言い換えると、時定数は、上述の突入電流が電流検知抵抗器１を介してコンデンサ５に流れるときにコンデンサ５が放電されないように設定されるのである。積算時定数は、抵抗器２の抵抗およびコンデンサ５の静電容量を変化させることによって調節されることが可能である。このようにして、そのアーク検出回路は、多くの異なる種類のアプリケーションに対して適応可能である。

放電コントローラ３０４は、ダイオード３と共に機能する抵抗器４によって構成される。積算器３０２および放電コントローラ３０４ではダイオード３が使用されているが、積算器３０２および放電コントローラ３０４では別体の要素を採用するその他の回路構成もまた企図され得るものであることが留意される。抵抗器４およびダイオード３は、コンデンサ５の放電を制御する。ダイオード３が無ければ、コンデンサ５は、それが蓄電されたのと同じ比率で、抵抗器２を介して戻すように放電することになるのである。ダイオード３は、抵抗器２を介する放電を防止し、それによって、抵抗器４がより遅い比率でコンデンサ５を放電させるように許容する。このようにして、繰返し発生、短い持続時間、高い電流パルスおよび長い持続時間、より高い電流パルスが、効果的に積算されるのである。

コンデンサ５が放電するとき、電流は、増幅器３０６に入力されて増幅される。増幅された信号は、その後、比較器３０８に対して出力される。比較器３０８は、典型的には２．５ボルトである基準電圧７を受け入れるものであり、アークが検出されるときにはアーク信号を出力する。

アークの標準ピーク電流は、変化し得るものであるが、アークの標準ピーク電流と、本発明に従ったアーク検出回路を設計する際の基準電圧値とを（回路が適当な抵抗および静電容量値を備えて設計され得るようにして）決定するために使用される例示的な時間対電流の曲線が、図３に示されている。

アーク回路テスト
アーク電流は、本発明のアーク検出回路をテストすべく幾つかの様式に従って生起された。開発された１つの方法は、図７（ｂ）で示されたようなギロチン方式であった。ギロチン５００は、一定の高さに巻き上げられ、その後、出力導体およびアース導体を担うジップコード５０８上に落下することを許容されるウェイト付きのブレード５０２を使用することによって形成された。そのブレードは、毎回、同じ角度および同じ速度でジップコード上に落下する。それは、バネ５０４がブレード５０２を非短絡位置に戻すまで、２８ボルトＤＣおよびアースに対して一緒に切込みを入れ、それらを短い時間周期にわたって短絡させる。アークを発生させる事象の持続時間は、ブレード５０２の落下ポイントの高さと、ワイヤーの絶縁材料と、ブレードの鋭さと、バネ５０４の剛性とによって測定される。ギロチンによって形成されるアークは、古典的なＤＣアークであり、それがゼロではない動作インピーダンスを有するという事実によってのみ、激しい短絡とは異なっている。ギロチン式テストの繰返し可能な性質の要点は、それが手動操作されるものではないという事実にある。

開発されたもう１つのアーク発生装置は、図８（ａ）において説明される回転火花ギャップ装置６００であった。回転火花ギャップ装置６００は、２８ボルトＤＣ負荷端末６０４に接続されるワイヤー６０２をアース金属接点６０８におけるホール６０６の側面に擦り合わせることによって、作用負荷を横断して瞬間的なアークを形成する。回転火花ギャップ装置６００は、剥き出しの航空機の金属に対して擦れ合って振動しているワイヤーを正確に模倣している。この装置からの典型的な出力波形は、図７（ｂ）において示される。回転火花ギャップ装置は、剥き出しの航空機の金属に接触する不完全な絶縁を備えたワイヤーによって引き起こされるアークをシミュレーションしている。

これらの例示的な装置を使用して、様々な過渡的事象に対する本発明のアーク検出回路の反応が、測定されたのである。

回路遮断器の機能に対する本発明のアーク検出器の機能が、図４（ａ）および図４（ｂ）に示されている。図４（ａ）において、アークを受ける回路遮断器は、５５ミリ秒の後でさえも、アークの事象を遮断するものではない。しかしながら、図４（ｂ）において、本発明のアーク検出器は、４ミリ秒以内に電流を検出して遮断するのである。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、アーク電流を受けるときに対する突入電流を受けるときの本発明のアーク回路の機能を説明している。本発明のアーク検出器は、コンデンサ５の静電容量および抵抗器２の抵抗を設定することによって、アーク検出器が例えば４５アンペアという最大の突入電流を有しているので、突入電流を無視するものであると留意される。アーク検出器は、４ミリ秒または５ミリ秒のみの遅延周期の後に、長めの持続時間のアークの事象を検出して作動するものであると留意される。

また、出願人の発明のアーク検出器は、電力供給源からの完全短絡を遮断するためにも使用されることが可能である。図６（ａ）において、従来の回路遮断器を採用している回路の電流特性が示されている。回路遮断器の回路は、電流を遮断するために２００ミリ秒以上も掛かるものであると留意される。図６（ｂ）では、本発明のアーク検出回路が示されている。そのアーク検出回路は、２００マイクロ秒のみの後に、すなわち回路遮断器の回路に対する３桁もの改善を備えて、電流を遮断するのである。

当業者は、様々な変更が本発明の精神および範囲から離れることなく前述のものに対して為され得ると認識することであろう。

本発明のアーク検出器に従った回路の概略的な機能を示しているブロック図である。 本発明に従った例示的なアーク検出回路を示している概略図である。 標準的なピーク電流値を例示する電流曲線に対する典型的な時間を示しているグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれに、本発明のアーク検出回路に対する回路遮断器の機能を示している各グラフである。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれに、回路が静電容量性突入電流を受けるときにおける本発明のアーク検出回路の機能と、アーク検出回路がアーク電流を受けるときにおける本発明のアーク検出回路の機能とを示している各グラフである。 （ａ）および（ｂ）は、両方の回路がそれぞれに電力供給源からの完全短絡を軽減するときの回路遮断器および本発明のアーク検出回路の機能を示している。 （ａ）および（ｂ）は、古典的なＤＣアークを生起させるギロチン方式として知られているアーク発生装置をそれぞれに示している、グラフおよび装置である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれに、回転火花ギャップ装置および回転火花ギャップ電流波形である。 アークを発生させる事象の間に負荷を介して検出される電流を示しているグラフである。 静電容量性突入電流の電流特性を示しているグラフである。 ランプ突入電流の電流特性を示しているグラフである。

Claims (7)

1. アーク検出器であって、
   電圧を検出するための電圧発生器と、
   時間に関して前記電圧を積算し、前記積算に対応して出力信号を生起させる積算器と、
   前記積算器の前記出力信号を制御するための放電コントローラと、
   前記積算器からの前記出力信号を増幅し、増幅された信号を出力する増幅器と、
   前記増幅された出力信号を基準電圧と比較し、前記比較に基づいて検出信号を生起させる比較器とを含むことを特徴とする、アーク検出器。
2. 前記電圧発生器が、電流検知抵抗器を包含することを特徴とする、請求項１に記載のアーク検出器。
3. 前記積算器が、第２の抵抗器、ダイオードおよびコンデンサを含むことを特徴とする、請求項２に記載のアーク検出器。
4. 前記放電コントローラが、第３の抵抗器および前記ダイオードを含むことを特徴とする、請求項３に記載のアーク検出器。
5. 前記積算器が、抵抗器、コンデンサおよびダイオードを含むことを特徴とする、請求項１に記載のアーク検出器。
6. 前記放電コントローラが、前記ダイオードおよび第２の抵抗器を含むことを特徴とする、請求項５に記載のアーク検出器。
7. アークを検出する方法であって、
   電圧を発生させ、
   時間に関して前記電圧を積算し、最初の信号を生起させ、
   前記最初の信号を増幅し、第２の信号を生起させ、
   前記第２の信号を基準電圧と比較し、アーク検出信号を生起させる、各ステップを含むことを特徴とする、アークを検出する方法。

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