JP2006517672A - アーク故障検出システム - Google Patents

Abstract

航空機の配線系統用アーク故障検出システムに関するシステムおよび方法が開示される。このシステムは、アーク故障事象を検出すると、航空機の電気系統の既存回路に送ることができる信号を送信し、これらの回路への電力供給を停止し、それによってアークを消弧する。このシステムは、独立システムとして利用するか、あるいは既存製品またはシステムに組み込むことができる。アーク事象が電力ケーブル上で発生したとき、広帯域雑音事象が、影響を受けたケーブル上に同様に誘導される。このシステムは、最初に、ピックアップコイル（１５）を使用して、配線系統の電力ケーブル（５）からこの広帯域信号を検知し捕捉し、次いでこの信号を増幅する（１７）。増幅された信号は高域フィルタ（２０）に印加され、所定の周波数より高い周波数成分のみを通過させる。次いで、高域通過した周波数成分は帯域フィルタ（３２〜３５）に印加され、非高調波の関係にある複数の中心周波数を使用してこの信号の狭周波数スライスを生成する。信号の各スライスは整流されて（４２〜４５）、直流レベル信号が生成される。各直流レベル信号は、レベル検出器（５２〜５５）を使用して検出することができる。電源および接地源も、それらの狭帯域フィルタ（３１、３６）、整流器（４１、４６）、およびレベル検出器（５１、５６）に印加される。論理マトリックス（６０）を使用することにより、その事象からの全ての直流レベル信号が検出を示し、電源およびグランド源からの信号がシステム雑音を示さないときに、アーク故障であると決定され得る。

Description

本発明は、アーク故障検出システムに関し、より詳細には航空機および航空宇宙環境において使用するアーク故障検出システムに関する。

電子システムおよびコンピュータシステムは、航空機システムに不可欠で必須部分となっている。通信、制御、およびナビゲーションに現代科学技術を用いることにより、飛行はより安全でより効率的なものになったが、航空機の配線部でのアーク放電に影響されやすくもなる。図１は、航空機の例示的な配線系統を示す簡略構成図である。このような例示の電気配線系統１は、電源２、照明３、通信４などの主要システムを含むことができる。電源システム２には、バッテリ、発電機および交流電源２１、遮断器２２などのサブシステムを含むことができる。通信システムは、無線２３、トランスポンダ２４などのサブシステムを含むことができる。図から分かるように、全てのシステムおよびサブシステムでは、機内に搭載の構成要素を接続するために配線が必要である。しかし、大量の配線は潜在的危険要素ももたらす。乗務員の死亡および物的損害を伴う多くの航空機事故が、航空機の配線部での電気アーク放電による煙および火災に起因している。配電システムにおいては、接触不良、配線損傷または配線短絡により、加熱、アーク、または電気的発火がしばしば引き起こされる。航空機の配線においては、極端な振動、湿気、気温、不適切な整備、絶縁破壊など、全てが配線障害の一因となる。こうしたことがアーク放電を引き起こし、航空機内の可燃成分に着火することがある。

電気アーク放電は、乱気流、離陸または着陸の間に飛行機が屈曲した結果として起こることがある。電気アーク放電は、電線の移動または摩擦の結果として起こることもある。電気アーク放電は、飛行中に起こることもあり、場合によっては、煙、火災および爆発の原因となり得る。

さらに、航空機は老朽化が進むと、経年劣化した電線絶縁のアーク故障による潜在的障害がより一層起こりやすくなる。こうした問題は、配線が老朽化するにつれてその絶縁がもろくなり壊れ始めるので、全く予測可能である。しかし、配線は航空機のハーネス内に完全に包み込まれているので、一般に整備員の手が届かない。したがって、航空機の老朽化に直面して、アーク故障を検出し、アーク放電を引き起こした回路を切り離せることが望ましくなっている。

アーク故障検出に関する多くの従来手法が提示されているが、そのような従来手法は、様々なタイプのアークを検出できない、誤警報が発生しやすい、検出および反応が遅い、単に検出が不正確であるなど、様々な理由から完全に満足のいくものではない。それらの多くは、システムが検出にかかる時間を損なう、従来の時間領域の信号および解析に頼るものであり、その他の手法では、単一周波数帯のアークしか検出できない。

したがって、便法として、アーク放電を検出できるアーク故障検出システムを備えることが望ましくなっている。
高度な誤警報耐性（ｉｍｍｕｎｉｔｙ）を実現できるアーク故障検出システムを備えることも望ましい。

航空機の配線系統で容易に実施できるアーク故障検出システムを備えることがさらに望ましい。

航空機の配線系統用アーク故障検出システムに関するシステムおよび方法が、ここで開示される。このシステムは、アーク故障事象を検出すると、航空機の電気系統の既存回路に送ることができる信号を送信し、これらの回路への電力供給を停止し、それによってアークを消弧する。このシステムは、独立システムとして利用するか、あるいは既存製品またはシステムに組み込むことができる。アーク事象が電力ケーブル上で発生したとき、広帯域雑音事象が、影響を受けたケーブル上に同様に誘導される。このシステムは、最初に、ピックアップコイルを使用して、配線系統の電力ケーブルからこの広帯域信号を検知し捕捉し、次いでこの信号を増幅する。増幅された信号は高域フィルタに印加され、所定の周波数より高い周波数成分のみを通過させる。次いで、高域通過した周波数成分は帯域フィルタに印加され、非高調波の関係にある複数の中心周波数を使用してこの信号の狭周波数スライスを生成する。信号の各スライスは整流されて、直流レベル信号が生成される。各直流レベル信号は、レベル検出器を使用して検出することができる。電源およびグランド源も、それらの狭帯域フィルタ、整流器、およびレベル検出器に印加される。論理マトリックスを使用することにより、その事象からの全ての直流レベル信号が検出を示し、電源およびグランド源からの信号がシステム雑音を示さないときに、アーク故障であると決定され得る。

航空機の配線系統用アーク故障検出システムに関するシステムおよび方法が、ここで開示される。以下の説明では、本発明を十分に理解できるように、多くの具体的な内容を示す。他の例では、周知の装置または構成要素は、本発明が不必要に不明瞭になるのを避けるために詳細には示されていない。

図２を参照すると、本発明の例示的な一実施形態を説明する簡略構成図が示されている。図２の左側から、電力ケーブル５は、航空機の配線および配電システムのケーブルを示す。アーク事象が電力ケーブル上で発生したとき、広帯域雑音事象が影響を受けたケーブル上に同様に誘導される。電力ケーブル５は、電力ケーブル５上の広帯域信号を検出するように２〜１５ｋＨｚの周波数帯域に広く同調されたピックアップセンサ１５を通る。センサ１５によって捕捉された電線上の広帯域信号は、増幅および過負荷防止のために、好ましくは飽和を防止できる自動利得制御１８（「ＡＧＣ」）を用いて、差動増幅器１７に印加される。差動増幅器１７からの出力はアナログであり、０〜２０ｋＨｚの広域スペクトルを有する。

差動増幅器１７からの信号は高域フィルタ２０に印加されて、航空機の仕様に基づいて決定され得る周波数範囲よりも低い周波数成分が除去される。たとえば、ある航空機は４００Ｈｚの可変周波数発電機を使用しているので、それらの信号は３５０〜８００Ｈｚの間で変動することがある。したがって、後続の検出フィルタがそれら自身の配線や発電からの信号によって飽和しないように、８００Ｈｚ未満の信号が航空機用高域フィルタ２０によって除去される。

高域フィルタ２０によるフィルタリングの後には、フィルタ済み出力を受信するために４つの狭帯域フィルタ３２、３３、３４、３５が接続されている。各狭帯域フィルタ３２、３３、３４、３５は、２〜１５ｋＨｚの個々の通過帯域周波数に同調されており、その結果、各フィルタは、本質的に、この信号の周波数領域内のスペクトルスライスを取り出す。高調波の関係にある人工雑音源を電線から除去するために、各通過帯域周波数は、その周波数が他の通過帯域周波数と高調波の関係にならないように選択される。各狭帯域フィルタは、狭帯域通過を実現するために、多極帯域フィルタ（ｍｕｌｔｉ−ｐｏｌｅ ｂａｎｄ−ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）であることが好ましい。好ましくは、２ｋＨｚ、３ｋＨｚ、５ｋＨｚおよび７ｋＨｚの中心周波数が、帯域フィルタ３２、３３、３４、３５用に選択される。これらの帯域フィルタは、８極帯域フィルタで実施されることが好ましい。

多極帯域フィルタ３２、３３、３４、３５からの各出力信号は、それぞれ精密整流器４２、４３、４４、４５に印加される。各精密整流器３２、３３、３４、３５は、各帯域フィルタの周波数帯内のアークスペクトルに比例する直流レベル出力を生成する。各精密整流器４２、４３、４４、４５の出力部には、この出力部とグランドとの間にコンデンサが接続されることが好ましい。

各精密整流器４２、４３、４４、４５からの直流レベル出力は、低域フィルタにかけられ、レベル検出器５２、５３、５４、５５として働く個別の精密比較器を駆動する。レベル検出器５２、５３、５４、５５は、アーク故障検出論理マトリックス６０に個別に供給される論理レベル出力を生成する。

共通モードの電磁ノイズや雷撃のような誤警報を弁別するために、別の組の多極狭帯域フィルタ、整流器、およびレベル検出器（３１、４１、５１および３６、４６、５６）が使用されて、電源線もグランド線も監視される。レベル検出器５１、５６からの出力信号も、アーク検出論理マトリックス６０に供給される。

本発明の例示的なシステムは、以下の構成要素を用いて物理的に実現することができる。差動増幅器１７は、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．のデバイス、部品番号ＡＤ７９７で実施することができる。各多極帯域フィルタ３１〜３６は、Ｍａｘｉｍのデバイス、部品番号ＭＡＸ２７４でよい。各精密整流器４１〜４６は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのデバイス、部品番号ＴＬ０７１でよい。各レベル検出器５１〜５６は、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒのデバイス、部品番号ＬＭ２１１でよい。高域フィルタ２０は、一般的な受動部品を使用して実施される。

アーク故障検出論理マトリックス６０は、好ましくは論理レベル信号である検出信号を生成して、アーク故障の存在を示す。さらに、そのような検出信号は、電源線を遮断するための制御信号を生成するアーク故障検出出力駆動段７０に印加することができる。駆動段７０からの出力が下流で適切に使用され得るように、出力駆動段７０は、追加の信号調整、バッファリングまたは処理が可能になるように活用されることが好ましいことを留意すべきである。アーク故障は、４つのレベル検出器５２、５３、５４、５５の全てから有効な信号があるが、電源線および接地線に関係するレベル検出器５１、５６からは有効な信号がない場合にのみ検出される。また、先に述べたように、航空機内で発生するほとんどの厄介な雑音事象は、高調波の関係にある、たとえばスイッチング電源からのスペクトルを示すはずなので、このような雑音が、４つのピックアップ帯域フィルタ４２、４３、４４、４５の全てで同時に現れることはないはずである。したがって、このような厄介な雑音は、検出論理マトリックス６０によって無効になるはずである（表１に関連してさらに説明する）。

次に、図３を参照すると、本発明のもう１つの例示的な実施形態の簡略構成図が示されている。高域フィルタ、狭帯域フィルタ、整流器、レベル検出器、論理マトリックス、および検出出力部によって実現される前述の機能は、プログラム可能なデジタル信号プロセッサ１０によって容易に実施することができる。勿論、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）が差動増幅器１７の後に実装され、アナログからデジタル形式への信号変換が行われる。

論理マトリックス６０に関して、表１は例示的なアーク故障検出論理の真理値表を示す。「ＬＲＵ電源」および「ＬＲＵグランド」と称する列は、監視している電線上にアーク以外のシステム雑音があるかどうかを示している。「１」は、雷撃や電磁障害（ＥＭＩ）などであり得るシステム雑音が存在することを示す。システム雑音を監視することにより、誤ったアーク故障トリップの確率を低下させることができる。

「高域フィルタからの全入力数」と称する列は、高域フィルタに関係するレベル検出器からの全ての出力が論理「１」であるかどうかを表す。「１」は、潜在的アークが電力ケーブル上で検出されたことを決定する際に、全ての基準が満たされていることを示す。

「アーク故障検出出力」と称する最後の列は、電力ケーブル上のアークが検出されたかどうかを示し、負荷への電力供給が終了され停止されるべきことを示す。表１の例示的な真理値表によれば、アークは、ＬＲＵ電源およびＬＲＵグランドからのシステム雑音がなく、全ての高域フィルタが「１」であるときにのみ検出されることを留意されたい。

表１に示した真理値表は、検出論理マトリックス６０の例示的で基本的な実施状況を表している。この論理マトリックスは、（ＬＲＵ電源およびＬＲＵグランド入力用インバータと共に）複数入力ＮＡＮＤゲートを使用して、あるいは、設計および実施に際して融通性および利便性をもたらす簡単なマイクロコントローラを使用して、物理的に実現することができる。

本発明の多重周波数領域（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ）によれば、潜在事象のマルチサイクル評価は、複数帯域が並列する周波数領域を使用することによって実現することができる。各周波数帯域に対するフィルタリング、整流、およびレベル検出は、より大きなサンプルを得るために繰り返すことができる。２ｋＨｚでも、１サイクルに約０．５ミリ秒しかかからない。サイクル数が増えるほど、より多くの信号がコンデンサ内に入り、電荷を蓄積させ、コンデンサの電圧を上昇させ、その電圧レベルに基づいてレベル検出器の状態を変えることが可能になる。

本発明によれば、検出システムは、航空宇宙環境につきまとう厄介なトリップを弁別することが可能であり、アーク発生後の極めて短い時間内に有効なアーク故障を判定することができる。

配線系統上の信号を検出するためには、ピックアップセンサ１５は、磁気ピックアップコイルであることが好ましい。というのは、このコイルは、検出システムと配線系統との間の物理的分離を維持しながら、誘導結合を提供するからである。さらに、電流センサを使用すると、潜在的なアーク故障を示し得る電流差分を検出することができる。

例示的な航空機の電気系統を示す簡略構成図である。 本発明の例示的な実施形態を示す簡略構成図である。 本発明の例示的な実施形態を示す簡略構成図である。 デジタル信号処理装置（「ＤＳＰ」）およびセミカスタム集積回路（「ＡＳＩＣ」）を用いて実施される、本発明の例示的な実施形態を示す簡略構成図である。 例示的な検出論理マトリックス６０の真理値表である。

Claims (10)

1. 航空機の配線（５）におけるアーク事象を検出するアーク故障検出システムであって、
   前記配線に結合され、前記配線上の事象を検出するようになされた、ピックアップセンサ（１５）と、
   前記ピックアップセンサに結合され、前記ピックアップセンサからの出力を増幅するようになされた、差動増幅器（１７）と、
   前記差動増幅器に結合され、前記差動増幅器からの所定の周波数より高い出力を通過させるようになされた、高域フィルタ（２０）と、
   前記高域フィルタに結合された複数の第１の多極帯域フィルタであって、それぞれが前記高域フィルタからの所定の周波数帯域内にある出力を通過させるようになされ、各周波数帯域が他の各周波数帯域と非高調波の関係にある複数の第１の多極帯域フィルタ（３２〜３５）と、
   前記複数の第１の多極帯域フィルタに結合された複数の第１の整流器であって、それぞれが、対応する前記第１の多極帯域フィルタの１つからアークスペクトルに基づいて直流出力を生成するようになされた複数の第１の整流器（４２〜４５）と、
   前記複数の第１の整流器に結合された複数の第１のレベル検出器であって、それぞれが、対応する前記第１の整流器の１つからの出力に基づいて論理レベル出力を生成するようになされた複数の第１のレベル検出器（５２〜５５）と、
   電源端子およびグランド端子に結合された複数の第２の多極帯域フィルタであって、それぞれが前記電源端子およびグランド端子からの所定の周波数帯域内にある出力を通過させるようになされた複数の第２の多極帯域フィルタ（３１、３６）と、
   前記複数の第２の多極帯域フィルタに結合された複数の第２の整流器であって、それぞれが、対応する前記第２の帯域フィルタの１つからアークスペクトルに基づいて直流出力を生成するようになされた複数の第２の整流器（４１、４６）と、
   前記複数の第２の整流器に結合された複数の第２のレベル検出器であって、それぞれが、対応する前記第２の整流器の１つからの出力に基づいて論理レベル出力を生成するようになされた複数の第２のレベル検出器（５１、５６）と、
   前記複数の第１および第２のレベル検出器の出力部に結合された決定論理ユニットであって、前記第１のレベル検出器が有効な検出を示し、前記第２のレベル検出器が検出を示さないときにのみ、検出信号を生成するようになされた決定論理ユニット（６０）とを備えるアーク故障検出システム。
2. 前記決定論理ユニットに結合され、前記検出信号に基づいて制御信号を生成するようになされた、検出出力ユニットであって、前記制御信号が前記航空機の配線における電力供給を停止させるようになされた検出出力ユニット（７０）をさらに備える、請求項１に記載の検出システム。
3. 前記差動増幅器に結合された、飽和を防止するための自動利得制御システム（「ＡＧＣ」）（１８）と、
   前記第１および第２の整流器のそれぞれの出力部に結合されたコンデンサとをさらに備える、請求項２に記載の検出システム。
4. 前記高帯域フィルタ（２０）が８００Ｈｚ未満の信号周波数を除去するようになされた、請求項２に記載の検出システム。
5. 航空機の配線におけるアーク事象を検出するアーク故障検出システムであって、
   前記配線に結合され、前記配線上の事象を検出するようになされた、ピックアップセンサ（１５）と、
   前記ピックアップセンサに結合され、前記ピックアップセンサからの出力を増幅するようになされた、差動増幅器（１７）と、
   前記差動増幅器に結合され、前記差動増幅器からのアナログ出力をデジタル信号に変換するようになされた、アナログ・デジタル変換器（１９）と、
   前記ＡＤＣに結合されたデジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）であって、
   前記差動増幅器からの所定の周波数より高い出力を通過させることによる高域フィルタリング（２０）、
   前記高域フィルタリング後の所定の周波数帯域内にある出力を通過させることによる、複数の中心周波数の第１の多極帯域フィルタリングであって、各周波数帯域が他の各周波数帯域と非高調波の関係にある第１の多極帯域フィルタリング（３２〜３５）、および
   前記電源端子およびグランド端子からの所定の周波数帯域内にある出力を通過させることによる、複数の中心周波数の第２の多極帯域フィルタリング（３１、３６）を実施するようにプログラムされたデジタル信号プロセッサ（１０）と、
   前記ＤＳＰに結合された集積回路であって、
   前記第１の多極帯域フィルタリングから対応するアークスペクトルに基づいて直流出力を生成することによる、前記第１の多極帯域フィルタリング後の複数の出力の第１の整流（４２〜４５）、
   前記第１の整流からの対応する出力に基づいて論理レベル出力を生成することによる、前記第１の整流後の各出力の第１のレベル検出（５２〜５５）、
   前記第２の多極帯域フィルタリングから対応するアークスペクトルに基づいて直流出力を生成することによる、前記第２の多極帯域フィルタリング後の複数の出力の第２の整流（４１、４６）、
   前記第２の整流からの対応する出力に基づいて論理レベル出力を生成することによる、前記第２の整流後の各出力の第２のレベル検出（５１、５６）、および
   前記第１のレベル検出が有効な検出を示し、前記第２のレベル検出が検出を示さないときにのみ、検出信号を生成すること（６０）を実施するようになされた集積回路（４５６）とを備えるアーク故障検出システム。
6. 前記複数の第１の多極帯域フィルタリングのそれぞれが、８極帯域フィルタを使用し、非高調波の関係にある中心周波数を有することを含む、請求項５に記載のアーク故障検出システム。
7. 前記複数の第１の多極帯域フィルタリングのそれぞれが、８極帯域フィルタを使用し、非高調波の関係にある中心周波数を有することを含む、請求項６に記載のアーク故障検出システム。
8. 航空機の配線におけるアーク事象を検出する方法であって、
   ａ）前記配線における信号を検出するステップ（１５）と、
   ｂ）前記配線から捕捉された信号を差動増幅するステップ（１７）と、
   ｃ）前記差動増幅するステップからの所定の周波数より高い出力を高域フィルタリングするステップ（２０）と、
   ｄ）複数の狭周波数スライスを生成するために、複数の非高調波の関係にある中心周波数を使用して、前記高域フィルタリングするステップからの信号を帯域フィルタリングするステップであって、前記信号が前記高域フィルタリング後の前記出力および電源からの信号を含むステップ（３１〜３６）と、
   ｅ）各周波数スライス用の直流レベル信号を生成するために、前記周波数スライスのそれぞれを整流するステップ（４１〜４６）と、
   ｆ）前記直流レベル信号それぞれの論理レベルを検出するステップ（５２〜５５）と、
   ｇ）前記事象からの全ての直流レベル信号が検出を示し、前記電源からの直流レベル信号（５１、５６）がともに検出を示さないときに、アークが存在すると決定するステップ（６０）とを含む方法。
9. 前記非高調波の関係にある中心周波数が２、３、５、７ｋＨｚである、請求項８に記載の方法。
10. 前記帯域フィルタリングするステップが８極帯域フィルタを使用するステップを含む、請求項８に記載の方法。

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