JP2006517781A - Ｓｓｐｃ式配電システム用アーク故障検知 - Google Patents

Abstract

車両の配電システムのアーク故障を保護するアーク故障保護ユニット及び方法。一実施形態の場合、アーク故障保護ユニット（３２０）は、前記配電システムのソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）を介して負荷（１４０）に供給されている電流を測定する負荷電流入力（３４０）と、前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）を介して電流が供給されている前記負荷の特性、及び前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）の動作状態の関数である負荷シグネチャを前記測定負荷電流と比較するアーク故障検知器（３３０）を備える。アーク故障検知器（３３０）は前記測定負荷電流が前記負荷シグネチャの許容範囲外にあるとき、アーク故障から保護するためにアーク故障信号を出力する。

Description

本発明は電力配電に関し、特に、ソリッドステート電力制御装置（ＳＳＰＣ）式配電系統におけるアーク故障検知／保護に関する。

無用な電弧（アーク）は航空機などの車両用配電システムのみならず、居住用、商業用電気配線系でも火災の主因として認められてきた。アーク故障は、断線または切断した回路の気体を通る電流として定義される。断線回路の形態として、２つの劣化した導体間、劣化した導体とグランド面との間（並列アーク）、あるいは導体の隣接する端部間（直列アークがある。アーク故障状態の要因として、経年変化、熱、化学的腐食、曲げストレスなどによる配線損傷、絶縁劣化、接点不良など、様々な要因が考えられる。

従来の短絡回路及び過電流保護技術は、代表的に、所定条件下で回路電流を機械的に遮断する回路遮断器に依存していて、一部のアーク故障には対応できるが、標準規格の回路遮断器のトリップ曲線を下回る小さなアーク現象に対しては殆ど機能しない。問題は、小さなアークであっても高温になり、近接の配線に深刻な損傷を及ぼす可能性にある。さらに、建物などでライン／グランド間の低電流アーク故障に対する保護として漏電遮断器（ＧＦＣＬ）が広く使用されているが、漏電遮断器は他の種類のアーク故障には対応できず、適用範囲が限定される。このため、居住用、商業用建物の用途において、低電流アーク故障を検知し、対応するとともに、無用なトリップ「有害なトリップ停電」の発生率が低く、負荷のスイッチング状態、バス伝送、電磁障害（ＥＭＩ）などの影響を受けない、電気式アーク故障遮断器などの複雑な技術が提案されてきた。

特に、航空機の配電系統の場合、制御が、主として機械的または電気機械的なものから電子的でコンピュータを中心としたものへと移行した。この移行の結果、例えば、電気負荷管理センター（ＥＬＭＣ）のようにソリッドステートスイッチング制御（ＳＳＰＣ）技術を使用した先進的な給電制御装置が生まれた。これは、航空機の給電システムでは比較的新規な技術である。

現行のＳＳＰＣ技術は、代表的に回路の短絡と過負荷保護を行うのみで、並列アークや直列アークの故障に対して十分な保護ができず、このため、ＳＳＰＣの給電回路より下流の負荷側で発生するアーク故障に対して十分な保護を果たし得ない。アークシグネチャによる故障保護方式の場合、ＳＳＰＣ式配電環境で実施しようとすると、様々な負荷条件、スイッチング条件の下で、有害なトリップを回避するために検知アルゴリズムに複雑な測定が求められるため、不利益になる。

本発明は車両の配電系統におけるアーク故障保護ユニット及び方法に関する。特に、本発明は、関連負荷を選択的に給電するＳＳＰＣより下流側で発生する故障の保護に適している。ＳＳＰＣ配電系統には、その出力に接続された負荷に関する情報である負荷シグネチャ（定常状態時、立上げ時、遮断時、スイッチング時など）をＳＳＰＣ内部回路に持っているという利点がある。このデータ（負荷シグネチャ）は、予めメモリに記憶設定されるか、あるいは車両に搭載する際に、「学習」処理により決定される。このような学習は連続的な試験を行いその結果をメモリに蓄積することを通じて達成される。この種の試験を実施することにより定常状態の負荷電流波形、立上げ時および遮断時に特徴的なシグネチャが求められる。本発明の一実施形態に基づいたアーク故障検知装置は測定した負荷電流をメモリに記憶してある基準負荷電流（負荷シグネチャ）と比較する。決定された負荷シグネチャは、動作条件、固定または可変の電力周波数などによる変動に対して、典型的には、全く唯一のものである。

アーク故障検知器は、測定電流が負荷シグネチャの許容範囲外であった場合、アーク故障表示信号を出力する。これにより、ソリッドステートスイッチング素子の制御装置は、当該スイッチング素子より下流側でアーク故障が発生した際に、関連負荷への電力を遮断するようにスイッチング素子を指令することが可能になる。さらに、アーク故障検知装置は、関連負荷の特性やスイッチング条件、関連電力チャンネルの特性（例えばＥＭＩ、突入電流、負荷ＯＦＦなど）に応じてアーク故障を検知するので、過渡状態や他の予想される負荷電流変動の際に、有害なトリップを防止できる。

本発明の代表的な一実施形態において、関連スイッチング素子を制御する各スイッチング制御装置は（例えば１対１の対応）対応する負荷別にアーク故障を検知する。代替形態において、専用アーク故障検知装置は複数の負荷に関するアーク故障を検知する。両実施形態において、アーク故障検知器は、各種条件下での負荷電流波形／レベルを決定するために初期の「学習」処理を実行してよい。

本発明の他の特徴、利点は以下の詳細な説明とともに参照される図面とから明らかになる。

図１は、アーク故障保護を果たすために本発明の原理を適用した、ＳＳＰＣ式配電系統の構成要素をブロック図で示したものである。図１に示す配電系統は、電力バス１００、複数のＳＳＰＣユニット３００−１〜３００−ｎ、ＳＳＰＣユニット３００−１〜３００−ｎにそれぞれ接続された複数の負荷１４０−１〜１４０−ｎ、及びＳＳＰＣ制御装置１２０を備える。電力バス１００は航空機または他の車両のコンポーネント（負荷）に配電するためにＡＣまたはＤＣ電力を供給する。各ＳＳＰＣユニット３００−１〜３００−ｎは電力バス１００に接続されたソリッドステートスイッチング素子であり、ＳＳＰＣ制御装置１２０からの指示に従って負荷１４０−１〜１４０−ｎの１つ（例えばポンプ、照明など）に定格電力を選択的に供給する。図１に示す配電システムは車両のＥＬＭＣ（電気負荷管理センタ）の一部として実現可能であり、例えば、同時係属中の米国特許出願第１０／０１７１２５号（２００１年１２月１４日出願）に記載するようなモジュールアーキテクチャを使用して様々なレベルの統合化で実施可能である。この種のシステムの場合、ＳＳＰＣ制御装置１２０は機能要素であり、中央車両コンピュータ（図示せず）からゲートウェイモジュールを介して受け取った制御情報に基づいてスイッチング制御信号を発生して複数のＳＳＰＣユニット３００−１〜３００−ｎに配信する。スイッチング制御信号を配信する以外に、ＳＳＰＣ制御装置１２０は複数のＳＳＰＣユニット３００−１〜３００−ｎからの情報の試験、監視、通知の収集を行う。例えば、故障したスイッチング素子、および配電系統における様々な他の故障条件、例えば、回路の短絡、過電流、アーク故障状態などを監視し、通知する。これについては後で詳述する。

図２は本発明の代表的一実施形態に基づいたＳＳＰＣユニット３００ａの構成例を示したものである。図２に示すように、本実施形態のＳＳＰＣユニット３００ａは２つの主要素として、電力スイッチング素子３１０とスイッチング制御保護装置３２０ａを備える。電力スイッチング素子３１０は、例えばＭＯＳＦＥＴトランジスタで構成されるもので、電力バス１００に接続され、スイッチング制御保護装置３２０ａの制御下で関連負荷に電力を選択的に供給する。図２に示す電力スイッチング素子３１０は、スイッチング制御保護装置３２０ａに熱状態情報を与える温度センサ３１２と、スイッチング制御保護装置３２０ａに負荷電流測定値を与えるセンス抵抗３１４を備える。スイッチング制御保護装置３２０ａは、データバス１５０を介してＳＳＰＣ制御装置１２０から受け取ったスイッチング指令に従い、且つ局所的に決定された条件に従って、電力スイッチング素子３１０の開閉を選択的に行う制御／ドライバ装置３２２ａを備える。詳細には、スイッチング制御保護装置３２０ａは、電力スイッチング素子３１０のセンス抵抗３１４の電流に基づいて電力スイッチング素子３１０の出力電流を測定する電流センサ３４０を備え、この測定電流はゼロ電流クロス検知器３４６に供給される（電力バス１００の供給する電力がＡＣ電力の場合）。さらに、装置３２０ａには短絡回路保護装置３２４と過電流保護装置３２６とアーク故障保護ユニット３３０が備えられる。

短絡回路保護装置３２４と過電流保護装置３２６は、例えばＩ^２ｔトリップ曲線に基づいた周知の短絡回路／過電流検知を行う。アーク故障保護ユニット３３０は後で詳述する方法でアーク故障検知を行う。コントローラ／ドライバ３２２ａは短絡回路保護装置３２４、過電流保護装置３２６、アーク故障保護ユニット３３０に接続され、短絡回路条件、過電流条件、アーク故障条件の発生時に電力スイッチング素子３１０を不動作、すなわちトリップするとともに、データバス１５０を介してＳＳＰＣ制御装置１２０に故障条件を通知する。さらに、スイッチング制御保護装置３２０ａは、電力スイッチング素子３１０の温度センサ３１２により、電力スイッチング素子３１０の過熱を検知する熱保護回路３２８を備える。コントローラ／ドライバ３２２ａは熱保護回路３２８の出力に接続され、過熱条件の発生時に電力スイッチング素子３１０を選択的に不動作にする。ＡＣ電力環境の場合、スイッチング制御保護装置３２０ａはさらに、電力スイッチング素子３１０の入力に接続された電圧センサ３４２、電圧センサ３４２の出力に基づいてゼロ電圧クロスを検知するゼロ電圧クロス検知器３４０を備える。ＡＣ電力環境の場合、コントローラ／ドライバ３２２ａは、ゼロ電圧クロス検知器３４２により検知されるゼロ電圧クロスとゼロ電流クロス検知器３４６により表示されるゼロ電流クロスに基づいて電力スイッチング素子３１０の開閉を制御する。

図２のブロック図はスイッチング制御保護装置３２０ａの機能要素をディスクリートな要素として示しているが、図２に示す各種機能要素は、例えば関連メモリを備えたマイクロコンピュータのような単一の処理要素に統合してよく、あるいは複数の処理要素を分散配置して構成してもよい。スイッチング制御保護装置３２０ａは一以上のアプリケーション集積回路（ＡＳＩＣ）で実現でき、あるいはハードウェアとソフトウェアの様々な組合せで実現可能である。さらに、ＥＬＭＣのモジュールアーキテクチャで使用する場合、ＳＳＰＣユニット３００ａは、負荷管理モジュールの単一カード上で複数の負荷毎のＳＳＰＣにグループ化される。さらに、図２に示したＳＳＰＣユニット３００ａを物理的に実装する場合、要素を付加してよく、及び／または一部の要素を除外してよい。

図３は本発明の原理に基づいた、電力スイッチング及びアーク故障保護の代替形態を示したものである。図３の代替形態の場合、ＳＳＰＣユニット３００ｂは電力スイッチング素子３１０とスイッチング制御保護装置３２０ｂを備える。図２に示した実施形態のスイッチング制御保護装置３２０ａと比較すると、図３のスイッチング制御保護装置３２０ｂにはアーク故障保護ユニットが無い（すなわち、ＳＳＰＣユニットとアーク故障保護ユニットの間に１対１の対応が無い）。代わりに、入力１６１を介してデータバス１５０に接続された専用アーク故障保護ユニット１６０が複数の負荷チャンネル１〜ｎに供給される合計負荷電流を監視する。すなわち、専用アーク故障保護ユニット１６０は複数のチャンネル（３００ｂ−１〜３００ｂ−ｎ）に供給される合計負荷電流を測定するとともに、各取り付けチャンネルから負荷電流情報を受け取る。一実施形態の場合、アーク故障保護ユニット１６０は図１の電力バス１００に給電する給電線上に配設された電流センサ（例えば，図示しない変流器）から電流情報を受け取る。これにより、アーク故障保護ユニット１６０は複数の負荷に給電される合計電流の情報を取得できる。アーク故障保護ユニット１６０は精度、分解能が改善されるように合計電流情報を処理可能である。合計電流の異常が検知されると、アーク故障保護ユニット１６０はどのチャンネル３００ｂ−１〜３００ｂ−ｎから異常電流の通知があったかを検知する。これに伴って、アーク故障保護ユニット１６０はアーク故障の徴候を示した回路をトリップする。この実施形態の場合、専用アーク故障保護ユニット１６０はＡＳＩＣ、マイクロコントローラ、あるいはハードウェア／ソフトウェアの組合せで実現される。また、専用アーク故障保護ユニット１６０はＳＳＰＣ制御装置１２０の機能要素、あるいは配電系統の他の要素であってもよい。

図４は本発明の原理に基づいたアーク故障保護を示したフローチャートである。図４に示すフローチャートの機能は、例えば、図３に示した専用アーク故障保護ユニット１６０内で、あるいは図２に示した個々のＳＳＰＣユニット３００−１〜３００−ｎ内で実現される。この場合も、専用アーク故障保護ユニット１６０はＳＳＰＣ制御装置１２０の機能単位あるいは配電系統の他の要素であってよい。本発明に従い、不所望なアーク故障条件は負荷電流と許容される負荷シグネチャとの比較に基づいて検知される。具体例として、図５Ａ、図５Ｂに負荷電流の２つの事例を示す。図５Ａは三相モータ起動時の突入電流を示したものである。図５Ａの場合、アーク検知回路出力（トレース３で示す）は、アーク故障保護ユニットにより負荷シグネチャであると認められたため、突入電流（トレース１で示す）には応答していない。図５Ａのトレース２は図５Ａの正常負荷電流条件時のバス電圧を表している。図５Ｂは実際のアーク故障電流の場合を示している。負荷電流波形（トレース１）はアーク故障保護ユニットにより認められなかったため、トリップ信号が発生し（トレース３）、ＳＳＰＣは断続される。図５Ｂのトレース２は図５Ａのアーク故障条件時のバス電圧を表している。

本願発明者の知見によれば、アークシグネチャと異なり、負荷シグネチャは動作条件、例えば電力周波数が可変か固定かの条件や、負荷自体の特性などにより発生する変動に対して典型的には唯一である。この種の変動は配電システムのロジック／処理回路に記憶した負荷シグネチャの許容帯域内に規定される。また、この情報は負荷メーカーから入手できる負荷の「ライブラリ」から求めることができる。また、負荷シグネチャは、アーク故障保護ユニットが様々な負荷及び動作条件に関する特性（例えば、突入、定常、及び過渡の特性）を決定する学習プロセスの中で習得される。これは、負荷のオン／オフ切替時や他の各種定常または過渡的な動作時に自動的に開始可能である。

本発明に基づいたアーク故障保護を実現するために、複数の負荷のそれぞれに供給される電流出力Ｉ_ｌｏａｄを監視する（Ｓ１７２）。さらに、各負荷のスイッチング条件（すなわち、関連する電力スイッチング素子３１０がオンになっているか否か、オン状態であればその時間の長さ）と、負荷アークの特性を決定する（Ｓ１７４）。ステップＳ１７２とＳ１７４は順番を入れ替えてよく、あるいは同時に実行してよい。次に、例えば、負荷の「ライブラリ」から負荷シグネチャを取り出すことにより、負荷条件及びスイッチング条件の関数として許容負荷電流シグネチャＩ_ｓｉｇを決定し（Ｓ１７６）、このＩ_ｓｉｇとＩ_ｌｏａｄを比較して測定負荷電流が許容限度内にあるか否かを決定する。Ｉ_ｌｏａｄがＩ_ｓｉｇの許容限度内になければ、アーク故障状態なので該当する電力スイッチング素子をトリップする（Ｓ１８０）。許容限度は試験を通じて決定可能である。

許容負荷シグネチャは多数の要因に依存して変動するが、負荷シグネチャに基づいてアーク故障条件を検知する方式はＳＳＰＣ制御装置１２０から得られたスイッチング情報、及び関連負荷の特性を利用するので、有害なトリップを防止できる。すなわち、アーク故障決定の際に使用される負荷シグネチャは電力スイッチング素子のスイッチング条件を考慮したものであり、このため、配電チャンネルの過渡的または雑音状態に起因するスイッチング素子のトリップを回避することができる。

本発明の原理が適用されるＳＳＰＣ式配電系統の要素を示す概要ブロック図である。 本発明の実施形態に基づいた、ＳＳＰＣ式電力スイッチング、短絡回路／過電流及びアーク故障保護ユニットの詳細を示すブロック図である。 本発明の実施形態に基づいた、ＳＳＰＣ式電力スイッチング及びアーク故障保護ユニットの代替形態を示すブロック図である。 本発明の原理に基づいたアーク故障保護方式を示すフローチャートである。 正常（アーク故障無）負荷電流条件下の例示の負荷電流を示す。 本発明の原理に基づいて、アーク故障として検出回路により識別される、同一回路におけるアーク故障条件を示す。

Claims (10)

1. 配電系統のソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）を介して負荷（１４０）に供給されている電流の測定を得るために設けられた負荷電流入力（３２０、１６１）と、
   前記負荷（１４０）に供給される電流波形の基準定常状態及び過渡特性を取得するように設けられ、これにより、前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）を介して電流が供給されている前記負荷の特性、及び前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）の動作条件の関数である負荷シグネチャを取得する負荷シグネチャ入力と、
   前記測定負荷電流と前記負荷シグネチャを比較し、前記測定負荷電流が前記負荷シグネチャの許容範囲外にあるとき、アーク故障表示信号を出力するアーク故障検知器（３３０、１６０）と、
   を備える車両の配電系統のアーク故障保護用装置（３２０、１６０）。
2. 前記負荷シグネチャは、前記配電系統の過渡条件に追跡するために前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）のスイッチング状態の関数である、請求項１に記載の装置。
3. 前記負荷シグネチャは、前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）を介して前記負荷に供給される電力の種類の関数である、請求項１に記載の装置。
4. 前記負荷電流入力（１６１）は、対応するソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）を介して複数の負荷（１４０）に供給されている電流の測定値を取得し、
   前記アーク故障検知器（１６０）は、合計測定負荷電流と負荷シグネチャを比較し、異常を検知した際に、前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）のどのひとつが異常電流を通知したかを決定して電力スイッチング素子を決定し、関連する回路を切断する、請求項１に記載の装置。
5. 前記アーク故障検知器（３３０、１６０）は、初期化プロセス中に前記負荷の過渡状態及び定常状態の特性を決定して前記負荷シグネチャを決定する、請求項１に記載の装置。
6. 配電系統のソリッドステート電力スイッチング素子を介して負荷に供給されている電流の測定値を取得するステップ（Ｓ１７２）と、
   前記負荷（１４０）の基準となる定常状態及び過渡状態の特性を取得し、これにより、前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）を介して電流が供給されている前記負荷（１４０）の特性、及び前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）の動作条件の関数である負荷シグネチャを決定するステップ（Ｓ１７６）と、
   前記測定負荷電流と前記負荷シグネチャを比較するステップ（Ｓ１７８）と、
   前記測定負荷電流が前記負荷シグネチャの許容範囲外にあるとき、アーク故障表示信号を出力するステップ（Ｓ１８０）と、
   を含む車両の配電系統のアーク故障を保護する方法。
7. 前記負荷シグネチャは、前記配電系統の過渡条件を追跡するような前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）のスイッチング状態の関数である、請求項６に記載の方法。
8. 前記負荷シグネチャは、前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）を介して負荷（１４０）に供給される電力の種類の関数である、請求項６に記載の方法。
9. 前記負荷電流の測定値を取得するステップ（Ｓ１７２）は、対応するソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）を介して複数の負荷（１４０）に供給されている電流の測定値を取得し、
   前記比較ステップ（Ｓ１７８）は、合計測定負荷電流と負荷シグネチャを比較し、前記比較ステップが異常を検知した際に、前記方法は前記ソリッドステート電力スイッチング素子（３１０）のいずれのひとつが異常電流を通知したかを決定してアーク故障箇所を決定する、請求項６に記載の方法。
10. 前記負荷シグネチャを取得するステップ（Ｓ１７６）は、初期化プロセス中に前記負荷の過渡状態及び定常状態の特性を決定して前記負荷シグネチャを決定する、請求項６に記載の方法。
    

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