JP2008281567A - アーク検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】電気配電装置内におけるアーク事象を識別するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】本システム１０は、電気配電装置２８内で発生したアーク事象２４を示すアーク無線周波数特性及びバックグラウンド電気ノイズを示すノイズ無線周波数特性を記憶するためのメモリ１６と、アーク事象２４により生じかつ電気配電装置２８から無線伝搬する無線周波数信号２６を検出するためのセンサとを含む。本システム１０はまた、センサで検出した無線周波数信号２６を処理して該検出信号から無線周波数特性を抽出するようになっており、該抽出周波数特性をメモリ１６に記憶したアーク無線周波数特性及びノイズ無線周波数特性と比較してアーク事象２４の発生を識別するようになった比較器を備えたプロセッサ１４を含む。本システム１０はまた、アーク事象２４の発生を示すアーク故障信号１８を生成するためのアーク警報発生器１９を含む。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、総括的には電気アーク検出に関し、より具体的には、電気配電装置用の無線周波数（ＲＦ）アーク識別システムに関する。

アーク事象を示すアークフラッシュの検出は、電気配電装置のような電気装置内における望ましくないかつ／又は危険なアーク状態を緩和する上での最初の段階として重要である。アーク事象を検出するための１つの公知の方法は、光学検出器を使用してアーク事象に関連するアークフラッシュを検知することである。しかしながら、そのような検出器は通常、視線検出に制限され、アークの潜在的発生源に比較的近接させて配置しなければならない。別の方法は、電流モニタを使用してアーク事象を示す導体内での電流摂動を評価することである。しかしながら、この方法は、煩わしい処理要求を必要とし、アーク事象を識別するのが不必要に長い対応時間となる可能性がある。
米国特許第７０６２３８８号明細書 米国特許第６８３９２０９号明細書 米国特許第６７５１５２８号明細書 米国特許第６６８３７６４号明細書 米国特許第６６３３００９号明細書 米国特許第６５３２１４０号明細書 米国特許第６４１７６７１号明細書 米国特許第６２４２７０７号明細書 米国特許第６２３２８５７号明細書 米国特許第６２０７９１６号明細書 米国特許第６１４１１９２号明細書 米国特許第６１２８１６８号明細書 米国特許第４６４５８８９号明細書 米国特許第４４０９４４７号明細書 米国特許第４３６９３６４号明細書 米国特許第４２８９９４１号明細書 米国特許第３９９７２３５号明細書 米国特許第４２５９７０４号明細書 米国特許第６４３３９７６号明細書 米国特許第５９３３３０８号明細書 米国特許第５６５０９０２号明細書 米国特許第６９５２３３２号明細書 米国特許第６６５７１５０号明細書 米国特許出願公開第２００３／０２３１４５３号明細書 米国特許出願公開第２００３／０２３１４４３号明細書 米国特許第５９０５２４４号明細書 米国特許第４３４７４１４号明細書 米国特許出願公開第２００２／００３３７０１号明細書 米国特許第６３７３２５７号明細書 米国特許出願公開第２００１／００３３４６９号明細書 米国特許第７０３８８９７号明細書 国際特許出願第９８３５２３７号明細書 国際特許出願第９５２２１６７号明細書 国際特許出願公開第２００５／０３６７０９号明細書

アーク状態の迅速かつ効果的な軽減を得ることができる改良型のアーク検出が、切望されている。

例示的な実施形態では、本発明は、電気配電装置内におけるアーク事象を識別するためのシステムを含む。本システムは、電気配電装置内で発生したアーク事象を示すアーク無線周波数特性及びバックグラウンド電気ノイズを示すノイズ無線周波数特性を記憶するためのメモリを含む。本システムはまた、アーク事象により生じかつ電気配電装置から無線伝搬する無線周波数信号を検出するためのセンサを含む。本システムはまた、センサで検出した無線周波数信号を処理して該検出信号から無線周波数特性を抽出するようになっており、該抽出周波数特性をメモリに記憶したアーク無線周波数特性及びノイズ無線周波数特性と比較してアーク事象の発生を識別するようになった比較器を備えたプロセッサを含む。本システムはさらに、アーク事象の発生を示すアーク故障信号を生成するためのアーク警報発生器を含む。

別の例示的な実施形態では、本発明は、電気配電装置内におけるアーク事象を識別する方法を含む。本方法は、電気配電装置で発生したアーク事象により生じかつ電気配電装置から無線伝搬する無線周波数信号を検出するステップを含む。本方法はまた、検出信号から無線周波数特性を抽出するステップと、抽出周波数特性を所定のアーク無線周波数特性及び所定のノイズ無線周波数特性と比較してアーク事象の発生を識別するステップとを含む。本方法はさらに、アーク事象の発生を示すアーク故障信号を生成するステップを含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、その全体にわたって同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細説明を読むことにより、一層良好に理解されるようになるであろう。

本発明の発明者たちは、電気配電装置内におけるアーク事象は、例えば該アーク事象に関連する電流量に応じて決まる、他のＲＦ源とは異なる特定の周波数帯での及び／又は特定の周波数振幅でのＲＦエネルギーを放出することを認識した。図１Ａは、電気配電装置内における非拘束つまり開放アーク事象を示す例示的な周波数応答特性のグラフ３４である。例えば、そのような非拘束（開放）アーク事象は、一般的に周囲環境に露出しているバスバー及び／又は相導体内で発生することになる。グラフ３４は、ＲＦセンサを使用して実験的誘起アークフラッシュ又はアーク事象により生じたＲＦエネルギーを無線検出して導き出した周波数応答データを表している。グラフ３４は、フーリエ変換法を使用して導き出しかつ実験的誘起アーク事象に応答する異なる電流レベルに対応するピーク周波数応答値３６の形態でのＲＦ周波数応答特性を示している。グラフ３４で分かるように、約１００アンペアよりも小さい電流では、アーク事象は、約２０メガヘルツ（ＭＨｚ）〜約３０メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲のピークＲＦ周波数応答を示し、また約１０ＭＨｚ〜約５０ＭＨｚの範囲のピークＲＦ周波数応答を示すことができる。約１００アンペアよりも大きい電流では、アーク事象は、約１ＭＨｚ〜約２ＭＨｚの範囲のピークＲＦ周波数応答を示し、また約１ＭＨｚ〜約５ＭＨｚの範囲のピークＲＦ周波数応答を示すことができる。

図１Ｂは、電気配電装置内における拘束つまり密閉アーク事象を示す例示的な周波数応答特性のグラフ６０である。例えば、そのような拘束（密閉）アーク事象は、一般的に密閉されているスイッチ装置、端子ボックス並びに／或いはモータ制御ユニット／ボックス内で発生することになる。グラフ６０は、ＲＦセンサを使用して実験的誘起アーク事象により生じたＲＦエネルギーを無線検出して導き出した周波数応答データを表している。グラフ６０は、フーリエ変換法を使用して導き出しかつ実験的誘起アーク事象に応答する異なる電流レベルに対応するピーク周波数応答値６２の形態でのＲＦ周波数応答特性を示している。グラフ６０で分かるように、アーク事象は、電流の増加と共に指数関数的に減少するピークＲＦ周波数応答を示す傾向がある。例えば、約１００アンペアの電流範囲では、ピークＲＦ周波数応答は一般的に、２５ＭＨｚあたりで発生する。約３００アンペアの電流範囲では、ピークＲＦ周波数応答は一般的に、５ＭＨｚあたりで発生するが、約８０００アンペアの電流以上では、ピークＲＦ周波数応答は一般的に、２ＭＨｚあたりで発生する。

そのような実験的導出データを使用して、本発明者たちは、電気配電装置内におけるアーク事象が他のＲＦノイズとは異なる特定の周波数特性を示していることを明らかにし、かつそのような特性がそのようなアーク事象を識別するために使用することができることを革新的に認識した。ピークＲＦ周波数応答特性に加えて、発明者たちはまた、それぞれのピーク周波数が同じ周波数において発生した場合であっても、アーク事象が他のＲＦノイズ生成事象と比較して異なるピークＲＦ周波数応答振幅を示すことになることを実験的に明らかにした。さらに、発明者たちは、アークが密閉状態であるか又は開放状態であるかに拘りなく、拘束されていようが拘束されていまいが、電気配電装置内におけるアーク事象が該アークに関連する電流に対応する特定の周波数特性を示すことを明らかにした。アーク事象によって発生したＲＦエネルギーの周波数特性を電気装置によって通常生じているＲＦノイズエネルギーの周波数特性から革新的に弁別しかつ／又は特定の電流レベルにおいて存在する所定の周波数特性に基づいてアーク周波数特性を識別することによって、アーク状態を迅速に識別し、それによってアーク状態を軽減するための改善処置をより迅速に取ることを可能にすることができる。

図２は、図３に示す例示的な電気配電装置２８のような電気配電装置内におけるアーク事象を識別するためのシステム１０の例示的な実施形態を示す概略図である。システム１０は、導体３２ａ、３２ｂ間に発生したアーク２４によって無線放出されたＲＦ信号のようなアーク事象を示すＲＦ信号２６を検知するように構成することができる。システム１０はまた、電気配電装置によって通常放出されているＲＦ信号のようなバックグラウンドノイズを示すＲＦ信号２７を検知し、かつアーク事象を識別するように構成することができる。これらの信号２６、２７に基づいて、システム１０がアーク状態を識別することができる。

例示的な実施形態では、システム１０は、電気配電装置内において発生したアーク事象を示す少なくとも１つのアーク無線周波数特性と、バックグラウンド電気ノイズを示す少なくとも１つのノイズ無線周波数特性とを記憶するためのメモリ１６を含むことができる。システム１０はまた、アーク事象及び／又はバックグラウンドノイズにより生じかつ電気配電装置から無線伝搬する無線周波数信号２６、２７を検出するための、それぞれのＲＦアンテナのような１つまたはそれ以上のセンサ１２ａ、１２ｂを含むことができる。図２には２つのセンサ１２ａ、１２ｂを示しているが、１つのセンサ又は１つよりも多いセンサを使用して、同じ機能を達成することができることを理解されたい。システム１０は、センサ１２ａ、１２ｂによって検出された無線周波数信号２６、２７を処理して該検出信号から無線周波数特性を抽出するようになったプロセッサ１４を含むことができる。プロセッサ１４はさらに、抽出した周波数特性をメモリ１６に記憶したアーク無線周波数特性及び／又はノイズ無線周波数特性と比較してアーク事象の発生を識別するようになった比較器のようなアーク識別回路２２を含むことができる。システム１０はさらに、アーク事象の発生を示すアーク故障信号１８を生成するためのアーク警報発生器１９を含むことができる。アーク故障信号１８は、電気配電装置２８の作動を制御するために使用することができる。例えば、アーク故障信号１８を使用して、バスバー４０に対して発生するアーク２４に応答して回路遮断器３０を開いて電気負荷４２から電源３８を切離すことができる。

メモリ１６に記憶されかつアーク状態を識別するために使用されるＲＦ特性は、所定のピーク周波数応答及び／又は所定のピーク周波数応答振幅を含むことができる。アーク無線周波数特性は、ノイズ無線周波数特性のピーク周波数応答とは異なるピーク周波数応答を含むことができる。従って、システム１０で検知したＲＦ特性は、メモリ１６に記憶した異なる特性と比較して、該検知ＲＦ特性が記憶した特性の１つと一致するか否かを判定し、それによって検知特性がアーク又は通常のＲＦバックグラウンドノイズを示すか否かの比較的迅速な判定を可能にすることができる。

本発明の別の例示的な実施形態では、アーク無線周波数特性は、ノイズ無線周波数特性のピーク周波数応答振幅とは異なるピーク周波数応答振幅を含むことができる。別の実施形態では、アーク無線周波数特性は、電気装置内に存在する電流レベルに従って選択することができる。例えば、モニタする装置内に存在する電流が約１キロボルトアンペアよりも小さい場合には、アーク状態を識別するために使用するアーク無線周波数特性は、約３０メガヘルツ〜約４０メガヘルツの範囲のピーク周波数応答を含むことができる。別の実施形態では、電流が約１キロボルトアンペアよりも大きい場合には、アーク状態を識別するために使用するアーク無線周波数特性は、約１メガヘルツ〜約２メガヘルツのピーク周波数応答を含むことができる。電気配電装置内における電流レベルと共にアーク特性が変化することを認識することによって、より大きな周波数範囲をモニタする必要があることと比較して、より小さな周波数の範囲で、より効果的にモニタすることができる。さらに別の実施形態では、アーク無線周波数特性は、ノイズピーク周波数応答振幅よりも約１０倍ほど大きいピーク周波数応答振幅を含むことができる。

本発明の別の例示的な実施形態では、センサ１２ａ、１２ｂは、第１のアンテナ及び第２のアンテナを含むことができる。第１のアンテナは、例えばアーク事象によって発生した周波数特性に対応する周波数帯域（範囲）内のＲＦエネルギーを検出するように調整することなどによって、アーク無線周波数特性を有する無線周波数信号を検出するように構成することができる。図３に示すように、第１のアンテナは、アークを生じる可能性が高い電気配電装置２８の領域４４に近接して配置することができる。例えば、第１のアンテナは、電気配電装置から約１フィート〜約３０フィートの範囲内に配置することができる。第１のアンテナは、アークを生じる可能性が高い領域４４に照準を合わせてアーク発生を示すＲＦエネルギーを受けるのに集束するようにすることができる指向性アンテナとして構成することができる。第２のアンテナは、例えばバックグラウンドノイズによって発生した周波数特性に対応する周波数範囲内のＲＦエネルギーを検出するように調整することなどによって、ノイズ無線周波数特性を有する無線周波数信号を検出するように構成することができる。図３に示すように、第２のアンテナは、バックグラウンドノイズの発生源となる可能性が高い電気配電装置２８の領域４４に近接して配置することができる。例えば、第２のアンテナは、電気配電装置から約１フィート〜約３０フィートの範囲内に配置することができる。第２のアンテナは、ＲＦバックグラウンドノイズを発生する可能性が高い領域４６に照準を合わせてノイズを示すＲＦエネルギーを受けるのに集束するようにすることができる指向性アンテナとして構成することができる。

別の例示的な実施形態では、システム１０は、アーク事象を示す放出ＲＦ信号とバックグラウンドノイズを示す放出ＲＦ信号との間を弁別するように構成することができる。図２に示すように、システム１０は、アーク無線周波数特性を含む可能性が高い第１の無線周波数信号２６を検知するように電気配電装置に近接して配置された第１のセンサ１２ａと、ノイズ無線周波数特性を含む可能性が高い第２の無線周波数信号２７を検知するように電気配電装置に近接して配置された第２のセンサ１２ｂとを含むことができる。システム１０は、それぞれのセンサ１２ａ、１２ｂによって検出された第１の無線周波数信号２６及び第２の無線周波数信号２７を処理して該信号２６、２７からアーク無線周波数特性及びノイズ無線周波数特性を抽出するようになった信号プロセッサ２０を含むことができる。例えば、信号プロセッサ２０は、フーリエ変換を行って信号２６、２７から周波数特性を抽出するように構成することができる。別の例示的な実施形態では、信号プロセッサ２０は、アーク無線周波数特性及び／又はノイズ無線周波数特性を含む可能性が高い周波数範囲のような所望の周波数範囲内の周波数特性を抽出するようになったフィルタを含むことができる。システム１０はまた、ノイズ無線周波数特性からアーク無線周波数特性を弁別してアーク事象の発生を識別するためのディスクリミネータの形態をしたアーク識別回路２２を含むことができる。システム１０はさらに、アーク事象の発生を示すアーク故障信号１８を生成するためのアーク警報発生器１９を含むことができる。アーク故障信号１８は、図３に示すように電気配電装置２８の作動を制御するために使用することができる。

図４は、本発明の態様による、アーク状態を識別する方法の例示的な実施形態のフロー図４８である。電気配電装置内におけるアーク事象を識別する方法は、電気配電装置で発生したアーク事象により生じかつ電気配電装置から無線伝搬する無線周波数信号を検出するステップ５０を含むことができる。本方法は次に、検出信号から無線周波数特性を抽出するステップ５２と、抽出周波数特性を所定のアーク無線周波数特性及び所定のノイズ無線周波数特性と比較してアーク事象の発生を識別するステップ５４とを含むことができる。所定の無線周波数特性は、アーク事象及びバックグラウンドノイズを示すピーク周波数応答及び／又はピーク周波数応答振幅を含むことができる。所定のアーク無線周波数特性は、電気装置内に存在する電流と関連付けることができる。本方法は次に、アーク事象の発生を示すアーク故障信号を生成するステップ５６を含むことができる。別の例示的な実施形態では、本方法は、所定のアーク無線周波数特性を電気装置内に存在する電流と関連付けて、電気装置内に存在する電流に対応するアーク事象を検出する方法になるようにするステップを含むことができる。

本明細書では本発明の特定の実施形態を図示しかつ説明してきたが、そのような実施形態は、単に一例として提示したにすぎない。本明細書の本発明から逸脱することなく、多くの修正、変更及び置換が当業者には想起されるであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲によってのみ限定されることになることを意図している。

電気配電装置内における開放アーク事象を示す例示的な周波数応答特性のグラフ。 電気配電装置内における密閉アーク事象を示す例示的な周波数応答特性のグラフ。 電気配電装置内におけるアーク事象を識別するためのシステムの例示的な実施形態を示す概略図。 その中で図２のシステムを使用することができる例示的な電気配電装置環境を示す図。 本発明の態様による、アーク事象を識別する方法の例示的な実施形態のフロー図。

符号の説明

１０ システム
１２ａ、１２ｂ １つ又はそれ以上のセンサ
１４ プロセッサ
１６ メモリ
１８ アーク故障信号
１９ アーク警報発生器
２０ 信号プロセッサ
２２ アーク識別回路
２４ アーク
２６ ｒｆ信号
２７ ｒｆ信号
２８ 電気配電装置
３０ 回路遮断器
３２ａ 導体
３２ｂ 導体
３４ グラフ
３６ ピーク周波数応答値
３８ 電源
４０ バスバー
４２ 電気負荷
４４ 領域
４６ 領域
４８ フロー図
５０ 無線周波数信号を検出するステップ
５２ 検出信号から無線周波数特性を抽出するステップ
５４ 抽出無線周波数特性を比較するステップ
５６ アーク故障信号を生成するステップ
５８ アーク事象を改善するステップ
６０ グラフ
６２ ピーク周波数応答値

Claims (10)

1. 電気配電装置（２８）内におけるアーク事象（５８）を識別するためのシステム（１０）であって、
   前記電気配電装置（２８）内で発生したアーク事象（５８）を示すアーク無線周波数特性及びバックグラウンド電気ノイズを示すノイズ無線周波数特性を記憶するためのメモリ（１６）と、
   前記アーク事象（５８）により生じかつ前記電気配電装置（２８）から無線伝搬する無線周波数信号（２６）を検出するためのセンサと、
   前記センサで検出した無線周波数信号（２６）を処理して該検出信号から無線周波数特性を抽出する（５２）ようになっており、前記抽出周波数特性を前記メモリ（１６）に記憶した前記アーク無線周波数特性及びノイズ無線周波数特性と比較して前記アーク事象（５８）の発生を識別するようになった比較器を含むプロセッサ（１４）と、
   前記アーク事象（５８）の発生を示すアーク故障信号（１８）を生成するためのアーク警報発生器（１９）と、を含む、
   システム（１０）。
2. 前記アーク無線周波数特性が、前記ノイズ無線周波数特性のピーク周波数応答とは異なるピーク周波数応答を含む、請求項１記載のシステム（１０）。
3. 前記アーク無線周波数特性が、前記ノイズ無線周波数特性のピーク周波数応答振幅とは異なるピーク周波数応答振幅を含む、請求項１記載のシステム（１０）。
4. 前記アーク無線周波数特性が、前記電気装置内に存在する電流レベルに従って識別される、請求項１記載のシステム（１０）。
5. 前記アーク無線周波数特性が、約１キロボルトアンペアよりも小さい電流において約１０メガヘルツ〜約５０メガヘルツのピーク周波数応答を含む、請求項４記載のシステム（１０）。
6. 前記アーク無線周波数特性が、約１キロボルトアンペアよりも大きい電流において約１メガヘルツ〜約５メガヘルツのピーク周波数応答を含む、請求項４記載のシステム（１０）。
7. 前記アーク無線周波数特性が、前記アーク事象（５８）の発生源からの前記センサの距離に対応した、ノイズ無線周波数振幅よりも大きいピーク周波数応答振幅を含む、請求項４記載のシステム（１０）。
8. 前記センサが、前記アーク無線周波数特性を有する無線周波数信号（２６）を検出するように構成された第１のアンテナを含む、請求項１記載のシステム（１０）。
9. 前記センサが、前記ノイズ無線周波数特性を有する無線周波数信号（２６）を検出するように構成された第２のアンテナを含む、請求項８記載のシステム（１０）。
10. 電気配電装置（２８）内におけるアーク事象（５８）を識別するためのシステム（１０）であって、
    前記電気配電装置（２８）に近接して配置されて、該電気配電装置（２８）内で発生したアーク事象（５８）を示すアーク無線周波数特性を含む可能性が高い第１の無線周波数信号（２６）を検知するようになった第１のセンサ（１２ａ）と、
    前記電気配電装置（２８）に近接して配置されて、該電気配電装置（２８）によって発生したバックグラウンド電気ノイズを示すノイズ無線周波数特性を含む可能性が高い第２の無線周波数信号（２７）を検知するようになった第２のセンサ（１２ｂ）と、
    前記それぞれのセンサ（１２ａ及び１２ｂ）で検出した第１の無線周波数信号（２６）及び第２の無線周波数信号（２７）をを処理して該検出信号（２６、２７）から前記アーク無線周波数特性及びノイズ無線周波数特性を抽出するようになった信号プロセッサ（２０）と、
    前記ノイズ無線周波数特性から前記アーク無線周波数特性を弁別して前記アーク事象（５８）の発生を識別するためのディスクリミネータと、
    前記アーク事象（５８）の発生を示すアーク故障信号（１８）を生成するためのアーク警報発生器（１９）と、を含む、
    システム（１０）。

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