JP2010521686A - 急速な電流変化の評価方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサで検出されるアークに起因する急速な電流変化を評価するための特別に好適な方法および装置を提供する。
【解決手段】アークに起因する電流変化の検出および評価のために、時間（ｔ）で微分されかつセンサに依存した周波数帯域幅（ｆ_go1−ｆ_gu）を持ったセンサ信号（ｄｉ／ｄｔ）が作成され、その周波数帯域幅がｆ_go1≦４０ＭＨｚなる上限周波数ｆ_go1およびｆ_gu≧１００ｋＨｚなる下限周波数ｆ_guを有し、センサ信号（Ｓ_A）から、１０ＭＨｚ以下の上限周波数を有する評価信号（Ｓ’_A）が作成され、評価信号（Ｓ’_A）が閾値と比較されて、正規化されたパルス信号（Ｓ_D，Ｓ’_D）が作成され、信号（Ｓ_D，Ｓ’_D）のパルス持続時間が予め与えられた時間値（Δｔ₂）に延長される。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサで検出されアークに起因する急速な電流変化を評価する方法および装置に関する。

時間的に変化する電流、特に急勾配の急速な電流変化を有する電流を測定するために、強磁性の結合要素と、これを取り囲む２次巻線またはセンサ巻線と、急速な電流変化が検出されるべきである電流を導く１次巻線もしくは励磁巻線とを備えたセンサを使用することは公知である（例えば、特許文献１参照）。センサ巻線の接続端子において、電流信号中の高周波信号成分に起因する勾配変化（ｄ²Ｉ_P／ｄｔ²）と、強磁性の結合要素を介するセンサ巻線および励磁巻線の結合に起因する減衰（増幅）とから結果として生じる電流信号または電圧信号を取り出すことができる。この信号がアナログ／ディジタル変換器によりサンプリングされる。比例電流測定を行なうのではなくて特定の周波数範囲における電流強度の変化を検出するこの公知のセンサによれば、アークに起因する事象が少ない費用で検出可能である。

独国特許出願公開第１０２００７０３４３４４号明細書

本発明の課題は、センサで検出されアークに起因する急速な電流変化を評価するのに特に適した方法および装置を提供することにある。

方法に関する課題は本発明によれば請求項１の特徴によって解決される。有利な実施態様は請求項１を引用する従属請求項に記載されている。

アークに起因する電流変化を検出し評価するために、本発明による方法は、時間微分されかつ帯域通過フィルタ処理されたセンサ信号から処理可能な評価信号を作成することを提案する。センサ信号のセンサに依存した帯域幅は４０ＭＨｚの上限周波数と１００ｋＨｚの下限周波数との間にある。この（時間で）微分された評価信号またはセンサ信号が、引き続いて周波数フィルタ処理される。好ましくは１０ＭＨｚより小さい上限周波数を有する評価信号が、電圧に関連した閾値比較に基づいてディジタル化される。

その際に作成され以下においてパルス信号とも呼ばれ、正規化された信号高さ（振幅）を有する信号において、パルス持続時間が予め与えられた時間値、特に１００μｓに延長される。好ましくは、その際に、時間枠内において複数の相前後する信号パルス（インパルス）が計数された場合にのみ、単一の信号パルスのパルス持続時間が延長され、評価されるか又は継続処理される。パルス延長の時間値は、信号評価に使用するのに適したマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラの処理時間または処理速度に設定すると好ましい。

方法の有利な変形によれば、信号高さが正規化されるだけでなく、まだ延長されていない信号の持続時間すなわちパルス持続時間も予め与えられた時間値で正規化される。引続いて、予め与えられた時間枠内において、特に１０μｓの時間間隔を有する時間枠内において相前後する正規化されたパルス信号が計数されるとよい。

方法を実施するために特に適した装置は、本発明によれば、急速な電流変化の検出に適したとりわけできるだけスペースを節約した電流センサに付加して、この電流センサに接続された信号評価のための評価電子装置を有する。評価電子装置は、センサのセンサ巻線から取り出された周波数依存性のセンサ信号をディジタル信号に変換し、このディジタル信号を計数し、引続いて信号もしくは信号パルスのパルス持続時間を予め与えられた時間値に延長する。

有利な実施態様においては、評価電子装置のアナログディジタル変換器の後に接続された正規化要素が時間的な信号正規化に用いられる。評価電子装置は、更にパルス信号もしくは信号パルスの個数を検出するためのカウンタを有すると好ましい。更に、評価電子装置は、パルス信号のパルス持続時間を延長するためのサンプルホールド回路を有するのが適切である。

本発明により得られる利点は、とりわけ、検出および評価システムの小さい構造ボリュームと同時に少ない電流消費および少ない計算能力にてノイズ耐性の高い直接的なアーク認識が可能であることにある。

図１はセンサモジュールとダイアグラムに具体的に示された信号を処理するための評価電子装置とを備えた電流変化の検出および評価装置の伝達特性を概略的に示すブロック図である。 図２は急速な電流変化の検出に適した電流センサの構造図である。

以下において本発明の実施例を図面に基づいて更に詳細に説明する。

両図において互いに対応する部分は同じ参照符号を付されている。

図１は、ブロック図にて、センサモジュール１０と、信号処理のための評価電子装置２０と、信号後処理のための機能モジュール３０と、信号分析のためのマイクロコントローラ４０とを備えたアークに起因した電流変化の検出および評価装置の主要モジュールを示す。以下において電流センサとも呼ぶセンサモジュール１０は、時間的な電流微分要素（微分関数ｄｉ／ｄｔ）１１および帯域通過フィルタ（帯域通過関数）１２を含む。

評価電子装置２０は、入力側に低域通過フィルタ２１およびこの後に配置された好ましくはコンパレータまたは１ビット変換器としてのアナログディジタル変換器（ＡＤ変換器）２２を含み、ＡＤ変換器２２の後に正規化要素２３が配置されている。正規化要素２３の後には、時間分析のための機能モジュール２４、例えばカウンタが配置されている。機能モジュール３０は、マイクロプロセッサ内に、例えばマイクロコントローラ４０内に組み込まれていると好ましい。

ブロック図の下に示されているダイアグラムは、対応する機能モジュールまたは機能モジュールの入力もしくは出力におけるそれぞれの信号ならびに伝達関数を示す。図１において左側のダイアグラムは検出および評価すべき電流信号Ｉ_Pを示し、これの時間的変化（ｄｉ／ｄｔ）１１がセンサ１０により検出される。付設された帯域通過関数１２は、好ましくはｆ_go1＝４０ＭＨｚの上限周波数ｆ_go1と、好ましくはｆ_gu＝１００ｋＨｚの下限周波数ｆ_guとを有する。

センサ１０の出力から取り出し得る時間微分されかつ帯域通過フィルタ処理されたセンサ信号Ｓ_Aが、評価電子装置２０によりそれの入力側に設けられた低域通過フィルタ２１において周波数フィルタ処理される。低域通過フィルタ２１は、ｆ_go2＜１０ＭＨｚ、好ましくはｆ_go2＜５ＭＨｚの上限周波数ｆ_go2を有する。低域通過フィルタ処理されたセンサ信号または評価信号Ｓ’_Aが、低域通過フィルタ２１の後に配置されたＡＤ変換器２２によりディジタル化される。ディジタル信号Ｓ_Dは、それの信号高さＵに関して典型的にはＵ＝５Ｖにて正規化されている。この閾値は、過大なアーク信号の確実な検出を保証するために、ｍＶ範囲内で設定可能である。

ＡＤ変換器２２の後に配置された正規化要素２３において、パルス持続時間、すなわちパルス信号のパルス長が時間的に時間値Δｔ₂≪Δｔで正規化される。後続のカウンタ２４において正規化要素２３の信号パルスが計数される。その際に、例えばΔｔ＝１０μｓの設定された時間枠内において２つの時間的に正規化されたパルスすなわちパルス信号Ｓ’_Dが認識される場合には、単一のパルス信号もしくは単一の信号パルス（単一パルス）が、信号延長のための機能モジュール３０に渡される。そうでない場合には検出または認識されたパルス信号Ｓ’_D、すなわち当該単一パルスは無視される。

機能モジュール３０は、主として、パルス信号Ｓ’_Dの渡された単一パルスをパルス持続時間Δｔ₂≫Δｔ₁に延長するいわゆるサンプルホールド回路を含む。これによって機能モジュール３０の後に配置されたマイクロコントローラ４０には、延長されたパルス信号Ｓ”_Dを認識するに十分な時間が残されている。したがって、マイクロコントローラ４０は、過去のパルス持続時間Δｔ₂の範囲内において１００ｋＨｚと４ＭＨｚとの間の周波数を有する複数の単一パルスもしくは信号Ｓ_Aが生じたという情報を得るだけである。他方では比較的長い持続時間の間１００ｋＨｚ以上の一定周波数が現われるので、機能モジュール３０はマイクロプロセッサ４０に高レベルだけを供給する。しかし、この種の持続的な高レベルは認識されるとおりアークに起因するものではない。

図２によれば、電流センサ１０は、励磁巻線３と一緒に共通な結合要素４の周りに巻回されているセンサ巻線またはセンサコイル２から構成されている。励磁巻線３がセンサ巻線２の上にあって、センサ巻線２が結合要素４を取り囲んでいる。円筒状または棒状に形成された強磁性の結合要素４が一体的に両巻線２，３を貫通している。複数のセンサ巻回層からなるセンサ巻線２と、同様に複数の巻回層からなり得る励磁巻線３とが、互いに電気的に絶縁されて結合要素４上に取り付けられている。

結合要素４および両巻線２，３ならびに評価電子装置２０、機能モジュール３０および／またはマイクロコントローラ４０が１つのハウジング内に配置されていると好ましく、このハウジングが保護開閉器または保護継電器のハウジングでもあるとよい。

２ センサ巻線
３ 励磁巻線
４ 結合要素
１０ 電流センサ／センサモジュール
１１ 微分要素
１２ 帯域通過フィルタ
２０ 評価電子装置
２１ 低域通過フィルタ
２２ ＡＤ変換器
２３ 正規化要素
２４ カウンタ
３０ 機能モジュール
４０ マイクロコントローラ
Ｓ_A センサ信号
Ｓ’_A 評価信号
Ｓ_D ディジタル信号
Ｓ’_D パルス信号
Ｓ”_D 延長されたパルス信号
Ｓ_I 電流信号

Claims (15)

1. 時間（ｔ）で微分されかつセンサに依存した周波数帯域幅（ｆ_go1−ｆ_gu）を持ったセンサ信号（Ｓ_A）が作成され、その周波数帯域幅がｆ_go1≦４０ＭＨｚなる上限周波数ｆ_go1およびｆ_gu≧１００ｋＨｚなる下限周波数ｆ_guを有し、
   センサ信号（Ｓ_A）から、１ＭＨｚ≦ｆ_go2≦１０ＭＨｚなる上限周波数ｆ_go2を有する評価信号（Ｓ'_A）が作成され、
   評価信号（Ｓ’_A）から、正規化されたパルス信号（Ｓ_D，Ｓ’_D）が作成され、
   正規化されたパルス信号（Ｓ_D，Ｓ’_D）のパルス持続時間（Δｔ₁）が予め与えられた時間値（Δｔ₂）に延長される
   アークに起因する電流変化の検出および評価方法。
2. 延長されていないパルス信号（Ｓ’_D）の信号高さ（Ｕ）およびパルス持続時間（Δｔ₁）が、予め与えられた時間値（Δｔ）で正規化される請求項１記載の方法。
3. 予め与えられた時間枠（Δｔ₂）内において相前後する正規化されたパルス信号（Ｓ’_D）が計数される請求項１又は２記載の方法。
4. 時間枠（Δｔ₂）がμｓ範囲の時間間隔（Δｔ）に設定される請求項３記載の方法。
5. 時間枠（Δｔ₂）内においてパルス信号（Ｓ’_D）の２つ以上の信号パルスが計数される場合に、パルス信号（Ｓ’_D）の単一の信号パルスのパルス持続時間（Δｔ₁）が延長される請求項３又は４記載の方法。
6. パルス信号（Ｓ’_D）のパルス持続時間（Δｔ₁）がΔｔ₂≫Δｔ₁に延長される請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 強磁性の結合要素（４）、これを取り囲むセンサ巻線（２）および電流（Ｉ_P）を導く励磁巻線（３）を有する電流センサ（１０）と、
   電流センサ（１０）に接続され、電流センサ（１０）、特にそれのセンサ巻線（３）で直接に取り出し得る周波数依存性のセンサ信号（Ｓ_A）をアナログディジタル変換器（２２）によって正規化された信号（Ｓ_D，Ｓ’_D）に変換しかつ信号（Ｓ_D，Ｓ’_D）のパルス持続時間（Δｔ₁）を予め与えられた時間値（Δｔ₂）に延長する評価電子装置（２０）と、
   を備えた請求項１乃至６の１つに記載の方法を実施するための装置。
8. 電流センサ（１０）の励磁巻線（３）がセンサ巻線（２）に対して間隔を置いて結合要素（４）を取り巻き、しかもセンサ巻線（２）の上に配置されている請求項７記載の装置。
9. 電流センサ（１０）が、時間微分要素（１１）として、かつ１００ｋＨＺと４０ＭＨｚとの間の帯域周波数（ｆ_go1−ｆ_gu）を有する帯域通過フィルタ（１２）として働いている請求項７又は８記載の装置。
10. 評価電子装置（２０）が、入力側に、アナログディジタル変換器（２２）の前段に接続された１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの限界周波数（ｆ_go2）を持った低域通過フィルタ（２１）を有する請求項７乃至９の１つに記載の装置。
11. 評価電子装置（２０）が、アナログディジタル変換器（２２）の後に接続され信号（Ｓ_D）を時間で正規化するための正規化要素（２３）を有する請求項７乃至１０の１つに記載の装置。
12. 評価電子装置（２０）が、信号（Ｓ’_D）の信号パルスの個数を検出するためのカウンタモジュール（２４）を有する請求項７乃至１１の１つに記載の装置。
13. 評価電子装置（２０）の後に配置されている信号処理のための機能モジュール（３０）が、パルス信号（Ｓ’_D）のパルス持続時間（Δｔ１）を予め与えられた時間値（Δｔ２）に延長するためのサンプルホールド回路を含む請求項７乃至１２の１つに記載の装置。
14. アナログディジタル変換器（２２）がコンパレータまたは１ビット変換器として構成されている請求項７乃至１３の１つに記載の装置。
15. 電流センサ（１０）、評価電子装置（２０）、場合によっては信号処理のための機能モジュール（３０）および／またはこれの後に配置されたマイクロコントローラ（４０）が共通なハウジング内に組み込まれている請求項７乃至１４の１つに記載の装置。

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