JP2011521207A - 望ましくないアークを検出するためのアーク検出器および関連する方法 - Google Patents

Abstract

望ましくないアークを検出するためのアーク検出器が提示される。本アーク検出器は、アークを表す電磁信号を受信するためのアンテナと、アンテナからの信号を分析するための判別器であって、信号が正常なアークを表すか又は望ましくないアークを表すかを検出するスペクトル分析器を備える判別器とを備える。判別器は、少なくとも１つの部分的基準スペクトルに対応する信号のスペクトルの周波数で信号レベルを比較し、基準スペクトルからの偏差が閾値偏差より小さい場合にアークは正常なアークであると判定することによって、信号が正常なアークを表すか又は望ましくないアークを表すかを検出する。また、対応する方法が示される。

Description

本発明は、一般にアークの検出に関し、より詳細には、正常なアークと望ましくないアークの判別に関する。

多くの電気分野では、アーク発生、すなわち電気放電が生じ得る。一部のアーク発生は正常な動作の一部であるが、一部のアーク発生は望ましくなく、さらには危険となり得る。

第１の例として、電力変圧器では、変圧器が付勢されたままで変圧器巻線のタッピング接続を変更するために、負荷時タップ切換器（ＯＬＴＣ：ｏｎ−ｌｏａｄ ｔａｐ ｃｈａｎｇｅｒ）が用いられる。ある程度のアーク発生は起こることになり、このようなアーク発生を、たとえば変圧器油内のアーク発生ではなく、真空容器の内部に保つことが望ましい。油内のアーク発生は、接点上に磨耗を生じ、油の品質を低下させ得る。したがって、真空容器の内部での正常なアーク発生と、真空容器の外部での望ましくないアーク発生を判別できることが望ましい。油内のアーク発生を避けることによって、より安価な材料を接点に用いることが可能となり、油交換の間の期間が延長され、したがってより長い保守間隔が可能となる。

第２の例として、電気モータでは、正常なアーク発生と望ましくないアーク発生の両方が生じる可能性があり、これらの２つを判別することが望ましい。

したがって、正常なアークと望ましくないアークを検出し判別する必要性がある。

本発明の一目的は、正常なアークと望ましくないアークを検出し判別するためのアーク検出器および方法を提供することである。

本発明によれば、望ましくないアークを検出するためのアーク検出器が提供される。アーク検出器は、アークを表す電磁信号を受信するためのアンテナと、アンテナからの信号を分析するための判別器であって、信号が正常なアークを表すか望ましくないアークを表すかを検出するスペクトル分析器を備える判別器とを備える。判別器は、少なくとも１つの部分的基準スペクトルに対応する信号のスペクトルの周波数で信号レベルを比較し、基準スペクトルからの偏差が閾値偏差より小さい場合にアークは正常なアークであると判定することによって、信号が正常なアークを表すか望ましくないアークを表すかを検出するように構成されている。

スペクトル分析は、アンテナからの信号のみを用いて、正常なアークと望ましくないアークとを判別する方法を可能にする。さらに、スペクトル分析を用いることにより、判別は時間に無関係となり、任意の時点での望ましくないアークの検出が可能になる。閾値偏差を用いることによって、理想信号からのわずかな自然の偏差は依然として正しく解釈される。閾値は、必要に応じて調整することができる。信号レベルを、１つ又は複数の部分的基準スペクトルに対応する周波数だけで比較することによって、特に、正常なアークと望ましくないアークの差が比較的大きいことが分かっているところに、部分的基準スペクトルの周波数帯域が選択されたときには、より信頼性がありロバストな判定が達成される。

アークは、電気装置の動作に関係し得る。言い換えれば、正常なアークと望ましくないアークとが存在する任意の電気デバイス、たとえば、変圧器、電気モータ、回路遮断器などの電気機械が本発明から恩恵を受け得る。

アークは、電力変圧器の負荷時タップ切換器の動作に関係する場合があり、正常なアークは負荷時タップ切換器の真空容器の内部のアークであり、望ましくないアークは真空容器の外部のアークである場合がある。電力変圧器の負荷時タップ切換器では、正常なアークと望ましくないアークの両方があり、それによって本発明を有利に用いることができる。

アーク検出器はさらに、アンテナから入力信号を受け取り、判別器に出力信号を供給する、バンドパスフィルタを備える。

アーク検出器はさらに、バンドパスフィルタから入力信号を受け取るように構成されたミキサであって、さらに発振器から入力信号を受け取るように接続されたミキサと、ミキサから入力信号を受け取り、判別器に出力信号を供給するローパスフィルタとを備える。

これによりさらなる処理を、より低い周波数で行うことが可能になる。

アーク検出器はさらに、ローパスフィルタから入力信号を受け取り、判別器に出力信号を供給する包絡線検波器を備える。

本発明の第２の態様は、望ましくないアークを検出する方法である。方法は、アンテナを用いてアークを表す電磁信号を受信し、その信号を判別器に供給するステップと、判別器において、アンテナからの信号を用いて正常なアークと望ましくないアークとを判別するステップとを含む。判別するステップは、正常なアークと望ましくないアークとを判別するためのスペクトル分析器を用いるステップと、少なくとも１つの部分的基準スペクトルに対応する信号スペクトルの周波数で信号レベルを比較するステップと、基準スペクトルからの偏差が閾値偏差より小さい場合に、アークは正常なアークであると判定するステップとを含む。

判別するステップは、電力変圧器用のオンラインタップ切換器の真空容器の内部の正常なアークと、真空容器の外部の望ましくないアークとを判別することができる。

判定するステップでは、偏差は、二乗平均平方根の計算を用いて求めることができる。

第１の態様のいずれの特徴も、第２の態様に適用することができ、逆も同様であることに留意されたい。

一般に、特許請求の範囲において用いられるすべての用語は、本明細書において明示的な別段の規定がない限り、本技術分野でのそれらの通常の意味に従って解釈されるべきである。すべての「１つの／その（ａ／ａｎ／ｔｈｅ）要素、デバイス、構成要素、手段、ステップなど」に対する言及は、明示的な別段の記載がない限り、要素、デバイス、構成要素、手段、ステップなどの少なくとも１つの例を指すものとして、オープンに解釈されるべきである。本明細書で開示されるいずれの方法のステップも、明示的な別段の記載がない限り、開示された正確な順序で行われる必要はない。

次に、添付の図面を参照して、本発明について例として説明する。

変圧器の負荷時タップ切換器１０２を示す概略図である。 たとえば図１の負荷時タップ切換器と共に用いることができる、アーク検出器２３１の概略図である。 望ましくないアークを検出する方法を示すフローチャートである。

次に以下で本発明について、本発明のいくつかの実施形態が示される添付の図面を参照して、より十分に説明する。しかし本発明は、多くの異なる形体にて実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、これらの実施形態は、この開示が十分で完全なものとなり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように、例として示される。説明の全体にわたって、同じ番号は同じ要素を指す。

図１は、変圧器の負荷時タップ切換器１０２を示す概略図である。負荷時タップ切換器（ＯＬＴＣ）１０２は、変圧器が付勢されたままで変圧器巻線のタッピング接続を変更するために用いられる。始めに、負荷時タップ切換器１０２について、続いてそれを使用するシナリオについて説明する。図１に示されるように、いくつかのタッピング接続１０７ａ〜ｄが、様々な電圧に対応するように構成される。これらのタッピング接続の一部１０７ａ〜ｂは一方の側に配置され、これらのタッピング接続の一部１０７ｃ〜ｄは他方の側に配置される。それぞれの側のために１つずつ、２つのタップ選択器１１５ａ〜ｂがある。左側のタップ選択器１１５ａは、ここではタッピング接続１０７ａに接続され、右側のタップ選択器１１５ｂは、ここではタッピング接続１０７ｃに接続される。

端子１０３は、負荷に接続するために用いられる。この端子は、２つの真空スイッチ１１１ａおよび１１１ｂに接続される。左の真空スイッチ１１１ａは、第１の選択器スイッチ１０９ａに接続される。右の真空スイッチ１１１ｂは、インピーダンス１０５に接続される。インピーダンス１０５は、純抵抗又はリアクタンスインピーダンスとすることができることに留意されたい。インピーダンス１０５はさらに、第２の選択器スイッチ１０９ｂに接続される。図から分かるように、両方の選択器スイッチ１０９ａ〜ｂは、左のタップ選択器１１５ａ又は右のタップ選択器１１５ｂのいずれにも接続することができる。

図１に示される状態では、両方の選択器スイッチが、左のタップ選択器１１５ａに接続されている。両方の真空スイッチ１１１ａ〜ｂは閉路であるので、端子１０３は実際上、タップ接続１０７ａに接続された左のタップ選択器１１５ａに接続される。

次に、電力の供給を中断せずに、どのように端子１０３に新しい電圧が供給されるかの一例について説明する。言い換えれば、この手順全体の間、端子１０３には負荷を接続することができる。

始めに、タップ選択器１１５ｂは、所望の新しい電圧に対応するタップ接続に接続される。この例では、所望のタップ接続は、タップ接続１０７ｃであると仮定する。必要であれば、現在は負荷状態ではないタップ選択器１１５ｂは、任意の必要な切り換えを行って所望のタップ接続に接続する（ここでは必要ない）。

次いで、左の真空スイッチ１１１ａが開路し、それによって第１の選択器スイッチ１０９ａは、右のタップ選択器１１５ｂに接続されるように切り換わることができる。左の真空スイッチ１１１ａは開路であるので、この切り換えの間、第１の選択器スイッチ１０９ａは無負荷となる。

次いで、左の真空スイッチ１１１ａは閉路し、端子１０３を、第１の選択器スイッチ１０９ａを通して右のタップ選択器１１５ｂに接続する。インピーダンス１０５は、タップ接続１０７ａと１０７ｃの間の短絡を防止する。

次いで、右の真空スイッチ１１１ｂが開路し、それによって第２の選択器スイッチ１０９ｂは、右のタップ選択器１１５ｂに接続されるように切り換わることができる。右の真空スイッチ１１１ｂは開路であるので、この切り換えの間、第２の選択器スイッチ１０９ｂは無負荷となる。

最後に、右の真空スイッチ１１１ｂは閉路し、それによって端子１０３は、右のタップ選択器１１５ｂおよびタップ接続１０７ｃに接続される。インピーダンス１０５により、ほとんどすべての電流は、左の真空スイッチ１１１ａおよび第１の選択器スイッチ１０９ａを通って流れることになる。

以上、変圧器は常に付勢することが可能な状態のままで、どのようにして端子１０３が今では新しいタッピング接続に接続されたかを示した。負荷状態でのスイッチのすべての遮断と閉路は、真空スイッチ１１１ａ〜ｂを用いて行われるので、通常は油内ではアークは生じない。アークは真空スイッチ１１１ａ〜ｂ内では生じるが、スイッチは多数のアークに耐えるように設計される。

この方法は、左側のいずれのタップ接続１０７ａ〜ｂへの接続も、選択器スイッチが他方の方向に切り換わるという違いがあるだけで同じように動作する。

図１に示されるタッピング接続の数は、例示のために選ばれただけであり、任意の数の適当なタッピング接続を設けることができることに留意されたい。

図２は、たとえば図１の負荷時タップ切換器１０２と共に用いることができる、アーク検出器２３１の概略図である。

アーク検出器２３１は、アークからの電磁信号２３０を検出するアンテナ２３２を備える。電磁信号２３０は、たとえば、アークが真空容器内で生じ、真空容器の壁面および周囲の油を通過する必要がある場合にその後でも検出可能な放射である。同じく、油内のアークからの放射信号も同様に検出可能である。したがってアンテナ２３２は、アークの発生源に直接接触している必要はない。アンテナ２３２からの信号は、同軸ケーブル２３４を通してバンドパスフィルタ２３６に渡される。バンドパスフィルタは、アーク信号が実質的なエネルギーをもつ周波数帯域を強調する。増幅器２３８による増幅の後に信号は、信号周波数を低くするために、ミキサ２４０にて発振器２４２からの信号と混合される。ローパスフィルタ２４４は、帯域幅をさらに低減させる。増幅器２４６による別の増幅の後に、任意選択で、包絡線検波器２４９は増幅器２４６から供給される信号の包絡線を生成する。最後に、判別器２４８は、真空容器１１１ａ〜ｄ（図１）の内部の正常なアークと、外部の望ましくないアークとを判別する。

判別器２４８は、真空容器の内部からのアークと真空容器の外部のアークとを判別するための、スペクトル分析器を備える。アークの存在は、たとえば、少なくともある大きさの信号、および／又は少なくともある持続時間の信号を検出することによって確認することができる。

判別器２４８は、アンテナから受け取った信号のスペクトルを、基準スペクトルと比較することによって動作する。判別器は、基準スペクトルからの偏差が閾値偏差より小さい場合に、アークは真空容器の内部であると判定する。別法として、基準スペクトルが望ましくないアークを表す場合は、望ましくないアークを検出することができる。言い換えれば、一致と判定されるために、信号が厳密に基準信号と同じである必要はない。偏差は、たとえば二乗平均平方根偏差を用いて求めることができるが、偏差を求めるための他の任意の適当な仕組みを用いることができる。基準スペクトルは、１つ又は複数のサブスペクトル、すなわち、正常なアークと望ましくないアークの差が比較的大きいことが分かっている周波数で選択された部分的基準スペクトルからなるものとすることができる。これらの部分的基準スペクトルのそれぞれは、帯域を規定する下側および上側周波数と、下側および上側周波数の間の基準信号レベル（又は、それと等価なもの）とを有する。

基準スペクトルは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、磁気メモリ、光メモリ、又はこれらのメモリタイプの任意の組み合わせなどの、メモリ２５０に記憶される。判別器２４８の比較は、コントローラを用いて行われ、このコントローラは、任意の市販のＣＰＵ（中央処理ユニット）、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）、又は他の任意の電子的プログラマブル論理デバイスとすることができる。

任意選択で判別器は、より簡単な設計のために、前の構成要素２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６、２４９の１つ又は複数をさらに含むことができる。

メモリ２５０に記憶された基準スペクトルは、真空容器の内部のアークを表すスペクトルとすることができ、それによって、一致は、信号が真空容器の内部のアークを表すことを示すことになる。別法として又は追加として、メモリ２５０に記憶された基準スペクトルは、真空容器の外部のアークを表すスペクトルとすることができ、それによって、一致は、信号が真空容器の外部のアークを表すことを示すことになる。

任意選択で、予め記憶された基準スペクトルの代わりに、適応基準スペクトルとして、いくつかの前のスペクトルがメモリ２５０に記憶される。新しいアーク信号が分析されるときは、基準スペクトルと上述のように比較することができるが、そのときは基準スペクトルは、記憶されたスペクトルの最後の数の計算された平均値、すなわち適応基準スペクトルとなる。平均値は、スペクトルの周波数当たり、又は周波数帯域当たりにて計算される。その場合、望ましくないアークは、適応基準スペクトルから突出し偏移するようになる。同じ様なスペクトルを有する複数の望ましくないアークがある場合は、新たな望ましくないアークが適応基準スペクトルに非常に近くなりそれらが望ましくないと見なされなくなる程度にまで、時間と共に適応スペクトルを移動させることになる。しかしこの時点では、正常なアークの場合のスペクトルの数が十分大きいとの仮定のもとでは、複数の望ましくないアークがすでに検出されており、それによって警報又は警告を発生することができる。

適応基準スペクトルを用いることにより、正常なアークのスペクトルが時間と共に変化する長期的な傾向がある場合は、動的な適応型の調整が可能になる。

任意選択で、アーク列におけるアークの数を数えることができる。アーク列は、あるタップ接続から別のタップ接続への、１つの完全な切り換えに関連する複数のアークである。この数が予め記憶された数から偏移する場合は、それにより望ましくないアークの存在を示すことができる。

スペクトル分析器を用いて、このようにして判別器は、オンラインタップ切換器の真空容器の内部の正常なアークと真空容器の外部の望ましくないアークとを判別することができる。この分析からの出力信号は、端子２５２に供給される。

上述のような負荷時タップ切換器の正常なアークと望ましくないアークの検出および判別の実施形態とは別に、本発明の実施形態は、他の用途にも用いることができる。たとえば、本発明の実施形態は、電気モータ、回路遮断器、又は正常なアーク発生と望ましくないアーク発生の両方を有する他の電気デバイスの、正常なアーク発生と望ましくないアーク発生を検出し判別するために用いることができる。

図３は、負荷時タップ切換器のアークを検出する方法を示すフローチャートである。

最初の、電磁信号を受信するステップ３６０では、アークを表す電磁信号がアンテナを用いて受信される。

スペクトルを基準スペクトルと比較するステップ３６２では、アーク信号は基準スペクトルと比較される。基準スペクトルは、連続スペクトルでもよく、又は各サブスペクトルが信号の周波数の一部を表す１つ又は複数のサブスペクトルとすることもできる。たとえば、分析される１つ又は複数の特定の特性周波数部分があってもよく、他の周波数は無視され比較されない。これにより、正常なアークと望ましくないアークとの、よりロバストで信頼性のある判別が可能となる。基準スペクトルは、正常なアークと望ましくないアークの差が比較的大きい周波数におけるものとなるように選択される。受信した信号と基準スペクトルとの比較は、たとえば、二乗平均平方根の計算を用いて行うことができる。

正常であるか望ましくないかの条件ステップ３６４では、アークを表す信号が、正常な許容できるアークを表すか、又は好ましくないアークを表すかが判定される。

前のステップ３６２での基準スペクトルが正常なアークを表す場合は、これからの、閾値偏差未満の偏差は、信号が正常なアークを表すことを示す。そうでなければ、信号は望ましくないアークを示すと判定される。

一方、前のステップ３６２での基準スペクトルが望ましくないアークを表す場合は、これからの、閾値偏差未満の偏差は、信号が望ましくないアークを表すことを示す。そうでなければ、信号は正常なアークを示すと判定される。

信号が正常なアークであると判定された場合は、プロセスは正常なアークのステップ３６６へ続く。そうでなければ、プロセスは望ましくないアークのステップ３６８へ続く。

正常なアークのステップ３６６では、検出されたアークが正常なアークであることを示すための信号を発生することができる。任意選択で、正常なアークの場合は、信号は発生されない。

望ましくないアークのステップ３６８では、検出されたアークが望ましくないアークであることを示すための信号を発生することができる。他のデバイスは、たとえば操作者に警告を示すことによって、又は緊急事態には、望ましくないアークを生じる機械への電力を切断することによって、この信号に反応することができる。

本発明について上記で、二三の実施形態を参照して説明してきた。しかし、当業者には容易に理解されるように、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内で、開示された実施形態とは異なる実施形態も同様に可能である。

Claims (10)

1. 望ましくないアークを検出するためのアーク検出器であって、
   アークを表す電磁信号（２３０）を受信するためのアンテナ（２３２）と、
   前記アンテナ（２３２）からの信号を分析するための判別器（２４８）であって、前記信号が正常なアークを表すか又は望ましくないアークを表すかを検出するスペクトル分析器を備える判別器と
   を備える検出器において、
   前記判別器が、少なくとも１つの部分的基準スペクトルに対応する前記信号のスペクトルの周波数で信号レベルを比較し、前記基準スペクトルからの偏差が閾値偏差より小さい場合に前記アークが正常なアークであると判定することによって、前記信号が正常なアークを表すか又は望ましくないアークを表すかを検出するように構成されていることを特徴とする、アーク検出器。
2. 前記アークが電気装置の動作に関係する請求項１に記載のアーク検出器。
3. 前記アークが電力変圧器の負荷時タップ切換器（１０２）の動作に関係し、前記正常なアークが前記負荷時タップ切換器（１０２）の真空容器（１１１）の内部のアークであり、前記望ましくないアークが前記真空容器（１１１）の外部のアークである、請求項１又は２に記載のアーク検出器。
4. 前記基準スペクトルが、所定の数の最も新しく分析された信号スペクトルの平均値として計算された適応基準スペクトルである、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のアーク検出器。
5. 前記アンテナ（２３２）から入力信号を受け取って前記判別器（２４８）に出力信号を供給するバンドパスフィルタ（２３６）をさらに備える、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアーク検出器。
6. 前記バンドパスフィルタ（２３６）から入力信号を受け取るミキサ（２４０）であって、発振器（２４２）から入力信号を受け取るようにさらに接続されているミキサ（２４０）と、
   前記ミキサ（２４０）から入力信号を受け取って前記判別器（２４８）に出力信号を供給するローパスフィルタ（２４４）と
   をさらに備える、請求項５に記載のアーク検出器。
7. 前記ローパスフィルタから入力信号を受け取って前記判別器（２４８）に出力信号を供給する包絡線検波器（２４９）をさらに備える、請求項６に記載のアーク検出器。
8. 望ましくないアークを検出する方法であって、
   アンテナ（２３２）を用いてアークを表す電磁信号（２３０）を受信して、前記信号を判別器（２４８）に供給するステップと、
   前記判別器（２４８）において、正常なアークと望ましくないアークとを判別するためのスペクトル分析器を用いて、前記アンテナ（２３２）からの前記信号を用いて正常なアークと望ましくないアークとを判別するステップと
   を含み、
   前記判別するステップが、少なくとも１つの部分的基準スペクトルに対応する前記信号のスペクトルの周波数で信号レベルを比較することと、前記基準スペクトルからの偏差が閾値偏差より小さい場合に前記アークが正常なアークであると判定することとを含むことを特徴とする方法。
9. 前記判別するステップは、電力変圧器用のオンラインタップ切換器の真空容器の内部の正常なアークと、前記真空容器の外部の望ましくないアークとを判別する、請求項８に記載の方法。
10. 前記判定するステップにおいて、二乗平均平方根の計算を用いて前記偏差を求める、請求項８又は９に記載の方法。

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