JP2013231720A - アーク故障検出装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク故障検出装置及び方法を提供する。
【解決手段】プリント回路ボード（ＰＣＢ）１０は、複数の電気部品と、ＰＣＢの外部電源に結合し、複数の電気部品に電力を供給するように構成された電力導体１４と、電力導体１４を通過する電流によって発生される磁界Ｂと結合するように電力導体１４の近傍に位置し、電力導体１４を通過する電流の変化率ｄＩ／ｄｔに比例する出力電圧Ｖｏｕｔを提供する第１の空芯トランス２０を含むアーク故障検出器とを含み、ＰＣＢ１０の内部及び外部の両方のアーク故障を検出する。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、プリント回路ボード（ＰＣＢ）およびＰＣＢ上の電力導体を使用してアーク故障を検出する方法に関する。

航空機航空システムで使用されるもののような電気回路は、比較的高い電圧を使用することができ、高電流を供給することができる。アーク故障のような電気的故障は、このような電気回路で生じることがあり、典型的には、電流が導電性媒体を通って流れる、又は、非導電性媒体を横切ってある導体から他の導体にジャンプすることを可能にする。速やかに検出されない場合、アーク故障は、電子回路によってサービスされる装置での短絡、誤動作、又は他の問題に発展する可能性があるため、このようなアーク故障を検出する能力は重要である。

米国特許出願公開第２０１０／００８５６６９号明細書

一実施形態では、プリント回路ボード（ＰＣＢ）は、複数の電気部品と、ＰＣＢの外部電源に結合し、複数の電気部品に電力を供給するように構成された電力導体と、電力導体を通過する電流によって発生される磁界と結合するように電力導体の近傍に位置し、電力導体を通過する電流の変化率ｄＩ／ｄｔに比例する出力電圧Ｖｏｕｔを提供する第１の空芯トランスを含むアーク故障検出器とを含む。

他の実施形態では、ＰＣＢ上の電力導体でのアーク故障を検出する方法は、電力導体を通過する電流の変化率を示す値をプリント回路ボード上に位置する空芯トランスによって感知する工程と、感知した値に基づいてアーク故障状態を決定する工程とを含む。

本発明の一実施形態によるＰＣＢの概略図である。 本発明の一実施形態によるＰＣＢの概略図である。 図１のＰＣＢと共に使用することができる例示的なコイルの概略図である。 コイルの電磁結合パラメータの評価を可能にする図２Ａの単純化した等価概略図である。 本発明の一実施形態による例示的なテスト回路構成の概略図である。 図３に示す回路で直列アーク故障を通じて流れる電流のプロットを示す。 増幅した空芯コイル出力電圧の応答のプロットを示す。

本発明の実施形態は、非制限的な例として、例えば直列及び並列のアーク故障イベント中、航空機の配電フィーダに形成される可能性がある電流の速い変化率（ｄＩ／ｄｔ）を検出するために、ＰＣＢインスタンス化空芯電流トランスを使用することを伴う。過去のアーク故障検出システムでは、抵抗−キャパシタハードウェア微分器が、固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）出力電流測定回路網からｄＩ／ｄｔを決定するために使用されてきた。ＳＳＰＣは、典型的には、予想される環境で機能するために、それらの定格電流の約６００％を読み取るように設計される。高電圧でのアーク故障は、定格電流の５％程度のみの電流擾乱を形成する。したがって、アーク故障の擾乱は、回路の一般的なノイズから分離することが困難な可能性がある。ＳＳＰＣは、しばしば、それらの端子を通過する電流を測定する手段としてシャント抵抗を使用し、シャント抵抗は上記の範囲に応じた大きさであり、これは、アーク故障検出に利用可能な信号対ノイズ比が制限されることを意味する。シャント抵抗は、低電圧用途では適切に動作するが、電圧が上昇すると、電流の一般的なノイズからアーク故障擾乱を識別する能力を失う。この困難を、具体的な例を見て説明することができる。

高電圧システムでは、直列アーク故障による出力電流の変化は、次式にしたがって減少する。
ｄｅｌｔａＩ＝（ＶＡＲＣ／ＶＬＩＮＥ）＊ＩＬＯＡＤ （１）
考えられる環境では、典型的なアーク故障イベントは、結果として２０ボルト信号を生じるであろう。２８ボルト直流システムでは、２０ボルト直列アーク故障イベント中の電流の減少は、以下の関係、ｄｅｌｔａＩ／ＩＬＯＡＤ＝２０／２８＝０．７１４＝７１．４％を与える。しかしながら、２７０ボルト直流システムでは、同様の２０ボルト直列アーク故障イベント中の電流の減少は、ｄｅｌｔａＩ／ＩＬＯＡＤ＝２０／２７０＝０．０７４＝７．４％を与える。ＳＳＰＣ内の典型的な電流監視システムでは、測定範囲は、典型的には定格電流の０から６００％をカバーする。ＳＳＰＣに用いられる典型的な負荷は、定格電流の約７５％まで軽減され、したがって、直流２７０Ｖの線間電圧を仮定する直列アーク故障による電流の変化は、７５％の負荷電流の７．４％であり、６００％フルスケール範囲の５．６％のみである。対照的に、２８ボルト直流システムでは、非定格負荷電流は５３．６％であり、約１０倍大きい。６００％範囲の一部としての５．６％電流値は、２８ボルトシステムに関する８．９％と比較して６００％フルスケール範囲の０．９３％のみである。直列アーク故障による電流のこのような０．９３％の変化は、ＳＳＰＣ内の電流監視システムの精度と同じ程度である。２８ボルトシステムに関する変化は、より大きい。したがって、２８ボルト直流システムでのアーク故障イベントはシャント抵抗によって容易に決定されるが、同じことは２７０ボルト直流システムでのアーク故障イベントには当てはまらない。

アーク故障検出の目標のために必要な情報は、単に、与えられた負荷に電力を供給している直流信号の交流成分である。したがって、信号の直流成分は無視することができ、トランスの交流結合特性を使用することができる。システムでの高い直流電流レベルのため、典型的な鉄芯電流トランスは、コアの飽和の問題のため使用することができない。ＰＣＢインスタンス化空芯電流トランスは、飽和せず、したがって、任意の直流電流成分を無視し、ｄＩ／ｄｔを直接提供することによって、この問題を解決する。

本発明は、高電圧環境でアーク故障イベントを決定するための解決法を提供する。本発明の一実施形態を、複数の電気部品（明確さのために図示しない）を有するボード１２と、電力導体１４と、アーク故障検出器１６とを含むことができるＰＣＢ１０の状況で図１Ａに示す。ボード１２は、全体的に非熱伝導性の基板又は積層物のような任意の適切な材料から形成することができる。メモリ、マイクロプロセッサ１１、及び、他の電気部品１３（例えば、抵抗、ダイオード及びキャパシタ）を含む種々の部品を、ボード１２に取り付けることができる。

電力導体１４は、ボード１２に設けられたバスバー又は任意の他の形式の導体であってもよい。例示的な目的のため、電力導体１４はバスバーとして示されている。電力導体１４は、ボード１２上に位置する複数の電気部品に電力を供給するために、ＰＣＢ１０の外部の電源（図示せず）に結合するように構成することができる。外部電源は、少なくとも６０ボルトであってもよく、少なくとも２２０ボルトを含むより高い電圧であると考えられる。

アーク故障検出器１６は、電力導体１４の近傍に位置する第１の空芯トランス２０と、第１の空芯トランス２０と直列に配線された第２の空芯トランス２２とを含むように示される。アーク故障検出器１６は、信号処理回路又はアーク故障検出回路２１を含むこともできる。アーク故障検出回路２１は、出力をマイクロプロセッサ１１に供給することができ、マイクロプロセッサ１１は、アーク故障イベントが存在するかどうかを決定するために信号入力を使用することができると考えられる。代わりに、アーク故障検出回路２１は、マイクロプロセッサ１１に結合してもよく、又は、マイクロプロセッサ１１の一部であってもよく、アーク故障の初期発生を検出し、感知された値に基づいてアーク故障状態を決定するようにアルゴリズムを実装することができる。

第１及び第２の空芯トランス２０及び２２は、電力導体１４を通過する電流によって発生される磁界の正及び負の成分を強め合うように加算するために、電力導体１４の近傍に位置してもよい。第１及び第２の空芯トランス２０及び２２の各々は、ボード内にインスタンス化されたコイルを含むことができる。図１Ａ及び１Ｂでより明確に見ることができるように、第１の空芯トランス２０は、巻線２４によって形成される第１のコイルを含むものとして示されており、第２の空芯トランス２２は、巻線２４と同じ回転方向に巻かれた巻線２６によって形成される第２のコイルを含むものとして示されている。第１及び第２の空芯トランス２０及び２２は、動作中の磁界の正及び負の成分を強め合うような加算をもたらすために、このように逆相で配線される。

巻線２４及び２６は、ボード１２上に螺旋の形のトレースを含むものとして示されており、これは図２Ａでよりよく示されている。常に減少する矩形の螺旋を形成する巻線は、図２Ｂにコイル３０によって示すものと異なった寸法を有する多くの幾何学的に同様な矩形の合計と等価であってもよい。各コイルは、ＰＣＢ１０のボード１２内の異なった層に配置された複数の螺旋を含むことができることも考えられる。簡潔にするために、１つのコイルのみが上記の図に示されていることに注意されたい。開口部３２は、ＰＣＢ１０の複数の層上の複数の螺旋を直列に配線することができる場所を示す。

アーク故障検出器１６は、アーク故障検出器１６に応答するリレー又はＳＳＰＣ（図示せず）を含むこともできる。アーク故障検出器１６は、アーク故障が検出されたとき電力導体１４を電源から切り離すためのリレー又はＳＳＰＣ（図示せず）を制御する回路網（図示せず）を含むことができる。このようなリレーは、アーク故障が生じた場合に電力導体１４を電源から切り離すための回路ブレーカ又は任意の他の適切なメカニズムを含むことができ、リレー動作が達成される具体的な方法は、本明細書に記載のシステムに影響しない。

動作時には、アーク故障を、電力導体１４でアーク故障検出器１６によって検出することができる。アーク故障の発生はアーク故障検出器１６によって検出され、アーク故障検出器１６は、好適には、電力導体１４での電流Ｉの変化率を時間ｔの関数、すなわちｄＩ／ｄｔとして測定する。動作中、空芯トランスは、電力導体１４を通過する矢印２８として概略的に示す電流によって発生される磁界（図１Ａ中で矢印Ｂによって示す）と結合することができ、電力導体１４を通過する電流の変化率ｄＩ／ｄｔに比例する出力電圧Ｖｏｕｔを提供する。図示の実施形態では、第１及び第２の空芯トランス２０及び２２の両端間の電圧がＶｏｕｔであってもよい。アーク故障検出器１６は、Ｖｏｕｔを受けることができ、そこからアーク故障の存在を決定することができる。より具体的には、アーク故障検出器１６は、電力導体１４を通過する電流の変化率を示す値を感知することができ、感知した値に基づいてアーク故障状態を決定することができる。アーク故障の決定は、感知した値が許容される最大変化率値を超えるかどうかに基づいて行うことができる。このような決定は、正／負の比較又は真／偽の比較によって満たされることに容易に変更することができることが理解されよう。例えば、しきい値未満の値は、データを数値逆変換するときにテストより大きい値を用いることによって容易に満たすことができる。許容される最大変化率値は、実験的に決定することができる。

アーク故障を決定するために、アーク故障検出器１６は、第１及び第２の空芯トランス２０及び２２からの値を感知して、電力導体１４を通過する電流によって発生される磁界の正及び負の成分を強め合うように加算する。示されたパラメータが与えられると、伝達関数を、バスバー電流差ｄＩ／ｄｔ及びコイル出力電圧Ｖｏｕｔ間で得ることができる。コイル電圧は以下の式を使用して計算することができる。

ここで、Ｖｏｕｔ＝直列に配線された２つのコイルの両端間の電圧、

＝電力バスを通過する電流の変化率、
Ｋ＝コイルの数、
Ｎ＝ターンの数、
ａ＝バスバーの中心からコイルのエッジまでの距離、
ｗ＝コイルの幅、
ｌ＝コイルの長さ、
ｓ＝各コイルのターン間の間隔、である。図１Ａ及び１Ｂに示す二重コイル、５ターンの例示的実施形態に関して、直列を以下のように評価することができる。

電圧信号は、時間による電流の変化率を示しており、このようにして、アーク故障検出器１６は、変化率が許容される最大変化率を超えるかどうかを決定することができる。

コイルあたりのターンがより多くなり、コイルあたりに使用される層がより多くなると、ｄＩ／ｄｔ及びコイル出力電圧Ｖｏｕｔ間の結合はより大きくなる。コイル長さ及び出力電圧間の関係は線形であるが、Ｖｏｕｔとコイルの幅との関係はｌｎ（ｂ／ａ）の比の関係に比例するため、ｗ又はｂ（図１Ｂ）のより大きい増加が、結合の任意の顕著な増加を与えるために必要とされ、したがって、コイルの長さを最大化することが、可能であれば望ましい。

図３は、本発明の一実施形態によるＶｏｕｔ出力を有する例示的なテスト構成回路１００を示す。テスト構成回路１００では、ｌ＝３８ｍｍ、ｗ＝５ｍｍ、ａ＝１０ｍｍ、したがってｂ＝１５ｍｍの寸法を有する二重空芯コイルがテストされた。直列アーク故障は、ＳＡＥ ＡＳ５６９２基準にしたがい、ランダムな振動下で、ゆるい端子構成を含む振動テーブル上で形成された。テストは、２７０ボルトの直流線間電圧により行われた。図４Ａのプロットは、ゆるい端子が通電しながら揺すぶられたときの、図３に示す回路１００での直列アーク故障を通じて流れる電流を示す。図４Ｂのプロットは、直列アーク故障の衝撃によって生じる負のｄＩ／ｄｔイベント中の負のパルスを示す増幅された空芯コイル出力電圧の応答を示す。パルスの振幅は、アーク故障中に１０だけ増幅される。

上述した実施形態は、交流及び直流システムで直列及び／又は並列アーク故障を検出する能力を含む種々の利点を提供し、高電圧システムで直列アーク故障を検出するために特に有用である。上述した実施形態は、ＰＣＢの内部及び外部の両方のアーク故障を検出するために使用することができる。空芯電流トランスは、絶対的な電流を検出する必要なしに、及び、続いてこの信号を微分するオーバヘッドなしに、配電フィーダでのｄＩ／ｄｔ信号を決定する手段を提供する。上記実施形態は、また、絶対的な電流信号を微分するのに比べて、ｄＩ／ｄｔ信号の改善されたダイナミックレンジを与える。上述した実施形態は、また、電流測定システムのガルバニック絶縁を提供し、これは、必要な任意の信号処理回路網の柔軟性を許容する。高電圧システムでは、使用するセンサのための電流検出増幅器は、ハイサイドシャント電流センサのための電流検出増幅器が必要とするように線間電圧にフロートする必要はない。上述した実施形態は、飽和することなく大きい直流電流の交流成分を検出することができ、航空機環境で見られる遠方場干渉源に対する良好な除去を可能にする。この解決法は、きわめて少ない周辺部品を必要とし、代わりの解決法に比べて実施するのに安価である。

本明細書は、最良の形態を含んで本発明を開示するために例を使用し、任意の装置又はシステムを製造及び使用すること、並びに、任意の組み込まれた方法を実行することを含んで、当業者が本発明を実施することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、又は、それらが特許請求の範囲の文言と実質的な違いがない等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。

１０ ＰＣＢ
１１ マイクロプロセッサ
１２ ボード
１３ 電気部品
１４ 電力導体
１６ アーク故障検出器
２０ 第１の空芯トランス
２１ アーク故障検出回路
２２ 第２の空芯トランス
２４ 巻線
２６ 巻線
２８ 矢印
３０ コイル
３２ 開口部

Claims (22)

1. プリント回路ボード（ＰＣＢ）であって、
   複数の電気部品と、
   前記ＰＣＢの外部の電源に結合し、前記複数の電気部品に電力を供給するように構成された電力導体と、
   前記電力導体を通過する電流によって発生される磁界と結合するように前記電力導体の近傍に位置し、前記電力導体を通過する前記電流の変化率ｄＩ／ｄｔに比例する出力電圧Ｖｏｕｔを提供する第１の空芯トランスを含むアーク故障検出器と
   を備える、プリント回路ボード（ＰＣＢ）。
2. 前記アーク故障検出器は、Ｖｏｕｔを受け、アーク故障の存在を決定する信号処理回路をさらに備える、請求項１記載のＰＣＢ。
3. アーク故障が決定された場合、前記電力導体を前記電源から切り離すリレー及び固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）の少なくとも１つをさらに備える、請求項２記載のＰＣＢ。
4. 前記アーク故障検出器は、前記第１の空芯トランスに直列且つ逆相に配線された第２の空芯トランスをさらに備え、前記第１及び第２の空芯トランスの両端間の電圧がＶｏｕｔである、請求項１乃至３のいずれか１項記載のＰＣＢ。
5. 前記第１及び第２の空芯トランスは、前記電力導体を通過する前記電流によって発生される前記磁界の正及び負の成分を強め合うように加算するために、前記電力導体の近傍に位置する、請求項４記載のＰＣＢ。
6. 前記第１及び第２の空芯トランスは、前記磁界の前記正及び負の成分を強め合うような加算をもたらすために、逆相で配線される、請求項５記載のＰＣＢ。
7. 前記第１及び第２の空芯トランスは、それぞれ第１及び第２のコイルを備える、請求項４乃至６のいずれか１項記載のＰＣＢ。
8. 前記第１及び第２のコイルの各々は、同じ回転方向に巻かれた巻線によって形成される、請求項７記載のＰＣＢ。
9. 各々のコイルは、少なくとも１つの螺旋を備える、請求項７又は８記載のＰＣＢ。
10. 各々のコイルは、前記ＰＣＢ内の異なった層に配置された複数の螺旋を備える、請求項９記載のＰＣＢ。
11. 前記巻線は、前記ＰＣＢ上のトレースを備える、請求項８記載のＰＣＢ。
12. 前記第１の空芯トランスは、第１のコイルを備える、請求項１記載のＰＣＢ。
13. 前記第１のコイルは、同じ回転方向に巻かれた巻線によって形成される、請求項１２記載のＰＣＢ。
14. 前記コイルは、少なくとも１つの螺旋を備える、請求項１３記載のＰＣＢ。
15. 前記コイルは、前記ＰＣＢ内の異なった層に配置された複数の螺旋を備える、請求項１４記載のＰＣＢ。
16. 前記巻線は、前記ＰＣＢ上のトレースを備える、請求項１５記載の方法。
17. 前記電力導体は、バスバーを備える、請求項１乃至１６のいずれか１項記載のＰＣＢ。
18. プリント回路ボード（ＰＣＢ）上の電力導体を使用してアーク故障を検出する方法であって、前記電力導体は、外部電源から前記ＰＣＢ上の電気部品に電力を供給し、前記方法は、
    前記電力導体を通過する電流の変化率を示す値を、前記プリント回路ボード上に位置する空芯トランスによって感知する工程と、
    前記感知した値に基づいてアーク故障状態を決定する工程と
    を備える、方法。
19. 電力導体を通過する前記電流によって発生される磁界の正及び負の成分を強め合うように加算するために、前記電力導体の近傍に位置する少なくとも２つの空芯トランスからの前記値を感知する工程を備える、請求項１８記載の方法。
20. 前記電力導体を前記外部電源から切り離す工程をさらに備える、請求項１８又は１９記載の方法。
21. 前記外部電源は少なくとも６０ボルトである、請求項１８乃至２０のいずれか１項記載の方法。
22. 前記外部電源は少なくとも２２０ボルトである、請求項１８乃至２０のいずれか１項記載の方法。