JP3819020B2 - 電弧検出器 - Google Patents
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Description
本発明は、電力線の潜在的に危険な状態の予報を形成する安価な電弧検出器に関する。
背景技術
電弧(電気アーク)は、極普通の可燃物を着火レベル以上に温度を上昇させることができ、それ故に重大な火事の危険に曝させる。例えば屋内の擦り切れた電力線は、火を着けるに十分なアークを飛ばすかもしれない。幸運にも電弧は、本来不安定な現象であり、大抵火を着けるに十分長い間持続しない。特に生成された電気の乱れの特性を反映したある状態下では、火を着けて存続させるアークの可能性が大いに高い。電力線の電圧乱れを監視してこのような潜在的に危険なアークを検知する方法及び装置を形成することは、本発明の1つの目的である。
アークを飛ばす2つの基本型即ち配線欠陥(漏電)アーク及び接点アークは屋内で発生しそうである。漏電によるアークは、ライン対ライン短絡又はライン対接地短絡の結果として生じる。この型の欠陥が発生する時には、次の幾つかのことが起こりそうである。
1)欠陥は回路の容量まで又は以上の電流を流す。
2)光が過大な負荷が掛っていることを指示して、うす暗くなる。
3)回路が適当な遮断器によって保護されるならば、遮断器がアークへの電力の供給を遮断するように動く。たぶんこれらの全てが発生して、1秒以下で完了する。結果のアークは、爆発的であるが短命であり、周囲の材料で分散される全体の熱を減少させて、火事の可能性も減少させる。
接点アークは負荷に直列接続された高抵抗の結果として生じる。これは、導通路を遮断する緩い接続圧、酸化接点又は未知の非導通材料によって発生する。
接点アークを起こし得る状態の一例は、接点で形成されたバネ圧が径年変化で減少して、低抵抗の接続を確実にするつもりが、不十分な圧力が挿入後のプラグ接点に印加されたよく使われた壁コンセントである。
また接点アークは、一般に不十分な定格電流容量の延長コードの使用に起因する。例えば、プラグは、接点回りの合成ゴム絶縁物が接点領域に流れ込んで良好な接点状態を遮断するまで抵抗加熱によって熱くなって、同材料を徐々に分解し得る。このプロセスは、初期アークがより多くの熱を発生して、絶縁材を炭化して、接点面に硬質絶縁層を形成した時にも再現される。
アルミニウム配線でしばしば観察される接点アークの第3の原因は、接点の酸化を伴っている。この場合、主に酸化の化学プロセスが半導体又は非導体層を確立する。好ましくは接点は、導体材料が酸化され易い時に気密構造で、酸素が入って酸化が促進することを防止する。しかしながら接続が長時間緩くなっているならば、酸化は始まり、アークが発生し得る。
接点アークの多くの例は、電流通過接点の漸進的劣化の結果として生じる。危険なアークは、時折の小アークで始まり、アークが火を着けるために十分持続するまで長時間に亙って徐々に確立される。この理由のために、接点アーク状態を早く検知することができ、欠陥が危険なレベルに達する前に警告が形成されるならば、大いに有利である。
従って、漏電アーク及び接点アーク間に基本的相違が認められる。一般に前者は、幾分爆発的で、それ自身焼き切れ或は遮断器を動作させる20アンペア以上の大電流を伴う。従来の回路保護デバイスは、通常漏電アークに対する見張りに適切である。比較すると、接点アークで流れる平均電流は、負荷自身に流れる電流より大きくない。それにも拘らず、低電流の接点アークですら、例えば60ワット電球、欠陥延長コードの端部或は不完全な接点を有するクリスマスツリー用の電球セットは、火事を起こすに十分な熱を放つかもしれない。それ故に、従来の遮断器は、接点アークによる危険な状態を防止するに不十分である。
それ故に、火事に繋がるアークを検知できる安価なプラグイン監視デバイスの需要がある。最も便利なデバイスは、潜在的に危険なアークが発生するならば、家全体を監視して、警告を発することができる小さい「常夜灯」型プラグインモジュールである。この場合、検知は、電圧を監視し、導体の回りに配置された電流センサを必要として電流を監視し、従ってその場に配線されたデバイスを必要としなければならない。理想的には、このような電弧検出器は今日広く用いられている煙検出器と等価なもので、発生に先立って潜在的火事日、週又は月を予報する更なる長所を有する。
火事の原因の電弧を検知することに加えて、危険にさらすに十分な電弧を検知した事実から電力を負荷から除去させる遮断器の必要性がある。このようなデバイスは、従来の遮断器と殆ど同じ形式で適宜組込むことができ、又は現在市販の接地事故(漏電)遮断器に類似してコンセントに差込むことができる。この応用では負荷電流が遮断器中を流れるので、負荷電流を監視することが便利である。
両方の電弧検出器は、例えば、調光器、モータ、搬送電流通信システム、スイッチ等による屋内配線上にあるコモン雑音を除去しなければならない。
電弧を検知するために提案された多くのデバイスがあるが、殆どが漏電に起因するアークに言及している。例えばホワイト氏に発行された米国特許第5,121,282号は、電弧で特定される特性ライン電圧及び電流を監視し、これらの特性が十分あるならば、遮断器を動作させるシステムを記述している。しかしながら、このホワイト氏のデバイスはアークが漏電の結果であることを仮定している。漏電の1つの特性は、欠陥電流が電圧から70〜90°分遅れることである。これは、漏電状態下で電流が通常高誘導性である配電システムに殆ど依存するからである。ソケット内でアークするヒータ供給プラグは、この特性を示さず、即ち接点欠陥を示し、従ってこの欠陥は、ホワイト氏のデバイスによって検知されない。
クーパ氏等の米国特許第4,639,817号は、大規模商業又は産業界の設置で使われるように、『格子』又は『スポット』型電力ネットワーク用の電弧検出器を示す。このクーパ回路は、スレショルド振幅以上の高周波雑音(10KHz〜100KHz)が少なくとも0.7秒間検知されるならば電力を遮断する。これを家庭の使用に適用するならば、この検出器は、電気ドリル等からの連続高周波雑音によって遮断される。
フランクリン氏の米国特許第4,858,054号は、上述されるように、アーク短絡回路が直接短絡回路と異なることが認められ、異なる検知技術が使われるべきであることを示す。しかしながら、フランクリン氏のデバイスは、まだ電流を監視し、予め決定されたレベルに過剰の電流が検知される時のみ遮断する。この電流レベルは、モータ始動電流等の遮断を避けるために、回路の定格電流より高くなければならない。従って、フランクリン氏のデバイスは、短絡回路のアークのみを検知できるが、電流制限負荷及び直列の接点アークを検知することができない。
また、ドリベージ氏の米国特許第5,038,246、フロム氏の4,951,170及びモーザー氏等の4,402,030が一般に重要である。
現在市販の1つのデバイスは、接地事故(漏電)遮断器即ちGFIである。代表的GFIデバイスは、数ミリアンペア程度の接地漏洩電流を検知することができ、応答して関連の遮断器を遮断する。GFIは、接地への短絡による火事の危険を非常に効果的に減少させるのみでなく、電気通路になり得る人間を保護する。しかしながら、GFIデバイスは、ここに検討されるように接点アークを監視することができない。
明快さために、漏電アーク及び接点アークが区別されたが、本発明の電弧検出器は、両方の状態によるアークの検知に適用してもよいことが理解されるべきである。例えば、かなり高抵抗の漏電が発生した時には、接点欠陥のために記述されるのと同じ特性を実質的に示してもよい。
発明の目的
それ故に、本発明の目的は、ライン電圧又は負荷電流を監視することによって、電気モータ、スイッチ開閉器、調光器又は通信システムのような他のソースからの電力線上の雑音を無視しながら、潜在的に火事を起こし得る永続性電弧が検知される方法を形成することである。
本発明の更なる目的は、間欠電弧が外来雑音抑制の幾らかの犠牲で検知され得る特定の状況に使用される3つの追加の代替方式を形成することである。
本発明の更なる目的は、危険な電弧を信頼良く検知して、視覚警報指示及び音声警報指示によって使用者に警報するために、電弧による電力線の雑音を監視する安価なプラグインデバイスを形成することである。
本発明のまだ更なる目的は、火事を起こし得る電弧を検知し、このような検知に応答して遮断器を遮断して、アークへの電流を切ることができる装置を形成することである。
発明の開示
本発明の電弧検出器は、発明者によって発見された接点アークを特徴づけるパターンでライン電圧又は負荷電流上の高周波雑音を監視し、この様に接点アークの存在に応答して出力を生成する。この出力は、警報を鳴らし又はアークへの電流を切るために用いてもよい。
接点アークの雑音特性の一般のパターンは、各々が種々の応用毎に関連の利点及び不利を提供する4つの由来変形例によって開示される。これら4つのパターンの全てに共通な一般の方法及び特徴はまず記述され、次に各変形例を説明する。
交流電圧によって生成された電弧は、アークを渡る電圧がアークを維持するのに十分な値以下に降下する時毎に消え、それがアークを渡る電圧がアークの最少着火電圧を越える時毎に再着火する。着火電圧は、アークが渡らなければならない物理的区間(ギャップ)の広さとかなり比例する。消化電圧は、区間サイズの関数であるが、着火電圧より低いという傾向がある。アークの区間が非常に広い時には、アークが断続的で非常に不安定で、一般にそれ自身消火し、条件が良ければ再着火するという傾向があることが本発明者によって観察された。また、区間がより小さくなるにつれて、アークがより永続的となって結局自己保持することが観察された。区間が更に小さくなった時には、アークは、今度は電流路を形成することによって自己消滅する傾向が再びある。
アークは、電流を通す時に、約10KHzから多分1GHzの周波数範囲の電力線の高周波雑音を生成する。代表的電力線インピーダンスによる高周波数の減衰及び電力線周波数成分を抑制する必要による監視するこのスペクトルの実部分は、約100KHz及び1MHz間である。この周波数範囲の信号は、代表的屋内配線距離に亙って検出できる。従って、方法の第1のステップは、ライン電圧又は負荷電流をフィルタし増幅して、この周波数範囲の高周波雑音を抽出することである。
かく抽出された電弧に起因する雑音はある特性を示す。第1に、広帯域高周波雑音は、アークが電流を流している時はいつでもライン電圧及び負荷電流両方に存在する。
第2に高周波雑音の振幅は、アークが消えて再着火すると必須的にゼロになる。これは、電力線周波数の各半サイクル毎に1回高周波雑音の区間(360°電力線周波数期間の円弧角10°〜90°)を生成する。
第3に、区間の存続期間は、アークが未導通の時に、アークの永続能力及び熱を生成して火を着ける潜在性を指示する。特に、区間がかなり広い物理的区間に対応して(60°〜90°)広い時に、電弧は、非常に断続的でそれ自身維持することができない傾向がある。物理的区間がより狭いと、ある範囲(10°〜60°)の範囲内でアークが自己維持することができるまで、電弧が段々安定するようになる。区間が更に狭い(0°〜10°)と、アークが再び通電路を完成することによって自己消滅する。
従って、本発明の一般の方法は、接点アークの高周波雑音特性のパターン(以後時々単に『パターン』と言う)のためのライン電圧又は負荷電流を監視し、従って接点アークの存在に応答して出力を生成することである。4つの特定のパターンは、関連の長所及び不利と共に記述される。
パターン1として参照される、電弧の高周波雑音特性の第1のパターンは、にせの雑音源からの誤った罠に対する最高の免疫性を提供するので、本発明による永続性接点アークを検知するに好ましいパターンである。即ち、パターン1に一致した雑音は、知りうる限り電弧によってのみ生成され、高周波雑音の全ての他のソースから区別できる。パターン1は、電力線周波数サイクルにわたる一定電弧によって特徴づけられる永続性及び自己保持性のアークによって生成される。パターン1は、殆ど高周波雑音が存在しない存続期間tbの同期区間を除いて電力線周波数サイクルにわたる周波数雑音の存在を要求する。特に、本発明によれば、アークの検知を指示する警報は、電力線周波数の各連続サイクルの同じ点で発生している休止存続期間tbを除外して高周波雑音が連続的にライン上に存在すると決定した時に与えられる。永続性アークが電力線周波数サイクルの約10°〜40°の範囲の区間を示すので、区間tbの長さは、それ故に限定することができる。これは外来雑音の抑制を改善する。パターン1のアークは、電力線周波数の各連続半サイクル毎に発生して多くのサイクル間持続しがちである。
パターン1は、述べたように、加熱を自己保持することができるアークの特性である。他の応用例では、たとえ断続的であり自己保持的でなくとも、アークのいずれかの種類を検知することが望ましいかもしれない。例えば爆発的環境においては、発生し得るどのアークに応答して、電流の流れを遮断し或は警報を形成するために望ましいかもしれない。デバイスが単にどの高周波雑音の存在のために監視することができるが、検出器はにせの電気外乱からの疑似罠に大いに動かされやすい。従って、次の3つのパターンは、外来雑音の幾つかの抑制を提供しながら、間欠アークを検知するために用いてもよい。3つのパターンの全ては、アークがオフに切り替ってオンに戻ると、区間の直前及び直後に高周波雑音の重要な量があるという事実を利用する。これら間隔間の雑音は、電流の流れ及び電力システム幾つかの場合負荷のインダクタンスの突然の変化による波形の何かで生成された雑音より非常に高い。
これら変形例の第1、パターン2は殆ど雑音がない存続期間tbの区間が直ぐに続いて存続期間taの高周波雑音の間隔があることを要求する。更に、電力線周波数の半サイクルに等しいどの間隔毎にも、電弧が存在する決定をなすために1つのこのようなパターンのなにものでもない。存続期間ta及びtbはデバイスの所望の感度及び雑音抑制性能によって決定される。代表的存続期間はta用に10°〜30°及びtb用に20°〜40°である。この方法の外来雑音抑制能力が方法1程良くないが、全体のサイクル毎に持続しない間欠電弧に応答する。
パターン3は、パターン2の逆順と同じである。パターン3は、殆ど雑音のない存続期間tbの区間が高周波雑音の存続期間tcの間隔に直ぐに続くことを要求する。パターン2に関して、電弧が存在する決定をなすために、電力線周波数の半サイクルに存続期間が等しい間隔の1つのそのようなパターンより多くない。tb及びtcの存続期間は、再びデバイスの所望の感度及び雑音抑制性能によって決定される。代表的存続期間は、tb用に20°〜40°及びtc用に10°〜30°である。
パターン4は、外来雑音の多くの抑制を重要に提供しながら、間欠電弧にまだ応答するパターン2及び3間の中間である。この場合、高周波雑音が略存在する間隔taは、高周波雑音が殆どない間隔tbに直ぐに追従され、高周波雑音が再度略存在する他の間隔tcによって追従される。前のように、電力線周波数の半サイクルに等しいどの間隔毎に、電弧が存在する決定をなすために、1つのそのようなパターンより多くなければならない。ta、tb及びtcのための範囲は代表的にそれぞれ10°〜30°及び20°〜40°及び10°〜30°である。再びこれらの存続期間は、特定の応用のために最適化することができる。
4つのパターンの全てに共通な方法の他の面は、電弧がまだ存在した時にも、アークが燃えやすい材料を着火するに十分な熱を生成するに時間が掛る事実に基づいている。従って、方法は、前述の信号サイクルパターンは、電弧の存在の決定前に電力線周波数の多数サイクル(10〜100)毎に持続することを必要としている。
ライン電圧のゼロ交差間の時間がアーク発生の物理変化に要する時間に対して小さいので、アークの着火及び消化電圧が短絡時間間隔に亙って殆ど同じに留まる。それ故に、区間は、電力線周波数サイクル上のサイクルからサイクルに殆ど同じ相対位置に発生する。従って、方法がパターンの複数サイクルを要求する時には、各パターンの区間が各サイクルの殆ど同じ相対位置で発生、即ちライン電圧に同期しなければならない。
この点及びこれまで検討された方法に関して、雑音がパターン1〜4の1つに従うか否かを決定するために、本発明によって検査した高周波雑音がライン電圧又は負荷電流から誘導されたか否かが重要でない。本発明によれば、負荷電流又はライン電圧(或は両方)がアーク検知のために監視されてもよい。しかしながら、各々が相当の利点及び不利を提供する2つのアプローチ間には種々の明確な相違がある。
ライン電圧を監視している時には、ラインのどこかを起源とする高周波雑音が存在する。これは、電圧感知のみで家庭全体を監視するのが望ましい本発明の第1の実施例で有利である。第2に、区間が現れるライン電圧波形の位置は負荷のリアクタンスに応答する。もし負荷が本質的に抵抗性(例えば白熱灯及び抵抗性ヒータ)であるならば、区間はライン電圧のゼロ交差近傍に発生する。もし負荷が誘導性(例えば、幾つかの電気モータ)であるならば区間が90°までゼロ交差を遅らせられ、負荷が容量性(例えば幾つかの蛍光灯)であるならば区間が90°までゼロ交差を進めさせられる。従って、本方法の改良は、ライン電圧に対する区間の相対位置によってアークを有する回路における負荷の性質即ち容量性、抵抗性又は誘導性を決定することである。
本発明の第2の実施例において、アーク検知回路は、電弧が検知された時に、負荷への電流を切ることができる遮断器に結合される。この応用では、保護された回路を起源とする雑音のみを監視することが望ましい。それ故に、特定の負荷を流れる電流は、監視されて高周波成分が抽出される。存在する唯一の雑音は、その回路のソースによって生成されたものである。また、遮断器が負荷と直列に配線されているので、電流を運ぶ導体は電流監視のため利用できる。これら2つの理由から高周波電流監視の使用はこの応用で有利である。
負荷電流及びライン電圧の監視間の第2の相違は、区間が負荷のリアクタンスに関係なく常に負荷電流のゼロ交差近くに現れることである。これは、アークが本質的に抵抗性であり、それでアークを渡る電圧がそれを通る電流と同位相であるからである。しかしながら、ライン上の他の無効負荷は、全負荷電流に進相又は遅相電流を加えることによって区間の相対位置を変えてもよい。
パターン1検知を用いて、火を着けるに十分な熱を生成し得る永続性アークの存在を指示するそれらの状態は、共通機器等から発生する高周波雑音が殆ど無くて、本発明の電弧検出器が電弧の誤指示を与えないことが確認された。
屋内電力線に一般に存在する様々な高周波雑音発生器がある。最も一般的な雑音源の1つは、白熱灯の照度を制御するために使われる本質的に位相制御器である調光器である。このような調光器は、各半サイクルの特定点で負荷をオンにし、各ゼロ交差点でオフにすることによって操作される。配電系統のインダクタンスと共に各オン移行(給電)点での負荷電流における突然の変化は、幾つかのサイクル毎に警報を鳴らし得る高周波インパルスを生成する。一般にライン期間の1°〜3°台のこれら狭インパルスは、本方法の4つのパターンのいずれかを用いて電弧検出器を起動させる存続期間があまりにも短い。
共通に存在する第2型の雑音はブラシ接点を有する電気モータでの電弧による。これの代表例は汎用家庭ドリルである。このようなモータは相当量の高周波雑音を生成する。しかしながら、雑音はゼロにならず、サイクル全般に存在する。これは、多分、回転電気子の機械的運動量と生成される逆起電力とに起因する。いずれにせよ、電力線周波数の各半サイクルで区間のないことが、本方法の4つのパターンに従うアーク検知デバイスの誤起動を防止する。
屋内電力配線に共通に存在する第3型の雑音は、多種のソースによって生成されたかなり短命のインパルスである。スイッチが重い負荷をオン又はオフにする時に、例えば配電系統のインダクタンスと共に突然の電流変化は、スイッチの開口時に短いアークが接点を架橋させる。これは、接点アークであり、1〜2サイクルに亙って接点アークとして適格であるかも分からない。しかしながら、それが存続しなければ、一般に危険でなく、警報の起動を許容すべきでない。接点アークは、熱源であるが、既に述べたように可燃物が着火する前に、可燃物の周囲を熱くする幾ばくかの時間を必要とする。それ故に、接点アークであるこの型の雑音で検出器の遮断を避けるためには、4パターンのいずれかが、潜在的に危険な電弧が存在することを決定する前に多数の連続電力線周波数サイクル(10〜100)を持続することを要求するべきである。
時々存在する第4型の雑音は、搬送電流送信機からの通信信号である。市場には、電力線上で情報を運ぶ搬送電流伝達技術を用いて機器の遠隔制御を形成する多くのデバイスがある。これらは、代表的に100〜300KHzの範囲で転送され、それ故に、検出器を誤って遮断する可能性を持っている。本発明者によって調査されたこのようなデバイスの1つは、もともとBSRによって製作されて、現在タンディ社の一部門のラジオシャックを含む様々な販売者で売られている。これらのデバイスにおいて送信機は間隔おいてバイトのパケット(束)を送信する。各パケットはライン電圧と同期させられる。各パケットは存続期間が約30°であり、次と30°分分離される。パターン1を用いた本方法は、高周波パケットが決してラインサイクルの期間を持続しないので、このような干渉に影響されない。更に、複数のパケットが1つのサイクルに存在するならば、更に応答を抑制する複数の区間がある。しかしながら、パターン2〜4は、最大制限区間幅tbが検知を回避するに十分狭い即ち30°以下にされる限り影響される。
他の潜在的外乱は、電力線周波数の各半サイクルに狭い区間を有して高周波雑音が存在するならば、4つのパターンのいずれかに制限することができる。1つの例は、多分ステレオ音又は遠隔電話接続を転送するための搬送電流転送システムの他の型であってもよい。この理由のために本発明者は、潜在的干渉を抑制し、即ち次に述べるこれらの雑音源による誤起動を防止する2つの更なる改良を実現した。
電弧は非常にランダムな微視的事象の集まりである。各スパークは、僅かに異なる存続期間及び強度を持つ。従って、結果の雑音帯域幅は、約10KHzから多分1GHzに及んで極端に広い。対照的に、制御された信号例えば搬送電流信号が狭帯域幅である。従って、本検知方法の更なる改良は、雑音の帯域幅即ちランダム性の測定を伴う。
雑音のランダム性は、少なくとも2つの適宜方法で測定することができる。ランダム性用の第1の検査において、連続固定間隔上で高周波遷移(エッジ)が数えられる。雑音は、カウントが間隔から間隔とかなり変動するならばランダムであると決定する。第2の方法は、2個以上の非重複バンドパスフィルタを通して、高周波雑音の通過及び全フィルタの出力での雑音振幅が殆ど同じならば、信号が広帯域幅であるとの決定を伴う。
更にパターンのいずれかは、アーク検知を特定の負荷リアクタンスに制限するために、ライン電圧に関する特定の時間的位置で発生することを要求することができる。例えば、もし区間がライン電圧のゼロ交差近傍に現れることを要求するならば、検知は、抵抗性即ち非無効負荷上のアークを検知することに限定される。
原型回路は、区間がライン電圧のゼロ交差近傍に現れなければならない追加の制限によって、パターン2に一致させる高周波雑音毎にライン電圧を調べた発明によって確立され、即ち原型が抵抗性負荷でのアークを検知した。ta及びtbは各々30°及び10°にセットされた。この原型の応答は様々な負荷によって広く試験された。この回路は、どの位置の配線上の60ワット電球が永続性短絡アークを通して給電された時に、繰返し信頼性よく警報を遮断し、調光器、ラジオシャック社の搬送電流送信機、モータ速度制御器又は負荷切換を起源とする干渉からまだ遮断されなかった。予想されるように区間がゼロ交差を遅らすので、回路は非常に誘導的な負荷と直列になっているアークを確実に間違えなかった。更なる実験では、変速電気ドリルは、狭い範囲でさえも且つ大量の高周波雑音が生成されるにも拘わらず警報を失敗させない。しかしながら同じドリルが短絡アークを通して給電された時には、アークが電流を運んだ時にいつも警報が遮断された。更なる調査は、電気ドリルのようなブラシモータの電流が電圧と殆ど同期し、従って非無効負荷のために通常予約された検知を許容することが明らかになった。
4つの検知パターンのいずれかを用いて上記方法を実行する本発明による装置及び用いた回路は、以下に詳細に記述される。本発明に従ったデバイスは、ライン電圧のみを監視して、接点アークの存在の視覚及び音声指示を形成する内蔵型、プラグイン「常夜灯」として構成されてもよい。好ましい実施例において、本発明の電弧検出器はマイクロプロセッサ基準であり、『ホールド』、『検査』及び『音』と呼ばれる3つの操作モードを形成する。ホールドモードでは、火を着けるのに十分な接点アークの存在が検知される時に指示灯が点灯し、使用者がパネル上の「リセット」ボタンを押す時に指示灯が消灯する。検査モードでは光が接点アークに応答して点灯する。音モードでは、音声警報が接点アークに応答して形成される。アークがかく検知された時には、使用者は、例えば警報がやむまで負荷を順次に切り離すことによって、アークの位置を特定することができる。
本発明に従った他の装置において、負荷電流を監視している回路は電気的作動の遮断器と合同されて、接点アークの十分な量が潜在的火事の危険を示すために検知された時に、電力の自動遮断を形成する。再び4つの検知パターンのいずれかも使うことができる。2つの好ましい実施例、1つは接地事故遮断器に殆ど同じ形式で二股壁コンセントに差し込まれ、他は配電盤の設置用に遮断器に内蔵されるデバイスが示される。
【図面の簡単な説明】
図1は、接点アークの等価回路図を示す。
図2は、時間の関数として一接点でアークする抵抗負荷と協働する特性波形図を示す。
図3は、時間の関数として一接点でアークする誘導負荷と協働する特性波形図を示す。
図4は、接点アークによって生成され、本発明の方法で検知される高周波雑音の4つの特性パターンを例示する。
図5は、時間の関数として代表的調光器によって生成した高周波雑音及びライン電圧を示す。
図6は、時間の関数として搬送電流送信機によって生成された高周波雑音及びライン電圧を示す。
図7は、時間の関数として代表的家庭ドリルによって生成された高周波雑音及びライン電圧を示す。
図8は、接点アークの存在を使用者に警告するために使われるように、本発明の一実施例に従った回路のブロック図である。
図9は、接点アークが決定された時に、ユーザに注意して、自動的に回路ブレーカを遮断するために使われるように、本発明のなお更なる実施例に従った回路のブロック図である。
図10は、図8の回路のための物理的パッケージの正面及び側面図を含む。
図11は、図9の回路のための物理的パッケージの正面及び側面図を含む。
図12は、図9の回路のための他の物理的パッケージの正面及び側面図を含む。
好ましい実施例の記述
図1は、接点アークの単純化等価回路図を示す。ライン電圧1は、ハイ側導体2と中立導体3を形成する。ここで言及される全てのライン電圧及びアーク電圧は、この中立導体3に関して測定されている。代表的屋内配線即ちセンタ接地導体を有するフラット3導体ケーブルは、高周波で約100Ωの特性インピーダンスを有する伝達ラインとして作用する。Llineとして示されるインダクタンス4及びClineとして示される容量5は、分電盤ラインの一括インダクタンス及び容量を代表する。負荷6は、接点アークが電流を通す間隙7と直列に接続される。間隙7は、導通時に、図1でRarcとして示された有効抵抗を持っている。Xloadとして示される負荷6のインピーダンスは、負荷の種類に依存して抵抗性、容量性又は誘導性である。白熱灯及び加熱要素は代表的に抵抗性である。同期モータ及び螢光灯は代表的に誘導性である。幾つかの容量性起動モータは、全速力に達する前に容量性のように見える。
図2は、永続性接点アークを通して抵抗性負荷を供給する電力線に協働する種々の波形を示す。図2(a)のトレース8は、波形の両半サイクル期間中に類似した存続期間を持つ即ちアークの未導通時の区間10及び11を除いたサイクルを通して高周波雑音9の存在を指示するライン電圧を示す。雑音の振幅は、説明の目的のために誇張された。区間の存続期間は、tbとして示される。
図2(b)のトレース12は負荷を通る電流を示す。また、導通アークによって発生した高周波雑音は電流波形上にあり、明快さのため再び誇張されている。負荷が抵抗性であるので、電流12が図2(a)の電圧8と同位相になり、アークが導通しない間隔tb期間中にゼロになる。再度高周波雑音は、区間13及び14を除いたサイクル全般に存在する。
図2(c)のトレース15はアークを渡る電圧を示す。トレース16は、アークが着火していなければ存在するであろう電圧を例示し、アークの着火及び消火のタイミングを例示するために含まれる。点17から始めると、アークを渡る電圧16はゼロである。そこで、アークが導通せず、それ故どんな雑音も生成しない。電圧16が上昇すると、アークが着火して、電流を通し始める点18に達する。アークを渡る電圧15は、今導通したアークが代表的に数オーム又は数十オーム台のインピーダンスを持っているので、アークの導通時にゼロにならない。従って、アークを渡る電圧が示されている。更にアークは、それを通る電流から独立したかなり一定な電圧を維持しがちである。これは、正の半サイクルを通して19で、負の半サイクルを通して21で例示される。アークは、導通期間中に連続的に高周波雑音を生成する。点20でアークを渡る電圧は、アークの消火レベルまで下がり、アークが消える。このプロセスは、負の半サイクル21で、及びアークが持続する限りその後も、繰り返す。
図2(d)のトレース22は、図2(a)のライン電圧8或は図2(b)の負荷電流12から抽出された高周波雑音を示す。単純なハイパスフィルタは、電力線周波数成分を除去するのに役立つ。高周波雑音は、示されるようにアークが導通していない間隔23及び24中を除くサイクル全般に存在する。高周波雑音の振幅が区間の直前及び直後即ち各点25及び26で幾分高いことは注目される。アークが消え再着火する時には負荷電流が急激に変化する。本質的に誘導性である配電系統上の負荷電流におけるこの急速な変化は、一般にアーク雑音の振幅を越える追加の高周波雑音を生成する。
トレース27は、高周波雑音の存在に応答して正の論理信号を示す。即ち、点28及び29で例示されるように、高周波雑音が存在する時にハイであり、そうでない時にローである。
今図3を参照して、図2の同じ測定値は、永続性接点アークを通して給電された純粋誘導負荷のために示される。図3(a)はライン電圧30を示し、図3(b)が負荷電流33を示し、図3(c)がアーク電圧34を示し、図3(d)が高周波雑音36を示し、図3(e)が高周波雑音の検知に応答する論理信号39を示す。理解されるように、誘導負荷用のこれらトレース及び抵抗負荷用の図2で例示されたトレース間の相違は、高周波雑音31及び32の区間が電圧波形で約90°遅れて発生することである。これは、図3(c)のアーク34を交差する電圧が負荷のインダクタンスによって遅らされるからである。理解されるように、負荷のインダクタンスは、アークが点37で消え、点38で再着火する時に生成された雑音をも増加させる。かくして、接点アークが無効負荷と直列になった時の区間の位置がライン電圧のゼロ交差から変位させられているが、その他の点では、抵抗性負荷を有する回路中の電弧による雑音と本質的に類似している。もし負荷が純粋に容量性であるならば、類似の特性トレースは、区間が90°分ゼロ交差に先立つことを示す。実際負荷は、これら限界間のどこかにあり、従って各ゼロ交差から±90°の範囲に区間を生成する。
図2及び3において、アークが着火する電圧は、区間の寸法及び区間回りの環境状態に依存する。正弦波の波形が360°毎に一全サイクルを完成すると仮定すると、どの時刻の電圧Vも度数(位相角)で表現することができる。即ち、V=Vpeaksinδ
但し、Vpeakは、到達したピーク電圧であり、δがゼロ交差からの度数である。60°及び90°間(120V(RMS)ライン上の146〜169実電圧)で着火したアークは、区間が広いので、非常に断続的で不安定である傾向がある。40°〜60°(180〜146V)範囲で着火したアークは、やはり断続的であるが、数秒間程度の存続期間を有するバーストで発生しがちである。20°〜40°(57〜108V)範囲のアークは、存続し自己保持しがちである。この範囲のアークは、特に20°の位相角に接近すると、高周波ヒスを発して、周囲の材料に高い温度を発現させる。それで、20°〜40°範囲のアークは特に危険である。0°〜20°(0〜57V)範囲のアークは、接点が加熱され、おそらく接点材料の局所流れを通して区間を架橋すると、非常に早く消火しがちである。
アークが消滅する電圧も、再び区間サイズの関数である。しかしながら、アークは、一度安定すると、アークが着火した電圧より非常に低い電圧で消火しがちであることが観察される。通常アークは、着火電圧の1/10〜1/4台で消火する。実際、最も火事を引き起こしそうな範囲(20°〜40°)の殆どのアークは、ゼロボルト近傍で消滅する。
図4(a)〜4(e)を含む図4は、接点アークを指示するべき本発明の1つの重要な面によって決定された高周波雑音のパターンを例示する。図4(a)がパターン1を示し、図4(b)がパターン1の複数サイクルを示し、図4(c)がパターン2を示し、図4(d)がパターン3を示し、図4(e)がパターン4を示している。これらのパターンは、全て、図4(f)の凡例で示されるように、最小振幅より大きい高周波雑音が存在している時にハイであり、そうでなければローである論理記号である。
本発明の方法によると、ライン電圧又は負荷電流が監視され、高周波雑音が抽出される。かく抽出された雑音は、その後接点アークを示すパターンのために監視される。一般化されたパターンは、Tを電力線周波数の周期として、期間がT/2に等しい時間周期のどこかで発生する3つの連続する期間間隔ta、tb及びtcから成る。各間隔の存続期間及び内容が各パターンに対応する図4の図で例示される。
雑音の有無を示すために用いられる3論理状態は図4の上右角の図4(f)の凡例で説明される。ハイの論理信号53は高周波雑音の存在を示す。即ち、モニタされた高周波雑音の振幅があるスレショルドレベルを越えている時、例えば図4(a)の57における間隔taの間、論理記号はハイである。ローの論理信号54は高周波雑音の不存在を示す。即ち、高周波雑音がないか、或は高周波雑音の振幅がスレシヨルドレベル以下であり、例えば図4(a)の58における期間tbである。斜線パターン55は、図4(a)の56で例示されるように、高周波雑音の振幅が重要でなく、即ち電弧検出器の出力がこの間隔中に高周波雑音の有無に応答しないことを指示する。
今図4(a)を参照するとパターン1は例示される。パターン1は、最大の外来雑音抑制用の好ましいパターンである。アークの存在を指示する警報を出す電弧検出器にとっては、高周波雑音が間隔ta期間中に存在し、tb期間中に存在せず、tc期間中に再び存在しなければならない。許容時間範囲はtbのために特定され、示されるようにta+tb+tcがT/2と等しくされる。換言すれば、パターン1によるアークの検知は、高周波雑音が存続期間tbの単一区間の存在を除いて、半電力線周波数期間に存続期間が等しい期間毎に存在することを要求する。前述の「区間」は高周波雑音が殆ど無い間隔を参照する。
間隔T/2は、電力線周波数に関してどこでもよい。最も単純な場合では、tbで許容される範囲内で間隔内のどこかで発生する区間が接点アークを指示する。これは、合計ta+tb+tcがT/2に等しい以外は、ta及びtcがなんの特定の要件もないからである。
もし特定の負荷リアクタンスにアーク検知を制限することが望ましいならば、区間は、アークの存在を決定する前にライン電圧に関する特定の時間的位置に現われることを更に要求することができる。例えば、もし区間がライン電圧のゼロ交差近傍にあることを要求するならば、検知された唯一のアークは、抵抗性すなわち非無効負荷に直列となるものである。この特徴を利用するために、ライン電圧は、電流波形の区間位置がライン上の他の無効負荷の関数として変化することができるので、監視されなければならない。
区間tbを制限する存続期間は、範囲即ち電力線周波数期間の最適な20°〜40°である。換言すれば、殆ど高周波雑音が存在せず、20°及び40°間の存続期間を有するどの間隔も区間として検知される。範囲の限界は、どの所定の応用でも最適の性能のために調節されてもよい。
既に述べたように、アークは火を着けるに十分な熱を発生するのに時間がかかるので、潜在的に危険な電弧が存在することを決定する前に、検知されたパターンが多数サイクル間持続することを必要とすることは望ましい。もしこれが行われないならば、スイッチの開口及び他の危険でない事象による一時的電弧は検出器を失敗させる。それ故に、パターン1は図4(b)に示すように複数サイクルに広げて示される。複数サイクル後の電弧の検知は、区間が電力線周波数と同期し、即ち区間前の遅延tdが全T/2間隔で殆ど同じであることを要求する。別の言い回しでは、区間及び波形上の固定点例えばゼロ交差点間の時間的間隔は、多数のサイクルで同一である。この更なる要件は、検出器の外来雑音抑制能力を非常に改善する。
パターン2〜4は、間欠電弧即ち電力線周波数の全サイクル間持続しない電弧を検知することが望ましい応用例で使うことができる。これらのパターンは、外来雑音抑制の幾つかの犠牲で電弧への最も敏感な応答を形成する。
パターン2は図4(c)で例示される。このパターンは示されるように、高周波雑音が存在する間隔taと、直に後続する高周波雑音が存在しない間隔tbとからなる。ta+tbは、T/2に等しく又はそれ以下でなければならず、このパターンは、アークが存在しているとの決定が成されるためにどの半サイクル間隔T/2でもただ一度だけ発生しなければならない。
図4(d)に例示されるパターン3は、逆順の検知要件を有するが実際上はパターン2と同じである。示されるように、パターン3は、高周波雑音が存在しない間隔tbと、直に後続する高周波雑音が存在する間隔tcとから成る。tb+tcは、T/2に等しく又はそれ以下でなければならず、このパターンは、アークが存在しているとの決定が成されるためにどの半サイクル間隔T/2の期間でもただ一度だけ発生しなければならない。
パターン2又は3を用いて、方法は、全サイクル間持続しない間欠アークに敏感である。しかしながら、方法は、更なる予防措置がとられない限り一般に外来雑音に影響されやすい。第1に、ta或はtc用の最小許容存続期間は、単一インパルス外来雑音が適格でないように十分に長くすることができる。例えば、ta或はtc用の最小幅は30°に設定することができる。第2に、間隔tb(区間)はライン電圧に関して特定の時間的位置に現われることを要求することができる。これは、アーク検知を特定の負荷リアクタンスに制限するが外来雑音抑制を改善する。第3に、3つのパターンの全ては、電弧の存在を決定する前に多数サイクル間持続することを要求することができる。パターン1と同様に、連続パターンの区間の始めは電力線周波数に同期しなければならない。すなわち、ゼロ交差及び区間tb間の遅延tdは、全ての半サイクルの間殆ど類似することを必要とすることができる。
図4(e)で例示されるパターン4は、パターン2及び3の要件を本質的に結合している。示されるように、パターンは、高周波雑音が存在する間隔taと、直に後続する高周波雑音が不在である間隔tbと、後続する高周波雑音が再度存在する他の間隔tcとからなる。この場合、ta+tb+tcは、T/2より少なく或は等しくなければならない。
パターン4は、検出器が間欠電弧にまだ応答するが殆ど多くの外来雑音の抑制を提供するので、パターン1及びパターン2又は3間の中間である。実際、ta+tb+tcがT/2に等しい制限された場合においては、パターン4がパターン1に等価である。パターン1に亙ってパターン4で提供された利点は、特性区間が存在するが雑音が全サイクル間信頼できるように持続しない特別の応用例にパターン4が応用できることである。ta、tb及びtc用の代表的範囲は各々10°〜30°、20°〜40°及び10°〜30°である。再びこれらの存続期間は、特定の応用のために最適化することができる。
接点アークは個々のアークのランダム性によって非常に高い帯域幅雑音を生成する。本方法のパターンのいずれかによって、外来の制御された雑音源即ちライン上の特定周波数の高周波干渉を生成する雑音源の抑制は、雑音がランダムか否かを感知し、従って高周波雑音が存在するか否かを決定することによって非常に改良することができる。
2つの方法は、検知された高周波雑音が実際にランダムでそれ故電弧に起因するか否かを決定するために記述される。第1に雑音のランダム性は直接監視される。これらの『ランダム性』方法と『帯域幅』方法とは本質的に等価であり、どちらの方法を用いてもよい。
ランダム性の検査、即ち高周波雑音の存在を推定する前に、ランダム性の幾つかの最小度数が雑音で検知されなければならないことを要求する検査は、連続固定間隔に亙る幾つかの最小振幅の高周波遷移(エッジ)を計数し、計数が間隔から間隔へとかなり変動するならば雑音がランダムであることを決定することを伴う。帯域幅の検査は、高周波雑音の存在を推定する前に信号が広帯域幅であることを必要とし、2個以上の非重複バンドパスフィルタに高周波雑音を通し、全フィルタの出力での雑音振幅が殆ど同じであるならば信号が広帯域幅であることを決定することから成る。かくして、ランダム性検査及び帯域幅検査は、定期的でランダムでなく狭帯域幅を持つ傾向の意図的に生成された高周波信号から電弧による雑音を識別する。
図5は、ハイパスフィルタされて増幅された従来の位相制御調光器からの代表的雑音41を有するライン電圧40を示す。これらの調光器は、負荷に供給される波形の部分又は位相角を制御するトライアック又はSCRを使う。このような『4層』半導体デバイスは、波形のどの位相角でもオンになり、通過電流がゼロになる時に自動的にオフになることができる。これらのデバイスの性質は、負荷を非常に迅速にオンにさせて、42〜46で示されるインパルス雑音スパイクを発生させるようなものである。ランプの照度を制御するには、回路は、約40°(フル)から約160°(最も薄暗いセッティング)の間のどの点でも始動するように即ちオンになるように調整されてよい。それで、生成されたパルスのタイミングの限界は、正の半サイクル上の点43及び44間及び負のそれでの点45及び46間である。これらの調光器が(区間の外側)全サイクル間持続する雑音を生成しないので、雑音は、パターン1の雑音として検知されない。更にパターン2〜4は、最大インパルス雑音幅より長くta又はtc用の最小幅を特定することによって影響を受けない。
図6は、ラジオシャック及びハードウェア店から市販の搬送電流遠隔制御デバイスを起源とする高周波雑音48を有するライン電圧47を示す。この場合の雑音は、データをエンコードするためにFSK変調された約200KHzの正弦搬送波を用いた通信信号のバーストである。各バースト49は、無転送のブランク期間50が追従する。電力線に通信信号を同期させることは必要でないが、これはしばしば通信プロトコルを簡単にするために行われる。パターン1は、高周波パケットが決してラインサイクルの期間を持続しないので、このような干渉の影響を受けない。更に、もし複数のパケットが1サイクルに存在するならば、更に応答を抑制する複数の区間がある。パターン2〜4は、バースト幅より長いta又はtc毎の最小存続期間を設定し、或は高周波雑音の存在毎に上述のランダム性検査又は帯域幅検査と協働することによって、このような通信信号への耐久性をなすことができる。
図7はライン電圧51を再び示す。今度は、フルパワーの標準1/3馬力電気ドリルで生成された代表的高周波雑音52を含む。このような雑音52は、代表的整流子/ブラシ式電気モータによって生成された雑音を示している。理解されるように、雑音は電力波形中で本質的に一定である。より重要なことには、雑音パターンには実質的区間が存在せず、それ故に、雑音は本方法の4パターンのいずれにも従わない。
図8は、発明に従ったパターン1〜4のいずれかに一致した雑音を検知するために、ライン電圧中の雑音を監視する電弧検出器の簡略化ブロック図を示す。図8の検出器は、使用者に視覚警告及び音声警告を形成する。
電力線に接続された標準プラグ59は、電力及び信号をハイ導体60、中立導体61及び接地導体62を通して検出器に供給する。オプシヨン・スイッチ63は、ユニットに給電でき、線対線又は線対接地の高周波雑音を感知することを許容する。操作の正規モードは線対線であるが、デバイスは、幾つかの応用でより良い線対接地を実行してもよい。
電源64は、ユニットを操作するために、調整された直流電圧V+を66から供給する。代表的にV+は5又は12ボルトの従来の低電圧である。回路接地は65で示される。処理回路、ランプ及び音響表示器は、電圧降下要素としてコンデンサを用いたAC−DCコンバータとして電力供給を適宜構成するように、合計1ワット以下で動作することができる。スイッチ63の設定に依存する中立導体61或は接地導体62が回路接地65になれるように、半波整流子を使うことは望ましい。これは信号の検知結合を簡単にする。マキシム社の集積製品のMAX611の交直電圧変換器チップは、120又は240VAC入力から150ミリアンペアまで5Vの直流を出力して、この応用例でうまく作動する。
ゼロ交差検出器69は、ライン電圧の各ゼロ交差毎に狭いパルス(10〜100μs)を生成するために作用する。ゼロ交差は適宜高抵抗67を通して感知される。従来の技術は各ゼロ交差に応答して出力パルスを生成する。ゼロ交差検出器69の出力はマイクロプロセッサ76に供給される。マイクロプロセッサ76は、ライン電圧位相に雑音の存在を関連させるために、ゼロ交差パルスを使う。実際、マイクロプロセッサが正確に時間間隔を計ることができるので、ライン電圧と同期するどのエッジも十分である。例えばパルスは、より便利ならば、ゼロ交差でパルスを生成する代わりに各半サイクルをスイッチすることができる。高周波雑音の存在下でタイミング情報を正確に維持するためには、コンデンサ68が入力抵抗67に追加されてローパスフィルタを生成することができる。約100〜1000Hzの角周波数に応答する単一ポールフィルタはよく働く。
代りの方法においては、マイクロプロセッサが仮定された電力線周波数に基づいて単にそれ自身計時して、電力線周波数検知を全く省略することができる。これは、マイクロプロセッサが4つのパターンのいずれかによる基本検知方法の実行を許容するが、例えば負荷が抵抗性、誘導性又は容量性であるか否かを決定するために、特定の位相関係を誘導することを防止する。
高周波雑音は、適宜ライン電圧周波数を除去するために、ハイパスフィルタ72又は同調型バンドパスフィルタの部分を形成する小さいカップリングコンデンサ71を通してサンプルされる。雑音はその後増幅器73によって増幅され、検知器74によって検知される。好ましくは増幅器73は、そのダイナミックレンジを広げるリミッタ又は自動利得制御(AGC)回路を含む。検出器74は、高周波AC信号を検知する全波又は半波整流子と、整流信号の振幅を予め決定されたスレショルド値と比較する比較器と、予め決定されたスレシヨルド値以上の高周波雑音の存在に応答してロジックレベルパルス又は連続信号75を生成するコンバータとして機能する。信号75は、パターン1〜4のうちの一つ以上の実行のためにマイクロプロセッサ76に供給される。
信号検知システム用の利得パラメータ及び適当な帯域幅の選択は、監視された電力線の伝達特性に依存する。アメリカ合衆国における殆どのビル内の電力配線は、センタ接地導体を有するフラット3導体ケーブルである。Romex及びAmerflexはこの型のケーブルの商業例である。この型の殆どのケーブルは、約100Ωの特性インピーダンスと、250mの300KHzの4分の1波長と、10Ω終端抵抗を有する50mのケーブルで7dBの測定減衰量とを持っている。実ラインインピーダンス及び減衰量は主にライン上にある負荷の関数である。しかしながら、大量の研究及び検査は、予想される減衰及び使用される搬送周波数を決定するために、搬送電流伝達システムと関連して実施された。この研究の結果は、ナシヨナルセミコンダクタ社の1989年データ本「特殊用途向けリニアデバイス」で市販のナショナルセミコンダクタ社のLM1893搬送電流トランシーバチップ用の応用ノートで記述されている。他の文献は、シグネティクス株式会社から出版され、NE5050電力線モデムの応用例を記述している応用ノートAN1951である。
家庭或はビジネスの全体に亙って良好に働く本発明に必要な利得は40〜80dB台である。40dBの利得によって、デバイスは、一検査インストールで全位相中でよく働くように見える。増幅器は、クリップ時に良好に作動し、高振幅パルスの幅を広げることを避けるために、速いターンオフ時間を形成しなければならない。入力でのクリッピングダイオード及びリミッタ又は自動利得制御デバイスは、これらのゴールを達成するために、増幅器に協働することができる。使用者が調節できる利得制御は、例えば、近隣のアパートメントのような使用者の屋外のアークの検知を制限することと協働してもよい。
既に注目されるように接点アークの帯域幅は、約10KHzから約1GHzに広がっている。検知システムの周波数応答要件は幾つかの要因によって支配される。第1に、ハイパスフィルタのゼロは十分高くなければならず、或は十分なゼロが50又は60Hz電力線周波数を十分に抑制するために形成されなければならない。第2に、帯域幅は、電力線システムを通して相当多く減衰しないで転送できる範囲になければならない。第3に、概して、検知周波数が高くなればなるほど、システムがより速く応答することができる。この原型には、遮断周波数が約100KHzに設定された2次ハイパスフィルタが使われて、よく働くように見える。それは電力線周波数(60Hz)の130dB減衰を形成して、容易に実行される。また、同調回路は使うことができるが、Qはリンギングを避けるためにかなりローに保持すべきである。
マイクロプロセッサ76は、好ましくは1〜20MHzで動作するROM及びRAMを集積した低コストの単一チッププロセッサであり、制御ライン77を経た1つ以上の表示灯78と、制御ライン79を経た音声表示器80とを駆動し、スイッチ81を経て使用者から入力を受ける。マイクロプロセッサ76のタスクは、本発明の方法で使われた明確な変形例に依存して実行しなければならない。
第1の実施例において、本発明の電弧検出器は、火事を起こし得る永続性電弧の存在用にライン電圧を監視するためにパターン1を使う。従って、マイクロプロセッサ76は、10°〜60°存続期間台の半サイクル毎の区間を除いてかなり連続的に存在する高周波雑音のために監視する。この実施例において、マイクロプロセッサは、一般に以下のタスクを実行するようにプログラムされている。
1)電力線周波数ゼロ交差のためにゼロ交差検出器の入力70を監視する。
2)高周波雑音の存在のために高周波数入力ライン75を監視する。
3)単一区間が各半サイクル期間中に高周波雑音に存在するか否かを決定するために、ゼロ交差を雑音と比較する。
4)ライン電圧サイクルの存続期間20°〜40°の一区間を除いて、高周波雑音が全半サイクル期間中に存在する決定に応答して、接点アークの存在を決定する。
5)接点アークが電力線サイクルの予め定義された数の期間中に同様に検知されるか否か、区間がかなり同期するか否かを決定する。かくして、アーク検知は、即ち統合定数を定義するサイクルの予め定義された数によって有効に統合化される。この数は10〜100サイクル台であるべきである。もしアークが中断なしで(或は予め決定された許容数以下の中断によって)持続し、区間が同期するならば、マイクロプロセッサは、火事を起こしそうな接点アークが存在することを推定して、表示器を活発化させて警報信号を出力する。
第2の実施例においては、検出器が本方法のパターン4を使用して、間欠的だがサイクルの全体に亙って持続しない接点アークを感知している。この実施例において、マイクロプロセッサによって実行されたタスクは、一般に次に述べる通りである。
1)電力線周波数ゼロ交差のためにゼロ交差検出器入力70を監視する。
2)高周波雑音の存在のために高周波数入力ライン75を監視する。
3)雑音の区間を特徴づける。
4)高周波雑音が存続期間10°〜30°の間隔ta期間中に存在し、taに直ぐに続く存続期間20°〜40°の間隔tb期間中に存在せず、tbに直ぐに続く存続期間10°〜30°の更なる間隔tc期間中に再び存在する決定に応答して、接点アークの存在を決定する。
5)多くのサイクル毎にステップ1〜4を実行して、接点アークの存在が電力線サイクルの予め定義された数持続するか否かを決定する。もしアークが中断なしで(或は予め決定された許容数以下の中断によって)持続するならば、マイクロプロセッサは、火事を起こしそうな接点アークが存在することを推定して、表示器を活発化させて警報信号を出力する。
パターン2及び3は同様に実行することができる。また上述されたランダム性検査及び帯域幅検査は、他の高周波雑音源からの電弧による雑音と更に区別するために協働することができる。ランダム性検査を実行するために、マイクロプロセッサ76は、雑音の振幅が波形上の多くの各連続同一間隔期間中にスレショルドレベルを越える回数を計数する。この数がサイクルからサイクルと変動するならば、警報は出力される。もしそうでなければ、多分『雑音』が搬送通信デバイスからの信号であるので、警報は抑制される。バンドパス検査を実行するためには、フィルタ72が2個以上の非重複バンドパスフィルタを並列で備えている。その後マイクロプロセッサは、フィルタの各出力の振幅を比較する。それらが殆ど等しいならば、雑音がランダムであることを決定し、他の検査が合格するならば、警報は与えられる。フィルタの出力が殆ど等しくないならば、多分『雑音』が電弧によらず、警報が抑制される。
更なる向上において、マイクロプロセッサは、アークと直列になった負荷を誘導性、抵抗性或は容量性として同定するために、電力波形のゼロ交差に関して雑音の区間の位相を測定することができる。この決定に応答する指示は、例えば不完全接続の位置を示しているランプ78の1つを点灯することによって、使用者に与えられてよい。
図9は、この実施例において、アーク検知のために電流を感知し、電弧が検知される時に負荷に流れる電流を遮断する本発明に従った電弧検出器の簡略化ブロック図を示す。この装置は、図8で記述したのと同じ基本検知回路を用いるが、負荷に電力を供給し、電弧の予め決定されたレベルが発生した時に負荷への電流を遮断するように構成される。
図9で示されるように、ハイ60、中立61及び接地62導体からなる主な電力線は、導体ハイ85、中立88及び接地89に負荷を接続するために、遮断器86のスイッチ接点84を通して負荷に電力を供給する。ハイラインは、負荷電流を監視する電流変圧器82を通して配線される。もしゼロ検知回路が電力線周波数を監視し、それによって、50及び60Hz間で変化する周波数の電力線上におけるアークの監視にその装置を有用にするために使われるのであれば、電流変圧器82は、電力線周波数よりも十分に低い周波数から約10MHzに広がる帯域幅を持つべきである。もしそうでなければ、変圧器が100KHz〜10MHzのバンドパスに制限されて、ゼロ検知回路を除くことができる。電流変圧器82は、負荷に流れる電流のみを監視し、従ってアーク検知回路をブレーカ86によって保護された個々の回路で生成されたアークから分離する。
図9の検知回路は、同一の参照数字の使用によって示されるように、図8で記述された回路に類似している。ハイ導体83及び負荷間に列形に配置された遮断器接点84は、十分な強度及び存続期間のアークが発生したことをマイクロプロセッサが決定した時即ち本発明に従ったパターン1〜4の1つが検知された時に、負荷への給電を遮断する。遮断器84は、従来のソリッドステート継電器又はサイリスタ等(図示略)を用いてマイクロプロセッサからの制御ライン87によって駆動された作動コイル86を有する従来の電気的作動の遮断器である。
図8及び9の検出回路及びこの点の議論は、家庭で一般に発見される220VAC分相電力線の単相で動作される検出器を参照する。本発明は、どの電圧および位相構成を有する電力システムにも応用されることが理解されるべきである。必要とされる全ては、監視されるべき各位相を交差する検出器を形成することである。
図10(a)及び(b)は、図8で示される回路を内蔵するための1つの適当な包装方法の正面図及び側面図を各々示す。プラスチック射出成型のケース90は、検出器の全体を収納する。表示器兼用スイッチ91は、アークの存在を表示し、ユニットがホールドモードにある時に、光をリセットする役割を果たす。他のスイッチ92は、電流操作モードを表示するLED表示器93〜95を有するデバイスの動作モードを選択するために使われる。3つのLEDの1つは常に点灯されて、ユニットが給電され、動作していることを指示する。指示されるように、追加のLEDは、雑音の区間及び電力波形のゼロ交差間の位相差に応答してアークと直列になる負荷の種類を指示するために形成されてもよい。
この履行で3つの明確な稼働モードがある。所望のモードは、モード選択スイッチ92を3つの利用可能モード順に複数回数押下することによって選択される。これらのモードは、次の通りである。
ホールド
ホールドLED93の常時点灯によって表示されるホールドモードにおいて、電弧検出器は、火事を起こし得るアークのために電力線を監視し、このような状態があるならば、主警報光/スイッチ91を明るくさせる。警報光91はラッチされて、使用者が押下してユニットをリセットするまで、或は予め定義された時間の期間が経過するまで明るくされる。ユニットは、24〜48時間の後に自動的にリセットされる。
検査
検査LED94の常時点灯によって表示される検査モードにおいて、デバイスは、火事を起こし得るアークのために電力線を監視し、このような状態があるならば、アークの期間と1秒との長い方の期間主警報光/スイッチ91を明るくさせる。
音
音モードにおいて、音声警報は、警報光に加えて提供される。音モードは、検査LED94及び音LED85(スピーカによって記号的に示されている)の常時点灯によって示される。この拡張検査モードにおいて、内部ビーパは、アーク状態の音声帰還を形成するために警報光と協力して活発化される。
今図10(b)で例示された側面図を参照して、パッケージは、従来の三股壁コンセントに直接プラグされるように設計されて、プラグ端子96及び97で自己支持される。これらの端子又は二股国内又は国際応用用の他の端子型はプラスチックのパッケージ98に取り付けられ又は直接にモールドされている。
図11(a)及び(b)は、図9で示された回路を内蔵するために1つの適当な包装方法の正面図及び側面図を各々示す。この実施例において、図9の電流監視回路は、一般に市販の漏電遮断器に類似した2股コンセントのケースに内蔵される。成型プラスチックケース99は組立物の全体を収納する。ねじ端子101及び102は、他の側の2つの更なる端子及び接地端子と共に、ライン、負荷及び接地を取り付ける接続の役目を果たす。金属ベゼル100は、モールド99の回りに固定されて、従来のコンセント箱にコンセントを取付ける役割を果たす。2つのコンセント103は負荷接続を形成する。検査スイッチ104は、デバイスの適当な操作を検査するために押した時に遮断器を手動で遮断させる。LED105は、接点アークがこの前の24〜48時間のいつかで発生したことを指示する。LED105は、もしオンであるならば、リセットスイッチ106を押すことによってリセットすることができる。アークが再び検知されたことを指示するLEDが点灯したならば、使用者は電弧状態をつきとめて、修理するよう警告される。
図12(a)及び(b)は、図9の電流監視回路を従来の遮断器パッケージに内蔵するために他の適当な包装方法の正面図及び側面図を各々示す。成型プラスチックのケース107は組立物の全体を収納する。遮断器パッケージは、パッケージの背面(図示略)上の一体接点を通してラインのハイ側にアクセスする。中立又は接地導体も回路動作に必要なので、追加の配線108がそれとの接続のために形成される。ねじ端子113は負荷にハイを供給する。このバージョンにおいて、内部の遮断継電器は、標準の電流作動遮断器とアーク検知器によって駆動される電圧作動継電器との両方として作動する。ハンドル109が従来の遮断器と同じ方法で手動で作動できる。検査スイッチ112は、デバイスの適当な操作を検査するために押した時に遮断器を手動で遮断させる。LED110は、接点アークがこの前の24〜48時間のいつかで発生したことを指示する。LED110は、もしオンであるならば、セットスイッチ111を押すことによってリセットすることができる。
本発明が多くの変形、修正及び変化が詳細に受けるので、上述され、添付図面に示された全ての主題が実例のみと解釈されて制限するものでないことは意図されている。
Claims (37)
- 周波数F及び周期T=1/FのAC電力線における電弧の存在を検知する方法であって、
ライン電圧を波形として監視する段階と、
周波数が前記Fよりも高い高周波雑音の存在に備えて前記波形を監視する段階と、
前記高周波雑音が存在せずT/4以下である期間間隔tbに備えて前記波形を監視する段階と、
期間がT/2に等しい何れかの時間間隔中に一つの前記期間間隔tbを除いて前記高周波雑音が連続的に存在していれば電弧が存在していると決定する段階と、
電弧が存在しているとの前記決定に応答する出力を与える段階と
を備える方法。 - 前記波形に対する前記期間間隔tbの時間的位置を監視する段階と、
前記電弧と直列である負荷のリアクタンスを前記位置によって決定する段階と、
前記負荷の前記リアクタンスを示す追加出力を与える段階と
を更に備える請求項1に記載の方法。 - 前記期間間隔tbの前記位置が前記波形の各ゼロ交差に先行する45°と前記波形の各ゼロ交差に続く45°との間の間隔に集中すれば、前記負荷が抵抗性であることを示す出力が与えられる請求項2に記載の方法。
- 前記期間間隔tbの前記位置が前記波形の各ゼロ交差に続く45°と90°との間の間隔に集中すれば、前記負荷が誘導性であることを示す出力が与えられる請求項2に記載の方法。
- 前記期間間隔tbの前記位置が前記波形の各ゼロ交差に先行する45°と90°との間の間隔に集中すれば、前記負荷が容量性であることを示す出力が与えられる請求項2に記載の方法。
- 周波数F及び周期T=1/FのAC電力線における電弧の存在を検知する方法であって、
ライン電圧を波形として監視する段階と、
周波数が前記Fよりも高い高周波雑音の存在に備えて前記波形を監視する段階と、
T/2未満であって前記高周波雑音が存在している第1の期間間隔taと、この第1の期間間隔taのすぐ後に続いておりT/2未満であって前記高周波雑音が存在していない第2の期間間隔tbと、この第2の期間間隔tbのすぐ後に続いており前記高周波雑音が存在していてta+tb+tcがT/2以下である第3の期間間隔tcとを含むパターンの発生に備えて前記波形を監視する段階と、
期間がT/2に等しい何れかの間隔中に前記パターンが一度だけ発生していれば電弧が存在していると決定する段階と、
電弧が存在しているとの前記決定に応答する出力を与える段階と
を備える方法。 - 前記波形に対する前記期間間隔tbの開始の時間的位置を監視する段階と、
前記時間的位置が所定範囲の外側であれば前記出力を抑制する段階と
を更に備える請求項1又は6に記載の方法。 - 前記時間的位置が前記波形の前記ゼロ交差の近傍にある請求項7に記載の方法。
- 前記tcがゼロに等しく、合計ta+tbがT/2以下である請求項6に記載の方法。
- 前記taがゼロに等しく、合計tb+tcがT/2以下である請求項6に記載の方法。
- 前記ta+tb+tcがT/2である請求項6に記載の方法。
- 各期間がT/2に等しい複数の連続時間間隔に電弧が存在しているか否かを決定する段階と、
電弧が存在していれば、前記期間間隔tbが各連続間隔中の同じ相対的な時間的位置で始まっているか否かを決定し、同じ相対的な時間的位置で始まっていなければ、電弧が存在しているとの前記決定に応答する前記出力を抑制する段階と
を更に備える請求項1又は6に記載の方法。 - 前記連続間隔の数が10〜100の範囲内にある請求項12に記載の方法。
- 前記電力線上の外来雑音に対する感度を制御するために前記期間間隔tbの期間を調節する段階を更に備える請求項1又は6に記載の方法。
- 前記電力線の周波数のまる一周期を360°として、前記期間tbが前記周期の1°〜60°幅の範囲内にある請求項1又は6に記載の方法。
- 監視される前記高周波雑音の範囲が10KHzから1MHzに及ぶ請求項1又は6に記載の方法。
- 前記高周波雑音がランダムであるか否かを決定する段階を更に備える請求項1又は6に記載の方法。
- 前記波形から前記高周波雑音成分を濾過する段階と、
前記高周波雑音の瞬間レベルを固定レベルと比較する段階と、
前記波形の幾つかの等しい間隔の各々において前記瞬間レベルが前記固定レベルを越えている回数を数える段階と、
前記各々の間隔において前記回数が異なっていれば前記高周波雑音がランダムであると決定する段階と
を実行することによって、前記高周波雑音がランダムであるか否かを決定する前記段階が実行される請求項17に記載の方法。 - 前記高周波雑音が広帯域幅を示しているか否かを決定する段階を更に備える請求項1又は6に記載の方法。
- 2個以上の非重複バンドパスフィルタで前記高周波雑音を濾過する段階と、
前記バンドパスフィルタの各々を通過する前記高周波雑音の振幅を測定する段階と、
前記バンドパスフィルタの各々を通過する前記高周波雑音の振幅が等しければ前記高周波雑音が広帯域幅を示していると決定する段階と
が、前記高周波雑音が広帯域幅を示しているか否かを決定するために実行される請求項19に記載の方法。 - 周波数F及び周期T=1/FのAC電力線における電弧の存在を検知する装置であって、
ライン電圧を監視し、これから周波数が前記Fよりも高い高周波雑音を抽出する手段と、
前記高周波雑音の振幅を測定し、この振幅を所定値と比較して前記高周波雑音が存在しているか否かを決定する手段と、
期間がT/2に等しい何れかの間隔における前記高周波雑音によって、前記高周波雑音が存在している一つの間隔と前記高周波雑音が存在していないもう一つの間隔とを少なくとも含むパターンが示されているか否かを決定し、このパターンが示されていると決定すれば電弧が存在していると決定する手段と、
電弧が存在しているとの前記決定に応答する出力信号を生成するために作動させられる手段と
を備える装置。 - 前記波形に対する前記高周波雑音が存在していない前記間隔の開始の時間的位置を監視して、この時間的位置が前記波形の所定部分の外側であれば前記出力信号を抑制する手段を更に備える請求項21に記載の装置。
- T/2未満であって前記高周波雑音が存在している第1の期間間隔taと、この第1の期間間隔taのすぐ後に続いており前記高周波雑音が存在しておらず合計ta+tbがT/2以下である第2の期間間隔tbとを、前記パターンが含んでいる請求項21に記載の装置。
- T/2未満であって前記高周波雑音が存在していない第1の期間間隔tbと、この第1の期間間隔tbのすぐ後に続いており合計tb+tcがT/2以下であって前記高周波雑音が存在している第2の期間間隔tcとを、前記パターンが含んでいる請求項21に記載の装置。
- T/2未満であって前記高周波雑音が存在している第1の期間間隔taと、この第1の期間間隔taのすぐ後に続いておりT/2未満であって前記高周波雑音が存在していない第2の期間間隔tbと、この第2の期間間隔tbのすぐ後に続いており前記高周波雑音が存在していてta+tb+tcがT/2以下である第3の期間間隔tcとを、前記パターンが含んでいる請求項21に記載の装置。
- 各期間がT/2に等しい複数の連続時間間隔に前記パターンが発生しているか否かを決定し、
前記パターンが発生していれば、前記高周波雑音が存在していない前記パターンの間隔が各連続間隔中の同じ相対的な時間的位置で始まっているか否かを決定し、
同じ相対的な時間的位置で始まっていなければ、電弧が存在しているとの前記決定に応答する前記出力を抑制する
手段を更に備える請求項21に記載の装置。 - 前記高周波雑音を抽出する前記手段がハイパスフィルタである請求項21に記載の装置。
- 前記高周波雑音を抽出する前記手段がバンドパスフィルタである請求項21に記載の装置。
- 前記抽出された高周波雑音を増幅する手段を更に備える請求項21に記載の装置。
- 前記増幅手段のダイナミックレンジを広げるためのリミッタ又は自動利得制御手段を前記増幅手段が更に備える請求項29に記載の装置。
- 電弧が存在していると決定する前記手段がマイクロプロセッサである請求項21に記載の装置。
- 音声警報信号又は目視警報信号の一方又は両方を与えるために前記出力信号に応答する表示器を更に備える請求項21に記載の装置。
- 電弧が存在していると決定されれば電流を遮断するために電弧が存在していると決定する前記手段に応答する手段を更に備える請求項21に記載の装置。
- 前記高周波雑音が存在していればこの高周波雑音がランダムであるか否かを決定し、ランダムでなければこの高周波雑音が存在していないと結論付ける手段を、前記高周波雑音が存在しているか否かを決定する前記手段が更に備える請求項21に記載の装置。
- 前記高周波雑音の瞬間振幅を固定レベルと比較する手段と、
前記波形の連続サイクルにおける幾つかの等しい間隔の各々において前記瞬間振幅が前記固定レベルを越えている回数を数える手段と、
前記各々の間隔において前記回数が異なっていれば前記高周波雑音がランダムであると決定する手段と
を、前記高周波雑音がランダムであるか否かを決定する前記手段が備える請求項34に記載の装置。 - 前記高周波雑音が広帯域幅を示しているか否かを決定し、広帯域幅を示していなければこの高周波雑音が存在していないと結論付ける手段を、高周波雑音が存在しているか否かを決定する前記手段が更に備える請求項21に記載の装置。
- 2個以上の非重複バンドパスフィルタで前記高周波雑音を濾過する手段と、
前記バンドパスフィルタの各々を通過する前記高周波雑音の相対的な振幅を比較し、前記バンドパスフィルタの各々を通過する前記高周波雑音の前記振幅が等しければ前記高周波雑音が広帯域幅を示していると決定する手段と
を、前記高周波雑音が広帯域幅を示しているか否かを決定する前記手段が備える請求項36に記載の装置。
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