JP6795620B2 - アーク故障電流検出器 - Google Patents

Description

本発明は、アーク故障電流検出器に関する。

アーク放電は、負荷又は機器をオン又はオフにスイッチングしたり、モータ等のような特定タイプの機器を稼働させたりする通常の機能である。このようなアーク放電は危険性がなく、通常は電気火災の恐れがない。一方、持続するアーク故障電流は、火災の脅威を引き起こす可能性があり、深刻な火災の危険性を引き起こす前に検出して遮断することが好ましい。これが、アーク故障電流検出器の機能である。

米国特許第８７４３５１３号（参照：ＷＡ／４７Ａ）には、アーク故障電流を検出する技術が記載されており、他の発明者らにより採用された多様な技術も記載されている。引用された大多数の例では、変流器が、アーク故障電流から生じる信号を検出する主センサとして用いられている。変流器（ＣＴ）は、アーク故障電流を検出する簡単な手段を提供するが、それらは、嵩張って高価になりがちであり、主導体をＣＴの開口部に通すことは、スペース、製造可能性及びコスト等の問題を呈する可能性がある。

１つ以上の主導体と直列に配置されるシャントも、アーク故障電流から生じる信号の検出に用いられている。検出手段としてのシャントの使用は、電子検出回路に高電圧を出現させ、絶縁問題を引き起こすことがあり、また、２つ以上の導体上にシャントを使用することは、技術的に非常に難しい。これら及び他の理由のために、シャントは、アーク故障電流の検出には、ほとんど用いられていない。

米国特許第６９７２５７２号には、少なくとも１つの供給導体と直列のインダクタを用い、アーク故障電流から生じる信号を直列のインダクタから取得する技術が記載されている。この場合の検出回路素子は、主導体のインダクタ部分の両端に直接接続されており、電子検出回路に高電圧が出現し、絶縁問題を引き起こす可能性があることに留意されたい。米国特許出願公開第２００４／０１５６１５３号には、電力ケーブルからの広帯域のアーク故障信号を検出してピックアップし、その信号を増幅器に供給するピックアップコイルを備えるアーク故障検出システムが開示されている。増幅された信号は、所定周波数以上の周波数成分のみを通過させるためにハイパスフィルタに適用される。次に、高域周波数成分は、複数の非調和的に関連する中心周波数を用いて信号の狭い周波数スライスを生成するバンドパスフィルタに供給される。信号の各スライスは、ＤＣレベル信号を生成するよう整流される。各ＤＣレベル信号は、レベル検出器を用いて検出することができる。論理マトリックスを用いることにより、検出事象からの全てのＤＣレベル信号がアーク故障の検出を示し、さらに電源及びグランドからの信号がシステムノイズを示さないときに、アーク故障を判断することができる。

本発明によれば、請求項１に係るアーク故障電流検出器が提供される。

本発明の実施形態は、アーク故障電流の検出に１つ以上のインダクタを用いる。インダクタは、単に検出手段として用いられ、負荷又は保護回路に関連する電流又は電圧を搬送するのに必要とされるのではない。本発明の検出器は、絶縁問題に遭遇することがなく、インダクタは、比較的小さくて安価であり、上記で概説した問題の多くを緩和することができる。

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、例によって説明する。

本発明の動作原理を例示する基本的な実施形態を示す図である。 本発明の精巧な実施形態の回路図である。 本発明のより精巧な実施形態の回路図である。 本発明のより一層精巧な実施形態の回路図である。 本発明のさらに精巧な実施形態の回路図である。 本発明のさらに一層精巧な実施形態の回路図である。 本実施形態で使用されるマイクロプロセッサコントローラユニット（ＭＵＣ）のブロック図である。 図８ａは、本発明の実施形態で使用される高周波数のインダクタＬ１と、その対応する回路記号を示す図である。図８ｂは、本発明の実施形態で使用される低周波数のインダクタＬ２と、その対応する回路記号を示す図である。

図１は、主電源から負荷１０に接続された２つの導体Ｐ１及びＰ２を示す。導体は、単相システムのＬｉｖｅ導体又はＮｅｕｔｒａｌ導体とすることができるし、又は、二相システムのＰｈａｓｅ１導体及びＰｈａｓｅ２導体とすることができる。ボビン１２に巻かれたコイルＷ１（図８ａ）からなるインダクタＬ１が、２つの導体Ｐ１，Ｐ２に近接して配置される。ただし、導体Ｐ１，Ｐ２は、コイルＷ１を貫通することもないし、コイルが何れかの導体に電気的に接続されることもない。コイルＷ１の芯（すなわち、ボビン１２の中心）は、空気であってもよいが、フェライトのような磁気応答性材料であることが好ましい。図８ａにおいて、巻線Ｗ２は、オプションのテスト用巻線であり、図２から図６のＰ１の左側にあるテスト用回路とともに詳細は後述する。

コイルＷ１は、このコイルによって生成される信号を検出するために、電子回路１４に接続される。導体Ｐ１上に示される×箇所は、導体にアーク放電を引き起こすように、断続的に閉じたり開いたりする、導体における切断部を表している。インダクタＬ１の特性を適切に選択することにより、ＭＨｚ範囲への広範囲の周波数にわたる、すなわち１ＭＨｚより高い周波数のアーク放電電流に応答してインダクタにより出力信号を生成することができることを実証することができる。Ｌ１は、自己又は寄生容量によってＭＨｚ範囲で共振するか、又は、図２に示すようにコンデンサＣ１を随意追加することで、この範囲での共振を助長させることができる。インダクタの出力信号は、電子回路１４によって検出することができる。インダクタは、主導体のどちらにも、直接電気的に接続されていないことに留意されたい。

このように、この簡単な技術だけを用いて、アーク故障電流を検出することができる。ただし、実際の用途では、アーク故障電流検出器は、ＵＬ１６９９又はＩＥＣ６２６０６等のような、様々な製品規格の要件を満たす必要がある。これらの規格は、アーク故障電流検出レベル、故障を解消するための応答時間、並列負荷を有する回路におけるアーク故障電流の検出、及び、電動工具や掃除機のような特定の負荷の動作中に生じる非故障アーク放電の存在下における無用又は誤トリップに対する耐性を検証するためのテスト等の要件を規定している。

図２は、図１で概説したアーク放電電流検出技術を、どのようにして、より実用的なアーク故障検出電流回路の基礎として用いることができるかを示している。

概して、図２では、Ｌ１からの高周波数（ＭＨｚ）のアナログ信号が、増幅回路Ｕ１によって増幅され、比較器Ｌ２によってデジタル信号ＭＣＵ１に変換される。Ｕ２からの出力信号は、０ＶとＶ＋との間でスイングすることができる。マイクロコントローラは、パルス幅及び周期をチェックすることにより信号ＭＣＵ１を解析し、アーク故障電流にとって典型的な周波数特性を有する信号パターンを探す。

より具体的には、２つの主供給導体Ｐ１及びＰ２は、インダクタＬ１に近接して配置され、より有利には、図１に示すように、Ｌ１の両側に配置するのがよい。Ｐ１又はＰ２に流れるアーク故障電流は、ＭＨｚ範囲までの非常に広い周波数スペクトルを有するエネルギーを、Ｌ１に誘起する。Ｌ１は、自己又は寄生容量によって、ＭＨｚ範囲内の周波数で共振するか、又は、コンデンサＣ１を随時追加することによって、この範囲での共振を助長させることができる。何れにしても、結果として得られる出力は、好ましくは、Ｌ１の両端間に抵抗Ｒ１を含めることによって減衰される。Ｌ１によって生成された結果信号は、コンデンサＣ２を介してＡＣ増幅器Ｕ１にＡＣ結合され、Ｕ１の利得は、Ｒ３、Ｒ４及びＣ３によって設定される。Ｕ１への入力は、通常、抵抗Ｒ２及びＲ３で設定されるような、＋Ｖと０Ｖとの間の電圧レベルに接続されるために、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３のノードは、Ｃ２を経てこのノードを通過する信号により決定されるので、このＤＣレベルの周りで正又は負にスイングすることができる。Ｕ１の出力は、広い周波数スペクトルにわたり一連の正方向パルスを生成する比較器Ｕ２にＡＣ結合される。これらのパルスは、図７に示すマイクロプロセッサコントロールユニット（ＭＣＵ）の入力ＭＣＵ１に直接供給することができ、ＭＣＵは、電気器具のスイッチング等に関連する通常のアーク放電とは対照的なアーク故障電流がいつ存在するかを決定するために、パルスを解析して、個々のパルス幅、パルスのバーストの持続時間、幅広いパルスと幅狭いパルスの区別、又は、パルスの反復率或いはパルスの周波数を決定するために用いることができる。ＭＣＵは、アーク故障電流の存在を決定すると、ＦＡＵＬＴ信号を出力することができる。ＦＡＵＬＴ信号は、アラームを作動させたり、回路遮断器、コンタクタ又はリレーのような回路遮断手段を作動させたりして、電源を切ってアーク故障電流を止めるのに用いることができる。このような技術は、当業者には良く知られているであろう。

ＭＣＵにとっては、例えば主電源の１つ以上の半サイクル又は一部といった、主電源に関連する断続的な期間中に、パルスの解析を実行することが好ましい場合がある。図３は、これをどのように非常に簡単に成し得るかを示している。図３では、図２の検出手段に大きな変更を加えることなく図３でも同じままで、抵抗Ｒ９及びツェナーダイオードＤ２が、主導体の１つから電子回路の０Ｖ電源に接続される。これは、ＭＣＵの入力ＭＣＵ２に供給することができる一連のパルスを生成する。それに応じて、ＭＣＵは、ＭＣＵ２にパルスが発生している間だけパルスの解析を実行する。図３では、Ｄ２の降伏電圧は、ＭＣＵの電源電圧未満である。

図４は、図２及び図３の検出手段を保持しつつ、通常のアーク放電とアーク故障電流とを区別する追加の方法を示している。

Ｕ２の出力は、抵抗Ｒ８を介して、Ｕ２の＋ｖｅ入力に接続されると共に抵抗Ｒ７を介してグランドに接続される。その結果、Ｕ２はヒステリシスを有し、Ｕ２の出力が状態変化すると、Ｕ２の＋ｖｅ入力が変化する。最初の電源投入時には、Ｕ２の−ｖｅ入力はグランドに引かれ、そのため、Ｕ２の出力は、ハイになる。ダイオードＤ１は、入力の負電圧からＵ２を保護する。Ｕ１から到来する信号は正と負にスイングし、Ｕ２の＋ｖｅ入力を超える正方向信号が、Ｕ２の出力をローにする。これにより、周波数が変化し、パルス幅が変化する、正方向パルスがＵ２の出力に現われる。前述したように、Ｌ１で生成される信号は、ＭＨｚ範囲にまで及び得るため、Ｕ２の出力パルスも、このレベルまで及び得る。

家における主配線が、現在、例えばモデムを備えていない部屋でのＷｉ−Ｆｉ（登録商標）の使用に取って帰るために、家の周囲の信号伝送に一般的に用いられていることは良く知られている。プラグインアダプタは、イーサネット信号の受信を容易にするために家の任意の部屋の任意の壁コンセントに取り付けることができるため、一般的に、このような用途に用いられている。このような信号は、図２又は図３の簡単な回路によって検出される可能性があり、アーク故障電流と誤認されることがあるため、アーク故障電流検出器の無用トリップを生じさせることになる。

図４では、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ５が、第１のフィルタを形成する。第１のフィルタは、ＭＨｚ範囲にまで及ぶロールオフ周波数を含む第１のレベルＦ１までの周波数のパルスを通過させ、Ｌ１により生成されるパルス信号のほとんどを捕捉する。これらのパルスは、入力ＭＣＵ３として、ＭＣＵに供給される。抵抗Ｒ１２及びコンデンサＣ６は、第２のフィルタを形成する。第２のフィルタは、好適にはＦ１よりも低いロールオフ周波数を有する第２のレベルＦ２までの周波数のパルスを通過させる。従って、Ｒ１２及びＣ６の値を操作することにより、Ｆ２のロールオフ周波数を、Ｆ１の値までの任意の値に設定することができる。Ｆ２パルスは、ＭＣＵ４として、ＭＣＵに供給させる。

ＭＣＵは、Ｆ２のロールオフ周波数までの実質的に全てのパルスがＭＣＵで無視されるように、プログラムすることができ、その結果、ＭＣＵは、Ｆ２のロールオフ周波数とＦ１のそれとの間の周波数ウインドウ内のパルスのみを調べる。これらのパルスは、周波数及びパルス幅が変化する。この構成の効果は、イーサネット電力線送信機等のような主幹の信号伝達（mains borne signalling）デバイスにより生成される信号を排除することができる可視性のウインドウを生成することである。

通常のアーク放電とアーク故障電流とを区別するために、回路は、スイッチング器具又は機器のオンオフから稼働中のモータに至る様々なアーク放電状態に供されて真のアーク故障電流等を生じさせることができ、この場合、ＭＣＵは、通常のアーク放電を無視してアーク故障電流のみに応答するように、調整することができる。

２つの導体Ｐ１及びＰ２が図示のようにＬ１に結合される場合、特別な電流検出又は測定手段を追加することなく、負荷又はアーク故障電流のレベルの正確な測定値を取得することが現実的ではない場合があることが分かる。一定レベルを下回る電流を無視でき、一定レベルを上回るアーク故障電流のみを検出するものとし、それにより、無用トリップのリスクを低減させように、別の識別レベルを提供するために、アーク故障電流のレベルを知ることは有益である。図５は、このような識別を提供する構成を示している。

Ｌ２は、第２のインダクタであり、負荷電流の大きさを示して、アーク放電を示す信号を生成するために用いられる。負荷に通電する導体のうちの一方、この場合Ｐ２は、電力（例えば、電源）周波数にて信号をインダクタに誘起させるために、インダクタの外側の周りにループされる（図８ｂ参照）。図示のようにループにすることにより、Ｐ２とコイルＷ１との間のより近密な誘導結合が提供され、これは、本実施形態では、電力周波数信号を検出するために必要である。ただし、このようなルーピングは、全ての実施形態において必ずとも、必要ではない場合もある。アーク放電条件下では、より高い周波数信号がＬ２に誘起される。Ｃ７及びＬ２は、好ましくは１０ＫＨｚから１５０ｋＨｚまでの範囲内の共振周波数を有するが、何れにしても、この範囲内のアーク放電電流に応答する、同調回路を形成する。これは、図２で生成される周波数スペクトルよりも実質的に狭い周波数スペクトルであり、中心周波数も遥かに低い。導体Ｐ２を流れる電流が一定レベル以上であれば、Ｃ７の両端間の出力は、ローパスフィルタＲ１３，Ｃ８で検出される電力周波数の成分を有し、入力ＭＣＵ６として、ＭＣＵに対応する信号を供給する。アーク放電条件の下、１０ＫＨｚから１５０ｋＨｚまでの範囲内で生成される信号は、コンデンサＣ９により比較器Ｕ３に供給され、Ｕ３は、入力信号がＶｒｅｆ１のレベルを超えるときに、対応する出力パルスを生成する。これらのパルスは、入力ＭＣＵ５として、ＭＣＵに供給される。従って、Ｌ２で駆動される回路は、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの電力周波数の表示（indication）、電力周波数電流の大きさ、一定閾値を上回る電流を有するアーク故障の存在を提供する。

ＭＣＵは、ＭＣＵ１、ＭＣＵ２、ＭＣＵ５及びＭＣＵ６の全てが存在する場合のみ、アーク故障電流を示す出力を生成するように、随意にプログラムすることができる。特に、ＭＣＵ５を用いることで、ＭＣＵは、比較的低い周波数信号と比較的高い周波数信号とを区別することが可能になる。

地絡故障電流の検出をアーク故障電流検出器に含めることが有用である場合があり、これを達成するための手段を、図６に示す。主導体Ｐ１及びＰ２は、変流器ＣＴを貫通し、変流器の出力は、基準電圧Ｖｒｅｆ３に接続され、主導体を流れる残留電流は、入力ＭＣＵ７としてＭＣＵに供給される出力を生成する。ＭＣＵ７が一定閾値を超えると、一定レベルを上回る地絡故障電流が存在することを示す。地絡故障電流検出器は、公知であり、これ以上の説明は必要ではないと考える。

Ｌ１からＭＣＵまでの回路をテストできることも有用である。これは、不図示のテストボタンの手動操作で作動させることができるＭＣＵ出力からのＴＥＳＴによって容易である。テストボタンを作動させると、シリアスなパルスがＴＥＳＴ出力に生成され、これらのパルスは、抵抗Ｒ１０を経てＬ１上のテスト巻線Ｗｌ（図８ａ）に供給される。Ｌ１上のテスト巻線は、一巻き以上の巻線であってよく、Ｌ１上のインダクタの巻線Ｗ１と同じ方向に巻回される。この場合、Ｌ１は、Ｕ１で検出されて増幅される出力を生成し、結果としてＭＣＵ１からの出力となる。テストボタンが操作されてＴＥＳＴパルスが生成されると、ＭＣＵは、他の全てのＭＣＵ入力が存在しなくても、ＭＣＵ１の信号を探し、テスト条件下でＭＣＵ１を検出すると、ＦＡＵＬＴ出力をアクティブにする。

図７は、ＭＣＵへの全ての入力、すなわち、ＭＣＵ１からＭＣＵ７を示す。ＭＣＵは、ＭＣＵ７が一定レベルを超え、且つ一定の期間又は持続期間維持される場合、ＦＡＵＬＴピンに出力を生成する。同様に、ＭＣＵ１及びＭＣＵ５の両方が存在し、且つ一定期間維持される場合に、ＦＡＵＬＴ出力を生成するようにＭＣＵをプログラムすることができ、又は、ＭＣＵ１、ＭＣＵ２及びＭＣＵ５の全てが存在し、且つ一定期間維持される場合に、ＦＡＵＬＴ出力を生成するようにＭＣＵをプログラムすることができ、或いは、ＭＣＵ２、ＭＣＵ３、ＭＣＵ４及びＭＣＵ５の全て、又は、ＭＣＵ１、ＭＣＵ２、ＭＣＵ５及びＭＣＵ６の全てが存在し、且つ一定期間維持される場合に、ＦＡＵＬＴ出力を生成するようにＭＣＵをプログラムすることができる。

本発明は、本明細書に記載される実施形態に限定されず、本実施形態は、本発明の範囲を逸脱せずに変更又は修正することができる。

図１は、直列のアーク故障状態の一例を示しているが、本発明は、大きな修正を行うことなく、並列のアーク故障電流を検出するためにも用いることができる。

図１における電源は、適当な負荷へのＤＣ電源であってよく、×箇所の切断部から生じるアーク故障電流は、信号検出回路１４で検出できるアーク放電信号を依然として生成する。

図２の回路は、ＤＣ電源からの電力供給を受けることができ、前述したように、アーク故障電流信号を検出し、ＭＣＵ１で出力を生成することができる。

ＡＣ主電源への同期化のための図３の回路構成（すなわち、Ｒ９、Ｄ２、ＭＣＵ２）は、ＤＣ用途では、省略することができる。ただし、Ｒ９及びＤ２を省略しても、図４の構成は、ＤＣアーク故障電流の検出にも用いることができる。

図５では、Ｌ２は、ＡＣ負荷電流の大きさの表示を提供し、アーク故障電流から生じる例えば１０ｋＨｚから１５０ｋＨｚの一定周波数範囲にわたる信号を生成するために用いられる。同様の信号が、ＤＣアーク故障電流によっても生成され、必要に応じて、ＤＣ負荷電流の大きさを測定する代替手段を容易に設けることができる。

Claims (8)

1. 少なくとも２つの供給導体を有する電源のためのアーク故障電流検出器であって、
   コイルを含む第１のインダクタであって、当該第１のインダクタは、前記供給導体の少なくとも１つを包囲せずに隣接して配置され、それに誘導的に結合され、当該第１のインダクタは、ＭＨｚ範囲内の周波数に応答する、第１のインダクタと、
   前記第１のインダクタの前記コイルに誘起され、前記電源におけるアーク故障を表す周波数特性を有する信号を検出するために、当該コイルに接続された第１の回路と、
   コイルを含む第２のインダクタであって、当該第２のインダクタは、前記供給導体の少なくとも１つを包囲せずに隣接して配置され、それに誘導的に結合され、当該第２のインダクタは、電源周波数信号と、１０ｋＨｚから１５０ｋＨｚの範囲のアーク放電電流との両方に応答する、第２のインダクタと、
   前記第２のインダクタに接続され、且つ電源周波数電流の大きさの表示、及び、一定閾値を上回る電流によるアーク故障の存在を提供するよう構成された、第２の回路と、を備える、アーク故障電流検出器。
2. 請求項１に記載のアーク故障電流検出器であって、
   前記第１のインダクタの前記コイルに誘起された信号は、比較器の入力に接続されて前記比較器の出力に一連のパルスを生成し、前記パルスは、それらがアーク故障電流を表すか否かを判定するために前記パルスを解析する回路に供給される、アーク故障電流検出器。
3. 請求項２に記載のアーク故障電流検出器において、前記解析する回路が前記比較器からの前記パルスを解析する断続的期間を規定する回路をさらに備える、アーク故障電流検出器。
4. 請求項２又は３に記載のアーク故障電流検出器において、周波数のウインドウを規定する回路をさらに備え、前記解析する回路は、前記ウインドウに発生する周波数でのパルスのみを解析する、アーク故障電流検出器。
5. 請求項４に記載のアーク故障電流検出器において、前記周波数のウインドウは、異なるロールオフ周波数を有する２つのフィルタによって規定され、前記パルスは、それらを前記解析する回路に供給される前に、前記２つのフィルタの両方に供給され、各フィルタの出力は、前記解析する回路に供給される、アーク故障電流検出器。
6. 請求項１に記載のアーク故障電流検出器において、前記少なくとも１つの導体は、前記第２のインダクタの周りにループされている、アーク故障電流検出器。
7. 請求項１に記載のアーク故障電流検出器において、前記少なくとも２つの供給導体が通過する変流器及び巻線をさらに備え、前記供給導体に流れる残留電流が前記巻線から出力を生成し、前記アーク故障電流検出器は、前記巻線に接続され、さらに前記残留電流が一定閾値を超えるときに表示を提供するよう構成された第３の回路を備える、アーク故障電流検出器。
8. 請求項７に記載のアーク故障電流検出器において、前記第１、第２及び第３の回路の出力に動作可能に接続され、且つアーク故障の存在の表示を提供するプログラマブルマイクロコントローラをさらに備える、アーク故障電流検出器。
   

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