JP7086310B1

JP7086310B1 - 直列アーク検出装置および直列アーク検出方法

Info

Publication number: JP7086310B1
Application number: JP2021559196A
Authority: JP
Inventors: 拓哉大久保; 佳正渡邊; 圭内海; 将人山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-06-17
Anticipated expiration: 2041-02-04
Also published as: JPWO2022168231A1; WO2022168231A1

Abstract

直列アーク検出装置（１）は、電路（６）を流れる電流を検出する電流検出部（２）と、電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出する信号抽出部（３）と、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部（４）と、デジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と、パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数とから指標を算出し、複数個の指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出する直列アーク検出部（５）とを備える。

Description

本開示は、直列アーク検出装置および直列アーク検出方法に関する。

電力を供給する回路において、回路の負荷に直列にアーク放電が発生する直列アークという異常が発生することが知られている。直列アークは、他のアーク放電と比べて発生しやすく、かつ検出が難しい。直列アークが発生した場合、回路の電圧および電流が特徴的な周波数成分を有することが知られている。そのため、これを検出するアーク検出装置および検出方法がこれまでに提案されている（例えば特許文献１を参照）。

アーク検出装置において、直列アークに起因する周波数成分とそれ以外に起因する周波数成分とを区別できることが重要である。なぜなら、電路では機器の動作に起因する不要な周波数成分が電圧および電流に重畳するためである。

特許文献１に記載の装置は、直流系統ラインに流れる電流から直流アークノイズ成分が重畳される周波数帯域を含むアナログ信号を抽出し、抽出されたアナログ信号をディジタルデータに変換し、変換されたディジタルデータに窓関数を乗算して、乗算結果のディジタルデータを出力する。この装置は、さらに、乗算結果のディジタルデータを高速フーリエ変換（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ：ＦＦＴ）して、変換結果のディジタルデータを出力し、変換結果のディジタルデータから複数のパワースペクトルを算出し、算出された複数のパワースペクトルをパワーの大きさの順序でソートする。この装置は、さらに、ソートした複数のパワースペクトルから、しきい値処理するデータ領域に含まれる複数のパワースペクトルを抽出した後、抽出した複数のパワースペクトルの少なくとも１つを所定のしきい値と比較し、所定の比率以上のパワースペクトルがしきい値を超えたときに直流アークが発生したと判定する。

この装置によれば、パワーコンディショナのスイッチング周波数によらずに、パワーコンディショナのノイズを除去して、直流アークの発生を検出することができる。

特開２０１５－１４５８４７号公報

特許文献１に記載の装置は、定常的な電流におけるスイッチング周波数と、直列アークに起因する周波数成分とを区別することができる。しかしながら、特許文献１に記載の装置は、パワーコンディショナの挙動および日射変動などの発電条件の変動を誤って直列アークが発生したと判定する可能性がある。

本開示の目的は、直列アークの発生を高い信頼性で検出することができる直列アーク検出装置および直列アーク検出方法を提供することである。

本開示の直列アーク検出装置は、電路を流れる電流を検出する電流検出部と、電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出する信号抽出部と、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、デジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と、パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数とから指標を算出し、複数個の指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出する直列アーク検出部とを備える。

本開示の直列アーク検出方法は、直列アーク検出装置が、電路を流れる電流を検出するステップと、直列アーク検出装置が、電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出するステップと、直列アーク検出装置が、アナログ信号をデジタル信号に変換するステップと、直列アーク検出装置が、デジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と、パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数とから指標を算出し、複数個の指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出するステップとを備える。

本開示の直列アーク検出装置および直列アーク検出方法は、パワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と、パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数とから指標を算出し、複数個の指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出する。これによって、直列アークの発生を高い信頼性で検出することができる。

実施の形態１の直列アーク検出装置１の構成を示すブロック図である。実施の形態１の直列アーク検出部５の構成を示す図である。電路６に流れる電流が定常的である場合におけるパワースペクトルの例を表わす図である。電路６に直列アークが発生した場合におけるパワースペクトルの例を表わす図である。回路の電流が非定常的な場合のパワースペクトルの例を表わす図である。実施の形態１の指標演算部１０の構成を表わす図である。第１指標変数Ｘ１、第２指標変数Ｘ２、および指標Ｙの定性的な挙動を表わす図である。実施の形態１のアーク判定部１１の判定手順を表わすフローチャートである。実施の形態１の直列アーク検出装置１による直列アーク検出の手順を表わすフローチャートである。実施の形態２の直列アーク検出装置１による直列アーク検出の手順を表わすフローチャートである。指標Ｙの変動幅を表わす図である。実施の形態３のアーク判定部１１の判定手順を表わすフローチャートである。実施の形態４の直列アーク検出部５の構成を表わす図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の直列アーク検出装置１の構成を示すブロック図である。直列アーク検出装置１は、電流検出部２、信号抽出部３、アナログ／デジタル変換部（以下Ａ／Ｄ変換部）４、および直列アーク検出部５を備える。

直列アーク検出装置１は、電路６において発生した直列アークを検出する。電路６が太陽光発電設備である場合、直列アーク検出装置１は、一般にパワーコンディショナ（以下、ＰＣＳと略す）等の電力変換装置と接続される。

電流検出部２は、電路６に設置されて、電路６に流れる電流を検出する。電流検出部２は、ある１本の電路６に対して設置される。電流検出部２は、複数の電路の電流を一括して測定するのではない。電流検出部２の具体的な構成は問わないが、電流検出部２は、直列アーク検出に使用する周波数帯を検出できることができるための十分な応答速度を有する。

信号抽出部３は、電流検出部２が検出した電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出する。具体的には、信号抽出部３は、アナログフィルタによって構成される。このアナログフィルタは、直列アーク検出に使用する成分を透過させ、かつ直列アーク検出装置１の動作に悪影響を及ぼす成分を阻止する。例えば、信号抽出部３の後段にはＡ／Ｄ変換部４が設けられているが、Ａ／Ｄ変換時にサンプリング周波数の１／２を超える周波数の信号が入力されるとエリアシングが発生する。信号抽出部３は、このような本来の意図とは異なる動作を防止する機能を有する。

Ａ／Ｄ変換部４は、信号抽出部３から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部４は、直列アーク検出に使用する周波数帯を再現できるサンプリング速度を有する。直列アーク検出に使用する周波数帯の上限は、Ａ／Ｄ変換部４のサンプリング周波数の１／２よりも小さいものとする。好ましくは、Ａ／Ｄ変換部４のサンプリング周波数の１／２は、直列アーク検出に使用する周波数帯の上限よりも十分高いものとしてもよい。Ａ／Ｄ変換部４の後段にデジタルフィルタが設けられてもよい。

直列アーク検出部５は、Ａ／Ｄ変換部４から出力されるデジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域Ｂ１における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数Ｘ１と、パワースペクトルの第２の周波数帯域Ｂ２における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数Ｘ２とから指標Ｙを算出する。直列アーク検出部５は、複数個の指標Ｙに基づいて、直列アークの発生の有無を検出する。

図２は、実施の形態１の直列アーク検出部５の構成を示す図である。
直列アーク検出部５は、窓関数演算部７、ＦＦＴ演算部８、パワースペクトル演算部９、指標演算部１０、およびアーク判定部１１を備える。直列アーク検出部５は、例えばデジタル処理を行う演算装置及びそれを駆動するソフトウェアによって実現可能である。

窓関数演算部７は、測定した各時間帯におけるＡ／Ｄ変換部４の出力信号と窓関数とを乗算する。窓関数演算部７は、後段のＦＦＴ演算部８におけるスペクトルリークの発生を防止する。窓関数には、ハニング、ハミング、およびブラックマン等複数の種類があることが知られているが、窓関数演算部７が使用する窓関数は、それらのいずれであってもよい。

ＦＦＴ演算部８は、窓関数演算部７の出力信号を高速フーリエ変換する。直列アークに特徴的な信号は単一の周波数ではなく幅を有する周波数帯で現れることが知られているため、直列アークの検出には、フーリエ変換が有効である。フーリエ変換の分解能は直列アークに起因する信号を検出できるように設定される。フーリエ変換の出力は一般に複素数になる。よって、ＦＦＴ演算部８の出力は、周波数ごとの実部の数値と虚部の数値との組となる。

パワースペクトル演算部９は、ＦＦＴ演算部８の出力信号から各周波数成分の位相情報を落とした「大きさ」に対応する量を出力する。この出力は、例えば絶対値もしくは絶対値の２乗で表される。この演算における「絶対値の２乗」の出力が一般にパワースペクトルと呼ばれ、各周波数成分がパワーと呼ばれる。

次に、電路６が太陽光発電設備の直流側であり、発電した電力がＰＣＳに入力される場合について説明する。ただし、本実施の形態は、交流の電路に対しても同様に実施可能であり、直流電路とりわけ太陽光発電設備に対象が限られるものではない。

図３は、電路６に流れる電流が定常的である場合におけるパワースペクトルの例を表わす図である。横軸が周波数ｆ、縦軸がパワースペクトルＳ（ｆ）である。一般に直流系統を流れる電流には、ＰＣＳのスイッチング周波数成分が重畳されている。重畳されたスイッチング周波数成分は、パワースペクトルにおいて複数の鋭いピークとして表れる。

図４は、電路６に直列アークが発生した場合におけるパワースペクトルの例を表わす図である。

直列アークに特徴的な成分は、一般に、スイッチング周波数成分よりもパワーが小さく、かつ広い周波数帯に分布することが知られている。そのため、直列アーク検出装置１において、スイッチング周波数成分の影響を抑え、直列アークに起因する成分のみを抽出するデータ処理が行われる。

このようなデータ処理は、通常、一般にスイッチング周波数成分が存在しない周波数帯域に着目する。一般に、直列アーク検出装置は、データ処理によって、スイッチング周波数成分が存在しない周波数帯の成分を抽出することによって指標を計算する。直列アーク検出装置１は、その指標を閾値と比較することによって、直列アークの発生を判定する。直列アークが発生していない場合、このようなスイッチング周波数成分が存在しない周波数帯域のパワーは、ＦＦＴ処理の条件およびセンサのノイズに依存することが知られている。このような指標による直列アーク発生判定においては、過渡的な応答の影響を受けやすいという課題がある。例えば外乱ノイズおよびＰＣＳの過渡的な動作により電流値が変動する。

図５は、回路の電流が非定常的な場合のパワースペクトルの例を表わす図である。
図５に示すように、着目する周波数帯のパワーが上昇することがある。このようなパワースペクトルの形状は、直列アーク発生時のパワースペクトルの形状と類似している。したがって、回路の電流が非定常的な場合には、直列アークを誤って検出する可能性がある。

このような誤検出は、直列アークに起因する成分が現れる周波数帯域と、その他の原因で発生する成分が現れる周波数帯域との違いに着目することによって回避することができる。すなわち、本実施の形態の直列アーク検出装置１は、直列アークが発生した場合に、それに起因する周波数成分が現れる第１の周波数帯域Ｂ１と、直列アークが発生した場合でもそれに起因する周波数成分が現れない第２の周波数帯域Ｂ２とを選定する。直列アーク検出装置１は、第１の周波数帯域Ｂ１と第２の周波数帯域Ｂ２とを直列アーク発生判定のための指標算出に用いることによって、誤検出を回避することができる。一般に、周波数が高いほど、直列アークに起因する成分のパワーが小さくなることが知られている。よって、第１の周波数帯域Ｂ１を第２の周波数帯域Ｂ２よりも低い帯域としてもよい。

直列アーク検出装置１は、第１の周波数帯域Ｂ１から抽出された少なくとも１つの成分に基づく第１指標変数Ｘ１と、第２の周波数帯域Ｂ２から抽出された少なくとも１つの成分に基づく第２指標変数Ｘ２と、係数Ａとを用いて、直列アーク発生判定の指標Ｙを算出することができる。すなわち、数式で表現すると、以下のように表わすことができる。

Ｙ＝ｆ（Ｘ１、Ｘ２、Ａ）・・・（１）
このとき、指標Ｙは、直列アークが発生した場合には大きく変化し、その他の原因による場合には変化が小さくなるように構成される。その一例として、指標Ｙは、以下のような構成が考えられる。

Ｙ＝Ｘ１－Ａ×Ｘ２・・・（２）
指標演算部１０は、直列アークが発生したときのみ特徴的な挙動を示す指標Ｙを出力する。

図６は、実施の形態１の指標演算部１０の構成を表わす図である。
指標演算部１０は、帯域抽出部２１と、第１指標変数計算部２２と、第２指標変数計算部２３と、乗算部２４と、減算部２５と、係数設定部２６とを備える。

帯域抽出部２１は、第１の周波数帯域Ｂ１と、第２の周波数帯域Ｂ２とを抽出する。前述のように、周波数が高くなるほど、直列アークに起因する成分のパワーは小さくなることを利用すると、第１の周波数帯域Ｂ１を第２の周波数帯域Ｂ２よりも低い帯域にすることができる。例えば、第１の周波数帯域Ｂ１は、１０～５０ｋＨｚの範囲とし、第２の周波数帯域Ｂ２を５０～９０ｋＨｚの範囲とすることができる。

第１指標変数計算部２２は、第１の周波数帯域Ｂ１から、少なくとも１つの周波数成分を抽出して、それらの周波数成分に対して演算を実行することによって、第１指標変数Ｘ１を求める。例えば、第１指標変数計算部２２は、第１の周波数帯域Ｂ１から特定の条件を満たす複数個の周波数成分を抽出して、それらの和を第１指標変数Ｘ１として求めることとしてもよい。第１指標変数計算部２２は、第１の周波数帯域Ｂ１から全ての周波数成分を抽出してもよいし、最も大きな周波数成分のみを抽出してもよい。

第２指標変数計算部２３は、第２の周波数帯域Ｂ２から、少なくとも１つの周波数成分を抽出して、それらの周波数成分に対して演算を実行することによって、第２指標変数Ｘ２を求める。例えば、第２指標変数計算部２３は、第２の周波数帯域Ｂ２から特定の条件を満たす複数個の周波数成分を抽出して、それらの和を第２指標変数Ｘ２として求めることとしてもよい。第２指標変数計算部２３は、第１の周波数帯域Ｂ１から全ての周波数成分を抽出してもよいし、最も大きな周波数成分を抽出してもよい。

本実施の形態では、第１指標変数計算部２２および第２指標変数計算部２３の演算方法については特に限定しない。第１指標変数計算部２２および第２指標変数計算部２３は、互いに異なる演算を行ってもよい。

乗算部２４は、係数Ａと第２指標変数Ｘ２とを乗算して、（Ａ×Ｘ２）を出力する。
減算部２５は、第１指標変数Ｘ１から乗算部２４の出力である（Ａ×Ｘ２）を減算することによって、指標Ｙを算出する。

指標Ｙは、直列アーク発生時において、未発生時におけるよりも大きく変動し、その他の要因によるスペクトル変動によっては大きく変化しない。なぜなら、そのような場合、第１指標変数Ｘ１が大きく変動すると同時に第２指標変数Ｘ２も大きく変動するからである。

直列アーク発生時には第１指標変数Ｘ１のみが大きく変動して、第２指標変数Ｘ２には大きな変化がないため、指標Ｙは直列アークが発生したときのみ特徴的な挙動を示すといえる。

非定常な変動において、第１の周波数帯域Ｂ１と第２の周波数帯域Ｂ２とにおいて第１指標変数Ｘ１と第２指標変数Ｘ２とが同じ大きさになるように寄与するとは限らない。そのため、指標Ｙの算出に、係数Ａを使用する。係数Ａを適切に設定することによって、その他の原因によるスペクトル変動時に、第１指標変数Ｘ１の変動と第２指標変数Ｘ２の変動とを打ち消すことができるので、直列アークの誤検出を抑制することができる。

係数設定部２６は、係数Ａの値を設定する。その際、直列アーク未発生時において、電路６を流れる電流を検出することによって得られる第１指標変数Ｘ１および第２指標変数Ｘ２に基づいてもよい。例えば、係数設定部２６は、直列アーク検出のための準備期間ＴＰにおいて、第１指標変数Ｘ１および第２指標変数Ｘ２を取得する。係数設定部２６は、準備期間ＴＰにおける第１指標変数Ｘ１の平均値＜Ｘ１＞と、第２指標変数Ｘ２の平均値＜Ｘ２＞とを算出する。係数設定部２６は、以下のように、第１指標変数Ｘ１の平均値＜Ｘ１＞を第２指標変数Ｘ２の平均値＜Ｘ２＞で除算した値を係数Ａに設定する。

Ａ＝＜Ｘ１＞／＜Ｘ２＞・・・（３）
準備期間ＴＰにおいては、電路６に電流が流れており、かつ直列アークは発生していないものと仮定する。この方法によれば、準備期間ＴＰの間に発生した非定常的な変動のうち、発生頻度が高い変動に起因する誤検出を抑制することができる。なお、このような方法によって係数Ａを定めた場合、直列アークが発生していない場合の指標Ｙの平均値はゼロになる。

図７は、第１指標変数Ｘ１、第２指標変数Ｘ２、および指標Ｙの定性的な挙動を表わす図である。

非定常的な変動の発生時には、第１指標変数Ｘ１の変動が大きく、第２指標変数Ｘ２の変動が大きい。その結果、指標Ｙ（＝Ｘ１－Ａ×Ｘ２）の変動は、小さい。

直列アークの発生時には、第１指標変数Ｘ１の変動が大きく、第２指標変数Ｘ２の変動が小さい。その結果、指標Ｙ（＝Ｘ１－Ａ×Ｘ２）の変動は、大きい。

アーク判定部１１は、複数個の指標Ｙに基づいて、直列アーク発生の有無を判定する。アーク判定部１１は、複数個の指標Ｙのうち、第１の閾値ＴＨ１よりも大きい指標の比率が基準値を超えた場合に、直列アークが発生したと判定する。具体的には、アーク判定部１１は、Ｎ個の時間帯において、Ｎ個の指標Ｙを得る。アーク判定部１１は、各指標Ｙと第１の閾値ＴＨ１とを比較する。アーク判定部１１は、Ｎ個の指標Ｙのうち、第１の閾値ＴＨ１を越えた個数Ｍを求める。アーク判定部１１は、Ｎ個の指標Ｙのうち、第１の閾値ＴＨ１を越えた比率ＲＹ（＝Ｍ／Ｎ）を算出する。アーク判定部１１は、比率ＲＹが基準値ＴＨＲを超えた場合に、「直列アークが発生した」と判定する。

アーク判定部１１は、上述のように構成されているため、直列アーク検出装置１は、Ｎ個の指標Ｙを算出する時間ごとに、直列アークの発生を判定することになる。

図８は、式（２）の指標を採用した場合における、実施の形態１のアーク判定部１１の判定手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ２０１において、アーク判定部１１は、判定回数ｉを１に設定する。また第１の閾値ＴＨ１を超えた回数のカウント値ＣＡを０に設定する。

ステップＳ２０２において、アーク判定部１１は、第iの時間帯における指標Ｙを取得する。

ステップＳ２０３において、指標Ｙが第１の閾値ＴＨ１を超えるときに、処理がステップＳ２０４に進む。なお式（２）と異なり、指標Ｙがアーク発生時に閾値ＴＨ１を下回るように構成されている場合にはＹ＜ＴＨ１の条件で処理がステップ２０４に進むことに注意する。

ステップＳ２０４において、アーク判定部１１は、カウント値ＣＡを「１」だけ増加ささせる。

ステップＳ２０５において、判定回数ｉがＮのときに、処理がステップＳ２０７に進む。判定回数ｉがＮでないときに、処理がステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０６において、アーク判定部１１は、判定回数ｉを１だけ増加させる。その後、処理がステップＳ２０２に戻る。

ステップＳ２０７において、アーク判定部１１は、カウント値ＣＡをＮで除算することによって、比率ＲＹを求める。

ステップＳ２０８において、比率ＲＹが基準値ＴＨＲを超えるときに、処理がステップＳ２０９に進む。比率ＲＹが基準値ＴＨＲ以下のときに、処理がステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２０９において、アーク判定部１１は、「直列アークが発生した」と判定する。

ステップＳ２１０において、アーク判定部１１は、「直列アークが発生してない」と判定する。

図９は、実施の形態１における、図１の直列アーク検出装置１による直列アーク検出の手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ３０１において、電流検出部２は、電路６に流れる電流を検出する。
ステップＳ３０２において、信号抽出部３は、検出した電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出する。

ステップＳ３０３において、Ａ／Ｄ変換部４は、信号抽出部３から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。

ステップＳ３０４において、窓関数演算部７は、各時間帯におけるＡ／Ｄ変換部４の出力信号と窓関数とを乗算する。

ステップＳ３０５において、ＦＦＴ演算部８は、窓関数演算部７の出力信号に対してＦＦＴを実行する。

ステップＳ３０６において、パワースペクトル演算部９は、ＦＦＴ演算部８の出力信号からパワースペクトルを計算する。

ステップＳ３０７において、指標演算部１０は、パワースペクトルの第１の周波数帯域Ｂ１における周波数成分から少なくとも１つの周波数成分を抽出して、抽出した周波数成分に基づいて、第１指標変数Ｘ１を算出する。指標演算部１０は、パワースペクトルの第２の周波数帯域Ｂ２における周波数成分から少なくとも１つの周波数成分を抽出して、抽出した周波数成分に基づいて、第２指標変数Ｘ２を算出する。第１指標変数Ｘ１および第２指標変数Ｘ２に基づいて、直列アークの発生の指標Ｙを算出する。

ステップＳ３０８において、アーク判定部１１は、指標演算部１０から得られる複数の指標Ｙから第１の閾値ＴＨ１を越えた比率ＲＹを求め、基準値ＴＨＲとの比較に基づいて、直列アークの発生の有無を判定する。

以上のように、本実施の形態の直列アーク検出装置１は、パワースペクトルの第１の周波数帯域Ｂ１における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数Ｘ１と、パワースペクトルの第２の周波数帯域Ｂ２における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数Ｘ２とから指標Ｙを算出する。本実施の形態の直列アーク検出装置１は、複数個の指標Ｙに基づいて、直列アークの発生の有無を検出する。これによって、直列アークの発生を高い信頼性で検出することができる。

実施の形態１の変形例．
係数設定部２６は、第２指標変数Ｘ２の値がある一定の大きさを超えた場合における、第１指標変数Ｘ１の平均値＜Ｘ１ｈ＞および第２指標変数Ｘ２の平均値＜Ｘ２ｈ＞を用いて、以下のように係数Ａを設定してもよい。

Ａ＝＜Ｘ１ｈ＞／＜Ｘ２ｈ＞・・・（４）
実施の形態２．
図５に示すような非定常状態の影響を抑制できるものであれば、指標Ｙは、どのようなものでもよい。

実施の形態２では、指標Ｙは、以下のように表されるものとする。
Ｙ＝Ａ×Ｘ１／Ｘ２・・・（５）
図１０は、実施の形態２の指標演算部１０の構成を表わす図である。

実施の形態２の指標演算部１０が、実施の形態１の指標演算部１０と相違する点は、実施の形態２の指標演算部１０が、乗算部２４および減算部２５に代えて、乗算部２４および除算部３１を備える点である。

乗算部３４は、係数Ａと第１指標変数Ｘ１とを乗算して、（Ａ×Ｘ１）を出力する。
除算部３１は、乗算部３４の出力である（Ａ×Ｘ１）を第２指標変数Ｘ２で除算することによって、指標Ｙを算出する。

係数設定部２６は、実施の形態１と同様に、準備期間における第１指標変数Ｘ１の平均値＜Ｘ１＞と、第２指標変数Ｘ２の平均値＜Ｘ２＞とに基づいて、係数Ａを式（３）の逆数によって算出する。

実施の形態１と同様に、準備期間ＴＰにおいては、電路６に電流が流れており、かつ直列アークは発生していないものと仮定する。このような方法によって係数Ａを定めた場合、直列アークが発生していない場合の指標Ｙの平均値は「１」になる。

実施の形態２の変形例．
実施の形態１の変形例と同様に、係数設定部２６は、第２指標変数Ｘ２の値がある一定の大きさを超えた場合における、第１指標変数Ｘ１の平均値＜Ｘ１ｈ＞および第２指標変数Ｘ２の平均値＜Ｘ２ｈ＞を用いて、式（４）の逆数によって、係数Ａを設定してもよい。

実施の形態３．
図１１は、指標Ｙの変動幅を表わす図である。

図１１に示すように、指標Ｙの値が短時間で変動する場合がある。このような場合には、指標Ｙは、直列アーク発生と関係なく第１の閾値ＴＨ１を超える場合がある。このような現象は、パワースペクトルにおいてスイッチング周波数が存在しない周波数帯域のパワーが高い場合に発生する可能性が高い。なぜなら、このような周波数帯域のパワーが大きいと、第１指標変数Ｘ１、および第２指標変数Ｘ２の変動幅も大きくなるためである。

第１指標変数Ｘ１、および第２指標変数Ｘ２の変動幅による誤検出は、直列アーク発生の判定に使用する比率ＲＹを減少することによって抑制できる。実施の形態３では、比率ＲＹを増加させるための判断基準となる第１の閾値ＴＨ１に加えて、比率ＲＹを減少させるための判断基準となる第２の閾値ＴＨ２を定義する。

アーク判定部１１は、複数個の指標のうち、第１の閾値ＴＨ１よりも大きい指標の比率ＲＹ１から、第２の閾値ＴＨ２よりも小さい指標の比率ＲＹ２を減算した比率ＲＹが、基準値ＴＨＲを超えた場合に、直列アークが発生したと判定する。

実施の形態１のように、指標Ｙが式（２）で表される場合に、指標Ｙは、次のように変化する。直列アーク発生時において、指標Ｙは、直列アーク未発生時の値から正の方向に大きく変化する。一方、直列アーク未発生で、かつ変動幅が大きい場合は、指標Ｙは、直列アーク未発生時の平均値「０」を中心にして正負に変動する。よって、アーク判定部１１は、第１の閾値ＴＨ１を正の値に設定し、かつ第２の閾値ＴＨ２を絶対値の大きな負の値に設定する。

図１２は、式（２）の指標を採用した場合における、実施の形態３のアーク判定部１１の判定手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ１０１において、アーク判定部１１は、判定回数ｉを１に設定する。また第１の閾値ＴＨ１を超えた回数のカウント値ＣＡ１を０に、第２の閾値を下回った回数のカウント値ＣＡ２を０に設定する。

ステップＳ１０２において、アーク判定部１１は、第iの時間帯における指標Ｙを取得する。

ステップＳ１０３において、指標Ｙが第１の閾値ＴＨ１を超えるときに、処理がステップＳ１０６に進む。指標Ｙが第１の閾値ＴＨ１以下のときに、処理がステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４において、指標Ｙが第２の閾値ＴＨ２未満のときに、処理がステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５において、アーク判定部１１は、カウント値ＣＡ１を「１」だけ増加させる。

ステップＳ１０６において、アーク判定部１１は、カウント値ＣＡ２を「１」だけ増加させる。

ステップＳ１０７において、判定回数ｉがＮのときに、処理がステップＳ１０９に進む。判定回数ｉがＮでないときに、処理がステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８において、アーク判定部１１は、判定回数ｉを１だけ増加させる。その後、処理がステップＳ１０２に戻る。

ステップＳ１０９において、アーク判定部１１は、カウント値ＣＡ１からカウント値ＣＡ２を減算し、減算結果をＮで除算することによって、比率ＲＹ（＝（ＣＡ１－ＣＡ２）／Ｎ＝ＲＹ１－ＲＹ２）を求める。

ステップＳ１１０において、比率ＲＹが基準値ＴＨＲを超えるときに、処理がステップＳ１１１に進む。比率ＲＹが基準値ＴＨＲ以下のときに、処理がステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１１において、アーク判定部１１は、「直列アークが発生した」と判定する。

ステップＳ１１２において、アーク判定部１１は、「直列アークが発生していない」と判定する。

実施の形態３の変形例．
実施の形態２のように、指標Ｙが式（５）で表される場合に、指標Ｙは、次のように変化する。直列アーク発生時において、指標Ｙは、直列アーク未発生時の値から「１」より大きくなる方向に大きく変化する。一方、直列アーク未発生で、かつ変動幅が大きい場合は、指標Ｙは、直列アーク未発生時の平均値「１」を中心にして変動する。よって、アーク判定部１１は、第１の閾値ＴＨ１を「１」よりも大きな値に設定し、かつ第２の閾値ＴＨ２を「１」よりも小さな値に設定する。アーク判定部１１は、複数個の指標のうち、第１の閾値ＴＨ１よりも大きい指標の比率ＲＹ１から、第２の閾値ＴＨ２よりも小さい指標の比率ＲＹ２を減算した比率ＲＹが、基準値ＴＨＲを超えた場合に、直列アークが発生したと判定する。

実施の形態４．
図１３は、実施の形態４の直列アーク検出部５の構成を表わす図である。

実施の形態３において説明したように、直列アーク以外に起因する指標Ｙの短時間での変動が無視できない場合において、直列アークの誤検出抑制のために、実施の形態４のアーク判定部１１は、第１の閾値ＴＨ１および第２の閾値ＴＨ２を設定する閾値設定部４１を備える。

実施の形態１において説明したように、指標Ｙが式（２）によって表される場合には、閾値設定部４１は、誤差伝播の法則によって、以下の式によって指標Ｙの変動幅ΔＹを求める。

ここで、ΔＸ１は第１指標変数Ｘ１の変動幅、ΔＸ２は第２指標変数Ｘ２の変動幅、ΔＡは係数Ａの変動幅である。

例えば、実施の形態１で記載したように、第１指標変数Ｘ１の平均値＜Ｘ１＞および第２指標変数Ｘ２の平均値＜Ｘ２＞によって、式（３）によって、係数Ａを求める場合には、閾値設定部４１は、平均値＜Ｘ１＞および＜Ｘ２＞を算出する際に合わせて、第１指標変数Ｘ１の標準偏差σ１および第２指標変数Ｘ２の標準偏差σ２を算出してもよい。閾値設定部４１は、算出した標準偏差σ１を式（６）のΔＸ１の値とし、標準偏差σ２を式（６）のΔＸ２の値としてもよい。

係数Ａの変動幅ΔＡは、例えば誤差伝搬の法則によって以下の式のように求めることができる。

閾値設定部４１は、直列アーク未発生時における指標Ｙの変動幅ΔＹに基づいて、第１の閾値ＴＨ１および第２の閾値ＴＨ２を設定する。

第１の閾値ＴＨ１および第２の閾値ＴＨ２は、指標Ｙの変動幅ΔＹと等しくなくてもよい。例えば、変動幅ΔＹがガウス分布に従うと仮定できる場合、変動幅ΔＹは分布の広がりの尺度としての意味を有する。そのためΔＹから指標Ｙがある一定の値より大きくなる確率を計算できる。このような確率に基づいて、第１の閾値ＴＨ１および第２の閾値ＴＨ２を設定すれば、変動幅に起因する誤検出を抑制できる。

例えば、変動幅ΔＹをガウス分布の標準偏差に設定した場合には、直列アークが発生していない場合に、指標Ｙが平均値（＝０）からΔＹまでの範囲よりもずれる確率は約３０％である。指標Ｙが平均値（＝０）から２×ΔＹまでの範囲よりもずれる確率は５％である。指標Ｙが平均値（＝０）から３×ΔＹの範囲よりもずれる確率は０．３％である。

例えば、閾値設定部４１は、指標Ｙの平均値（＝０）に３×ΔＹを加えた値を第１の閾値ＴＨ１に設定してもよい。このように第１の閾値ＴＨ１を設定した場合には、直列アーク未発生時に指標Ｙが第１の閾値ＴＨ１を超える確率が０．３％となるので、誤検出を抑制できる。一方、直列アーク発生時には、指標Ｙは、平均値（＝０）から３×ΔＹまでの範囲よりも大きくずれるので、比率ＲＹを増加させることができる。

また、直列アーク発生時において、指標Ｙの値が正の方向に大きく外れるような場合において、指標Ｙの値が負の方向に大きく外れるときには、直列アーク以外の要因が発生したと判定することもできる。そのために、例えば、閾値設定部４１は、指標Ｙの平均値（＝０）に（－２×ΔＹ）を加えた値を第２の閾値ＴＨ２に設定してもよい。直列アーク以外の要因が発生したときに、指標Ｙは、平均値（＝０）から（－２×ΔＹ）までの範囲よりも大きくずれるので、比率ＲＹを減少させることができる。

実施の形態４の変形例．
実施の形態２において説明したように、指標Ｙが式（５）によって表される場合に、閾値設定部４１は、誤差伝播の法則によって、以下の式によって指標Ｙの変動幅ΔＹを求める。

例えば、実施の形態１で記載したように、第１指標変数Ｘ１の平均値＜Ｘ１＞および第２指標変数Ｘ２の平均値＜Ｘ２＞によって、式（３）によって、係数Ａを求める場合には、閾値設定部４１は、平均値＜Ｘ１＞および＜Ｘ２＞を算出する際に合わせて、第１指標変数Ｘ１の標準偏差σ１および第２指標変数Ｘ２の標準偏差σ２を算出してもよい。閾値設定部４１は、算出した標準偏差σ１を式（８）のΔＸ１の値とし、標準偏差σ２を式（８）のΔＸ２の値としてもよい。

閾値設定部４１は、誤差伝搬の法則により、以下の式によって、係数Ａの変動幅ΔＡを求める。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１直列アーク検出装置、２電流検出部、３信号抽出部、４変換部、５直列アーク検出部、６電路、７窓関数演算部、８ＦＦＴ演算部、９パワースペクトル演算部、１０指標演算部、１１アーク判定部、２１帯域抽出部、２２第１指標変数計算部、２３第２指標変数計算部、２４，３４乗算部、２５減算部、２６係数設定部、３１除算部、４１閾値設定部。

Claims

電路を流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出する信号抽出部と、
前記アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記デジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数から、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数と係数との積を減算した値を指標として算出し、複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出する直列アーク検出部とを備える、直列アーク検出装置。
電路を流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出する信号抽出部と、
前記アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記デジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と係数との積を、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数で除算した値を指標として算出し、複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出する直列アーク検出部とを備える、直列アーク検出装置。
電路を流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出する信号抽出部と、
前記アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記デジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数から、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数と係数との積を減算した値を指標として算出し、複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出する直列アーク検出部とを備え、
前記直列アーク検出部は、
前記デジタル信号と窓関数とを乗算する窓関数演算部と、
前記窓関数演算部の出力を高速フーリエ変換するＦＦＴ演算部と、
前記ＦＦＴ演算部の出力からパワースペクトルを算出するパワースペクトル演算部と、
前記パワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数とを算出し、前記第１指標変数から前記第２指標変数と前記係数との積を減算した値を前記指標として算出する指標演算部と、
前記指標演算部によって算出される複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を判定するアーク判定部と、
を含む、直列アーク検出装置。
電路を流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出する信号抽出部と、
前記アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記デジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と係数との積を、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数で除算した値を指標として算出し、複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出する直列アーク検出部とを備え、
前記直列アーク検出部は、
前記デジタル信号と窓関数とを乗算する窓関数演算部と、
前記窓関数演算部の出力を高速フーリエ変換するＦＦＴ演算部と、
前記ＦＦＴ演算部の出力からパワースペクトルを算出するパワースペクトル演算部と、
前記パワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数とを算出し、前記第１指標変数と前記係数との積を前記第２指標変数で除算した値を前記指標として算出する指標演算部と、
前記指標演算部によって算出される複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を判定するアーク判定部と、
を含む、直列アーク検出装置。
前記指標演算部は、前記第１の周波数帯域において抽出した複数の周波数成分の和を前記第１指標変数として算出し、前記第２の周波数帯域において抽出した複数の周波数成分の和を前記第２指標変数として算出する、請求項３または４に記載の直列アーク検出装置。
前記指標演算部は、直列アーク未発生時において、前記電路を流れる電流を検出することによって得られる前記第１指標変数および前記第２指標変数の値に基づいて、前記係数を設定する、請求項３または４に記載の直列アーク検出装置。
前記指標演算部は、直列アーク未発生時において、前記電路を流れる電流を検出することによって得られる前記第１指標変数の平均値と、直列アーク未発生時において、前記電路を流れる電流を検出することによって得られる前記第２指標変数の平均値の除算で前記係数を設定する、請求項６記載の直列アーク検出装置。
前記アーク判定部は、前記複数個の指標のうち、第１の閾値よりも大きい指標の値の比率が基準値を超えた場合に、直列アークが発生したと判定する、請求項３～５のいずれか１項に記載の直列アーク検出装置。
前記アーク判定部は、前記複数個の指標のうち、第１の閾値よりも大きい指標の比率から、前記第１の閾値未満である第２の閾値よりも小さい指標の比率を減算した値が、基準値を超えた場合に、直列アークが発生したと判定する、請求項３～５のいずれか１項に記載の直列アーク検出装置。
前記指標演算部は、前記第１指標変数から、前記第２指標変数と係数との積を減算した値を前記指標として算出し、
前記アーク判定部は、前記複数個の指標のうち、第１の閾値よりも大きい指標の比率から、前記第１の閾値未満である第２の閾値よりも小さい指標の比率を減算した値が、基準値を超えた場合に、直列アークが発生したと判定し、
前記第１の閾値は、正の値であり、前記第２の閾値は、負の値である、請求項３～５のいずれか１項に記載の直列アーク検出装置。
前記指標演算部は、前記第１指標変数と係数との積を前記第２指標変数で除算した値を前記指標として算出し、
前記アーク判定部は、前記複数個の指標のうち、第１の閾値よりも大きい指標の比率から、前記第１の閾値未満である第２の閾値よりも小さい指標の比率を減算した値が、基準値を超えた場合に、直列アークが発生したと判定し、
前記第１の閾値は、「１」よりも大きな値であり、前記第２の閾値は、「１」よりも小さな値である、請求項３～５のいずれか１項に記載の直列アーク検出装置。
前記アーク判定部は、直列アーク未発生時における前記指標の変動に基づいて、前記第１の閾値および前記第２の閾値を設定する、請求項９に記載の直列アーク検出装置。
前記第１の周波数帯域は、前記第２の周波数帯域よりも、低い帯域である、請求項１～１２のいずれか１項に記載の直列アーク検出装置。
前記第１の周波数帯域が１０～５０ｋＨｚの範囲であり、第２の周波数帯域が５０～９０ｋＨｚの範囲である、請求項１３に記載の直列アーク検出装置。
直列アーク検出装置が、電路を流れる電流を検出するステップと、
前記直列アーク検出装置が、前記電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出するステップと、
前記直列アーク検出装置が、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するステップと、
前記直列アーク検出装置が、前記デジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数から、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数と係数との積を減算した値を指標として算出し、複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出するステップとを備え、
前記直列アークの発生の有無を検出するステップは、
前記デジタル信号と窓関数とを乗算するステップと、
前記乗算の結果を高速フーリエ変換するステップと、
前記高速フーリエ変換の結果からパワースペクトルを算出するステップと、
前記パワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数とを算出し、前記第１指標変数から前記第２指標変数と前記係数との積を減算した値を前記指標として算出するステップと、
前記指標を算出するステップによって算出される複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を判定するステップと、
を含む、直列アーク検出方法。
直列アーク検出装置が、電路を流れる電流を検出するステップと、
前記直列アーク検出装置が、前記電流から直列アークに起因する周波数成分が重畳される周波数帯を含むアナログ信号を抽出するステップと、
前記直列アーク検出装置が、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するステップと、
前記直列アーク検出装置が、前記デジタル信号に基づいて得られるパワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と係数との積を、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数で除算した値を指標として算出し、複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を検出するステップとを備え、
前記直列アークの発生の有無を検出するステップは、
前記デジタル信号と窓関数とを乗算するステップと、
前記乗算の結果を高速フーリエ変換するステップと、
前記高速フーリエ変換の結果からパワースペクトルを算出するステップと、
前記パワースペクトルの第１の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第１指標変数と、前記パワースペクトルの第２の周波数帯域における少なくとも１つの周波数成分に基づく第２指標変数とを算出し、前記第１指標変数と前記係数との積を前記第２指標変数で除算した値を前記指標として算出するステップと、
前記指標を算出するステップによって算出される複数個の前記指標に基づいて、直列アークの発生の有無を判定するステップと、
を含む、直列アーク検出方法。
前記直列アークの発生の有無を判定するステップは、前記複数個の指標のうち、第１の閾値よりも大きい指標の比率から、前記第１の閾値未満である第２の閾値よりも小さい指標の比率を減算した値が、基準値を超えた場合に、直列アークが発生したと判定するステップを含む、請求項１５または１６に記載の直列アーク検出方法。