JPH1062486A - 交流回路の直列アーク故障検出装置 - Google Patents
交流回路の直列アーク故障検出装置Info
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- JPH1062486A JPH1062486A JP9113521A JP11352197A JPH1062486A JP H1062486 A JPH1062486 A JP H1062486A JP 9113521 A JP9113521 A JP 9113521A JP 11352197 A JP11352197 A JP 11352197A JP H1062486 A JPH1062486 A JP H1062486A
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Abstract
二次導関数を表わす二次導関数信号を発生させる。この
信号に第1のパルス(17)と,そのパルスの所定時間
経過後に開始される所定持続時間の区間内に第1のパル
スとは反対極性の第2のパルス(19)が含まれる場
合,直列アーク故障を指示する出力信号(184)が発
生する。
Description
列アークの検出及びその遮断に関する。
ークと直列アークの2つの種類がある。
であり,導体上の絶縁物がすり切れるか穿孔が生じた場
合に起こることがある。かかる並列アーク故障が発生す
ると,典型的な回路遮断器のピックアップ電流値よりも
通常は低いがかなりの大きさの電流が流れることがあ
る。この現象は,アーク電流により生じる反発力が導体
を一時的に引き離し消弧する傾向があるため間欠的であ
る。このため,並列アークはスパッタリングアークと呼
ばれることが多い。
断状態か,接続不良か,または接続部が緩んだ状態にあ
る時単一の導体に生じるものである。直列アークの電流
は負荷に左右されるが,ミリアンペアの範囲である。線
間アークまたは接地アークを検出する従来の方法及び装
置はそれなりに有効である。しかしながら,低レベルの
アークが負荷と直列に発生している場合,これらの技術
で検出するのは不可能である。その理由は,これら従来
の技術の感度をただ増加させるには2つの障害があるか
らである。即ち,感度を増加させると,さらに多くの負
荷または負荷の組合せにより誤トリップが生じる可能性
がある。加えて,低電流では,主としてアークを吹き離
すには電流レベルが低すぎ,電流が零交差点の不連続部
分を除き連続であるため,電流波形が高電流で発生する
波形と異なる。直列アークを検出しようとする従来の試
みは主としてアーク電流の高周波数成分を分析すること
を主眼としている。かかる方法はこの高周波数成分の種
々の良さの指数(figures of merit)の分析を含むのが普
通である。しかしながら,この方法には幾つかの問題点
がある。まず第1に,例えばコンピュータのような負荷
の多くは入力に容量性フィルタを含むが,変圧器入力を
有するモータ或いはオーディオ装置のような負荷は電気
系統に対して誘導性インピーダンスと成る。かかる負荷
はアーク電流の高周波成分をフィルタリングにより除去
する。さらに,アーク電流の高周波数成分を分析するこ
れらアーク検出器の多くはマイクロプロセッサを必要と
するため,広範囲に利用されるためにはコストが高すぎ
る。
障を検出する改良型装置及び方法を提供すると言う課題
がある。
モータ負荷を含む普通の負荷の任意なものを給電する交
流回路に使用可能な直列アーク故障検出装置及び方法を
提供すると言う課題がある。
の箇所に生じてもかかるアークを検出できる直列アーク
検出方法及び装置を提供すると言う課題がある。
なかかる直列アーク故障検出方法及び装置を提供すると
言う課題がある。
トの改良型アーク故障検出装置及び方法を提供すると言
う課題がある。
が交流電流に認識可能で予測可能な歪みを発生させると
いう発見に基づく本願発明により解決される。電圧がア
ーク電圧以下になる各半サイクルの間電流は零になり,
電圧が次の半サイクルにおいて再びアーク電圧以上にな
るまで零のままである。アーク電圧は通常,一定である
ため,交流波形の不連続部分は零交差ごとに規則的に繰
り返し発生する。これらの不連続部分により電流の二次
導関数には反対極性のパルスが発生する。パルスの極性
は零交差時において2つの方向,即ち反転する。零交差
時に発生する2つのパルスの間隔は零交差時の不連続部
分の長さに等しい。この時間はアーク電圧,線電圧及び
線周波数の関数であり,電流レベルの線形関数ではな
い。従って,この現象を利用すると,広い範囲の電流振
幅に亘りアーク故障を検出できる。
流を感知してその電流の二次導関数を表わす二次導関数
信号を発生させる。叙上のように,この信号は時間的に
離隔した互いに反対極性のパルス対を含む。かくして,
二次導関数信号のパルス間のタイミングに応じて出力信
号を発生させる手段を設ける。詳説すると,電流信号の
二次導関数に第1のパルスが発生して所定時間経過した
後に開始される所定長さの区間内に第1のパルスとは反
対極性の第2のパルスが発生すると,アーク故障を知ら
せる出力信号が発生される。
波形を発生させることが知られている。ランプの調光装
置と,例えばテレビ受像機に用いられるような全波整流
器と容量性入力フィルタを用いる電源である。この電源
が発生させる波形は,電源投入時における非常に短い時
間周期を除き直列アークよりも長い不連続部分をもつも
のと予想できる。従って,本発明の好ましい実施例で
は,互いに反対極性のパルス対が所定のタイミングで繰
り返し発生するパターンが感知される場合に限りアーク
を示す出力信号を発生させる手段を用いる。
数信号は,零交差時において極性が交番する3つのパル
スを有する。第1と第2のパルスの間の間隔は調光装置
の設定の関数であり,従って直列アークについて予想さ
れるタイミングの範囲内にある。しかしながら,第2の
第3のパルスは常に非常に接近している。従って,本発
明の装置は,第3のパルスが第2のパルスの後の所定持
続時間の区間内で発生すればアークを示す出力信号の発
生を阻止する手段を含む。加えて,第1のパルスの後で
あるがその区間の前に別のパルスが発生してもその出力
信号の発生がブロックされる。
向だけの或いは両方向における極性の変化を検出する手
段を含む。後者の場合,零交差時におけるパルスの両方
向における極性の変化に応答する手段によって出力信号
が発生する場合に限り最終的な出力信号を発生させる手
段を設けることができる。
つき詳細に説明する。
に関連する波形を示す。図1(A)は交流電気系統の電
流を示す。交流電気系統の電圧がアーク電圧(120ボ
ルトの系統では通常,約20乃至30ボルト)以下にな
ると,図1(A)の3に示すように電流が中断する。電
圧が次の半サイクルにおいてアーク電圧よりも高くなり
アークが再点弧するまで,電流は零のままである。かく
して,点5におけるアーク再点弧後に電流が生じる。
数を図1(B)の7で示す。図示のように,電流の遮断
時と,再発生時に実質的なステップ状部分9及び11が
生じる。図1(C)はアーク電流の二次導関数13を示
す。この二次導関数信号13は,アークの遮断時及び再
点弧時の電流の不連続部分に起因する一対のパルス1
7,19(総称して15)を含んでいる。これらのパル
ス17,19は互いに反対極性である。また極性変化の
方向は零交差の方向に左右される。換言すれば,極性変
化の方向は半サイクルごとに逆転する。
置は,直列アークが発生させる波形によく似た波形を発
生させる。調光装置は,負荷に供給される電力を抑制す
るために交流電圧の各半サイクルの間スイッチング装置
の導通を遅延させる。電力をある範囲に亘って設定でき
るようにするため位相遅延角は選択可能であるのが普通
である。このスイッチングの遅延により,図2(A),
(B),(C)に示すような波形が生じる。図2(A)
は調光装置の電流波形21を示す。図示のごとく,この
電流は半サイクルの終点である23においてオフとな
り,25において調光装置のスイッチが再びオンになる
まで零のままであり,その後点27において急激に増加
した後,再び正弦波形となる。図2(B)は調光装置の
電流の一次導関数29を示す。図示のごとく,その一次
導関数は値が零になる所で不連続部分31を有し,また
33においてスパイクを含む。図2(C)は調光装置の
電流の二次導関数を示す波形35である。図示のごと
く,調光装置の電流の二次導関数は電流が零になる所で
小さなパルス37を有し,その後零のままである。そし
て,電流が最初に流れ初めて急激に増加する所で第1の
パルス41を,また正弦波形に移行する所で第2のパル
ス43を有する。図示のごとく,パルス41と43は互
いに反対極性である。また,パルス37と41も互いに
反対極性であることが分かる。
ク故障により生じる電流の二次関数の第2のパルス19
が第1のパルスとは反対極性で第1のパルスから予想可
能な時間の後生じるという事実を利用するものである。
従って,かかるパルスは,交流電気系統の電流の二次導
関数において第1のパルスから所定時間経過後に開始さ
れる時間窓の間に生じる第1のパルスとは反対極性の第
2のパルスを探すことにより検出できる。図2(C)を
参照して,調光装置は時間的に離隔した極性が反対の一
対のパルス37,41を発生させることが分かる。パル
ス41及び43もまた互いに反対極性のパルス対である
が,それらは常に間髪を入れずに発生する。しかしなが
ら,パルス37と41の間のタイミングはパルス17と
19を検出するための窓の中に入る。直列アーク故障を
調光装置から判別するために,本発明は調光装置の電流
の二次導関数の第2のパルス41の直ぐ後に生じる第3
のパルス43を探す。また,第2のパルスが第1のパル
スの直後に生じる状態を無視する。
ろう一本の導体105を有する交流電気系統103の直
列アーク故障を検出するため本発明に従って構成された
アーク故障検出装置101の実施例を示す。感知回路1
07は導体105を流れる電流の二次導関数を感知す
る。この感知回路107は変流器109を有し,この変
流器は低μで磁束飽和レベルが高い粉末状の鉄のような
材料の鉄心を用いて電流信号の一次導関数di/dtを
発生させる。電流のこの一次導関数信号は,分路キャパ
シタ113及び抵抗115よりなる帯域幅リミッタ11
1により帯域幅を制限される。直列のキャパシタ119
及び抵抗121より成る微分器117は電流信号の二次
導関数di2/dtを発生させる。フィードバック抵抗
127とフィードバックキャパシタ129を有する演算
増幅器125より成る回路123は帯域幅をさらに制限
する。背面接続の2つのツェナーダイオード131は,
二次導関数信号di2/dtの大きなパルスによる演算
増幅器125の飽和を防止する。キャパシタ133は6
0ヘルツの雑音をさらに減衰させる。演算増幅器125
の入力に接続したキャパシタ135は無線周波数雑音信
号を抑制する。
スは広い動的レンジを有することがあるから,フィード
バック抵抗141と入力抵抗143を有する演算増幅器
139より成る増幅段137を設ける。また,背面接続
されたツェナーダイオード145は演算増幅器139が
大きなパルスにより飽和するのを防止し,またキャパシ
タ147は無線周波数雑音信号を抑制する。
149,151を有し,これらのコンパレータは増幅器
段137の出力をそれぞれ6.5ボルト及び19.5ボ
ルトの基準電圧と比較する。演算増幅器125及び13
9には+13ボルトのバイアスが印加されているため,
コンパレータ149の非反転入力とコンパレータ151
の反転入力に印加される信号は二次導関数信号が零の時
は13ボルトである。かかる条件下において,コンパレ
ータ149,151の出力は高レベルにあり,コンパレ
ータ149の出力の反転MINUS信号はプルアップ抵
抗153により13ボルトまで引き上げられる。同様
に,コンパレータ151の出力の反転PLUS信号もプ
ルアップ抵抗155により13ボルトまで引き上げられ
る。演算増幅器139の出力の二次導関数信号di2/
dtの正のパルスは6.5ボルトの絶対しきい値よりも
高いため,同様に,反転PLUS信号は低レベルとな
る。絶対値が6.5ボルト以上の負のパルスは反転MI
NUS信号を低レベルにする。かくして,反転PLUS
信号及び反転MINUS信号は通常,高レベルである
が,二次導関数信号di2/dtの正及び負のパルスに
それぞれ応答して瞬間的に低レベルとなる。
ルスの極性変化が所定の方向でありそれらの間のタイミ
ングが所定の関係にある場合それに応答してアークを示
す出力信号を発生する信号発生回路157を示す。反転
PLUS信号は第1の単安定マルチバイブレータタ15
9のB入力に印加される。反転PLUS信号の負または
後方の縁部は単安定マルチバイブレータ159によるタ
イミングを始動させ,第1のタイミング区間を画定す
る。これにより単安定マルチバイブレータ159のQ出
力が高レベルとなる。単安定マルチバイブレータ159
がタイムアウトするとそのQ出力が低レベルとなり,第
2の単安定マルチバイブレータ161をトリガーして第
2のタイミング区間を開始する。これが直列アーク故障
の場合反対極性の第2のパルスが現れるタイミング区間
である。
ロップ163を有し,そのリセット入力Rには第2の単
安定マルチバイブレータ161の反転Q出力が接続され
ている。単安定マルチバイブレータ161の反転Q出力
は通常,第2のタイミング区間にある間を除き高レベル
であるため,R−Sフリップフロップ163のQ出力は
通常,低レベルである。R−Sフリップフロップ163
のS入力は負の論理NAND回路165に接続され,こ
のNAND回路には入力として第2の単安定マルチバイ
ブレータ161の反転Q出力と,反転MINUS信号が
印加される。この反転MINUS信号は,直列抵抗16
9と分路キャパシタ171を含む遅延回路167を介し
て加えられる。負の論理NAND回路165は第2のタ
イミング区間の間,第2の単安定マルチバイブレータ1
61の反転Q出力によってのみ許容状態にされる。第2
のタイミング区間の間に二次導関数信号di2/dtに
負のパルスが発生すると(反転MINUS信号が低レベ
ルになると),R−Sフリップフロップ163のS入力
が高レベルとなり,R−SフリップフロップのQ出力を
高レベルにセットする。遅延回路167は,この第2の
タイミング区間に第3のパルスの発生がないことが判明
するまで,R−Sフリップフロップ163のセットを防
止する。この状態は,一方の入力に反転PLUS信号
を,もう一方の入力に第2の単安定マルチバイブレータ
161の反転Q出力を有する負の論理NAND回路17
3を含む回路により検出される。従って,負の論理NA
ND回路173の出力はこの第2のタイミング区間の間
は通常,零である。負の論理NAND回路173のこの
出力はNOR回路175の入力となり,このNOR回路
は第2の入力は負の論理NAND回路177の出力を受
ける。このNAND回路177は後述するように,第2
のタイミング区間の間低レベルである。かくして,通
常,第2のタイミング区間の間,NOR回路175の出
力は高レベルであり,これにより第1及び第2の単安定
マルチバイブレータ159,161の反転R入力が高レ
ベルに維持される。第2のタイミング区間の間反転PL
US信号が低レベルになって第2のタイミング区間に第
2のパルスが発生したか或いはタイミング開始後第3の
パルスが発生したことが指示されと,負の論理NAND
回路173の出力は高レベルとなり,NOR回路175
の出力が低レベルとなって,両方の単安定マルチバイブ
レータ159,161がリセットされる。第2の単安定
マルチバイブレータ161がリセットされると,その反
転Q信号が高レベルとなり,R−Sフリップフロップ1
63をリセットし,また負の論理NAND回路165を
非作動状態にして,遅延回路167がタイムアウトした
後,反転MINUS信号がR−Sフリップフロップをセ
ットするのを防止する。
スの発生が早すぎる場合,即ち第1のタイミング区間内
で発生した場合,タイミングを終了させる。この第1の
タイミング区間の間,負の論理NAND回路177は第
1の単安定マルチバイブレータ159からの反転Q信号
により許容状態にある。反転MINUS信号は第1のタ
イミング区間の間通常は,高レベルにあり,そのため負
の論理NAND回路177の出力が低レベルである。し
かしながら,反転MINUS信号が低レベルとなり,二
次導関数信号di2/dt中に第2のパルスが発生した
ことが指示されると,負の論理NAND回路177の出
力は高レベルとなり,単安定マルチバイブレータ15
9,161をNOR回路175を介してリセットする。
高レベルとなって,第1のパルスの所定時間(第1のタ
イミング区間)経過後に開始される区間(第2のタイミ
ング区間)内に正のパルスに続いて負のパルスが検出さ
れたことが指示されると,出力信号発生器162の一部
を形成する第3の単安定マルチバイブレータ179がタ
イミング区間のカウントを開始する。R−Sフリップフ
ロップ163のこの出力はまたカウンタ181をクロッ
クする。R−Sフリップフロップ163が単安定マルチ
バイブレータ179により設定されたタイミング区間の
間にパルスを発生するたびにカウンタ181のカウント
が増加する。単安定マルチバイブレータ179がタイム
アウトすると,その反転Q出力が高レベルとなりカウン
タ181をリセットする。カウンタ181の複数の出力
183の内の所定のものがアーク故障を示す出力信号1
84を構成する。この所定の出力のカウントは,正のパ
ルスに続いて単安定マルチバイブレータ179により設
定されるタイミング区間の間に負のパルスが発生した事
象の回数を示す。
di2/dtに正のパルスの後所与のタイミング区間内
に負のパルスが発生した事象の回数をカウントするだけ
である。従って,負から正への零交差の間に起こる事象
をカウントするだけで,1サイクルにつき1回である。
図4の反転PLUS信号と反転MINUS信号入力を逆
にすると,反対方向の零交差の間に生じる事象を検出で
きる。再び,これは交流の各サイクルに1回の事象をカ
ウントするだけである。直列アーク検出器の信頼性を向
上させるために,半サイクルごとに二次導関数信号di
2/dtに発生する互いに反対極性のパルスを検出でき
るようにする。これは図4の回路を二重に設け,反転P
LUS信号と反転MINUS信号の入力を逆にしてそれ
ぞれのR−Sフリップフロップの出力を共通のタイマー
又は単安定マルチバイブレータ179及びカウンタ18
1に接続することにより達成できる。さらに簡単な構成
は図5に示すような逆転回路185を設けることであ
る。この逆転回路185は4つのCMOSスイッチ18
7,189,191,193を有する。スイッチ187
は反転PLUS信号を出力Aに接続し,一方スイッチ1
89は同じ信号を出力Bに接続する。同様に,スイッチ
191は反転MINUS信号を出力Aに接続し,スイッ
チ193は同じ信号を出力Bに接続する。スイッチ18
7と193はカウンタ181のQ1出力が高レベルにな
ると同時に閉じられるため,このカウントが高レベルの
時,反転PLUS信号が出力Aに接続され,反転MIN
US信号が出力Bに接続される。インバータ195はス
イッチ189,191をオンにしてカウンタのカウント
の1つおきに反転PLUS信号と反転MINUS信号を
逆転させる。これらの出力A,Bは図4の信号発生回路
157の入力A,Bに接続されるため,交流電流の両方
向の零交差時に起こる事象が検出されることが分かる。
この場合,単安定マルチバイブレータ179により決ま
るタイミング区間の間のカウンタ181のカウントは,
1つの方向の零交差時に生じる事象の最初に説明したカ
ウントの二倍となる。
直列アークを指示するものとして使用できる。また,回
路遮断器に組み込むことによって直列アークに応答して
トリップ信号を発生させることも可能である。さらに,
米国特許第5,224,006号に開示したような並列
アーク故障検出器にと共に使用することもできる。
が,当業者にとっては本願の開示全体に照らして種々の
変形例及び設計変更が想到されることであろう。従っ
て,開示した特定の構成は例示の目的をもつものに過ぎ
ず,本発明の技術的範囲を限定するのでなく,技術的範
囲として頭書した特許請求の範囲の全幅及びその均等物
の範囲を与えられるべきである。
電気系統の直列アークにより発生する電流波形,その一
次導関数及び二次導関数をそれぞれ示す。
電気系統により付勢される調光装置が発生する電流波
形,その一次導関数及び二次導関数をそれぞれ示す。
示す。
示す。
4の回路の一部を示す。
Claims (17)
- 【請求項1】 交流回路の交流電流の二次導関数を感知
して直列アーク故障のような交流電流の不連続部分に応
答するパルスを含む二次導関数信号を発生する感知手段
と,二次導関数信号の前記パルスが所定のタイミングで
発生するのに応答して直列アーク故障を示す出力信号を
発生する信号発生手段とよりなる交流回路の直列アーク
故障検出装置。 - 【請求項2】 前記感知手段は各対が第1のパルスとそ
の後に発生する第2のパルスとより成るパルス対を含ん
だ二次導関数信号を発生し,前記信号発生手段は第2の
パルスが第1のパルスの所定時間経過後に開始される所
定持続時間の区間内で発生する場合にのみ前記出力信号
を発生する手段より成ることを特徴とする請求項1の検
出装置。 - 【請求項3】 前記信号発生手段は,二次導関数信号が
前記区間内で発生するさらに別のパルスを含む場合前記
出力信号の発生を阻止する手段を含むことを特徴とする
請求項2の検出装置。 - 【請求項4】 出力信号の発生を阻止する前記手段は,
二次導関数信号の前記区間内ではさらに別のパルスが発
生しないことが判明するまで前記出力信号の発生を遅ら
せる手段を含むことを特徴とする請求項3の検出装置。 - 【請求項5】 前記信号発生手段は,第2のパルスが前
記区間の前で発生する場合も前記出力信号の発生を阻止
する手段を含むことを特徴とする請求項3の検出装置。 - 【請求項6】 前記信号発生手段は,第2のパルスが前
記区間の前で発生する場合も前記出力信号の発生を阻止
する手段を含むことを特徴とする請求項2の検出装置。 - 【請求項7】 前記感知手段が発生する二次導関数信号
に含まれる第1及び第2のパルスは直列アーク故障に応
答する場合は極性が互いに反対であり,出力信号を発生
させる前記信号発生手段は第2のパルスの発生が前記区
間内でありその極性が第1のパルスとは反対の場合に限
り前記出力信号を発生する手段より成る請求項2の検出
装置。 - 【請求項8】 前記信号発生手段は,第1のパルスが第
1の極性であり,第2のパルスがその反対の極性である
場合に限り前記出力信号を発生することを特徴とする請
求項7の検出装置。 - 【請求項9】 前記信号発生手段は,第1のパルスの後
で前記区間の前に任意の極性のさらに別のパルスが発生
すると前記出力信号発生手段が出力信号を発生するのを
阻止する手段を含むことを特徴とする請求項7の検出装
置。 - 【請求項10】 前記信号発生手段は,第1のパルスが
第1の極性を有し,第2のパルスが第1の極性とは反対
の第2の極性で前記区間内で発生する場合に第1の事象
信号を発生する第1の手段と,第1のパルスが第2の極
性を有し,第2のパルスが第1の極性で前記区間内で発
生する場合に第2の事象信号を発生する第2の手段とよ
り成り,前記出力信号発生手段は所与の時間周期内に所
定数の第1及び第2の事象信号が発生する場合にのみ前
記出力信号を発生することを特徴とする請求項7の検出
装置。 - 【請求項11】 前記出力信号発生手段は,第1及び第
2の事象信号をカウントする手段と,そのカウントが所
与の時間周期内に所定数に達すると前記出力信号を発生
する手段とを含むことを特徴とする請求項7の検出装
置。 - 【請求項12】 前記信号発生手段は,第2のパルスが
第1のパルスの後前記区間内で発生する回数をカウント
する手段と,そのカウントが所与の時間周期内に所定数
に達する場合に限り前記出力信号を発生する手段とより
成る請求項1の検出装置。 - 【請求項13】 交流回路の直列アーク故障を検出する
方法であって,アーク故障のような不連続部分に応答す
るパルスを含む交流回路を流れる電流の二次導関数を表
わす二次導関数信号を発生させ,二次導関数信号のパル
ス間のタイミングを測定し,パルス間に所定のタイミン
グが存在するとそれに応答してアーク故障を示す出力信
号を発生させるステップより成る検出方法。 - 【請求項14】 出力信号を発生させる前記ステップ
は,第1のパルスが発生した後所定時間経過後に始まる
所定持続時間の区間内で第2のパルスが発生する場合に
のみ前記出力信号を発生させるステップより成る請求項
13の方法。 - 【請求項15】 出力信号を発生させる前記ステップ
は,第2のパルスが第1のパルスとは反対の極性である
場合にのみ前記出力信号を発生させるステップより成る
請求項14の方法。 - 【請求項16】 出力信号を発生させる前記ステップ
は,前記区間内で第3のパルスが発生すると前記出力信
号の発生を阻止することを特徴とする請求項14の方
法。 - 【請求項17】 出力信号を発生させる前記ステップ
は,第2のパルスが第1のパルスの後,前記区間の前に
発生すると前記出力信号の発生を阻止することを特徴と
する請求項14の方法。
Applications Claiming Priority (2)
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