JPH11504500A - アーク故障検出システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 公益施設の電力変圧器に接続された線路導体を有する配電系統内のアーク故障検出システム。本システムは線路導体の電流変化率を監視して変化率を表す信号を発生する。本システムは変化率が選定されたしきい値を越える度にパルスを発生し、変化率信号および／もしくはパルスを濾波して選定された周波数範囲外の電流の変化を表す信号やパルスを実質的に排除し、残りのパルスを監視して選定された時間間隔内に生じるパルス数が予め選定されたしきい値を越える時を検出し、選定された時間間隔内にしきい値を越えるパルス数の発生に応答してアーク故障検出信号を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】 アーク故障検出システム関連出願の相互参照 本出願は１９９５年３月１３日に出願した特許出願第０８／４０２，６８７号 “選定されたアーク故障信号の阻止装置および方法”、１９９５年３月１３日に 出願した特許出願第０８／４０２，６００号“電圧感知アーク故障検出器および 検出方法”、１９９５年３月１３日に出願した特許出願第０８／４０２，５７５ 号“アーク故障検出システムおよび検出方法”、１９９５年３月１３日に出願し た特許出願第０８／４０３，０８４号“アーク故障検出器のテスト装置およびテ スト方法”、および１９９５年３月１３日に出願した特許出願第０８／４０３， ０３３号“電流感知アーク故障検出器および検出方法”の一部継続出願である。 前記した各出願は本発明と譲受人が同じであり、その各々の全体が本開示の一 部としてここに組み入れられている。発明の分野 本発明は電気回路の保護に関し、特に、従来の回路遮断器では典型的に無視さ れている危険なアーク故障の検出に関する。発明の背景 住居、商業および産業応用における電気系統には通常公益施設から受電するた めの分電盤が使用されている。電力は過電流保護装置を通って１つ以上の負荷へ 給電する指示された分岐回路へ送られる。典型的には、これらの過電流装置は、 負荷へ給電する導体の限界を越える場合に電流を遮断するように設計されたサー キットブレーカやヒューズ等の遮断器である。回路を遮断することにより、火災 が発生して怪我をする危険性や財産の損害を被る可能性が低減される。 サーキットブレーカはリセット機構により再使用できるため、好ましい種類の 回路遮断器である。典型的には、電流過負荷や地絡等の断路やトリップ状態によ る電気回路の遮断がサーキットブレーカにより行われる。電流がトリップ電流に よって決まる時間だけブレーカの連続定格を越える時に電流過負荷状態が生じる 。 地絡故障トリップ状態は線路導体と接地導体等の中性線導体間を流れる電流の不 平衡、電流経路を地絡させる人間、もしくは大地へのアーク故障により生じる。 アーク故障は、一般的に、切断した導体の終端間、負荷へ給電する２本の導体 間、もしくは導体と大地間のイオン化されたガス中を流れる電流として定義され る。サーキットブレーカをトリップさせないアーク故障により重大な問題が生じ る。アーク故障電流レベルは分岐や負荷インピーダンスによりサーキットブレー カのトリップ曲線設定値よりも低いレベルまで低減することができる。さらに、 接地された導体や人間に接触しないアーク故障により地絡保護回路はトリップさ れない。 アーク故障を生じる状況は沢山ある。例えば、腐食、摩耗もしくは経年変化し た配線や絶縁、緩んだ接続、絶縁を貫通する釘やステープルにより損傷した配線 、および繰り返し過負荷、雷撃等による電気的応力等である。これらの故障によ り導体絶縁が損傷して許容できない温度に達することがある。近くに可燃材があ る場合には、アーク故障により火災が発生することがある。 “擬似”アーク故障を生じる状況も沢山ある。例えば、配電系統の１つの分岐 回路にアーク故障が発生すると、ロードセンターを介して分岐回路間に直列経路 が作り出されるため、別の分岐回路に擬似故障信号が生じる場合が多い。その結 果、２つ以上の分岐回路の回路遮断器が誤トリップする。もう１つの例は、アー ク故障のように見える高周波外乱を電気回路内に生じる、アーク溶接器、電気ド リル等のノイズの多い負荷である。発明の要約 従来の回路遮断器では無視されているアーク故障状況を確実に検出するアーク 故障検出システムおよび方法を提供することが本発明の目的である。 本発明のもう１つの目的は、最小のコストで既存の住居、商業および産業施設 に簡便に組み込むことができるアーク故障検出システムを提供することである。 本発明のもう１つの目的は、電気回路を使用して、ノイズの多い負荷だけでな く装置や家庭用機器の危険なアーク故障と正常動作とを識別するアーク故障検出 システムおよび方法を提供することである。 本発明のさらにもう１つの目的は、配電系統の多数の分岐回路を電気的に分離 するアーク故障検出システムを提供することである。 当業者ならば、添付図および請求の範囲と共に本明細書を読めば本発明の他の 目的および利点がお判りであろう。 本発明に従って、線路導体の電流の変化率を監視して変化率を表す信号を発生 し、変化率信号が選定されたしきい値を越える度にパルスを発生し、変化率信号 および／もしくはパルスを濾波して選定された周波数範囲外の電流変化を表す信 号やパルスを実質的に解消し、残りのパルスを監視して選定された時間間隔内に 生じるパルス数が所定のしきい値を越える時を検出し、選定された時間間隔内に しきい値を越える数のパルスの発生に応答してアーク故障検出信号を発生する、 配電系統のアーク故障を検出するシステムを提供することにより前記した目的が 実現される。図面の簡単な説明 図１は本発明を実現するアーク故障検出システムのブロック図。 図２は図１に例示するアーク故障検出システムを実施する電気回路の回路図。 図３ａ−図３ｇは図２のさまざまな点における波形。 図４は図２の回路の比較器およびシングルショットパルス発生器の替わりに使 用する代替回路の回路図。 図５は図１に例示する故障検出システムを実施する別の回路の回路図。詳細な説明 次に、図面特に図１を参照して、アーク故障検出器１０ａ，１０ｂ……１０ｎ が電源として電力会社の変圧器１４を有する配電系統１２のｎ分岐に接続されて いる。配電系統１２は線路導体１６ａ，１６ｂ……１６ｎおよび対応するセンサ ２１ａ，２１ｂ……２１ｎ，線路遮断器２２ａ，２２ｂ……２２ｎ，および阻止 フィルタ２３ａ，２３ｂ……２３ｎを介して負荷２０ａ，２０ｂ……２０ｎへ配 電する中性線導体１８ａ，１８ｂ……１８ｎを含んでいる。線路導体１６および 中性線導体１８は典型的には２４０Ｖもしくは１２０Ｖであり、周波数は６０Ｈ ｚである。 好ましくは、各線路遮断器２２は、従来技術で周知のように、所与の過負荷状 態に応答してブレーカ接点をトリップさせて開路状態とし、対応する負荷２０を 電源から断路する熱／磁気特性を有する過負荷トリップ機構を含むサーキットブ レーカである。線路もしくは中性線地絡に応答してトリップソレノイドを励起し サーキットブレーカをトリップさせて接点を開く地絡遮断回路をサーキットブレ ーカ２２に設けることも知られている。 センサ２１は各線路導体１６の電流の変化率を監視して変化率を表す信号を発 生する。各センサ２１からの変化率信号は対応するアーク検出器１０へ送られ、 変化率信号が選定されたしきい値を越えて増加する度にパルスが発生される。そ こから発生された変化率信号および／もしくはパルスは濾波されて、選定された 周波数範囲外の信号やパルスが解消される。次に、最終パルスが監視されて、選 定された時間間隔内に生じるパルス数が予め定められたしきい値を越える時が検 出される。しきい値を越える場合には、検出器１０は対応する線路遮断器２２を トリップするのに使用することができるアーク故障検出信号を発生する。 センサ２１から生じる変化率信号の変動パターンは、回路の状態が正常な負荷 であるか、正常な切り替えイベントであるか、位相制御点弧負荷であるか、ある いはアーク故障イベントであるかを示す。所望の変化率信号を発生するのに適切 なセンサの一例は、電流を運ぶ負荷線路を取り巻く環状コアを有し、コアに感知 コイルが螺旋状に巻かれているトロイダルセンサである。コアはフェライト、鉄 等の磁性材料で作られるか、もしくは磁束の迅速な変化に応答できる透磁性粉体 により成型されている。好ましいセンサは２４−３６番銅線を２００ターン巻回 して感知コイルを形成するフェライトコアを使用している。コアに空隙を設けて 透磁率をおよそ３０まで低減することができる。好ましくは、並列アークにより 比較的高い電流が発生される間は飽和せず、このような高い電流レベルでもアー ク検出をできるようにされる。 線路導体の電流変化率を感知する他の手段も本発明により考え出すことができ る。ファラデーの法則により、いかなるコイルもその中を通る磁束の変化率に比 例する電圧を発生する。アーク故障に伴う電流により導体周りに磁束が発生され 、センサ２１のコイルがこの磁束と交差して信号を発生する。他の適切なセンサ として、磁性材コアもしくはエアコアを有するトロイダル変圧器、磁性材の積層 コアを有するインダクタや変圧器、および印刷回路板上に載置されたインダクタ が 含まれる。さまざまなセンサ構成が本発明により考えられ、本体内に空隙を含む トロイドが含まれる。 好ましくは、センサ２１から生じる変化率信号は選定された周波数帯域内の変 化率の変動しか表していない。好ましくは、センサの帯域特性は、下位周波数遮 断点により電源周波数信号が阻止され、上位周波数遮断点によりはんだ銃、電動 鋸、電動ドリル、等の機器、装置、もしくは工具のようなノイズの多い負荷の存 在により発生する高周波信号が阻止されるようにされている。したがって、セン サ２１からの出力はアーク故障に伴う選定された周波数帯域に限定され、やっか いなトリップを生じることがある変化率信号のスプリアス変動が解消もしくは低 減される。例として、センサの帯域特性は、（１）電源周波数信号を阻止する６ ０Ｈｚの下位周波数遮断点すなわち下限、および（２）ノイズの多い負荷に伴う 高周波信号を全て有効に阻止する１ＭＨｚの上位周波数遮断点すなわち上限を有 している。センサの帯域特性のこれら特定の周波数遮断点は単なる例に過ぎず、 ノイズの多い負荷信号だけでなく電源信号の実際の周波数範囲に従って他の適切 な周波数遮断限界を採用することができる。 所望の帯域特性はセンサの自己共振周波数を適切に選定して調整することによ り実現される。電流型センサはその動作特性の関連する上下周波数遮断点すなわ ちロールオフ点を定義する所定の自己共振周波数を有するように選定される。好 ましくは、電流型センサは、被監視負荷線路内の電流変動の変化率を検出するよ うに作動する時に、所望の帯域濾波特性を示すように設計される。本発明により 、選定された周波数帯域内の信号出力を帯域濾波する他の手段も考えられる。例 えば、回路内の帯域フィルタもしくはその組合せを使用して、選定された周波数 帯域に対する遮断点の上下の周波数を減衰させることができる。 図２に１つのアーク検出器１０の好ましい回路を示す。センサ２１は電流信号 の所望の変化率（一般的に、“ｄｉ／ｄｔ信号と呼ばれる）を出力電圧の形で発 生し、それはセンサおよびダイオードＤ３を介して比較器回路３０に接続される 。変化率信号は負荷線路１６を取り巻くコアの上に巻回されたセンサコイルＴ１ から生じる。高電力遷移状態中にクランプ装置として働く一対のダイオードＤ１ ，Ｄ２がセンサコイルＴ１に並列接続されている。高電力遷移状態中に、ダイオ ー ドＤ１，Ｄ２に並列接続された抵抗体Ｒ１によりセンサの自己リンギングが減衰 される。抵抗体Ｒ１に並列な一対のキャパシタＣ１，Ｃ２、および比較器３０の 入力に直列接続された抵抗体Ｒ２とインダクタＬ１は、それにより形成される濾 波回路網の所望のロールオフ特性を達成するのを助けるように同調されている。 例えば、図２の回路の部品について以下に例示する値により、センサはおよそ１ ０ｋＨｚからおよそ１００ｋＨｚまで広がる帯域幅を有し、その両側のロールオ フは急峻である。 図３ａから図３ｇまでの一連の波形を参照すれば、図２の回路の動作をより明 確に理解することができる。図３ａは６０Ｈｚの交流電力を運び、時間ｔ１にお いて高周波外乱を経験する線路導体１６に接続された発信器からの実際の波形で ある。高周波外乱はセンサ２１が感応する周波数範囲内であるため（例えば、お よそ１０ｋＨｚからおよそ１００ｋＨｚ）、外乱により、センサ２１（図２の回 路内のＡ点）からのｄｉ／ｄｔ出力信号（図３）に時間ｔ１で始まる高周波ノイ ズのバーストが生じる。ノイズバーストは時間ｔ１からほぼｔ２まで比較的高い 振幅を有し、時間ｔ２からおよそｔ３までは低い振幅が続く。 比較器３０において、センサ２１からの変化率信号の大きさが一定の基準信号 と比較され、変化率信号の大きさが基準信号の大きさと交差する時だけ比較器３ ０は出力電圧を発生する。それにより、検出器１０はセンサ２１から発生される 低レベル信号を無視するようになる。基準信号の大きさにより設定されるしきい 値よりも高い振幅を有する信号は全て、大きい信号の影響を低減する予め設定さ れた最大値まで増幅される。比較器３０において、トランジスタＱ１はそのベー スが抵抗体Ｒ３によりハイとされて常時ターンオンされる。ダイオードＤ３はし きい値を変えて、センサ２１からの負のパルスだけをトランジスタＱ１のベース へ送られるようにする。比較器への信号がしきい値（後記する回路値に対しては −０．２Ｖ）よりも降下すると、トランジスタＱ１がターンオンされる。それに より、トランジスタＱ１のコレクタは供給電圧Ｖｃｃ、抵抗体Ｒ４およびシング ルショットパルス発生器４０によって決まる所定の電圧まで上昇する。このコレ クタ電圧は比較器回路３０の出力である。トランジスタＱ１がターンオフされて いる限りコレクタ電圧はハイであり、それはセンサ２１からの信号が再びしきい 値よりも上昇するまで継続する。次に、トランジスタＱ１が再びターンオンされ てコレクタ電圧が降下する。最終結果は比較器からのパルス出力であり、パルス の幅はトランジスタＱ１がターンオフされる時間間隔に対応し、それはセンサ２ １からの負となる信号が比較器のしきい値よりも低い時間間隔に対応する。 センサ出力のノイズバーストは濾波されて図２の回路内のＢ点に図３ｃに示す 波形を発生する。図２の回路内のＣ点の波形を図３ｄに示し、Ｃ点において濾波 されたｄｉ／ｄｔ信号に供給電圧Ｖｃｃからの直流バイアスを加えることにより 振幅が低減されて直流オフセットが導入されることが判る。これはトランジスタ Ｑ１のベースへの入力信号となる。 トランジスタＱ１の出力は、入力信号の負となるピークに対応する一連の正と なるパルスである。図２のＤ点におけるトランジスタ出力を図３ｅに示す。図３ ｃに示す濾波されたｄｉ／ｄｔ信号のあるしきい値を越える負となるピークだけ に対応する出力パルスを発生することにより、トランジスタ回路は比較器として 機能することが判る。図３ｅに示すように、回路のこの点において、パルスは幅 および振幅の両方が変動する。 幅および振幅の両方が変動する比較器３０の出力パルスを、幅および振幅が実 質的に一定である一連のパルスへ変換するために、比較器の出力はシングルショ ットパルス発生器回路４０へ与えられる。このハイパスフィルタ回路はトランジ スタＱ１のコレクタに直列接続された一対のキャパシタＣ３，Ｃ４、およびキャ パシタＣ４の両側から接地へ並列接続された２つの抵抗−ダイオード対を含んで いる。次に、この回路から発生されるパルスについて、図３に示す波形に関連し てより詳細に説明する。出力パルスは主として等幅かつ等振幅であるが、著しく 大きいもしくは小さいパルスによってより大きいもしくは小さいパルスが生じる こともある。 図３ｅの可変幅および可変振幅パルスは、シングルショットパルス発生器回路 ４０により幅および振幅が実質的に一定の一連のパルスへ変換される。図２の回 路のＥ点におけるこの回路４０の出力を図３ｆに示す。図３ｆに示す全てのパル スのサイズが実質的に同じであるが、極端に大きいもしくは小さいｄｉ／ｄｔス パイクにより大きいもしくは小さいパルスが発生されることもある。しかしなが ら、比較器３０から出力パルスを発生するのに十分な大きさのスパイクであれば 、Ｅ点における大部分のパルスはｄｉ／ｄｔ信号の対応するスパイクの振幅およ び持続時間とは実質的に無関係である。 回路４０から発生される実質的に均一なパルスは限流抵抗Ｒ７を介してトラン ジスタＱ２のベースへ与えられる。トランジスタのベースから接地へ接続された キャパシタＣ５により帯域フィルタのロールオフの鮮鋭度が改善される。トラン ジスタＱ２は回路４０により発生されるパルスを積分する積分回路５０の初めの 部分である。パルスによりトランジスタがオンオフされてトランジスタのエミッ タと接地間に接続されたキャパシタＣ６が充放電される。抵抗体Ｒ９がキャパシ タＣ６に並列接続され、供給電圧とトランジスタＱ２のコレクタ間に接続された 抵抗体Ｒ８によりキャパシタＣ６の充電電流レベルが決定される。任意所与の時 点におけるキャパシタの充電の大きさは、選定された時間間隔にわたって受信さ れるパルスの積分を表す。パルスは幅および振幅が実質的に均一であるため、任 意所与の時点における積分の大きさは、主として、その時点にすぐ先行する選定 された時間間隔内に受信されるパルス数の関数となる。したがって、積分の値を 使用してアーク故障が発生しているかどうかを確認することができる。 図２の回路内のＦ点で取り出された回路５０から発生される積分信号を図３ｇ に示す。積分器回路は回路４０からパルスを受信する度に充電され、すぐに放電 を開始することが判る。パルスが十分高いレートで現れ１つのパルスにより生じ る充電が次のパルスが到来する前に生じる放電よりも小さい場合のみ電荷が累積 される。積分信号をトリップしきい値レベルＴＲ（図３ｇ）まで増大させるのに 十分な数およびレートでパルスが到来する場合には、ＳＣＲ１がトリガされてサ ーキットブレーカがトリップする。アーク故障を表すｄｉ／ｄｔ信号に応答した 時だけこれが生じるように回路が設計されている。 ＳＣＲ１がターンオンされると、トリップソレノイドＳ１が励起され、通常の 方法で回路から負荷が断路される。特に、ＳＣＲ１をターンオンすると、ダイオ ードＤ７−Ｄ１０により形成されるダイオードブリッジを介して線路から中性点 へ電流が流れ、線路１６のサーキットブレーカ接点を開くようにソレノイドが励 起されて、システムの被保護部が電源から断路される。ダイオードブリッジの直 流端子はＳＣＲ１の両端間に接続され、限流抵抗体Ｒ１０と直列のツェナーダイ オードＤ６により電圧レベルが設定される。バリスタＶ１が過度抑制器としてダ イオードブリッジの両端間に接続されている。濾波キャパシタＣ７がツェナーダ イオードＤ６の両端間に接続されている。サーキットブレーカ接点が開くとトリ ップ回路の電源が消失するが、接点はリセットされるまで開いたままである。 前記した所望の結果を生じる回路の一例は、下記の値を有する図２の回路であ る。 Ｄ１ １Ｎ４１４８ Ｄ２ １Ｎ４１４８ Ｄ３ １Ｎ４１４８ Ｄ４ １Ｎ４１４８ Ｄ５ １Ｎ４１４８ Ｄ６ ２７ｖ ツェナー Ｒ１ ３．０１Ｋ Ｒ２ １．３Ｋ Ｒ３ １７４Ｋ Ｒ４ ２７．４Ｋ Ｒ５ １０Ｋ Ｒ６ １０Ｋ Ｒ７ １０Ｋ Ｒ８ ４．２Ｋ Ｒ９ ４．７５Ｋ Ｒ１０ ２４Ｋ Ｌ１ ３３００μＨ Ｌ２ ５００μＨ Ｌ３ ５００μＨ Ｃ１ ０．０１２μＦ Ｃ２ ０．００１μＦ Ｃ３ ０．００１μＦ Ｃ４ ０．００１μＦ Ｃ５ ０．００１μＦ Ｃ６ ６．８μＦ Ｃ７ １．０μＦ Ｃ８ １．０μＦ Ｑ１ ２Ｎ２２２２Ａ Ｑ２ ２Ｎ２２２２Ａ ＳＣＲ１ ＰＯＷＥＲＥＸ製ＣＲ０８ＡＳ−１２同等品 Ｖｃｃ ２７ｖ サーキットブレーカは最も広く使用される線路遮断器であるが、出力装置は比 較器、ＳＣＲ、リレー、ソレノイド、回路モニタ、コンピュータインターフェイ ス、ランプ、可聴警報器等とすることができる。 図２の回路にはいくつかの修正を加えられることが理解できるであろう。例え ば、センサとコンピュータ間の個別の帯域フィルタは演算増幅器を使用するアク ティブフィルタに置換することができる。別の例として、図２のシングルショッ トパルス発生器の替わりにシングルショットタイマを使用することができる。こ の回路はアクティブフィルタからの出力信号を集積回路タイマへのトリガ入力と して受信することができ、タイマの出力は図２の回路の抵抗体Ｒ９およびキャパ シタＣ６により形成される同じ積分器回路へ抵抗体を介して与えられる。 図２のＡ点と積分器回路間の全回路の替わりに使用することができる周波数／ 電圧変換回路を図４に示す。この回路において、図２のＡ点からの信号は、アナ ログデバイス社製ＡＤ５３７等の周波数／電圧変換集積回路５５へ抵抗体Ｒａを 介して与えられる。集積回路５５の出力は従来のウインド比較器を形成する一対 の比較器へ与えられる。特に、回路５５の出力は比較器５６の反転入力および比 較器５７の非反転入力へ与えられる。比較器５６，５７の他方の入力はウインド の限界を設定する２つの基準信号Ａ，Ｂを受信する、すなわち、ウインド比較器 を通過する唯一の信号は基準Ａよりも小さく基準Ｂよりも大きいものだけである 。 電流ではなく線路電圧の変化率、すなわち、ｄｖ／ｄｔを感知するアーク検出 器１０を図５に示す。この回路のセンサは線路導体１６と接地につながるインダ クタＬ１０との間に接続されたキャパシタＣ１０である。インダクタＬ１０は所 望の周波数帯域内、例えば、１０ｋＨｚと１００ｋＨｚの間、に入る信号しか通 さない帯域フィルタの一部を形成する。フィルタ網は第１のインダクタＬ１０に 並列な抵抗体Ｒ１０、キャパシタＣ１１、第２のインダクタＬ１１、および抵抗 体Ｒ１０とキャパシタＣ１１との間に接続された抵抗体Ｒ１１も含んでいる。抵 抗体Ｒ１０はキャパシタＣ１０とインダクタＬ１０間のリンギングを減衰させ、 抵抗体Ｒ１１は回路のしきい値すなわち感度を調整する。インダクタＬ１０，Ｌ １１は通過域の上端で低周波ロールオフを与え、キャパシタＣ１１は通過域の下 端で高周波ロールオフを与える。 キャパシタＣ１０は線路バスに誘電体を取り付けてバスがキャパシタの一方の プレートを形成するようにして構成される。キャパシタの第２のプレートはバス の反対側に取り付けられる。センサ回路は第２のプレートに接続される。 前記した帯域フィルタの出力は比較器６０へ与えられて選定されたしきい値よ りも小さい信号が排除され、大きい信号は予め選定された最大振幅へ制限される 。フィルタ出力は抵抗体Ｒ１１を介して比較器６０の反転入力へ加えられ、非反 転入力はＶｃｃと接地間に接続された一対の抵抗体Ｒ１２，Ｒ１３により形成さ れる分圧器により設定される基準信号を受信する。比較器６０はセンサから受信 した非常に低レベルの信号を排除する。線路導体１６上にアークが無い場合に、 比較器６０は常時オフとされしたがって比較器の出力はローである。センサから の電圧信号が基準信号（例えば、−０．２Ｖ）よりも一層負であれば、比較器の 出力はハイとなり積分器回路を駆動するトランジスタＱ２に順バイアスが加えら れる。トランジスタＱ２のベースから−Ｖｃｃに接続されたキャパシタＣ１２に より高周波ノイズが濾波される。比較器出力とトランジスタＱ２のベースとの間 にダイオードＤ１１が接続されていて、キャパシタＣ１２を早まって放電させて しまう負の信号を阻止する。図５の回路の残りは図５のそれと同じである。 故障が発生したら、配電系統のアーク故障が発生した分岐を配電系統の残りか ら分離することが望ましい。電流型センサを使用する図１の系統では、このよう な分離は配電系統の各分岐において負荷線路１６と中性線路１８間に接続された キャパシタＣ８によって行われる。キャパシタＣ８は線路遮断器２２と電源１４ 間に配置されていて、負荷２０のインピーダンスとは無関係に、負荷線路１６か ら中性線路１８へのアーク故障に対する低インピーダンス経路を提供する。した がって、アーク故障により発生される高周波電流に対して電力変圧器１４は高イ ンピーダンスには見えるが、キャパシタＣ８により分岐回路間の直列経路の生成 が防止される。 分離キャパシタＣ８により、全負荷がオフラインとされてインピーダンスが高 い場合でもセンサ２１は感応することができる。負荷がオンラインとされると、 インピーダンスは減少する。分離キャパシタＣ８が無い場合には、分岐回路間に 直列経路が生成される。例えば、アーク故障が発生している第１の分岐回路の中 性線路に沿った電流は、第１の分岐回路の負荷線路に沿って進むことができる。 次に、電流は第２の分岐回路の負荷線路へ続き、第２の分岐回路の中性線路に沿 って流れることができる。分離キャパシタＣ８は分岐回路間にこの経路が形成さ れるのを防止する。 図５に示す電圧型センサでは、負荷線路１６内のインダクタＬ２により各分岐 回路に対する分離がなされる。各インダクタＬ２は線路遮断器２２とセンサ２１ 間に配置され、アーク故障により生じる電流に対してインピーダンスを与える。 分離キャパシタＣ８および分離インダクタＬ２は、分岐回路内の各位置におい て同時に使用することができる。センサが分岐回路の電流および電圧の両方の変 化を監視してアーク故障を検出する場合、この組合せは特に有用である。アーク 故障検出システムは、負荷２０の正常動作により発生する擬似アーク故障信号や 他のやっかいな出力信号を阻止する各分岐回路内の阻止フィルタ２３も含んでい る。各阻止フィルタ２３は各分岐回路内のセンサ２１と負荷２０との間に接続さ れていて、擬似アーク故障信号がセンサ２１へ送られるのを防止する。図２およ び図５に示すように、好ましい阻止フィルタは各分岐回路の負荷線路１６と中性 線路１８間に接続された一対のキャパシタＣ９ａ，Ｃ９ｂを含んでいる。インダ クタＬ３が負荷線路１６内の２つのキャパシタＣ９ａ，Ｃ９ｂ間に接続されてい る。好ましくは、キャパシタＣ９ａ，Ｃ９ｂはおよそ０．４７μＦの線路両端間 定格を有している。インダクタＬ３は５００μＨにおいて１５Ａの定格およびお よそ３．８１ｃｍ（１．５インチ）径、３．３３５ｃｍ（１．３１３インチ）長 のディメンジョンを有している（例えば、Ｄａｌｅ ＩＨＶ１５−５５）。もち ろん、これらの値は電気系統および負荷２０の電力定格に対して調整することが できる。 キャパシタＣ９ａは、ノイズの多い負荷の上流の壁内のアークのような、その キャパシタの上流で発生する任意の直列アークに対して低インピーダンス経路を 生成する。これにより、直列アークは阻止フィルタを含む分岐内で検出すること ができる。インダクタＬ３はノイズの多い負荷により生成される信号を大部分減 衰するインピーダンスを生成する。このインダクタは、典型的には１５もしくは ２０Ａである、装置の負荷電流を運ぶサイズとされている。第２のキャパシタＣ ９ｂは、負荷２０の両端間に低インピーダンスを生成することにより、インダク タＬ３に必要なインダクタンスの量を低減する。 阻止フィルタ２３の１つの利点は、ノイズの多い負荷２０に接続することが判 っている特定の分岐回路上で局所的に使用できることである。阻止フィルタ２３ を使用する費用は、必要なところだけで使用すればよいため低減される。また、 阻止フィルタ２３は住居および商業スペースにおける既存の配電系統に容易に組 み込むことができる。 通常の１２０Ｖ系統に関して本発明を説明してきたが、それは、１２，１２０ ，２４０，４８０，６００および１８５００Ｖを含む任意の標準電圧に応用する ことができる。本発明は住居、商業および産業応用における、シングルショット もしくは多相系統の交流全周波数および直流で使用するのに適している。本発明 は自動車、航空、および船舶のニーズ、発電機やＵＰＳ等の独立駆動源、および 初期保護を必要とするキャパシタバンクに応用することができる。 サーキットブレーカについて本発明を説明してきたが、回路／負荷監視装置、 モータ監視装置、コンセント、コードプラグ、ポータプル診断装置、機器、開閉 器、フューズにも使用することができる。 本発明の多くの応用の中の１つの応用は、地絡回路遮断器（ＧＦＣＩ）に使用 することである。地絡遮断器の例は、接地経路を介して電流が幾分電源へ戻る時 に給電線路から装置を断路する高速サーキットブレーカである。正常な状況では 、全電源が給電導体内で供給され戻される。しかしながら、故障が発生して接地 へ 幾分漏電すると、ＧＦＣＩは供給導体内の電流差を感知する。通常およそ６ｍＡ であるＧＦＣＩのトリップレベルを故障レベルが越えると、ＧＦＣＩは回路を断 路する。 一般的に、３種のＧＦＣＩが利用できる。第１の独立密閉型は、３０Ａまでの １２０Ｖ，２線式および１２／２４０Ｖ，３線式回路に利用できる。第２のタイ プは１５，２０，２５，もしくは３０ＡのサーキットブレーカとＧＦＣＩが同じ プラスチックケース内で組み合わされている。それは分電盤内の通常のブレーカ の替わりに取り付けられ、通常１２０Ｖ，２線式、もしくは１２０／２４０Ｖ， ３線式を利用できるが２４０Ｖ，２線式回路の保護にも使用できる。第２のタイ プは回路上の全てのアウトレットに対して地絡および過負荷保護を行う。同じ筺 体内にコンセントおよびＧＦＣＩを有する第３のタイプはこのコンセントへ差し 込んだ装置の地絡保護しか行わない。同じ回路の下流に設けられた他の通常のコ ンセントへ差し込んだ装置を保護する貫通型ＧＦＣＩもある。 モジュールのカタログ名で市販されている。この地絡装置は配電系統の幹線、フ ィーダ、およびモータ回路の保護に適している。それは地絡リレーおよび地絡感 知装置としても使用できる。前記したアーク検出システムは、前記した全てのタ イプのＧＦＣＩにより提供される回路保護を補足するのに有利に使用することが できる。 ここで使用したアーク故障という用語には、直列アーク（線路および中性線路 ）もしくは並列アーク（線路間、線路対接地、もしくは線路対中性線路）による 故障が含まれる。ここで使用したアークという用語には、気体や絶縁媒体を通る 放電だけでなく、高いインピーダンス故障やブレーカをトリップさせるのに十分 なエネルギや電流は流れないが損傷を与える熱その他の望ましくない影響を及ぼ す他の所期の回路や予期せぬ回路が含まれる。 ここで使用した相互インダクタンスという用語は、電磁誘導を生じることがで きる近隣インダクタもしくは誘導装置により共有される特性である。ここで使用 した電流もしくは電圧変動率という用語は、測定に対応する時間にわたって電流 や電圧の変化を測定したものである。電流により導体周りに磁束が発生し、それ は電流の変動と共に迅速に変化する。 本発明の特定の実施例および応用について例示しかつ説明してきたが、本発明 はここに開示された厳密な構造や構成には制約されず、請求の範囲に明示された 発明の精神および範囲を逸脱することなく前記した説明のさまざまな修正、変更 、およびバリエーションが明らかであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルックス，スタンレイ ジェイ. アメリカ合衆国 37153 テネシー州 ロ ックベイル，ウィンドロウ ロード 5191

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．公益施設の電力変圧器に接続された線路導体を含む配電系統内のアーク故 障の検出方法であって、該方法は、 線路導体の電流の変化率を監視して変化率を表す信号を発生するステップと、 変化率信号が選定されたしきい値を越える度にパルスを発生するステップと、 前記変化率信号および前記パルスの少なくとも一方を濾波して、前記電流の選 定された周波数範囲外の変化を表す信号もしくはパルスを実質的に排除するステ ップと、 このような各パルスに続く選定された時間間隔内に生じる残りのパルス数をカ ウントするステップと、 前記選定された時間間隔内に選定された数を越える前記残りのパルス数のカウ ンティングに応答してアーク故障検出信号を発生するステップと、 を含む方法。 ２．請求項１記載の方法であって、変化率信号が選定されたしきい値を越える 度にパルスを発生する前記ステップは、変化率信号の振幅を所定の基準信号と比 較することを含む方法。 ３．請求項１記載の方法であって、前記濾波ステップは、前記変化率信号を濾 波しておよそ６０Ｈｚからおよそ１ＭＨｚの範囲外の変化率を表す信号を実質的 に排除することを含む方法。