KR100292967B1 - 전기 아크 감지기 - Google Patents

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KR100292967B1
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린다 유 퓨스
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Abstract

전기 접속의 잠재적인 위험한 방전을 감지하기 위한 감지기는 방전 및 고주파수 노이즈의 다른 소스와 구별가능한 전력선 특성 상에 고주파수 노이즈를 감시하기 위한 감지 및 신호 처리 회로(82, 69-72)를 포함한다. 고주파수 노이즈가 존재하여 전력 주파수의 반주기마다 발생하는 차이가 나타난다면, 방전이 있다고 결정되어 경보(80)이 울린다.

Description

[발명의 명칭]
전기 아크 감지기
[발명의 배경]
[발명의 분야]
본 발명은 잠재적인 위험 상태를 미리 경고하기 위하여 전원 라인의 전기 아크(electral arcs)를 감지하는 경제적인 감지기에 관한 것이다.
[선행 기술에 관한 논의]
전기 아크는 대부분의 가연성 물질의 발화점 이상으로 온도를 상승시켜서, 심각한 화재를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 가정에서의 낡은 전선은 화재를 발생시킬 정도의 아크를 일으키키도 한다. 다행스럽게도 아크(arcing)는 본질적으로 불안정한 현상이며, 보통은 화재를 발생시킬 정도까지 오래 지속되지 않는다. 전기적 교란(disturbance)이 갖는 특성을 반영하는 어떤 상태 하에서는, 아크의 지속 가능성과 화재의 발생 가능성이 휠씬 높다. 전원 라인의 전압 교란 현상을 모니터하여 이러한 잠재적인 위험한 아크를 감지하는 방법 및 장치를 제공하는 것이 본 발명의 한 목적이다.
가정에서는 다음 두 가지 형태의 아크가 발생할 수 있다. 즉, 전선의 결함에 의한 아크와 콘택트 아크가 그것이다. 전선의 결함에 의한 아크는 전선간 단락이나 전선과 접지간 단락에 의해 발생한다. 이러한 형태의 결함은 다음의 몇 가지 현상을 일으킨다. 즉, 1) 회로의 용량 이상으로 전류를 흐르게 한다. 2) 과부하가 걸렸다는 표시로서 불빛(전등 빛)이 희미해진다. 3) 만약, 회로가 차단기에 의해 적절히 보호된다면, 그 차단기는 아크로 공급되는 전원을 차단하게 된다. 이 모든 현상들이 수초 이내에 발생하게 된다. 전체적인 아크는 폭발적이지만, 지속 시간이 짧아 주변의 물체들에 의해 전체 열을 빼앗기게 되고 따라서, 화재의 가능성을 감소시킨다.
콘택트 아크는 부하와 직렬로 연결된 고저항으로부터 발생한다. 이러한 현상은 접촉이 느슨해지거나, 산화(부식)되거나, 도전 경로에 비전도성의 외부 물질이 제거되어 발생하게 된다.
접촉, 전극 아크를 일으키는 상태의 한가지 예는 오래 사용된 벽의 콘센트인에, 오랜 사용으로 인해 콘택트에 가해지던 스프링 압(spring pressure)이 감소되어, 삽입된 플러그 콘택트에 낮은 저항을 보장할 수 없는 압력이 가해지게 된다.
콘택트 아크는 불충분한 전류 도전 용량(current-carrying capacity)의 전선을 연장하여 사용함으로써 발생하기도 한다. 예를 들어, 전극의 온도가 전극의 저항 발열에 의해 높아지고, 점차적으로 콘택트 주변의 합성 절연 물질이 분해되어 접촉영역으로 흘러들어가게 되어 적절한 접촉이 형성되지 못하게 한다. 이것은 더 많은 열이 발생되고, 절연 물질을 탄화하며, 콘택트 표면 상에 하드 절연층을 생성하여 초기 아크로 진행될 수 있다.
콘택트 아크의 세 번째 원인은 콘택트의 산화가 수반된 알루미늄(aluminum)배선에서 종종 관찰된다. 이 경우, 주로 산화 작용인 화학적 작용에 의해 콘택트의 표면에 반도체(semiconductive)층 또는 부도체층이 형성된다. 바람직하게는, 도체 물질이 쉽게 산화되는 경우에, 접촉 부위에 기체를 유입시켜 산소의 개입을 막고 산화가 진행되지 못하게 한다. 그러나, 만약 연결부가 시간의 흐름에 따라 느슨해지면, 산화가 시작되고 아크가 발생할 수 있다.
콘택트 아크의 많은 예가 도전 콘택트의 점차적인 퇴화에 기인한다. 위험한 아크는 간혹 작은 아크로부터 시작하여, 화재를 일으킬 정도로 지속되는 아크가 될때까지 점차적으로 커진다. 이러한 이유로, 만약 콘택트 아크 상태를 미리 감지하여 그 결함이 위험한 수준이 되기 전에 경고해 줄 수 있다면 크게 도움이 된다.
전선의 결함에 의한 아크와 콘택트 아크에는 근본적인 차이가 있는 것으로 알려지고 있다. 전자는 일반적으로 많은 전류(20A 이상)를 수반하며 다소 폭발적이고 스스로 소진되거나 회로 차단기를 작동시킨다. 종래의 회로 보호 장치는 보통 전선 결합 아크를 막는데 적절하다. 비교해 보면, 콘택트 아크에서 흐르는 평균 전류는 단지 부하 그 자체에 의한 전류일 뿐이다. 그럼에도 불구하고, 예를 들어, 결함이 있는 연장 전선 단부의 60 watt(와트) 전극, 또는 접촉 결함이 있는 크리스마스 트리 전구 세트의 소전류 콘택트 아크는 화재를 일으키기에 충분한 열을 발생시킨다. 따라서, 종래의 회로 차단기는 콘택트 아크에 의한 위험 상태를 차단하는 데에는 적절하지 못하다.
따라서, 화재를 일으키는 아크를 감지할 수 있는 경제적인 플러그 인(plug-in) 감지 장치가 필요하다. 가장 편리한 장치는 집안 전체를 모니터할 수 있고, 잠재적인 위험한 아크가 발생된 경우 경고할 수 있는, 작은 "야간 등(night light)" 형태의 플로그 인 모듈이 될 것이다. 이 경우, 전류를 모니터하게 되면 도전체 주위에 위치한 전류 센서(sensor)가 필요하게 되고, 그 장치는 적절한 곳에 배선되어야 하므로, 이러한 것은 전압만을 모니터함으로써 감지할 수 있어야 한다. 이상적으로는, 이러한 아크 감지기는, 요즈음 널리 사용되는 연기 감지기에 화재 발생수일, 수주 또는 수개월 이전에 경고해 주는 이점을 더한 전기 아크 감지기이다.
회로 차단기는 화재를 발생시킬 수 있는 아크를 감지하는 기능에 이외에도, 재해를 일으키기에 충분한 아크를 감지했을 경우 부하(load)로부터 전원 공급을 차단하는 기능도 가질 필요가 있다. 이러한 장치는 종래의 회로 차단기와 매우 유사한 형태로 편리하게 조립될 수 있고, 또는 현재 사용 가능한 접지 결합 차단기(Ground Fault Interrupter; GFI)와 유사한 콘센트 내에 장착될 수 있다. 부하 전류는 회로 차단기를 통해 흐르기 때문에, 이러한 응용은 부하 전류를 모니터하는 데 편리하다.
2가지 아크 감지기는 가정용 전원 라인에 공통적으로 존재하는 노이즈(noise),즉, 전등 조광기(lamp dimmers), 모터(motors), 도전 통신 시스템(carrier-current communication systems), 스위치(switches) 등과 같은 것에 의한 노이즈에 강해야만 한다.
아크를 감지하는 장치는 그 동안 다수 제안되었으나, 대부분의 것들이 전선의 결함에 의한 아크에 관한 것이다. 예를 들어, 화이트(White)의 미합중국 특허 제5,121,282호는 아크의 고유한 특성에 대해 라인 전압과 전류를 모니터하여, 만약 이러한 특성이 충분히 존재할 경우 회로 차단기를 작동시키게 하는 시스템을 기술하고 있다. 그러나, 화이트의 장치는, 전선의 결함에 기인하는 아크에 관한 것이다. 전선 결함의 한 특성은 결함 전류가 전압보다 70°에서 90°정도의 뒤쳐진 위상을 갖는다는 것이다. 이것은 전선 결함 상태에서, 거의 대부분의 전류의 흐름이 일반적으로 큰 인덕턴스(inductance) 값을 갖는 전력 배전선(Power Distribution Wiring)에 의존하기 때문이다. 소켓(socket) 내에서 아크를 일으키는 전열기에 연결된 플러그(plug)는 -즉, 접촉 결함을 보여주는- 이러한 특성을 보이지 않으므로, 화이트의 장치로는 그 결함을 감지할 수 없다.
쿠퍼(Cooper) 등의 미합중국 특허 제4,639,817호는 거대한 상업용 또는 산업용 설비에 사용되는 "그리드(grid)" 또는 "스폿(spot)" 형식의 전력 네트워크 (network)용 아크 감지기를 개시한다. 쿠퍼의 회로는 임계 진폭 이상의 고주파(10 KHz ~ 100 KHz)의 노이즈가 0.7초 이상 감지될 경우에 전원을 차단한다. 가정용으로 채택된다면, 이 감지기는 전기 드릴(drill)과 같은 것으로부터 발생하는 연속적인 고주파 노이즈에 의해 작동할 것이다.
프랭클린의 미합중국 특허 제4,858,054호에는 상술한 바와 같이, 아크 단락회로는 사(死) 단락 회로와 다르다는 것과 별개의 감지 기술이 필요하다는 것이 기술되어 있다. 그러나, 프랭클린의 장치는 여전히 전류를 모니터하며, 전류가 선정된 레벨 이상으로 흐를 때에만 작동한다. 이러한 전류 레벨은 모터의 시동 전류 같은 것에 의해 작동하지 않도록 회로에 부여된 전류보다 훨씬 큰 값이어야 한다. 따라서, 프랭클린의 장치는 단락 회로에서의 아크만을 감지할 수 있으며, 전류 제한 부하와 직렬로 연결된 콘택트 아크는 감지할 수 없다.
더리비지(Durivage)의 미합중국 특허 제5,038,246호, 프롬(Fromm)의 제 4,951,170호 및 모저(Moser) 등의 제4,402,030호 등도 역시 비슷하다.
현재 접지 결함 차단기(이하 "GFI")가 실용화되어 있다. 전형적인 GFI 장치는 몇 릴리암페어 정도로 작은 접지로의 누설 전류를 감지할 수 있으며, 그에 반응하여 연결된 회로 차단기를 동작시킨다. GFI는 접지로의 단락에 의한 화재의 위험뿐만 아니라, 전기 통로에 있는 사람도 매우 효과적으로 보호한다. 그러나, GFI 장치는 여기서 논의되는 콘택트 아크를 모니터하지는 못한다.
여기서, 전선 결함에 의한 아크와 콘택트 아크간의 차이점을 명확하게 기술하였으나, 본 발명의 아크 감지기는 두 상태에 기인하는 아크를 모두 감지할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 비교적 큰 저항값을 갖는 전선 결함이 발생한 경우, 콘택트 결함에 관해 기술된 것과 본질적으로 같은 특성을 보여준다.
[발명의 목적]
그러므로, 본 발명의 목적은 라인 전압이나 부하 전류를 모니터함으로써, 잠재적으로 화재를 일으킬 수 있는 지속적인 아크를 감지하되, 전기 모터, 스위치 개폐기, 전등 조광기, 또는 통신 시스템과 같은 다른 원인에 의한 노이즈는 무시하는 방법을 제시하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특정한 사용 환경 하에서 외부의 노이즈 방지를 다소희생하여 간헐적인 아크를 감지할 수 있게 하는 3가지 부가적인 대체 사용법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 위험한 아크를 신뢰성 있게 감지하여, 사용자에게 시각적, 청각적 경고를 발할 수 있도록, 아크에 의한 전원 라인의 노이즈를 모니터하는 경제적인 플러그 인 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 화재를 유발할 수 있는 아크를 감지하고, 그러한 감지에 반응하여 회로 차단기를 동작시켜 아크로의 전류를 차단할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
[발명의 개요]
본 발명의 아크 감지기는 라인 전압 또는 부하 전류 상의 고주파 노이즈를 모니터하여 본 발명의 발명자에 의해 콘택트 아크의 특성으로 밝혀진 패턴(pattern)을 검출하여, 콘택트 아크의 존재에 응답하는 출력을 생성한다. 이 출력은, 경고를 발하거나 아크로의 전류를 차단하는 데 사용된다.
콘택트 아크의 노이즈 특성에 대한 일반적인 패턴이, 다양한 응용에 대해 각각의 장단점을 갖는 네 가지 독특한 변형으로서 개시되었다. 먼저, 네 가지 패턴 모두에 공통된 형태와 일반적인 방법을 기술하고, 각 변형에 대한 논의를 계속한다.
전압 변동에 의해 생성되는 전기 아크는, 아크 양단의 전압이 아크를 유지하는 데 필요한 값 이하로 떨어질 때마다 소화되었다가, 아크 양단의 전압이 아크 점화 전압의 최소값을 넘을 때마다 재점회된다. 점화 전압은 본질적으로 아크가 가로 질러야 할 물리적인 간격의 크기에 비례한다. 소화 전압 역시 간격 크기의 함수이지만, 점화 전압보다 낮은 경향을 갖는다. 본 발명의 발명자가 관찰한 바에 의하면, 아크의 간격이 매우 클 때에는, 아크는 간헐적이며 매우 불안정하고, 일반적으로 스스로 소화되고, 조건이 맞을 때 재점화된다. 간격이 점차 작아짐에 따라, 아크는 보다 지속적으로 되고 궁극적으로는 스스로 유지하게 된다는 것이 또한 관찰되었다. 간격이 더욱 작아지면, 아크는 다시 스스로 소화되는 경향을 띠고, 이 때에 완전한 전류 경로를 이룬다.
아크에 전류가 흐를 때에는, 약 100 GHz로부터 약 1 KHz까지의 주파수 범위의 고주파 노이즈가 전원 라인 상에 발생한다. 이 스펙트럼 중에서 모니터해야 할 실제적인 부분은, 전형적인 전원 라인 임피던스에 의한 고주파 감쇠(attenuation) 및 라인 주파수 성분을 배제해야 할 필요성에 근거하여, 약 100 KHz로부터 (약 1 KHz로부터) 약 1 MHz까지가 된다. 이 주파수 영역의 신호는 전형적인 가정용 배선 거리 전체에 걸쳐 감지 가능하다. 따라서, 본 발명의 방법의 첫 번째 단계는 라인 저압 또는 부하 전류를 여과시키고 증폭하여 이 주파수 영역에서의 고주파 노이즈를 추출하는 것이다.
이렇게 추출된 아크로부터 발생된 노이즈는 다음의 특성을 보인다. 먼저, 광대역폭의 고주파 아크에 전류가 흐를 때면 언제나 라인 전압 및 부하 전류 상에 나타난다.
둘째로는, 고주파 노이즈의 진폭이 아크가 소화되거나 재점화될 때 본질적으로 0(zero)이 된다. 이것은 고주파 노이즈 내에, 라인 주파수의 반주기마다 하나씩의 간격(360° 링 라인 주파수 주기 중에 10° 내지 90°)을 만든다.
세 번째로, 아크에 전류가 흐르지 않을 때, 간격의 지속 기간은 아크가 지속 될 수 있는 능력의 지표가 되어 열을 발생시키고 화재를 일으킬 수 있는 능력의 지표가 된다. 보다 구체적으로는, 간격이 클 때(60° ~ 90°)에는, 상대적으로 커다란 물리적인 간격에 해당하여, 아크는 매우 간헐적이 되고 스스로 유지하기 어렵게 되는 경향을 띤다. 물리적인 간격이 점차로 작아짐에 따라, 아크 형상은 어떤 범위(10°~ 60°)에 도달할 때까지 더욱 안정해지고, 스스로 유지할 수 있게 된다. 간격이 더욱 작아지면(0°~ 10°), 아크는 다시 스스로 소화되고, 이때 완전한 도전 경로를 형성한다.
따라서, 콘택트 아크의 고주파 노이즈 특성의 형태(이하 때로 단지 "형태"라고만 함)에 대해 라인 전압 또는 부하 전류를 모니터하며, 그리하여 콘택트 아크의 존재에 응답하여 출력을 발생하는 것이 본 발명의 일반적인 방법이 된다. 다음으로, 상대적인 장단점과 함께 네 가지 특정 패턴을 각각 기술한다.
아크의 고주파 노이즈 특성의 첫 번째 패턴(이하, '제1 패턴'이라 함)은 의사 노이즈 발생원에 의한 오동작에 대해 가장 높은 면역성을 가지기 때문에, 본 발명에 의한 지속적인 콘택트 아크를 감지하기 위하여 선택된 패턴이다. 즉, 현재까지 알려진 바로는, 제1 패턴에 일치하는 노이즈는 단지 아크에 의하여만 생성되며, 따라서, 다른 모든 고주파 노이즈 발생원으로부터의 노이즈와 구별된다. 제1 패턴은 지속적이며 스스로 유지하는 아크에 의해 생성되며, 라인 주파수 주기 전체를 통해 연속적인 아크로 특징 지워진다. 제1 패턴은 지속 기간 tb인 동기화된 간격을 제외하고는 전체 라인 주파수 주기를 통해 고주파 노이즈가 존재할 것을 요건으로 하며, 여기서 동기화된 간격에는 실질적으로 고주파 노이즈가 전혀 존재하지 않는다. 보다 구체적으로는 본 발명에 의하면, 고주파 노이즈가 라인 주파수의 계속되는 각각의 다음 주기의 같은 위치에서 발생되는 지속 기간 tb의 휴지 기간 이외에는 라인상에 연속적으로 존재하는 것으로 판단된 경우에 아크를 감지했다는 경고 표시를 발생시킨다. 지속적인 아크는 약 10°~40°범위의 간격에서 나타나기 때문에, 간격의 길이 tb도 그에 따라 한정될 수 있다. 이것은 외부의 노이즈를 배제하는데 도움이 된다. 제1 패턴 아크는 라인 주파수의 연속적인 다음 반주기에 발생하면서 수 주기 동안 계속되는 경향이 있다.
상술한 대로, 제1 패턴은 스스로 지속되는 발열 현상을 일으킬 수 있는 아크의 특성이다. 다른 응용에서는, 간헐적이거나 스스로 유지하기 못할지라도 모든 종류의 아크를 감지하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 폭발성 환경에서는, 발생할 수 있는 어떤 아크에 대해서도 경고를 발하거나 전류 흐름을 차단하는 것이 좋다. 어떤 장치가 단지 고주파 노이즈의 존재만을 모니터할 수 있다면, 그 감지기는 의사 전기적 교란에 의해 오동작할 가능성이 매우 높다. 따라서, 다음의 세 가지 패턴은, 여전히 외부의 노이즈를 다소 배제하면서, 간헐적인 아크일지라도 감지하는데 사용될 수 있다. 세 가지 패턴은 모두, 아크가 점화 및 소화할 때의 간격 바로 전과 바로 후에 상당한 양의 고주파 노이즈가 존재한다는 사실을 이용한다. 이 간격들 사이의 노이즈는, 때로는 전류 흐름의 갑작스러운 변화 및 전력 시스템과 그리고, 부하의 인덕턴스 때문에, 파형의 다른 어느 부분에 발생된 노이즈보다도 상당히 크다.
이러한 변형의 첫 번째는(이하 '제2 패턴'이라 함), 본질적으로 노이즈가 전혀 없는 지속 기간 tb의 간격이 바로 다음에 따르는, 지속 기간 ta의 고주파 노이즈 영역이 존재할 것을 요구한다. 또한, 아크가 존재함을 결정하기 위해서는, 라인 주파수의 하나의 반주기에 해당하는 모든 시간 간격에 대해 그러한 패턴이 하나 이상 존재해서는 안된다. 지속 기간 ta와 tb는 장치의 원하는 민감도와 노이즈 배제 능력에 따라 결정된다. 전형적인 지속 기간은 ta가 10° ~ 30°이고 tb가 20° ~ 40°이다. 이 방법이 외부 노이즈 배제 능력은 제1 방법보다 좋지 못한데, 이것은 전 주기 동안 지속적이지 않은 간헐적인 아크 때문이다.
제3 패턴은 제2 패턴과 같으나 순서가 반대이다. 제3 패턴은, 실질적으로 전혀 노이즈가 없는 지속 기간 tb의 간격 바로 뒤에 고주파 노이즈의 지속 기간 tc인 영역이 따를 것을 요구한다. 제2 패턴에서처럼, 아크가 존재함을 결정하기 위하여 라인 주파수의 반주기 하나에 해당하는 모든 시간 간격에 대해, 이러한 패턴이 하나 이상 존재해서는 안된다. 지속 기간 tb와 tc역시 장치의 원하는 민감도와 노이즈 배제 능력에 따라 결정된다. 전형적인 지속 기간은, tb가 20° ~ 40°이고, tc가 10° ~ 30°이다.
제4 패턴은 제2 및 제3 패턴의 혼합형이다. 여전히, 간헐적인 아크에 반응하지만, 외부 노이즈 배제 능력은 상당히 크다. 이 경우에는, 실질적으로 고주파 노이즈가 존재하는 영역 ta바로 다음에는 실질적으로 고주파 노이즈가 존재하지 않은 영역 tb가 따르고, 그 바로 다음에 다시 실질적으로 고주파 노이즈가 존재하는 영역 다른 영역 tc가 따른다. 전과 같이, 아크가 존재함을 결정하기 위하여, 라인 주파수 의 반주기 하나에 해당하는 모든 시간 간격에 대해, 그러한 패턴이 하나 이상 존재해서는 안된다. ta, tb및 tc에 대한 범위는 전형적으로, 각각 10°~ 30°, 20°~ 40° 및 10°~ 30°이다. 역시 이 지속 기간은 특정한 응용에 대해 최적화될 수 있다.
네 가지 패턴 모두에 공통된 본 발명의 방법의 다른 측면은, 아크가 존재할 지라도, 아크가 가연성 물질을 발화시키기에 충분한 열을 발생시키는 데에는 시간이 걸린다는 사실에 기초를 둔다. 따라서, 본 발명의 방법은, 전술한 한 주기 동안의 패턴이, 아크의 존재를 결정하기 전에 라인 주파수의 다수의 주기(10~100)에 걸쳐 지속적으로 존재할 것을 요한다.
라인 전압이 영(zero) 점을 통과하는 데 걸리는 시간이 아크에 물리적인 변화가 발생하는데 걸리는 시간보다 상대적으로 작기 때문에, 아크의 점화 및 소화 전압은 짧은 시간 간격에서는 본질적으로 동일하게 유지된다. 따라서, 그 간격은 전주기를 통해 라인 주파수 주기 상에 본질적으로 동일한 상대적 위치에서 발생한다. 그러므로, 본 발명의 방법이 패턴의 다수 주기를 요구한다면, 각각의 패턴에서의 간격은 실질적으로 각 주기에 대해 같은 위치에 나타나야 한다. 즉, 라인 전압과 동기되어야 한다.
여기서, 지금까지 논의된 것과 관련하여, 제1 내지 제4 패턴에 따라 노이즈가 존재하는 지를 결정하기 위해, 본 발명에 따라 검사된 고주파 노이즈가 라인 전압으로부터 추출되었는지 부하 잔류로부터 추출되었는지는 중요하지 않다. 본 발명에 의하면, 부하 전류 또는 라인 전압의 어느 하나(또는 모두)가 아크 감지를 위해 모니터된다. 그러나, 상대적인 장단점을 주는 몇 가지 차이가 두 가지 방식에 존재한다
라인 전압을 모니터할 경우, 전선상의 어느 곳에서든지 발생된 노이즈가 존재한다. 이것은 전압 감지 단독으로 전체 가정을 모니터하고자 하는 본 발명의 제1 실시예의 장점이 된다. 둘째, 간격이 나타나는 라인 전압 파형의 위치는 부하의 리액턴스(reactance)에 대응한다. 만약, 부하가 본질적으로 저항성이라면(예를 들어, 백열 전구와 저항성 발열기), 간격은 라인 전압의 영점 통과 지점 근처에 위치할 것이다. 만약, 부하가 유도성(inductive) 이라면 (예를 들어, 전기 모터), 간격이 영점 통과 지점보다 90°까지 뒤쳐질 것이며, 만약 부하가 용량성(capacitive)이라면 (예를 들어, 형광등) 간격이 영점 통과 지점보다 90°까지 앞설 것이다. 따라서, 아크를 가진 회로의 부하의 성질, 즉, 수용성, 저항성 또는 유도성을 라인 전압에 대한 간격의 상태 위치에 따라 결정하는 것은 본 발명의 치밀한 사고에 의한 것이다.
본 발명의 제2 실시예에서, 아크 감지 회로는 아크가 감지된 경우 부하로 흐르는 전류를 차단할 수 있는 회로 차단기와 연결된다. 이 실시예에서는 보호되는 회로 상에서 발생한 노이즈만을 모니터하는 것이 바람직하다. 따라서, 특정한 부하로 흐르는 전류를 모니터하고 고주파 부분을 추출한다. 그 회로상의 소스에 의해 발생되는 노이즈만이 존재할 수 있는 유일한 것이다. 또한, 회로 차단기가 부하와 직렬로 연결되었기 때문에, 전류가 흐르는 도체는 전류를 모니터하는데 사용될 수 있다. 이러한 두 가지 이유는, 이 실시예에서는 고주파 전류를 모니터하는 것이 유리하다.
부하 전류 모니터와 라인 전압 모니터 사이의 두 번째 차이점은, 간격이 부하의 리액턴스에 관계없이 부하 전류의 영점 통과 지점 근처에 항상 나타난다는 것이다. 이것은 아크가 본질적으로 저항성이기 때문이며, 따라서 아크 양단의 전압은 아크에 흐르는 전류와 동위상이 된다. 그러나, 그 전선 상에 다른 리액티브 부하가 있다면, 전체 부하 전류에 진전류(leading current) 또는 지전류(lagging current)를 더하여 간격의 상대 위치를 이동시킨다.
제1 패턴 감지 방법을 사용하면, 발화에 충분한 정도의 열을 발생시킬 수 있는 지속적인 아크의 존재를 알리는 상태는 본질적으로 통상의 가정용 기기에 의해 발생된 고주파 노이즈에 대한 것은 없으며, 따라서 본 발명의 아크 감지기는 아크에 관한 잘못된 지시를 하지 않는다.
가정용 전원 라인에는 고주파 노이즈를 발생시키는 공통적인 요소가 다양하게 존재한다. 가장 두드러지는 노이즈 발생원의 하나는 전등 조광기인데, 그것은 본질적으로 백열등의 밝기를 조정하는데 사용되는 위상 제어기이다. 이러한 전등 조광기는 각 반주기상의 특정 위치에서는 부하를 작동시키고, 각 영점 통과 위치에서는 부하를 제거하며 동작한다. 각 턴온 위치에서의 부하 전류의 갑작스러운 변화와 함께 배전 시스템의 인덕턴스는 몇 주기 동안 진동하는 고주파 임펄스(impulse)를 생성한다. 라인 주기 1°~ 3° 정도의 이러한 짧은 임펄스는 일반적으로 본 발명의 네 가지 패턴 중 어느 것을 사용하는 아크 감지기도 작동시킬 수 없을 정도로 짧은 지속 기간을 갖는다.
통상적으로 존재하는 노이즈의 두 번째 형태는 브러시(brush) 접촉을 갖는 전기 모터의 아크에 의한 것이다. 그러한 모터는 상당한 양의 고주파 노이즈를 발생한다. 그러나, 이 노이즈는 전체 주기를 통해 존재하므로 결코 영이 되지 않는다. 이것은 회전자(rotating armature)의 기계적 모멘텀(momentum)과 후면 EMF에 기인한다. 어떤 경우에도, 라인 주파수의 각 반주기 내에 간격이 없으므로, 아크 감지기 장치가 본 발명의 네 가지 패턴 중 어느 것을 사용하더라도 오동작하지 않는다.
가정용 전원 라인에 공통적으로 존재하는 노이즈의 세 번째 형태는 다양한 원인에 의한 상대적으로 짧은 임펄스이다. 예를 들어, 커다란 부하의 온 또는 오프를 차례로 전환할 때, 전력 배전 시스템의 인덕턴스와 함께 갑작스러운 전류의 변화는 열려 있는 콘택트를 건너지르는 짧은 아크를 유발한다. 이것은 콘택트 아크이며, 하나 또는 두 주기에 걸쳐 확인된다. 그러나, 이 아크가 지속되지 않는다면 일반적으로 위험하지 않으며 경고를 발하지 않는다. 콘택트 아크는 발열원이나, 기술한 바대로 주변의 발화성 물질이 발화하기 전에 가열되어야 할 시간이 필요하다. 따라서, 콘택트 아크가 이러한 형태의 노이즈에 의해 감지기가 동작하는 것을 막기 위하여, 잠재적으로 위험한 아크가 존재한다는 것을 결정하기 전에, 네 가지 패턴 중 하나의 패턴이 상당수의 계속적인 라인 주파수 주기(10~100)에 걸쳐 지속될 것이 요구된다.
때로 존재하는 노이즈에 네 번째 형태는 캐리어-전류 송신기(carrier-current transmitter)로부터의 통신 신호이다. 이것은 전원 라인 상에 정보를 실어 보내는 캐리어-전류 송신 기술을 적용한 원격 제어를 제공하는, 이미 상용화된 많은 장치들이다. 이것은 전형적으로 100~300 KHz 범위에서 전송되므로, 감지기를 오동작시킬 가능성을 갖고 있다. 본 발명의 발명자에 의해 검사된 이런 장치 중 하나는 BSR에 의해 제작되고, 탠디사(Tandy Corporation)의 자화사인 라디오 샤크(Radio shack)를 포함하는 다양한 판매원에 의해 현재 시판중이다. 이러한 장치에서, 송신기는 일정한 간격을 두고 바이트 패킷(byte packets)을 전송한다. 상기 패킷은 라인 전압과 동기되어 있다. 각각의 패킷은 지속 기간이 약 30°이고, 다음 패킷과 30°씩 분리되어 있다. 제1 패턴을 사용하는 본 발명의 방법에서는, 상기 고주파 패킷이 라인 주기 동안 결코 지속되지 않으므로, 이러한 혼신(interference)에 영향받지 않는다. 나아가, 만약 다수의 패킷이 한 주기 내에 존재한다면, 응답하지 못하게 하는 다수의 간격이 또한 존재하게 된다. 그러나, 제2 내지 제4 패턴은, 최대 확인 간격 나비 tb가 감지할 수 없을 정도로 충분히 작은 값, 즉 30°보다 작은 값으로 지정되지 않으면 반응할 수 있다.
또 다른 잠재적인 교란도, 라인 주파수의 각 반주기마다 작은 간격을 가진 고주파 노이즈가 존재한다면, 상기 네 가지 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 간주될 수 있다. 그 한 예로서, 스테레오 음향 송신기나 무선 전화기 같은 다른 형태의 캐리어 전류 송신기 시스템을 들 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명의 발명자는 다음과 같이 잠재적인 혼신을 막기 위한 두 가지의 추가적인 고안, 즉, 이러한 노이즈 발생원에 의한 오동작을 막기 위한 고안을 달성하였다.
아크는 매우 임의적인 미시 현상의 총체이다. 각각의 스파크(spark)는 조금씩 다른 지속 기간과 강도를 가지고 있다. 결과적으로, 전체 노이즈의 대역폭은 10 KHz에서 약 1 GHz에 달하는 매우 넓은 범위에 걸쳐 있다. 대조적으로, 캐리어 전류 신호 같은 제어 신호는 그 대역폭이 좁다. 따라서, 본 발명의 감지 방법의 추가적인 개선점은 노이즈의 대역폭, 즉 무작위도(randomness)측정을 포함한다.
노이즈의 무작위도는 최소한 두 가지의 편리한 방법으로 측정할 수 있다. 무작위도에 대한 첫 번째 기준은, 연속적인 고정된 기간에 걸쳐 고주파의 추이를 계수하는 것이다. 만약, 계수값이 기간마다 실질적으로 다른 값을 갖는다면, 노이즈는 무작위적이라고 판단된다. 두 번째 방법은 두개 또는 그 이상의 중첩되지 않은 대역 통과 필터(bandpass filters)를 통해 고주파 노이즈를 통과시키고, 만약 모든 필터의 출력의 진폭이 실질적으로 같다면 그 신호는 광 대역폭을 갖는 것으로 판단한다.
특정한 부하 리액턴스에 대해 아크의 감지를 제한하기 위해, 네 가지 패턴 중 어느 하나의 패턴이 라인 전압에 대해 임시적인 특정 위치에서 발생할 것이 더 요구될 수 있다. 예를 들어, 만약 간격이 라인 전압의 영점 통과 지점에 근접하여 나타날 것이 요구된다면, 감지 방법은 저항성 부하, 즉 리액턴스를 갖지 않은 부하에 발생한 아크를 감지하는 것으로 제한된다.
제2 패턴에 의한 고주파 노이즈에 대하여 라인 전압을 검사하며, 간격이 라인 전압의 영점 통과 지점에 근접하여 나타날 것을 요구하는 추가적인 제한 요건을 갖는, 즉, 저항성 부하 상의 아크를 모니터하는 전형 회로를 본 발명에 따라 구성하였다. ta와 tb는 각각 30°와 10°로 지정하였다. 이 전형 회로를 다양한 부하에 연결하여 시험하였다. 지속적인 짧은 아크를 통해 회로의 곳곳에 있는 60와트 전구에 전력을 공급할 때, 그 회로는 반복하여 신뢰성 있게 경보를 발하였으나, 전등 조광기, 라디오 샤크사의 캐리어 전류 송신기, 모터 속도 제어기 또는 부하 개폐기 등으로부터의 혼신에 의해서는 작동하지는 않았다. 기대한 바대로, 간격이 영점 통과 지점보다 뒤쳐지기 때문에 큰 유도성 부하와 직렬로 연결된 아크에는 신뢰성 있게 작동하지 않았다. 다른 실험에서, 가변 속도 전기 드릴은 유사한 대역(close range)과 막대한 양의 고주파 노이즈에도 경보를 발하지 않았다. 그런, 동일한 드릴이 짧은 아크를 통해 전력을 공급받았을 때에는, 그 아크에 전류가 통할 때마다 경보를 발하였다. 계속된 실험에서, 전기 드릴과 같은 브러시 모터(brush motor)의 전류는 실질적으로 전압과 동위상이며, 따라서 리액턴스를 갖지 않은 부하에 대한 감지가 가능했던 것으로 밝혀졌다.
이하에서 본 발명에 따르는 장치와 네 가지 패턴 중 어느 하나의 패턴을 사용하는 상술한 방법을 구현하기 위해 필요한 회로에 관하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따르는 장치는 라인 전압만을 모니터하며, 콘택트 아크의 존재를 시청각적으로 알려주는 자급식(self-contained), 플러그 인(plug-in) '야간등'으로서 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 아크 감지기는 마이크로프로세서에 기초하고, "대기(hold)", "시험(Test)" 및 "음향(sound)"으로 불리는 세 가지 동작 모드(mode)를 제공한다. 대기 모드에서는, 화재를 일으키기에 충분한 정도의 콘택트 아크의 존재를 감지한 경우에는 지시등이 켜지게 된다. 지시등은 사용자가 패널(panel)의 '리셋(Reset)' 단추를 누를 경우에만 꺼진다. 시험 모드에서는, 콘택트 아크에 응답하여 등이 켜진다. 음향 모드에서는, 콘택트 아크에 응답하여 음향 경보가 발하여진다. 이렇게 아크를 감지한 경우, 사용자는 예를 들어 경보가 멈출 때까지 하나씩 부하를 제거하면서 아크의 위치를 파악할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 부하 전류를 모니터하는 회로에, 잠재적인 화재의 위험을 알리기에 충분한 크기의 콘택트 아크가 감지된 경우 자동으로 전력공급을 막기 위한 전기 작동식 회로 차단기를 연결하였다. 역시, 네 가지 감지 패턴 중 어느 하나의 감지 패턴이 사용될 수 있다. 하나는 접지 결함 차단기와 매우 유사한 형태의 2구 벽 콘센트형 장치이며, 다른 하나는 배전 패널에 설치되는 회로 다단기형의 장치인 두 가지의 실시예를 개시하였다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 콘택트 아크의 등가 회로도이다.
제2도는 시간의 함수로 나타낸, 하나의 콘택트에서 아크를 일으키는 저항성 부하의 특성 파형도이다.
제3도는 시간의 함수로 나타낸, 하나의 콘택트에서 아크를 일으키는 유도성 부하의 특성 파형도이다.
제4도는 콘택트 아크에 의하여 발생되고 본 발명의 방법에 의하여 감지되는 고주파 노이즈의 네 가지 특성 패턴을 설명하는 도면이다.
제5도는 시간의 함수로 나타낸 라인 전압과 전형적인 전등 조광기에 의해 발생된 고주파 노이즈의 파형도이다.
제6도는 시간의 함수로 나타낸 라인 전압과 캐리어-전류 송신기에 의해 발생된 고주파 노이즈의 파형도이다.
제7도는 시간의 함수로 나타낸 라인 전압과 전형적인 가정용 드럼에 의해 생성된 고주파 노이즈의 파형도이다.
제8도는 본 발명의 한 실시예에 따르는, 사용자에게 콘택트 아크의 존재를 경고해 주는데 사용되는 회로의 블럭도이다.
제9도는 본 발명의 한 실시예에 따르는, 사용자에게 콘택트 아크를 감지한 경우 경고를 발하여 회로 차단기를 동작시키는 회로의 블럭도이다.
제10도는 제8도의 회로에 대한 실제 외장의 정면도 및 측면도이다.
제11도는 제9도의 회로에 대한 실제 외장의 정면도 및 측면도이다.
제12도는 제9도의 회로에 대한 다른 실시 외장의 정면도 및 측면도이다.
[바람직한 실시예의 설명]
제1도는 콘택트 아크의 등가 회로의 단순화된 회로도이다. 라인 전압(1)은 고압 측(2)과 중성점(Neutral; 3) 도체를 공급한다. 언급되는 모든 라인 전압과 아크 전압은 이 중성점(3)에 대해 측정한 값을 갖는다. 전형적인 가정용 배선, 즉 가운데 도체가 접지로 쓰이는 편평한 3도체 케이블은 고주파에서 약 100 Ω 정도의 특성 임피던스를 가진 송신선처럼 작동한다. Lline으로 표시된 인덕턴스(4)와 Cline으로 표시된 캐패시턴스(capacitance; 5)는 전력 배전선의 집중 인덕턴스(lump inductance)와 집중 캐패시턴스(lump capacitance)를 나타낸다. 부하(6)는 콘택트 아크가 전류를 통과시키는 간격(7)과 직렬로 연결되어 있다. 전류가 흐를 때, 간격(7)은 제1도에서 Rarc로 표시된 유효 저항을 갖는다. Xload로 표시된 부하의 임피던스(impedance)는 부하의 성질에 따라 저항성이거나 유도성 또는 용량성이 될 수 있다. 백열 전구와 발열기는 전형적으로 저항성이다. 동기식 모터와 형광등은 전형적으로 유도성이다. 몇몇 용량성 시동 모터는 그 전속도(full speed)에 달할 때까지 용량성이다.
제2도는 지속성을 가진 콘택트 아크를 통해 부하에 전력이 공급될 때의 다양한 파형을 도시한다. 트레이스(8)(제2a도)는 간격(10 및 11)의 지속 기간 이외에는 전 주기에 걸쳐 고주파 노이즈(9)의 존재를 알려주는 라인 전압을 도시하고 있는데, 그 간격은 파형의 2개의 반주기 내에 거의 같은 지속 기간, 즉 아크에 전류가 흐르지 않는 기간을 갖는다. 노이즈의 진폭은 설명의 편의를 위하여 과장하였다. 간격의 지속 기간은 tb로 표시하였다.
트레이스(12)(제2b도)는 부하를 통해 흐르는 전류이다. 도전중인 아크에 의해 발생된 고주파 노이즈가 전류 파형에도 역시 나타나 있으며, 역시 명확히 하기 위해 과장하였다. 부하가 저항성이므로, 전류(12)는 전압(8)(제2a도)과 동위상이며, 아크에 전류가 흐르지 않는 지속 기간 tb동안은 0이 된다. 고주파 노이즈가 역시 간격(13 및 14) 이외에는 전 주위에 걸쳐 나타나 있다.
트레이스(15)(제2c도)는 아크 양단의 전압을 표시한다. 트레이스(16)는 아크가 발화하지 않는 경우 나타날 전압을 보여주며, 아크의 점화 및 소화 시기를 설명하기 위하여 포함된다. 17의 지점에서 시작하여, 아크 양단의 전압은 0이 되고, 아크에는 전류가 흐르지 않게 되므로 노이즈를 발생시키지 않는다. 전압(16)이 상승함에 따라, 아크가 점화되는 지점(18)에 다다르고 다시 전류가 흐르기 시작한다. 아크에 전류가 흐를 때에는 아크 양단의 전압(15)은 0이 되지 않는다. 그것은 현재 전류가 흐르는 아크는 전형적으로 수 오옴(ohm)에서 수십 오옴의 임피던스를 갖기 때문이다. 결과적으로 아크 양단에 전압이 나타나게 된다. 나아가, 아크 양단에는, 거기에 흐르는 전류와는 무관하게 꽤 일정한 크기의 전압이 유지되는 경향이 있다. 이것을 양의 반주기(19)와 음의 반주기(21)에 나타내었다. 아크는 전류가 흐르는 기간 동안 계속해서 고주파 노이즈를 발생시킨다. 20의 지점에서, 아크 양단의 전압이 아크의 소화점까지 낮아지고 아크는 소화된다. 이러한 과정은 음의 반주기(21)상에서 반복되고, 그 이후에도 아크가 지속되는 동안 계속된다.
트레이스(22)(제2d도)는 라인 전압(8)(제2a도) 또는 부하 전류(12)(제2b도)의 어느 것으로부터 추출한 고주파 노이즈를 도시한다. 간단한 고역 통과 필터(high pass fitter)를 이용하면 라인 주파수 부분을 제거할 수 있다. 도시되었듯이, 고주파 노이즈는 아크에 전류가 흐르지 않는 기간(23 및 24) 이외에 전 주기에 걸쳐 존재한다. 고주파 노이즈의 진폭이 간격의 직전과 직후, 즉 지점 25 및 26에서 다소 크다는 점을 주위해야 한다. 아크가 소화될 때와 재점화될 때에는, 부하 전류가 갑작스럽게 변화한다. 본질적으로 유도성인 배전 시스템 상에서, 이러한 부하 전류의 빠른 변화는 일반적으로 아크의 노이즈의 진폭을 초과하는 부가적인 고주파 노이즈를 발생시킨다.
트레이스(27)는 고주파 노이즈의 존재에 응답하는 정 논리 신호(positive logic signal)를 도시한다. 즉, 지점(28 및 29)에 도시되었듯이, 고주파 노이즈가 존재하면 "하이(high)"이고, 존재하지 않으면 "로우(low)"이다.
이제, 제3도를 참조하면, 지속적인 콘택트 아크를 통해 전력이 공급되는 순유도성(purely inductive) 부하에 대해 제2도의 측정 결과와 같은 측정 결과를 도시하였다. 제3a도는 라인 전압(30), 제3b도는 부하 전류(33), 제3c도는 아크 양단의 전압(34), 제3d도는 고주파 노이즈(36) 그리고, 제3e도는 고주파 노이즈의 감지에 응답하는 논리 신호(39)를 도시한다. 도시되었듯이, 유도성 부하에 대한 이 트레이스들과, 저항성 부하에 대하여 제2도에 도시된 트레이스들 사이의 차이점은 고주파 노이즈에서의 간격(31 및 32)이 전압 파형에서 약 90°뒤쳐져 나타난다는 것이다. 이것은 아크 양단의 전압(34)(제3c도)이 부하의 인덕턴스에 의해 지연되기 때문이다. 도시되었듯이, 부하의 인덕턴스는 또한 아크가 소화되는 지점(37) 및 재점화되는 지점(38)에서 발생하는 노이즈의 진폭을 증가시킨다. 콘택트 아크가 리액턴스를 갖는 부하와 직렬로 연결된 경우에, 간격의 위치가 라인 전압의 영점 통과지점으로부터 상술한 바와 같이 이동하는 것 이외에 다른 점에서는, 본질적으로 저항성 부하를 갖는 회로에서의 아크에 의한 노이즈와 유사하다. 만약, 부하가 순 용량성이라면, 유사한 특성의 트레이스들이 영점 통과 지점으로부터 90°앞선 간격을 나타낼 것이다. 실제로는, 부하는 이 극한의 중간 어느 지점에 있을 것이며, 그럼으로써 각 영점 통과 지점으로부터 ±90°의 범위로 간격을 형성시킨다.
제2도 및 제3도 모두에서, 아크의 점화 전압은 간격의 크기와 간격의 주변상태에 의존한다. 매 360°마다 사인 파형이 한 주기를 완성한다고 가정하면, 임의의 시간에서의 전압 V는 각도로 표현할 수 있다. 즉, V = VpeakSinδ이며, 여기서 Vpeak는 최대치이며, δ는 영점 통과 지점으로부터의 각도이다. 60°와 90°(120V의 라인 전압(RMS)에서 실제 V값은 146~169V) 사이에서 점화되는 아크는 간격이 크기 때문에 매우 간헐적이며 불안정한 경향이 있다. 40°~ 60°(180~146V)의 범위에서 점화하는 아크는 여전히 간헐적이나 수초의 기간 동안 폭발적으로 발생하는 경향이 있다. 20°~ 40°(57~108V) 범위의 아크는 지속적이며 스스로 유지하는 경향이 있다. 이 범위에서는 아크는, 특히 약 20°의 각도에 접근할 수록, 고주파의 소음을 내며 주변 물질에 높은 열을 가한다. 따라서, 20°~ 40°범위의 아크는 특히 위험하다. 0°~ 20°(0~51V) 범위의 아크는 콘택트가 가열되어 간격을 메꿈에 따라 급속히 소화되는 경향을 가지며, 그것은 마치 콘택트가 국지적으로 유동하는 것과 유사하다.
아크가 소화되는 전압도 역시 간격의 크기의 함수이다. 그러나, 일단 안정된 그 점화 전압보다 상당히 낮은 전압에서 소화하는 경향을 있다. 보통, 아크는 점화 전압의 1/4에서 1/10의 크기에 해당하는 전압에서 소화한다. 실제로, 화재를 유발할 가능성이 큰 범위(20°~ 40°)내에서의 대부분의 아크는 거의 0 볼트(volt)에 가까운 전압에서 소화한다.
제4a도 내지 제4e도를 포함하는 제4도는 본 발명의 중요한 한 특징에 따라 결정되는 콘택트 아크임을 나타내는 고주파 노이즈의 패턴을 도시한다. 제4a도는 제1 패턴을, 제4b도는 제1 패턴을 여러 주기를, 제4c도는 제2 패턴을, 제4d도는 제3 패턴을, 그리고 제4e도는 제4 패턴을 보여준다. 범례(제4f도)에 지시된 바대로, 이러한 패턴들은 모두 최소 진폭 이상의 고주파 노이즈가 존재할 때에 "하이(high)"이고 그 외에는 "로우(low)"인 논리 신호들이다.
본 발명의 방법에 따라, 라인 전압 또는 부하 전류의 어느 하나를 모니터하여 고주파 노이즈를 추출한다. 이렇게 추출된 노이즈는, 콘택트 아크 패턴의 지시를 위해 모니터된다. 일반화된 패턴은 T/2에 해당하는 시간 동안의 임의의 위치에서 발생하는 3개의 연속적인 지속 기간 ta, tb및 tc로 구성되며, 여기서 T는 라인 주파수의 주기이다. 각 간격의 지속 기간과 구성 요소가 각 패턴에 대해 제4도에 도시되어 있다. 노이즈의 존재 또는 부재를 3가지 논리 상태가 제4도의 우상단에 범례(제4f도)로서 도시되었다. "하이(high)" 논리 신호(53)는 고주파 노이즈의 존재를 지시한다. 즉, 모니터되는 고주파 노이즈의 진폭이 어떤 기준치, 즉 제4a도의 지속 기간 ta(57)을 초과할 때 논리 신호는 "하이"이다. "로우" 논리 신호(54)는 고주파 노이즈의 부재를 나타낸다. 즉, 고주파 노이즈가 없거나, 고주파 노이즈의 진폭이 기준치, 즉 제4a도의 tb(58)보다 낮은 경우이다. 빗금 패턴(55)은 고주파 노이즈의 진폭은 고려할 필요가 없음을 가리킨다. 즉, 제4a도에 예시되었듯이, 아크 감지기의 출력은 이 기간(56) 동안의 고주파 노이즈의 존재 또는 부재에 응답하지 않는다.
이제, 제4a도를 참조하여 제1 패턴을 설명한다. 제1 패턴은 외부의 노이즈를 최대한 배제하기 위한 패턴이다. 아크 감지기가 아크의 존재를 알리는 경보를 발하기 위해서는, 고주파 노이즈가 기간 ta동안은 존재해야 하며, tb동안은 부재, 그리고 다시 tc동안은 존재하여야 한다. 도시되었듯이, tb에 대한 시간 범위를 지정할 수 있고, ta+ tb+ tc는 T/2와 같아야 한다. 다시 말하면, 제1 패턴에 의한 아크의 감지는, 고주파 노이즈가 기간 tb인 유일한 간격 외에는 라인 주파수 주기의 1/2 기간 동안 존재할 것을 요구한다. 전술한 대로, '간격'은 고주파 노이즈가 본질적으로 존재하지 않은 기간을 의미한다.
기간 T/2는 라인 주파수의 어느 곳에 위치해도 좋다. 가장 단순한 경우로서, 기간의 어느 곳에서든지 tb에 의해 인정된 범위의 간격이 존재한다면, 콘택트 아크의 존재를 지시한다. 이것은 ta+ tb+ tc의 합이 T/2와 같아야 한다는 것 이외에 다른 특별한 요건이 ta와 tc에는 요구되지 않았기 때문이다.
만약, 부하의 리액턴스의 어떤 특정한 값에서만 아크를 감지하도록 제한하기를 원하면, 아크의 존재를 판단하기 전에 간격이 라인 전압에 대하여 특정한 위치에 나타날 것을 요건으로서 추가할 수 있다. 예를 들어, 간격이 라인 전압의 영점 통과 지점에 근접하여 존재할 것을 요한다면, 단지 저항성, 즉 리액턴스를 갖지 않는 부하와 직렬로 연결된 아크만을 감지할 것이다. 이 형태를 이용하기 위해서는 전류파형 상의 간격의 위치는 배선의 다른 리액턴스를 갖는 부하의 함수로서 변화될 수 있기 때문에, 반드시 라인 전압을 모니터하여야 한다.
간격 tb의 적당한 기간은 라인 주파수 주기의 20°~ 40°범위가 적절하다. 다시 말하면, 본질적으로 고주파 노이즈가 존재하지 않은 20°에서 40°사이의 크기를 가진 모든 기간은 간격으로 감지된다. 범위의 한계는 모든 응용에 최적으로 조정될 수 있다.
전술하였듯이, 아크로 인하여 화재가 발생하기 위해서는 시간이 필요하므로, 잠재적으로는 위험한 아크가 존재한다는 결정을 하기 전에, 감지된 패턴이 수주기에 걸쳐 지속적일 것을 요건으로 하는 것이 바람직하다. 이것을 구현하지 않으면, 개폐기의 열림이나 다른 위험하지 않는 현상에 의한 일시적인 아크로 감지기가 작동할 수 있다. 따라서, 제4b도에 도시되었듯이, 제1 패턴이 다수의 주기에 걸쳐 확장되었다. 수 주기 이후의 아크의 감지는 간격이 라인 주파수와 동기되었을 것, 즉, 간격 이전의 지연 td가 모든 T/2 기간 동안 실질적으로 같을 것을 요건으로 한다. 달리 표현하면, 간격과 파형 상의 한 고정점, 예로써 영점 통과 지점 사이의 시간적 기간은 수 주기에 걸쳐 동일하여야 한다. 이 추가적인 요건은 감지기의 외부 노이즈 배제 기능을 상당히 향상시킨다.
제2 내지 제4 패턴은 간헐적인 아크, 즉 라인 주파수의 전 주기에 걸쳐 지속되지 않은 아크를 감지하고자 하는 경우에 사용될 수 있다. 이러한 패턴들은 외부의 노이즈 배제 기능을 다소 희생하면, 아크에 매우 민감하게 반응시킬 수 있다.
제4c도에 제2 패턴이 도시되었다. 도시된 바대로, 이 패턴은 고주파 노이즈가 존재하는 기간 ta바로 뒤에 고주파 노이즈가 없는 기간 tb가 따르는 구성을 갖는다. ta+ tb는 T/2와 같거나 그보다 작아야 하며, 아크의 존재를 결정하기 위해 이 패턴이 어떤 반주기 기간 T/2내에 단 한번만 나타나야 한다.
제4d도에 도시된 제3 패턴은 순서만 뒤바뀐 채로 실질적으로 제2 패턴과 동일하다. 도시되었듯이, 제2 패턴은 고주파 노이즈가 존재하지 않은 기간 tb바로 다음에 고주파 노이즈가 존재하는 간격 tc가 따르는 구성을 갖는다. tb+ tc는 T/2와 같거나 그보다 작아야 하며, 아크의 존재를 결정하기 위해서는 이 패턴이 어떤 반주기 기간 T/2내에 단 한번만 나타나야 한다.
제2 또는 제3 팬턴을 사용하면, 전 주기 동안 지속되지 않는 간헐적인 아크에 대해 민감한 방법이 된다. 그러나, 이 방법은 추가적인 사전 조치를 취하지 않으며 일반적으로 외부의 노이즈에 민감해진다. 첫째로, ta(또는 tc)에 대한 최소 허용 기간은 단일 임펄스 외부 노이즈로는 만족시키지 못할 정도로 길게 지정될 수 있다. 예를 들어, ta(또는 tc)의 최소 기간은 30°로 지정할 수 있다. 둘째로, tb기간(간격)이 라인 전압에 대해 특정한 일시적인 위치에 나타날 것을 요건으로 할 수 있다. 이러한 제한은 특정한 부하 리액턴스에 대해서만 아크를 감지하도록 제한하는 것인 반면에 외부의 노이즈 배제 기능을 향상시킨다. 세 번째로, 세 가지 패턴 모두, 아크의 존재를 결정하기 전에 수 주기에 걸쳐 지속될 것이 요건으로 될 수 있다. 제1 패턴에서처럼, 계속되는 패턴의 간격의 시작부가 라인 주파수에 동기될 것, 즉, 영점 통과 지점과 간격 tb사이의 지연 td가 본질적으로 모든 반주기에 걸쳐 유사할 것을 요건으로 할 수 있다.
제4e도에 도시된 제4 패턴은, 실질적으로 제2 패턴 및 제3 패턴의 요건을 결합한 것이다. 도시되었듯이, 이 패턴은 고주파 노이즈가 존재하는 기간 ta바로 뒤에 고주파 노이즈가 존재하지 않은 기간 tb가 따르고, 그 바로 뒤에 노이즈가 다시 존재하는 기간 tc가 따른 구성을 갖는다. 이 경우에, ta+ tb+ tc는 T/2와 같거나 그보다 작아야 한다.
제4 패턴은 간헐적인 아크에 여전히 응답하지만 외부 노이즈를 본질적으로 더욱 배제하므로, 제1 패턴과 제2 패턴 또는 제3 패턴과의 절충형이다. 실제로, tb+ tb+ tc가 T/2와 같은 극한의 경우에는, 제4 패턴은 제1 패턴과 같다. 제1 패턴에 비해 제4 패턴이 갖는 장점은 제4 패턴은 특징적인 간격이 존재하지만, 노이즈가 전주기에 걸쳐 확실히 지속되지 않은 특별한 경우에 적용될 수 있다는 점이다. ta, tb및 tc에 대한 전형적인 범위는 각각 10°~ 30°. 20°~ 40° 그리고 10°~ 30°이다. 역시, 이 기간들도 특별한 경우에 맞게 최적화될 수 있다.
콘택트 아크는 개별적인 아크의 무작위성에 기인하는 매우 높은 대역 범위의 노이즈를 생성한다. 본 발명의 방법의 모든 패턴에 있어서, 외부적으로 제어되는 노이즈 소스, 즉 전선 상에 특정 주파수의 고주파 혼신을 생성하는 소스를 배제하는 것은, 그 노이즈가 무작위적인 지를 감지하여 그에 따르는 고주파 노이즈가 존재하는 지를 결정함으로써 상당히 향상될 수 있다.
감지된 고주파 노이즈가 실제로 무작위적인지, 그리하여 아크를 일으키는지를 결정하기 위한 두 가지 방법을 설명한다. 첫째는, 노이즈의 무작위도를 직접 파악한다. 이러한 "무작위도" 및 "대역폭" 방법은 본질적으로 동일한 것이며, 어느 것을 사용하여도 좋다.
무작위도 검사, 즉 고주파 노이즈가 존재함을 결정하기 전에, 노이즈에 어떤 최소한의 무작위도가 노이즈 내에서 감지되어야 한다는 요건은 연속적으로 고정된 기간에 걸쳐 어떤 최소 진폭의 고주파의 추이를 계수하고, 그 계수치가 각 기간마다 실질적으로 다른 값을 갖는다면 그 노이즈를 무작위적이라고 판단하는 단계들을 포함한다. 대역폭 검사는 고주파 노이즈의 존재를 결정하기 전에 신호가 광대역폭인 것을 요건으로 하며, 중첩되지 않는 2개 이상의 대역 통과 필터에 고주파 노이즈를 통과시키고 모든 필터의 출력에서의 노이즈의 진폭이 실질적으로 동일하다면 그 신호가 광대역폭이라고 결정하는 구성을 갖는다. 그러므로, 무작위도 및 대역폭 검사는 아크에 의한 노이즈와, 규칙적이며 무작위적이지 않고 협 대역폭인 경향으로 의도적으로 발생시킨 고주파 신호를 구별한다.
제5도는 라인 전압(40)과 고역 통과 필터를 거쳐 증폭된 통상적인 위상 제어 전등 조광기로부터의 전형적인 노이즈(41)를 도시한다. 이러한 조광기는 부하로 공급되는 파형의 일부를 제어하기 위해 트라이액(triacs)이나 SCR을 사용한다. 이러한 "4층" 반도체 장치는 파형의 임의의 위치에서 온으로 되고, 그들을 통과하는 전류가 0이 될 때 자동으로 꺼지게 되어 있다. 이 장치의 특성에 의해 부하가 급격히 온되어 임펄스 노이즈 스파이크(spike; 42~46)를 유발시킨다. 전등의 밝기를 조절하기 위하여, 회로는 약 40°(완전 등화)에서 약 160°(가장 흐림) 사이의 임의의 지점에서 점화, 즉 켜지도록 조정된다. 따라서, 생성된 펄스들(pulses)의 타이밍(timing) 상의 한계는 양의 반주기 상에서는 43과 44 지점 사이에, 음의 반주기상에서는 45와 46 지점 사이에 위치한다. 이러한 조광기는 (간격 이외의) 전주기에 걸쳐, 지속되는 노이즈를 생성하지 않기 때문에, 그 노이즈는 제1 패턴의 노이즈로서 감지되지 않는다. 나아가, 제2 내지 제4 패턴은 ta및/또는 tc에 대한 최소 폭을 임 펄스 노이즈의 폭의 최대값보다 크게 함으로써, 그 노이즈에 대한 내성을 갖게 할 수 있다.
제6도는 라인 전압(47)과 라디오 샤크 및 설비 상에서 구할 수 있는 캐리어 전류 원격 제어 장치로부터 발생하는 고주파 노이즈를 도시한다. 이 경우의 노이즈는 데이타를 부호화하기 위해 약 200 KMz의 사인파 캐리어(sine wave carrier)를 이용하여 FSK 변조시킨 통신 신호의 버스트(burst)이다. 각 버스트(49) 뒤에는 전송이 없는 공백 구간(50)이 뒤따른다. 통신 신호를 전원 라인과 반드시 동기화시킬 필요는 없으나, 동기화는 종종 통신 규약을 단순화할 목적으로 행해진다. 고주파 패킷(packet)이 라인 주기 기간 동안 결코 지속되지 않으므로, 제1 패턴은 이러한 혼신에 내성을 갖는다. 나아가, 만약 한 주기 동안 다수의 패킷이 존재한다면, 응답을 저지하는 다수의 간격이 존재하게 된다. 제2 내지 제4 패턴은, ta및/또는 tc에 대한 최소 기간을 버스트의 폭보다 길게 지정하거나, 고주파 노이즈의 존재에 관한 상기의 무작위도 및/또는 대역폭 검사를 결합시킴으로써 그러한 통신 저항성을 갖게 할수 있다.
제7도 역시 라인 전압(51)을 도시하며, 이번에는 표준 1/3 마력 전기 드릴이 전동력(full power)일 때 생성되는 전형적인 고주파 노이즈(52)를 포함하였다. 이러한 노이즈(52)는 전형적인 정류기(commutator)/브러시 모터에 의해 생성되는 노이즈를 대표한다. 도시되었듯이, 노이즈는 실질적으로 전원 파형에 걸쳐 연속적이다. 보다 중요한 것은, 노이즈 패턴에 실질적인 간격이 없으므로, 이 노이즈는 본 발명의 방법의 네 가지 패턴 중 어느 것도 만족시키지 못한다.
제8도는 본 발명에 따르는 제1도 내지 제4 패턴의 어느 하나를 만족시키는 노이즈를 감지하기 위하여 라인 전압의 노이즈를 모니터하는 아크 감지기의 단순화된 블럭도를 도시한다. 제8도의 감지기는 사용자에게 시각적, 청각적 경고를 모두 발한다.
전원 라인에 연결된 표준 플러그(59)는 고압측 도체(60), 중성점 도체(61) 및 접지(62)를 통해 감지기로 전원과 신호 모두를 공급한다. 선택 스위치(63)는 장치에 전원을 공급하고, 선간 고주파 노이즈 또는 선-접지간 고주파 노이즈의 어느 하나를 감지할 수 있게 한다. 정규 동작 모드(normal mode)는 선간(line-to-line)이지만, 어떤 경우에는 장치의 선-접지간 감지가 더 성능이 좋을 수 있다.
전원(64)은 장치를 동작시키는 정제된 직류 전원 V+(66)를 공급한다. V+는 전형적으로 5V 또는 12V의 편리한 저전압이다. 공통 회로가 65에 도시되었다. 연산 회로, 전등 및 청각적 지시기는 전체 1와트 이하에서 동작하도록 할 수 있어서, 전원을 전압 강하 요소로 캐패시터를 사용하는 교류-직류 변환기(converter)로서 구성하는 것이 편리하다. 중성선(61)이나 접지(62)가 스위치(63)의 지정에 따라 공통회로(65)로 제작되도록 반파 정류기를 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 신호 감지 결합을 단순화한다. 맥시멈 인티그레이티드 프로덕트사의 MAX 611 교류-직류 정류기 칩이 이 회로에서 잘 동작하며, 120 또는 240 VAC 입력으로부터 150 mA까지의 5V 직류를 생성한다.
영점 통과 지점 감지기(69)가 라인 전압의 각 영점 통과 지점에서 좁은 펄스(10~100 μs)를 생성하는 기능을 한다. 영점 통과 지점은 큰 값을 갖는 저항(67)에 의해 편리하게 감지할 수 있다. 각 영점 통과 지점에 응답하는 출력 펄스를 생성하는 데에는 종래의 기술을 사용하였다. 영점 통과 지점 감지기(69)로부터의 출력은 마이크로프로세서(76)로 공급된다. 마이크로프로세서(76)는 영점 통과 지점 펄스를 노이즈의 존재를 라인 전압의 위상에 관련시키는 데에 활용한다. 실제로, 마이크로프로세서는 정확한 시간 간격을 맞출 수 있으므로, 라인 전압과 동기된 어떤 에지(edge)로도 충분하다. 예를 들어, 영점 통과 지점에서 펄스를 생성하는 것보다 각 반주기마다 펄스를 아크시키는 것이 더 편리하다면, 그렇게 할 수도 있다. 고주파 노이즈가 존재할 때에 시간 관계 정보를 유지하기 위하여, 저역 통과 필터를 구성하는 입력 저항(67)에 캐패시터(68)를 추가할 수 있다. 약100~1000 Hz의 모서리 주파수(coner frequency)에 응답하는 단극(single-pole) 필터가 잘 동작한다.
다른 방식에서는, 라인 주파수 감지가 전혀 필요 없다. 즉, 단순히 마이크로프로세서가 가정의 라인 주파수에 기초하여 스스로 시간을 맞춘다. 이렇게 하면, 마이크로프로세서가 네 가지 패턴 중 어는 하나의 패턴을 이용하여 기본적인 감지 방법을 이행하게 할 수 있으나, 특별한 위상 관계, 즉 부하가 저항성인지, 유도성인지 또는 용량성인 지를 결정하는 기능을 할 수는 없다.
고주파 노이즈는 라인 전압 주파수를 제거하기 위한 고역 통과 필터(72) 또는 조정된 대역 통과 필터의 일부를 구성하는 작은 결합 캐패시터(71)를 통해 편리하게 추출할 수 있다. 그리고 나서, 노이즈는 증폭기(73)에 의해 증폭되고 감지기(74)에 의해 감지된다. 증폭기(73)는 동적 범위를 확장시키기 위하여 리미터(limiter) 또는 자동 이득 제어기(AGC) 회로를 포함하는 것이 바람직하다. 감지기(74)는 고주파 교류 신호를 감지하기 위한 전파 또는 반파 정류기로서, 정류된 신호의 진폭을 기결정된 기준치와 비교하기 위한 비교기로서, 그리고 기결정된 기준치 이상의 진폭을 가진 고주파 노이즈에 응답하여 논리 레벨 펄스 또는 연속 신호(75)를 생성하기 위한 변환기로서의 기능을 수행한다. 신호(75)는 제1 내지 제4 패턴 중 하나 또는 그 이상의 패턴을 수행하기 위하여 마이크로프로세서(76)로 공급된다.
신호 감지 시스템의 적절한 대역폭 및 이득 파라미터의 선택은 모니터되는 전원 라인의 전송 특성에 의존한다. 미국의 대부분의 건물의 전원 라인은 중간 도체가 접지된 편평한 3도체 케이블이다. 로멕스와 아머플렉스는 이러한 형태의 케이블의 상업용 제품이다. 이러한 형태의 대부분의 케이블은 약 100 Ω임피던스, 250 m의 300 KHz 1/4 파장 그리고 10 Ω 끝처리의 50 m 이상에서 7 dB의 측정 감쇠 정수 등의 특성을 갖는다. 실제의 선 임피던스와 감쇠 정수는 대체로 라인 상에 존재하는 부하의 함수이다. 그러나, 사용될 캐리어 주파수와 예상되는 감쇠 정수를 결정하기 위하여 캐리어 전류 전송 시스템에 관련된 많은 연구와 실험이 이루어졌다. 이러한 연구 결과는 내셔널 세미콘덕터사의 1989년판 데이타 북(data book)인 '특수 용도 선형 장치'에 내셔널 세미콘덕터 LM 1893 캐리어 전류 트랜시버 칩에 관한 연구 자료에 기술되어 있다. 다른 참고 서적으로, 시그네틱사의 NE 5050 전원 라인 모뎀에 관하여 기술하고 있는 연구자료 AN 1951이 있다.
본 발명에서, 전체 가정용 또는 산업용으로 잘 동작하기 위해 요구하는 이득은 40 내지 80 dB 범위이다. 40 dB의 이득으로 시험 설비에서 작동시킨 장치는 모든 위상에 걸쳐 잘 동작하는 것으로 나타났다. 증폭기는 클리핑시 동작이 좋아야 하며, 큰 진폭의 펄스의 폭을 연장시키지 않도록 신속히 오프되어야 한다. 입력단의 클리핑 다이오드(clipping diode) 및 리미터 또는 자동 이득 제어기 장치는 이러한 목적을 달성하기 위하여 증폭기에 결합된다. 예를 들어, 이웃하는 아파트 같은 사용자 가정 밖의 아크를 감지하는 것을 제한하기 위하여, 사용자가 조절할 수 있는 이득 제어기도 결합될 수 있다.
전술하였듯이, 콘택트 아크의 대역폭은 약 10 KHz에서 약 1 GHz 범위에 걸쳐 있다. 감지 시스템에 대한 주파수 응답 요건은 몇 가지 요소에 의하여 지배된다. 첫째로, 고역 통과 필터의 제로(zero)는 충분히 높아야 한다. 또는 50 또는 60 Hz의 전원 라인 주파수를 충분히 배제하기 위해서는 충분한 제로들이 제공되어야 한다. 둘째로, 대역폭은 전원 라인 시스템을 통해 지나치게 감쇠되지 않고 전송될 수 있는 범위 내에 존재해야 한다. 그리고 세 번째로, 일반적으로 말해서 감지 주파수가 높을수록 시스템의 응답 속도는 빨라진다. 모서리 주파수가 약 100 KHz로 지정된 2차 고역 통과 필터가 표준으로 사용되었고, 잘 동작하는 것으로 나타났다. 전원 라인 주파수(60 Hz)에서 130 dB의 감쇠 정수를 가지며 쉽게 설치된다. 동조회로를 사용할 수도 있으나 이것의 Q값은 링잉(ringing)을 방지하기 위해서는 상대적으로 작아야 한다.
마이크로프로세서(76)는 1~20 MHz에서 동작하는 내장 롬(ROM)과 램(RAM)을 가진 저가의 단일 칩(chip)인 것이 바람직하다. 그것은 제어선(77)을 통해 경고 지시등(78)을 하나 또는 그 이상 구동하며, 제어선(79)을 통해 음향 호출 장치(80)를 구동하며, 스위치(81)를 통해 사용자로부터의 입력을 받아들인다. 마이크로프로세서(76)가 수행하여야 할 기능은 본 발명의 방법에 사용되는 각 변형에 의존한다.
본 발명의 아크 감지기의 제1 실시예에서, 화재를 유발할 수 있는 지속성을 가진 아크의 존재를 검출하기 위하여 라인 전압을 모니터하기 위하여 제1 패턴이 사용된다. 따라서, 마이크로프로세서(76)는 10°~ 60°정도의 기간의 매 반주기마다의 간격을 제외하고 1개 반주기 상에 실질적으로 연속적으로 존재하는 고주파 노이즈를 탐색한다. 이 실시예에서, 마이크로프로세서는 일반적으로 다음의 기능을 수행하도록 프로그램된다. 즉, 1) 라인 주파수의 영점 통과 지점에 대한 영점 통과 지점 감지기(70)의 입력을 모니터한다. 2) 고주파 노이즈의 존재에 대한 고주파 입력 라인(75)을 모니터한다. 3) 각 반주기 동안 고주파 노이즈 상에 간격이 하나 존재하는 지 결정하기 위하여 영점 통과 지점과 노이즈를 비교한다. 4) 라인 전압 주기의 20°~ 40°기간을 갖는 하나의 간격 이외에 전 반주기 동안 고주파 노이즈가 존재한다는 결정에 응답하여 콘택트 아크가 존재함을 결정한다. 그리고, 5)콘택트 아크가 미리 결정된 수의 전원 라인 주기 동안 유사하게 감지되는지, 그리고 간격이 실질적으로 동기되었는지를 결정한다. 그리하여 집적 계수를 정의하는 기결정된 주기수로 아크 감지를 실질적으로 집적한다. 이 수는 10~100 주기의 크기를 가져야 한다. 만약, 아크가 중단 없이 지속하였다면(또는, 기결정된 허용 횟수 이상의 중단이 없었다면), 또한 간격이 동기되었다면, 마이크로프로세서는 화재를 유발할 가능성이 있는 콘택트 아크가 존재한다고 결론짓고, 경고 신호를 발하기 위해 호출 장치를 작동시킨다.
제2 실시예에서, 감지기에는 간헐적이며 전 주기 동안 지속되지 않는 콘택트 아크를 감지하기 위하여 제4 패턴을 사용한다. 이 실시예에서 마이크로프로세서가 수행해야 하는 기능은 일반적으로 다음과 같다. 즉, 1) 라인 주파수의 영점 통과 지점에 대한 영점 통과 지점 감지기(70)의 입력을 모니터한다. 2) 고주파 노이즈의 존재에 대한 고주파 입력 라인(75)을 모니터한다. 3) 노이즈의 간격의 특성을 결정한다. 4) 고주파 노이즈가 10°~ 30°의 기간 ta의 바로 뒤를 따르는 20°~ 40°의 기간 tb에는 존재하지 않으며, 그리고 tb의 바로 뒤를 따르는 10°~ 30°의 기간 tc에 다시 존재한다는 결정에 응답하여 콘택트 아크의 존재를 결정한다. 5) 콘택트아크가 기결정된 수의 전원 라인 주기 동안 지속하는 지를 결정하기 위하여 상기 1) 내지 4)의 단계를 수 주기 동안 수행한다. 만약, 아크가 중단 없이 지속하였다면(또는, 기결정된 허용 횟수 이상의 중단이 없었다면), 마이크로프로세서는 콘택트 아크가 존재한다고 결론짓고, 경고 신호를 발하기 위하여 호출 장치를 작동시킨다.
제2 및 제3 패턴도 유사하게 수행될 수 있다. 아크에 의한 노이즈와 다른 고주파 노이즈 소스로부터의 노이즈를 별도로 구별하기 위하여, 상술한 무작위도 판단 및 대역폭 판단을 결합시킬 수도 있다. 무작위도 판단을 수행하기 위하여 마이크로프로세서(76)는, 파형 상의 다수의 연속적인 동일한 각 기간 동안 노이즈의 진폭이 기준치를 초과하는 회수를 계수한다. 만약, 각 주기에 따라 그 계수치가 변화한다면, 경고를 발하고, 그렇지 않다면 그 "노이즈"는 아마도 캐리어 통신 장치로부터의 신호일 것이므로 경고를 발하지 않는다. 대역폭 검사를 수행하기 위하여, 필터(72)는 중첩되지 않은 2개 이상의 대역 통과 필터를 병렬로 포함한다. 그리고 나서, 마이크로프로세서는 각 필터의 출력의 진폭을 비교한다. 만약, 그들이 실질적으로 동일하다면 노이즈는 무작위적인 것이라고 판단되고, 다른 검사 기준이 통과되었다면 경고를 발한다. 만약, 필터의 출력이 실질적으로 같지 않다면, 그 "노이즈"는 아마 아크에 기인하는 것이 아니므로 경고를 발하지 않는다.
더욱 향상된 것으로는, 마이크로프로세서는 노이즈에서의 간격의 위상을 전원 파형의 영점 통과 지점에 대하여 측정하여 아크와 직렬로 연결된 부하가 저항성인지, 유도성인지 판단을 행할 수 있다. 이 판단에 의한 지시를 예를 들어 전등(78)의 어느 하나를 밝힘으로써 사용자에게 알려주어 결함 연결 부위를 찾게 할 수 있다.
제9도는 본 발명에 따르는 아크 감지기의 단순화된 블럭도를 도시하는데, 이 실시예에서는 아크 감지를 위하여 전류를 감지하고, 아크가 감지된 경우에는 부하로 흐르는 전류를 차단한다. 이 장치는 제8도에 도시된 기본적 감지 회로와 동일한 회로를 사용하고 있으나, 부하로 전원을 공급하여 기결정된 기준의 아크가 발생하는 경우에는 부하로 흐르는 전류를 차단하도록 구성되어 있다.
제9도에 도시되었듯이, 고압측(60), 중성점(61) 및 접지(62) 도체로 구성된 주 전원 라인이 회로 차단기(86)와 고압측(85), 중성점(88) 및 접지(89) 부하 도체 사이의 스위치 전극(84)을 통해 부하로 전력을 공급한다. 고압측 전선이 부하로 흐르는 전류를 모니터하는 변류기(82)를 통해 배전되어 있다. 만약, 영점 감지기 회로를 라인 주파수를 모니터하는데 사용한다면, 50 내지 60 Hz 사이에서 변화하는 전원 라인 주파수 상의 아크를 모니터하는데 사용 가능한 동일 장치를 만들어서, 변류기(82)는 라인 주파수보다 훨씬 작은 값으로부터 약 10 MHz에 달하는 범위의 대역폭을 가져야 한다. 그렇지 않으면, 변류기는 100 KHz로부터 10 MHz의 대역 통과로 제한되고 영점 감지기 회로는 제거될 수 있다. 변류기(82)는 단지 부하로 흐르는 전류만을 모니터하며, 그렇게 함으로써 아크 감지 회로를 차단기(86)에 의해 보호되는 개별 회로 상에서 발생하는 아크로부터 분리시킬 수 있다.
제9도의 감지 회로는, 같은 참고 번호를 사용하여 표시한 바대로, 제8도에 도시된 회로와 유사하다. 고압측 도체(83)와 부하 사이에 직렬로 배치된 회로 차단기 전극(4)은, 마이크로프로세서가 충분한 크기와 지속 기간을 갖는 아크가 발생하였다고 결정하였을 때, 즉 본 발명에 따르는 제1 내지 제4 패턴 중 어느 하나의 패턴을 감지하였다고 결정하였을 때, 부하로의 전력 공급을 차단한다. 회로 차단기(84)는 마이크로프로세서로부터의 제어선(87)에 의해 구동되는 구동 코일(coil)을 가지며, 통상의 고체 상태 릴레이(relay), 사이리스터(thyristor)(도시 안됨) 등을 사용하는 통상의 전기 구동식 회로 차단기이다.
제8도 및 제9도의 감지기 회로와 지금까지의 논의는 주거지에서 흔히 볼 수 있는 감지기로서, 220 VAC의 분리 위상 전원 라인의 한 위상에서 동작하는 감지기에 관한 것이다. 본 발명은 어떠한 전압이나 위상 형태를 가진 전력 시스템에는 응용될 수 있음을 이해하여야 한다. 모든 요건은 모니터되는 각 위상에서 걸친 감지기를 제공하는 것이다.
제10a도 및 제10b도는 각각 제8도에 도시된 회로를 수용하기 위한 적절한 용기 중 하나의 정면도 및 측면도이다. 플라스틱 주사 성형 케이스(plastic injection case; 90)가 전체 감지기를 수용한다. 표시기/스위치의 결합체(91)는 아크의 존재를 표시하며 장치가 대기 모드에 있을 때 전구를 리셋(reset)시키는 두 가지 기능을 한다. 다른 스위치(92)는 현태 동작 모드를 표시하는 발광 다이오드 지시기(93~95)를 가진 장치의 동작 모드를 선택하는데 사용된다. 장치에 전원이 공급되는 있으며, 동작중이라는 것을 표시하기 위하여 3개의 발광 다이오드 중 어느 하나는 항상 빛을 발한다. 표시되었듯이, 노이즈의 간격과 전력 파형의 영점 통과 지점 사이의 위상차에 응답하여, 아크와 직렬로 연결된 부하의 형태를 지시할 수 있도록 하기 위하여, 추가적인 발광 다이오드를 설치할 수 있다.
이 설비에는 3가지의 개별적인 동작 모드가 있다. 모드 선택 스위치(92)를 여러 번 눌러 세 가지 가능한 모드 중에서 원하는 모드를 선택할 수 있다. 이 모드들은 다음과 같다. 즉, 대기(hold) - "Hold" 발광 다이오드(93)가 계속 빛남으로써 표시되는 대기 모드에서, 아크 감지기는 화재를 유발할 수 있는 아크에 대해 전원 라인을 모니터하며, 그러한 상황이 존재하면 주 경고등/스위치(91)를 점등시킨다. 경고등(91)은 유지되며, 사용자가 장치를 리셋(reset) 시키기 위해 누를 때까지, 또는 미리 정해진 시간이 흐를 때까지 계속 점등되어 있다. 장치는 24~48 시간 이후에 자동으로 리셋(reset)된다.
시험(Test) - "Test" 발광 다이오드(94)가 계속 발광함으로써 표시되는 시험모드에서, 장치는 화재를 유발할 수 있는 아크에 대해 전원 라인을 모니터하며, 그러한 상황이 존재하면, 아크의 지속 기간 또는 1초 중 더 긴 기간 동안 주 경고등/스위치(91)를 점등시킨다.
음향(Sound)- 음향 모드에서는 경고등에 추가하여 청각적 경고음이 제공된다. 음향 모드는 "Test" 발광 다이오드(4)와 음향 발광 다이오드(85; 스피커로 상징적으로 표시됨) 모두가 계속 빛남으로써 표시된다. 이 시험 모드의 연장인 모드에서, 아크 상태의 청각적 피드백(feed back)을 제공하기 위하여 내부의 발신기가 경고등과 동시에 작동한다.
이제, 제10b도에 도시된 측면도를 참조하면, 용기는 통상적인 3구 벽 콘센트에 직접 삽입될 수 있으며 플러그 단자(96, 97) 상에 자체 지지되도록 고안되었다. 이러한 단자 또는 다른 국내외적으로 사용되는 2구형 단자를 플라스틱 용기(98)에 직접 장착하거나 성형시킨다.
제11a도 및 제11b도는 각각 제9도에 도시된 회로를 수용하기 위한 적절한 용기 중 하나의 정면도 및 측면도이다. 이 실시예에서, 제9도의 전류 모니터 회로가 통상의 접지 사고 차단기와 유사한 하나의 쌍 콘센트 용기에 수용되어 있다. 몰드 플라스틱 케이스(99)가 전 부품을 수용한다. 스크류 단자(101, 102)와 반대면의 다른 두 단자 및 접지 단자가 배전, 부하 및 접지를 연결하는 접속으로서의 기능을 한다. 금속제 베젤(bezel; 100)은 용기(99) 둘레에 꼭 맞게 되어 있고, 콘센트를 통상적인 콘센트 상자에 장착시킨다. 두개의 콘센트(103)는 부하의 접촉을 가능케 한다. 장치가 제대로 동작하는지 시험하기 위해 시험 스위치(104)를 누른 경우에 수동으로, 회로 차단기를 작동시킨다. 발광 다이오드(105)는 콘택트 아크가 지난 24~48 시간내의 어느 순간에 발생하였음을 가리킨다. 만약, 발광 다이오드(105)가 ON 이라면, 리셋 스위치(106)를 누름으로써 리셋시킬 수 있고, 만약 발광 다이오드가 점등되면, 그것은 아크가 다시 감지되었음을 나타내므로, 사용자에게 아크 상태를 찾아내 수리하라는 경고를 의미한다.
제12a도 및 제12b도는 각각 제9도의 전류 모니터 회로를 통상적인 회로 차단기에 수용하기 위한 적절한 용기의 다른 하나의 정면도 및 측면도이다. 몰드 플라스틱 케이스(107)가 전 부품을 수용한다. 회로 차단기 용기는 용기 뒷면의 집중 전극(도시 안됨)을 통해 배선의 고압측에 접속된다. 회로가 동작하기 위해서는 중성점 및 접지도 필요하므로, 그 접속을 위해 추가적인 전선(108)이 제공된다. 스크류 단자(113)가 부하에 고압측을 제공한다. 이 실시예에서는, 내부적인 차단 릴레이(relay)가 표준형 전류 동작 회로 차단기 및 아크 감지기에 의해 구동되는 전압 작동 릴레이의 두 가지로서 동작한다. 손잡이(108)는 통상의 회로 차단기에서와 같은 방식으로 수동으로 작동할 수 있다. 장치가 제대로 동작하는 지를 검사하기 위해 시험 스위치(112)를 누른 경우에, 수동으로 회로 차단기를 작동시킨다. 발광 다이오드(110)는 콘택트 아크가, 지난 24~48 시간 어느 순간에 발생하였음을 가리킨다. 만약, 발광 다이오드(110)가 ON이라면, 리셋 스위치(111)를 누름으로써 리셋시킬 수 있다.
본 발명은 많은 변형과 수정, 변화를 자세히 다루고 있는 바, 상술한 모든 사항 또는 첨부된 도면에 도시한 사항을 단지 그 설명을 위한 것으로 해석되어야 하며, 그 제한적 의미로 해석해서는 안된다.

Claims (48)

  1. 주파수가 F이고 주기 T = 1/F인 교류 전원 라인 상에서 전기 아크(electrical arcing)의 존재를 검출하는 방법에 있어서, 상기 라인 전압 또는 라인 전류를 파형으로서 모니터(monitor)하는 단계; 상기 파형을 모니터하여 F보다 높은 주파수를 갖는 고주파 노이즈가 존재하는지를 탐색하는 단계; 상기 파형을 모니터하여 고주파 노이즈가 존재하지 않는, T/4보다 작거나 같은 기간 tb의 갭(gap)이 있는지를 탐색하는 단계; 고주파 노이즈가 상기와 같은 갭을 제외하고 T/2와 기간이 동일한 임의의 시간 간격 동안에 계속 존재하는 경우에, 전기 아크가 존재하는 것으로 결정하는 단계; 및 전기 아크가 존재한다는 상기 결정에 응답하여 출력을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 각각이 T/2와 기간이 동일한 연속적인 다수의 시간 간격들에서 상기와 같은 갭들이 검출되는지 여부를 결정하는 단계; 및 만약 그렇다면, 상기 갭들이 상기 시간 간격들 각각에서 동일한 상대적 시간위치에서 발생하는지 여부를 결정하고, 만약 그렇지 않다면 아크가 존재한다는 상기 결정에 응답하여 상기 출력을 금지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 간격들의 수는 10~100의 범위 내인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 라인 상의 외부 노이즈에 대한 민감도를 제어하기 위하여 상기 tb의 기간을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 tb는 전 주기 T가 360°인 라인 주파수 주기 T의 1°내지 60°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 모니터된 고주파 노이즈가 약 10 KHz 내지 약 1 MHz 범위의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고주파 노이즈가 무작위적이라고 결정되는 경우에만 고주파 노이즈가 존재한다고 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 고주파 노이즈가 무작위적인지 여부를 결정하기 위하여, 상기 파형으로부터 고주파 노이즈 성분을 필터링하는 단계; 상기 고주파 노이즈의 순시 레벨(instantaneous level)을 고정 레벨과 비교하는 단계; 상기 파형 상의 수 개의 동일 길이의 간격들의 각 간격 동안에 상기 순시 레벨이 상기 고정 레벨을 초과하는 회수를 계수하는 단계; 및 상기 회수가 각 간격마다 서로 다른 경우에, 상기 노이즈가 무작위적이라고 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 노이즈가 광 대역폭을 나타내는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 노이즈가 광 대역폭을 나타내는지 여부를 결정하기 위하여, 중첩되지 않은 2개 이상의 대역 통과 필터를 통해 상기 고주파 노이즈를 필터링하는 단계; 상기 대역 통과 필터들 각각을 통과한 노이즈의 진폭을 측정하는 단계; 및 상기 대역 통과 필터들 각각을 통과한 노이즈의 진폭의 거의 같은 경우에 상기 노이즈가 광 대역폭을 나타내는 것으로 결정하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 파형에 대한 상기 갭의 상대적 시간 위치를 모니터하고, 만약 상기 시간 위치가 상기 파형의 기정의된 부분 밖에 있는 경우에 상기 출력을 금지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기정의된 부분은 상기 파형의 영점 통과 지점에 근접하여 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 측정된 파형은 라인 전압의 파형이며, 상기 방법은, 상기 파형에 대한 상기 갭의 상대적 시간 위치를 모니터하는 단계; 상기 위치에 의하여 상기 아크와 직렬로 연결된 부하의 리액턴스를 결정하는 단계; 및 상기 부하의 리액턴스를 가리키는 추가적인 출력을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 갭의 상기 위치가 상기 파형의 각 영점 통과 지점 이전의 45°와 상기 파형의 각 영점 통과 지점 이후의 45°의 사이의 간격 중앙에 위치하는 경우에, 부하가 저항성임을 가리키는 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 갭의 상기 위치가 상기 파형의 각 영점 통과 지점 이후의 45°와 90°의 사이의 간격 중앙에 위치하는 경우에, 부하가 유도성임을 가리키는 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 갭의 상기 위치가 상기 파형의 각 영점 통과 지점 이전의 45°와 90°의 사이의 간격 중앙에 위치하는 경우에, 부하가 용량성임을 가리키는 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 주파수가 F와 주기 T = 1/F인 교류 전원 라인 상에서 전기 아크의 존재를 검출하기 위한 방법에 있어서, 라인 전압 또는 부하 전류를 파형으로서 모니터하는 단계; 상기 파형을 모니터하여 F보다 높은 주파수를 갖는 고주파 노이즈의 존재를 탐색하는 단계; 상기 파형을 모니터하여 소정 패턴의 발생을 탐색하는 단계로서, 상기 소정 패턴은, 고주파 노이즈가 존재하는, T/2 보다 짧은 기간 ta의 제1 간격과, 바로 그 뒤를 따르는, 고주파 노이즈가 부재하는, T/2 보다 짧은 기간 tb의 제2 간격과, 바로 그 뒤를 따르는, 고주파 노이즈가 존재하며, ta+ tb+ tc가 T/2 보다 크지 않은 기간 tc의 제3 간격을 포함하는 단계; 상기 패턴이 T/2와 기간이 동일한 임의의 간격 중에 단 한번만 발생하는 경우에, 아크가 존재하는 것으로 결정하는 단계; 및 아크가 존재한다는 상기 결정에 응답하여 출력을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 파형에 대한 상기 제2 간격의 시작의 상대적 시간 위치를 모니터하여, 만약 상기 위치가 기설정된 범위 밖에 있는 경우에 상기 출력을 금지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 시간 위치는 상기 파형의 영점 통과 지점에 근접하여 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 tc는 영(zero)이고, 상기 ta+ tb의 합의 T/2 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 ta는 영이고, 상기 tb+ tc의 합은 T/2 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제17항에 있어서, 상기 ta+ tb+ tc는 T/2인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제17항에 있어서, 각각이 T/2와 기간이 동일한 연속적인 다수의 시간 간격들에서 아크가 존재하는지 여부를 결정하는 단계; 및 만약 그렇다면, 상기 패턴의 상기 제2 간격이 각각의 연속적인 간격에서 동일한 상대적 시간 위치에서 시작하는지 여부를 결정하며, 만약 그렇지 않다면 아크가 존재한다는 상기 결정에 응답하여 상기 출력을 금지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 연속적인 간격들의 수는 10~100의 범위내인것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제17항에 있어서, 라인 상의 외부 노이즈에 대한 민감도를 제어하기 위하여 tb의 기간을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제17항에 있어서, 상기 tb는 전 주기가 360°인 라인 주파수 주기의 1°내지 60°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제17항에 있어서, 모니터된 고주파 노이즈는 약 10 KHz 내지 약 1 MHz 범위의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제17항에 있어서, 상기 고주파 노이즈가 무작위적인지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 고주파 노이즈가 무작위적인지 여부를 결정하는 단계는, 상기 파형으로부터 고주파 노이즈 성분을 필터링하는 단계; 상기 고주파 노이즈의 순시 레벨을 고정 레벨과 비교하는 단계; 상기 파형 상의 수 개의 동일 간격들의 각 간격 동안에 상기 순시 레벨이 상기 고정 레벨을 초과하는 회수를 계수하는 단계; 및 상기 회수가 각 간격 동안 서로 다른 경우에, 상기 노이즈가 무작위적이라고 결정하는 단계를 수행함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제17항에 있어서, 상기 고주파 노이즈가 광 대역폭을 나타내는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 노이즈가 광 대역폭을 나타내는지 여부를 결정하기 위하여, 중첩되지 않은 2개 이상의 대역 통과 필터를 통해 상기 고주파 노이즈를 필터링하는 단계; 상기 대역 통과 필터들 각각을 통과한 노이즈의 진폭을 측정하는 단계; 및 상기 대역 통과 필터들 각각을 통과한 노이즈의 진폭이 거의 같은 경우에 상기 노이즈가 광 대역폭을 나타내는 것을 결정하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 주파수가 F이고 주기 T = 1/F인 교류 전원 라인 상에서 전기 아크의 존재를 검출하기 위한 장치에 있어서, 라인 전압과 부하 전류 중 어느 하나를 모니터하고, 그로부터 F보다 높은 주파수를 갖는 고주파 노이즈를 추출하기 위한 수단; 상기 노이즈의 진폭을 측정하고, 상기 진폭을 기설정된 값과 비교하여 고주파 노이즈가 존재하는지 여부를 결정하기 위한 수단; 고주파 노이즈가 존재하는 최소한 하나의 간격과 고주파 노이즈가 부재하는 다른 기간을 포함하는 패턴을 상기 노이즈가 T/2와 기간이 동일한 임의의 간격 중에 나타내는지 여부를 결정하고, 만약 그렇다면 아크가 존재한다고 결정하기 위한 수단; 및 아크가 존재한다는 상기 결정에 응답하여 출력 신호를 제공하도록 동작하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 파형에 대한, 고주파 노이즈가 부재하는 상기 간격의 시작의 상대적 시간 위치를 모니터하며, 만약 상기 시간 위치가 상기 파형의 기설정된 부분 밖에 있는 경우에 상기 출력 신호를 금지시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제32항에 있어서, 상기 패턴은 고주파 노이즈가 존재하는, T/2 보다 짧은 기간 ta의 제1 간격과, 바로 그 뒤를 따르는, 고주파 노이즈가 부재하는, 기간 tb의 제2 간격을 포함하며, ta+ tb의 합의 T/2 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제32항에 있어서, 상기 패턴은 고주파 노이즈가 부재하는, T/2 보다 짧은 기간 tb의 제1 간격과, 바로 그 뒤를 따르는, 고주파 노이즈가 존재하는 기간 tc의 제2 간격을 포함하며, tb+ tc의 합은 T/2 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제32항에 있어서, 상기 패턴은 고주파 노이즈가 존재하는, T/2 보다 짧은 기간 ta의 제1 간격과, 바로 그 뒤를 따르는, 고주파 노이즈가 부재하는, T/2 보다 짧은 기간 tb의 제2 간격과, 바로 그 뒤를 따르는 고주파 노이즈가 존재하는 기간 tc의 제3 간격을 포함하며, ta+ tb+ tc의 합은 T/2 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제32항에 있어서, 각각이 T/2와 기간이 동일한 연속적인 다수의 시간 간격에서 상기 패턴이 발생하는지 여부를 결정하기 위한 수단; 만약 그렇다면, 고주파 노이즈가 존재하지 않은 동안의 상기 패턴의 간격이, 각 연속적인 간격 중의 동일한 상대적 시간 위치에서 시작하는지 여부를 결정하기 위한 수단; 및 만약 그렇지 않다면, 아크가 존재한다는 상기 결정에 응답하여 상기 출력을 금지시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  38. 제32항에 있어서, 상기 고주파 노이즈를 추출하기 위한 수단은 고역통과 필터인 것을 특징으로 하는 장치.
  39. 제32항에 있어서, 상기 고주파 노이즈를 추출하기 위한 수단은 대역통과 필터인 것을 특징으로 하는 장치.
  40. 제32항에 있어서, 상기 추출된 노이즈를 증폭하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  41. 제40항에 있어서, 상기 증폭하기 위한 수단은, 상기 증폭하기 위한 수단의 동적 범위(dynamic range)를 확장시키기 위해 리미터(limiter) 또는 자동 이득 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  42. 제32항에 있어서, 상기 아크가 존재한다는 것을 결정하기 위한 수단은 마이크로프로세서인 것을 특징으로 하는 장치.
  43. 제32항에 있어서, 상기 출력 신호에 응답하여 청각적 또는 시각적 경고 신호 중 하나 또는 둘 다를 제공하기 위한 발신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  44. 제32항에 있어서, 아크가 존재한다는 것을 결정하기 위한 상기 수단에 응답하여, 아크가 존재하는 것으로 결정되는 경우에 전류를 차단하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  45. 제32항에 있어서, 고주파 노이즈가 존재하는지 여부를 결정하기 위한 상기 수단은 노이즈가 존재한다면 그 노이즈가 무작위적인지 여부를 결정하고, 만약 그렇지 않다면 고주파 노이즈가 존재하지 않는 것으로 결론짓기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  46. 제45항에 있어서, 상기 고주파 노이즈가 무작위적인지 여부를 결정하기 위한 상기 수단은, 상기 고주파 노이즈의 순시 진폭을 고정 레벨과 비교하기 위한 수단; 파형의 연속 사이클 상의 수 개의 동일 간격들의 각 간격 동안에 상기 순시 진폭이 상기 고정 레벨을 초과하는 회수를 계수하기 위한 수단; 및 상기 회수가 각 각격마다 서로 다른 경우에, 상기 노이즈는 무작위적이라는 것을 결정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  47. 제32항에 있어서, 고주파 노이즈가 존재하는지 여부를 결정하기 위한 상기 수단은 상기 노이즈가 광대역폭을 나타내는지 여부를 결정하고, 만약 그렇지 않다면, 고주파 노이즈가 존재하지 않는 것으로 결론짓기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  48. 제47항에 있어서, 상기 노이즈가 광대역폭을 나타내는지 여부를 결정하기 위한 상기 수단은, 중첩되지 않은 2개 이상의 대역 통과 필터들을 통해 상기 고주파 노이즈를 필터링하기 위한 수단; 및 상기 대역 통과 필터들 각각을 통과한 노이즈의 상대적 진폭을 비교하여, 상기 대역 통과 필터들 각각을 통과한 노이즈의 진폭이 거의 같다면, 상기 노이즈가 광대역폭을 나타낸다는 것을 결정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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