KR101307016B1 - 연속 아킹 기간에 특징이 있는 아크 결함 검출방법 - Google Patents

연속 아킹 기간에 특징이 있는 아크 결함 검출방법 Download PDF

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센사타 테크놀로지스 매사추세츠, 인크.
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Abstract

방해 트립핑을 행할 가능성이 감소된 전기 아크 결함의 검출장치 및 검출방법에 관한 것이다. 상기 장치는 전류 센서, 입력 감지회로, 아킹 감지회로, 전원 공급장치, 트립핑 회로, 처리부 및 전기기계 인터페이스를 포함한다. 처리부는 지정된 수의 연속 시구간 동안에 아킹 감지회로에 의해 제공되는 다수의 전압 레벨을 측정한다. 다음으로, 처리부는, 지정된 최소값을 초과한 전압 레벨이 연속적으로 더 낮거나 또는 더 높은 값을 가지거나, 소정의 정상적인 값의 범위 외부에 속하는 연속 시구간의 수를 결정한다. 이 결정의 결과에 기초하여, 처리부는 전기기계 인터페이스를 트립하여 부하에 대한 전원을 차단하거나, 전기기계 인터페이스의 트립핑을 금지함으로써, 방해 트립핑의 발생을 감소시킨다.
Figure R1020070030255
아크 결함, 방해 부하, 방해 트립핑, 연속 기간

Description

연속 아킹 기간에 특징이 있는 아크 결함 검출방법{METHODS OF DETECTING ARC FAULTS CHARACTERIZED BY CONSECUTIVE PERIODS OF ARCING}
도 1a는 본 발명에 따른 아크 결함 검출장치의 블록도.
도 1b는 도 1a의 아크 결함 검출장치를 예시하는 개략도.
도 2는 도 1a의 아크 결함 검출장치에 의해 수행되는 3 사이클 알고리즘을 예시하는 순서도.
도 3은 도 1a의 아크 결함 검출장치에서 활용될 수도 있는 비교기 회로를 예시하는 개략도.
도 4a-4b는 도 1a의 아크 결함 검출장치에 의해 수행되는 펄스 카운터 알고리즘을 예시하는 순서도.
도 5는 도 4a-4b의 펄스 카운터 알고리즘에 의해 활용되는 측정 데이터 세트의 맵핑을 예시하는 표.
도 6은 도 1a의 아크 결함 검출장치에 의해 수행되는 아킹 이벤트 카운터 알고리즘을 예시하는 순서도.
도 7은 도 1a의 아크 결함 검출장치에 의해 수행되는 디지털 카운터를 이용한 비교기 회로의 출력을 통합하는 방법을 예시하는 순서도.
도 8은 도 1a의 아크 결함 검출장치에 의해 수행되는 도 2의 3 사이클 알고 리즘, 도 4a-4b의 펄스 카운터 알고리즘, 및 도 6의 아킹 이벤트 카운터 알고리즘을 포함하는 동작 방법을 예시하는 순서도.
도 9는 도 1a의 아크 결함 검출장치에 포함된 통합 커패시터 양단의 고전압의 연속 기간의 수를 예시함으로써, 가능한 전기 아크 결함을 나타내는 도면.
도 10a는 도 1a의 아크 결함 검출장치에 포함된 통합 커패시터 양단의 감소하는 전압의 연속 기간의 수를 예시함으로써, 가능한 방해 부하를 나타내는 도면.
도 10b는 도 1a의 아크 결함 검출장치에 포함된 통합 커패시터 양단의 증가하는 전압의 연속 기간의 수를 예시함으로써, 가능한 방해 부하를 나타내는 도면.
도 11은 도 1a의 아크 결함 검출장치에 포함된 통합 커패시터 양단의 비정상적으로 높은 전압의 하나의 기간을 예시함으로써, 가능한 방해 부하를 나타내는 도면.
도 12는 다수의 연속 시구간 동안 장치에 포함된 통합 커패시터 양단의 전압을 감시함으로써 전기 아크 결함이 검출되거나, 방해 트립핑이 금지될 수 있는 도 1a의 아크 결함 검출장치의 동작방법을 예시하는 순서도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 아크 결함 검출장치 101 : 전류 센서
102 : 입력 감지회로 104 : 아킹 감지회로
106 : 전원 공급장치 108 : 트립핑 회로
112 : 처리부 117 : 전기기계 인터페이스
본 출원은 "METHODS FOR DETECTING ARC FAULTS(아크 결함 검출방법)"라는 명칭으로 2004년 9월9일에 출원된 미국특허 출원번호 제10/937,487호의 부분계속 출원(continuation-in-part application)이다.
본 발명은 일반적으로 아크 결함(arc fault)을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 방해 트립핑(nuisance tripping)에 덜 민감한 아크 결함 검출장치 및 검출방법에 관한 것이다.
마이크로 컨트롤러를 활용하여 부하와 연관된 전압을 측정하고, 전압 측정값을 나타내는 데이터를 처리하여 전기 아킹(arcing)의 존재를 결정하는 아크 결함 검출장치 및 검출방법이 알려져 있다. 예를 들어, 종래의 아크 결함 검출장치는 교류 부하 전류를 감지하고, AC 신호를 필터링 및 정류하여, 정류된 신호를 통합 커패시터에 제공하도록 구성될 수도 있다. 또한, 종래의 아크 결함 검출장치는 마이크로 컨트롤러를 이용하여 통합 커패시터 양단의 전압을 측정하고, 알고리즘을 이용한 이후의 처리를 위하여 전압 측정값을 디지털 데이터로 변환할 수도 있다. 예를 들어, 이러한 알고리즘은 라인 전압의 각각의 사이클에 대응하는 측정된 전압 레벨을 분석하고, 전압 측정값이 포인트 접촉, 로우 레벨, 또는 일련의 전기 아킹과 같은 전기 아크 결함의 특성인지, 또는, 디머(dimmer) 제어, 모터, 백열등 조명, 제품 온도조절기 스위칭, 드릴(drill) 전류 추이(transition), 랜덤 라인 전압 스파이크(spike), EMI 버스트(burst) 등과 같은 방해 부하(nuisance load)의 특성 인지를 결정하기 위해 활용될 수도 있다. 전압 측정값이 아크 결함의 특성일 경우에는, 종래의 아크 결함 검출장치는 통상적으로 회로 브레이커(breaker)를 트립(trip)하여 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊는다.
상술한 종래의 아크 결함 검출장치는 전기 아크 결함 및 방해 부하를 검출 및 구별하기 위해 활용될 수 있지만, 신뢰성이 증가된 아크 결함 검출 기술에 대한 필요성이 존재한다. 예를 들어, 아크 결함을 나타내는 전기 아킹은 일반적으로 그 속성이 무질서하다. 이에 비해, 트라이악(triac)에 의해 제어되는 디머 회로와 같은 방해 부하는 주기적인 전기 아킹 이벤트(event)를 생성할 수 있다. 그러나, 종래의 아크 결함 검출장치는 대개 주기적 및 비주기적 전기 아킹 이벤트를 신뢰성있게 구별할 수 없으며, 그러므로, 방해 트립핑을 행하는 경향이 있다. 또한, 디머 제어, 모터 및 백열등 조명과 같은 방해 부하들은 이들 장치의 설정이 변경될 때에 고전압의 과도상태를 발생할 수 있으며, 이에 따라, 연속 시구간에 걸쳐 감소 또는 증가하는 전기 아킹의 레벨을 생성한다. 그러나, 종래의 아크 결함 검출장치는 전기 아크 결함과, 전압 레벨에 있어서 과도상태의 감소 또는 증가의 특징이 있으며 일반적으로 방해 부하를 나타내는 전기 아킹 이벤트를 구별함에 있어서 빈번하게 어려움을 가진다. 또한, 일부 부하는 비정상적으로 고전압 레벨을 가지며 노이즈가 있는 스위칭 신호를 생성할 수도 있지만, 이러한 고전압 레벨은 반드시 전기 아킹을 나타내는 것은 아니며, 종래의 전기 아크 결함 검출장치에 의해 아크 결함으로서 간주되는 오류가 있을 수도 있다.
그러므로, 상술한 종래의 아크 결함 검출장치 및 검출방법의 단점을 회피하는 개선된 아크 결함 검출장치 및 검출방법을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 방해 트립핑의 가능성이 감소된 전기 아크 결함을 검출하는 장치 및 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 아크 결함 검출장치는 전류 센서, 입력 감지회로, 아킹 감지회로, 전원 공급장치, 트립핑[파이어링(firing)] 회로, 처리부, 및 전기기계 인터페이스를 포함한다. 하나의 동작 모드에서, 전류 센서는 교류 전류(AC)를 포함하는 전원 입력을 감시하고, AC 전류의 고주파수 성분을 입력 감지회로에 제공한다. 다음으로, 입력 감지회로는 그 입력측의 AC 신호를 필터링 및 정류하여, 정류된 신호를 아킹 감지회로에 제공한다. 다음으로, 아킹 감지회로는 복수의 전압 레벨을 처리부에 제공한다. 처리부는 각각의 전압 레벨을 측정하고, 측정된 전압 레벨에 관한 정보를 저장하며, 저장된 정보를 하나 이상의 알고리즘을 이용하여 처리함으로써, AC 전류의 고주파수 성분이 전기 아크 결함으로부터 발생한 것인지 또는 방해 부하로부터 발생한 것인지를 결정한다. 고주파수 AC 전류 성분이 아크 결함으로부터 발생한 경우에는, 처리부는 파이어링 회로를 기동하여 전기기계 인터페이스를 트립함으로써, 부하에 대한 전원 출력을 차단한다.
현재 개시된 실시예에서는, 처리부가 전기 아크 결함과 방해 조건을 검출 및 구별하기 위한 다수의 알고리즘을 실행한다. 제1알고리즘에 따르면, 처리부는 지정된 수의 연속 시구간 동안 아킹 감지회로에 의해 제공되는 다수의 전압 레벨을 측정한다. 일 실시예에서, 처리부는 각각의 연속 시구간 동안 단일 전압 레벨 측정을 수행한다. 또 다른 실시예에서, 처리부는 각각의 시구간 동안 복수의 전압 레벨 측정을 수행한다. 예를 들어, 각각의 연속 시구간은 라인 전압의 1/2 사이클에 대응할 수도 있다. 이와 달리, 각각의 시구간은 소정의 일정한 또는 가변 시구간에 대응할 수도 있다. 다음으로, 처리부는 아킹 감지 회로에 의해 제공된 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수를 결정한다. 측정된 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수가 소정의 임계값 이상일 경우에는, 처리부는 파이어링 회로를 기동하여 전기기계 인터페이스를 트립하며, 이것은 부하에 대한 전원 출력을 차단한다. 이 경우, AC 라인 전류의 고주파수 성분은 전기 아크 결함으로부터 발생한 것이라고 간주된다. 측정된 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수가 소정의 임계값보다 작을 경우에는, 전기기계 인터페이스의 트립핑이 금지된다. 이 경우, AC 라인 전류의 고주파수 성분은 방해 부하로부터 발생한 것으로 간주된다.
제2알고리즘에 따르면, 처리부는 지정된 수의 연속 시구간 동안 아킹 감지회로에 의해 제공된 다수의 전압 레벨을 측정하고, 아킹 감지회로에 의해 제공된 전압 레벨이 연속적으로 더 낮은 값을 갖는 연속 시구간의 수를 결정한다. 제3알고리즘에 따르면, 처리부는 지정된 수의 연속 시구간 동안 아킹 감지회로에 의해 제공된 다수의 전압 레벨을 다시 측정한다. 그러나, 제3알고리즘을 수행할 때, 처리부는 아킹 감지회로에 의해 제공된 전압 레벨이 연속적으로 더 높은 값을 갖는 연속 시구간의 수를 결정한다. 측정된 전압 레벨이 연속적으로 더 낮은 또는 더 높은 값을 갖는 연속 시구간의 수가 소정의 임계값 이상일 경우에는, 전기기계 인터페이스의 트립핑이 금지된다. 각각의 경우, AC 라인 전류의 고주파수 성분은 방해 부하로부터 발생한 것으로 간주된다. 이러한 제2 및 제3알고리즘은 상술한 제1알고리즘과 함께 이용되어 방해 트립핑의 발생을 감소할 수 있다.
제4알고리즘에 따르면, 처리부는 지정된 수의 연속 시구간 동안 아킹 감지회로에 의해 제공된 다수의 전압 레벨을 측정하고, 하나 이상의 측정된 전압 레벨이 소정의 값의 범위의 외부에 속하는지를 결정한다. 처리부가 하나 이상의 측정된 전압 레벨이 소정 범위의 외부에 속하는 것으로 결정함으로써, 하나 이상의 측정된 전압 레벨이 비정상적으로 높다는 점을 나타낼 경우에는, 전기기계 인터페이스의 트립핑이 금지된다. 이 경우, AC 라인 전류의 고주파수 성분은 예를 들어, 하이(high) 레벨 또는 평행 아킹, 라인 노이즈, 회로 오동작, 또는 방해 부하로부터 발생한 것으로 간주된다. 통상, 이러한 비정상적으로 높은 전압은 다이오드-보정(diode-corrected) 커패시터, 또는 브릿지(bridge), 또는 임의의 다른 적당한 출력 제한, 바운딩(bounding), 클립핑(clipping) 회로, 또는 임의의 적당한 범위의 검사 기술을 통해 제어될 수 있다. 상술한 제2 및 제3알고리즘과 같이, 제4알고리즘은 제1알고리즘과 함께 이용되어 방해 트립핑의 발생을 감소할 수 있다. 예를 들어, 제1알고리즘에서 활용되는 지정된 최소값은 제4알고리즘에서 활용되는 소정의 값의 범위 내에 속하도록 선택될 수도 있다.
지정된 수의 연속 시구간 동안 아킹 감지회로에 의해 제공된 다수의 전압 레벨을 측정하고, 측정된 레벨이 지정된 최소값을 초과하는 연속 기간의 수와, 측정된 레벨이 연속적으로 더 낮은 또는 더 높은 값을 가지는 연속 기간의 수와, 임의의 측정된 레벨이 소정의 값의 범위의 외부에 속하는지 아닌지와 같은 기준에 기초하여 측정된 전압 레벨을 분석함으로써, 전기 아크 결함을 검출하는 신뢰도가 증가될 수 있고, 방해 트립핑의 발생이 감소될 수 있다.
발명의 다른 특징, 기능 및 형태는 다음의 발명에 대한 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
다음의 발명에 대한 상세한 설명을 도면과 함께 참조하면 더욱 완전히 발명을 이해할 것이다.
"METHOD FOR DETECTING ARC FAULTS(아크 결함 검출방법)"라는 명칭으로 2004년 9월9일에 출원된 미국 특허출원 제10/937,487호의 전체 개시내용은 참조를 위해 본 명세서에 포함된다.
도 1a는 본 발명에 따른 아크 결함 검출장치(100)의 예시적인 실시예를 도시한 것이다. 예시된 실시예에서, 장치(100)는 전류 센서(101), 입력 감지회로(102), 아킹 감지회로(104), 전원 공급장치(106), 트립핑(파이어링) 회로(108), 처리부(112), 및 전기기계 인터페이스(117)를 포함한다. 예시적인 동작 모드에서, 전류 센서(101)는 전기기계 인터페이스(117)를 통해 전원 입력을 감시하고, 전원 입력의 고주파수 성분을 입력 감지회로(102)에 제공한다. 다음으로, 입력 감지회로(102)는 그 입력측의 AC 신호를 필터링 및 정류하고, 정류된 신호를 아킹 감지회로(104)에 제공한다. 다음으로, 아킹 감지회로(104)는 가능한 전기 아킹을 나타내는 전압 레벨 및 디지털 신호를 처리부(112)에 제공한다. 다음으로, 처리부(112)는 전압 레벨을 측정하고, 하나 이상의 알고리즘을 이용하여 전압 측정값 및 디지털 신호를 분 석하여 그 신호가 아크 결함으로부터 발생한 것인지 또는 방해 부하로부터 발생한 것인지를 결정한다. 신호가 아크 결함으로부터 발생한 경우에는, 처리부(112)는 파이어링 회로(108)를 기동함으로써, 전기기계 인터페이스(117)를 트립하여 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊는다. 전기기계 인터페이스(117)를 트립하기 전에, 입력 감지회로(102)에 의해 감지된 AC 신호가 전기 아크 결함으로부터 발생한 것인지 또는 방해 부하로부터 발생한 것인지를 결정함으로써, 처리부(112)는 아크 결함 검출장치(100)가 부하 트립핑을 행할 가능성을 감소시킨다.
도 1b는 아크 결함 검출장치(100)의 예시적인 구현예를 도시한 것이다. 예시된 실시예에서, 전류 센서(101)는, 부하 라인 위상 단자(TP9) 및 부하 중립 단자들(TP10 및 TP22)을 통해 전원 출력에 결합 가능한 부하에 흐르는 교류 전류(AC) i를 감시함으로써 전원 입력을 감시하는 트랜스포머(TR1)를 포함한다. 트랜스포머(TR1)는 그 1차 코일(L1)로부터의 AC 전류 i의 고주파수 성분을 그 2차 코일(L2)에 자기적으로 결합하도록 구성됨으로써, AC 전류 I를 입력 감지회로(102)에 제공한다. 현재 개시된 실시예에서, 아크 결함 검출장치(100)는 적층 인쇄회로보드(PCB : Printed Circuit Board) 기판, 세라믹 기판, 또는 임의의 다른 적당한 기판과 같은 기판상에 구현된다. 또한, 트랜스포머(TR1)의 1차 코일(L1)은 기판에 수직인 자기 축을 갖는 2차 코일(L2)을 둘러싼다(도 2c-2d 참조). 바람직한 실시예에서, 트랜스포머(TR1)의 2차 코일(L2)은 비교적 약한 자기 결합을 제공한다. 예를 들어, 약하게 결합된 트랜스포머(TR1)는 약 20-50 μH의 상호 컨덕턴스(mutual conductance)를 제공할 수도 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 입력 감지회로(102)는 커패시터(C1), 저항(R1-R2) 및 다이오드(D1-D6)를 포함한다. 트랜스포머(TR1)의 2차 코일(L2)은 커패시터(C1) 및 저항(R2) 사이에 접속된다. 또한, 커패시터(C1)는 저항(R1)에도 접속되고, 저항(R1-R2)은 접지(ground)에 접속된다. 커패시터(C1)는 트랜스포머 2차 코일(L2)에 의해 제공된 AC 신호를 하이패스(high pass) 필터링하며, 저항(R1-R2)은 2차 코일(L2)에 대한 접지 기준을 제공한다. 다이오드(D1)의 캐소드(cathode)는 커패시터(C1) 및 저항(R1)에 접속되고, 다이오드(D2)의 캐소드는 2차 코일(L2) 및 저항(R2)에 접속되며, 다이오드(D1-D2)의 애노드(anode)는 접지에 접속된다. 또한, 다이오드(D1)의 캐소드는 다이오드(D3-D4)의 애노드에 접속되고, 다이오드(D2)의 캐소드도 다이오드(D5-D6)의 애노드에 접속된다. 다이오드(D4-D5)의 캐소드는 접지에 접속되고, 다이오드(D3 및 D6)의 캐소드는 입력 감지회로(102)의 출력을 제공하는 노드(114)에 접속된다. 다이오드들(D1-D2 및 D4-D5)은 전파 정류 브릿지(full wave rectified bridge)를 형성하도록 구성되므로, 노드(114)에서 제공되는 출력은 전파 정류 신호이다. 바람직한 실시예에서, 다이오드(D3 및 D6)는 다이오드(D4-D5)와 일치한다. 또한, 아킹 감지회로(104)에 포함된 다이오드(D3-D6) 및 커패시터(C2)는 로깅 회로(logging circuit)를 형성함으로써, 노드(114)에서 제공되는 출력의 레벨이 입력 감지회로(102)의 입력의 로그(log)에 비례하도록 한다.
예시된 실시예에서, 아킹 감지회로(104)는 커패시터(C2), 통합 커패시터(C3), 저항(R3-R7), 연산 증폭기(op amp : operational amplifier)(116), 및 다이오드(D7)를 포함한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 커패시터(C2) 및 저항(R4)은 노드(114) 및 접지 사이에 접속된다. 또한, 저항(R3)은 노드(114)와, 처리부(112)(도 1a 참조)의 기능을 수행하는 마이크로 컨트롤러의 핀(10) 사이에 접속된다. op amp(116) 및 저항(R5-R6)은 비반전(non-inverting) 증폭기(105)를 형성하도록 구성된다. 커패시터(C2)는 op amp(116)의 비반전 입력에 접속되고, 커패시터(C2) 양단의 전압은 버퍼링되어 다이오드(D7) 및 저항(R7)을 통해 통합 커패시터(C3)에 제공된다. 커패시터(C3)는 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(9)과 접지 사이에 접속된다. 다이오드(D7)는 커패시터(C3)로부터의 역방향 전류 흐름을 방지하도록 구성된다. 또한, 저항(R7) 및 커패시터(C3)의 조합은 고주파수 노이즈를 필터링하는 로우패스(low pass) 필터를 형성한다.
커패시터(C2) 양단의 전압은 약 (C2)*(R4) 초(second)의 감쇠 시간(decay time)으로 리셋(reset)된다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, R4가 10㏀이고, 커패시터(C2)가 1nf이면, 커패시터(C2)의 감쇠 시간은 약 10μsec이다. 아킹 감지회로(104)는 커패시터(C2) 양단의 전압 변화(△VC2)를 아래의 수학식 (1)로부터 결정될 수도 있는 폭 tpw를 갖는 펄스로 변환하도록 구성되며,
Figure 112007024249866-pat00001
여기서, "G"는 op amp(116)의 이득(gain)이다. 상당한 di/dt 이벤트("아킹 이벤트")에 응답하여 발생된 각각의 펄스는 아래의 수학식 (2)로서 표현될 수도 있는 커패시터(C3) 양단의 전압 변화(△VC3)를 일으킨다.
Figure 112007024249866-pat00002
따라서, 수학식 (1)-(2)는, 아킹 이벤트의 수가 증가할 때, △VC3가 △VC2의 로그와 함께 증가함으로써, 아크 결함 검출장치(100)의 동적 범위를 증가시키고 있음을 보여주고 있다.
마이크로 컨트롤러(112)는 마이크로 컨트롤러의 핀(9)에서 통합 커패시터(C3) 양단의 전압(VC3)을 측정하도록 동작한다. 예를 들어, 마이크로 컨트롤러(112)는 Texas Instruments Inc.(TI), Dallas, Texas, USA에 의해 판매되는 MSP430F1122 마이크로 컨트롤러, 또는 임의의 다른 적당한 마이크로 컨트롤러를 포함할 수도 있다. 하나의 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(112)는 라인 전압 제로 크로싱(zero crossing) 근처에서 라인 전압의 각각의 1/2 사이클에 한 번씩 커패시터(C3) 양단의 전압(VC3)을 측정한다. 측정된 전압은 통합 커패시터(C3)에 의해 누적된 전압의 합을 나타내며, 이것은 간단한 감쇠 시간을 통해 리셋된다. 따라서, 각각의 측정이 행해지는 샘플링 기간은 아킹 이벤트가 발생할 경우에 시작하여 대략 감쇠 시간 동안 지속되는 기간을 가진다.
대안적인 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(112)는 라인 전압의 1/2 사이클마다 다수의 횟수에 걸쳐 통합 커패시터(C3) 양단의 전압(VC3)을 측정한다. 예를 들어, 마이크로 컨트롤러(112)는 라인 전압의 절대값에 의해 결정되는 시간의 각각의 1/2 사이클마다 두 번씩 전압(VC3)을 측정하고, 각각의 측정 이후에 커패시터(C3)를 0 볼트(volt)로 리셋할 수도 있다. 구체적으로, 마이크로 컨트롤러(112)는 각각의 1/2 사이클의 2개의 소정의 영역에 대응하는 시간에 전압(VC3)을 측정한다. 다음으로, 마이크로 컨트롤러(112)는 먼저, 각각의 소정의 영역의 시작시에 커패시터(C3)를 0 볼트로 리셋하고, 그 다음에, 각 영역의 종료시에 커패시터 전압을 측정함으로써, 이러한 측정값을 합산한다. 바람직한 실시예에서, 1/2 사이클마다의 두 번의 전압 측정은 라인 전압 제로 크로싱 근처에서 행해지며, 예를 들어, 한 번의 측정은 제로 크로싱 직전에 행해지고, 또 한 번의 측정은 제로 크로싱 직후에 행해진다.
현재 개시된 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(9)은 마이크로 컨트롤러(112) 내의 아날로그-디지털 변환기(ADC : analog to digital converter)에 접속된다. ADC는 통합 커패시터(C3) 양단에서 취해진 아날로그 전압 측정값을 디지털 데이터로 변환함으로써, 마이크로 컨트롤러(112)가 측정 데이터를 내부 메모리에 저장할 수 있도록 한다. 각각의 측정 이후에, 마이크로 컨트롤러(112)는 핀(9)을 접지로 단락시켜서, 커패시터(C3)가 다음의 샘플링 기간 동안 전류를 통합하도록 준비시킨다. 또한, 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(10)은 op amp(116)의 출력에 접속되어, 펄스 카운터 신호를 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(13)에 직접 제공한다. 마이크로 컨트롤러(112)는 내부 카운터를 활용하여, 펄스 카운터 신호를 감시하고, 신호 내에서 발생하는 펄스를 추적한다. 다음으로, 마이크로 컨트롤러(112)는 측정 된 전압 및 감시된 펄스에 관한 데이터를 저장하고, 하나 이상의 알고리즘을 이용하여 데이터를 처리하여, 전압/펄스가 전기 아크 결함 또는 장해 부하에 의해 발생한 것인지를 결정한다.
아크 결함 검출장치(100)는, 커패시터(C4), 저항(R8-R10), 제너(zener) 다이오드(D8), 및 라인 위상을 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(12)에 접속하도록 동작 가능한 푸시 버튼(PB1)을 갖는 리셋회로(110)를 더 포함한다. 예시된 실시예에서, 직렬 접속된 저항(R9-R10)과, 핀(12) 및 접지 사이에 접속된 저항(R8)은 라인 전압 및 라인 전류를 마이크로 컨트롤러(112)에 적당한 레벨로 감소시킨다. TI MSP430F1122 마이크로 컨트롤러가 내부 보호용 다이오드를 포함하더라도, 제너 다이오드(D8)가 핀(12) 및 접지 사이에 접속되어 여분의 전압 제한을 제공한다. 커패시터(C4)는 핀(12) 및 접지 사이에 접속되어 고주파수 노이즈를 필터링한다. 푸시 버튼(PB1)이 작동하여 검사를 시작하면, 마이크로 컨트롤러(112)는 증가하는 펄스폭을 갖는 감지 테스트 신호를 핀(10)에 제공한다. 그 결과, 펄스폭이 증가할 때, 마이크로 컨트롤러(112)는 저항(R3)을 통해 증가하는 전압을 커패시터(C2)에 인가함으로써, 변동하는 전압에서 모의 전기 아킹(simulated electrical arcing)을 생성한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 파이어링 회로(108)는 커패시터(C5-C7), 저항(R11-R12), 다이오드(D9), 및 실리콘 제어 정류기(SCR1)를 포함한다. 구체적으로, 커패시터(C7)는 SCR1의 애노드 및 캐소드 사이에 접속되고, 커패시터(C6) 및 저항(R12)은 SCR1의 게이트 및 캐소드 사이에 접속되어 상당한 dv/dt 이벤트에 의 한 SCR1의 의도적이지 않은 턴온(turn-on)을 방지한다. 커패시터(C5)는 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(14)과 전류 제한 저항(R11) 사이에 직렬로 접속되어 전원 공급장치의 과도한 소모를 방지한다. 전기기계 인터페이스(117)는 다이오드(D12-D15)를 갖는 다이오드 브릿지와, 솔레노이드(118)와, 라인 중립 및 라인 위상 단자 사이에 접속되어 과도한 라인 전압을 방지하는 금속 산화물 바리스터(metal oxide varister)(MOV1)를 포함한다. 다이오드(D9)는 다이오드 브릿지(D12-D15) 및 SCR1의 애노드 사이에 접속된다. 다이오드(D9)는 저항(R16-R17)과, 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(8)에 접속된 커패시터(C8)를 포함하는 라인 전압 감시회로로부터 커패시터(C7)를 절연시킨다. 따라서, SCR1이 턴온될 때, SCR1은 다이오드 브릿지(D12-D15)를 통해 증가된 전류를 끌어당기며, 라인 전압과 대략 동일한 전압 레벨은 솔레노이드(118)를 트립하여 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊는다.
예시된 실시예에서, 전원 공급장치(106)는 저항(R13-R20), 커패시터(C8-C10) 및 다이오드(D10-D11)를 포함한다. 직렬 접속된 저항(R13-R15)은 제너 다이오드(D11)에 제공되는 전류량을 제한한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 저항(R20)은 다이오드(D10) 및 제너 다이오드(D11)의 접합부와, 마이크로 컨트롤러(112)의 양(positive)의 공급전원 Vcc(핀 2) 사이에 접속된다. 다이오드(D10)는 다이오드(D10-D11)의 접합부 및 접지 사이에 접속되는 커패시터(C9)로부터의 역방향 전류 흐름을 방지한다. 또한, 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(2) 및 접지 사이에 접속되는 커패시터(C10)는 전압 Vcc를 마이크로 컨트롤러(112)에 제공한다. 직렬 접속된 저항(R16-R17)은 저항(R14-R15)의 접합부 및 접지 사이에 접속된다. 또한, 저항(R16- R17)의 접합부 및 접지 사이에 접속되는 커패시터(C8)는 기준 전압(VREF)을 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(8)에 제공한다. 기준 전압(VREF)은 라인 전압의 절대값과 대략 동일한 다이오드 브릿지(D12-D15)의 전압에 비례한다. 현재 개시된 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(112)는 VREF를 통해 라인 전압을 감시하고, 감시된 라인 전압에 기초하여 커패시터(C3) 양단 전압의 측정을 언제 수행할 것인지를 결정한다. 대안적인 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(112)는 디지털 타이머의 출력을 감시하고, 타이머 출력에 기초하여 통합 커패시터(C3) 양단의 전압 측정을 수행할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 마이크로 컨트롤러(112)는 하나 이상의 알고리즘을 이용하여 저장된 전압/펄스 데이터를 처리함으로써, 아킹 이벤트의 발생을 결정한다. 이하, 3 사이클 알고리즘(TCA : three cycle algorithm)을 활용하여 방해 부하에 대한 트립핑의 발생을 감소시키는 아크 결함 검출장치(100)의 동작방법에 대해 도 1b 및 도 2를 참조하여 설명한다. 단계(202)에서 도시된 바와 같이, 통합 커패시터(C3)는 0 볼트로 리셋되고, 마이크로 컨트롤러(112) 내의 모든 플래그(flag)는 초기화된다. 단계(206-209)는, 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(8)에서 감시된 기준 전압(VREF)이 소정의 값 samp_hi를 초과하여 선택된 값 sample1 미만이 될 때까지, 방법의 루프(loop)가 계속됨으로써, 라인 전압 제로 크로싱 근처에 샘플링 또는 측정 포인트를 정의하는 서브루틴(subroutine)을 형성한다. 다음으로, 단계(214)에서 도시된 바와 같이, 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(9)에서 커패시터(C3) 양단의 전압 측정이 행해지고, 그 다음, 커패시터(C3)는 0 볼트로 리셋된다. 다음으로, 단 계(216)에서 도시된 바와 같이, 푸시 버튼(PB1)이 활성화되어 있는지에 대한 결정이 행해진다. 푸시 버튼(PB1)이 활성화되어 있을 경우에는, 단계(220)에서 도시된 바와 같이, 전기 아크와 유사한 노이즈가 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(10)에 접속된 저항(R3)을 통해 커패시터(C2)에 주입되며, 마이크로 컨트롤러(112)는 라인 전압의 복수의 1/2 사이클에 걸쳐 주입되고 이하에서 설명되는 단계(240)의 TCA에 의해 처리되는 충분한 노이즈에 의해, 솔레노이드(118)가 부하 전류에서 검출된 전기 아크와 동일한 방식으로 트립하도록 한다.
바람직한 실시예에서는, 전기 아크를 유지하기 위하여 최소의 전압, 예를 들어, 약 15 볼트(volt)가 요구되므로, 라인 전류 및 라인 전압 사이의 위상차를 설명하기 위한 전압 측정값에 대해 통상적으로 50 볼트에 이르는 구간(window)이 선택된다. 라인 전압 제로 크로싱 근처의 이 구간은 제로 크로싱 근처에서 통상적으로 발생 또는 소멸되는 비교적 작은 아크를 캡처(capture)한다.
다음으로, 전압 측정값은 디지털 형태로 변환되고, 단계(234)에서 도시된 바와 같이, 마이크로 컨트롤러(112) 내의 스택(stack)에 보내져서 측정 데이터의 이력(history)을 유지한다. 현재 개시된 실시예에서는, 연속적인 전압 측정값이 워드(word)로서 스택에 입력된다. 다음으로, 단계(240)에서 도시된 바와 같이, TCA가 실행된다. 구체적으로, 사이클 1의 워드(즉, V[n-1]) 마이너스(minus) 사이클 2의 워드(즉, V[n])가 계산되고 그 절대값이 취해져서 제1계산값을 구하고, 사이클 3의 워드(즉, V[n+1]) 마이너스 사이클 2의 워드(즉, V[n])가 계산되고 그 절대값이 취해져서 제2계산값을 구하며, 사이클 3의 워드(즉, V[n+1]) 마이너스 사이클 1의 워 드(즉, V[n-1])가 계산되고 그 절대값이 취해져서 제3계산값을 구한다. 다음으로, 제1값 플러스(plus) 제2값 마이너스 제3값이 계산되고 그 절대값이 취해진다. 그러므로, 단계(240)에서 실행되는 TCA는 다음의 수학식 (3)으로 표현될 수도 있다.
Figure 112007024249866-pat00003
수학식 (3)의 절대값 부호의 가장 외부의 쌍은 엄격하게 요구되지 않지만, TCA 실행 동안의 최하위 비트(LSB : Least Significant Bit) 에러의 발생을 회피하기 위한 필요성을 강조하기 위해 포함된다는 점을 이해해야 한다. TCA에서 활용된 인접한 완전한 사이클 1-3은 중복되거나 또는 중복되지 않을 수도 있음에 유의해야 한다. 3개의 사이클이 중복되지 않으면, 6개의 1/2 사이클이 TCA를 실행하도록 요구된다. 3개의 사이클이 중복되면, 4개의 1/2 사이클만 TCA를 위해 요구된다.
다음으로, 단계(244)에서 도시된 바와 같이, TCA 계산의 적어도 하나의 연속적인 실행 합(running sum)이 유지된다. TCA 계산의 각각의 실행 합은 각각의 샘플링 기간에 걸쳐 발생하는 전기 아킹의 전체적인 양을 나타낸다. 샘플링 기간의 종료시에는, 단계(246)에서 도시된 바와 같이, 실행 합이 소정의 최대 임계값 max_limit를 초과하는지에 대한 결정이 행해진다. 실행 합의 값이 max_limit을 초과할 경우에는, 아크 결함이 검출되고, 단계(248)에서 도시된 바와 같이, SCR1이 기동되어 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊는다. 바람직한 실시예에서는, SCR1이 3번 기동되어, 라인 전압의 간단한 중단이 있더라도 기동을 보장한다. 현재 개시된 실시예에서는, 선택된 폭, 예를 들어, 30 μsec를 갖는 펄스가 SCR1에 제공된다. 다음으로, 방법은 단계(202)로 루프를 되돌려서, 이후의 전압 측정을 위해 통합 커패시터(C3)를 준비시킨다.
상기 예시적인 실시예를 설명하였지만, 다른 대안적인 실시예 또는 변형도 행해질 수 있다. 예를 들어, 아킹 감지회로(104)(도 1b 참조)는 비반전 증폭기(105)를 형성하는 op amp(116) 및 저항(R5-R6)을 포함하는 것으로 설명되었다. 도 3은 비반전 증폭기(105) 대신에 활용될 수 있는 비교기 회로(105a)를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 비교기 회로(105a)는 비교기(120), 저항(R30-R32), 다이오드(D7), 및 커패시터(C3)를 포함한다. 구체적으로, 저항(R30-R31)은 비교기의 반전 입력에 바이어스를 가하는 전압 분배기를 형성한다. 입력 감지회로(102)에 의해 비교기(120)의 비반전 입력에 제공되는 신호의 레벨이 비교기(120)의 반전 입력의 레벨을 초과하면, 비교기(120)는 저항(R32)을 통해 (R32)*(C3)에 비례하는 비율로 커패시터(C3)를 충전한다. 비교기(120)의 비반전 입력의 신호 레벨이 Vcc*[R31/(R30+R31)]보다 더 크기만 하면, 커패시터(C3)의 충전이 계속된다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 비교기 회로(105a)의 입력에서 부하 전류에 있어서의 상당한 변화가 검출될 때마다(즉, 상당한 di/dt 이벤트가 발생할 때마다), 비교기의 출력은 그 양의 레일(rail)까지 구동됨으로써, 다이오드(D7) 및 저항(R7)을 통해 커패시터(C3)를 충전하기 위한 펄스를 발생한다.
현재 개시된 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(112)는 제1펄스 카운터 알고리즘을 실행하여, 각각의 1/2 사이클 동안 비교기 회로(105a)[또는 비반전 증폭 기(105)]의 출력이 하이(high)로 구동되는 횟수를 카운트하도록 동작한다. 전기 아킹의 일반적으로 무질서한 속성으로 인해, 아크 결함은 통상적으로 라인 전압의 1/2 사이클마다 아킹 이벤트의 변동하는 횟수를 생성한다. 이에 비해, 방해 부하는 통상적으로 1/2 사이클마다 아킹 이벤트의 동일한 횟수를 생성하며, 그러므로, 다수의 1/2 사이클에 걸쳐 주기적으로 아킹 이벤트를 생성할 수도 있다. 이러한 정보는 정상적인 동작 조건 하에서 방해 트립핑을 금지하고, 전기 아크 결함이 검출될 경우에 트립핑이 발생하도록 하기 위해 이용될 수도 있다. 구체적으로, 비교기 회로(105a)는 펄스 카운터 신호를 마이크로 컨트롤러(112)의 핀(13)에 제공하고, 마이크로 컨트롤러는 제1펄스 카운터 알고리즘을 실행하는 동안에 이 신호를 이용한다. 펄스 카운터 신호의 레벨에 의해 표시되는 바와 같이, 각각의 1/2 사이클 동안에 비교기 회로(105a)의 출력이 하이(high)로 구동될 때마다, 마이크로 컨트롤러(112) 내의 디지털 카운터는 증가된다. 커패시터(C3)가 마이크로 컨트롤러(112)에 의해 리셋되면, 카운터 값은 마이크로 컨트롤러(112) 내에 저장되고, 제1펄스 카운터 알고리즘이 실행된다. 현재 개시된 실시예에서는, 마이크로 컨트롤러(112)가 제1펄스 카운터 알고리즘을 실행하여, 마이크로 컨트롤러(112)에 저장된 하나 이상의 측정 데이터 세트(set)의 소정 수의 데이터 요소의 주기성을 결정한다. 예를 들어, 저장된 카운터 값이 4와 동일할 경우에는, 제1펄스 카운터 알고리즘은 적어도 하나의 측정 데이터 세트의 1-4 데이터 요소의 주기성을 결정하기 위해 이용될 수도 있다.
이하, 제1펄스 카운터 알고리즘의 동작에 대해 도 4a를 참조하여 설명한다. 단계(402)에서 도시된 바와 같이, 펄스 카운터 알고리즘은 동일한 제1데이터 값 k를 갖는 측정 데이터 세트에서 소정 수의 데이터 요소를 검색한다. 다음으로, 단계(404)에서 도시된 바와 같이, 전체 측정 데이터 세트가 분석되어, 제로(0)의 값을 갖는 데이터 요소의 존재를 결정하고, 제1데이터 값(k)를 갖는 추가적인 데이터 요소의 존재를 결정하며, 제1데이터 값과 상이한 제2데이터 값(j)을 갖는 데이터 요소의 존재를 결정한다. 다음으로, 단계(406)에서 도시된 바와 같이, 데이터 세트가 맵핑(mapping) 된다. 예를 들어, 예시적인 데이터 세트는 제로(zero)의 값을 갖는 제1데이터 요소, 제1값 3을 갖는 제2데이터 요소, 제1값 3과 동일한 값을 갖는 제3데이터 요소, 및 상이한 제2값 2를 갖는 제4데이터 요소를 포함할 수도 있으므로, [0,k,k,j]로 맵핑될 수도 있다. 다음으로, 단계(408)에서 도시된 바와 같이, 맵핑된 데이터 세트가 다수의 아킹 이벤트의 주기성을 나타내는 복수의 소정 데이터 세트 중의 적어도 하나와 일치하는지에 대한 결정이 행해진다. 상술한 바와 같이, 방해 부하는 통상적으로 주기적인 아킹 이벤트를 생성하는 반면, 아크 결함에 의해 생성된 아킹 이벤트는 통상적으로 비주기적이다. 또한, 일정한 기동 및 차단 조건은 주기적인 아킹 이벤트와 유사할 수도 있다. 도 6은 주기적인 아킹 이벤트를 나타내는 복수의 데이터 세트의 예시적인 맵핑을 도시한 것이다. 예를 들어, 상술한 예시적인 맵핑 [0,k,k,j]은 도 6에 도시된 데이터 세트 중의 임의의 것과 일치하지 않는다. 이 경우, 펄스 카운터는 "활성(active)"인 것으로 간주되지 않으며(아니오), 트립핑이 허용된다. 단계(410)에서 도시된 바와 같이, 일치할 경우에는, 펄스 카운터는 "활성"인 것으로 간주되고(예), 트립핑이 금지됨으로써, 정상적인 동작 조건 하에서 방해 트립핑의 발생을 감소시킨다. 예를 들어, 소정의 최대 임계값 max_limit 및/또는 상술한 3 사이클 알고리즘(TCA)에 의해 활용되는 임의의 다른 적당한 상수 및/또는 계수를 증가시킴으로써, 트립핑이 금지될 수도 있다. TCA에 의해 활용되는 상수/계수는 상당한 아크 결함이 검출될 경우에 트립핑을 가능하게 하도록 적당하게 변형될 수도 있음에 유의해야 한다.
상술한 바와 같이, 제1펄스 카운터 알고리즘은 맵핑된 데이터 세트가 아킹 이벤트의 주기성을 나타내는 적어도 하나의 소정 데이터 세트와 일치하는지를 결정하는 단계를 포함한다. 대안적인 실시예에서는, 맵핑된 데이터 세트가 데이터 이력에서 무의미한 이벤트(예를 들어, 노이즈)를 나타내는 하나 이상의 소정 데이터 세트와 일치하는지에 대한 결정이 행해질 수도 있다. 예를 들어, 이러한 데이터 세트는 [0,k,k,j,k,k]로 맵핑될 수도 있으며, 이것은 맵핑에서 단일 "j" 요소에 대해서만 주기성을 나타낸다. 이러한 일치가 발생할 경우에 트립핑을 금지함으로써, 노이즈 필터링의 등급이 제1펄스 카운터 알고리즘에 병합될 수도 있다.
현재 개시된 실시예에서는, 제2펄스 카운터 알고리즘도 실행되어 하나 이상의 아킹 이벤트와 관련된 타이밍 정보를 캡처한다. 이하, 제2펄스 카운터 알고리즘에 대해 도 4b를 참조하여 설명한다. 단계(414)에서 도시된 바와 같이, 마이크로 컨트롤러(112) 내의 카운터를 활용하여, 샘플링 기간 내에 발생하는 아킹 이벤트에 대해 요구되는 시간량을 추적한다. 예를 들어, 카운터는 샘플링 기간의 시작으로부터 샘플링 기간 내에서 아킹 이벤트가 발생할 때까지의 시간을 측정하기 위해 이용될 수도 있다. 다음으로, 단계(416)에서 도시된 바와 같이, 다수의 샘플링 기간에 걸쳐 복수의 측정된 시간값이 저장되어, 아킹 이벤트 횟수의 이력을 제공한다. 다음으로, 단계(418)에서 도시된 바와 같이, 시간 이력을 분석하여 아킹 횟수의 불규칙성을 결정한다. 다음으로, 단계(420)에서 도시된 바와 같이, 아킹 이벤트가 각각의 샘플링 기간 동안 대략 동일한 시간에 발생하는지에 대한 결정이 행해진다. 각각의 샘플링 기간 동안 아킹이 대략 동일한 시간에 발생할 경우에는, 단계(422)에서 도시된 바와 같이, 아킹이 방해 부하에 의해 발생된 것으로 간주되고 트립핑이 금지된다. 상술한 3 사이클 알고리즘에 의해 활용되는 상수/계수는 제2펄스 카운터 알고리즘에 의해 구해진 아크 타이밍 이력에 기초하여 트립핑을 금지 및/또는 가능하게 하도록 적당하게 변형될 수도 있음에 유의해야 한다.
TCA는 다음의 수학식 (4)와 같이 표현될 수도 있다고 설명되었다.
Figure 112007024249866-pat00004
(수학식 (3) 참조). 그러나, 수학식 (3)은 단일 아킹 이벤트에 대해 비교적 유연한 응답을 제공한다. 임펄스(impulse)의 더욱 뚜렷한 특성인 단일 아킹 이벤트에 대한 응답을 달성하기 위하여, 변형된 TCA는 다음의 수학식 (5)으로 표현될 수도 있다.
Figure 112007024249866-pat00005
여기서, "TCA_1"은 수학식 (3)으로 표현되고, "knob"는 상수이며, "TCA_2"는 다음의 수학식 (6)로 표현된다.
Figure 112007024249866-pat00006
여기서, V[n-1]은 라인 전압의 제1사이클에 대응하는 제1전압 측정값을 나타내고, V[n]은 라인 전압의 제2사이클에 대응하는 제2전압 측정값을 나타내며, V[n+1]은 라인 전압의 제3사이클에 대응하는 제3전압 측정값을 나타낸다. TCA_2는 단일 아킹 이벤트에 대한 임펄스 응답 이상의 것을 제공함에 유의해야 한다. 상기 수학식 (5)에서, knob 상수는 임펄스 응답의 변동하는 양을 제공하도록 조절될 수도 있다(예를 들어, knob 상수는 1/8 또는 임의의 다른 적당한 값으로 설정될 수도 있다).
3 사이클 알고리즘(TCA)의 결과로 얻어지는 합은 샘플링 기간에 걸쳐 발생하는 전기 아킹의 전체적인 양을 나타내는 TCA 계산의 연속적인 실행 합에 부가된다는 점에 대해서도 설명하였다. 각각의 샘플링 기간의 종료시에, 실행 합은 소정의 최대 임계값 max_limit와 비교되고, 임계값을 초과할 경우에는 SCR1이 기동된다. 대안적인 실시예에서, 방해 트립핑을 더욱 회피하기 위하여, 마이크로 컨트롤러(112)(도 1 참조)는 실행 합에 포함된 아킹 이벤트의 횟수를 카운트하는 아킹 이벤트 카운터 알고리즘을 실행하도록 동작한다.
이하, 아킹 이벤트 카운터 알고리즘에 대해 도 6을 참조하여 설명한다. 단계(602)에서 도시된 바와 같이, 커패시터(C3)의 양단 전압이 측정된다. 다음으로, 단계(604)에서 도시된 바와 같이, 측정된 전압값이 소정의 제1 임계값을 초과하는지에 대한 결정이 행해진다. 측정된 전압값이 제1 임계값을 초과하면, 단계(606)에서 도시된 바와 같이, 마이크로 컨트롤러(112) 내의 제1이벤트 카운터가 증가된다. 다음으로, 단계(608)에서 도시된 바와 같이, 측정된 전압값이 소정의 제2 임계값을 초과하는지에 대한 적어도 하나의 제2결정이 선택적으로 행해진다. 측정된 전압값이 제2 임계값을 초과하면, 단계(610)에서 도시된 바와 같이, 마이크로 컨트롤러(112) 내의 제2이벤트 카운터가 증가된다. 다음으로, 단계(612)에서 도시된 바와 같이, 상술한 TCA와 같은 적어도 하나의 알고리즘에 의해 커패시터(C3)의 양단 전압의 측정이 처리된다. 바람직한 실시예에서는, 전압 측정이 전압 측정의 제1 및 제2실행 합에 부가된다. 예를 들어, 전압 측정의 제1실행 합은 짧은 시구간에 걸쳐 큰 전압 스파이크가 감시되는 짧은 샘플링 기간에 대응할 수도 있고, 전압 측정의 제2실행 합은 더 긴 시구간에 걸쳐 더 작은 전압 스파이크가 감시되는 긴 샘플링 기간에 대응할 수도 있다. 단계(614)에서 도시된 바와 같이, 제1실행 합(실행 합 1)이 소정의 제1트립 임계값(트립 임계값 1)을 초과하는지에 대한 결정이 행해진다. 제1실행 합의 값이 제1트립 임계값을 초과할 경우에는, 단계(616)에서 도시된 바와 같이, 제1이벤트 카운터(이벤트 카운터 1)의 출력이 소정의 제1최소 이벤트 횟수(최소 이벤트 1)를 초과하는지에 대한 결정이 행해진다. 제1이벤트 카운터 출력이 제1이벤트 횟수를 초과할 경우에는, 단계(622)에서 도시된 바와 같이, 트립핑이 발생하여 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊는다. 단계(618)에서 도시된 바와 같이, 제2실행 합(실행 합 2)이 소정의 제2트립 임계값(트립 임계값 2)을 초과하는지에 대한 결정이 행해진다. 제2실행 합의 값이 제2트립 임계값을 초과할 경우에는, 단계(620)에서 도시된 바와 같이, 제2이벤트 카운터(이벤트 카운터 2)의 출력이 소정의 제2최소 이벤트 횟수(최소 이벤트 2)를 초과하는지에 대한 결정이 행해진다. 제2이벤트 카운터 출력이 제2이벤트 횟수를 초과할 경우에는, 단계(622)에서 도시된 바와 같이, 트립핑이 발생하여 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊는다. 따라서, 제1이벤트 카운터 출력이 소정의 제1카운트 횟수를 초과하거나, 제2이벤트 카운터 출력이 소정의 제2카운트 횟수를 초과하면, 트립핑이 발생한다. 그렇지 않으면, 트립핑이 일어나지 않는다.
이러한 방식으로, 예를 들어, 노이즈가 있는 스위칭 신호로 인한 방해 트립핑이 회피된다. 이러한 노이즈가 있는 신호는 비교적 큰 전압 측정값으로 귀결될 수도 있지만, 이들이 반드시 전기 아킹을 나타내는 것은 아니다. 측정된 전압의 실행 합의 레벨을 감시함으로써, 그리고, 실행 합에 포함된 아킹 이벤트의 수를 추적함으로써, 아킹 이벤트의 몇 개의 1/2 사이클을 포함하는 전기 아킹은 더욱 신뢰성 있게 검출될 수 있고, 제한된 수의 아킹 이벤트만을 포함하는 방해 부하는 더욱 안전하게 무시될 수 있다.
마이크로 컨트롤러(112)는 VREF를 통해 라인 전압을 감시하고, 감시된 라인 전압에 기초하여 커패시터(C3) 양단 전압의 측정을 언제 수행할 것인지를 결정하는 것에 대해서도 설명하였다. 정상적인 동작 조건 하에서는, 이러한 전압 측정 사이의 시간이 규칙적이고 주기적이다. 그러나, 고전류의 아킹 조건 동안에, VREF 신호는 순간적인 강한 단락 회로에 의해 발생되는 라인 전압의 강하로 인해 떨어질 수 있다. 마이크로 컨트롤러(112)가 라인 전압의 1/2 사이클 상의 특정 전압 포인트를 검색하고 있으면, 이러한 전압 강하는 의도하지 않은 또는 초기의 측정 명령을 발 생할 수 있을 것이다. 또한, 이러한 종류의 아킹 이벤트의 동안에는, 통합 커패시터(C3) 상의 전압은 통상적으로 과도하게 높다. 정상적인 라인 강하(또는 절전) 동안에는, 의도된 측정 포인트가 마이크로 컨트롤러에 의해 발견될 수도 있지만, 커패시터(C3) 상에는 비정상적인 전압이 존재하지 않을 수도 있다. 이에 비해, 고전류 아킹 조건 동안에는, 의도된 측정 포인트가 발견될 수도 있고, 과도한 고전압이 커패시터(C3) 상에서 검출될 수도 있다. 따라서, 높은 레벨의 아킹을 검출하기 위하여, 마이크로 컨트롤러(112)는 측정 포인트 사이의 시간을 측정하도록 동작한다. 초기의 측정이 알려지고 과도하게 큰 커패시터 전압(VC3)이 검출될 경우에는, 마이크로 컨트롤러는 파이어링 회로(108)를 활성화함으로써, 솔레노이드(118)를 트립하여 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊는다.
마이크로 컨트롤러(112)(도 1 참조)는 각각의 1/2 사이클마다 두 번씩 커패시터(C3) 양단의 전압을 측정하고, 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 이용하여 전압 측정값을 디지털 형태로 변환하고, 측정된 전압 데이터를 저장하며, 전압 측정이 완료될 때에 커패시터(C3)를 방전시킬 수도 있는 것에 대해서도 설명하였다. 커패시터(C3) 양단의 전압은 비반전 증폭기(105)에 의해 제공되는 신호의 적분을 나타낸다는 점에 유의해야 한다. 대안적인 실시예에서는, 마이크로 컨트롤러(112) 내의 디지털 카운터가 비반전 증폭기(105)의 출력을 효율적으로 통합하기 위한 누산기(accumulator)로서 활용됨으로써, 통합 커패시터(C3) 및 ADC의 필요성을 제거한다.
대안적인 실시예에서는, 비교기 회로(105a 또는 105b)가 비반전 증폭기(105) 대신에 이용되고, 비교기 회로의 디지털 출력(들)은 내부 카운터를 증가시키기 위해 마이크로 컨트롤러(112)에 직접 제공된다. 또한, 샘플링 기간은 라인 전압의 하나 이상의 1/2 사이클에 대응하는 기간을 갖는 것으로 정의된다. 이하, 비교기 회로(105a)의 출력을 통합하기 위한 마이크로 컨트롤러(112) 및 내부 카운터의 동작에 대해 도 7을 참조하여 설명한다. 단계(702)에서 도시된 바와 같이, 카운터는 샘플링 기간의 시작시에 리셋된다. 다음으로, 단계(704)에서 도시된 바와 같이, 비교기 회로(105a)의 출력이 활성이고, 이에 따라 전기 아킹의 존재를 나타내는지에 대한 결정이 행해진다. 비교기 회로 출력이 활성일 경우에는, 단계(706)에서 도시된 바와 같이, 카운터가 시작된다. 단계(708)에서 도시된 바와 같이, 비교기 회로(105a)의 출력이 비활성으로 되고, 전기 아킹의 종료를 나타내는지에 대한 결정이 행해진다. 전기 아킹이 종료된 경우에는, 방법은 단계(712)로 분기한다. 그렇지 않으면, 단계(710)에서 도시된 바와 같이, 샘플링 기간의 종료 시점에 도달하였는지에 대해 결정이 행해진다. 샘플링 기간의 종료 시점에 도달된 경우에는, 방법은 단계(712)로 진행한다. 그렇지 않으면, 방법은 단계(708)의 루프로 되돌아간다. 다음으로, 단계(712)에서 도시된 바와 같이, 카운터의 출력값이 저장된다. 비교기 회로(105a)의 출력의 적분을 나타내는 저장된 카운터 출력은 나중에 상술한 아크 검출 알고리즘에서 통합 커패시터(C3) 양단의 전압 측정값 대신에 이용된다.
펄스 카운터 알고리즘, 3 사이클 알고리즘(TCA), 및 아킹 이벤트 카운터 알고리즘을 활용하는 아크 결함 검출장치의 동작방법에 대해 도 1b 및 도 8을 참조하 여 예시되어 있다. 단계(802)에서 도시된 바와 같이, 통합 커패시터(C3)는 0 볼트로 리셋된다. 다음으로, 단계(804)에서 도시된 바와 같이, 초기 측정 명령이 검출되는지에 대해 결정이 행해진다. 예를 들어, VREF 신호가 라인 전압 강하로 인해 떨어지면, 마이크로 컨트롤러(112)는 이러한 초기 명령을 검출하여 전압 측정을 수행할 수도 있다. 초기 측정이 검출되고, 커패시터(C3) 양단에 과도하게 큰 전압이 측정될 경우에는, 단계(824)에서 도시된 바와 같이, 아크 결함이 검출되고, 솔레노이드(118)가 트립되어 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊는다. 그렇지 않으면, 마이크로 컨트롤러(112)는 VREF 신호를 감시하고, 단계(806)에서 도시된 바와 같이, 도달할 샘플링 또는 측정 포인트를 대기한다. 측정 포인트에 도달하면, 단계(808)에서 도시된 바와 같이, 통합 커패시터(C3) 양단의 전압이 측정되고, 그 다음, 커패시터(C3)는 0 볼트로 리셋된다. 다음으로, 마이크로 컨트롤러(112)는 아킹 감지회로(104)에 의해 제공되는 펄스 카운터 신호를 감시하고, 단계(810)에서 도시된 바와 같이, 샘플링 기간 동안에 발생하는 펄스 카운트의 횟수를 저장한다. 또한, 단계(812)에서 도시된 바와 같이, 마이크로 컨트롤러(112)는 통합 커패시터 전압 측정값을 이력 데이터 저장공간(예를 들어, 스택)에 저장한다. 다음으로, 단계(814)에서 도시된 바와 같이, 상술한 펄스 카운터 알고리즘을 이용하여 저장된 펄스 카운트 정보가 분석된다. 다음으로, 단계(816)에서 도시된 바와 같이, 전압 측정 데이터의 저장된 이력을 이용하여 3 사이클 알고리즘(TCA)이 실행되고, 그 결과로 얻어진 TCA 계산은 적어도 하나의 실행 합에 부가된다. 다음으로, 단계(818)에서 도시된 바와 같이, 마이크로 컨트롤러(112) 내의 하나 이상의 이벤트 카운터 가 조절되고, 상술한 아킹 이벤트 카운터 알고리즘을 이용하여 전압 측정값이 분석된다. 그 다음, 단계(820)에서 도시된 바와 같이, 하나 이상의 이벤트 카운터가 소정의 최소 아킹 이벤트 횟수를 초과하는지에 대한 결정이 행해진다. 이벤트 카운터가 소정의 최소 아킹 이벤트 횟수를 초과하면, 단계(822)에서 도시된 바와 같이, TCA 실행 합이 소정의 트립 임계값을 초과하는지에 대한 또 다른 결정이 행해진다. TCA 실행 합이 소정의 트립 임계값을 초과할 경우에는, 단계(824)에서 도시된 바와 같이, 아크 결함이 검출되고, 솔레노이드(118)가 트립되어 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊는다.
상술한 바와 같이, 아크 결함 검출장치(100)(도 1a-1b 참조)는 현재 개시된 펄스 카운터 알고리즘, 3 사이클 알고리즘(TCA) 및 아킹 이벤트 카운터 알고리즘을 활용하여 방해 트립핑의 발생을 감소시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 아크 결함 검출장치(100)는 하나 이상의 추가적인 알고리즘을 수행함으로써 방해 트립핑의 발생을 더 감소시킬 수 있으며, 상기 하나 이상의 추가적인 알고리즘에서는, 지정된 수의 연속 시구간 동안 아킹 감지회로(104)에 의해 제공된 다수의 전압 레벨이 측정되고, 그 다음, 측정된 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 기간의 수, 측정된 레벨이 연속적으로 더 낮거나 더 높은 값을 갖는 연속 기간의 수, 및/또는 하나 이상의 측정된 레벨이 소정의 값의 범위의 외부에 속하는지 아닌지와 같은 기준에 기초하여 다수의 전압 레벨이 분석된다.
방해 트립핑의 발생을 감소시키기 위한 아크 결함 검출장치(100)(도 1a-1b 참조)에 의해 수행되는 이러한 추가적인 알고리즘은 다음의 예시적인 예를 참조하면 더욱 용이하게 이해될 것이다. 각각의 예시적인 예에서, 전류 센서(101)는 교류 전류(AC)를 포함하는 전원 입력을 감시하고, AC 전류의 고주파수 성분을 입력 감지회로(102)에 제공한다. 다음으로, 입력 감지회로(102)는 그 입력측의 AC 신호를 필터링 및 정류하고, 정류된 신호를 아킹 감지회로(104)에 제공하며, 아킹 감지회로(104)는 복수의 전압 레벨을 마이크로 컨트롤러(112)에 제공한다. 아킹 감지회로(104)에 의해 마이크로 컨트롤러(112)에 제공된 각각의 전압 레벨은 통합 커패시터(C3) 양단의 전압에 대응하고, 지정된 시구간에 걸쳐 통합 커패시터(C3)에 의해 누적된 전압의 합을 나타낼 수 있다. 마이크로 컨트롤러(112)는 각각의 전압 레벨을 측정하고, 측정된 전압 레벨에 관련된 정보를 저장하며, 하나 이상의 이러한 추가적인 알고리즘을 이용하여 저장된 정보를 처리하여, AC 전류의 고주파수 성분이 전기 아크 결함으로 인해 발생한 것인지 방해 부하로 인해 발생한 것인지에 대해 결정한다. 고주파수 AC 전류 성분이 아크 결함으로 인해 발생한 경우에는, 마이크로 컨트롤러(112)는 파이어링 회로(108)를 기동하여 전기기계 인터페이스(117)를 트립함으로써, 부하에 대한 전원 출력을 차단한다.
제1의 예시적인 예에서는, 마이크로 컨트롤러(112)가 지정된 수의 연속 시구간 동안 통합 커패시터(C3) 양단의 다수의 전압을 측정한다. 도 9는 4개의 연속 시구간 동안에 발생하는 이러한 4개의 전압을 예시한 것이다. 구체적으로, 시구간 t1 내지 t3 동안에 제1전압이 발생하고, 시구간 t3 내지 t5 동안에 제2전압이 발생하며, 시구간 t5 내지 t7 동안에 제3전압이 발생하며, 시구간 t7 내지 t9 동안에 제4전압이 발생한다. 이 제1예에서는, 각각 제1, 제2, 제3 및 제4시구간 중의 대략 시간 t2, t4, t6, 및 t8에 통합 커패시터(C3)가 리셋된다. 예를 들어, 마이크로 컨트롤러(112)는 각각의 4개의 연속 시구간 동안에 단일 전압 레벨 측정을 수행하거나, 각각의 시구간 동안에 다수의 전압 레벨 측정을 수행할 수 있다. 또한, 각각의 4개의 연속 시구간은 라인 전압의 1/2 사이클, 또는 임의의 다른 적당하게 일정한 또는 가변 시구간에 대응할 수 있다. 다음으로, 마이크로 컨트롤러(112)는 측정된 전압이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수를 결정한다. 도 9에 예시된 바와 같이, 이 제1의 예시적인 예에서는, 4개의 연속 시구간에 대응하는 4개의 전압 모두 지정된 최소값을 초과하였다. 측정된 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수가 소정의 임계값 이상일 경우에는, 마이크로 컨트롤러(112)는 파이어링 회로(108)를 기동하여 전기기계 인터페이스(117)를 트립하며, 이 전기기계 인터페이스(117)는 부하에 대한 전원 출력을 차단한다. 따라서, 이 제1예에서는, 소정의 임계값이 4이면, 마이크로 컨트롤러(112)는 파이어링 회로(108)를 기동하여 부하에 대한 전원 출력을 차단할 것이다. 이 경우, AC 라인 전류의 고주파수 성분은 전기 아크 결함으로 인해 발생한 것으로 간주될 것이다.
이 제1의 예시적인 예에서는, 측정된 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수가 4보다 작으면, 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑은 금지된다는 점에 유의해야 한다. 이 경우, AC 라인 전류의 고주파수 성분은 방해 부하로 인해 발생한 것으로 간주될 것이다. 방해 트립핑의 발생을 감소시키기 위한 의도된 성능 레벨은 측정된 전압 레벨의 지정된 최소값과, 측정된 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과하는 연속 시구간의 지정된 수의 적당한 선택을 통해 달성될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 또한, 마이크로 컨트롤러(112)에 대한 통합 커패시터(C3)의 결합, 및/또는 통합 커패시터(C3)의 충전 타이밍은 아크 결함 검출장치(100)의 성능을 더욱 개선하기 위해 변형될 수도 있다.
제2의 예시적인 예에서는, 마이크로 컨트롤러(112)가 지정된 수의 연속 시구간 동안에 통합 커패시터(C3) 양단의 다수의 전압을 다시 측정한다. 도 10a는 6개의 연속 시구간 동안에 발생하는 이러한 6개의 전압을 예시한 것이다. 구체적으로, 시구간 t1 내지 t3 동안에 제1전압이 발생하고, 시구간 t3 내지 t5 동안에 제2전압이 발생하며, 시구간 t5 내지 t7 동안에 제3전압이 발생하며, 시구간 t7 내지 t9 동안에 제4전압이 발생하며, 시구간 t9 내지 t11 동안에 제5전압이 발생하며, 시구간 t11 내지 t13 동안에 제6전압이 발생한다. 이 제2예에서는, 각각 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6시구간 중의 대략 시간 t2, t4, t6, t8, t10 및 t12에 통합 커패시터(C3)가 리셋된다. 다음으로, 마이크로 컨트롤러(112)는 전압 레벨이 연속적으로 더 낮거나 감소하는 값을 갖는 연속 시구간의 수를 결정한다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 이 제2의 예시적인 예에서는, 6개의 연속 시구간에 대응하는 6개의 전압 모두 연속적으로 더 낮거나 감소하는 값을 가진다. 측정된 전압 레벨이 감소하는 값을 가지는 연속 시구간의 수가 소정의 임계값 이상일 경우에는, 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑이 금지될 수도 있다. 따라서, 이 제2예에서는, 소정의 임계값이 6이면, 마이크로 컨트롤러(112)는 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑을 금지할 수도 있다. 이 경우, AC 라인 전류의 고주파수 성분은 방해 부하로 인해 발생한 것으로 간주될 수도 있다.
방해 트립핑의 발생을 더욱 감소시키기 위하여, 이 제2의 예시적인 예에서 활용된 알고리즘은 상술한 제1의 예시적인 예에서 활용된 알고리즘과 함께 이용될 수도 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, (1) 제1알고리즘에 따라, 측정된 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수가 소정의 임계값 이상이고, (2) 제2알고리즘에 따라, 연속 시구간에 대응하는 모든 전압이 연속적으로 더 낮은 값을 가지면, 이러한 조건이 방해 부하를 나타낼 수도 있으므로, 마이크로 컨트롤러(112)는 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑을 금지할 수도 있다. 방해 트립핑의 발생을 감소시키기 위한 의도된 성능 레벨은 측정된 전압 레벨이 감소하는 값을 갖는 연속 시구간의 지정된 수의 적당한 선택을 통해 달성될 수 있음을 이해해야 한다.
제3의 예시적인 예에서는, 마이크로 컨트롤러(112)가 지정된 수의 연속 시구간 동안에 통합 커패시터(C3) 양단의 다수의 전압을 다시 측정한다. 도 10b는 6개의 연속 시구간 동안에 발생하는 이러한 6개의 전압을 예시한 것이다. 구체적으로, 시구간 t1 내지 t3 동안에 제1전압이 발생하고, 시구간 t3 내지 t5 동안에 제2전압이 발생하며, 시구간 t5 내지 t7 동안에 제3전압이 발생하며, 시구간 t7 내지 t9 동안에 제4전압이 발생하며, 시구간 t9 내지 t11 동안에 제5전압이 발생하며, 시구간 t11 내지 t13 동안에 제6전압이 발생한다. 이 제3예에서는, 각각 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6시구간 중의 대략 시간 t2, t4, t6, t8, t10 및 t12에 통합 커패시터(C3)가 리셋된다. 다음으로, 마이크로 컨트롤러(112)는 전압 레벨이 연속적으로 더 높거나 증가하는 값을 갖는 연속 시구간의 수를 결정한다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 이 제3의 예시적인 예에서는, 6개의 연속 시구간에 대응하는 6개의 전압 모두 연속적으로 더 높거나 증가하는 값을 가진다. 측정된 전압 레벨이 증가하는 값을 가지는 연속 시구간의 수가 소정의 임계값 이상일 경우에는, 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑이 금지될 수도 있다. 따라서, 이 제3예에서는, 소정의 임계값이 6이면, 마이크로 컨트롤러(112)는 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑을 금지할 수도 있다. 이 경우, AC 라인 전류의 고주파수 성분은 방해 부하로 인해 발생한 것으로 간주될 수도 있다.
방해 트립핑의 발생을 더욱 감소시키기 위하여, 상술한 제2의 예시적인 예에서 활용된 알고리즘과 같이, 이 제3예에서 활용되는 알고리즘은 제1예에서 활용된 알고리즘과 함께 이용될 수도 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, (1) 제1알고리즘에 따라, 측정된 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수가 소정의 임계값 이상이고, (2) 제3알고리즘에 따라, 연속 시구간에 대응하는 모든 전압이 연속적으로 더 높은 값을 가지면, 이러한 조건이 방해 부하를 나타낼 수도 있으므로, 마이크로 컨트롤러(112)는 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑을 금지할 수도 있다. 방해 트립핑의 발생을 감소시키기 위한 의도된 성능 레벨은 측정된 전압 레벨이 증가하는 값을 갖는 연속 시구간의 지정된 수의 적당한 선택을 통해 달성될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 이 제3예에서 활용된 알고리즘은 제2예에서 활용된 알고리즘과 함께 이용될 수도 있고, 이 경우, 마이크로 컨트롤러(112)는 전압 레벨이 연속적으로 더 높은 값을 갖는 연속 시구간의 수를 결정하고, 전압 레벨이 연속적으로 더 낮은 값을 갖는 연속 시구간의 수를 결정하며, 연속 시구간의 결정된 수가 하나 이상의 소정의 임계값을 초과하는지에 기초하여 적절한 작용[즉, 전기기계 인터페이스(117)를 트립하거나, 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑을 금지함]을 행하도록 동작할 것이라는 점에도 유의해야 한다.
제4의 예시적인 예에서는, 마이크로 컨트롤러(112)가 지정된 수의 연속 시구간 동안 통합 커패시터(C3) 양단의 다수의 전압을 다시 측정한다. 도 11은 4개의 연속 시구간 동안에 발생하는 이러한 4개의 전압을 예시한 것이다. 구체적으로, 시구간 t1 내지 t3 동안에 제1전압이 발생하고, 시구간 t3 내지 t5 동안에 제2전압이 발생하며, 시구간 t5 내지 t7 동안에 제3전압이 발생하며, 시구간 t7 내지 t9 동안에 제4전압이 발생한다. 이 제4예에서는, 각각 제1, 제2, 제3 및 제4시구간 중의 대략 시간 t2, t4, t6, 및 t8에 통합 커패시터(C3)가 리셋된다. 다음으로, 마이크로 컨트롤러(112)는 4개의 연속 시구간 동안에 측정된 하나 이상의 전압 레벨이 소정의 정상적인 범위의 값 외부에 속하는지를 결정한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 이 제4의 예시적인 예에서는, 4개의 전압 레벨 중의 하나, 구체적으로, 시구간 t7 내지 t9 동안에 발생하는 제4전압이 소정의 정상적인 범위 외부에 속한다. 이 경우, AC 라인 전류의 고주파수 성분은 예를 들어, 하이 레벨 또는 평행 아킹, 라인 노이즈, 회로 오동작, 또는 방해 부하로 인해 발생한 것으로 간주된다. 시구간 t7 내지 t9 동안의 전압 레벨이 비정상적으로 높더라도, 이러한 고전압 레벨은 다이오드-보정 커패시터, 또는 브릿지, 또는 임의의 다른 적당한 출력 제한, 바운딩, 또는 클립핑 회로, 또는 임의의 적당한 범위 검사 기술을 통해 통상적으로 제어될 수 있으므로, 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑은 금지될 수도 있다. 하나의 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(112)는 비정상적으로 높은 전압 레벨의 검출시에, 전기기계 인터페이스(117)를 트립하여 부하로부터 전원 출력의 접속을 끊도록 동작한다.
방해 트립핑의 발생을 더욱 감소시키기 위하여, 상술한 제2 및 제3의 예시적인 예에서 활용된 알고리즘과 같이, 이 제4예에서 활용되는 알고리즘은 제1예에서 활용된 알고리즘과 함께 이용될 수도 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 4개의 연속 시구간 동안에 비정상적으로 높은 단일 전압 레벨이 검출되면, 제1예에서 활용된 알고리즘이 이러한 4개의 연속 시구간 동안에 전기 아크 결함을 검출한 것인지 아닌지에 따라, 마이크로 컨트롤러(112)는 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑을 금지하거나 금지하지 않을 수도 있다. 또한, 이 제4예에서 활용된 알고리즘은 상술한 제2 및 제3예에서 활용된 알고리즘과 함께 이용될 수도 있다. 방해 트립핑의 발생을 감소하기 위한 의도된 성능 레벨은 측정된 전압이 비정상적으로 높은 레벨인지 감시하는 연속 시구간의 지정된 수의 적당한 선택을 통해 달성될 수 있음에 유의해야 한다.
이하, 상술한 예시적인 예에서 활용된 알고리즘을 포함하는 아크 결함 검출장치(100)의 예시적인 동작방법에 대해 도 1b 및 도 12를 참조하여 설명한다. 단계(1202)에서 도시된 바와 같이, 처리부(112)는 지정된 수의 연속 시구간 동안에 아킹 감지회로(104)에 의해 제공되는 다수의 전압 레벨을 각각 측정한다. 이 예시적인 동작방법에서, 아킹 감지회로(104)에 의해 제공되는 전압 레벨은 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 다음으로, 단계(1204)에서 도시된 바와 같이, 아킹 감지회로(104)에 의해 제공되는 전압 레벨 중의 적어도 하나가 소정의 값의 범위의 외부에 속하는지에 대해 처리부(112)에 의해 결정이 행해진다. 아킹 감지회로(104)에 의해 제공되는 전압 레벨 중의 적어도 하나가 소정의 값의 범위의 외부에 속할 경우에는, 단계(1206)에서 도시된 바와 같이, 전압 레벨은 임의의 적당한 출력 제한회로 또는 범위 검사 기술에 의해 소정 범위 내에 속하도록 제한된다. 또한, 단계(1208)에서 도시된 바와 같이, 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑이 금지된다. 다음으로, 단계(1210)에서 도시된 바와 같이, 처리부(112)는 아킹 감지회로(104)에 의해 제공되는 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수를 결정한다. 다음으로, 단계(1212)에서 도시된 바와 같이, 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수가 소정의 임계값 이상인지에 대한 결정이 처리부(112)에 의해 행해진다. 전압 레벨이 지정된 최소값을 초과한 연속 시구간의 수가 소정의 임계값보다 작을 경우에는, 단계(1208)에서 도시된 바와 같이, 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑이 금지된다. 다음으로, 단계(1214)에서 도시된 바와 같이, 아킹 감지회로(104)에 의해 제공되는 전압 레벨이 지정된 수의 연속 시구간 동안에 연속적으로 더 낮거나 더 높은 값을 가지는지에 대한 결정이 처리부(112)에 의해 행해진다. 전압 레벨이 지정된 수의 연속 시구간 동안에 연속적으로 더 낮거나 더 높은 값을 가질 경우에는, 단계(1208)에서 도시된 바와 같이, 전기기계 인터페이스(117)의 트립핑이 금지된다. 이 경우, 전기 아킹 이벤트는 아크 결함으로서 지정될 수 있다. 그렇지 않으면, 처리부(112)는 파이어링 회로(108)를 활성화하여, 단계(1216)에서 도시된 바와 같이, 전기기계 인터페이스(117)를 트립함으로써, 부하에 대한 전원 출력을 차단한다. 이 경우, 전기 아킹 이벤트는 방해 조건으로서 지정될 수 있다.
이상으로 설명한 바와 같이, 현재 개시된 아크 결함 검출장치 및 검출방법은 전기 아크 결함 및 방해 조건을 검출 및 식별하기 위하여, 임의의 적당한 디지털, 아날로그, 또는 혼합 환경에서 활용될 수도 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 현재 개시된 장치 및 방법은 하나 이상의 보호 회로에 대한 전원을 차단하고, 및/또는, 비행체 시스템 상태 및 유지보수에 관한 더 높은 레벨의 통신을 제공하기 위한 상업용 또는 군용 비행체 내의 아크 결함 회로 브레이커(AFCB : Arc Fault Circuit Breaker) 또는 보다 통합된 시스템에서 활용될 수 있다. 현재 개시된 아크 결함 검 출장치 및 검출방법은 증가된 신뢰도로 전기 아크 결함 및 방해 조건을 검출 및 식별하기 위한 임의 다른 적당한 주거, 상업, 산업, 또는 군사 응용에 활용될 수도 있다.
연속 아킹 기간에 특징이 있는 상술한 아크 결함 검출방법에 대한 추가적인 변형 및 이 검출방법의 변경은 본 명세서에 개시된 발명 개념으로부터 벗어나지 않고 행해질 수도 있다는 점에 대하여 당업자가 이해할 것이다. 따라서, 발명은 이후의 청구항의 범위 및 취지에 의한 것으로만 한정되는 것으로 판단되지 말아야 한다.

Claims (34)

  1. 아크 결함 검출 장치에서 구현되는 아크 결함을 검출(detect)하는 방법에 있어서,
    전원 입력과 관련된 적어도 하나의 신호를 감지하는 단계로서, 상기 감지된 신호는 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트를 나타내는 단계;
    상기 적어도 하나의 감지된 신호에 대응하는 복수의 누적된 신호를 발생하는 단계로서, 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호는 각각의 시구간(time period)에 걸쳐 발생되는 단계;
    상기 각각의 시구간에 걸쳐 발생된 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호와 관련된 적어도 하나의 레벨을 측정하는 단계;
    상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 지정된 최소값을 초과하는 연속 시구간의 제1 횟수를 결정하는 단계;
    상기 연속 시구간의 상기 제1 횟수가 소정의 제1 임계값을 초과할 경우에는, 상기 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트를 아크 결함으로서 지정하는 단계; 및
    초과하지 않으면, 상기 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트를 방해 조건으로 지정하는 단계를 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 입력은 부하에 결합 가능한 전원 출력과 관련되며,
    상기 방법은,
    상기 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트가 아크 결함으로 지정될 경우에는, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 입력은 부하에 결합 가능한 전원 출력과 관련되며,
    상기 방법은,
    상기 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트가 방해 조건으로 지정될 경우에는, 상기 전원 출력으로부터 상기 부하로의 접속을 유지하는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 단계는, 각각의 연속 시구간 동안에 각각의 누적된 신호의 단일 레벨을 측정하는 단계를 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 단계는, 각각의 연속 시구간 동안에 각각의 누적된 신호의 다수의 레벨을 측정하는 단계를 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생 단계는, 라인 전압의 1/2 사이클에 걸쳐 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호를 발생하는 단계를 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생 단계는, 소정의 일정한 시구간에 걸쳐 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호를 발생하는 단계를 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생 단계는, 소정의 가변 시구간에 걸쳐 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호를 발생하는 단계를 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 (i) 연속적으로 더 낮은 값(successively lower values) 및 (ii) 연속적으로 더 높은 값(successively higher values) 중의 하나를 가지는 연속 시구간의 제2 횟수를 결정하는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전원 입력은 부하에 결합 가능한 전원 출력과 관련되며,
    상기 방법은,
    상기 연속 시구간의 제2 횟수가 소정의 제2 임계값을 초과할 경우에는, 상기 전원 출력으로부터 상기 부하로의 접속을 유지하는 단계; 및
    초과하지 않으면, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 소정의 제1 임계값은 상기 소정의 제2 임계값과 동일한, 아크 결함 검출방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 연속적으로 더 낮은 값을 갖는 연속 시구간의 제2 횟수를 결정하고, 상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 연속적으로 더 높은 값을 갖는 연속 시구간의 제3 횟수를 결정하는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전원 입력은 부하에 결합 가능한 전원 출력과 관련되며,
    상기 방법은,
    연속 시구간의 상기 제2 및 제3 횟수가 소정의 제2 및 제3 임계값을 각각 초과할 경우에는, 상기 전원 출력으로 상기 부하로의 접속을 유지하는 단계;
    초과하지 않으면, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 소정의 제1 임계값은 상기 소정의 제2 및 제3 임계값 중의 적어도 하나와 동일한, 아크 결함 검출방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 소정의 제2 임계값은 상기 소정의 제3 임계값과 동일한, 아크 결함 검출방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 지정된 최소값은 소정의 값의 범위 내에 속하며,
    상기 방법은,
    상기 측정 단계에서 측정된 레벨 중의 적어도 하나가 상기 소정의 값의 범위의 외부에 속하는지에 대해 결정하는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 측정 단계에서 측정된 레벨 중의 적어도 하나가 상기 소정의 값의 범위의 외부에 속할 경우에는, 상기 누적된 신호의 레벨이 상기 소정의 값의 범위 내에 속하도록 제한하는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 전원 입력은 부하에 결합 가능한 전원 출력과 관련되며,
    상기 방법은,
    상기 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트가 방해 조건으로 지정되고, 상기 측정 단계에서 측정된 적어도 하나의 레벨이 상기 소정의 값의 범위의 외부에 속할 경우에는, 상기 전원 출력으로부터 상기 부하로의 접속을 유지하는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 전원 입력은 부하에 결합 가능한 전원 출력과 관련되며,
    상기 방법은,
    상기 측정 단계에서 측정된 적어도 하나의 레벨이 상기 소정의 값의 범위의 외부에 속할 경우에는, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊는 단계를 더 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  20. 아크 결함 검출 장치에서 구현되는 아크 결함을 검출(detect)하는 방법에 있어서,
    전원 입력과 관련된 적어도 하나의 신호를 감지하는 단계로서, 상기 감지된 신호는 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트를 나타내고, 상기 전원 입력은 부하에 결합 가능한 전원 출력과 관련되어 있는 단계;
    상기 적어도 하나의 감지된 신호에 대응하는 복수의 누적된 신호를 발생하는 단계로서, 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호는 각각의 시구간에 걸쳐 발생되는 단계;
    상기 각각의 시구간에 걸쳐 발생된 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호와 관련된 적어도 하나의 레벨을 측정하는 단계;
    상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 전기 아크 결함의 특성인지에 대해 결정하는 단계;
    상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 전기 아크 결함의 특성인 경우에는, 상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 (i) 연속적으로 더 낮은 값 및 (ii) 연속적으로 더 높은 값 중의 적어도 하나를 갖는 연속 시구간의 적어도 하나의 횟수를 결정하는 단계;
    상기 연속 시구간의 적어도 하나의 횟수가 적어도 하나의 소정의 임계값을 초과할 경우에는, 상기 전원 출력으로부터 상기 부하로의 접속을 유지하는 단계; 및
    초과하지 않으면, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊는 단계를 포함하는, 아크 결함 검출방법.
  21. 전원 입력과 관련된 적어도 하나의 신호를 감지하고, 상기 감지된 신호는 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트를 나타내도록 구성된 입력 감지회로;
    상기 적어도 하나의 감지된 신호에 대응하는 복수의 누적된 신호를 발생하고, 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호는 각각의 시구간에 걸쳐 발생되도록 구성된 누산회로; 및
    상기 각각의 시구간에 걸쳐 발생된 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호와 관련된 적어도 하나의 레벨을 측정하고,
    상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 지정된 최소값을 초과하는 연속 시구간의 제1 횟수를 결정하며,
    연속 시구간의 상기 제1 횟수가 소정의 제1 임계값을 초과할 경우에는, 상기 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트를 아크 결함으로 지정하며,
    초과하지 않으면, 상기 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트를 방해 조건으로 지정하도록 동작하는 처리부를 포함하는, 아크 결함 검출시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    부하에 결합 가능한 전원 출력과, 상기 전원 입력 및 상기 전원 출력 사이에 결합된 전기기계 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 처리부는, 상기 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트가 아크 결함으로 지정될 경우, 상기 전기기계 인터페이스를 트립함으로써, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊도록 동작하는, 아크 결함 검출시스템.
  23. 제 21 항에 있어서,
    부하에 결합 가능한 전원 출력과, 상기 전원 입력 및 상기 전원 출력 사이에 결합된 전기기계 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 처리부는, 상기 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트가 방해 조건으로 지정될 경우, 상기 전기기계 인터페이스의 트립핑을 금지함으로써, 상기 전원 출력으로부터 상기 부하로의 접속을 유지하도록 동작하는, 아크 결함 검출시스템.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 (i) 연속적으로 더 낮은 값 및 (ii) 연속적으로 더 높은 값 중의 하나를 갖는 연속 시구간의 제2 횟수를 결정하도록 동작하는, 아크 결함 검출시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 소정의 제1 임계값은 상기 소정의 제2 임계값과 동일한, 아크 결함 검출시스템.
  26. 제 24 항에 있어서,
    부하에 결합 가능한 전원 출력과, 상기 전원 입력 및 상기 전원 출력 사이에 결합된 전기기계 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 처리부는,
    연속 시구간의 상기 제2 횟수가 소정의 제2 임계값을 초과할 경우에는, 상기 전기기계 인터페이스의 트립핑을 금지함으로써, 상기 전원 출력으로부터 상기 부하로의 접속을 유지하고,
    초과하지 않으면, 상기 전기기계 인터페이스를 트립함으로써, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊도록 동작하는, 아크 결함 검출시스템.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 연속적으로 더 낮은 값을 갖는 연속 시구간의 제2 횟수를 결정하고, 상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 연속적으로 더 높은 값을 갖는 연속 시구간의 제3 횟수를 결정하도록 동작하는, 아크 결함 검출시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    부하에 결합 가능한 전원 출력과, 상기 전원 입력 및 상기 전원 출력 사이에 결합된 전기기계 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 처리부는,
    연속 시구간의 상기 제2 및 제3 횟수가 소정의 제2 및 제3 임계값을 각각 초과할 경우에는, 상기 전기기계 인터페이스의 트립핑을 금지함으로써, 상기 전원 출력으로부터 상기 부하로의 접속을 유지하고,
    초과하지 않으면, 상기 전기기계 인터페이스를 트립함으로써, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊도록 동작하는, 아크 결함 검출시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 소정의 제1 임계값은 상기 소정의 제2 및 제3 임계값 중의 적어도 하나와 동일한, 아크 결함 검출시스템.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 소정의 제2 임계값은 상기 소정의 제3 임계값과 동일한, 아크 결함 검출시스템.
  31. 제 21 항에 있어서,
    상기 지정된 최소값은 소정의 값의 범위 내에 속하고, 상기 처리부는, 상기 측정된 레벨의 적어도 하나가 상기 소정의 값의 범위의 외부에 속하는지에 대해 결정하도록 동작하는, 아크 결함 검출시스템.
  32. 제 31 항에 있어서,
    부하에 결합 가능한 전원 출력과, 상기 전원 입력 및 상기 전원 출력 사이에 결합된 전기기계 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 처리부는,
    적어도 하나의 전기 아킹 이벤트가 방해 조건으로 지정되고, 상기 측정된 레벨의 적어도 하나가 상기 소정의 값의 범위의 외부에 속할 경우에는, 상기 전기기계 인터페이스의 트립핑을 금지함으로써, 상기 전원 출력으로 상기 부하로의 접속을 유지하도록 동작하는, 아크 결함 검출시스템.
  33. 제 31 항에 있어서,
    부하에 결합 가능한 전원 출력과, 상기 전원 입력 및 상기 전원 출력 사이에 결합된 전기기계 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 처리부는,
    상기 측정된 레벨의 적어도 하나가 상기 소정의 값의 범위의 외부에 속할 경우에는, 상기 전기기계 인터페이스를 트립함으로써, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊도록 동작하는, 아크 결함 검출시스템.
  34. 전원 입력;
    부하에 결합 가능한 전원 출력;
    상기 전원 입력과 관련된 적어도 하나의 신호를 감지하고, 상기 감지된 신호는 적어도 하나의 전기 아킹 이벤트를 나타내도록 구성된 입력 감지회로;
    상기 적어도 하나의 감지된 신호에 대응하는 복수의 누적된 신호를 발생하고, 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호는 각각의 시구간에 걸쳐 발생되도록 구성된 누산회로;
    상기 전원 입력 및 상기 전원 출력 사이에 결합된 전기기계 인터페이스; 및
    상기 각각의 시구간에 걸쳐 발생된 상기 복수의 누적된 신호의 각각의 신호와 관련된 적어도 하나의 레벨을 측정하고,
    상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 전기 아크 결함의 특성인지에 대해 결정하며,
    상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 전기 아크 결함의 특성인 경우에는, 상기 누적된 신호와 관련된 레벨이 (i) 연속적으로 더 낮은 값 및 (ii) 연속적으로 더 높은 값 중의 적어도 하나를 갖는 연속 시구간의 적어도 하나의 횟수를 결정하며,
    연속 시구간의 상기 적어도 하나의 횟수가 적어도 하나의 소정의 임계값을 초과할 경우에는, 상기 전기기계 인터페이스의 트립핑을 금지함으로써, 상기 전원 출력으로부터 상기 부하로의 접속을 유지하며,
    초과하지 않으면, 상기 전기기계 인터페이스를 트립함으로써, 상기 부하로부터 상기 전원 출력의 접속을 끊도록 동작하는 처리부를 포함하는, 아크 결함 검출시스템.
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