KR20040028684A - 아크에 대한 보호를 제공하는 장치 - Google Patents

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KR20040028684A
KR20040028684A KR10-2003-7006498A KR20037006498A KR20040028684A KR 20040028684 A KR20040028684 A KR 20040028684A KR 20037006498 A KR20037006498 A KR 20037006498A KR 20040028684 A KR20040028684 A KR 20040028684A
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이턴 코포레이션
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Abstract

dc 전력 시스템에서의 아크 결함(arcing faults)은 dc 부하 양단 전압, 또는 dc 부하에 의해 유도된 전류에서의 사전결정된 강하에 응답하는 장치에 의해 검출된다. 전압 및 전류 강하는 측정된 값이거나, 또는 소스 전압으로 스케일링될 수 있다. 다른 구성에서, 전류의 스텝 감소가 검출될 때 부하 전류가 잠시 차단된다. dc 전류가 사전결정된 마진 이내에서, 차단 이전의 감소된 값으로 복귀되지 않는다면, 아크가 지시된다. 제 3 실시예에서, 단락으로의 상향 또는 개방 회로로의 하향인, 스텝 감소의 검출을 따르는 부하 전류의 드리프트는 아크의 지시로서 취해질 수 있다.

Description

아크에 대한 보호를 제공하는 장치{DETECTION OF ARCING IN DC ELECTRICAL SYSTEMS}
dc 전기 시스템에서는 과부하, 및 때로는 과전류 보호를 제공하는 것이 일반적이다. 전형적으로, 과부하 보호는 분배 배선(distribution wiring)의 가열(heating)을 에뮬레이팅하고, 바이메탈(bimetal)이 소정의 온도에 도달할 때 콘택트를 개방하는 열 소자, 또는 동일한 열 처리를 시뮬레이팅하는 전자 회로에 의해 제공된다. 전형적으로, 과전류 보호는 전류가 단락 회로에 의해 도달되는 것과 같은 특정 임계값을 초과하는 경우 회로 브레이커를 신속하게 개방하는 순간 제동 특성(instantaneous trip feature)에 의해 제공되며, 자기 제동 장치 또는 전자 시뮬레이션에 의해 구현된다. 퓨즈는 순간 능력(instantaneous capability)이 없는 일회용 열 제동(disposable thermal trip) 유닛이다.
과부하 및 단락 회로 보호 이외에도, dc 전기 시스템을 아크 결함(arcfaults)에 대해 보호하는데 관심이 있다. 아크 결함은 절연 파괴(insulation breakdown), 연소물의 생성, 고온 금속 입자의 배출을 초래할 수 있는 열 생성의 고집중 영역, 즉 일종의 "핫 스폿(hot spot)"을 포함한다. 또한, 그것은 끊어진 도체 또는 불량한 접속으로부터 초래될 수도 있다.
아크 결함은 직렬 또는 병렬일 수 있다. 직렬 아크의 예로는, 아크를 발생시킬 정도로 그 단부가 근접해 있는 끊어진 배선, 또는 불량한 전기 접속이 있다. 병렬 아크는 도체 및 접지를 포함하는 상이한 전위의 도체들 사이에서 발생된다. 아크 결함은 소스와 직렬로 발생되며, 직렬 아크는 또한 부하와 직렬이다. 아크 결함은 비교적 높은 임피던스를 갖는다. 따라서, 직렬 아크는 부하 전류의 감소를 초래하며, 종래의 보호 장치의 통상적인 과부하 및 과전류 보호에 의해 검출되지 않는다. 회로내의 통상적인 정격 전류를 초과하는 전류를 유도할 수 있는 병렬 아크 조차도 열 제동, 또는 적어도 지연 동작을 발생하는데 필요한 것 보다 작은 RMS 값을 제공하기에 충분히 산발적일 수 있는 전류를 생성한다. 때때로, 아크 전압 및 라인 임피던스의 영향은 병렬 아크가 순간 제동 기능을 작동시키기에 충분한 전류 레벨에 도달하는 것을 방해한다.
여러 가지 이유로부터, 12와 30V 사이의 아크 전압을 주된 원인으로 하여, 자동 회로는 현재의 14V 회로보다 아크로부터 불균형적으로 더욱 손상을 주는 경향이 있는 36 또는 42V와 같은 더 높은 전압으로 이동할 것이다. 항공 우주 산업에서 공통인 28V 회로 조차도 지속적인 아크를 지지하는 환경을 제공하는 것으로 보여져 왔다. 거주용 전력 시스템에서 발견되는 것을 넘어서는 한 가지 가장 악화시키는 요인은 진동이며, 높은 습도 및 오물이 때로는 악화 요인이다. 또한, 원격 통신 분야는 아크에 영향을 받기 쉬운 24V(그리고 48V로 이동할 수 있음) dc 시스템을 이용한다. 이들 전압에서의 아크는 이전부터 존재할 수 없는데, 즉, 분리되는 콘택트에 의해 "유도"되어야 한다. 이론적으로, 만약 그들이 초기에 개방 회로로 소멸된다면, 그들은 재발생되어서는 안된다. 그러나, 탄화(carbonization)의 존재 또는 다른 오염 물질의 도입은, 즉 표면에 재접촉할 수 있는 동적으로 이온화된 가스(매우 짧은 수명) 및 진동은 다수의 발생이 공통적인 것으로 만들 수 있다. 이것은 소자를 통해 이동하는 이동 운송 수단에서 특히 그러하다.
개요
본 발명은 dc 회로에서의 직렬 및 병렬 모두의 아크 결함의 검출 및 아크 결함에 대한 보호를 위한 장치에 관한 것이다. 그것은 양단 전압 또는 국부 감지기에 의해 검출되고, 국부적으로 또는 원격적으로 분석된 부하를 통한 전류의 감소를 검출하는 것을 포함한다. 원격 분석의 경우, 감지기 및 제어 정보가 브랜치 회로상의 반송파(carrier)에 의해 또는 다중화된 시스템과 같은 분리된 통신 링크에 의해 송신될 수 있다. 그것은 아크의 영향을 받은 부하 다운스트림을 접속해제함으로써 또는 전체 브랜치 업스트림을 턴 오프함으로써 아크 결함을 국부적으로 분리하는 스위치를 더 포함한다. 본 발명의 한 가지 양상은 아크에 의해 생성된 반복적인 스텝 변화의 검출을 포함한다. 또한, 그것은 결함이 단락 회로로 쇠퇴할 때까지의 아크 전류의 상향 드리프트 또는 결함이 회로를 개방하고 전류가 0으로 강하될 때까지 하향 드리프트를 관측함으로써, 부하의 턴 오프와 같은 다른 현상을 구별하기 위해 dc 아크 결함에서의 초기 스텝 변화를 따를 수 있는 전류를 모니터링하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 전류에서의 스텝 강하의 검출시에 전류를 잠시 턴 오프함으로써 직렬 아크가 검출될 수 있다. 전류가 다시 턴 온될 때의 크기가, 그것이 턴 오프될 때의 크기와 대략 동일하다면, 몇 가지 다른 형상이 원인인 것이다. 턴 온 이후의 전류가 대략 스텝 감소 이후의 것이 아니라면, 그것이 크게 증가 또는 감소되었는지에 무관하게, 단락으로 쇠퇴된 아크 결함 또는 개방 회로로 쇠퇴된 아크 결함이 각각 발생된다.
본 발명은 병렬 아크 및 직렬 아크를 포함하는 dc 전기 시스템에서의 아크의 검출 및/또는 아크에 대한 보호에 관한 것이다.
첨부 도면 및 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 본 발명을 완전하게 이해할 것이다.
도 1은 dc 전기 시스템에서의 직렬 아크에 대한 전류 파형도이다.
도 2는 dc 전기 시스템에서의 직렬 아크에 의해 생성된 전압 파형이다.
도 3은 국부 직렬 아크 검출 및 부하 셰딩을 구현하는 본 발명의 제 1 실시예를 도시하는 개략 회로도이다.
도 4는 소스 전압의 통신으로 국부 검출 및 국부 부하 셰딩을 구현하는 본 발명의 제 2 실시예의 개략 회로도이다.
도 5는 중앙 아크 결함 검출 및 응답으로 아크 결함에 대한 국부 감지를 구현하는 본 발명의 제 3 실시예의 개략 회로도이다.
도 6은 부하와 중앙 위치 사이의 통신을 위한 다중화 시스템을 이용하는 다른 실시예의 개략 회로도이다.
도 7은 아크를 소멸시키기 위해 전류를 잠시 접속해제한 후, 전류 레벨을 체크하는 실시예의 개략 회로도이다.
도 8은 직렬 아크를 검출하고, 단락 회로로 쇠퇴하는 직렬 아크와 개방 회로로 쇠퇴하는 것을 구별할 수 있는 다른 실시예의 개략 회로도이다.
도 9는 dc 전기 시스템에서의 병렬 아크에 대한 전류 파형도이다.
도 10은 도 3에 도시된 것과 유사하지만, dc 부하 전류의 변화에 응답하는 본 발명의 실시예의 개략 회로도이다.
도 11은 도 4에 도시된 것과 유사하지만, dc 부하 전류의 변화에 응답하는 본 발명의 실시예의 개략 회로도이다.
도 12는 도 5에 도시된 것과 유사하지만, dc 부하 전류의 변화에 응답하는 본 발명의 실시예의 개략 회로도이다.
도 13은 도 6에 도시된 것과 유사하지만, dc 부하 전류의 변화에 응답하는 본 발명의 실시예의 개략 회로도이다.
도 1 및 2는 직렬 아크에 의해 dc 전기 시스템에서 생성된 전류 및 전압 파형의 전형적인 예를 각각 도시한다. 도 1로부터 볼 수 있듯이, 아크의 초기에, 잡음이 지속되는 기간이 뒤따르는 전류에 있어서의 수 개의 스텝 변화가 있다. 그 다음, 아크는 제 2의 아크가 발생될 때까지, 부하 전류가 상향 드리프트를 시작하고, 그 이전의 값(트레이스 A)으로 점프하는 단락으로 쇠퇴, 또는 전류가 하향 드리프트되고, 그 후 0으로 하강하는(트레이스 B) 개방 회로로의 쇠퇴가 있다.
도 2는 42V dc 시스템에서, 아크가 발생될 때까지, 굵은 선으로 도시된 소스 전압 및 점선으로 도시된 부하 양단의 전압은 둘다 42V에 있는 것을 도시한다. 그 다음, 부하 양단의 전압은, 아크가 부하와 직렬로 실질적인 임피던스를 도입함에 따라 실질적으로 강하된다. 통상적인 시스템 전압의 약 75%보다 작은 정도와 같은 실질적인 감소는 아크를 나타내는 것이다. 따라서, 42V 시스템에서, 부하 양단의 전압이 약 30V 이하로 하강된다면, 직렬 아크가 지시된다. 또한, 소스 전압은 결함에 의해 풀 다운(pulled down)될 수 있지만, 소스 전압과 부하 양단 전압 사이에는 적어도 약 12V의 차이가 존재한다. 아크가 소멸됨에 따라, 소스 및 부하 전압 둘다는 다른 아크가 발생될 때까지 통상적인 상태로 복귀될 수 있다. 또한, 아크가 개방 회로로 소멸된다면, 부하 전압은 0으로 강하될 수 있다. 진동 및/또는 탄소의 영향으로 인해, 재점호(restrike)가 여전히 가능하다.
dc 회로에는 아크 결함으로부터 구별되어야 할 파형을 생성할 수 있는 현상이 존재함을 알아야 한다. 예컨대, 부하를 턴 오프 및 온함으로써 스텝 변화를 생성할 수 있다.
도 3은, 예를 들면, 36 또는 42V의 공칭 전압을 가질 수 있는 배터리(3)에의해 전원을 공급받는 dc 전기 시스템(1)을 개략적으로 도시한다. 배터리는 퓨즈 또는 제어 박스(9)에 제공된 퓨즈(7)에 의해 각각 보호되는 다수의 브랜치 회로(5)에 전력을 제공한다.
각 브랜치 회로(5)는 하나 이상의 부하(111, 112)에 전력을 제공한다. 도시된 위치에서의 직렬 아크(13)는 부하(111) 양단의 전압에 명확하게 영향을 미치지 않을 것이다. 그러나, 그것은 부하(112)와 직렬이므로, 이 부하 양단의 전압은 언급한 바와 같이, 처음에 적어도 25% 이상 강하될 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 검출기(15)는 전압 감지기(16)를 통해 부하(112) 양단의 전압을 모니터링하고, 만약 그것이 사전결정된 기간보다 긴 기간동안 임계값 이하, 예를 들어, 42V 시스템의 경우, 적어도 약 10 msec보다 긴 시간동안, 그리고 바람직하게는 약 20 msec보다 긴 시간동안 약 30V 이하로 떨어지는 경우, 아크 결함이 지시된다. 아크의 검출은 아크와 직렬의 국부 스위치(17)를 개방하는데 이용될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, LED와 같은 지시기(19)가 작동될 수 있다.
도 4는 감지기(21)가 부하(11) 양단의 전압을 국부 프로세서(23)에 제공하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 또한, 이 프로세서는 전력 제어 모듈(9)로부터 소스 전압을 나타내는 신호를 수신한다. 전력 제어 모듈내의 소스 전압 감지기(25)는 송신기(27)에 제공되는 소스 전압을 나타내는 신호를 생성하고, 송신기(27)는 브랜치 회로(5)상으로 진수되는 반송파 신호를 변조한다. 변조된 반송파 신호는 프로세서(23)에게 소스 전압 지시를 제공하는 수신기(29)에 의해 취해진다. 그 다음, 프로세서(23)는 소스 전압으로부터 부하 양단 전압을 감산하고, 만약 그 차이가 사전결정된 기간보다 긴 동안 선택된 값을 초과하는 경우, 아크가 지시되고, 국부 스위치(17)가 개방된다. 예를 들어, 42V dc 시스템에서, 만약 차이가 20 msec보다 긴 시간동안 약 12V보다 크다면, 직렬 아크가 지시된다.
도 5를 참조하면, 부하(11) 양단 전압은 국부적으로 감지되어, A/D 변환기(31)에 의해 디지털 신호로 변환된 후, 브랜치 회로(5)를 통해 전력 제어 모듈(9)로 송신하기 위해 송신기(27)에 의해 반송파를 변조하는데 이용되며, 전력 제어 모듈(9)에서는 변조된 반송파가 수신기(29)에 의해 복조되어 마이크로프로세서(33)에 제공된다. 마이크로프로세서(33)는 부하 양단 전압이 절대 임계값 이하로 떨어졌는지 또는 국부적으로 측정된 값이 선택된 기간, 즉 적어도 약 10 msec, 바람직하게는 약 20 msec 동안 소스 전압 이하인지를 결정하는 것과 같은 것에 의해 직렬 아크를 체크한다. 만약 아크가 검출된다면, 마이크로프로세서(33)는 전력 제어 모듈(9)에서의 스위치(35)를 작동시킬 수 있다. 이 스위치(35)는, 예컨대, 결함 전류 단속기일 수 있으며, 또한 병렬 아크에 대한 보호를 제공한다. 마이크로프로세서(33)가 전력 제어 모듈내에 있으므로, 그것은 모든 브랜치 회로(5)에 대한 아크 결함 보호를 제공하는 위치에 있는 것이다.
브랜치 회로상의 반송파 신호를 이용한, 부하와 전력 제어 모듈 사이의 통신에 대한 대안으로서, 다중화된 시스템을 이용가능한 응용에 있어서, 전력 제어 모듈로부터 또는 부하로부터의 정보가, 전형적으로 도 6의 실시예에서 도시된 바와 같은 감지기/작동기 칩(sensor/actuator chip)(36)을 통해, 통신 버스(34)상의 패킷으로 통신될 수 있으며, 무선 통신과 같은 다른 매체가 이용될 수도 있다.
도 3-6의 각 실시예에서, 직렬 아크는 부하 양단 전압보다는 부하를 통한 전류를 모니터링함으로써 검출될 수 있다. 그러한 경우, 부하를 통한 정격 전류 - 감지 전류를 정격 전류에 의해 나눈 값이, 예를 들면, 0.7과 같은 사전결정된 값보다 작다면, 트립이 지시될 것이다. 또한, 직렬 아크가 부하와 직렬의 임피던스를 대체하며, 그것은 부하 전류를 감소시킨다. 만약 전류가 이용된다면, 각 부하에 대한 정격 전류는 알려져야 한다. 또한, 예를 들어, 부하가 다수의 속도 설정과 같은 다수의 동작 조건을 갖는다면, 동작 조건에 대한 정격 전류가 알려져야 한다.
직렬 아크에 의해 생성된 전류 또는 전압 강하를 이용하는 것 외에도, 도 3-6의 실시예에서는 다른 논리가 이용될 수 있다. 예를 들어, 직렬 아크의 전류 및 다운스트림 전압 파형은 둘다 아크 개시시에 일련의 스텝 변화를 나타내므로, 미국 특허 제 5,691,869 호에 기술된 바와 같은 펄스의 시간 감쇠 축적과 같은 알고리즘이 이용될 수 있다. 더욱이, 임의성을 검출하기 위해 연속적인 간격에서의 필터링된 전류가 적분되어 비교되는 병렬 아크와 관련하여 이하에 기술된 아크 결함 검출기의 논리를 이들 직렬 아크 검출기에 대한 논리로서 또한 이용할 수 있다.
도 3-6의 실시예는 부하 양단 전압을 모니터링함으로써 직렬 아크를 검출하며, 따라서 각 부하에서 감지기를 필요로 한다. 도 7에 도시된 실시예는 전류를 모니터링함으로써 직렬 아크를 검출하며, 따라서 원격적으로 위치될 수 있으며, 바람직하게는 전력 제어 모듈(9)과 같은 중앙 위치에 위치될 수 있다. 본 실시예는 전류에 있어서의 스텝 변화에 대한 브랜치 전류를 모니터링한다. 전류에서의 스텝 변화는 부하의 턴 오프 또는 온 때문이거나, 또는 부하의 동작 조건의 변화 때문일 수 있으므로, 이러한 기법은 선택된 크기의 스텝 변화가 검출될 때, 전류의 턴 오프를 잠시 요구한다. 이러한 전류의 차단은 아크를 소멸시킬 것이다. 도 1을 참조하면 알 수 있듯이, 아크는 단락 회로 또는 개방 회로로 쇠퇴할 수 있다. 따라서, 전력이 다시 턴 온될 때, 전류는 스텝 감소 이전의 값으로 되거나, 또는 0으로 되며, 그러한 현상이 아크이다. 한편, 전류가 턴 오프될 때의 대략적인 값으로 전류가 복귀될 때, 전류의 변화는 아크 때문이 아니라, 부하의 턴 오프와 같은 전류의 소정의 다른 동작 때문이다. 턴 오프 기간은 아크를 소멸하도록 충분히 길어야 하지만, 부하에 심각한 간섭을 발생시킬 정도는 아니어야 한다. 예시적인 턴 오프 시간은 약 5 msec 내지 약 30 msec이다.
도 7을 참조하면, 전력 제어 모듈(9)에 제공되는 보호 회로(37)는 전류 감지기(39)와, 브랜치 회로(5)에 접속된 고상(solid state) 스위치(41)를 포함한다. 감지된 전류 신호는 스텝 변화를 검출하는 대역 통과 필터(45)와, 예를 들면, 약 25% 내지 약 80%, 전형적으로는 42V dc 시스템에서 약 50%와 같은 선택된 값보다 큰 전류의 스텝 강하에 응답하는 네가티브 스텝 임계값 검출기(47)를 포함하는, 이벤트 검출기(43)에 인가된다. 감지된 전류와 더불어 이벤트의 발생이, 아크 검출 논리를 적용하는 프로세서(49)에 인가된다. 프로세서(49)는 디지털 프로세서이며, 감지된 전류는 프로세서를 구비한 A/D 변환기에 의해 디지털 신호로 변환된다. 이벤트의 발생, 즉 선택된 값보다 큰 부하 전류에 있어서의 강하는 브랜치 전류(5)에서의 전류를 차단하도록 고상 스위치(41)를 턴 오프하는 순간 제동논리(instantaneous trip logic)(51)를 설정한다. 또한, 이벤트 신호는 약 5 내지 약 30 msec와 같은 사전선택된 접속해제 시간을 측정하는 타이머(53)를 구동하고, 고상 스위치를 다시 턴 온하도록 순간 제동 논리(51)를 리세트한다. 아크 검출 논리는 재접속 이후의 전류로부터, 접속해제 이전이면서 초기 스텝 감소 이후의 전류를 감산한 후, 접속해제 이전의 전류로 나눈다. 만약, 그 결과의 절대값이 약 0.2와 같은 사전결정된 값보다 작으면, 아크가 발생되지 않는다. 그렇지 않은 경우, 프로세서(49)는 고상 스위치를 턴 오프하고, 검출된 직렬 아크 결함으로부터 브랜치(5)를 보호하기 위해, 순간 제동 논리(51)를 다시 설정한다.
도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예는 직렬 아크에 의해 생성된 전류의 초기 스텝 변화를 따르는 전류의 드리프트를 모니터링한다. 도 1을 다시 참조하면, 직렬 아크는 천천히 보다 높게 드리프트하여 단락으로 쇠퇴함으로써, 전류가 아크 이전의 초기값으로 복귀되도록 하거나, 또는 천천히 하향 드리프트하여 개방 회로로 쇠퇴함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는, 스텝 감소를 따르는 전류에 있어서의 소정의 슬로우 드리프트가 식별된다. 슬로우 드리프트가 상향으로 된다면, 스텝 감소 이전의 전류의 저장값이 드리프트의 기간, 예를 들면, 약 0.1 내지 약 1 초 이후의 전류의 값과 비교된다. 이들 두 전류값이 대략 동일하다면, 단락(shorted out)되는 아크가 있는 것이다. 전류가 대략 동일하지 않다면, 아크는 없지만, 몇 가지 다른 현상으로 인한 전류의 스텝 변화가 있는 것이다. 스텝 감소 이후에 네가티브 드리프트가 있다면, 스텝 감소의 수가 카운트되고, 선택된 기간, 예를 들면, 0.1 내지 약 1 초내에 선택된 카운트, 예를 들면, 2 내지 4에 도달한다면, 개방 회로로 쇠퇴된 아크가 있는 것이다.
따라서, 도 8에서 볼 수 있듯이, 전류 감지기(39)에 의해 전류가 감지되어, 이벤트 검출기(43)에 인가된다. 도 7의 실시예에서와 같이, 이벤트 검출기(43)는 대역 통과 필터와, 사전결정된 크기보다 큰 전류의 스텝 감소를 검출하는 네가티브 임계값 검출기를 포함한다. 전류의 제 1 스텝 감소의 검출은 타이머(57)를 구동하고, 또한 지연 회로(61)에 의해 보존된 스텝 감소 이전의 전류값을 저장하는 샘플 및 유지 회로(59)를 인에이블링한다. 또한, 저역 통과 필터일 수 있는 슬로우 드리프트 검출기(63)는 전류를 모니터링한다. 부호 검출기(65)는 드리프트 신호의 극성을 검출한다. 극성이 포지티브이고, 타이머(57)가 타임 아웃되면, 저장된 초기 전류는 프로세서(67)에서 현존 전류와 비교된다. 이들 두 전류가 대략 동일하다면, 그것은 아크가 단락으로 쇠퇴됨을 의미하며, 단락 신호에 대한 아크가 생성되어, OR 회로(69)를 통과하게 된다. 한편, 부호 검출기(65)에 의해 결정된 것으로서 슬로우 드리프트 신호의 극성이 네가티브이면, AND 게이트(71)가 인에이블링된다. 한편, 카운터(73)는 이벤트 검출기(43)에 의해 검출된 전류의 스텝 감소의 수를 카운트하고, 만약 카운트가 타이머(57)에 의해 설정된 기간내에 선택된 카운트에 도달하면, AND 게이트(71)의 출력은 하이로 되어, OR 게이트(69)의 출력에 아크 신호를 생성하게 된다.
본 발명의 상기 실시예는 dc 전기 시스템에서의 직렬 아크 결함을 해소한다. 도 9에는 dc 전기 시스템에서의 병렬 아크의 예가 도시되어 있다. 그러한 병렬 아크는, 본 명세서에서 참조로 인용된 미국 특허 제 5,691,869 호에 기술된 장치및 기술을 이용하여 그러한 아크에 의해 생성된 전류의 스텝 변화의 시간 감쇠된 축적을 이용함으로써 검출될 수 있다. 그러한 보호는 도 5 및 6에 도시된 바와 같은 전력 제어 모듈(9)에 위치된 아크 결함 회로 차단기(35)에 제공될 수 있다. 그러한 병렬 아크 결함 보호는 직렬 아크 결함 검출에 대해 본 명세서에서 기술된 소정의 기술과는 독립적으로 또는 그와 관련하여 제공될 수 있음을 알아야 한다.
또한, dc 전기 시스템에서의 병렬 아크 결함은 주기적 전류 적분 비교 회로 및 미국 특허 제 5,933,305 호에 설명된 기술을 통해 검출 및 응답될 수 있다. 아크 결함은 전류를 대역 통과 필터링하여 아크가 점호(strike)되는 매 시간 펄스를 갖는 감지된 전류 신호를 생성함으로써 검출된다. 리세트가능한 적분기는 ac 전류의 각 사이클과 같은 동일한 기간을 통해 감지된 전류를 반복적으로 적분한다. 감지된 전류의 적분된 값은 샘플 및 유지 회로에 저장된 이전의 대응하는 기간에 대한 값과, 시프트 레지스터에 저장된 가장 최근의 기간의, 6과 같은 선택된 수에 대한 적분된 감지 값에서의 간격 증가 및 감소에 대한 간격의 지시와 비교된다. 각 기간에 대해, 카오스(chaos) 검출기는 선택된 수의 가장 최근의 대응하는 기간 동안의 증가와 감소 사이의 변화의 수를 카운트하고, 시간 감쇠되는 카운트의 가중 합(weighted sum)을 축적한다. 합이 사전결정된 양에 도달할 때, 회로 브레이커에 대한 제동 신호와 같은 출력이 생성된다. ac 전기 시스템에서 아크 결함 보호를 제공하도록 이용될 때, 미국 특허 제 5,933,305 호에 기술된 아크 결함 검출기는 ac 전류의 기본 주파수의 사이클의 배수이며, 제로(zero) 교차 검출기에 의해 ac 사이클로 합성되는 기간을 이용한다. 여기서 dc 전기 시스템에 적용된 바와같이, 제로 교차 검출기는 필요하지 않으며, 적분 간격은 아크에 의해 생성된 전류의 스텝 변화의 주 주파수(dominant frequency)의 사이클의 배수, 예를 들면, 약 120-500 Hz로서 선택된다. 전술한 바와 같이, 이러한 주기적 전류 적분 비교 기법은 아크에 의해 생성된 전류의 스텝 변화의 크기와 무관하게 및 활동의 임의성에 의존적으로 직렬 아크를 검출하는데 또한 이용될 수 있다.
또한, 주기적 전류 적분 비교 기법은 광 디머(light dimmer)와 같은 PWM 드라이브를 갖는 dc 전기 시스템에도 이용될 수 있다. 그러한 경우, 적분 주기는 PWM 신호의 반복율(repetition rate)과 동등할 것이다. 따라서, 적분은 반복율의 배수일 수 있으며, 천천히 변하는 반복율을 트랙킹(tracking)할 수도 있다.
또한, 본 발명은 dc 아크의 존재를 지시하기 위해, dc 부하에 의해 유도된 dc 전류의 강하 검출을 포함한다. 도 10-13은 부하 전압의 강하를 이용하여 아크를 검출하는 도 3-6에 도시된 분배 시스템에 대한 dc 전류 강하를 검출하는 이 기법의 응용을 도시한다. 도 10에서 볼 수 있듯이, 전류 감지기(75)는 부하(112)에 의해 유도된 전류를 감지하여, 이 측정치를 프로세서(15)에 제공한다. 정상 조건하에서, 부하 (112)는 정격 전류 I정격을 유도한다. 부하(112)를 서비스하는 브랜치 회로(5)에서의 직렬 아크(13)는 부하와 소스 전압을 공유하는 부하와 직렬로 상당한 크기의 임피던스를 도입하며, 부하(112)에 의해 유도된 감지 전류의 감소를 초래한다. 이러한 감지 전류가 정격 전류 이하로 적어도 25% 강하되거나, 또는, 다시 말해서, 정격 전류가 10 msec, 바람직하게는 20 msec와 같은 소정의 기간 동안 정력 전류의 .75보다 작게 강하된다면, 아크 신호가 생성되어 소스로부터 부하(112)를 접속해제하도록 스위치(17)를 개방하는데 이용될 수 있으며/있거나, LED(19)를 점등하는 것에 의해, 아크 이벤트의 지시를 제공한다.
도 11에 도시된 dc 분배 시스템(1)에서, 프로세서(23)에는 전류 감지기(77)에 의해 감지된 것으로서 부하(11)에 의해 유도된 전류 뿐만 아니라, 전압 감지기(25)에 의해 감지되어, 반송파 신호의 변조를 통해 송신기(27)에 의해 브랜치 라인(5)을 통해 송신되는 소스 전압 V소스가 제공된다. 수신기(29)는 신호를 복조하여, 프로세서(23)에 의한 이용을 위해, 감지된 dc 소스 전압을 추출한다. dc 전압 소스에서의 소정의 변화를 수용하기 위해, 프로세서(23)는 전류 감지기(77)에 의해 감지된 것으로서 부하(11)를 통한 전류가 dc 소스 전압으로 스케일링된 정격 전류의 .75 미만인 경우 아크 신호를 생성하는데, 소스 전압이 강하되는 경우, 부하에 의해 유도된 전류는 비례량만큼 강하될 것이기 때문이다.
도 11에서, 프로세서(23)는 부하(11)의 근처에 위치된다. 그러므로, 감지된 dc 소스 전압은 프로세서(23)로 송신되어야 한다. 도 12의 dc 전기 시스템에서, 프로세서(33)는 부하(11)로부터 이격되어 위치되며, 부하(11)에 의해 유도되어 전류 감지기(77)에 의해 감지된 전류는 원격 프로세서(33)에 송신되어야 한다. 따라서, 감지된 전류는 아날로그/디지털 변환기(81)에서 디지털화된 후, 반송파 신호를 변조하도록 송신기(27)에 의해 이용되어 브랜치 회로(5)를 통해 전송되며, 프로세서(33)에 의한 처리를 위해 전류 신호를 추출하도록 수신기(29)에 의해 복조된다. 프로세서(23)와 마찬가지로 프로세서(33)는, 감지된 dc 전류가 적어도 10 msec, 바람직하게는 20 msec와 같은 소정의 기간 동안 dc 소스 전압으로 스케일링된 정격 전류의 적어도 .75 배로 떨어지는 경우 아크 신호를 생성한다. 도 13의 구성은, 전류 감지기(79)에 의해 검출된 감지 전류가, 전력 제어 모듈(9)과 부하(11) 사이에서 전형적으로 작동기 칩(81)을 통해 통신 버스(34)상의 패킷내에서 정보가 전달되는 다중화 시스템과 같은 외부 통신 시스템을 통해 프로세서(33)로 제공되는 것을 제외하고는 도 12의 구성과 유사하다. 본 발명의 특정 실시예가 상세히 기술되었지만, 당업자라면 본 명세서의 전체 개시 내용의 관점에서, 본 발명에 대한 다양한 수정 및 대안이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특정 구성은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니며, 본 발명은 첨부된 특허 청구 범위 및 그것의 모든 등가물에 의해 주어지는 것이다.

Claims (43)

  1. 브랜치 회로(branch circuits)를 통해 dc 소스로부터 dc 부하로 dc 전력을 제공하는 분배 시스템에서의 아크(arcing)에 대한 보호를 제공하는 장치에 있어서,
    적어도 하나의 부하 양단의 dc 전압을 감지하는 전압 감지 수단과,
    상기 적어도 하나의 부하 양단의 감지된 dc 전압에 근거하여 아크 신호를 생성하는 처리 수단과,
    상기 아크 신호에 응답하는 수단을 포함하는
    아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크 신호에 응답하는 상기 수단은 상기 아크 신호에 응답하여 상기 dc 전력으로부터 상기 적어도 하나의 부하를 접속해제하는 스위치를 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 수단은 상기 적어도 하나의 부하 양단의 상기 감지된 dc 전압이 사전결정된 기간 동안 적어도 약 25%만큼 강하될 때 아크 신호를 생성하는 수단을포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 사전결정된 기간은 적어도 약 10 msec인 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 아크 신호에 응답하는 상기 수단은 상기 아크 신호에 응답하여 상기 dc 전력으로부터 상기 적어도 하나의 부하를 접속해제하는 스위치를 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 감지 수단은 상기 소스 전압을 감지하는 수단을 더 포함하고, 상기 처리 수단은 상기 소스 전압과 상기 적어도 하나의 부하 양단의 상기 감지된 dc 전압 사이의 차이가 적어도 사전결정된 값과 동일한 경우 아크 신호를 생성하는 수단을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 소스 전압과 상기 적어도 하나의 부하 양단의 상기 감지된 dc 전압 사이의 상기 차이의 상기 사전결정된 값은 적어도 약 12V인 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 소스 전압을 감지하는 수단은 상기 적어도 하나의 부하로부터 이격되어 있고, 상기 처리 수단은 프로세서와, 상기 프로세서에 상기 소스 전압 및 상기 적어도 하나의 부하 양단의 상기 감지된 dc 전압을 제공하는 수단을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 적어도 하나의 부하 근처에 위치되는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 소스 전압을 상기 프로세서에 제공하는 상기 수단은 상기 브랜치 회로를 통해 상기 소스 전압을 상기 프로세서에 송신하는 수단을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 브랜치 회로를 통해 상기 소스 전압을 상기 프로세서에 송신하는 상기 수단은 상기 소스 전압에 의해 상기 브랜치 회로를 통해 송신된 반송파 신호를 변조하는 송신기를 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 소스 전압을 상기 프로세서에 제공하는 상기 수단은 상기 브랜치 회로로부터 분리된 통신 시스템을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 적어도 하나의 부하로부터 이격된 상기 소스 전압을 감지하는 상기 수단 근처에 위치되는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 부하 양단의 상기 감지된 dc 전압을 상기 프로세서에 제공하는 상기 수단은 상기 브랜치 회로를 통해 상기 적어도 하나의 부하 양단의 상기 감지된 dc 전압을 상기 프로세서에 송신하는 수단을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 부하 양단의 상기 감지된 dc 전압을 상기 프로세서에 송신하는 상기 수단은 상기 적어도 하나의 부하 양단의 상기 감지된 dc 전압에 의해 상기 브랜치 회로를 통해 송신된 반송파 신호를 변조하는 송신기를 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 부하 양단의 상기 감지된 dc 전압을 상기 프로세서에 제공하는 수단은 상기 브랜치 회로로부터 분리된 통신 시스템을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 아크 신호에 응답하는 상기 수단은 상기 아크 신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 부하에 dc 전력을 제공하는 상기 브랜치 회로를 접속해제하는 상기 프로세서 근처의 스위치를 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  18. 브랜치 회로를 통해 dc 소스로부터 dc 부하로 dc 전력을 제공하는 분배 시스템에서의 아크에 대한 보호를 제공하는 장치에 있어서,
    상기 브랜치 회로에서의 전류를 감지하는 전류 감지 수단과,
    상기 전류 감지 수단에 의해 감지된 상기 브랜치 회로에서의 전류의 스텝 감소에 응답하는 스텝 검출기(step detector)와,
    상기 스텝 검출기에 의해 검출된 전류의 상기 스텝 감소에 응답하여, 소정의 기간 동안 상기 dc 소스로부터 상기 부하를 접속해제한 후, 상기 부하를 상기 dc 소스에 재접속하는 접속해제 수단과,
    상기 부하를 상기 dc 소스에 재접속한 이후 상기 전류 감지 수단에 의해 감지된 전류가 상기 dc 소스로부터 상기 부하의 접속해제시에 상기 전류 감지 수단에 의해 감지된 전류의 선택된 마진내로 복귀되지 않을 경우 아크 신호를 생성하는 수단을 포함하는
    아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 접속해제 수단은 상기 아크 신호에 더 응답해서, 상기 아크 신호에 응답하여 상기 dc 소스로부터 접속해제된 상기 부하를 유지하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 아크 신호를 생성하는 수단은 상기 부하를 상기 dc 소스에 재접속한 이후 상기 감지 수단에 의해 감지된 전류를, 상기 dc 소스로부터 상기 부하를 접속해제시에 상기 전류 감지 수단에 의해 감지된 전류로부터 감산하고, 그 차이의 절대값을 접속해제시에 상기 전류 감지 수단에 의해 감지된 전류로 나누고, 그 몫(quotient)이 선택된 값보다 클 때 아크 신호를 생성하는 프로세서를 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 선택된 값은 약 0.2보다 크지 않은 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 스텝 검출기는 적어도 약 25%의 전류의 스텝 감소에 응답하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 dc 소스로부터 상기 부하가 접속해제되는 상기 기간은 약 5 내지 약 30 msec인 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  24. 브랜치 회로를 통해 dc 부하에 dc 전력을 제공하는 dc 분배 시스템에서의 아크에 대한 보호를 제공하는 장치에 있어서,
    상기 브랜치 회로에서의 감지된 전류의 지시(indication)를 제공하는 전류 감지기와,
    감지된 전류에서의 사전결정된 스텝 감소를 감소 값에 대해 검출하는 스텝 검출기와,
    상기 감지된 전류에서의 드리프트(drift)를 검출하는 수단과,
    상기 감지된 전류가 상기 감소된 값으로부터 드리프트할 때 아크 신호를 생성하는 수단을 포함하는
    아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 아크 신호를 생성하는 상기 수단은 상기 전류의 스텝 감소 이후의 사전결정된 시간에서의 상기 감지된 전류가 상기 감지된 전류의 스텝 감소 이전에 상기 감지된 전류의 상기 값 부근으로 상향 드리프트될 때 상기 아크 신호를 생성하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 전류의 사전결정된 스텝 감소는 적어도 약 25%인 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 사전결정된 기간은 약 0.1 내지 약 1 sec인 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 아크 신호를 생성하는 상기 수단은 상기 감지된 전류의 스텝 감소를 따르는 감지된 전류의 하향 드리프트에 응답하여, 사전결정된 기간내에 전류의 추가적인 스텝 감소의 사전결정된 수의 검출시에 상기 아크 신호를 생성하는 수단을 더 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 사전결정된 카운트는 약 2-4 카운트인 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 사전결정된 기간은 약 0.1 내지 약 1 sce인 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  31. dc 소스로부터 브랜치 회로를 통해, 상기 dc 소스로부터 사전결정된 정격 전류를 유도하는 dc 부하로 dc 전력을 제공하는 분배 시스템에서의 아크에 대한 보호를 제공하는 장치에 있어서,
    상기 부하에 의해 유도된 dc 전류를 감지하는 전류 감지 수단을 포함하는 감지 수단과,
    상기 부하에 의해 유도된 상기 감지된 dc 전류가 사전결정된 기간 동안 상기 사전결정된 정격 전류의 적어도 선택된 비율(proportion)로 강하할 때 아크 신호를 생성하는 처리 수단을 포함하는
    아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 처리 수단은 상기 부하에 의해 유도된 상기 감지된 dc 전류가 상기 사전결정된 정격 전류의 적어도 약 75%로 강하할 때 아크 신호를 생성하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 사전결정된 기간은 적어도 약 10 msec인 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 아크 신호에 응답하는 수단은 상기 아크 신호에 응답하여 상기 dc 전력으로부터 상기 dc 부하를 접속해제하는 스위치를 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  35. 제 31 항에 있어서,
    상기 감지 수단은 dc 소스 전압을 감지하는 소스 전압 감지 수단을 또한 포함하고, 상기 처리 수단은 상기 감지된 dc 전류가 상기 dc 소스 전압으로 스케일링된 상기 정격 전류의 선택된 비율로 강하할 때 상기 아크 신호를 생성하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 정격 전류의 상기 선택된 비율은 상기 정격 전류의 75%보다 크지 않은 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 소스 전압 감지 수단은 상기 dc 부하로부터 이격되어 있고, 상기 처리 수단은 프로세서와, 상기 프로세서에 상기 소스 전압 및 상기 부하에 의해 유도된 상기 감지된 dc 전류를 제공하는 수단을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 dc 부하 근처에 위치되는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 dc 소스 전압을 상기 프로세서에 제공하는 상기 수단은 상기 브랜치 회로를 통해 상기 dc 소스 전압을 상기 프로세서에 송신하는 수단을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  40. 제 38 항에 있어서,
    상기 dc 소스 전압을 상기 프로세서에 제공하는 상기 수단은 상기 브랜치 회로로부터 분리된 통신 시스템을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  41. 제 37 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 dc 부하로부터 이격된 상기 소스 전압 감지 수단 근처에 위치되는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 dc 부하에 의해 유도된 상기 감지 dc 전류를 상기 프로세서에 제공하는 상기 수단은 상기 dc 부하에 의해 유도된 상기 감지된 dc 전류를 상기 브랜치 회로를 통해 상기 프로세서로 송신하는 수단을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
  43. 제 39 항에 있어서,
    상기 dc 부하에 의해 유도된 상기 감지된 dc 전류를 상기 프로세서에 제공하는 상기 수단은 상기 브랜치 회로로부터 분리된 통신 시스템을 포함하는 아크에 대한 보호를 제공하는 장치.
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