(57)【要約】【課題】直流回路に直列及び並列のアーク故障を検出しかつ保護するための装置を提供すること。【解決手段】直流電源システムにおけるアーク故障は、直流負荷の電圧間又は直流負荷によって引き出される電流のいずれかの所定の電圧/電流降下に対応する装置によって検出される。この電圧/電流降下は、測定値または電源電圧に対する比例値となる。別の装置において、電流のステップ減少が検出される時、負荷電流は瞬間的に遮断される。直流電流が所定の時間で遮断前の減少値まで戻らない場合、アークが発生したことを示す。第３の実施形態では、ステップ減少の検出に伴う負荷電流のドリフトは、短絡に向けて上昇するか、またはオープン回路に向けて下降するかして、アーク動作の指示として取り扱う。
2005503743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分岐回路を介して直流電源から直流負荷に直流電力を供給する分配システムにおいてアークに対する保護を与える装置であって、
少なくとも１つの負荷間の直流電圧を感知する電圧感知手段と、
前記少なくとも１つの負荷間で感知された直流電圧に基づいたアーク信号を発生する処理手段と、
アーク信号に応答する手段と、を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
アーク信号に応答する手段は、アーク信号に応答して、少なくとも１つの負荷を直流電力から切り離すスイッチを含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
処理手段は、前記少なくとも１つの負荷間で感知された直流電圧が、所定の時間インターバルに対して少なくとも約２５％電圧降下するとき、アーク信号を生じさせる手段を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
所定の時間インターバルは、少なくとも約１０ミリ秒（msec）であることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
アーク信号に応答する手段は、少なくとも１つの負荷を直流電力から切り離すスイッチを含んでいることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
電圧感知手段は、さらに、電源電圧を感知する手段を含み、前記処理手段は、前記少なくとも１つの負荷間で感知される直流電圧と前記電源電圧との間の電位差が少なくとも所定値に等しいとき、アーク信号を発生させる手段を含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの負荷間で感知される直流電圧と前記電源電圧との間の電位差の所定値が、少なくとも約１２ボルトであることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
電源電圧を感知する手段は少なくとも１つの負荷から遠くにあり、かつ前記処理手段は、プロセッサと、前記少なくとも１つの負荷間で感知される直流電圧と前記電源電圧とを前記プロセッサに供給する手段と、を含んでいることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項９】
プロセッサは、前記少なくとも１つの負荷のすぐ近く配置されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
プロセッサに電源電圧を供給する手段は、前記プロセッサに分岐回路を越えて電源電圧を伝達する手段を含んでいることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
プロセッサに分岐回路を越えて電源電圧を供給する手段は、電源電圧によって分岐回路を越えて伝送されるキャリア信号を変調する送信器を含んでいることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
プロセッサに電源電圧を供給する手段は、分岐回路から分離する通信システムを含んでいることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１３】
プロセッサは、前記少なくとも１つの負荷から遠くにある電源電圧を感知する手段の真近に配置されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの負荷間で感知された直流電圧を前記プロセッサに供給する手段は、少なくとも１つの負荷間で感知された直流電圧を前記プロセッサに前記分岐回路を越えて供給する手段を含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの負荷間で感知された直流電圧をプロセッサに分岐回路を越えて供給する手段は、前記少なくとも１つの負荷間の感知された直流電圧によって、分岐回路を越えて伝送されるキャリア信号を変調する送信器を含んでいることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
少なくとも１つの負荷間で感知された直流電圧をプロセッサに供給する手段は、分岐回路を分離する通信システムを含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１７】
アーク信号に応答する手段は、アーク信号に応答して、前記少なくとも１つの負荷に直流電力を供給する分岐回路を切り離す、前記プロセッサのすぐ近くにあるスイッチを含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１８】
分岐回路を介して直流電源から直流負荷に直流電力を供給する分配システムにおいて、アークに対して保護を与える装置であって、
前記分岐回路における電流を感知する電流感知手段と、
この電流感知手段によって感知された分岐回路のステップ減少に応答するステップ検出器と、
所定の時間、直流電源から負荷を切り離し、さらに前記負荷を前記直流電源に再び連結するためのステップ検出器によって検出された電流のステップ減少に応答する切り離し手段と、
前記負荷を前記直流電源に再連結後に、前記電流感知手段によって感知された電流が、前記負荷を前記直流電源から切り離すときに前記電流感知手段によって感知された電流の選択範囲内に戻らないときに、アーク信号を発生する手段と、を含んでいることを特徴とする装置。
【請求項１９】
切り離し手段は、さらに、前記アーク信号に応答して前記直流電源から負荷を切り離した状態に維持するために、前記アーク信号に応答することを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記アーク信号を発生する手段は、前記負荷を前記直流電源に再連結後に、電流感知手段によって感知された電流から、前記電流感知手段によって感知された電流を減算し、更に、切り離し時に、前記電流の差の絶対値を前記電流感知手段によって感知された電流で割り算し、その商が選択値よりも大きいときアーク信号を発生するためのプロセッサを含むことを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２１】
前記選択値は、約０．２であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
ステップ検出器は、少なくとも約２５％のステップ減少率に対して応答することを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２３】
負荷が直流電源から切り離される間の時間は、約５〜約３０ミリ秒（msec）であることを特徴とする請求項２２記載の装置。
【請求項２４】
分岐回路を介して直流負荷に直流電力を供給する直流分配システムにおいて、アークに対して保護を与える装置であって、
前記分岐回路において感知される電流を示す電流センサと、
感知された電流における所定のステップ減少率を、減少値に検出するステップ検出器と、
感知された電流におけるドリフトを検出する手段と、
前記感知された電流が、前記減少値からドリフトするとき、アーク信号を発生する手段と、を含むことを特徴とする装置。
【請求項２５】
電流のステップ減少後の所定の時間で感知された電流が、感知された電流におけるステップ減少の前に、感知された電流の値にまで上方に変動したとき、前記アーク信号を発生する手段がアーク信号を発生することを特徴とする請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
電流における所定のステップ減少率は、少なくとも約２５％であることを特徴とする請求項２５記載の装置。
【請求項２７】
所定の時間は、約0.1〜約１秒であることを特徴とする請求項２６記載の装置。
【請求項２８】
アーク信号を発生する手段は、さらに感知された電流のステップ減少に続く感知された電流の下方変動に応答する手段を含み、所定時間内で電流が付加的にステップ減少の所定数を検出する際にアーク信号を生じることを特徴とする請求項２４記載の装置。
【請求項２９】
所定のカウント数は、約２〜４カウントであることを特徴とする請求項２８記載の装置。
【請求項３０】
所定の時間は、約0.1〜約１秒であることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
分岐回路を介して直流電源からの所定の定格電流を引き出す負荷に直流電源からの直流電力を与える分配システムにおいて、アークに対して保護を与える装置であって、
前記負荷によって引き出された直流電流を感知する電流感知手段を含む感知手段と、
負荷によって引き出された感知された直流電流が、所定の時間インターバルに対して所定の定格電流の少なくとも選択された比率で低下するとき、アーク信号を発生する処理手段とを含むことを特徴とする装置。
【請求項３２】
処理手段は、負荷によって引き出された感知された直流電流が、所定の定格電流の少なくとも約７５％に低下する時、アーク信号を発生することを特徴とする請求項３１記載の装置。
【請求項３３】
所定の時間インターバルは、少なくとも約１０ミリ秒（msec）ことを特徴とする請求項３２記載の装置。
【請求項３４】
アーク信号に応答する手段は、アーク信号に応答して、直流負荷を直流電源から切り離すスイッチを含むことを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
前記感知手段は、また、直流電源電圧を関するする電源電圧感知手段を含み、前記処理手段は、感知された直流電流が前記直流電源電圧に比例した定格電流の選択された比率に低下するとき、アーク信号を発生することを特徴とする請求項３１記載の装置。
【請求項３６】
前記定格電流の選択された比率は、定格電流の約７５％であることを特徴とする請求項３５記載の装置。
【請求項３７】
電源電圧感知手段は、直流負荷から離れた位置にあり、処理手段は、プロセッサと、前記負荷によって引き出される感知された直流電流及び電源電圧を前記プロセッサに供給する手段とを含むことを特徴とする請求項３５記載の装置。
【請求項３８】
プロセッサは、直流負荷に近接して配置されていることを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項３９】
直流電源電圧をプロセッサに供給する手段は、分岐回路を介してプロセッサに直流電源電圧を送る手段を含むことを特徴とする請求項３８記載の装置。
【請求項４０】
直流電源電圧をプロセッサに供給する手段は、分岐回路から分離する通信システムを含むことを特徴とする請求項３８記載の装置。
【請求項４１】
プロセッサは、直流負荷から離れた電源電圧感知手段に近接して配置されていることを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項４２】
直流負荷によって引き出される感知された直流電流をプロセッサに供給する手段は、直流負荷によって引き出される感知された直流電流を、分岐回路を介してプロセッサに送る手段を含むことを特徴とする請求項４１記載の装置。
【請求項４３】
直流負荷によって引き出される感知された直流電流をプロセッサに送る手段は、前記分岐回路から分離した通信システムを含むことを特徴とする請求項３９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、並列アーク及び直列アークを含む直流電気システムにおけるアークの検出および／またはアークに対する保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電気システムには、一般的に、過負荷及び時々の過電流を保護するための装置が設けられている。過負荷保護装置は、一般的に、分配配線の過熱をエミュレートし、さらにバイメタルが所定温度に到達した時に接点を開放するためのサーマル要素、または同一の熱的プロセスを試験する電子回路のいずれか一方を設けている。過電流保護装置は、一般的に、電流が、短絡回路によって到達できるような特定のスレッショルド値を超える場合、急速に回路遮断器を開く瞬時トリップ特性を一般的に備えており、また、過電流保護は、磁石トリップ装置または電子的シミミュレーションによって実行できる。フューズは、使い捨てのサーマルトリップユニットであり、瞬間的な能力を備えていない。
【０００３】
過負荷及び短絡回路の保護に加えて、アーク故障に対する直流電気システムにおける保護における重要性が増している。アーク故障は、熱発生の非常に集中した領域である「ホットスポット」を含み、このホットスポットは、絶縁破壊を生じさせて、燃焼物を生じ、かつホットな金属分子の放出を伴う。これにより、導電体が破壊されあるいは接続部分が劣化する。
【０００４】
アーク故障は、直列的なものと、並列的なものとがある。直列アークの例は、配線を破断し、端部間にアークが発生し、電気接続が不十分となる。並列アークは、例えば、導電体とアースとを含む異なる電位の導体間に発生する。アーク故障は、電源と直列に生じ、さらに、直列アークは、負荷と直列に発生する。アーク故障は、比較的高いインピーダンスを有する。その結果、直列アークは、負荷電流を低下させるので、通常の保護装置における通常の過負荷及び過電流保護によって検出されない。通常の回路内の定格電流を越える電流を引き起こす並列アークでさえも、サーマルトリップまたは少なくともリレー動作を生じさせるのに必要とされるよりも低い実効値（RMS)で、十分に時折起こる電流によって生じることができる。アーク電圧及びラインインピーダンスの影響により、並列アークが瞬時のトリップ機能を動作し得る十分な電流レベルに達するのを妨げる。
【０００５】
多くの理由により、自動車の回路は、アーク電圧が主に１２〜３０ボルトの間にあるので、現在の１４ボルト回路よりアークの損傷を受ける可能性を有する３６ボルトまたは４２ボルトの高い電圧に移行するであろう。航空産業に共通の２８ボルト回路でさえ、アークが維持される環境を与えることが示されている。住居の電源システムにおいて見られる最も大きな悪化要因は、湿度の変化であり、またほこりも時々悪化要因となる。さらに、通信分野では、アークに影響されやすい２４ボルト（４８ボルトに移行しうる）直流システムを用いる。この電圧でのアークは、前もって存在することはできない、即ち、アークは、接触が切り離されることによって引き出される。アークがオープン回路により消滅される場合、アークは理論的には再発生しない。しかし、他の動的な汚染物質の炭化または導入により、イオン化ガス（非常に僅か存在する）及び表面上に再接触できる振動によりアークの発生が多く見られる。これは、特に、各要素を介して伝達する移動車両の場合に起り得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、直流回路に直列及び並列のアーク故障を検出しかつ保護するための装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ローカルセンサによって検出されかつローカルまたは遠隔操作で分析される負荷間の電圧、または負荷を通過する電流の低下を検出することを含んでいる。遠隔分析の場合、センサ及び制御の情報は、分岐回路上のキャリアまたは多重通信システム等のセパレート通信リンクによって伝送することができる。さらに、本発明は、影響を受けた負荷をアークの下流から切り離し、あるいは、全体の分岐回路をアークの上流から切り離すことによって局所的にアーク故障を無くすスイッチを含んでいる。
【０００８】
本発明の１つの構成では、アークによって生じる反復ステップ変化を検出することを含んでいる。本発明はまた、負荷のターンオフ等の他の現象を区別するために、直流アーク故障における初期段階の変化に従う電流を監視すること、アーク故障が短絡回路に崩落するまでアーク電流のドリフト上昇が観察されること、また、アーク故障がオープン回路に崩落し、電流がゼロに降下するまでドリフト下降が観察されることを含んでいる。
【０００９】
本発明の別の構成では、直列アークは、電流におけるステップ降下の検出時に電流を瞬時にターンオフさせることによって検出することができる。電流がターンオフしたときとほぼ同一の振幅に戻った時に、他のいくつかの現象が生じる。ターンオフ後の電流がステップ低下後に発生したものではない場合、かなり多いか少ないかに関わらず、アーク故障は、短絡回路に崩落するか、又は、オープン回路に崩落する。
【発明の実施の形態】
【００１０】
図１及び図２は、直列アークにより、直流電気システムに生じた電流及び電圧の各波形を示している。図１から明らかなように、アークの開始時には、ノイズ継続期間に従う電流におけるいくつかのステップ変化がある。
【００１１】
そして、アークは、短絡して崩落するか、あるいは回路をオープンにして崩落させるかのいずれかで、短絡の場合、第２のアークが起こるまで、負荷電流が上方に変動し始め、そして、以前の値にジャンプする（トレースＡ）。一方、オープン回路の場合、電流は下方に変動し始め、そしてゼロに落ちる（トレースＢ）。
【００１２】
図２は、４２ボルトの直流システムにおいて、実線で示された電源電圧と破線で示された負荷間電圧が、共にアークが起こるまで４２ボルトとなっている。アークが負荷に対する直列インピーダンスを導くときに、負荷間電圧は低下する。この減少が通常システム電圧の７５％よりも少ないような場合、アークが発生していることを見出した。
【００１３】
その結果、４２ボルトシステムには、負荷間電圧が約３０ボルトに下がった場合、直列アークが現れている。電源電圧が故障箇所により低下し、少なくとも１２ボルトの電位差が電源電圧と負荷間電圧との間に存在するような場合を注目しよう。このアークは消滅するので、電源電圧と負荷電圧の両方は、別のアークが発生するまで正常に戻ることができる。アークがオープン回路により消滅する場合には、負荷電圧はゼロに降下することが可能である。振動および／または炭素の影響により、再生は可能である。
直流回路において、アーク故障から識別される波形を発生させることが可能な現象が存在することを心に留めておくべきである。例えば、負荷の切換は、ステップ変動を生じる。
【００１４】
図３は、電源３によって供給される直流電気システム１を概略的に示し、この電源は、例えば、３６ボルトまたは４２ボルトの電圧とすることができる。この電源は、ヒューズボックスまたはコントロールボックス９に設けたヒューズ７によって各々が保護されている多数の分岐回路５に電力を供給する。
【００１５】
各分岐回路５は、１つまたは複数の負荷11-1、11-2に電力を供給する。所定位置に示された直列アーク１３は、負荷11-1間の電圧にほとんど影響を与えない。しかし、このアークが負荷11-2に直列にあるとき、この負荷を通る電圧は、少なくとも２５％または初期的にはそれ以上、電圧が降下する。その結果、本発明の実施形態によれば、検出器１５は、電圧センサ１６を介して負荷11-2間の電圧をモニタし、そして、その電圧が所定時間以上、スレッショルド値以下である場合、例えば、４２ボルトシステムに対して、少なくとも約１０ミリ秒以上の間、好ましくは、約２０ミリ秒以上の間、約３０ボルト以下になった場合、アーク故障であることが示される。アークの検出は、アークに直列接続されたローカルスイッチ１７を開くために用いることができる。この代わりに、あるいはさらに、発光ダイオード（LED)等の指示器１９を作動させることもできる。
【００１６】
図４は、本発明の別の実施形態を示しており、この実施形態では、センサ２１が、負荷間電圧１１をローカルプロセッサ２３に供給する。このプロセッサは、また、電力制御モジュール９からの電源電圧を表す信号を入力する。電力制御モジュールにおける電源電圧センサ２５は、電源電圧を表す信号を発生し、この信号は、分岐回路５に入力するキャリア信号を変調する送信器２７に送られる。変調されたキャリア信号は、受信器２９によりピックアップされ、プロセッサ２３に電源電圧の指示値を供給する。プロセッサ２３は、次に、電源電圧から負荷間電圧を引き算し、そして、この電位差が所定時間以上、選択された値を越える場合、アークの発生を示し、そして、ローカルスイッチ１７が開く。例えば、４２ボルト直流システムでは、この電位差が２０ミリ秒以上、約１２ボルト以上である場合、直列アークが発生したことを示す。
【００１７】
次に、図５では、負荷１１間の電圧が局所的に感知されて、この電圧がA/D変換器３１によってデジタル信号に変換され、さらに、分岐回路５を介して電力制御モジュール９に伝達するために送信器２７によってキャリア信号を変調するのに使用される。このデジタル信号は、受信器２９によって復調され、そして、マイクロプロセッサ３３に供給される。マイクロプロセッサ３３は、負荷間電圧がスレッショルド絶対値以下に降下するか、または選択された時間の間、すなわち、約１０ミリ秒、好ましくは約２０ミリ秒の間、電源電圧以下の局所的な測定値に降下するかを判定することにより、直列アークであるかをチェックする。アークが検出されると、マイクロプロセッサ３３は、電力制御モジュール９に設けたスイッチ３５を作動させることができる。このスイッチ３５は、例えば、アーク故障電流断続器であり、この装置は、並列アークを保護するためにも役立つ。マイクロプロセッサ３３は、電力制御モジュール内にあるので、分岐回路５全体のためのアーク故障に対する保護を与えるものとなる。
【００１８】
負荷と電力制御モジュールの間の信号伝達を行う代替物として、多重通信システムが利用される所では、分岐回路のキャリア信号が用いられ、電力制御モジュールから、または負荷からの情報が、図６の実施形態で示すように、一般的にセンサ/アクチュエータ・チップ３６を介して、またワイヤレス通信を用いることができるような他の媒体を介して通信バス３４上のパケットで送ることができる。
【００１９】
図３〜図６の各実施形態において、直列アークは、負荷間電圧よりも負荷を通って流れる電流を監視することにより検出することができる。その場合、負荷を流れる定格電流から、この定格電流で割られた感知電流を引き算したものが、たとえば０．７等の所定値よりも低い場合、トリップが指示される。更に、直列アークは、負荷に直列なインピーダンスを与えるので、負荷電流を減少させる。この電流が用いられる場合、各負荷に対する定格電流は既知でなければならない。そして、たとえば、負荷が、多数の速度設定等の複合動作状態にある場合、定格電流は作動条件に対して既知でなければならない。
【００２０】
さらに、直流アークによって生じた電流または電圧における低下を用いることに加えて、図３〜図６の実施形態において、他のロジックを用いることができる。たとえば、直列アークの電流及び下流の電圧波形の両方が、アーク開始時の一連のステップ変化を示すとき、米国特許第5,691,869号明細書に記載のようなパルスの時間減衰累算値等を用いるアルゴリズムを使用することができる。さらに、並列アークを関連して以下で記載されるアーク故障検出器のロジックにおいて、連続するインターバルで濾過された負荷電流がランダム性(randomness)を検出するために積分されかつ比較することにより、これらの直流アーク検出器用のロジックとして使用することができる。
【００２１】
図３〜図６の実施形態では、負荷間電圧を監視することにより直列アークを検出する。それゆえ、各負荷においてセンサが必要となる。図７に示す実施形態は、この電流を監視することによって直列アークを検出する。それゆえ、センサは、遠隔位置に配置することができ、好ましくは、電力制御モジュール９等の中央位置に置くことができる。この実施形態では、電流のステップ変化に対する分岐電流を監視する。電流におけるステップ変化は、負荷のターニングオフまたはオンによるものであり、負荷の作動状態を変化させる。この技術は、選択された振幅のステップ変化が検出されるときに、瞬時の電流ターンオフを必要とする。図１グラフを参照すると、アークは、短絡回路またはオープン回路に接続して崩落させることができる。電力が再び供給されたときに、電流が段々減少して、ついにはゼロに至る場合には、この現象は、アークとされる。
【００２２】
他方、電流がターンオフした時の値にほぼ戻る場合、電流の変化は、アークによるものではなく、むしろ負荷のターンオフ等の回路における他の作動によるものである。ターンオフの時間は、十分長く取ってアークを消弧すべきであるが、負荷に対して妨害を与えるほど長くすべきではない。例示的なターンオフ時間は、約５ミリ秒〜約３０ミリ秒の間である。
【００２３】
図７において、電力制御モジュール９に設けられた保護回路３７は、電流センサ３９と、分岐回路５に接続されたソリッドステートスイッチ４１を含んでいる。感知された電流信号は、ステップ変化を検出するバンドパスフィルタ４５を含む事象検出器４３と、たとえば、４２ボルト直流システムにおいて、約２５％〜約８０％、一般的には５０％等の選択値よりも大きな電流のステップ降下に対応する、ネガティブステップのスレッショルド検出器４７に供給される。感知された電流に伴う事象の発生は、アーク検出ロジックに適用するプロセッサ４９に入力される。プロセッサ４９がデジタルプロセッサである場合、感知された電流は、プロセッサに設けたAD変換器によってデジタル信号に変換される。
【００２４】
ある事象の発生、即ち、選択値よりも大きな負荷電流の低下があると、ソリッドステートスイッチ４１をターンオフさせる瞬時のトリップロジック５１をセットして、分岐回路５内の電流を遮断する。また、事象信号は、予選択された切り離し時間、例えば、約５ミリ秒〜約３０ミリ秒を測定するタイマー５３を作動させて、次に瞬時のトリップロジック５１を再セットしてソリッドステートスイッチを元に戻す。アーク検出ロジックは、切り離す前に分岐回路における電流を引き算し、初期ステップが現象した後、再接続後の電流から切り離し前の電流を割り算する。その結果の絶対値が約0.2頭の所定値よりも低いならば、アークが発生しなかったことになる。さもなければ、プロセッサ４９は、再び瞬時のトリップロジック５１をセットし、ソリッドステートスイッチをターンオフさせ、更に、検出された直列アーク故障から分岐回路５を保護する。
【００２５】
図８に示した本発明の別の実施形態では、直列アークによって生じた電流における次の続く電流の初期ステップ変化におけるドリフトを監視する。図１に再び戻ると、直列アーク電流は、ドリフトがゆっくり高くなり、そして、この電流がアークの前の初期値に戻るように短絡して崩落するか、又は、下方にドリフトして、オープン回路に崩落するかのいずれかである。それゆえ、本発明のこの実施形態では、電流の次に続くステップ低下におけるスロードリフトが識別される。このスロードリフトが上昇すると、ステップ低下前に蓄積された電流値は、例えば、約0.1〜約１秒間、ドリフト後の電流値と比較される。これらの２つの電流値がほぼ等しいならば、そのとき、他のいくつかの現象による電流におけるステップ変化だけでアークは起こらなかったことになる。ドリフトが負の次に続くステップ低下であるならば、そのとき、ステップ低下の数は、カウントされかつ例えば、２〜４の選択されたカウントが、約0.1〜約１秒の選択時間内に達した場合、そのとき、オープン回路に崩落したアークであったことがわかる。
【００２６】
こうして、図８に見られるように、この電流は、電流センサ３９によって感知され、そして、事象検出器４３に出力される。図７の実施形態では、この事象検出器４３は、バンドパスフィルタ、ネガティブスレッショルド検出器を含み、所定の振幅よりも大きな電流のステップ低下を検出する。電流における第１ステップ低下の検出は、タイマ５７をスタートさせ、そして、遅延回路６１によって保存されたステップ低下前の電流値を記憶するサンプル・ホールド回路５９をイネーブルさせる。
【００２７】
スロードリフト検出器６３は、ローパスフィルタであり、また、電流を監視する。サイン検出器６５は、ドリフト信号の極性を検出する。極性が正であり、かつタイマ５７が計時後出る場合、記憶された初期電流は、プロセッサ６７に存在する電流と比較される。これらの２つの電流は、ほぼ等しく、アークが短絡して崩落したことを意味し、アーク短絡信号が、ＯＲ回路６９を通過して発生する。他方、サイン検出器６５によって判定されるスロードリフト信号の極性が、負である場合、ＡＮＤゲート７１がイネーブルされる。その間に、カウンタ７３が、事象検出器４３によって検出された電流におけるステップ数の低下をカウントし、さらに、このカウント数がタイマ５７によってセットされた時間内で選択されたカウントに達する場合、ＡＮＤゲート７１の出力が高くなって、ＯＲゲート６９の出力でアーク信号を発生する。
【００２８】
本発明の上記実施形態では、直流電気システムにおける直列アーク故障について言及してきた。直流電気システムにおける並列アークの例は、図９に示されている。このような並列アークは、米国特許第5,691,869号明細書に記載されている装置及び技術を用いるアークによって生じる、このようなアークによって生じた電流におけるステップ変化の時間減衰蓄積を利用することによって検出することができる。この特許は、参考として本明細書に包含される。このような保護は、図５及び図６に示すような電力制御モジュール９に配置されたアーク故障回路遮断器３５に設けることができる。このような並列アーク故障のための保護装置は、直列アーク故障検出のために本明細書に記載されたいずれかの技術に独立してまたは関連して設けることができる。
【００２９】
直流電気システムにおける並列アーク故障は、また、米国特許第5,933,305号明細書に記載された循環電流の統合比較回路及び技術を用いて、検出されかつ応答することができる。アーク故障は、電流をバンドパスフィルタに通すことによって検出され、アークが発生した時はいつでもパルスを有する感知電流信号を発生する。再セット可能な積分器は、繰り返し感知電流を、交流電流の各サイクル等の等しい時間インターバルで積分する。この感知電流の積分値は、サンプル・ホールド回路で記憶された以前の対応する時間に対する値と比較される。時間インターバルは、シフトレジスタに蓄えられた真近の時間インターバルの、たとえば、選択数６に対する積分感知値を増加または減少させる。
【００３０】
各時間インターバルに対して、カオス検出器は、最近の対応する時間インターバルの選択数における増加及び減少の変化数をカウントし、そして、時間減衰されるカウント数の重み付け合計値を累算する。この合計値が所定値に達したとき、回路遮断器用のトリップ信号等の出力が発生する。アーク故障保護装置が交流電気装置に設けられる場合は、米国特許第5,933,305号明細書に記載のアーク故障検出器は、交流電流の基本周波数の多数サイクルからなる時間インターバルを用いる。そして、ゼロ交差検出器によって交流サイクルに同期する。ここで、直流電気システムに適用すると、ゼロ交差検出器は、必要なく、かつ統合したインターバルは、たとえば、約120から500Ｈｚのアークによって生じた電流のステップ変化における主周波数の多数サイクルとして選択される。上述したように、このサイクル電流の積分比較技術は、また、アークによって生じた電流におけるステップ変化の振幅に独立し、かつ動作のランダム性によらずに、直列アークを検出するのに用いることができる。
【００３１】
サイクル電流積分比較装置は、ライト調光器等のＰＷＭドライブを有する直流電気システムにおいて使用することもできる。このような場合、積分インターバルは、ＰＷＭ信号の反復速度に調整される。その結果、この積分インターバルは、反復速度の倍数となり、スロー変化反復速度に追従することもできる。
【００３２】
本発明は、また、直流アークの存在を示すために、直流負荷によって引き出される直流電流におけるドロップの検出を包含する。図１０〜図１３は、図３〜図６２示す分配装置に直流電流における低下を検出する技術の応用が示されている。ここで、負荷電圧における低下は、アーク動作を検出するために用いられる。図１０に見られるように、電流センサ７５は、負荷11-2によって引き出された電流を感知し、この測定値をプロセッサ１５に供給する。通常下では、負荷11-2は、定格電流Ｉ定格を引き出す。負荷11-2に導く分岐回路５の直列アーク１３は、負荷に直列の適当なインピーダンスを与え、電源電圧を負荷に分配し、そして、負荷11-2によって引き出された感知電流の低下を生じる。この感知電流が少なくとも25％定格電流よりも降下する場合、または、言い換えれば、定格電流が定格電流の１０ミリ秒、好ましくは２０ミリ秒の時間で定格電流の0.75％よりも少ない電流低下があった場合、アーク信号が発生する。このアーク信号は、スイッチ１７を開くために用いることができ、直流電源から負荷11-2を切り離したり、および／または、ＬＥＤ１９を照らすことによりアーク事象を示すしたりするために使用することができる。
【００３３】
図１１に示す直流分配装置において、プロセッサ２３は、電流センサ７７によって感知されるように、負荷１１によって引き出された電流のみならず、電圧センサ２５によって感知されかつキャリア信号の変調を介して送信器２７によって分岐ラインを通って伝達される電源電圧Ｖ電源も供給される。受信器２９は、キャリア信号を復調して、プロセッサ２３によって使用される感知された直流電源電圧を抽出する。直流電源における変動に適応するために、プロセッサ２３は、電流センサ７７によって感知される負荷１１を流れる電流が直流電源電圧に比例した定格電流の0.75よりも小さい場合、アーク信号を発生する。電源電圧が低下する場合、負荷によって引き出された電流は、比例した量によって低下する。
【００３４】
図１１において、プロセッサ２３は、負荷１１に近接して配置される。感知された直流電源電圧は、プロセッサ２３に伝達されなければならない。図１２の直流電気システムにおいて、プロセッサ３３は、負荷１１から離れて配置され、また負荷１１によって引き出されかつ電流センサ７７によって感知される電流は、遠隔位置にあるプロセッサ３３に伝達されなければならない。こうして、感知された電流は、アナログデジタル変換器８１によってデジタル化され、そして、送信器２７を用いて、分岐回路５を越えて送られるキャリア信号を変調する。さらに、受信器２９により復調されて、プロセッサ３３によって処理するための電流信号を抽出する。
【００３５】
プロセッサ２３と同様のプロセッサ３３は、感知された直流電流が少なくとも１０ミリ秒、好ましくは２０ミリ秒等の時間で直流電源電圧に比例する定格電流の少なくとも0.75倍に降下する場合に、アーク信号を発生する。図１３における配置は、電流センサ７９によって検出された感知電流が外部の通信システム、たとえば、多重通信システム上のプロセッサ３３に供給されることを除いて、図１２と同様の類似している。この多重通信システムの情報は、通信バス３４上の、一般的にアクチュエータチップ８１を介してパケットに設けられた電力制御モジュール９及び負荷１１の間を通過する。
【００３６】
本発明の特定の実施形態を、詳細に説明してきたが、当業者であれば、本発明の開示の全体技術に照らして、種々の変更及び置換を行うことができることが理解されよう。従って、ここに開示された特定の装置は、単に例示のためであって、本発明の範囲を限定するものではなく、付随する請求項の範囲において十分な幅を有しかつその等価物を含むものであることを意味している。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、直流電気システムにおける直列アークに対する電流波形図である。
【図２】図２は、直流電気システムにおける直列アークによって生じた電圧波形図である。
【図３】図３は、ローカルの直列アーク検出及び負荷への流れを実行する本発明の第１実施形態を示す概略回路図である。
【図４】図４は、ローカルの直列アーク検出及び負荷への流れを実行する本発明の第２実施形態を示す概略回路図である。
【図５】図５は、ローカルの直列アーク検出及び負荷への流れを実行する本発明の第３実施形態を示す概略回路図である。
【図６】図６は、負荷と中央位置の間の通信用多重システムを用いる別の実施形態の概略回路図である。
【図７】図７は、アークを消弧し、そして、電流レベルをチェックするために、瞬時に電流を切り離すための実施形態を示す概略回路図である。
【図８】図８は、短絡回路とオープン回路の各々に崩落する直列アークを検出しかつ識別する他の実施形態の概略回路図である。
【図９】図９は、直流電気システムにおける並列アークのための電流波形図である。
【図１０】図１０は、直流負荷電流における変化に対応する、図３に示す実施形態と同様の概略回路図である。
【図１１】図１１は、直流負荷電流における変化に対応する、図４に示す実施形態と同様の概略回路図である。
【図１２】図１２は、直流負荷電流における変化に対応する、図５に示す実施形態と同様の概略回路図である。
【図１３】図１３は、直流負荷電流における変化に対応する、図６に示す実施形態と同様の概略回路図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    直流電気システム
５    分岐回路
９    電力制御モジュール
１１  負荷
１３  直列アーク
１５  検出器
１６  電圧センサ
１７  ローカルスイッチ
２１  センサ
２３  プロセッサ
２５  電源電圧センサ
２７  送信器
２９  受信器
３３  プロセッサ
３５  スイッチ
３７  保護回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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