(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数Ｆ及び周期Ｔ＝１／ＦのＡＣ電力線における電弧の存在を検知する方法であって、
ライン電圧を波形として監視する段階と、
周波数が前記Ｆよりも高い高周波雑音の存在に備えて前記波形を監視する段階と、
前記高周波雑音が存在せずＴ／４以下である期間間隔ｔbに備えて前記波形を監視する段階と、
期間がＴ／２に等しい何れかの時間間隔中に一つの前記期間間隔ｔbを除いて前記高周波雑音が連続的に存在していれば電弧が存在していると決定する段階と、
電弧が存在しているとの前記決定に応答する出力を与える段階と
を備える方法。
【請求項２】
前記波形に対する前記期間間隔ｔbの時間的位置を監視する段階と、
前記電弧と直列である負荷のリアクタンスを前記位置によって決定する段階と、
前記負荷の前記リアクタンスを示す追加出力を与える段階と
を更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記期間間隔ｔbの前記位置が前記波形の各ゼロ交差に先行する４５°と前記波形の各ゼロ交差に続く４５°との間の間隔に集中すれば、前記負荷が抵抗性であることを示す出力が与えられる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記期間間隔ｔbの前記位置が前記波形の各ゼロ交差に続く４５°と９０°との間の間隔に集中すれば、前記負荷が誘導性であることを示す出力が与えられる請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記期間間隔ｔbの前記位置が前記波形の各ゼロ交差に先行する４５°と９０°との間の間隔に集中すれば、前記負荷が容量性であることを示す出力が与えられる請求項２に記載の方法。
【請求項６】
周波数Ｆ及び周期Ｔ＝１／ＦのＡＣ電力線における電弧の存在を検知する方法であって、
ライン電圧を波形として監視する段階と、
周波数が前記Ｆよりも高い高周波雑音の存在に備えて前記波形を監視する段階と、
Ｔ／２未満であって前記高周波雑音が存在している第１の期間間隔ｔaと、この第１の期間間隔ｔaのすぐ後に続いておりＴ／２未満であって前記高周波雑音が存在していない第２の期間間隔ｔbと、この第２の期間間隔ｔbのすぐ後に続いており前記高周波雑音が存在していてｔa＋ｔb＋ｔcがＴ／２以下である第３の期間間隔ｔcとを含むパターンの発生に備えて前記波形を監視する段階と、
期間がＴ／２に等しい何れかの間隔中に前記パターンが一度だけ発生していれば電弧が存在していると決定する段階と、
電弧が存在しているとの前記決定に応答する出力を与える段階と
を備える方法。
【請求項７】
前記波形に対する前記期間間隔ｔbの開始の時間的位置を監視する段階と、
前記時間的位置が所定範囲の外側であれば前記出力を抑制する段階と
を更に備える請求項１又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記時間的位置が前記波形の前記ゼロ交差の近傍にある請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ｔcがゼロに等しく、合計ｔa＋ｔbがＴ／２以下である請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記ｔaがゼロに等しく、合計ｔb＋ｔcがＴ／２以下である請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記ｔa＋ｔb＋ｔcがＴ／２である請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
各期間がＴ／２に等しい複数の連続時間間隔に電弧が存在しているか否かを決定する段階と、
電弧が存在していれば、前記期間間隔ｔbが各連続間隔中の同じ相対的な時間的位置で始まっているか否かを決定し、同じ相対的な時間的位置で始まっていなければ、電弧が存在しているとの前記決定に応答する前記出力を抑制する段階と
を更に備える請求項１又は６に記載の方法。
【請求項１３】
前記連続間隔の数が１０〜１００の範囲内にある請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記電力線上の外来雑音に対する感度を制御するために前記期間間隔ｔbの期間を調節する段階を更に備える請求項１又は６に記載の方法。
【請求項１５】
前記電力線の周波数のまる一周期を３６０°として、前記期間ｔbが前記周期の１°〜６０°幅の範囲内にある請求項１又は６に記載の方法。
【請求項１６】
監視される前記高周波雑音の範囲が１０ＫＨｚから１ＭＨｚに及ぶ請求項１又は６に記載の方法。
【請求項１７】
前記高周波雑音がランダムであるか否かを決定する段階を更に備える請求項１又は６に記載の方法。
【請求項１８】
前記波形から前記高周波雑音成分を濾過する段階と、
前記高周波雑音の瞬間レベルを固定レベルと比較する段階と、
前記波形の幾つかの等しい間隔の各々において前記瞬間レベルが前記固定レベルを越えている回数を数える段階と、
前記各々の間隔において前記回数が異なっていれば前記高周波雑音がランダムであると決定する段階と
を実行することによって、前記高周波雑音がランダムであるか否かを決定する前記段階が実行される請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記高周波雑音が広帯域幅を示しているか否かを決定する段階を更に備える請求項１又は６に記載の方法。
【請求項２０】
２個以上の非重複バンドパスフィルタで前記高周波雑音を濾過する段階と、
前記バンドパスフィルタの各々を通過する前記高周波雑音の振幅を測定する段階と、
前記バンドパスフィルタの各々を通過する前記高周波雑音の振幅が等しければ前記高周波雑音が広帯域幅を示していると決定する段階と
が、前記高周波雑音が広帯域幅を示しているか否かを決定するために実行される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
周波数Ｆ及び周期Ｔ＝１／ＦのＡＣ電力線における電弧の存在を検知する装置であって、
ライン電圧を監視し、これから周波数が前記Ｆよりも高い高周波雑音を抽出する手段と、
前記高周波雑音の振幅を測定し、この振幅を所定値と比較して前記高周波雑音が存在しているか否かを決定する手段と、
期間がＴ／２に等しい何れかの間隔における前記高周波雑音によって、前記高周波雑音が存在している一つの間隔と前記高周波雑音が存在していないもう一つの間隔とを少なくとも含むパターンが示されているか否かを決定し、このパターンが示されていると決定すれば電弧が存在していると決定する手段と、
電弧が存在しているとの前記決定に応答する出力信号を生成するために作動させられる手段と
を備える装置。
【請求項２２】
前記波形に対する前記高周波雑音が存在していない前記間隔の開始の時間的位置を監視して、この時間的位置が前記波形の所定部分の外側であれば前記出力信号を抑制する手段を更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
Ｔ／２未満であって前記高周波雑音が存在している第１の期間間隔ｔaと、この第１の期間間隔ｔaのすぐ後に続いており前記高周波雑音が存在しておらず合計ｔa＋ｔbがＴ／２以下である第２の期間間隔ｔbとを、前記パターンが含んでいる請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
Ｔ／２未満であって前記高周波雑音が存在していない第１の期間間隔ｔbと、この第１の期間間隔ｔbのすぐ後に続いており合計ｔb＋ｔcがＴ／２以下であって前記高周波雑音が存在している第２の期間間隔ｔcとを、前記パターンが含んでいる請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
Ｔ／２未満であって前記高周波雑音が存在している第１の期間間隔ｔaと、この第１の期間間隔ｔaのすぐ後に続いておりＴ／２未満であって前記高周波雑音が存在していない第２の期間間隔ｔbと、この第２の期間間隔ｔbのすぐ後に続いており前記高周波雑音が存在していてｔa＋ｔb＋ｔcがＴ／２以下である第３の期間間隔ｔcとを、前記パターンが含んでいる請求項２１に記載の装置。
【請求項２６】
各期間がＴ／２に等しい複数の連続時間間隔に前記パターンが発生しているか否かを決定し、
前記パターンが発生していれば、前記高周波雑音が存在していない前記パターンの間隔が各連続間隔中の同じ相対的な時間的位置で始まっているか否かを決定し、
同じ相対的な時間的位置で始まっていなければ、電弧が存在しているとの前記決定に応答する前記出力を抑制する
手段を更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項２７】
前記高周波雑音を抽出する前記手段がハイパスフィルタである請求項２１に記載の装置。
【請求項２８】
前記高周波雑音を抽出する前記手段がバンドパスフィルタである請求項２１に記載の装置。
【請求項２９】
前記抽出された高周波雑音を増幅する手段を更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項３０】
前記増幅手段のダイナミックレンジを広げるためのリミッタ又は自動利得制御手段を前記増幅手段が更に備える請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
電弧が存在していると決定する前記手段がマイクロプロセッサである請求項２１に記載の装置。
【請求項３２】
音声警報信号又は目視警報信号の一方又は両方を与えるために前記出力信号に応答する表示器を更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項３３】
電弧が存在していると決定されれば電流を遮断するために電弧が存在していると決定する前記手段に応答する手段を更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項３４】
前記高周波雑音が存在していればこの高周波雑音がランダムであるか否かを決定し、ランダムでなければこの高周波雑音が存在していないと結論付ける手段を、前記高周波雑音が存在しているか否かを決定する前記手段が更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項３５】
前記高周波雑音の瞬間振幅を固定レベルと比較する手段と、
前記波形の連続サイクルにおける幾つかの等しい間隔の各々において前記瞬間振幅が前記固定レベルを越えている回数を数える手段と、
前記各々の間隔において前記回数が異なっていれば前記高周波雑音がランダムであると決定する手段と
を、前記高周波雑音がランダムであるか否かを決定する前記手段が備える請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記高周波雑音が広帯域幅を示しているか否かを決定し、広帯域幅を示していなければこの高周波雑音が存在していないと結論付ける手段を、高周波雑音が存在しているか否かを決定する前記手段が更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項３７】
２個以上の非重複バンドパスフィルタで前記高周波雑音を濾過する手段と、
前記バンドパスフィルタの各々を通過する前記高周波雑音の相対的な振幅を比較し、前記バンドパスフィルタの各々を通過する前記高周波雑音の前記振幅が等しければ前記高周波雑音が広帯域幅を示していると決定する手段と
を、前記高周波雑音が広帯域幅を示しているか否かを決定する前記手段が備える請求項３６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、電力線の潜在的に危険な状態の予報を形成する安価な電弧検出器に関する。
背景技術
電弧（電気アーク）は、極普通の可燃物を着火レベル以上に温度を上昇させることができ、それ故に重大な火事の危険に曝させる。例えば屋内の擦り切れた電力線は、火を着けるに十分なアークを飛ばすかもしれない。幸運にも電弧は、本来不安定な現象であり、大抵火を着けるに十分長い間持続しない。特に生成された電気の乱れの特性を反映したある状態下では、火を着けて存続させるアークの可能性が大いに高い。電力線の電圧乱れを監視してこのような潜在的に危険なアークを検知する方法及び装置を形成することは、本発明の１つの目的である。
アークを飛ばす２つの基本型即ち配線欠陥（漏電）アーク及び接点アークは屋内で発生しそうである。漏電によるアークは、ライン対ライン短絡又はライン対接地短絡の結果として生じる。この型の欠陥が発生する時には、次の幾つかのことが起こりそうである。
１）欠陥は回路の容量まで又は以上の電流を流す。
２）光が過大な負荷が掛っていることを指示して、うす暗くなる。
３）回路が適当な遮断器によって保護されるならば、遮断器がアークへの電力の供給を遮断するように動く。たぶんこれらの全てが発生して、１秒以下で完了する。結果のアークは、爆発的であるが短命であり、周囲の材料で分散される全体の熱を減少させて、火事の可能性も減少させる。
接点アークは負荷に直列接続された高抵抗の結果として生じる。これは、導通路を遮断する緩い接続圧、酸化接点又は未知の非導通材料によって発生する。
接点アークを起こし得る状態の一例は、接点で形成されたバネ圧が径年変化で減少して、低抵抗の接続を確実にするつもりが、不十分な圧力が挿入後のプラグ接点に印加されたよく使われた壁コンセントである。
また接点アークは、一般に不十分な定格電流容量の延長コードの使用に起因する。例えば、プラグは、接点回りの合成ゴム絶縁物が接点領域に流れ込んで良好な接点状態を遮断するまで抵抗加熱によって熱くなって、同材料を徐々に分解し得る。このプロセスは、初期アークがより多くの熱を発生して、絶縁材を炭化して、接点面に硬質絶縁層を形成した時にも再現される。
アルミニウム配線でしばしば観察される接点アークの第３の原因は、接点の酸化を伴っている。この場合、主に酸化の化学プロセスが半導体又は非導体層を確立する。好ましくは接点は、導体材料が酸化され易い時に気密構造で、酸素が入って酸化が促進することを防止する。しかしながら接続が長時間緩くなっているならば、酸化は始まり、アークが発生し得る。
接点アークの多くの例は、電流通過接点の漸進的劣化の結果として生じる。危険なアークは、時折の小アークで始まり、アークが火を着けるために十分持続するまで長時間に亙って徐々に確立される。この理由のために、接点アーク状態を早く検知することができ、欠陥が危険なレベルに達する前に警告が形成されるならば、大いに有利である。
従って、漏電アーク及び接点アーク間に基本的相違が認められる。一般に前者は、幾分爆発的で、それ自身焼き切れ或は遮断器を動作させる２０アンペア以上の大電流を伴う。従来の回路保護デバイスは、通常漏電アークに対する見張りに適切である。比較すると、接点アークで流れる平均電流は、負荷自身に流れる電流より大きくない。それにも拘らず、低電流の接点アークですら、例えば６０ワット電球、欠陥延長コードの端部或は不完全な接点を有するクリスマスツリー用の電球セットは、火事を起こすに十分な熱を放つかもしれない。それ故に、従来の遮断器は、接点アークによる危険な状態を防止するに不十分である。
それ故に、火事に繋がるアークを検知できる安価なプラグイン監視デバイスの需要がある。最も便利なデバイスは、潜在的に危険なアークが発生するならば、家全体を監視して、警告を発することができる小さい「常夜灯」型プラグインモジュールである。この場合、検知は、電圧を監視し、導体の回りに配置された電流センサを必要として電流を監視し、従ってその場に配線されたデバイスを必要としなければならない。理想的には、このような電弧検出器は今日広く用いられている煙検出器と等価なもので、発生に先立って潜在的火事日、週又は月を予報する更なる長所を有する。
火事の原因の電弧を検知することに加えて、危険にさらすに十分な電弧を検知した事実から電力を負荷から除去させる遮断器の必要性がある。このようなデバイスは、従来の遮断器と殆ど同じ形式で適宜組込むことができ、又は現在市販の接地事故（漏電）遮断器に類似してコンセントに差込むことができる。この応用では負荷電流が遮断器中を流れるので、負荷電流を監視することが便利である。
両方の電弧検出器は、例えば、調光器、モータ、搬送電流通信システム、スイッチ等による屋内配線上にあるコモン雑音を除去しなければならない。
電弧を検知するために提案された多くのデバイスがあるが、殆どが漏電に起因するアークに言及している。例えばホワイト氏に発行された米国特許第５，１２１，２８２号は、電弧で特定される特性ライン電圧及び電流を監視し、これらの特性が十分あるならば、遮断器を動作させるシステムを記述している。しかしながら、このホワイト氏のデバイスはアークが漏電の結果であることを仮定している。漏電の１つの特性は、欠陥電流が電圧から７０〜９０°分遅れることである。これは、漏電状態下で電流が通常高誘導性である配電システムに殆ど依存するからである。ソケット内でアークするヒータ供給プラグは、この特性を示さず、即ち接点欠陥を示し、従ってこの欠陥は、ホワイト氏のデバイスによって検知されない。
クーパ氏等の米国特許第４，６３９，８１７号は、大規模商業又は産業界の設置で使われるように、『格子』又は『スポット』型電力ネットワーク用の電弧検出器を示す。このクーパ回路は、スレショルド振幅以上の高周波雑音（１０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚ）が少なくとも０．７秒間検知されるならば電力を遮断する。これを家庭の使用に適用するならば、この検出器は、電気ドリル等からの連続高周波雑音によって遮断される。
フランクリン氏の米国特許第４，８５８，０５４号は、上述されるように、アーク短絡回路が直接短絡回路と異なることが認められ、異なる検知技術が使われるべきであることを示す。しかしながら、フランクリン氏のデバイスは、まだ電流を監視し、予め決定されたレベルに過剰の電流が検知される時のみ遮断する。この電流レベルは、モータ始動電流等の遮断を避けるために、回路の定格電流より高くなければならない。従って、フランクリン氏のデバイスは、短絡回路のアークのみを検知できるが、電流制限負荷及び直列の接点アークを検知することができない。
また、ドリベージ氏の米国特許第５，０３８，２４６、フロム氏の４，９５１，１７０及びモーザー氏等の４，４０２，０３０が一般に重要である。
現在市販の１つのデバイスは、接地事故（漏電）遮断器即ちＧＦＩである。代表的ＧＦＩデバイスは、数ミリアンペア程度の接地漏洩電流を検知することができ、応答して関連の遮断器を遮断する。ＧＦＩは、接地への短絡による火事の危険を非常に効果的に減少させるのみでなく、電気通路になり得る人間を保護する。しかしながら、ＧＦＩデバイスは、ここに検討されるように接点アークを監視することができない。
明快さために、漏電アーク及び接点アークが区別されたが、本発明の電弧検出器は、両方の状態によるアークの検知に適用してもよいことが理解されるべきである。例えば、かなり高抵抗の漏電が発生した時には、接点欠陥のために記述されるのと同じ特性を実質的に示してもよい。
発明の目的
それ故に、本発明の目的は、ライン電圧又は負荷電流を監視することによって、電気モータ、スイッチ開閉器、調光器又は通信システムのような他のソースからの電力線上の雑音を無視しながら、潜在的に火事を起こし得る永続性電弧が検知される方法を形成することである。
本発明の更なる目的は、間欠電弧が外来雑音抑制の幾らかの犠牲で検知され得る特定の状況に使用される３つの追加の代替方式を形成することである。
本発明の更なる目的は、危険な電弧を信頼良く検知して、視覚警報指示及び音声警報指示によって使用者に警報するために、電弧による電力線の雑音を監視する安価なプラグインデバイスを形成することである。
本発明のまだ更なる目的は、火事を起こし得る電弧を検知し、このような検知に応答して遮断器を遮断して、アークへの電流を切ることができる装置を形成することである。
発明の開示
本発明の電弧検出器は、発明者によって発見された接点アークを特徴づけるパターンでライン電圧又は負荷電流上の高周波雑音を監視し、この様に接点アークの存在に応答して出力を生成する。この出力は、警報を鳴らし又はアークへの電流を切るために用いてもよい。
接点アークの雑音特性の一般のパターンは、各々が種々の応用毎に関連の利点及び不利を提供する４つの由来変形例によって開示される。これら４つのパターンの全てに共通な一般の方法及び特徴はまず記述され、次に各変形例を説明する。
交流電圧によって生成された電弧は、アークを渡る電圧がアークを維持するのに十分な値以下に降下する時毎に消え、それがアークを渡る電圧がアークの最少着火電圧を越える時毎に再着火する。着火電圧は、アークが渡らなければならない物理的区間（ギャップ）の広さとかなり比例する。消化電圧は、区間サイズの関数であるが、着火電圧より低いという傾向がある。アークの区間が非常に広い時には、アークが断続的で非常に不安定で、一般にそれ自身消火し、条件が良ければ再着火するという傾向があることが本発明者によって観察された。また、区間がより小さくなるにつれて、アークがより永続的となって結局自己保持することが観察された。区間が更に小さくなった時には、アークは、今度は電流路を形成することによって自己消滅する傾向が再びある。
アークは、電流を通す時に、約１０ＫＨｚから多分１ＧＨｚの周波数範囲の電力線の高周波雑音を生成する。代表的電力線インピーダンスによる高周波数の減衰及び電力線周波数成分を抑制する必要による監視するこのスペクトルの実部分は、約１００ＫＨｚ及び１ＭＨｚ間である。この周波数範囲の信号は、代表的屋内配線距離に亙って検出できる。従って、方法の第１のステップは、ライン電圧又は負荷電流をフィルタし増幅して、この周波数範囲の高周波雑音を抽出することである。
かく抽出された電弧に起因する雑音はある特性を示す。第１に、広帯域高周波雑音は、アークが電流を流している時はいつでもライン電圧及び負荷電流両方に存在する。
第２に高周波雑音の振幅は、アークが消えて再着火すると必須的にゼロになる。これは、電力線周波数の各半サイクル毎に１回高周波雑音の区間（３６０°電力線周波数期間の円弧角１０°〜９０°）を生成する。
第３に、区間の存続期間は、アークが未導通の時に、アークの永続能力及び熱を生成して火を着ける潜在性を指示する。特に、区間がかなり広い物理的区間に対応して（６０°〜９０°）広い時に、電弧は、非常に断続的でそれ自身維持することができない傾向がある。物理的区間がより狭いと、ある範囲（１０°〜６０°）の範囲内でアークが自己維持することができるまで、電弧が段々安定するようになる。区間が更に狭い（０°〜１０°）と、アークが再び通電路を完成することによって自己消滅する。
従って、本発明の一般の方法は、接点アークの高周波雑音特性のパターン（以後時々単に『パターン』と言う）のためのライン電圧又は負荷電流を監視し、従って接点アークの存在に応答して出力を生成することである。４つの特定のパターンは、関連の長所及び不利と共に記述される。
パターン１として参照される、電弧の高周波雑音特性の第１のパターンは、にせの雑音源からの誤った罠に対する最高の免疫性を提供するので、本発明による永続性接点アークを検知するに好ましいパターンである。即ち、パターン１に一致した雑音は、知りうる限り電弧によってのみ生成され、高周波雑音の全ての他のソースから区別できる。パターン１は、電力線周波数サイクルにわたる一定電弧によって特徴づけられる永続性及び自己保持性のアークによって生成される。パターン１は、殆ど高周波雑音が存在しない存続期間ｔbの同期区間を除いて電力線周波数サイクルにわたる周波数雑音の存在を要求する。特に、本発明によれば、アークの検知を指示する警報は、電力線周波数の各連続サイクルの同じ点で発生している休止存続期間ｔbを除外して高周波雑音が連続的にライン上に存在すると決定した時に与えられる。永続性アークが電力線周波数サイクルの約１０°〜４０°の範囲の区間を示すので、区間ｔbの長さは、それ故に限定することができる。これは外来雑音の抑制を改善する。パターン１のアークは、電力線周波数の各連続半サイクル毎に発生して多くのサイクル間持続しがちである。
パターン１は、述べたように、加熱を自己保持することができるアークの特性である。他の応用例では、たとえ断続的であり自己保持的でなくとも、アークのいずれかの種類を検知することが望ましいかもしれない。例えば爆発的環境においては、発生し得るどのアークに応答して、電流の流れを遮断し或は警報を形成するために望ましいかもしれない。デバイスが単にどの高周波雑音の存在のために監視することができるが、検出器はにせの電気外乱からの疑似罠に大いに動かされやすい。従って、次の３つのパターンは、外来雑音の幾つかの抑制を提供しながら、間欠アークを検知するために用いてもよい。３つのパターンの全ては、アークがオフに切り替ってオンに戻ると、区間の直前及び直後に高周波雑音の重要な量があるという事実を利用する。これら間隔間の雑音は、電流の流れ及び電力システム幾つかの場合負荷のインダクタンスの突然の変化による波形の何かで生成された雑音より非常に高い。
これら変形例の第１、パターン２は殆ど雑音がない存続期間ｔbの区間が直ぐに続いて存続期間ｔaの高周波雑音の間隔があることを要求する。更に、電力線周波数の半サイクルに等しいどの間隔毎にも、電弧が存在する決定をなすために１つのこのようなパターンのなにものでもない。存続期間ｔa及びｔbはデバイスの所望の感度及び雑音抑制性能によって決定される。代表的存続期間はta用に１０°〜３０°及びｔb用に２０°〜４０°である。この方法の外来雑音抑制能力が方法１程良くないが、全体のサイクル毎に持続しない間欠電弧に応答する。
パターン３は、パターン２の逆順と同じである。パターン３は、殆ど雑音のない存続期間ｔbの区間が高周波雑音の存続期間ｔcの間隔に直ぐに続くことを要求する。パターン２に関して、電弧が存在する決定をなすために、電力線周波数の半サイクルに存続期間が等しい間隔の１つのそのようなパターンより多くない。ｔb及びｔcの存続期間は、再びデバイスの所望の感度及び雑音抑制性能によって決定される。代表的存続期間は、ｔb用に２０°〜４０°及びｔc用に１０°〜３０°である。
パターン４は、外来雑音の多くの抑制を重要に提供しながら、間欠電弧にまだ応答するパターン２及び３間の中間である。この場合、高周波雑音が略存在する間隔ｔaは、高周波雑音が殆どない間隔ｔbに直ぐに追従され、高周波雑音が再度略存在する他の間隔ｔcによって追従される。前のように、電力線周波数の半サイクルに等しいどの間隔毎に、電弧が存在する決定をなすために、１つのそのようなパターンより多くなければならない。ｔa、ｔb及びｔcのための範囲は代表的にそれぞれ１０°〜３０°及び２０°〜４０°及び１０°〜３０°である。再びこれらの存続期間は、特定の応用のために最適化することができる。
４つのパターンの全てに共通な方法の他の面は、電弧がまだ存在した時にも、アークが燃えやすい材料を着火するに十分な熱を生成するに時間が掛る事実に基づいている。従って、方法は、前述の信号サイクルパターンは、電弧の存在の決定前に電力線周波数の多数サイクル（１０〜１００）毎に持続することを必要としている。
ライン電圧のゼロ交差間の時間がアーク発生の物理変化に要する時間に対して小さいので、アークの着火及び消化電圧が短絡時間間隔に亙って殆ど同じに留まる。それ故に、区間は、電力線周波数サイクル上のサイクルからサイクルに殆ど同じ相対位置に発生する。従って、方法がパターンの複数サイクルを要求する時には、各パターンの区間が各サイクルの殆ど同じ相対位置で発生、即ちライン電圧に同期しなければならない。
この点及びこれまで検討された方法に関して、雑音がパターン１〜４の１つに従うか否かを決定するために、本発明によって検査した高周波雑音がライン電圧又は負荷電流から誘導されたか否かが重要でない。本発明によれば、負荷電流又はライン電圧（或は両方）がアーク検知のために監視されてもよい。しかしながら、各々が相当の利点及び不利を提供する２つのアプローチ間には種々の明確な相違がある。
ライン電圧を監視している時には、ラインのどこかを起源とする高周波雑音が存在する。これは、電圧感知のみで家庭全体を監視するのが望ましい本発明の第１の実施例で有利である。第２に、区間が現れるライン電圧波形の位置は負荷のリアクタンスに応答する。もし負荷が本質的に抵抗性（例えば白熱灯及び抵抗性ヒータ）であるならば、区間はライン電圧のゼロ交差近傍に発生する。もし負荷が誘導性（例えば、幾つかの電気モータ）であるならば区間が９０°までゼロ交差を遅らせられ、負荷が容量性（例えば幾つかの蛍光灯）であるならば区間が９０°までゼロ交差を進めさせられる。従って、本方法の改良は、ライン電圧に対する区間の相対位置によってアークを有する回路における負荷の性質即ち容量性、抵抗性又は誘導性を決定することである。
本発明の第２の実施例において、アーク検知回路は、電弧が検知された時に、負荷への電流を切ることができる遮断器に結合される。この応用では、保護された回路を起源とする雑音のみを監視することが望ましい。それ故に、特定の負荷を流れる電流は、監視されて高周波成分が抽出される。存在する唯一の雑音は、その回路のソースによって生成されたものである。また、遮断器が負荷と直列に配線されているので、電流を運ぶ導体は電流監視のため利用できる。これら２つの理由から高周波電流監視の使用はこの応用で有利である。
負荷電流及びライン電圧の監視間の第２の相違は、区間が負荷のリアクタンスに関係なく常に負荷電流のゼロ交差近くに現れることである。これは、アークが本質的に抵抗性であり、それでアークを渡る電圧がそれを通る電流と同位相であるからである。しかしながら、ライン上の他の無効負荷は、全負荷電流に進相又は遅相電流を加えることによって区間の相対位置を変えてもよい。
パターン１検知を用いて、火を着けるに十分な熱を生成し得る永続性アークの存在を指示するそれらの状態は、共通機器等から発生する高周波雑音が殆ど無くて、本発明の電弧検出器が電弧の誤指示を与えないことが確認された。
屋内電力線に一般に存在する様々な高周波雑音発生器がある。最も一般的な雑音源の１つは、白熱灯の照度を制御するために使われる本質的に位相制御器である調光器である。このような調光器は、各半サイクルの特定点で負荷をオンにし、各ゼロ交差点でオフにすることによって操作される。配電系統のインダクタンスと共に各オン移行（給電）点での負荷電流における突然の変化は、幾つかのサイクル毎に警報を鳴らし得る高周波インパルスを生成する。一般にライン期間の１°〜３°台のこれら狭インパルスは、本方法の４つのパターンのいずれかを用いて電弧検出器を起動させる存続期間があまりにも短い。
共通に存在する第２型の雑音はブラシ接点を有する電気モータでの電弧による。これの代表例は汎用家庭ドリルである。このようなモータは相当量の高周波雑音を生成する。しかしながら、雑音はゼロにならず、サイクル全般に存在する。これは、多分、回転電気子の機械的運動量と生成される逆起電力とに起因する。いずれにせよ、電力線周波数の各半サイクルで区間のないことが、本方法の４つのパターンに従うアーク検知デバイスの誤起動を防止する。
屋内電力配線に共通に存在する第３型の雑音は、多種のソースによって生成されたかなり短命のインパルスである。スイッチが重い負荷をオン又はオフにする時に、例えば配電系統のインダクタンスと共に突然の電流変化は、スイッチの開口時に短いアークが接点を架橋させる。これは、接点アークであり、１〜２サイクルに亙って接点アークとして適格であるかも分からない。しかしながら、それが存続しなければ、一般に危険でなく、警報の起動を許容すべきでない。接点アークは、熱源であるが、既に述べたように可燃物が着火する前に、可燃物の周囲を熱くする幾ばくかの時間を必要とする。それ故に、接点アークであるこの型の雑音で検出器の遮断を避けるためには、４パターンのいずれかが、潜在的に危険な電弧が存在することを決定する前に多数の連続電力線周波数サイクル（１０〜１００）を持続することを要求するべきである。
時々存在する第４型の雑音は、搬送電流送信機からの通信信号である。市場には、電力線上で情報を運ぶ搬送電流伝達技術を用いて機器の遠隔制御を形成する多くのデバイスがある。これらは、代表的に１００〜３００ＫＨｚの範囲で転送され、それ故に、検出器を誤って遮断する可能性を持っている。本発明者によって調査されたこのようなデバイスの１つは、もともとＢＳＲによって製作されて、現在タンディ社の一部門のラジオシャックを含む様々な販売者で売られている。これらのデバイスにおいて送信機は間隔おいてバイトのパケット（束）を送信する。各パケットはライン電圧と同期させられる。各パケットは存続期間が約３０°であり、次と３０°分分離される。パターン１を用いた本方法は、高周波パケットが決してラインサイクルの期間を持続しないので、このような干渉に影響されない。更に、複数のパケットが１つのサイクルに存在するならば、更に応答を抑制する複数の区間がある。しかしながら、パターン２〜４は、最大制限区間幅ｔbが検知を回避するに十分狭い即ち３０°以下にされる限り影響される。
他の潜在的外乱は、電力線周波数の各半サイクルに狭い区間を有して高周波雑音が存在するならば、４つのパターンのいずれかに制限することができる。１つの例は、多分ステレオ音又は遠隔電話接続を転送するための搬送電流転送システムの他の型であってもよい。この理由のために本発明者は、潜在的干渉を抑制し、即ち次に述べるこれらの雑音源による誤起動を防止する２つの更なる改良を実現した。
電弧は非常にランダムな微視的事象の集まりである。各スパークは、僅かに異なる存続期間及び強度を持つ。従って、結果の雑音帯域幅は、約１０ＫＨｚから多分１ＧＨｚに及んで極端に広い。対照的に、制御された信号例えば搬送電流信号が狭帯域幅である。従って、本検知方法の更なる改良は、雑音の帯域幅即ちランダム性の測定を伴う。
雑音のランダム性は、少なくとも２つの適宜方法で測定することができる。ランダム性用の第１の検査において、連続固定間隔上で高周波遷移（エッジ）が数えられる。雑音は、カウントが間隔から間隔とかなり変動するならばランダムであると決定する。第２の方法は、２個以上の非重複バンドパスフィルタを通して、高周波雑音の通過及び全フィルタの出力での雑音振幅が殆ど同じならば、信号が広帯域幅であるとの決定を伴う。
更にパターンのいずれかは、アーク検知を特定の負荷リアクタンスに制限するために、ライン電圧に関する特定の時間的位置で発生することを要求することができる。例えば、もし区間がライン電圧のゼロ交差近傍に現れることを要求するならば、検知は、抵抗性即ち非無効負荷上のアークを検知することに限定される。
原型回路は、区間がライン電圧のゼロ交差近傍に現れなければならない追加の制限によって、パターン２に一致させる高周波雑音毎にライン電圧を調べた発明によって確立され、即ち原型が抵抗性負荷でのアークを検知した。ｔa及びｔbは各々３０°及び１０°にセットされた。この原型の応答は様々な負荷によって広く試験された。この回路は、どの位置の配線上の６０ワット電球が永続性短絡アークを通して給電された時に、繰返し信頼性よく警報を遮断し、調光器、ラジオシャック社の搬送電流送信機、モータ速度制御器又は負荷切換を起源とする干渉からまだ遮断されなかった。予想されるように区間がゼロ交差を遅らすので、回路は非常に誘導的な負荷と直列になっているアークを確実に間違えなかった。更なる実験では、変速電気ドリルは、狭い範囲でさえも且つ大量の高周波雑音が生成されるにも拘わらず警報を失敗させない。しかしながら同じドリルが短絡アークを通して給電された時には、アークが電流を運んだ時にいつも警報が遮断された。更なる調査は、電気ドリルのようなブラシモータの電流が電圧と殆ど同期し、従って非無効負荷のために通常予約された検知を許容することが明らかになった。
４つの検知パターンのいずれかを用いて上記方法を実行する本発明による装置及び用いた回路は、以下に詳細に記述される。本発明に従ったデバイスは、ライン電圧のみを監視して、接点アークの存在の視覚及び音声指示を形成する内蔵型、プラグイン「常夜灯」として構成されてもよい。好ましい実施例において、本発明の電弧検出器はマイクロプロセッサ基準であり、『ホールド』、『検査』及び『音』と呼ばれる３つの操作モードを形成する。ホールドモードでは、火を着けるのに十分な接点アークの存在が検知される時に指示灯が点灯し、使用者がパネル上の「リセット」ボタンを押す時に指示灯が消灯する。検査モードでは光が接点アークに応答して点灯する。音モードでは、音声警報が接点アークに応答して形成される。アークがかく検知された時には、使用者は、例えば警報がやむまで負荷を順次に切り離すことによって、アークの位置を特定することができる。
本発明に従った他の装置において、負荷電流を監視している回路は電気的作動の遮断器と合同されて、接点アークの十分な量が潜在的火事の危険を示すために検知された時に、電力の自動遮断を形成する。再び４つの検知パターンのいずれかも使うことができる。２つの好ましい実施例、１つは接地事故遮断器に殆ど同じ形式で二股壁コンセントに差し込まれ、他は配電盤の設置用に遮断器に内蔵されるデバイスが示される。
【図面の簡単な説明】
図１は、接点アークの等価回路図を示す。
図２は、時間の関数として一接点でアークする抵抗負荷と協働する特性波形図を示す。
図３は、時間の関数として一接点でアークする誘導負荷と協働する特性波形図を示す。
図４は、接点アークによって生成され、本発明の方法で検知される高周波雑音の４つの特性パターンを例示する。
図５は、時間の関数として代表的調光器によって生成した高周波雑音及びライン電圧を示す。
図６は、時間の関数として搬送電流送信機によって生成された高周波雑音及びライン電圧を示す。
図７は、時間の関数として代表的家庭ドリルによって生成された高周波雑音及びライン電圧を示す。
図８は、接点アークの存在を使用者に警告するために使われるように、本発明の一実施例に従った回路のブロック図である。
図９は、接点アークが決定された時に、ユーザに注意して、自動的に回路ブレーカを遮断するために使われるように、本発明のなお更なる実施例に従った回路のブロック図である。
図１０は、図８の回路のための物理的パッケージの正面及び側面図を含む。
図１１は、図９の回路のための物理的パッケージの正面及び側面図を含む。
図１２は、図９の回路のための他の物理的パッケージの正面及び側面図を含む。
好ましい実施例の記述
図１は、接点アークの単純化等価回路図を示す。ライン電圧１は、ハイ側導体２と中立導体３を形成する。ここで言及される全てのライン電圧及びアーク電圧は、この中立導体３に関して測定されている。代表的屋内配線即ちセンタ接地導体を有するフラット３導体ケーブルは、高周波で約１００Ωの特性インピーダンスを有する伝達ラインとして作用する。Ｌlineとして示されるインダクタンス４及びＣlineとして示される容量５は、分電盤ラインの一括インダクタンス及び容量を代表する。負荷６は、接点アークが電流を通す間隙７と直列に接続される。間隙７は、導通時に、図１でＲarcとして示された有効抵抗を持っている。Ｘloadとして示される負荷６のインピーダンスは、負荷の種類に依存して抵抗性、容量性又は誘導性である。白熱灯及び加熱要素は代表的に抵抗性である。同期モータ及び螢光灯は代表的に誘導性である。幾つかの容量性起動モータは、全速力に達する前に容量性のように見える。
図２は、永続性接点アークを通して抵抗性負荷を供給する電力線に協働する種々の波形を示す。図２（ａ）のトレース８は、波形の両半サイクル期間中に類似した存続期間を持つ即ちアークの未導通時の区間１０及び１１を除いたサイクルを通して高周波雑音９の存在を指示するライン電圧を示す。雑音の振幅は、説明の目的のために誇張された。区間の存続期間は、ｔbとして示される。
図２（ｂ）のトレース１２は負荷を通る電流を示す。また、導通アークによって発生した高周波雑音は電流波形上にあり、明快さのため再び誇張されている。負荷が抵抗性であるので、電流１２が図２（ａ）の電圧８と同位相になり、アークが導通しない間隔ｔb期間中にゼロになる。再度高周波雑音は、区間１３及び１４を除いたサイクル全般に存在する。
図２（ｃ）のトレース１５はアークを渡る電圧を示す。トレース１６は、アークが着火していなければ存在するであろう電圧を例示し、アークの着火及び消火のタイミングを例示するために含まれる。点１７から始めると、アークを渡る電圧１６はゼロである。そこで、アークが導通せず、それ故どんな雑音も生成しない。電圧１６が上昇すると、アークが着火して、電流を通し始める点１８に達する。アークを渡る電圧１５は、今導通したアークが代表的に数オーム又は数十オーム台のインピーダンスを持っているので、アークの導通時にゼロにならない。従って、アークを渡る電圧が示されている。更にアークは、それを通る電流から独立したかなり一定な電圧を維持しがちである。これは、正の半サイクルを通して１９で、負の半サイクルを通して２１で例示される。アークは、導通期間中に連続的に高周波雑音を生成する。点２０でアークを渡る電圧は、アークの消火レベルまで下がり、アークが消える。このプロセスは、負の半サイクル２１で、及びアークが持続する限りその後も、繰り返す。
図２（ｄ）のトレース２２は、図２（ａ）のライン電圧８或は図２（ｂ）の負荷電流１２から抽出された高周波雑音を示す。単純なハイパスフィルタは、電力線周波数成分を除去するのに役立つ。高周波雑音は、示されるようにアークが導通していない間隔２３及び２４中を除くサイクル全般に存在する。高周波雑音の振幅が区間の直前及び直後即ち各点２５及び２６で幾分高いことは注目される。アークが消え再着火する時には負荷電流が急激に変化する。本質的に誘導性である配電系統上の負荷電流におけるこの急速な変化は、一般にアーク雑音の振幅を越える追加の高周波雑音を生成する。
トレース２７は、高周波雑音の存在に応答して正の論理信号を示す。即ち、点２８及び２９で例示されるように、高周波雑音が存在する時にハイであり、そうでない時にローである。
今図３を参照して、図２の同じ測定値は、永続性接点アークを通して給電された純粋誘導負荷のために示される。図３（ａ）はライン電圧３０を示し、図３（ｂ）が負荷電流３３を示し、図３（ｃ）がアーク電圧３４を示し、図３（ｄ）が高周波雑音３６を示し、図３（ｅ）が高周波雑音の検知に応答する論理信号３９を示す。理解されるように、誘導負荷用のこれらトレース及び抵抗負荷用の図２で例示されたトレース間の相違は、高周波雑音３１及び３２の区間が電圧波形で約９０°遅れて発生することである。これは、図３（ｃ）のアーク３４を交差する電圧が負荷のインダクタンスによって遅らされるからである。理解されるように、負荷のインダクタンスは、アークが点３７で消え、点３８で再着火する時に生成された雑音をも増加させる。かくして、接点アークが無効負荷と直列になった時の区間の位置がライン電圧のゼロ交差から変位させられているが、その他の点では、抵抗性負荷を有する回路中の電弧による雑音と本質的に類似している。もし負荷が純粋に容量性であるならば、類似の特性トレースは、区間が９０°分ゼロ交差に先立つことを示す。実際負荷は、これら限界間のどこかにあり、従って各ゼロ交差から±９０°の範囲に区間を生成する。
図２及び３において、アークが着火する電圧は、区間の寸法及び区間回りの環境状態に依存する。正弦波の波形が３６０°毎に一全サイクルを完成すると仮定すると、どの時刻の電圧Ｖも度数（位相角）で表現することができる。即ち、Ｖ＝Ｖpeakｓｉｎδ
但し、Ｖpeakは、到達したピーク電圧であり、δがゼロ交差からの度数である。６０°及び９０°間（１２０Ｖ（ＲＭＳ）ライン上の１４６〜１６９実電圧）で着火したアークは、区間が広いので、非常に断続的で不安定である傾向がある。４０°〜６０°（１８０〜１４６Ｖ）範囲で着火したアークは、やはり断続的であるが、数秒間程度の存続期間を有するバーストで発生しがちである。２０°〜４０°（５７〜１０８Ｖ）範囲のアークは、存続し自己保持しがちである。この範囲のアークは、特に２０°の位相角に接近すると、高周波ヒスを発して、周囲の材料に高い温度を発現させる。それで、２０°〜４０°範囲のアークは特に危険である。０°〜２０°（０〜５７Ｖ）範囲のアークは、接点が加熱され、おそらく接点材料の局所流れを通して区間を架橋すると、非常に早く消火しがちである。
アークが消滅する電圧も、再び区間サイズの関数である。しかしながら、アークは、一度安定すると、アークが着火した電圧より非常に低い電圧で消火しがちであることが観察される。通常アークは、着火電圧の１／１０〜１／４台で消火する。実際、最も火事を引き起こしそうな範囲（２０°〜４０°）の殆どのアークは、ゼロボルト近傍で消滅する。
図４（ａ）〜４（ｅ）を含む図４は、接点アークを指示するべき本発明の１つの重要な面によって決定された高周波雑音のパターンを例示する。図４（ａ）がパターン１を示し、図４（ｂ）がパターン１の複数サイクルを示し、図４（ｃ）がパターン２を示し、図４（ｄ）がパターン３を示し、図４（ｅ）がパターン４を示している。これらのパターンは、全て、図４（ｆ）の凡例で示されるように、最小振幅より大きい高周波雑音が存在している時にハイであり、そうでなければローである論理記号である。
本発明の方法によると、ライン電圧又は負荷電流が監視され、高周波雑音が抽出される。かく抽出された雑音は、その後接点アークを示すパターンのために監視される。一般化されたパターンは、Ｔを電力線周波数の周期として、期間がＴ／２に等しい時間周期のどこかで発生する３つの連続する期間間隔ｔa、ｔb及びｔcから成る。各間隔の存続期間及び内容が各パターンに対応する図４の図で例示される。
雑音の有無を示すために用いられる３論理状態は図４の上右角の図４（ｆ）の凡例で説明される。ハイの論理信号５３は高周波雑音の存在を示す。即ち、モニタされた高周波雑音の振幅があるスレショルドレベルを越えている時、例えば図４（ａ）の５７における間隔ｔaの間、論理記号はハイである。ローの論理信号５４は高周波雑音の不存在を示す。即ち、高周波雑音がないか、或は高周波雑音の振幅がスレシヨルドレベル以下であり、例えば図４（ａ）の５８における期間ｔbである。斜線パターン５５は、図４（ａ）の５６で例示されるように、高周波雑音の振幅が重要でなく、即ち電弧検出器の出力がこの間隔中に高周波雑音の有無に応答しないことを指示する。
今図４（ａ）を参照するとパターン１は例示される。パターン１は、最大の外来雑音抑制用の好ましいパターンである。アークの存在を指示する警報を出す電弧検出器にとっては、高周波雑音が間隔ｔa期間中に存在し、ｔb期間中に存在せず、ｔc期間中に再び存在しなければならない。許容時間範囲はｔbのために特定され、示されるようにｔa＋ｔb＋ｔcがＴ／２と等しくされる。換言すれば、パターン１によるアークの検知は、高周波雑音が存続期間ｔbの単一区間の存在を除いて、半電力線周波数期間に存続期間が等しい期間毎に存在することを要求する。前述の「区間」は高周波雑音が殆ど無い間隔を参照する。
間隔Ｔ／２は、電力線周波数に関してどこでもよい。最も単純な場合では、ｔbで許容される範囲内で間隔内のどこかで発生する区間が接点アークを指示する。これは、合計ｔa＋ｔb＋ｔcがＴ／２に等しい以外は、ｔa及びｔcがなんの特定の要件もないからである。
もし特定の負荷リアクタンスにアーク検知を制限することが望ましいならば、区間は、アークの存在を決定する前にライン電圧に関する特定の時間的位置に現われることを更に要求することができる。例えば、もし区間がライン電圧のゼロ交差近傍にあることを要求するならば、検知された唯一のアークは、抵抗性すなわち非無効負荷に直列となるものである。この特徴を利用するために、ライン電圧は、電流波形の区間位置がライン上の他の無効負荷の関数として変化することができるので、監視されなければならない。
区間ｔbを制限する存続期間は、範囲即ち電力線周波数期間の最適な２０°〜４０°である。換言すれば、殆ど高周波雑音が存在せず、２０°及び４０°間の存続期間を有するどの間隔も区間として検知される。範囲の限界は、どの所定の応用でも最適の性能のために調節されてもよい。
既に述べたように、アークは火を着けるに十分な熱を発生するのに時間がかかるので、潜在的に危険な電弧が存在することを決定する前に、検知されたパターンが多数サイクル間持続することを必要とすることは望ましい。もしこれが行われないならば、スイッチの開口及び他の危険でない事象による一時的電弧は検出器を失敗させる。それ故に、パターン１は図４（ｂ）に示すように複数サイクルに広げて示される。複数サイクル後の電弧の検知は、区間が電力線周波数と同期し、即ち区間前の遅延ｔdが全Ｔ／２間隔で殆ど同じであることを要求する。別の言い回しでは、区間及び波形上の固定点例えばゼロ交差点間の時間的間隔は、多数のサイクルで同一である。この更なる要件は、検出器の外来雑音抑制能力を非常に改善する。
パターン２〜４は、間欠電弧即ち電力線周波数の全サイクル間持続しない電弧を検知することが望ましい応用例で使うことができる。これらのパターンは、外来雑音抑制の幾つかの犠牲で電弧への最も敏感な応答を形成する。
パターン２は図４（ｃ）で例示される。このパターンは示されるように、高周波雑音が存在する間隔ｔaと、直に後続する高周波雑音が存在しない間隔ｔbとからなる。ｔa＋ｔbは、Ｔ／２に等しく又はそれ以下でなければならず、このパターンは、アークが存在しているとの決定が成されるためにどの半サイクル間隔Ｔ／２でもただ一度だけ発生しなければならない。
図４（ｄ）に例示されるパターン３は、逆順の検知要件を有するが実際上はパターン２と同じである。示されるように、パターン３は、高周波雑音が存在しない間隔ｔbと、直に後続する高周波雑音が存在する間隔ｔcとから成る。ｔb＋ｔcは、Ｔ／２に等しく又はそれ以下でなければならず、このパターンは、アークが存在しているとの決定が成されるためにどの半サイクル間隔Ｔ／２の期間でもただ一度だけ発生しなければならない。
パターン２又は３を用いて、方法は、全サイクル間持続しない間欠アークに敏感である。しかしながら、方法は、更なる予防措置がとられない限り一般に外来雑音に影響されやすい。第１に、ｔa或はｔc用の最小許容存続期間は、単一インパルス外来雑音が適格でないように十分に長くすることができる。例えば、ｔa或はｔc用の最小幅は３０°に設定することができる。第２に、間隔ｔb（区間）はライン電圧に関して特定の時間的位置に現われることを要求することができる。これは、アーク検知を特定の負荷リアクタンスに制限するが外来雑音抑制を改善する。第３に、３つのパターンの全ては、電弧の存在を決定する前に多数サイクル間持続することを要求することができる。パターン１と同様に、連続パターンの区間の始めは電力線周波数に同期しなければならない。すなわち、ゼロ交差及び区間ｔb間の遅延ｔdは、全ての半サイクルの間殆ど類似することを必要とすることができる。
図４（ｅ）で例示されるパターン４は、パターン２及び３の要件を本質的に結合している。示されるように、パターンは、高周波雑音が存在する間隔ｔaと、直に後続する高周波雑音が不在である間隔ｔbと、後続する高周波雑音が再度存在する他の間隔ｔcとからなる。この場合、ｔa＋ｔb＋ｔcは、Ｔ／２より少なく或は等しくなければならない。
パターン４は、検出器が間欠電弧にまだ応答するが殆ど多くの外来雑音の抑制を提供するので、パターン１及びパターン２又は３間の中間である。実際、ｔa＋ｔb＋ｔcがＴ／２に等しい制限された場合においては、パターン４がパターン１に等価である。パターン１に亙ってパターン４で提供された利点は、特性区間が存在するが雑音が全サイクル間信頼できるように持続しない特別の応用例にパターン４が応用できることである。ｔa、ｔb及びｔc用の代表的範囲は各々１０°〜３０°、２０°〜４０°及び１０°〜３０°である。再びこれらの存続期間は、特定の応用のために最適化することができる。
接点アークは個々のアークのランダム性によって非常に高い帯域幅雑音を生成する。本方法のパターンのいずれかによって、外来の制御された雑音源即ちライン上の特定周波数の高周波干渉を生成する雑音源の抑制は、雑音がランダムか否かを感知し、従って高周波雑音が存在するか否かを決定することによって非常に改良することができる。
２つの方法は、検知された高周波雑音が実際にランダムでそれ故電弧に起因するか否かを決定するために記述される。第１に雑音のランダム性は直接監視される。これらの『ランダム性』方法と『帯域幅』方法とは本質的に等価であり、どちらの方法を用いてもよい。
ランダム性の検査、即ち高周波雑音の存在を推定する前に、ランダム性の幾つかの最小度数が雑音で検知されなければならないことを要求する検査は、連続固定間隔に亙る幾つかの最小振幅の高周波遷移（エッジ）を計数し、計数が間隔から間隔へとかなり変動するならば雑音がランダムであることを決定することを伴う。帯域幅の検査は、高周波雑音の存在を推定する前に信号が広帯域幅であることを必要とし、２個以上の非重複バンドパスフィルタに高周波雑音を通し、全フィルタの出力での雑音振幅が殆ど同じであるならば信号が広帯域幅であることを決定することから成る。かくして、ランダム性検査及び帯域幅検査は、定期的でランダムでなく狭帯域幅を持つ傾向の意図的に生成された高周波信号から電弧による雑音を識別する。
図５は、ハイパスフィルタされて増幅された従来の位相制御調光器からの代表的雑音４１を有するライン電圧４０を示す。これらの調光器は、負荷に供給される波形の部分又は位相角を制御するトライアック又はＳＣＲを使う。このような『４層』半導体デバイスは、波形のどの位相角でもオンになり、通過電流がゼロになる時に自動的にオフになることができる。これらのデバイスの性質は、負荷を非常に迅速にオンにさせて、４２〜４６で示されるインパルス雑音スパイクを発生させるようなものである。ランプの照度を制御するには、回路は、約４０°（フル）から約１６０°（最も薄暗いセッティング）の間のどの点でも始動するように即ちオンになるように調整されてよい。それで、生成されたパルスのタイミングの限界は、正の半サイクル上の点４３及び４４間及び負のそれでの点４５及び４６間である。これらの調光器が（区間の外側）全サイクル間持続する雑音を生成しないので、雑音は、パターン１の雑音として検知されない。更にパターン２〜４は、最大インパルス雑音幅より長くｔa又はｔc用の最小幅を特定することによって影響を受けない。
図６は、ラジオシャック及びハードウェア店から市販の搬送電流遠隔制御デバイスを起源とする高周波雑音４８を有するライン電圧４７を示す。この場合の雑音は、データをエンコードするためにＦＳＫ変調された約２００ＫＨｚの正弦搬送波を用いた通信信号のバーストである。各バースト４９は、無転送のブランク期間５０が追従する。電力線に通信信号を同期させることは必要でないが、これはしばしば通信プロトコルを簡単にするために行われる。パターン１は、高周波パケットが決してラインサイクルの期間を持続しないので、このような干渉の影響を受けない。更に、もし複数のパケットが１サイクルに存在するならば、更に応答を抑制する複数の区間がある。パターン２〜４は、バースト幅より長いｔa又はｔc毎の最小存続期間を設定し、或は高周波雑音の存在毎に上述のランダム性検査又は帯域幅検査と協働することによって、このような通信信号への耐久性をなすことができる。
図７はライン電圧５１を再び示す。今度は、フルパワーの標準１／３馬力電気ドリルで生成された代表的高周波雑音５２を含む。このような雑音５２は、代表的整流子／ブラシ式電気モータによって生成された雑音を示している。理解されるように、雑音は電力波形中で本質的に一定である。より重要なことには、雑音パターンには実質的区間が存在せず、それ故に、雑音は本方法の４パターンのいずれにも従わない。
図８は、発明に従ったパターン１〜４のいずれかに一致した雑音を検知するために、ライン電圧中の雑音を監視する電弧検出器の簡略化ブロック図を示す。図８の検出器は、使用者に視覚警告及び音声警告を形成する。
電力線に接続された標準プラグ５９は、電力及び信号をハイ導体６０、中立導体６１及び接地導体６２を通して検出器に供給する。オプシヨン・スイッチ６３は、ユニットに給電でき、線対線又は線対接地の高周波雑音を感知することを許容する。操作の正規モードは線対線であるが、デバイスは、幾つかの応用でより良い線対接地を実行してもよい。
電源６４は、ユニットを操作するために、調整された直流電圧Ｖ＋を６６から供給する。代表的にＶ＋は５又は１２ボルトの従来の低電圧である。回路接地は６５で示される。処理回路、ランプ及び音響表示器は、電圧降下要素としてコンデンサを用いたＡＣ−ＤＣコンバータとして電力供給を適宜構成するように、合計１ワット以下で動作することができる。スイッチ６３の設定に依存する中立導体６１或は接地導体６２が回路接地６５になれるように、半波整流子を使うことは望ましい。これは信号の検知結合を簡単にする。マキシム社の集積製品のＭＡＸ６１１の交直電圧変換器チップは、１２０又は２４０ＶＡＣ入力から１５０ミリアンペアまで５Ｖの直流を出力して、この応用例でうまく作動する。
ゼロ交差検出器６９は、ライン電圧の各ゼロ交差毎に狭いパルス（１０〜１００μｓ）を生成するために作用する。ゼロ交差は適宜高抵抗６７を通して感知される。従来の技術は各ゼロ交差に応答して出力パルスを生成する。ゼロ交差検出器６９の出力はマイクロプロセッサ７６に供給される。マイクロプロセッサ７６は、ライン電圧位相に雑音の存在を関連させるために、ゼロ交差パルスを使う。実際、マイクロプロセッサが正確に時間間隔を計ることができるので、ライン電圧と同期するどのエッジも十分である。例えばパルスは、より便利ならば、ゼロ交差でパルスを生成する代わりに各半サイクルをスイッチすることができる。高周波雑音の存在下でタイミング情報を正確に維持するためには、コンデンサ６８が入力抵抗６７に追加されてローパスフィルタを生成することができる。約１００〜１０００Ｈｚの角周波数に応答する単一ポールフィルタはよく働く。
代りの方法においては、マイクロプロセッサが仮定された電力線周波数に基づいて単にそれ自身計時して、電力線周波数検知を全く省略することができる。これは、マイクロプロセッサが４つのパターンのいずれかによる基本検知方法の実行を許容するが、例えば負荷が抵抗性、誘導性又は容量性であるか否かを決定するために、特定の位相関係を誘導することを防止する。
高周波雑音は、適宜ライン電圧周波数を除去するために、ハイパスフィルタ７２又は同調型バンドパスフィルタの部分を形成する小さいカップリングコンデンサ７１を通してサンプルされる。雑音はその後増幅器７３によって増幅され、検知器７４によって検知される。好ましくは増幅器７３は、そのダイナミックレンジを広げるリミッタ又は自動利得制御（ＡＧＣ）回路を含む。検出器７４は、高周波ＡＣ信号を検知する全波又は半波整流子と、整流信号の振幅を予め決定されたスレショルド値と比較する比較器と、予め決定されたスレシヨルド値以上の高周波雑音の存在に応答してロジックレベルパルス又は連続信号７５を生成するコンバータとして機能する。信号７５は、パターン１〜４のうちの一つ以上の実行のためにマイクロプロセッサ７６に供給される。
信号検知システム用の利得パラメータ及び適当な帯域幅の選択は、監視された電力線の伝達特性に依存する。アメリカ合衆国における殆どのビル内の電力配線は、センタ接地導体を有するフラット３導体ケーブルである。Ｒｏｍｅｘ及びＡｍｅｒｆｌｅｘはこの型のケーブルの商業例である。この型の殆どのケーブルは、約１００Ωの特性インピーダンスと、２５０ｍの３００ＫＨｚの４分の１波長と、１０Ω終端抵抗を有する５０ｍのケーブルで７ｄＢの測定減衰量とを持っている。実ラインインピーダンス及び減衰量は主にライン上にある負荷の関数である。しかしながら、大量の研究及び検査は、予想される減衰及び使用される搬送周波数を決定するために、搬送電流伝達システムと関連して実施された。この研究の結果は、ナシヨナルセミコンダクタ社の１９８９年データ本「特殊用途向けリニアデバイス」で市販のナショナルセミコンダクタ社のＬＭ１８９３搬送電流トランシーバチップ用の応用ノートで記述されている。他の文献は、シグネティクス株式会社から出版され、ＮＥ５０５０電力線モデムの応用例を記述している応用ノートＡＮ１９５１である。
家庭或はビジネスの全体に亙って良好に働く本発明に必要な利得は４０〜８０ｄＢ台である。４０ｄＢの利得によって、デバイスは、一検査インストールで全位相中でよく働くように見える。増幅器は、クリップ時に良好に作動し、高振幅パルスの幅を広げることを避けるために、速いターンオフ時間を形成しなければならない。入力でのクリッピングダイオード及びリミッタ又は自動利得制御デバイスは、これらのゴールを達成するために、増幅器に協働することができる。使用者が調節できる利得制御は、例えば、近隣のアパートメントのような使用者の屋外のアークの検知を制限することと協働してもよい。
既に注目されるように接点アークの帯域幅は、約１０ＫＨｚから約１ＧＨｚに広がっている。検知システムの周波数応答要件は幾つかの要因によって支配される。第１に、ハイパスフィルタのゼロは十分高くなければならず、或は十分なゼロが５０又は６０Ｈｚ電力線周波数を十分に抑制するために形成されなければならない。第２に、帯域幅は、電力線システムを通して相当多く減衰しないで転送できる範囲になければならない。第３に、概して、検知周波数が高くなればなるほど、システムがより速く応答することができる。この原型には、遮断周波数が約１００ＫＨｚに設定された２次ハイパスフィルタが使われて、よく働くように見える。それは電力線周波数（６０Ｈｚ）の１３０ｄＢ減衰を形成して、容易に実行される。また、同調回路は使うことができるが、Ｑはリンギングを避けるためにかなりローに保持すべきである。
マイクロプロセッサ７６は、好ましくは１〜２０ＭＨｚで動作するＲＯＭ及びＲＡＭを集積した低コストの単一チッププロセッサであり、制御ライン７７を経た１つ以上の表示灯７８と、制御ライン７９を経た音声表示器８０とを駆動し、スイッチ８１を経て使用者から入力を受ける。マイクロプロセッサ７６のタスクは、本発明の方法で使われた明確な変形例に依存して実行しなければならない。
第１の実施例において、本発明の電弧検出器は、火事を起こし得る永続性電弧の存在用にライン電圧を監視するためにパターン１を使う。従って、マイクロプロセッサ７６は、１０°〜６０°存続期間台の半サイクル毎の区間を除いてかなり連続的に存在する高周波雑音のために監視する。この実施例において、マイクロプロセッサは、一般に以下のタスクを実行するようにプログラムされている。
１）電力線周波数ゼロ交差のためにゼロ交差検出器の入力７０を監視する。
２）高周波雑音の存在のために高周波数入力ライン７５を監視する。
３）単一区間が各半サイクル期間中に高周波雑音に存在するか否かを決定するために、ゼロ交差を雑音と比較する。
４）ライン電圧サイクルの存続期間２０°〜４０°の一区間を除いて、高周波雑音が全半サイクル期間中に存在する決定に応答して、接点アークの存在を決定する。
５）接点アークが電力線サイクルの予め定義された数の期間中に同様に検知されるか否か、区間がかなり同期するか否かを決定する。かくして、アーク検知は、即ち統合定数を定義するサイクルの予め定義された数によって有効に統合化される。この数は１０〜１００サイクル台であるべきである。もしアークが中断なしで（或は予め決定された許容数以下の中断によって）持続し、区間が同期するならば、マイクロプロセッサは、火事を起こしそうな接点アークが存在することを推定して、表示器を活発化させて警報信号を出力する。
第２の実施例においては、検出器が本方法のパターン４を使用して、間欠的だがサイクルの全体に亙って持続しない接点アークを感知している。この実施例において、マイクロプロセッサによって実行されたタスクは、一般に次に述べる通りである。
１）電力線周波数ゼロ交差のためにゼロ交差検出器入力７０を監視する。
２）高周波雑音の存在のために高周波数入力ライン７５を監視する。
３）雑音の区間を特徴づける。
４）高周波雑音が存続期間１０°〜３０°の間隔ｔa期間中に存在し、ｔaに直ぐに続く存続期間２０°〜４０°の間隔ｔb期間中に存在せず、ｔbに直ぐに続く存続期間１０°〜３０°の更なる間隔ｔc期間中に再び存在する決定に応答して、接点アークの存在を決定する。
５）多くのサイクル毎にステップ１〜４を実行して、接点アークの存在が電力線サイクルの予め定義された数持続するか否かを決定する。もしアークが中断なしで（或は予め決定された許容数以下の中断によって）持続するならば、マイクロプロセッサは、火事を起こしそうな接点アークが存在することを推定して、表示器を活発化させて警報信号を出力する。
パターン２及び３は同様に実行することができる。また上述されたランダム性検査及び帯域幅検査は、他の高周波雑音源からの電弧による雑音と更に区別するために協働することができる。ランダム性検査を実行するために、マイクロプロセッサ７６は、雑音の振幅が波形上の多くの各連続同一間隔期間中にスレショルドレベルを越える回数を計数する。この数がサイクルからサイクルと変動するならば、警報は出力される。もしそうでなければ、多分『雑音』が搬送通信デバイスからの信号であるので、警報は抑制される。バンドパス検査を実行するためには、フィルタ７２が２個以上の非重複バンドパスフィルタを並列で備えている。その後マイクロプロセッサは、フィルタの各出力の振幅を比較する。それらが殆ど等しいならば、雑音がランダムであることを決定し、他の検査が合格するならば、警報は与えられる。フィルタの出力が殆ど等しくないならば、多分『雑音』が電弧によらず、警報が抑制される。
更なる向上において、マイクロプロセッサは、アークと直列になった負荷を誘導性、抵抗性或は容量性として同定するために、電力波形のゼロ交差に関して雑音の区間の位相を測定することができる。この決定に応答する指示は、例えば不完全接続の位置を示しているランプ７８の１つを点灯することによって、使用者に与えられてよい。
図９は、この実施例において、アーク検知のために電流を感知し、電弧が検知される時に負荷に流れる電流を遮断する本発明に従った電弧検出器の簡略化ブロック図を示す。この装置は、図８で記述したのと同じ基本検知回路を用いるが、負荷に電力を供給し、電弧の予め決定されたレベルが発生した時に負荷への電流を遮断するように構成される。
図９で示されるように、ハイ６０、中立６１及び接地６２導体からなる主な電力線は、導体ハイ８５、中立８８及び接地８９に負荷を接続するために、遮断器８６のスイッチ接点８４を通して負荷に電力を供給する。ハイラインは、負荷電流を監視する電流変圧器８２を通して配線される。もしゼロ検知回路が電力線周波数を監視し、それによって、５０及び６０Ｈｚ間で変化する周波数の電力線上におけるアークの監視にその装置を有用にするために使われるのであれば、電流変圧器８２は、電力線周波数よりも十分に低い周波数から約１０ＭＨｚに広がる帯域幅を持つべきである。もしそうでなければ、変圧器が１００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚのバンドパスに制限されて、ゼロ検知回路を除くことができる。電流変圧器８２は、負荷に流れる電流のみを監視し、従ってアーク検知回路をブレーカ８６によって保護された個々の回路で生成されたアークから分離する。
図９の検知回路は、同一の参照数字の使用によって示されるように、図８で記述された回路に類似している。ハイ導体８３及び負荷間に列形に配置された遮断器接点８４は、十分な強度及び存続期間のアークが発生したことをマイクロプロセッサが決定した時即ち本発明に従ったパターン１〜４の１つが検知された時に、負荷への給電を遮断する。遮断器８４は、従来のソリッドステート継電器又はサイリスタ等（図示略）を用いてマイクロプロセッサからの制御ライン８７によって駆動された作動コイル８６を有する従来の電気的作動の遮断器である。
図８及び９の検出回路及びこの点の議論は、家庭で一般に発見される２２０ＶＡＣ分相電力線の単相で動作される検出器を参照する。本発明は、どの電圧および位相構成を有する電力システムにも応用されることが理解されるべきである。必要とされる全ては、監視されるべき各位相を交差する検出器を形成することである。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、図８で示される回路を内蔵するための１つの適当な包装方法の正面図及び側面図を各々示す。プラスチック射出成型のケース９０は、検出器の全体を収納する。表示器兼用スイッチ９１は、アークの存在を表示し、ユニットがホールドモードにある時に、光をリセットする役割を果たす。他のスイッチ９２は、電流操作モードを表示するＬＥＤ表示器９３〜９５を有するデバイスの動作モードを選択するために使われる。３つのＬＥＤの１つは常に点灯されて、ユニットが給電され、動作していることを指示する。指示されるように、追加のＬＥＤは、雑音の区間及び電力波形のゼロ交差間の位相差に応答してアークと直列になる負荷の種類を指示するために形成されてもよい。
この履行で３つの明確な稼働モードがある。所望のモードは、モード選択スイッチ９２を３つの利用可能モード順に複数回数押下することによって選択される。これらのモードは、次の通りである。
ホールド
ホールドＬＥＤ９３の常時点灯によって表示されるホールドモードにおいて、電弧検出器は、火事を起こし得るアークのために電力線を監視し、このような状態があるならば、主警報光／スイッチ９１を明るくさせる。警報光９１はラッチされて、使用者が押下してユニットをリセットするまで、或は予め定義された時間の期間が経過するまで明るくされる。ユニットは、２４〜４８時間の後に自動的にリセットされる。
検査
検査ＬＥＤ９４の常時点灯によって表示される検査モードにおいて、デバイスは、火事を起こし得るアークのために電力線を監視し、このような状態があるならば、アークの期間と１秒との長い方の期間主警報光／スイッチ９１を明るくさせる。
音
音モードにおいて、音声警報は、警報光に加えて提供される。音モードは、検査ＬＥＤ９４及び音ＬＥＤ８５（スピーカによって記号的に示されている）の常時点灯によって示される。この拡張検査モードにおいて、内部ビーパは、アーク状態の音声帰還を形成するために警報光と協力して活発化される。
今図１０（ｂ）で例示された側面図を参照して、パッケージは、従来の三股壁コンセントに直接プラグされるように設計されて、プラグ端子９６及び９７で自己支持される。これらの端子又は二股国内又は国際応用用の他の端子型はプラスチックのパッケージ９８に取り付けられ又は直接にモールドされている。
図１１（ａ）及び（ｂ）は、図９で示された回路を内蔵するために１つの適当な包装方法の正面図及び側面図を各々示す。この実施例において、図９の電流監視回路は、一般に市販の漏電遮断器に類似した２股コンセントのケースに内蔵される。成型プラスチックケース９９は組立物の全体を収納する。ねじ端子１０１及び１０２は、他の側の２つの更なる端子及び接地端子と共に、ライン、負荷及び接地を取り付ける接続の役目を果たす。金属ベゼル１００は、モールド９９の回りに固定されて、従来のコンセント箱にコンセントを取付ける役割を果たす。２つのコンセント１０３は負荷接続を形成する。検査スイッチ１０４は、デバイスの適当な操作を検査するために押した時に遮断器を手動で遮断させる。ＬＥＤ１０５は、接点アークがこの前の２４〜４８時間のいつかで発生したことを指示する。ＬＥＤ１０５は、もしオンであるならば、リセットスイッチ１０６を押すことによってリセットすることができる。アークが再び検知されたことを指示するＬＥＤが点灯したならば、使用者は電弧状態をつきとめて、修理するよう警告される。
図１２（ａ）及び（ｂ）は、図９の電流監視回路を従来の遮断器パッケージに内蔵するために他の適当な包装方法の正面図及び側面図を各々示す。成型プラスチックのケース１０７は組立物の全体を収納する。遮断器パッケージは、パッケージの背面（図示略）上の一体接点を通してラインのハイ側にアクセスする。中立又は接地導体も回路動作に必要なので、追加の配線１０８がそれとの接続のために形成される。ねじ端子１１３は負荷にハイを供給する。このバージョンにおいて、内部の遮断継電器は、標準の電流作動遮断器とアーク検知器によって駆動される電圧作動継電器との両方として作動する。ハンドル１０９が従来の遮断器と同じ方法で手動で作動できる。検査スイッチ１１２は、デバイスの適当な操作を検査するために押した時に遮断器を手動で遮断させる。ＬＥＤ１１０は、接点アークがこの前の２４〜４８時間のいつかで発生したことを指示する。ＬＥＤ１１０は、もしオンであるならば、セットスイッチ１１１を押すことによってリセットすることができる。
本発明が多くの変形、修正及び変化が詳細に受けるので、上述され、添付図面に示された全ての主題が実例のみと解釈されて制限するものでないことは意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図４（ｃ）】
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【図４（ｄ）】
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【図４（ｅ）】
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【図４（ｆ）】
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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（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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