KR100281728B1

KR100281728B1 - 전류변화를 이용한 아크검출

Info

Publication number: KR100281728B1
Application number: KR1019940020596A
Authority: KR
Inventors: 조셉찰스주에르체르; 찰스조셉테니에스
Original assignee: 존 씨. 메티유; 이턴 코포레이션
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1994-08-20
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2014-08-20
Also published as: US5561605A; EP0639879B1; AU674979B2; EP0639879A2; EP0639879A3; ES2124823T3; KR950006895A; CA2130534C; US5452223A; CN1129809A; ZA946334B; AU7140094A; DE69414328T2; JPH07236224A; DE69414328D1; CA2130534A1

Abstract

반복사이클을 제공하는 소정 주파수의 AC 전원(26)으로부터 부하(30, 31)에 AC 라인전류를 공급하는 전기회로에서, AC 라인전류의 사이클대 사이클 변화를 감지함으로써 아크검출이 제공된다. AC 라인전류는, AC 전원(26)의 다수의 m 사이클의 각각 동안 조화 노치 필터(72)로써 다수의 n 위상(θ₁~θ_n)에서 샘플되어 다수의 전류(I_n,m)를 제공한다. 여기서, n은 위상이고, m은 사이클이다. 차이(I_n,m) - (I_n,m-x)(여기서, x는 사이클의 지정 번호)는 다수의 전류 차동 신호를 제공한다. 이 전류 차동 신호(ID)의 절대 값은 m 사이클에 걸쳐 동기 합산기(94)에 누적된다. 아크 표시 신호는, 누적절대 전류 차동신호(ID)의 소정상태 및 소정 상태의 결합(116)에 응답하여 발생된다. AC 라인 전압에서의 사이클대 사이클 변화는 조화 노치 필터(146)로써 또한 감지되고, 아크 표시 신호는 소정의 전압상태에 응답하여 해제된다. 또 다른 실시예에서 서브사이클 변화가 감지된다.

Description

전류변화를 이용한 아크검출

제1도는 전류분배회로로 미합중국 특허 제5,185,685호의 제1도를 택한 개략도.

제2도는 제1도의 회로의 부분으로 미합중국 특허 제5,185,685호의 제2도와 유사한 개략도.

제3도는 본 발명에 따른 아크 검출기의 기능 블록도.

제4도는 하나의 특별한 실시예의 AC 라인 전류를 도시한 파형도.

제5도는 제3도의 회로의 부분 작동을 도시한 파형도.

제6도는 제3도의 회로의 부분 작동을 도시한 파형도.

제7도~제11도는 제3도의 회로의 부분 누적작동의 파형도.

제12도는 제3도의 아크 검출기의 기능회로 블록도.

제13도 및 제14도는 분류된 위상에 관련된 포인트가 표시된 기준사인파의 도면.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

30 : 부하 64 : 아크 검출기

52 : 과부하 트립 메커니즘 72 : 조화 노치 필터

94 : 동기 합산기 170 : 전류센서

172 : 연산증폭기 178,190 : 12 비트 A/D 변환기

194 : 클록발생기 200 : 16비트 마이크로 프로세서

202 : 메모리

본 발명은 전기회로의 보호기술에 관련된 것으로, 특히, 차단기 등을 트립 (trip)하기에는 너무 작은 아크의 검출에 관한 것이다.

본 발명은 재산손실 및/또는 사람의 부상을 방지하기 위해 과전류보호 및/또는 누전차단기(GFI) 장치를 지닌 주거, 상업 및 산업용 응용예를 포함하는 전기회로 보호 기술에 관한 것이다. 과전류 보호장치는, 공익회사 변압기로부터 전력을 받아 이 전력을 주차단기 또는 퓨즈를 통하고, 다음 분기 차단기 또는 퓨즈를 통해, 지정된 분기회로에 공급하여 각각의 분기회로는 전류를 하나 이상의 전기부하에 공급하는 부하센터(load center) 또는 배전반을 포함한다. 차단기 또는 퓨즈는, 도선 및 부하의 설계한계를 초과하거나 또는 전류 불균형을 나타내면 화재를 포함하는 손상 및 부상을 감소시키기 위해 전류를 차단하도록 설계된다. 차단기는 재설정하여 간단히 재사용할 수 있기 때문에 보편적으로 바람직하다.

차단기는 열/자기 트립 특성을 지닌다. 열특성은, 바이메탈 부재를 가열하는 연장된 기간의 과부하 전류에 응답하여 작동하며, 이 바이메탈을 이동시킨 다음, 래치(latch)를 해제하여 접점군을 트립하여 개방시킨다. 예를 들어, 열특성은 15암페어 회로에서 발생한 30 암페어에 응답한다. 자기 특성은, 갑작스러운 높은 크기 전류 과부하 상태에 따라 작동하고, 자기코어에서 발생한 자계를 이용하여 아마추어를 흡인함으로써 래치를 해제하여 접점을 개방시킨다. 예를 들어, 자기형 작동은 고열 라인도 선이 접이 또는 중성 도선과 직접 접속되어 부하를 바이패싱하는 단락회로에 응답하여 발생한다.

또 다른 형태의 회로보호는, 소정 회로의 라인과 중성 도선 사이의 전류의 불균형에 응답하여 차단기를 개방회로 상태로 트립하는 누전 차단기에 의해 제공된다. 이것은 사람이 접지통로에 있는 경우 특히 바람직하다.

본 발명은, 전기회로보호 및 감시 즉 전기회로의 아크검출을 해결하는 것이다. 감시될 아크는, 가스를 통하거나 절연매체를 통하는 전기방전뿐 아니라 차단기를 트립하기에는 불충분한 에너지 또는 전류 흐름이지만 손상이 되는 열 또는 기타 바람직하지 않은 효과를 발생시킬 수 있는 고임피던스 고장 또는 다른 의도된 또는 의도하지 않은 회로통로를 포함한다. 아크가 부하와 직렬 또는 병렬에서 일어날 수 있고, 예를 들어, 접속결함, 노후화된 와이어 또는 절연, 크림핑(crimping) 또는 꼬임에 의해 일어나는 기존의 기계적 또는 전기적 응력, 초과사용 및 기존의 낙뢰와 같은 여러 요인을 지닐 수 있다. 이러한 아크가 있는 전류는 차단기 또는 퓨즈이 열 및 자기트립 설정치 이하로 될 수 있고, 및/또는 라인 도선과 중성 도선 사이에 전류 불균형을 제공하지 않기 때문에 이러한 아크가 검출되지 않고 지날 수 있다. 아크로 인한 특별한 위험은, 화재 위험이 있는 주택 등의 전기 배선상의 열점(hot spot)이다. 이러한 배선은, 벽 도선, 접점 박스, 리셉터클, 스위치 플러그, 연장 코드와 같은 코드 및 부하장치를 포함할 수 있다.

본 발명은 유효한 아크 검출을 제공하는 것이다. 본 발명은 특히, 잠재적으로 손상적인 아크와 비아크 사상(事象) 또는 순간적인 짧은 기간 스위치 사상 사이를 판별하기에 적합하며, 본 발명은 불필요한 트리핑을 방지하기에 바람직하다. 본 발명은 모든 아크에 응답하거나, 모든 아크유사 사상에 응답하여 트립하는 것은 아니고, 아크로 될 강한 가능성이 있는 사상에 응답하여 아크 표시신호를 제공하는 통계적 확률에 의존한다. 모든 아크에 응답하는 것은, 아크가 되는 높은 통계적 확률을 지닌 사상을 제외하고는, 운전이 유지되어야 하는 기계나 또는 안전장치를 정지시킬 수도 있기 때문에 바람직하지 않은 불필요한 트리핑을 허용이 어려울 정도로 많이 발생시키게 된다.

도 1은, 소정의 여기 주파수의 전압원(26)으로부터 전력을 수전하는 라인측 (24), 및 전력을 부하(30) 및/또는 부하(31)에 분배하는 부하측(28)을 지닌 부하 센터(22)를 구비한 배전회로(20)를 도시한다. 전압원은, 전력을 60Hz, 240 볼트로 제1 및 제2 라인 도선, 및 제1 및 제2 라인 도선에 비해 60Hz, 120 볼트로 중성 도선에 공급하는 공익회사의 전력변압기 일 수 있다. 본 발명은 이러한 예에 제한되는 것은 아니고, 전압과 주파수가 480볼트, 660볼트 및 50Hz, 60Hz 및 400Hz에서 작동하는 어떤 AC 시스템에도 적용될 수 있다. 부하센터는, 변압기(26)로부터 전력을 받아 분기 차단기(34, 36)등에 분해하는 주 전기응답 차단기(32)를 지니고 있다. 다음, 분기 차단기는, 분기회로(38)상의 전력을 부하(30)가 플러그(44)에 끼워지는 전기 출구(electrical outlet)(40,42)또는, 부하(31)에 직접 배선된 분기회로 (38)에 공급한다. 분기회로(38)는 전력을 부하(30)에 공급하는 라인 도선(46) 및 중성 도선(48)(도 2)을 포함한다. 분기회로(38)는 접지 도선(50)을 또한 포함할 수도 있다. 차단기(34)는, 소정의 회로 과부하 상태에 따라 차단기 접점(54)을 개방회로 상태로 트리핑하는 열/자기 특성 차단기를 지니고, 선행기술에 공지되어 있듯이, 부하(30)를 전압원(26)과 분리하는 과부하 트립 메커니즘(52)을 포함한다. 또한, 라인 또는 중성점 접지고장에 응답하여 SCR(58)을 게이트(gate) 제어함으로써 차단기 접점(54)을 개방하는 코일(60)을 통전시키는, 누전 차단기(GFI) 회로(56)를 가진 차단기를 제공하는 것이 선행기술에 공지되어 있다. GFI 회로의 예는, 미합중국 특허 Re 30,678호에 개시되어 있고, 이를 여기에 참고로 포함했다.

본 발명은, AC 라인 전류를 주기가 16.67 밀리초(mili seconds)의 예를 들어 60Hz의 반복 사이클을 구비한 소정 주파수의 AC 전원(26)으로부터 부하(30)에 공급하는 전기회로의 아크 검출기(64) 및 아크검출 방법을 제공하는 것이다. 검출기 (64)는, AC 라인 전류의 사이클대 사이클의 변화를 감지하고, 설명할 이러한 변화를 나타내는 차동 신호를 발생하여, 이 차동 신호의 소정의 조건에 응답하여 SCR(58)의 게이트에 공급된 게이팅 신호를 공급하는 라인(67)에 아크 표시 트립 신호를 발생하게 하여 SCR(58)을 게이트제어로 전도시켜 코일(60)을 통전 시킴으로써 차단기 접점(54)을 개방한다. 회로(56 및 64)의 출력은 공통노드(65)에서 SCR(58)의 게이트에 접속되어 있다. 차단기가 GFI 회로(56)를 갖지 않으면, SCR(58) 및 코일(60)이 추가된다.

도 3은 아크 검출기(64)를 도시한다. AC 라인 전류가 전류 파형(70)으로 도시되어 있으며(도 3, 도 4), 이 전류 파형은 AC 전원으로부터 부하(30)로 라인(46)에 공급된 AC 전류이다(도 2). 전류는, 관련 미합중국 특허 제5,185,685호의 68로 도시된 전류변성기로 감지되는 것이 바람직하지만, 기타 전류센서로 감지될 수도 있다. 감지된 AC 라인 전류는, 다수의 사이클(m)동안 다수의 샘플링 포인트 또는 위상(n)에서 조화 노치 필터(72)에 의해 각각의 샘플링 포인트의 상대 위상이 동일 사이클대 사이클이 되게 샘플된다.

예를 들어 도 4를 참조하면, AC 라인 전류는, AC 전원의 제1 사이클동안 위상(θ₁,₁)에서 샘플되어 제1 샘플전류(I₁,₁)를 제공한다. 제1 첨자는 위상 또는 샘플링 포인트이고, 제2 첨자는 사이클이다. 따라서, (I₁,₁)는 제1 사이클의 제1 위상 또는 샘플링 포인트에서의 전류이다. AC 라인 전류는, AC 전원의 제2 사이클 동안 제1 위상 또는 샘플링 포인트(θ₁,₂)에서 샘플되어 샘플전류(I₁,₂)를 제공하며, 이 샘플전류는 제2 사이클의 제1 위상 또는 샘플링 포인트에서의 전류이다. AC 라인 전류는 제1 및 제2 사이클동안(즉 θ₁,₁=θ₁,₂), 동일 상대 위상으로 샘플된다. 또 다른 방법으로, θ₁,₁과 θ₁,₂는 AC 전원의 1 사이클 즉, 360°만큼 공간을 두거나 분리되어 있으며, 또는 그것의 완전한 배수이다. 60Hz AC 전원인 경우, θ₁,₁과 θ₁,₂는 1/60초, 즉 16.67 밀리초 만큼 공간을 두고 있거나 그것의 완전 배수이다. 지시된 차동 신호는 I₁,₂에서 I₁,₁을 감산하여 제공한다.

AC 라인 전류는, AC 전원의 제1 사이클 동안 다수의 위상(θ₁,₁~θ_n,₁)에서 조화 노치 필터로써 샘플되어, 제1 사이클에 대해 다수의 샘플전류(I₁,₁~I_n,₁)를 제공한다. AC 라인 전류는, AC 전원의 제2 사이클 동안 다수의 위상(θ₁,₂~θ_n,₂)에서 조화 노치 필터에 의해 샘플되어, 제2 사이클에 대해 다수의 샘플 전류(I₁,₂~I_n,₂)를 제공한다. θ₁,₁~θ_n,₁은 θ₁,₂~θ_n,₂와 동일하며, 즉 제1 사이클에서의 제1 샘플링 포인트는 제2 사이클에서의 제1 샘플링 포인트와 동일한 상대위상에서 발생하며, 제1 사이클에서의 제2 샘플링 포인트는 제2 사이클에서의 제2 샘플링 포인트와 동일한 상대위상에서 발생한다. 샘플 전류(I₁,₁~I_n,₁)는 조화 노치 필터에 의해 샘플 전류(I₁,₂~I_n,₂)에서 각각 포인트대 포인트로 감산되어 지시된 차동신호를 제공한다. 제1, 제2 사이클 등으로 연속되는 것이 바람직하다.

조화 노치 필터(72)는 (I₁,₂~I_n,₂)로부터 (I₁,₁~I_n,₁)로 포인트대 포인트 감산을 수행하여 조화 노치 필터 전류차동신호(HNFI)를 제공하며, 이 신호의 절대값은 전류차동신호(ID)를 제공한다. 예를 들면, 제1 사이클의 제1 샘플링 포인트(θ₁,₁) 에서 샘플된 전류인 샘플 전류 (I₁,₁)는, 제2 사이클의 제1 샘플링 포인트(θ₁,₂)에서 샘플된 전류인 샘플 전류(I₁,₂)로부터 감산되어 HNFI 차동신호를 제공하고, 이의 절대값은 전류차동신호 ID₁,_2-1, 즉, 제1 위상 또는 샘플링 포인트에서의 제1 및 제2 사이클 사이의 샘플 전류차의 절대값을 제공한다. 이와 유사하게, AC 라인 전류는, AC 전원의 제3사이클 동안 위상(θ₁,₃)에서 샘플되어 샘플 전류(I₁,₃)를 제공하며, 여기서 θ₁,₂는 θ₁,₃과 동일하다. 제2 사이클에서 제1 샘플링 포인트의 샘플 전류인 I₁,₂는 제3사이클에서 제1 샘플링 포인트의 샘플 전류인 I₁,₃로부터 감산되어, HNFI 차동 신호를 제공하며, 이 신호의 절대값은 제3사이클에서 제1 샘플링 위상의 샘플 전류와 제2 사이클에서 제1 샘플링 위상의 샘플 전류 사이의 차의 절대값인 전류 차동신호(ID₁,_3-2)를 제공한다.

도 5에서 실선은 현재사이클의 전류이고, 점선은 바로 선행 사이클의 전류를 도시한다. 따라서, 제1 사이클에서 제1 사이클 전류(I₁)가 실선으로 도시되어 있고, 앞선 또는 초기사이클의 전류(I₀)는 점선으로 표시되어 있다. 이와 유사하게, 제2사이클에서 제2 사이클 전류(I₂)가 실선으로 도시되어 있고, 제1 사이클전류(I₁)가 점선으로 도시되어 있다. 그리고 사이클(3~5) 동안도 이와 동일하게 된다.

도 5에 도시된 특별한 실행에서, 제1 사이클동안 I₁에서 I₀의 포인트 대 포인트 감산하면, 도 6의 스펜(span)이 도시된 HNFI 차동신호를 얻는다. 도 5의 제2 사이클에서, 현재 사이클 전류(I₂)에서 선행 사이클 전류(I₁)를 포인트대 포인트 감산하면, 도 6의 스팬(76)이 도시된 HNFI 차동신호를 얻는다. 도 5의 제3 사이클에서, I₃에서 I₂의 포인트대 포인트 감산하면, 도 6에 도시된 스팬(78)이 도시된 HNFI 차동신호를 얻는다. 도 5의 제4사이클에서, I₄에서 I₃를 포인트대 포인트 감산하면, 도 6의 스팬(80)이 도시된 HNFI차동신호를 얻는다. 도 5의 제5사이클에서, I₅에서 I₄를 포인트대 포인트 감산하여, 도 6의 스팬(82)이 도시된 HNFI 차동신호를 얻는다.

조화 노치 필터(94)는 AC 라인 전류를 포인트대 포인트 감산하여 조화 노치 필터전류 차동신호(HNFI)를 제공하고, 이 신호의 절대값은,

ID(t)=│HNFI (t)│ = │I (t) - I (t-T)│ … 식 (1)

식(1)에 따라 시간(t)에서 전류 차동 신호(ID)를 제공한다. 여기서 I(t)는 시간 (t)에서의 샘플 전류이고, I(t-T)는 한 사이클전, 즉, T 초전 시간의 샘플 전류이고, T는 AC 사이클의 주기, 즉, 16.67 밀리초이다. 식(1)은 시간영역의 조화 노치 필터를 정의한다.

절대 전류 차동 신호(ID)는 동기 합산기(94)에서 동기적으로 합산되어(도 3), 합 S(t)를 아래식에 따라 제공한다.

S(t) = ID(t) + ID(t-T) + ID(t-2T) + ID(t-3T) + ID(t-4T) … 식 (2)

도 6을 참고하면, 스팬(74)에 대한 차동신호의 절대값은 스팬(76)에 대한 차동신호의 절대값과 포인트대 포인트 가산되며, 이것은 스팬(78)에 대한 차동 신호의 절대값에 포인트대 포인트 가산되며, 스팬(78)에 대한 차동신호의 절대값은 스팬(80)에 대한 차동신호의 절대값과 포인트대 포인트 가산되고, 이 스팬(80)에 대한 차동신호의 절대값은 스팬(82)에 대한 차동신호의 절대값과 포인트대 포인트 가산된다. 도시된 예에서, 누적 절대값 전류 차동신호(ID)의 5개의 사이클이 합산되어 S₅(t) 즉, 5개 ID 신호의 합을 발생시킨다. ID 신호의 누적이 도 7~도 11에 순서로 도시되어 있다. 도 7은 S₁(t)를 발생하는, 1사이클 후의 스팬(74)에 대한 ID 신호를 도시한다. 도 8은 S₂(t)를 발생시키는, 2 사이클 후의 스팬(74+76)에 대한 누적된 ID 신호를 도시한다. 도 9는 S₃(t)를 발생하는, 3 사이클 후의 스팬(74+76+ 78)에 대한 누적 ID 신호를 도시한다. 도 10은 S₄(t)를 발생시키는, 4 사이클 후의 스팬(74+76+78+80)에 대한 누적 ID 신호를 도시한다. 도 11은 S₅(t)를 발생시키는, 5 사이클후의 스팬(74+78+80+82)에 대한 누적 ID신호를 도시한다. 절대값 전류차동신호(ID)는 5개의 연속 사이클 동안 각각의 위상에 대하여 동기적으로 합산되어 도 11에 도시된 누적전류 차동신호(83)를 제공한다. 소정 상태의 누적전류 차동신호가, 설명될 특징(84, 86, 88, 90)에 관련되어 만나면, 아크 표시 트립 신호가 설명할 라인(67)에서 발생한다.

일반적으로, AC 라인 전류는, 각각의 다수의 m 사이클동안, 다수의 위상 (θ₁~θ_n)에서 샘플된다. 조화 노치 필터(72)는, n 사이클을 사이클 전류 차동신호 (ID)에 제공하는데, 즉 하나의 사이클을 각각의 위상(θ₁,~θ_n)에 제공한다. 동기 합산기(94)는 사이클(1~m)동안 위상(θ₁)에서 전류 차동신호(m)를 합산하여, 제1 누적전류 차동신호를 제공한다. 이러한 합산은, 사이클(1~m)동안 위상(θ_n)에서 전류차동신호(m)의 합을 포함하는 n번째 위상까지 지속되어 n번째 누적전류 차동신호를 제공한다. 본 실시예에서, n=1,341 즉, 각각의 사이클 동안 1,341개의 샘플링 포인트 또는 위상이 있다. 또한, 본 실시예에서, m=5, 즉 동기 합산기(94)는, 식 (2)에서 정의되고 도 11에 도시되어 있듯이, 5 사이클에 대한 전류차동신호(ID)를 합산한다. 사이클대 사이클 전류차동신호는, 연속 사이클간의 차이를 고려해 산출하는 것이 바람직하다. 1~n번째 누적전류 차동신호는, 도 11의 스팬(83)에 도시된 트레이스(trace)(m=5)를 제공한다. 도 3의 상태 점검기(116)는, 설명할 아크 표시 트립신호를 발생하기 위해 누적전류 차동신호의, 도 11의 84, 86, 88, 90과 같은 소정의 상태에 응답한다.

조화 노치 필터(72)는, AC 전원의 각각의 지시된 다수의 m사이클 동안 지시된 다수의 n위상(θ₁~θ_n)에서 AC 라인 전류를 샘플한다. 여기서, 각각의 m 사이클 동안, θ₁,₁= θ₁,₂… θ₁,_m이고, θ₂,₁= θ₂,₂… θ₂,_m, … , 이고 θ_n,₁ =θ_n,₂… θ_n,_m이어서 다수의 전류(I_n,_m)를 제공한다. 여기서, n은 위상이고, m은 사이클이다. 조화 노치 필터는 차이(I_n.,_m) - (I_n,_m-_x)를 결정하기 위해 식(1)을 수행하고, 여기서 x는 다수의 전류차동신호(ID)를 제공하기 위한 사이클 또는 주기의 지정된 번호이다. 바람직한 실시예에서, 사이클대 사이클 전류변동이 연속적이 아닌 사이클에 대해 결정할 수 있을지라도, x는 1이 되어 연속 사이클 전류차동신호를 제공한다. 동기 합산기(94)는 소정 수의 사이클에 대한 전류차동신호(ID)를 누적시킨다. 바람직하게는 5 사이클, 즉 m=5이나 다른 값의 m이 이용될 수도 있다. 동기 합산기(94)는, 식 (2)를 실행하여, ID_1,1-(1-x)+ ID_1,2-(2-x)+ … + ID_1,m-(m-x)를 가산하여, 위상(θ₁)에서 제1 누적전류 차동신호(ID₁)를 제공하고, ID_2,1-(1-x)+ ID_2,2-(2-x)+ … + ID_2,m-(m-x)를 가산하여, 위상(θ₂)에서 제2 누적전류 차동신호(ID₂)를 제공하고, ID_n-1-(1-x)+ ID_n,2-(2-x)+ … + ID_n,m-(m-x)를 가산하는 것을 포함하는 n번째 위상까지 가산을 계속하여, 위상(θ_n)에서 n번째 누적전류 차동 신호(ID_n)을 제공한다. 바람직한 실시예에서 언급했듯이, n=1,341, m=5, x=1이다.

위에서 언급했듯이, 상태 점검기(116)는 아크 표시 트립 신호를 발생하기 위해, 동기 합산기(94), S(t)로부터 누적된 전류 차동신호(ID)의 소정의 상태에 응답한다. 통상적으로, 이러한 합산은 S_m(t)이고, 바람직한 실시예에서 m=5이다. 또한, 바람직한 실시예에서, S₅(t)는 매 5 사이클마다 산출된다. 대안적인 실시예에서, S₅(t) 또는 어떤 다른 S_m(t)는, 슬라이딩 윈도우 베이시스(sliding window basis)에서 매 사이클마다 산출될 수 있다.

상태 점검기(116)에 의해 점검되듯이, S(t)에 대한 지시된 제1 상태는 (도 3), 누적전류 차동신호(ID₁~ID_n)의 평균이, 바람직한 실시예에서 m=5, 즉 S₅(t)인 경우 0.4 암페어인 소정의 임계전류를 초과하는 것이다. 아크 표시 트립 신호는 평균값이 소정의 임계값을 초과하는 경우에만 발생한다. 누적된 값(ID₁~ID_n)의 평균, 즉 S₅(t)가 0.4암페어를 초과하면, 높은 입력이 AND 게이트(120)의 라인(118)에 제공된다. 도 11을 참고하면, m=5인 경우 스팬(83)에 걸쳐서 전류트레이스 평균값이 0.4암페어를 초과하는 경우, 높은 입력이 AND 게이트(120)의 라인(118)에 제공된다.

도 3에서 상태 점검기(116)에 의해 점검되듯이, S(t)의 지시된 제2상태는, 누적전류 차동신호(ID₁~ID_n)의 평균비의 피크가 소정의 임계값을 초과하는 것으로, 여기서 이 피크는 S(t)의 최대값이고, 평균은 S(t)의 평균값이다. 아크 표시 트립신호는, 평균비에 대한 피크가 소정의 임계비를 초과하는 경우에만 발생한다. 바람직한 실시예에서, m=5인 경우, 소정의 임계비는 4이다. 누적전류 차동신호(ID₁~ID_m)의 평균비의 피크가 4를 초과하면, 높은 입력이 AND 게이트(120)이 라인(122)에 제공된다. 도 11을 참고하면, S₅(t)인 경우 피크는(86)이다.

도 3에서 상태 점검기(116)에 의해 점검되듯이, S(t)의 지시된 제3상태는, 사이클당 2개 이상의 콰이어트 존(quiet zone)이 있는 것으로, 각각의 콰이어트 존은 최소시간 길이이고, 여기서 콰이어트 존은 어떠한 해당 누적전류 차동신호(ID)도 소정의 전류 활동 임계치 이상으로 올라가지 않는 사이클의 부분이다. 예를 들면, 도 11에서 두개의 콰이어트 존(88, 90)이 있다. 이 콰이어트 존 동안, S(t)는 소정의 전류 활성 임계치 이하로 유지된다. 아크 표시 트립 신호는 사이클당 두개 이상의 콰이어트 존이 있을 경우만 발생한다. AC 파형의 포인트(89a)의 상대 위상은, 포인트(89b)의 상대위상과 동일하므로 존(90)이 자체를 감싼다. 바람직한 실시예에서, 최소시간 길이는 각각의 콰이어트 존에 대해 동일하고, 1.56 밀리초이다. 소정의 전류 활성 임계치는 누적전류 차동신호(ID₁~ID_n)의 평균의 1.5배이며, 즉 S(t)의 평균값의 1.5배이다. 예를 들어 도 11에서, 각각의 부분(88, 90)에서의 전류 활성은, 스팬(83)의 평균 전류값의 1.5배보다 작으므로, 제3 상태가 만족되고, 높은 입력이 AND 게이트(120)의 라인(128)에 제공된다. 바람직한 실시예에서, 0.311 밀리초 보다 작은 주기의 비콰이어트 존(non quiet zone)이 무시되어 고주파 편차를 방지한다. 환언하면, 0.311 밀리초보다 길게 콰이어트 존이 유지되는 것이 유효한 것으로 요구된다. 전류 활동 S(t) 신호가 (84) 및 (86)에서와 같이 임계값의 1.5배 이상으로 올라가고, 기간은 0.311 밀리초 이하이면, 콰이어트 존의 부분으로 간주되어 흡수된다.

도 3에서 상태 점검기(116)에 의해 점검되듯이, S(t)의 지시된 제4상태는, 소정의 콰이어트 시간 상한보다 긴 콰이어트 존이 없는 것이다. 아크 표시 트립 신호는(88) 또는 (90)과 같은 콰이어트 존이 소정의 콰이어트 시간 상한보다 길게 유지되면 무력해진다. 바람직한 실시예에서, 소정의 콰이어트 시간 상한은 9.17 밀리초이다. 만일, 어떤 콰이어트 존이 9.17 밀리초보다 길게 유지되면, 낮은 입력이 AND 게이트(120)의 라인(130)에 제공된다.

도 3에서 상태 점검기(116)에 의해 점검되듯이, S(t)의 지시된 제5상태는, 동기 합산기(94)의 출력이 소정의 널 시간(null time) 시간 상한보다 길지 않게 제로(0)인 것이다. 아크 표시 트립 신호는 동기 합산기의 어떤 제로 출력이 소정의 널시간 상한보다 길게 유지되면 무력해진다. 바람직한 실시예에서, 소정의 널시간 상한은 1.24밀리초이다. 동기 합산기(94)의 출력이 1.24 밀리초보다 길게 제로이면, 낮은 출력이 AND 게이트(120)의 라인(132)에 제공된다.

각각의 지시된 5개의 상태가 만족되면 AND 게이트(120)의 각각의 입력(118, 122, 128, 130, 132)이 높고, 높은 출력신호가 라인(138)에 제공되어 아크 표시 트립 신호를 발생시킨다. 제1 상태는 도 11의 스팬(83)에 대한 S(t)의 평균이 소정의 임계전류를 초과하는 것이며, 높은 상태를 라인(118)에 제공한다. 제2 상태는 S(t)의 평균비의 피크가 소정의 임계비를 초과하는 것이며, 높은 상태를 라인(122)에 제공한다. 제3 상태는 사이클당 2개 이상의 콰이어트 존이 있고, 각각의 이 콰이어트 존은 최소시간 길이이며, 높은 상태를 라인(128)에 제공한다. 제4 상태는 소정의 콰이어트 존 시간 상한 보다 긴 콰이어트 존이 없는 것이며, 높은 상태를 라인 (130)에 제공한다. 만일 콰이어트 존이 소정의 콰이어트 시간 상한보다 길게 유지되면, 낮은 상태가 라인(130)에 제공되어 AND 게이트(120)를 무력화한 다음 아크 표시 트립 신호를 무력화시킨다. 제5 상태는 S(t)를 제공하는 동기 합산기(94)의 출력이 소정의 널시간 상한보다 길지 않게 제로(0)가 되는 것으로, 높은 상태를 라인(136)에 제공한다. 만일 동기 합산기 출력 S(t)가 소정의 널 시간 상한보다 길게 제로이면, 낮은 상태가 라인(132)에 제공되어 AND 게이트를 무력화한 다음 아크 표시 트립 신호를 무력화시킨다.

0.4 암페어와 같은 소정의 임계전류를 초과하는 누적전류 차동신호 S(t)의 평균을 필요로 하는 지시된 제1 상태의 목적은, 최소활동을 잡음레벨 이상으로 보장하는 것이다. 또한, 이 상태는 비(非)아크 과도전류가 스파이크(spike) (84 또는 86)보다 매우 얇은 도 11에서 얇은 스파이크를 야기하는, 불필요한 트리핑을 감소시키는 것이다. 도 11에서 스파이크가 얇은 경우에, 얇은 스파이크를 포함하는 도 11의 전체 사이클의 평균은 0.4암페어 이상으로 올라가지 않는다. 따라서, 도 11의 피크 또는 스파이크는 두께 또는 폭이 충분하지 못하면, 시험이 실패하고 낮은 상태가 라인(118)에 제공된다(도 3). 이 방법에서, 일정한 동작주기에서 작동하는 위상제어 부하와 같은 얇은 스파이크 과도전류 또는 기타운전은 무시되어 불필요한 트리핑을 감소시킨다.

소정의 임계비를 초과하는 누적전류 차동신호 S(t)의 평균비에 피크를 필요로 하는 지시된 제2 상태의 목적은, 도 11의 (84) 및 (86)과 같은 스파이크가 폭이 너무 크지 않게 하는 것이다. 폭이 너무 큰, 너무 길게 유지되는 도 11의 스파이크는, 전형적 아크 사상에 의한 것이 아니고, 개시과도전류와 같은 비동기 활동을 표시한다. 도 11에서 스파이크가 넓으면 넓을수록 누적전류 차동신호의 사이클의 평균이 더 크게 되어, 평균비의 피크가 지시된 소정의 임계값, 예를 들어 4를 초과하지 않게 되어 이러한 시험이 실패해서 낮은 상태를 라인(122)에 제공한다(도 3).

지시된 제1 상태와 제2 상태의 결합은, 도 11의 아크 표시 피크가 최소폭 및 높이를 갖고 폭은 너무 넓지 않게 보장함으로써 아크분별을 제공한다. 이러한 중간폭 및 활동이 기타사상과 아크사상을 구별하게 한다.

도 11에서(88) 및 (90)으로 도시된 사이클당 두개 이상의 콰이어트 존을 필요로 하는 지시된 제3 상태의 목적은, 사이클당 (84) 및 (86)과 같은 2개의 스파이크 또는 펄스가 있다는 것을 보장하는 것이다. 아크의 특성은, 전형적으로 불꽃이거나 또는 사인파 AC 전원(26)의 음 및 양의 반 사이클 모두에서 발생한다는 것이다. 도 11은 누적전류 차동신호의 절대값을 나타낸다. 도 11에서 스파이크가 하나만 있다면 원인 사상은 AC 전원(26)의 반사이클중 하나 동안에만 발생하고, 전형적으로 아크사상이 아니다. 이러한 제3 상태 또는 시험이 없으면, 많은 반파부하가 불필요한 트리핑을 일으킨다. 지시된 제3 상태는, AC 전원의 반사이클중 하나만에서 스파이크를 일으키는 사상을 아크 검출기가 무시하게 하고, 불필요한 트리핑을 감소시킨다. 아크의 예측불가는, 도 7~도 11에서 5개의 누적 사이클중 하나의 반사이클 동안 때때로 불꽃이 발생하지 않을 수도 있다. 아크가 5개 사이클의 하나 또는 2개에서 단일 스파이크만을 야기할지라도, 나머지 사이클은 계속 축적해서 도 11의 충분한 전류 차동신호를 누적시키고, 제2 스파이크를 제공한다. 아크는, AC 전원의 반사이클 양쪽 모두동안 거의 항상 발생한다는 것이 관찰되었고, 이 특성은 비 아크 사상을 구별하는 또 다른 시험으로서 지시된 제3 상태에 의해 통상 유용하게 이용된다.

많은 아크는 도 11에서 사이클당 4개의 피크를 갖는 것으로 추가로 관찰되었다. 이것은, 각각의 반사이클 동안 충돌(strike) 및 회복(recovery)과 재충돌 및 재회복에 의해 발생한다. 필요한 콰이어트 존의 시간 길이는 이러한 재충돌을 누적하도록 선택된다. 즉, 도 11의 사이클에 걸쳐 4개의 피크를 허용한다.

소정의 콰이어트 시간 상한보다 더 길게 콰이어트 존을 유지하지 않는 것을 요구하는 지시된 제4 상태의 목적은, 도 11의 2개의 피크(84, 86)가 거의 180° 위상이 다르고, 지시된 중간 두께 또는 폭을 갖는 것을 보장하는 것이다. 소정의 콰이어트 시간상한은 사이클의 55%로 선택된다. 즉, 9.17 밀리초가 16.67 밀리초의 55%이다. 이러한 무력상태 또는 시험에 따라, 도 11의 (88) 또는 (90)과 같은 콰이어트 존이 사이클의 55% 보다 길면, 원인사상은 무시되고 아크로 간주되지 않는다. 이러한 제4 상태 또는 시험이 없으면, 낮은 RPM에서 반파로 작동하는 대부분의 가변속도 드릴과 같은 각종 부하에서 다수의 불필요한 트립을 경험하게 된다.

소정의 널 시간(null time) 상한제한보다 길게 동기 합산기의 제로출력이 유지되지 않는 것을 요구하는 지시된 제5 상태는, 상업용 비용 절감을 할 수 있게 한다. 비용이 요인이 아니면, 동적인 넓은 범위가 바람직하며, 이는 더 많은 고가의 전류 센서, 더 많은 디지털 메모리 및 더 큰 유효전압범위를 요구하게 된다. 만일 추가비용이 바람직하지 않으면, 낮은 비용의 소자를 이용할 수 있다. 이 부품은 인입 AC파의 피크보다 낮은 피크를 흡수하여 동적범위를 감소시킨다. 따라서 입력 AC 파는, 시스템 분석에 의해 형성된 포화점에서 잘려지고, 다시 2개의 널 존(null zone)을 인위적으로 생성하여 동기 합산기의 출력이 절대적으로 제로가 된다. 제5 상태는, 이러한 널 존을 소정의 널 시간 상한, 예를 들면 1.24 밀리초에 제한하여, 어떤 더 길게 유지되는 포화는 비 아크 사상으로 간주한다. 기술적인 관점에서, 지시된 제5 상태 또는 시험이 포함되지 않는 것이 바람직하다. 상업적인 비용절감의 관점에서는 지시된 제5 상태 또는 시험이 포함되는 것이 바람직하다.

아크는 불규칙하게 예상할 수 없이 발생한다. 이러한 불규칙성에서, 아크 및 아크 발생의 상대시간은 검출기(64)에 의해 검출할 수 있는 사이클 대 사이클이 결코 동일하지 않다. 전류의 사이클대 사이클 변화가 없다면, 조화 노치 필터 (harmonic notch filter)(72)로부터의 전류 차동신호(ID)가 존재하지 않는다. 불규칙성이 점검하는데 요구되는 유일한 아크특성이면, 조화 노치 필터의 출력 자체가 아크검출 표시를 제공한다. 또한 상기 지시된 부가적인 특성은, 아크 표시 트립 신호를 제공하기 전에 점검되는 것이 바람직한다. 동기 합산 및 상태점검은, 불필요한 트리핑을 감소시키는데 바람직하다. 불필요한 트리핑이 문제가 아니되거나, 추가적인 비용절감이 요구되는 경우, 조화 노치 필터의 출력은, 아크가 랜덤하고, 각각의 사이클에서 동일 상대 위상 포인트에서 충돌하지 않는다는 특성에 따라, 아크 표시 트립신호를 제공한다. 후자의 경우에, 소정의 시험상태가 전류차동신호 자체의 존재일 수도 있다. 정상적인 작동 부하로부터 아크를 판별하게 하는, AC 사이클내의 영역에 랜덤활동의 집중을 설정하는 것이 추가적인 법칙 또는 상태의 목적이다.

섹션 점검기(140)는 AC 라인 전류의 소정 수의 섹션에 대한 AND 게이트(120)로부터의 라인(138)의 신호를 점검한다. 위에서 설명했듯이, 동기 합산기(94)는 m사이클(예를 들면 m은 5이다)에 대한 절대전류 차동신호(ID)를 누적하여, 섹션(1)처럼 도 3에 도시된 제1 섹션을 제공한다. 동기합산기(94)는 다수의 섹션에 대한 m 사이클의 누적을 되풀이한다. 바람직한 실시예에서, AC 라인 전류파형의 약 1초(실질적으로 55 AC 사이클)는, 11개의 섹션으로 분할되고, 각각의 섹션은 5개의 사이클을 지닌다. 섹션 점검기(140)는, AND 게이트(120)로부터의 입력(138)이 소정 수의 섹션에 대해 높은 경우에만 라인(142)의 출력이 높아진다. 바람직한 실시예에서, 라인(138)상의 신호는 11개의 연속섹션중 3개가 높아야 한다. 즉, 상태 점검기(116)에 의해 점검되는 지시된 5개의 상태는, 11개의 연속섹션중 적어도 3개가 만족되어야 한다. 따라서, 아크 표시 트립신호는, 소정 수의 연속섹션의 스팬동안 소정 수가 만족된 경우에만 발생된다. 라인(142)의 높은 신호는 AND 게이트(144)를 기능시키고, 전압상태가 만족되는 경우 아크 표시 트립신호를 라인 (67)에 출력시킨다.

섹션 점검기(140)의 목적은, 스위칭 사상, 예를 들면 턴온 또는 턴오프하는 전등스위치를 판별하는 것이다. 11개의 연속섹션은 55 사이클로 거의 1초만큼 길다. 전등스위치를 턴온하거나 턴오프하는 경우, 상태 점검기(116)에 의해 점검되는 지시된 상태는 하나 또는 기껏해야 2개의 섹션이 만족되고, 이러한 스위칭 사상은 기간이 짧기 때문에, 이러한 상태가 11개의 연속섹션중 3개가 만족되는 일이 거의 일어날 수 없다. 섹션 점검기(140)가 없으면, 짧은 기간 스위칭 사상을 불필요한 트립으로 간주되는 잘못된 아크표시 트립신호를 야기한다. 섹션 점검기(140)를 포함하면 이러한 불필요한 트립을 감소시킨다.

전압 조화 노치 필터(146) (도 3)는, AC 라인 전압의 사이클대 사이클 변화를 감지하고, 이들 변화를 나타내는 전압 차동신호를 발생시킨다. 아크 표시 트립 신호는 전압차동 신호가 소정의 임계값을 초과할 때 해제된다. 조화 노치 필터 (146)은 AC 라인 전압의 포인트대 포인트 감산을 수행하여 조화 노치 필터 전압 차동 신호(HNFV)를 제공하며, 이의 절대값은

VD(t) = │ HNFV(t)│ = │V(t) - V(t-T)│ … 식 (3)

에 따라 시간(t)에서 전압차동신호(VD)를 제공한다. AC 라인 전압변화는 연속사이클 사이에서 감지되는 것이 바람직하지만, 사이클 변화에 대한 기타 또는 중간사이클이 감지될 수도 있다. 다른 전압센서가, 예를 들어 미합중국 특허 제5,185,685호의 (66)으로 표시된 것처럼 이용될 수 있을 지라도, 전압은 라인(46)에 옴(ohm)적으로 접속된 분압기를 통해 바람직하게 감지된다.

AC 라인 전압은, AC 전원의 제1 사이클 동안 위상 Φ_1,1에서 샘플되어 전압 V₁,₁을 제공한다. 여기서, 제1 첨자는 샘플링 포인트 또는 위상이고, 제2 첨자는 사이클이다. AC 라인 전압은, AC 전원의 제2 사이클동안 위상 Φ₁,₂에서 샘플되어 전압 V₁,₂를 제공한다. 여기서 Φ₁,₁은 Φ₁,₂와 같다. 즉, 전압은 제1 및 제2 사이클동안 같은 상대위상 또는 샘플링 포인트에서 샘플된다. V₁,₁은 V₁,₂로부터 감산되어 HNFV 차동신호를 제공하며, 이의 절대값은 전압차동신호(VD)이다.

AC 라인 전압은 조화 노치 필터(146)에 의해 AC 전원의 제1 사이클동안 다수의 위상(Φ₁,₁~Φ_p,₁)에서 샘플되어 다수의 샘플링 전압(V₁,₁~V_p,₁)을 제공한다. 바람직한 실시예에서, p=n이므로 전압샘플링 포인트 또는 위상이 1,341개이고, 스팬은 16.67밀리초이다. AC 라인 전압은 조화 노치필터(146)에 의해 AC 전원의 제2 사이클동안 다수의 위상(Φ₁,₂~Φ_p,₂)에서 샘플되어 다수의 샘플전압(V₁,₂~V_p,₂)을 제공하며, 여기서, Φ₁,₁~Φ_p,₁은 Φ₁,₂~Φ_p,₂와 각각 같다. V₁,₁~V_p,₁은 V₁,₂~V_p,₂로부터 포인트대 포인트 감산되어 HNFV 차동신호를 제공하며, 이의 절대값은 전압차동신호(VD₁~VD_p)를 제공한다. 합산기(148)는, P 샘플링 포인트 또는 위상에 대한 전압차동신호(VD)의 절대값을 합하여 그 합을 제공한다. 이러한 합이, 임계 검출기(150)에 의해 결정된 바와 같이, 소정의 임계값을 초과할 때, 아크 표시 트립신호가 해제된다. 바람직한 실시예에서, 임계값은 샘플링 포인트 또는 위상(p)수의 3.73배이다.

예를 들면, AC 라인 전압은 AC 전원의 제1 사이클 동안 제1 위상 Φ₁,₁에서 샘플되어 전압 V₁,₁을 제공한다. AC 라인 전압은, AC 전원의 제1 사이클동안 제2 위상 Φ₂,₁에서 샘플되어 전압 V₂,₁를 제공한다. AC 라인 전압은 AC 전원의 제2 사이클동안 제1 위상 Φ₁,₂에서 샘플되어 전압 V₁,₂를 제공한다. 여기서 Φ₁,₁= Φ₁,₂이다. AC 라인 전압은 AC 전원의 제2 사이클동안 제2 위상 Φ₂,₂에서 샘플되어 전압 V₂,₂를 제공한다. 여기서 Φ₂,₁은 Φ₂,₂와 같다. V₁,₁은 V₁,₂에서 감산되어 V_2,1은 V_2,2에서 감산되어 HNFV 차동신호를 제공하고, 이의 절대값은 전압차동신호 VD_2,2-1을 제공한다. HNFV 차동신호를 제공하고, 이의 절대값은 전압차동신호 VD₁,_2-1을 제공한다. 합산기 (148)는 VD₁,_2-1및 VD₂,_2-1을 합산하여 제1 사이클에서 제2 사이클로의 전압변화를 나타내는 합을 제공한다. 위에서 언급했듯이, p = n = 1,341인 것이 바람직하다. 샘플링 포인트 또는 위상(p)의 수는 응용에 따라 변할 수도 있다.

AC 라인 전압은 한 사이클 동안에 다수의 위상(Φ₁~Φ_p)에서 샘플된다. 조화노치 필터(146)는 p개의 사이클대 사이클 절대전압 차동신호(VD₁~VD_p)를 각각 위상 (Φ₁~Φ_p)에 하나씩 제공한다. 각각의 전압차동신호(VD)는, 현재 사이클에서 각각의 위상에서의 전압과 선행 사이클, 바람직하게는 직전 사이클의 각각의 동일 위상에서의 전압차의 절대값을 나타낸다. 합산기(148)는 제1 번부터 p번째 절대전압 차동신호를 합산하여 합산된 전압변화 활동신호를 제공한다.

합산기(148)로부터의 합산된 전압변경 활동신호가 소정의 임계값을 초과하면, 라인(152)상의 임계 검출기(150)의 출력이 높아진다. 라인(152)의 높은 상태는, 라인(156)에 낮은 상태를 제공하는 인버터(154)에 의해 낮게 반전된다. 그리고, 라인(156)은 AND 게이트(144)의 입력이며, 후자를 무력화시켜, 라인(67)상의 아크 표시 트립신호의 발생을 해제 또는 방지한다.

또한, 라인(152)상의 높은 상태는, 어떤 진행중인 점검과정을 차단하기 위해 섹션 점검기(140)의 리셋트 신호(158)를 제공하고, 라인(138)상의 높은 상태를 수신함에 따라 11개의 연속 섹션의 카운트를 시작하기 위해 재시작한다. 라인(138)의 높은 상태는 섹션 점검기(140)를 활성시켜 11개의 연속섹션을 카운트하기 시작한다. 높은 상태가 다음 10개의 섹션중 어떤 2개에 대해 존재하자마자, 출력(142)이 높아지는데, 나머지 섹션을 기다리지 않고, 높아진다. 예를 들어, 라인(138)이 섹션 (1,3 및 8)에 대해 높으면, 출력(142)이 나머지 섹션(9~11)을 기다리지 않고 섹션 (8)에서 높아진다. 158에서 리셋트 신호는, 얼마나 많은 섹션이 카운트되었느냐에 관계없이 섹션점검을 차단하고, 섹션 점검기(140)가 클리어(clear)되는 0.1초 지연을 시작한 다음, 라인(138)의 다음 수신된 높은 상태에 따라 카운트를 시작하여, 높은 상태가 11개의 섹션 카운팅 과정을 시작한다. 이러한 다음에 수신된 높은 상태는, 새로 시작된 카운팅 과정의 섹션(1)에서 발생하고, 아크 표시 트립신호를 발생시키기 위해 3개의 필요한 섹션 중 첫번째를 제공한다.

라인(152)의 높은 상태는 전압변화가 분배회로(20)의 공급측에서 온다는 것을 표시한다. 즉, 부하(30) 또는 (31)에서 도 2의 회로의 우측의 부하측이 아니라, AC 전원(26), 도 2의 회로의 좌측으로부터 온다. 전류 조화노치 필터(72)와 전압 조화 노치 필터(146)에 의해 감지되듯이 전류와 전압 모두가 사이클대 사이클 변화가 있으면, 변화공급측 전압이 전류변화를 야기하기 때문에 아크 표시 트립신호가 무력화되거나 적어도 아크가 전류를 변화시켰는지 알 수 없다. 이 상황에서, 차단기는 공급측의 사상으로 트립되지 않아야 되며, 라인(67)상의 트립신호는, 라인(152)이 높아져 전압변화를 나타낼 때, 무력화된다.

전류 조화 노치 필터(72)에 의해 감지되듯이 사이클대 사이클 전류변화는 있지만, 개시된 전압변화가 없으면, 아크는 부하측에 있다. 적당한 전압변화가 없으면, 라인(152)이 낮게 유지되고, 다음에 AND 게이트(144)를 기동시켜, 라인(142)의 상태에 의해 제어되듯이, 라인(67)에 아크 표시 트립신호를 발생시킨다.

아크는 가변임피던스의 종류이다. 임피던스가 변할 때, 전류는 변하지만 공익회사에 의해 제공되는 AC 전원(26)으로부터의 전압은 비교적 일정하고 변하지 않는다. 따라서, 전압 조화 노치 필터(146)에 의해 전압변화가 감지되지 않고, 라인 (152)은 낮게 유지된다. 전류 조화 노치 필터에 의해 감지되는 변화전류는, 전원 (26)의 변화 전원 전압 이외의 어떤 사상에 의해 일어난다. 위에서 언급했듯이, 전원(26)의 변화 전원 전압은 차단기(34)를 트립하는 아크와 동일하지 않는 것이 바람직하다.

도 12는 아크 검출기(64)를 추가로 도시한다. AC 라인 전류는, 위에서 설명했듯이 전류 변환기에 의해 제공된 전류센서(170)에 의해 감지되고, 고임피던스 부하와 차단되어 시간에 대한 전류의 1차 미분의 근사치를 제공하고, 게인(gain)을 갖는 연산증폭기(172)에 공급되어 DI/DT 신호의 적분을 다시 전류신호에 제공한다. 이 전류신호는, 2극 버터워스 앤티 에일리이싱 필터(2-pole butterworth anti-aliasing filter) (174) 및 8극 버터워스 저역 스위치 콘덴서 필터(8-pole butterworth low pass switched capacitor filter)(176)를 통해 공급된다. 전체 필터는 신호를 나이키스트(Nyquist) 주파수에서 60dB 이하로 줄이는 10개의 극을 지고 있다. 다음, 신호는 Analog Devices, Inc. AD7886이 제공하는 12 비트 A/D 변환기(178)에 공급되고, 아날로그 입력이 디지털 출력으로 변환되어 Actel Corp. A1280-1PQ160C가 제공하는 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(FPGA)(field programmable gate array)에 공급된다.

AC 라인 전압은, 바람직하게는 수동 필터링을 포함하는 분압기로써 제공되는 전압 센서(182)에 의해 감지된 다음, 연산증폭기(184), 2극 버터워스필터(186), 8극 버터워스필터(188), 및 12 비트 A/D 변환기(190)(Analog Device, Inc. AD7886 제공)를 통해 FPGA(180)에 공급된다. FPGA(180)는 지시된 60Hz 조화 노치 필터와 동기 합산기를 제공하고, 파워-온-리셋트 발생기(Power-on-reset generator)(142)와 4.9152MHz 및 16MHz 클록 신호를 제공하는 클록발생기(194)에 의해 외부적으로 제어된다. 메모리(196)는 Integrated Device Technology Corp. IDT71586에 의해 제공되며, 전류 조화 노치 필터에 대해 4K×16RAM을, 전압 조화 노치 필터에 대해 4K×16RAM을, 그리고 동기 합산기에 대해 4K×16RAM을 구비한다. FPGA(180)는 선입선출 (first-in-first-out), FIFO 버퍼(198)(이는 Advanced Micro Devices, Inc. AM7204-35 제공)에 의해 Motorola MC 68HC000이 제공한 16비트 마이크로 프로세서(200)에 링크되어 그 사이에서 동기 합산 데이터를 전송한다. 마이크로 프로세서에는 Integrated Device Technology Corp. IDT71586이 제공하는 메모리(202)가 있으며, 이 메모리는 4K×16동기 합산기 RAM, 4K×16데이터 RAM 및 8K×16코드 ROM을 포함한다. 마이크로 프로세서(200) 및 FPGA(180)는, 도 3에 따라 작동한다. 미래의 개발에서 FPGA 및 아마도 마이크로 프로세서는 ASIC(응용 주문형 집적회로)으로써 대치가 기대된다. 본 발명이 아날로그 처리 시스템으로 수행될지라도 디지탈 신호처리가 바람직하다.

위에서 설명한 아크검출 방법은, AC 라인 전류의 사이클대 사이클 변화의 감지, 이러한 변화를 나타내는 차동신호의 발생, 및 아크 표시 신호를 발생하기 위한 이러한 차동신호의 소정의 상태에 대한 응답과 관련이 있다. 이를 도 13에 도시했고, 제1 사이클(θ₁,₁)에서의 제1 샘플링 포인트 또는 위상에서 전류(I₁,₁)는 제2 사이클(θ₁,₂)에서의 제1 샘플링 포인트 또는 위상에서 감지된 전류(I₁,₂)로부터 감산된다. 이는 AC 라인 전류의 변화의 지시된 사이클대 사이클 감지를 제공한다.

대안적인 방법은, AC 라인 전류의 서브사이클의 변화의 감지, 이러한 변화를 나타내는 차동신호발생, 및 아크 표시신호를 발생하기 위한 이러한 차동신호의 소정의 상태에 대한 응답이 관련된다. 여기서, 서브사이클은 AC 전원의 사이클보다 작다. 이를 도 4에 도시했고, 여기서 AC 라인 전류는 θ_a, θ_b, θ_c, 및 θ_d에서 감지된다. 먼저, θ_a~θ_c의 서브사이클을 생각하면, 도 14에서 AC 파형의 포인트 θ_a에서의 AC 라인 전류는 아크 또는 과도전류와 같은 방해가 없는 AC 파형의 포인트 θ_c의 AC 라인 전류와 동일한 절대값을 지닌다. 따라서, θ_c에서 감지된 전류와 θ_a에서 감지된 전류 사이의 전류 차동신호의 절대값은 아크가 없어 정상적으로 제로(0)가 된다. 마찬가지로, 포인트 θ_a에서 감지된 AC 라인 전류(도 14)는, 아크와 같은 방해가 없는 θ_b에서 감지된 AC 라인 전류와 동일한 절대값을 지닌다. 따라서, θ_b와 θ_a에서의 AC 라인 전류 사이의 전류차동신호의 절대값은, 아크가 없어 정상적으로 제로(0)가 된다. 포인트 θ_a및 θ_b는 AC 파형의 각각의 영교차(零交差)에서 동일한 상대적 공간을 갖는다. 동일한 관계가 θ_c와 θ_d, θ_b와 θ_d, θ_b와 θ_c및 θ_a와 θ_d사이에 존재한다. 각종 지시된 포인트간의 각종 시간 간격은 AC 전원의 1 사이클보다 작다. 포인트 θ_a와 θ_c, 및 θ_b와 θ_d사이의 시간간격은, AC 전원 사이클의 1/2이다. 포인트 θ_a와 θ_b, θ_b와 θ_c, 및 θ_c와 θ_d사이의 시간간격은, AC 전원의 사이클의 1/2보다 작다. 포인트 θ_a와 θ_d사이의 시간간격은, AC 전원의 1 사이클 보다 작고, AC 전원의 1/2사이클보다 크다. 반대의 1/2의 사이클에서의 위상에서 AC 라인 전류간의 차이를 결정할 때, 전류의 대수표시가 반전된다. 예를 들면, 포인트 θ_c및 θ_a에서 AC 라인 전류사이의 차이를 결정할 때, θ_c에서의 전류의 부의 값은 정의 값으로 반전되고, θ_a에서의 정의 값의 전류는 θ_c에서의 정의 값의 전류로부터 감산되어 지시된 HNFI 차동신호를 제공하고, 이 신호의 절대값은 지시된 전류차동신호(ID)를 제공한다. 동일 반사이클 내의 위상 포인트에서 전류차를 결정하거나 또는 위상 포인트가 부의 반사이클내에 둘다 있거나 또는 위상 포인트가 양의 반사이클내에 둘다 있을 때, 대수표시 반전은 필요없다.

일반적으로, 본 발명의 방법은, AC 파형의 소정의 포인트에서 AC 라인 전류 변화의 감지, 예를 들면, 도 13의 θ₁,₁과 θ₁,₂및 도 14의 θ_a와 θ_c, 및 도 14의 θ_a와 θ_b를 감지하고, 이러한 변화를 나타내는 차동신호를 발생하는 것과, 아크 표시신호를 발생하기 위해 차동신호의 소정의 상태에 응답하는 것에 관련된다. AC 파형의 지시된 포인트는 아크와 같은 방해가 없는 동일한 절대값을 가져서, 전류차동신호의 절대값의 차이는 아크가 없이 정상적으로 제로가 된다. 지시된 포인트는 AC 파형의 각각의 영교차로부터 동일한 상대적 공간을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 샘플링 포인트 사이의 시간 간격은 AC 전원의 1 사이클과 동일하다. 즉, 도 3 및 도 13의 시간 간격(T)과 같다. 또 다른 실시예에서, 샘플링 포인트 사이의 주기는 AC 전원의 1 사이클보다 크며 그것이 완전 배수이다. 또 다른 실시예에서, 샘플링 포인트 사이의 주기는 AC 전원의 1 사이클보다 작다. 또 다른 실시예에서 샘플링 포인트간의 주기는, AC 전원 주파수의 배수에 의해 분할된 주기이다. 여기서 배수는 정수이다. 또 다른 실시예에서 1 사이클의 포인트를 정수 사이클로 떨어지지 않는 또 다른 사이클의 상응하는 포인트, 예를 들어 도 14의 θ_a및 θ_e와 비교할 수 있다. 본 발명의 방법은, AC 파형의 소정의 주기 포인트에서 AC 라인 전류를 측정함으로써 AC 라인 전류의 조파변화를 감지하고, 이러한 변화를 나타내는 차동신호를 발생시키며, 이러한 차동신호의 소정 상태에 응답하여 아크 표시 신호를 발생시키는 것을 포함한다.

아크 표시 트립신호로 분명히 이어지게 되는 사상이 있다. 이의 예는, 찢어지거나 오염되거나 느리게 이동되는 접점, 예를 들면 결점이 있는 스냅작동, 바이메탈식으로 제어되는 접점이다. 본 발명은 이러한 사상에 응답하는 아크 표시 트립신호를 제공한다.

아크와 유사한 특성을 지닌 전류 신호를 제공할 수 있는 등급의 장치는, 특정 SCR(실리콘 제어 정류기) 제어정류 부하이며, 예를 들어(최대에 비해) 저속으로 전파모드(full wave mode)로 작동할 때, 즉, 부분작동 사이클일 때, 제어하는 것이며, 예를 들어 브러쉬와 같은 정류 메커니즘을 갖는다. 아크와 같은 전류신호의 이유는 전파(全波) 상태하에서 위상 제어된 동작주기가 2개의 콰이어트 존의 존재를 보장하는 반면, 이 정류는 필요한 사이클대 사이클 변화를 제공해야 하기 때문이다. 이러한 수행에 있어서 불필요한 트리핑 또는 기타 오류 아크 표시에 대한 해결은 SCR 제어부하의 특성에 의존한다. 즉, 이들 부하는 영교차(零交差) (자기정류)에서 전류를 턴오프하여, 낮은 기계적 속도에서 매우 낮은 역율 트레이스(power factor trace)로 이어지게 된다. 예를 들어, 동기합(synchronous sum) 즉, 피크를 영교차에 의해 검출된 전압의 위상과 연관 지음으로써 이를 검출하는 것은, 아크 표시 출력 트립 신호를 방지하기 위해 상태 점검기에서 이용될 수 있는 상황을 제공할 수 있다.

일정속도 정류(브러쉬) 모터, 특히, 노후된 모터중 일부는 바람직하지 않은 아크 표시를 제공할 수도 있는 소음 트레이스로 이어질 수 있었다. 이러한 경우에, 콰이어트 존 임계값 이하에서 이상으로의 동기합 파형의 전체 천이수는, 아크에 상응하는 수에 비해 매우 큰 것으로 판명되었다. 이 특성은, 예를 들어 도 11의 사이클당 피크(84, 86)수와 같은 소정 수의 피크보다 적게 요구, 즉, 전류차동신호가 소정의 기간동안 소정횟수보다 적게 소정의 임계값을 넘는 것을 요구 불필요한 트리핑(tripping)을 방지하는데 이용될 수 있다.

본 발명의 청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함을 알 수 있다.

Claims

반복사이클을 제공하는 소정의 기본주파수의 AC 전원(26)으로부터 부하(30)에 AC 라인 전류를 공급하는 전기회로(20)의 아크검출장치(64)에 있어서, 상기 장치는, 상기 AC 라인 전류를 감지하여, 감지된 AC 전류신호를 발생하는 수단(170)을 포함하는 감지수단(170, 182)과; 상기 감지된 AC 전류신호로부터 소정의 기본주파수를 가지며, 그것의 조화 성분은 제거된 여과 신호를 발생시키는 수단(72)과; 상기 여과 신호로부터, 그로부터 유도되는 누적신호를 발생하고, 상기 AC 전류의 선택된 사이클 수에 대해 상기 여과 신호로부터 위상 및 크기 정보를 유지하는 수단(94), 및 아크를 나타내는 상기 누적신호의 선택된 상태에 응답하여 출력신호를 발생시키는 상태 점검 수단(116)을 포함하는 아크검출장치(64).
제1항에 있어서, 상기 여과 신호를 발생하는 수단(72)은, 상기 감지된 AC 전류신호의 상응하는 포인트에서 감지된 AC 전류신호의 크기 사이의 차동신호를 발생시키는 조화 노치 필터를 포함하고, 상기 누적신호를 발생시키는 수단(94)은, 상기 AC 전류의 선택된 사이클 수에 상응하는 포인트에서 상기 차동신호의 절대값의 합으로서 누적신호를 발생하는 동기 합산기를 포함하는 아크검출장치(64).
제2항에 있어서, 상기 누적신호를 반복적으로 발생하는 수단(94)은, 상기 AC 전류 신호의 연속 섹션에 대해 상기 누적신호를 발생시키고, 섹션의 각각이 상기 AC 전류의 선택된 사이클 수를 포함하며, 상기 상태 점검기(116)는, 이 상태 점검수단 (116)이 상기 AC 전류 신호의 소정 수의 연속 섹션으로부터 소정수의 섹션에 대해 상기 선택된 상태를 검출할 때에만 상기 출력신호를 기동시키는 섹션 점검기 수단 (140)을 추가로 포함하는 아크검출장치(64).
제3항에 있어서, 상기 누적신호를 반복적으로 발생하는 수단(94)은, 상기 AC 전류 신호의 연속섹션에 대해 상기 누적신호를 발생시키고, 각각의 섹션을 포함하는 상기 선택된 사이클 수는 상기 AC 전류의 5개 사이클이며, 상기 섹션 점검 수단(140)은, 상기 상태 점검기가 상기 AC 전류 신호의 11개 연속 섹션인 상기 소정수의 연속섹션중 3개 이상인 섹션에 대해 상기 선택된 상태를 검출할 때에만 상기 출력신호를 기동시키는 아크검출장치(64).
제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 상태 점검 수단(116)은, 소정 비율의 임계값을 초과하는 상기 누적신호의 피크대 평균비의 검출과, 소정 평균임계값을 초과하는 상기 누적신호의 평균값의 검출과 각각의 콰이어트 존을 통해서 상기 누적신호가 소정의 전류 활동 임계값 이상으로 올라가지 않는 사이클 부분이며, 적어도 최소기간동안 유지되는, 상기 누적신호에서 사이클당 2개 이상의 콰이어트 존의 검출과, 소정의 콰이어트 존 상한시한보다 길게 유지되는 상기 누적신호의 콰이어트 존이 없다는 검출과, 소정의 널(null) 상한시한보다 길지 않은 널을 지닌 상기 누적신호의 검출과, 상기 상태의 결합을 포함하는 상태의 군으로부터 선택된 상태에 응답하여 상기 출력신호를 발생하는 아크검출장치(64).
제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 상태 점검 수단(116)은, 적어도 약 4 이상의 상기 누적신호의 피크대 평균비의 검출과, 적어도 약 0.4 암페어 이상의 상기 누적신호 평균값의 검출과, 상기 누적신호에서 사이클당 2개 이상의 각각의 콰이어트 존이 적어도 약 1.5밀리초의 기간동안 유지되는 콰이어트 존의 검출과, 약 9 밀리초 이상으로 존재하는 콰이어트 존이 없다는 검출과, 상기 누적신호에서 1.24 밀리초 보다 길게 유지되는 널이 없다는 검출을 포함하는 각각의 상태에 응답하여 상기 출력신호를 발생하는 아크검출장치(64).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 감지수단(170, 182)은, AC 전원에 의해 제고된 AC 전압에 응답하는 AC 전압감지수단(182)과, 전압 감지수단(182)에 응답하고, 상기 전압의 소정 상태에 응답하여 출력신호를 무력화하는 무력화 수단 (146~154)을 포함하는 아크검출장치(64).
제7항에 있어서, 상기 무력화 수단(146~154)은, 상기 AC 전압의 해당 포인트에서 AC 전압 크기 사이의 차동신호를 발생시키는 조화 노치 필터(146), 선택된 수의 사이클에 대해 상기 차동신호의 절대값의 합으로서 누적전압신호를 발생시키는 합산기(148), 및 상기 누적 전압 신호가 소정의 누적 전압 임계값을 초과할 때 상기 출력신호를 무력화하는 무력화 신호를 발생시키는 수단(150~154)을 포함하는 아크검출장치(64).
반복사이클을 제공하는 소정 주파수의 AC 전원(26)으로부터 부하(30)에 AC 라인 전류를 공급하는 전기회로(20)의 아크검출 방법에 있어서, AC 전류를 감지하여 감지된 전류신호를 발생하는 단계와; AC 전류의 상기 사이클의 해당 위상에서 감지된 전류신호 사이의 차이와 동일한 차동신호를 발생하는 단계와; 선택된 수의 사이클에 걸쳐 차동신호의 절대값을 누적시켜 누적차동신호를 발생하는 단계와; 소정 비율의 임계값을 초과하는 상기 누적 차동 신호의 피크대 평균비와, 소정의 평균 임계값을 초과하는 상기 누적 차동 신호의 평균값과, 각각의 콰이어트 존이 상기 누적 차동신호가 사실상 소정의 전류 활동 임계값 이상으로 올라가지 않는 사이클의 일부분이고, 소정의 콰이어트 존 상한보다 길게 유지되는, 상기 누적 차동 신호에서 2개 이상의 콰이어트 존과, 상기 누적 차동 신호에서 소정의 콰이어트 존 상한보다 길게 유지되는 콰이어트 존이 없다는 것과, 소정의 널 시간 상한시한 보다 길지 않은 널을 가진 상기 누적 차동 신호와, 상기 상태들의 결합을 포함하는 상태의 군으로부터 선택된 상기 누적 차동 신호의 상태에 응답하여 아크 표시 신호를 발생하는 단계를 포함하는 전기회로(20)의 아크검출방법.
제9항에 있어서, 상기 누적 차동 신호는 AC 전류의 선택된 수의 사이클을 포함하는 AC 라인 전류의 섹션에 대해 누적되고, 상기 아크검출신호는, 상기 상태가 소정수의 섹션중 상기 AC 전류의 소정 수의 섹션에 대해 검출될 때에만 기동되는 아크검출방법.