JP3879653B2 - アーク電流判別方法、及びアーク電流判別装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流負荷回路におけるアーク発生を検出し、火災等を未然に防ぐアーク電流判別方法、及びアーク電流判別装置に関するものであり、特に延長コード、器具付きコード、及びコンセントプラグを含む住宅電路の保護機器に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、過電流や短絡電流によるコード及び負荷機器の保護は、バイメタルや瞬時遮断用電磁コイルを用いた遮断器で行っていた。一般的に瞬時遮断型遮断器は、遮断器の定格電流の１０倍以上の電流が流れたときに遮断するように設定されている。しかし、コードの絶縁劣化等によって芯線間が接触するようなアーク短絡の場合には、短絡電流が瞬時遮断器の動作電流まで流れることがない状態や、負荷電流のように連続ではなく間欠的な電流となる場合があるため、瞬時遮断器が動作することなく、火災に至ることがあった。
【０００３】
このような欠点を補うために、アーク特有の電流波形を検出する遮断器が提案されている。この遮断器は、コードの芯線間が接触したときのように瞬時遮断器が検出できない電流領域で、電子回路によってアーク特有の電流波形を負荷電流と識別して検出するものである。しかしながら、負荷電流波形をアーク短絡電流波形と誤認識する場合があり、一般の負荷電流波形で誤動作することが考えられる。
【０００４】
ここで、短絡によって火災に至るまでの典型的な現象としては、芯線間が短絡し短絡電流が流れ、短絡点では大電流によって芯線が溶融してアーク放電が発生し、このアーク放電は非常に高温であるために、芯線等の高温の溶融物を飛散させ、周りのものに着火して火災になるというものである。芯線同士が溶融することによって発生するアーク短絡は、電源コードや延長コードの他に、負荷機器の内部や屋内配線でも発生する。さらに、コンセント栓刃間でも絶縁劣化によって微少電流が継続して流れ、最終的にアーク短絡となるトラッキング現象が発生する可能性もある。
【０００５】
また、対になっている芯線のうち片方の芯線が何らかの応力によって切れ、切れた芯線の端部同士が何らかの力によって接触した場合、負荷が接続されている場合は負荷電流が流れ、芯線端部ではアーク放電が発生する。このアーク発生現象は、電流経路と負荷とが直列になっていることから直列アークと呼ばれ、この直列アークが発生すると火災に至ることもある。
【０００６】
そこで例えば、単位時間毎に抽出した電流値のうち、隣接した電流値の差をとって計算した電流変動量に基づいてトラッキング短絡を検出する方法が提案されていた。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１０３６５７号公報（４頁左欄第４８行〜５頁左欄第３２行、図２〜図４）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術では交流回路で発生するアーク短絡現象を誤動作無く検出したり、直列アークを検出することができなかった。
【０００９】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、正常な負荷電流では誤検出せず、芯線間の短絡によるアーク短絡現象や、芯線の切断による直列アーク現象による交流回路の異常電流を検出できるアーク電流判別方法、及びアーク電流判別装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出し、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出して、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算し、前記積算値と閾値とを比較して、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断することを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、電源電圧のゼロクロス時点から半波毎の電流ピーク点までの時間として検出されることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から次の半波の電流ピーク点までの時間として検出されることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から１周期後の半波の電流ピーク点までの時間として検出されることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算動作は、前記位相差の絶対値を変数とする関数を所定期間内で積算することを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項２乃至５いずれかにおいて、前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから電流ピーク点の時間を検出し、同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で複数個検出された場合は、最も早く電流ピーク値が発生した時間と最も遅く電流ピーク値が発生した時間との中間を電流ピーク点の時間とすることを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項２乃至５いずれかにおいて、前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから、電流ピーク値に対して微少な値を電流ピーク値から減算した電流値が発生する時間で、且つ電流ピーク値の発生時間より早い時間と遅い時間との中間を電流ピーク点の時間とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項６において、同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で所定のサンプリング個数以上検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする。
【００１８】
請求項９の発明は、請求項２乃至７いずれかにおいて、電流ピーク点の時間が所定の範囲外で検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする。
【００１９】
請求項１０の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする。
【００２０】
請求項１１の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする。
【００２１】
請求項１２の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値から所定値を引いた値を所定期間内で積算した値であることを特徴とする。
【００２２】
請求項１３の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、所定期間内でカウントアップした値であることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度に前記位相差の絶対値から第１の所定値を減算した値を積算し、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に前記積算値から第２の所定値を減算した値であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度にカウントアップし、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に所定値を減算した値であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１６の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記積算値が閾値を超えたとき、且つ前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい状態が所定の回数連続して続いたときにアーク電流が発生したと判断することを特徴とする。
【００２６】
請求項１７の発明は、請求項１において、前記位相差の絶対値を変数とする関数は前記位相差の絶対値によって区切られた小区間毎に積算され、小区間毎の積算値は小区間毎に設定された閾値と比較されて、所定の小区間で積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断することを特徴とする。
【００２７】
請求項１８の発明は、交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出する手段と、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出する手段と、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算する手段と、前記積算値と閾値とを比較する手段と、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する手段とを備えることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図２は本願発明の実施形態の回路構成例を示しており、ＡＣ１００Ｖｒｍｓの交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流を検出する電流検出回路１と、電源電圧を検出する電圧検出回路２と、マイコン３とから構成される。電流検出回路１は、検出値に応じた電流を出力するＣＴ１０と、ＣＴ１０の出力電流を電圧に変換する負荷抵抗１１と、必要な帯域のみを通過させるフィルタ１２と、信号を増幅する増幅回路１３と、入力の絶対値を電流信号Ｓ１として出力する絶対値回路１４とを備える。
【００３０】
電圧検出回路２は、電源電圧を分圧する抵抗分圧回路２０と、差動入力回路２１と、必要な帯域のみを通過させるフィルタ２２と、入力をゼロレベルと比較してデジタルパルスに変換した電圧信号Ｓ２を出力するゼロクロスコンパレータ２３とを備える。
【００３１】
マイコン３は、電流検出回路１が出力する電流信号Ｓ１を所定のサンプリング周波数（例えば１００μｓｅｃ）でＡ／Ｄ変換して取り込み、電圧検出回路２のゼロクロスコンパレータ２３でデジタルパルスに変換した電圧信号Ｓ２をＩ／Ｏポートから取り込む。
【００３２】
図３は、マイコン３が取り込む電流信号Ｓ１と電圧信号Ｓ２とを示しており、電流信号Ｓ１が絶対値に変換されているのはＡ／Ｄ変換の分解能を上げるためであり、Ａ／Ｄ変換の分解能が十分な場合は絶対値回路１４を加算回路に置き換えて、図４に示すようにＣＴ１０で検出した交流波形に直流を重畳した電流信号Ｓ１’をマイコン３でＡ／Ｄ変換してもよい。また、電圧信号Ｓ２は電源電圧の極性が反転する度に、ハイレベルとローレベルとを交互に繰り返している。
【００３３】
そして、マイコン３内では電流信号Ｓ１、電圧信号Ｓ２を所定のプログラムによって解析し、アーク電流であると判定した場合、事故検出信号Ｓ３を電圧出力ポートから出力する。
【００３４】
ここで、図５は、実験で再現した直列アークの電流波形であり、図６は図５の四角枠Ｍの拡大図であり、アーク電流波形と電源電圧（ＡＣ１００Ｖ）波形とを示している。また、図７は一般家庭で使用される掃除機のスイッチを入れたときの負荷電流波形である。アーク電流は絶縁劣化箇所の電流経路や抵抗が不規則に変化するため各半波の電流ピーク値や、電流ピークの位相（ピーク位相）が不規則に変化することが特徴である。一方、負荷電流は負荷機器で制御されているため、アーク電流に比べて電流ピーク値やピーク位相が不規則且つ大きく変動することはない。
【００３５】
そこで本実施形態では、アーク電流のピーク位相が半波毎に不規則に変動することに着目し、アーク電流と負荷電流とを識別するもので、マイコン３では、図１に示すように、アーク電流のピーク位相として、電源電圧のゼロクロス時点から正の半波の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１，Ｉｐｅａｋ２，．．．及び負の半波の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１´，Ｉｐｅａｋ２´，．．．となる時点までの各電流ピーク時間Ａ（ｎ）（正の半波：ｎ＝１，２，３，４，５，．．．、負の半波：ｎ＝１´，２´，３´，４´，５´，．．．）を検出し、検出した電流ピーク時間Ａ（ｎ）と１周期後に検出した半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ＋１）との差（隣り合う周期の電流ピーク時間の差）ΔＡ（ｎ）´＝Ａ（ｎ）−Ａ（ｎ＋１）の絶対値ΔＡ（ｎ）＝｜Ａ（ｎ）−Ａ（ｎ＋１）｜を算出して、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）に対して所定期間（ｔ０−α）〜ｔ０間で［数１］で表される積算を行うものである。
【００３６】
【数１】
【００３７】
この積算値Ｗは、Ｗ＝Ｗ＋ΔＡ（ｎ）（但し、所定期間内での積算）でも表される。そしてマイコン３は積算値Ｗと閾値とを比較して、積算値Ｗが閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する。
【００３８】
次に負荷電流またはアーク電流が流れた場合、各々についての判定までの手順を具体的に説明する。図８は、図７に示す一般家庭で使用される掃除機のスイッチをオンにしたときの負荷電流の各半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ）の時間変化を示すもので、横軸は時間として電流波形の半波の数ｎとし、縦軸は電流ピーク時間Ａ（ｎ）としてある。具体的には、図７の負荷電流波形における電源電圧のゼロクロス時点から半波毎の電流ピーク時点Ｐ１〜Ｐ６までの電流ピーク時間Ａ（ｎ）は、図８中の点Ｐ１ａ〜Ｐ６ａに各々示される。
【００３９】
図９は図８の隣り合う周期の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´の変動を示すもので、横軸は電流波形の半波の数ｎとし、縦軸は隣り合う周期の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´としてある。具体的には、図９中の点Ｐ１１は図８中のＰ３ａ−Ｐ１ａ、点Ｐ１２はＰ４ａ−Ｐ２ａ、点Ｐ１３はＰ５ａ−Ｐ３ａを示す。そして、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´が、互いに絶対値が等しい閾値Ｋ１（＝０．５ｍｓｅｃ），Ｋ２（＝−０．５ｍｓｅｃ）の外側である場合のみ、すなわち隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合のみ積算値Ｗ＝Ｗ＋ΔＡ（ｎ）の積算動作を行うが、この負荷電流の場合、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´の全点は閾値Ｋ１，Ｋ２に挟まれた内側に入る、すなわち電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃ以下となるため、積算動作は行わない。なお、一部の負荷、使用状況を除いて負荷電流の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´はこの閾値Ｋ１，Ｋ２内に入る。
【００４０】
次に、アーク電流が流れた場合として、図１０は、図５に示すアーク電流の各半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ）の時間変化を示すもので、図８と同様に求められる。図１１は図１０の隣り合う周期の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´の変動を示すもので、図９と同様に求められる。そして、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´が、正負の閾値Ｋ１，Ｋ２を超える点、すなわち電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超える点Ｐ２１，Ｐ２３，Ｐ２６、Ｐ３０，Ｐ３２，Ｐ４６，Ｐ４８，Ｐ６１，Ｐ６６が出現している点がアーク電流の特徴であり、この電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えたときに積算値Ｗ＝Ｗ＋ΔＡ（ｎ）の積算動作を行う。
【００４１】
次に［数１］で示す第１の積算方法以外の４種類の積算方法（第２〜第５の積算方法）について説明する。なお、アーク電流の各半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ）の時間変化、及び隣り合う周期の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´の変動は前述と同様に図１０、図１１と同様である。まず第２の積算方法は、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合には｛ΔＡ（ｎ）−０．５ｍｓｅｃ｝を積算し（Ｗａ＝Ｗａ＋ΔＡ（ｎ）−０．５）、０．５ｍｓｅｃ以下の場合はそのときの積算値Ｗａから所定の値Ｌを減算する方法であり（Ｗａ＝Ｗａ−Ｌ、Ｗａ≧０）、ここではＬ＝０．０２とする。図１１の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´に対応する本積算動作は図１２に示され、図１１の点Ｐ２３が負の閾値Ｋ２をＹ＝０．１ｍｓｅｃ超えたとき、図１２の点Ｐ７０に示すように、点Ｐ２３と閾値との差０．１を積算値Ｗａに積算する。次に点Ｐ２４，Ｐ２５は閾値Ｋ１，Ｋ２に挟まれた内側に入っているため、点Ｐ７０→Ｐ７１→Ｐ７２に示すように積算値ＷａからＬ＝０．０２を各々減算する。次に点Ｐ２６が正の閾値Ｋ１を超えた場合は、点Ｐ７２→Ｐ７３に示すように、点Ｐ２６と閾値との差を積算値Ｗａに積算する。そして、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´が大きいとき、点Ｐ７４のように積算値Ｗａが一気にアーク検出閾値Ｋ３（＝０．２）を超えて、この時点でアーク電流検出と判定する。
【００４２】
次に第３の積算方法は、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃ以上となった場合に１カウントアップし、０．５ｍｓｅｃ未満となった場合は所定の値Ｍを減算する方法で、ここではＭ＝０．２とする。図１１の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´に対応する本積算動作は図１３に示され、図１１の点Ｐ２１が正の閾値Ｋ１以上となったとき、図１３の点Ｐ８０に示すように積算値Ｗｂの１カウントアップを行う。次に点Ｐ２２は閾値Ｋ１，Ｋ２に挟まれた内側に入っているため、点Ｐ８０→Ｐ８１に示すように積算値ＷｂからＭ＝０．２を減算する。次に点Ｐ２３が負の閾値Ｋ２以下となった場合は、点Ｐ８１→Ｐ８２に示すように積算値Ｗｂの１カウントアップを行う。そして、積算値Ｗｂがアーク検出閾値Ｋ４（＝３）を超えたときにアーク電流検出と判定する。この積算方法は、閾値以上になる電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）がある期間内に亘って続いた場合にアーク検出を行うものである。
【００４３】
また第４の積算方法として、所定期間内で、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合には｛ΔＡ（ｎ）−０．５ｍｓｅｃ｝を積算する方法があり、所定期間内での積算値がアーク検出閾値を超えた場合にアーク電流検出と判定する。
【００４４】
さらに第５の積算方法として、所定期間内で、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が、閾値０．５ｍｓｅｃ以上になった場合に１カウントアップする方法があり、所定期間内での積算値がアーク検出閾値を超えた場合にアーク電流検出と判定する。
【００４５】
上記第２〜第５の積算方法のいずれも、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合に積算を行うが、第２，第４の積算方法は電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）と閾値０．５ｍｓｅｃとの差を積算しており、この積算方法は、ΔＡ（ｎ）−０．５ｍｓｅｃが大きい場合に、積算値が一気に大きくなってアーク検出を行うので、検出時間を早くできるという特徴を有する。対して、第３，第５の積算方法は電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合に１カウントアップしており、この積算方法はマイコン３のプログラミング上計算が容易であり、メモリの使用量を抑えることができるという特徴を有する。
【００４６】
また積算期間に関しては、上記第４，第５の積算方法は常に最新の所定期間内での積算によってアーク電流を判定するのに対して、上記第２，第３の積算方法は電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合に積算し、超えない場合に減算するもので、最新の積算期間の情報をメモリに記憶する必要がないためマイコン３のメモリを削減できるが、この積算方法は上記第４，第５の積算方法の簡易方法として考案したもので、積算時間が長い場合、意図した積算が行われない場合がある。
【００４７】
インバータ式の電子レンジ等の電流波形は図１４に示すように、電流波形のピーク付近が平らである。この電流信号をマイコン３でＡ／Ｄ変換すると図１５のようになり、Ａ／Ｄ変換の分解能（図１５では１００μｓｅｃでサンプリングしている）によっては時間ｔ１〜ｔ２の範囲で同じデジタル値の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１０が複数点となることがある。この場合は、最も早く電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１０が発生した時間ｔ１と、最も遅く電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１０が発生した時間ｔ２との中間である時間ｔ３を電流ピーク時間Ａ（ｎ）とすることで、電流ピーク時間Ａ（ｎ）の検出精度を向上させることができる。
【００４８】
また図１６は、電流波形のピーク付近が平らでありながら、電流ピーク点のある部分がＡ／Ｄ変換の誤差によって本来の検出すべき位置よりずれた場合、その電流ピーク点の時間をそのまま電流ピーク時間Ａ（ｎ）とすると誤差が生じる。これを防ぐために、電流ピーク点から電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１１に比べて非常に小さい値だけ下がった電流Ｉｐｅａｋ１１’であり、且つ電流ピーク値の発生時間より早い点Ｅ，電流ピーク値の発生時間より遅い点Ｆの時間ｔ４，ｔ５を検出し、時間ｔ４，ｔ５の中間である時間ｔ６を電流ピーク時間Ａ（ｎ）とすることで、電流ピーク時間Ａ（ｎ）の検出精度を向上させることができる。
【００４９】
さらに、アーク電流波形のピークは凸状であり、アーク電流波形では同じデジタル値の電流ピーク値が負荷電流と同じように続くことはないことから、同じデジタル値の電流ピーク値が一定数以上続く場合この波形は負荷特有の波形であると判断でき、負荷特有の波形である場合は、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を強制的にゼロ（ΔＡ（ｎ）＝０）とすることで、このような負荷特性による誤動作を防ぐことができる。
【００５０】
次に、負荷電流の力率が非常に悪い場合の電流波形と電源電圧波形とを図１７に示す。負荷電流の力率が非常に悪い場合には、電流ピーク点が電圧ゼロクロス時点ｔ７，ｔ８の近傍となることがある。電流ピーク値は電圧ゼロクロス時点ｔ７−ｔ８間で検出するので、電流ピーク点がこの時点ｔ７−ｔ８間から外れると電流ピーク時間Ａ（ｎ）を誤検出する場合がある。そこで、電流ピーク点の検出精度を考慮して、電圧ゼロクロス時点ｔ７，ｔ８の近傍の範囲Ｔ１（例えば位相０°〜１０°），Ｔ２（例えば位相１７０°〜１８０°）内に電流ピーク点が存在する場合は、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を強制的にゼロ（ΔＡ（ｎ）＝０）とすることで、このような負荷による誤動作を防ぐことができる。
【００５１】
また、電源を投入して負荷電流が流れ始めた直後や、負荷機器を使用中に使用モードを切り換えたとき、電流ピーク時間Ａ（ｎ）が変動する場合がある。この場合の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）は、アーク電流発生時の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）よりも大きく、変動の継続時間は数周期と短い。したがって、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値より大きい場合、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を強制的にゼロ（ΔＡ（ｎ）＝０）とすることで、負荷機器の電源投入や、使用モードの切り換えによる誤動作を防ぐことができる。
【００５２】
次に、インバータ式の洗濯機等の場合、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）は大きく、誤動作を引き起こす恐れがある。以下この誤動作を防止する方法について説明する。図１８はインバータ式の洗濯機の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´である。この変動は負荷機器の中でも大きく、アーク電流発生時の変動の大きさに匹敵する。
【００５３】
ここで図１９は、インバータ式の洗濯機の負荷電流について、隣り合う周期の電流ピーク値の差｛Ｉｐｅａｋ（ｎ＋１）−Ｉｐｅａｋ（ｎ）｝と、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´との相関を表したものであり、図２０はインバータ式の洗濯機のアーク電流について図１９と同様の相関を表したものである。インバータ式の洗濯機の負荷電流は一般的に原点に近い部分に集まり、図１９では原点を斜めに横切る範囲Ｑ１内に収まっており、隣り合う周期の電流ピーク値の差の変動は大きいものの、電流ピーク値の差が小さい領域（例えば−５Ａ〜５Ａ）ではピーク時間の差の変動は比較的小さく、電流ピーク値の差が−５Ａ〜５Ａで且つピーク時間の差が５００μｓｅｃ以上あるいは−５００μｓｅｃ以下の範囲Ｑ２内には分布がないことが特徴である。対してアーク電流は、その電流値及び電流ピークの時間が半波毎に不規則に変動する。よって図２０に示すように、その分布は負荷電流に比べて広い範囲Ｑ３に広がるのが特徴であり、電流ピーク値の差が小さい領域でもピーク時間の差の変動は大きいものとなっている。したがって、電流ピーク値の差の絶対値が閾値よりも大きい領域Ｑ４（図１９の斜線部，５Ａ以上及び−５Ａ以下）に存在する場合は、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を強制的にゼロ（ΔＡ（ｎ）＝０）とすることで、検出対象から除外してインバータ式の洗濯機での誤動作を防ぐことができる。
【００５４】
さらに、一般的な負荷での誤動作対策を以下説明する。アーク電流の各半波のピーク電流値の変動は負荷電流のピーク電流の変動に比べて大きいので、積算値Ｗが閾値を超え、且つ交流電流の半波毎の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ（ｎ）を検出し、検出した電流ピーク値Ｉｐｅａｋ（ｎ）と１周期後の半波の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ（ｎ＋１）との差の絶対値ΔＩｐｅａｋ（ｎ）＝｜Ｉｐｅａｋ（ｎ＋１）−Ｉｐｅａｋ（ｎ）｜を閾値と比較し、電流差の絶対値ΔＩｐｅａｋ（ｎ）が閾値より大きい状態が所定の回数連続して続いたときにアーク電流が発生したと判断すれば、電流ピーク点の位相の変動と電流ピーク値の変動とによってアーク電流検出の判定を行うので、誤動作をより少なくすることができる。
【００５５】
また別の対策を以下説明する。アーク電流の電流ピーク時間Ａ（ｎ）は不規則に変動するので、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）もある範囲でばらつく。一方、負荷電流の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）は、負荷への電源投入時、使用モードの変更時や、インバータ式の洗濯機等を除いて、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）は比較的小さく、所定の範囲内に収まる。そこで、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）によって区切られた小区分毎に積算する。例えば、小区分をＷ１，Ｗ２，Ｗ３．．．とし、ｐ＜ΔＡ（ｎ）≦ｑであれば小区分Ｗ１で積算し、ｑ＜ΔＡ（ｎ）≦ｒであれば小区分Ｗ２で積算し、．．．というように各小区分Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３．．．毎に積算して、各小区分毎に設定した閾値と比較する。
【００５６】
上記積算方法を用いると、アーク電流は電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）がばらつくので、複数の小区間においてまんべんなく積算される。対して負荷電流の場合は、特定の小区間のみにおいて積算される。したがって、予め設定した複数の小区分において、小区分毎の積算値が閾値を超えた場合にアーク電流検出と判定することで、負荷電流に対する誤動作を低減することができる。
【００５７】
（実施形態２）
図２１は、アーク電流のピーク位相として、半波毎の電流ピーク点から次の半波の電流ピーク点までの時間（電流ピーク時間）Ｂ（ｎ）（正の半波：ｎ＝１，２，３，４，５，．．．、負の半波：ｎ＝１´，２´，３´，４´，５´，．．．）を検出し、検出した電流ピーク時間Ｂ（ｎ）と１周期後に検出した半波の電流ピーク時間Ｂ（ｎ＋１）との差（隣り合う周期の電流ピーク時間の差）の絶対値ΔＢ（ｎ）＝｜Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ＋１）｜を算出して、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＢ（ｎ）に対して所定期間（ｔ０−α）〜ｔ０間で［数２］で表される積算を行うものである。
【００５８】
【数２】
【００５９】
この積算値Ｗは、Ｗ＝Ｗ＋ΔＢ（ｎ）（但し、所定期間内での積算）でも表される。そして積算値Ｗと閾値とを比較して、積算値Ｗが閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する。
【００６０】
このアーク電流判別方法は、実施形態１のような電圧のゼロクロス時点の検出が不要であり、電流波形のみの検出によってアーク電流の判別を行うことができ、電流ピーク点の位相検出方法以外については実施形態１と同様に行うことができる。
【００６１】
（実施形態３）
図２２は、アーク電流のピーク位相として、半波毎の電流ピーク点から次の１周期後の半波の電流ピーク点までの時間（電流ピーク時間）Ｃ（ｎ）（正の半波：ｎ＝１，２，３，４，５，．．．、負の半波：ｎ＝１´，２´，３´，４´，５´，．．．）を検出し、検出した電流ピーク時間Ｃ（ｎ）と１周期後に検出した半波の電流ピーク時間Ｃ（ｎ＋１）との差（隣り合う周期の電流ピーク時間の差）の絶対値ΔＣ（ｎ）＝｜Ｃ（ｎ）−Ｃ（ｎ＋１）｜を算出して、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＣ（ｎ）に対して所定期間（ｔ０−α）〜ｔ０間で［数３］で表される積算を行うものである。
【００６２】
【数３】
【００６３】
この積算値Ｗは、Ｗ＝Ｗ＋ΔＣ（ｎ）（但し、所定期間内での積算）でも表される。そして積算値Ｗと閾値とを比較して、積算値Ｗが閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する。
【００６４】
このアーク電流判別方法は、ドライヤーの弱モードで出現する半波整流した電流波形のように正側と負側とで異なる電流波形の場合に有効であり、電流ピーク点の位相検出方法以外については実施形態１と同様に行うことができる。
【００６５】
ここで、一般家庭では複数の負荷が同時に使用されることが普通であり、この一般家庭の電路を流れる電流波形は、各負荷電流の合成（和）となり、このような状況でもアーク電流が流れた場合には検出する必要がある。上記実施形態１〜３においては、このような場合でも各半波の電流ピーク時間が同様に変動するので、アーク電流の検出が可能である。
【００６６】
また、プラグのトラッキング現象は、プラグの栓刃間で微少な電流が流れ、絶縁劣化の進行によって徐々に電流が大きくなり、最終的には短絡に至る。この現象は比較的小さい電流（２〜３Ａ程度）でもアークを発生し火災に至るため、なるべく小さいアーク電流で検出して電路を遮断する必要がある。上記実施形態１〜３においては電流ピーク時間を検出するので、２〜３Ａ程度の小さい電流値についても電流ピーク時間の検出が可能であり、プラグのトラッキング現象を早期に検出することができる。
【００６７】
上記実施形態１〜３においては、電流ピーク時間の変動を検出して、アーク電流と負荷電流とを識別する方法、及びその装置について述べた。しかし、アーク電流の性質からすれば、各周期毎のアーク電流が流れ始める時間や電流が流れなくなる時間等も同様に変動する性質がある。したがって上記実施形態１〜３で述べた電流ピーク時間の変動以外にも、電流の始点、終点の時間を検出することによってもアーク電流と負荷電流とを識別することができる。
【００６８】
また、検出した電流ピーク時間Ａ（ｎ）、Ｂ（ｎ）、Ｃ（ｎ）と１周期後の半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ＋１）、Ｂ（ｎ＋１）、Ｃ（ｎ＋１）との差の絶対値を算出して、この電流ピーク時間の差の絶対値を変数とする関数を積算しているが、電流ピーク時間の差は検出した電流ピーク時間と所定の周期後に検出した半波の電流ピーク時間との差でよく、例えば検出した電流ピーク時間Ａ（ｎ）、Ｂ（ｎ）、Ｃ（ｎ）と半周期後に検出した半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ）´、Ｂ（ｎ）´、Ｃ（ｎ）´との差の絶対値であってもよい。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出し、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出して、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算し、前記積算値と閾値とを比較して、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断するので、正常な負荷電流では誤検出せず、芯線間の短絡によるアーク短絡現象や、芯線の切断が原因によって発生する直列アーク現象による交流回路の異常電流を検出できるという効果がある。
【００７０】
請求項２の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、電源電圧のゼロクロス時点から半波毎の電流ピーク点までの時間として検出されるので、交流電流の電流ピーク点の位相の具体的な検出方法を提供できるという効果がある。
【００７１】
請求項３の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から次の半波の電流ピーク点までの時間として検出されるので、請求項２のような電圧のゼロクロス時点の検出が不要であり、電流波形のみの検出によってアーク電流検出の判定を行うことができるという効果がある。
【００７２】
請求項４の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から１周期後の半波の電流ピーク点までの時間として検出されるので、ドライヤーの弱モードで出現する半波整流した電流波形のように正側と負側とで異なる電流波形の場合に有効であるという効果がある。
【００７３】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算動作は、前記位相差の絶対値を変数とする関数を所定期間内で積算するので、最新の期間の情報によってアーク電流検出の判定を行うことができるという効果がある。
【００７４】
請求項６の発明は、請求項２乃至５いずれかにおいて、前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから電流ピーク点の時間を検出し、同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で複数個検出された場合は、最も早く電流ピーク値が発生した時間と最も遅く電流ピーク値が発生した時間との中間を電流ピーク点の時間とするので、インバータ式の電子レンジ等のようにピーク付近が平らな電流波形に対して、電流ピーク点の時間の検出精度を向上させることができるという効果がある。
【００７５】
請求項７の発明は、請求項２乃至５いずれかにおいて、前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから、電流ピーク値に対して微少な値を電流ピーク値から減算した電流値が発生する時間で、且つ電流ピーク値の発生時間より早い時間と遅い時間との中間を電流ピーク点の時間とするので、ピーク付近が平らな電流波形で、電流ピーク点のある部分がＡ／Ｄ変換の誤差によって本来の検出すべき位置よりずれた場合にでも、電流ピーク点の時間の検出精度を向上させることができるという効果がある。
【００７６】
請求項８の発明は、請求項６において、同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で所定のサンプリング個数以上検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定するので、負荷特性による誤動作を防止することができるという効果がある。
【００７７】
請求項９の発明は、請求項２乃至７いずれかにおいて、電流ピーク点の時間が所定の範囲外で検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定するので、負荷電流の力率が悪い場合に電流ピーク点の時間を誤検出することを阻止して、負荷特性による誤動作を防止することができるという効果がある。
【００７８】
請求項１０の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定するので、負荷への電源投入や、使用モードの変更による誤動作を防止することができるという効果がある。
【００７９】
請求項１１の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定するので、インバータ式の洗濯機等のように電流ピーク点の時間変動が大きい負荷に対して、誤動作を防止することができるという効果がある。
【００８０】
請求項１２の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値から所定値を引いた値を所定期間内で積算した値であるので、最新期間の情報によってアーク電流検出の判定を行うことができ、電流ピーク点の位相の変動が大きい場合には検出時間が早くなるという効果がある。
【００８１】
請求項１３の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、所定期間内でカウントアップした値であるので、最新期間の情報によってアーク電流検出の判定を行うことができ、さらにマイコンのプログラミング上計算が容易であり、メモリの使用量を抑えることができるという効果がある。
【００８２】
請求項１４の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度に前記位相差の絶対値から第１の所定値を減算した値を積算し、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に前記積算値から第２の所定値を減算した値であるので、最新期間の情報をメモリに確保する必要がないためマイコンのメモリを削減することができ、さらに電流ピーク点の位相の変動が大きい場合には検出時間が早くなるという効果がある。
【００８３】
請求項１５の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度にカウントアップし、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に所定値を減算した値であるので、最新期間の情報をメモリに確保する必要がないためマイコンのメモリを削減することができ、さらにマイコンのプログラミング上計算が容易であり、メモリの使用量をさらに抑えることができるという効果がある。
【００８４】
請求項１６の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記積算値が閾値を超えたとき、且つ前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい状態が所定の回数連続して続いたときにアーク電流が発生したと判断するので、電流ピーク点の位相の変動と電流ピーク値の変動とによってアーク電流検出の判定を行い、誤動作をより少なくすることができるという効果がある。
【００８５】
請求項１７の発明は、請求項１において、前記位相差の絶対値を変数とする関数は前記位相差の絶対値によって区切られた小区間毎に積算され、小区間毎の積算値は小区間毎に設定された閾値と比較されて、所定の小区間で積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断するので、誤動作をより少なくすることができるという効果がある。
【００８６】
請求項１８の発明は、交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出する手段と、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出する手段と、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算する手段と、前記積算値と閾値とを比較する手段と、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する手段とを備えるので、正常な負荷電流では誤検出せず、芯線間の短絡によるアーク短絡現象や、芯線の切断による直列アーク現象による交流回路の異常電流を検出する装置を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流ピーク点の位相を検出する第１の方法を示す図である。
【図２】同上の回路構成を示す図である。
【図３】同上の絶対値に変換された電流信号、電圧信号を示す図である。
【図４】同上の絶対値に変換されない電流信号、電圧信号を示す図である。
【図５】アーク電流波形を示す図である。
【図６】アーク電流波形の拡大図である。
【図７】掃除機の負荷電流波形を示す図である。
【図８】掃除機の負荷電流の電流ピーク時間の時間変化を示す図である。
【図９】図８の隣り合う周期の電流ピーク時間の差の時間変化を示す図である。
【図１０】アーク電流の電流ピーク時間の時間変化を示す図である。
【図１１】図１０の隣り合う周期の電流ピーク時間の差の時間変化を示す図である。
【図１２】図１１の電流ピーク時間の差の第１の積算方法を示す図である。
【図１３】図１１の電流ピーク時間の差の第２の積算方法を示す図である。
【図１４】インバータ式電子レンジの電流波形を示す図である。
【図１５】本発明の電流ピーク時間の第１の検出方法を示す図である。
【図１６】同上の電流ピーク時間の第２の検出方法を示す図である。
【図１７】同上の電流ピーク時間の検出範囲を示す図である。
【図１８】インバータ式洗濯機の隣り合う周期の電流ピーク時間の差の時間変化を示す図である。
【図１９】インバータ式洗濯機の負荷電流の電流ピーク差と電流ピーク時間差との相関を示す図である。
【図２０】アーク電流の電流ピーク差と電流ピーク時間差との相関を示す図である。
【図２１】本発明の電流ピーク点の位相を検出する第２の方法を示す図である。
【図２２】同上の電流ピーク点の位相を検出する第３の方法を示す図である。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ１´，Ａ２，Ａ２´，．．． 電流ピーク時間
Ｉｐｅａｋ１，Ｉｐｅａｋ１´，．．． 電流ピーク値
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流負荷回路におけるアーク発生を検出し、火災等を未然に防ぐアーク電流判別方法、及びアーク電流判別装置に関するものであり、特に延長コード、器具付きコード、及びコンセントプラグを含む住宅電路の保護機器に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、過電流や短絡電流によるコード及び負荷機器の保護は、バイメタルや瞬時遮断用電磁コイルを用いた遮断器で行っていた。一般的に瞬時遮断型遮断器は、遮断器の定格電流の１０倍以上の電流が流れたときに遮断するように設定されている。しかし、コードの絶縁劣化等によって芯線間が接触するようなアーク短絡の場合には、短絡電流が瞬時遮断器の動作電流まで流れることがない状態や、負荷電流のように連続ではなく間欠的な電流となる場合があるため、瞬時遮断器が動作することなく、火災に至ることがあった。
【０００３】
このような欠点を補うために、アーク特有の電流波形を検出する遮断器が提案されている。この遮断器は、コードの芯線間が接触したときのように瞬時遮断器が検出できない電流領域で、電子回路によってアーク特有の電流波形を負荷電流と識別して検出するものである。しかしながら、負荷電流波形をアーク短絡電流波形と誤認識する場合があり、一般の負荷電流波形で誤動作することが考えられる。
【０００４】
ここで、短絡によって火災に至るまでの典型的な現象としては、芯線間が短絡し短絡電流が流れ、短絡点では大電流によって芯線が溶融してアーク放電が発生し、このアーク放電は非常に高温であるために、芯線等の高温の溶融物を飛散させ、周りのものに着火して火災になるというものである。芯線同士が溶融することによって発生するアーク短絡は、電源コードや延長コードの他に、負荷機器の内部や屋内配線でも発生する。さらに、コンセント栓刃間でも絶縁劣化によって微少電流が継続して流れ、最終的にアーク短絡となるトラッキング現象が発生する可能性もある。
【０００５】
また、対になっている芯線のうち片方の芯線が何らかの応力によって切れ、切れた芯線の端部同士が何らかの力によって接触した場合、負荷が接続されている場合は負荷電流が流れ、芯線端部ではアーク放電が発生する。このアーク発生現象は、電流経路と負荷とが直列になっていることから直列アークと呼ばれ、この直列アークが発生すると火災に至ることもある。
【０００６】
そこで例えば、単位時間毎に抽出した電流値のうち、隣接した電流値の差をとって計算した電流変動量に基づいてトラッキング短絡を検出する方法が提案されていた。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１０３６５７号公報（４頁左欄第４８行〜５頁左欄第３２行、図２〜図４）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術では交流回路で発生するアーク短絡現象を誤動作無く検出したり、直列アークを検出することができなかった。
【０００９】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、正常な負荷電流では誤検出せず、芯線間の短絡によるアーク短絡現象や、芯線の切断による直列アーク現象による交流回路の異常電流を検出できるアーク電流判別方法、及びアーク電流判別装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出し、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出して、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算し、前記積算値と閾値とを比較して、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断することを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、電源電圧のゼロクロス時点から半波毎の電流ピーク点までの時間として検出されることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から次の半波の電流ピーク点までの時間として検出されることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から１周期後の半波の電流ピーク点までの時間として検出されることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算動作は、前記位相差の絶対値を変数とする関数を所定期間内で積算することを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項２乃至５いずれかにおいて、前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから電流ピーク点の時間を検出し、同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で複数個検出された場合は、最も早く電流ピーク値が発生した時間と最も遅く電流ピーク値が発生した時間との中間を電流ピーク点の時間とすることを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項２乃至５いずれかにおいて、前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから、電流ピーク値に対して微少な値を電流ピーク値から減算した電流値が発生する時間で、且つ電流ピーク値の発生時間より早い時間と遅い時間との中間を電流ピーク点の時間とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項６において、同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で所定のサンプリング個数以上検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする。
【００１８】
請求項９の発明は、請求項２乃至７いずれかにおいて、電流ピーク点の時間が所定の範囲外で検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする。
【００１９】
請求項１０の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする。
【００２０】
請求項１１の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする。
【００２１】
請求項１２の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値から所定値を引いた値を所定期間内で積算した値であることを特徴とする。
【００２２】
請求項１３の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、所定期間内でカウントアップした値であることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度に前記位相差の絶対値から第１の所定値を減算した値を積算し、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に前記積算値から第２の所定値を減算した値であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度にカウントアップし、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に所定値を減算した値であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１６の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記積算値が閾値を超えたとき、且つ前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい状態が所定の回数連続して続いたときにアーク電流が発生したと判断することを特徴とする。
【００２６】
請求項１７の発明は、請求項１において、前記位相差の絶対値を変数とする関数は前記位相差の絶対値によって区切られた小区間毎に積算され、小区間毎の積算値は小区間毎に設定された閾値と比較されて、所定の小区間で積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断することを特徴とする。
【００２７】
請求項１８の発明は、交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出する手段と、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出する手段と、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算する手段と、前記積算値と閾値とを比較する手段と、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する手段とを備えることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図２は本願発明の実施形態の回路構成例を示しており、ＡＣ１００Ｖｒｍｓの交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流を検出する電流検出回路１と、電源電圧を検出する電圧検出回路２と、マイコン３とから構成される。電流検出回路１は、検出値に応じた電流を出力するＣＴ１０と、ＣＴ１０の出力電流を電圧に変換する負荷抵抗１１と、必要な帯域のみを通過させるフィルタ１２と、信号を増幅する増幅回路１３と、入力の絶対値を電流信号Ｓ１として出力する絶対値回路１４とを備える。
【００３０】
電圧検出回路２は、電源電圧を分圧する抵抗分圧回路２０と、差動入力回路２１と、必要な帯域のみを通過させるフィルタ２２と、入力をゼロレベルと比較してデジタルパルスに変換した電圧信号Ｓ２を出力するゼロクロスコンパレータ２３とを備える。
【００３１】
マイコン３は、電流検出回路１が出力する電流信号Ｓ１を所定のサンプリング周波数（例えば１００μｓｅｃ）でＡ／Ｄ変換して取り込み、電圧検出回路２のゼロクロスコンパレータ２３でデジタルパルスに変換した電圧信号Ｓ２をＩ／Ｏポートから取り込む。
【００３２】
図３は、マイコン３が取り込む電流信号Ｓ１と電圧信号Ｓ２とを示しており、電流信号Ｓ１が絶対値に変換されているのはＡ／Ｄ変換の分解能を上げるためであり、Ａ／Ｄ変換の分解能が十分な場合は絶対値回路１４を加算回路に置き換えて、図４に示すようにＣＴ１０で検出した交流波形に直流を重畳した電流信号Ｓ１’をマイコン３でＡ／Ｄ変換してもよい。また、電圧信号Ｓ２は電源電圧の極性が反転する度に、ハイレベルとローレベルとを交互に繰り返している。
【００３３】
そして、マイコン３内では電流信号Ｓ１、電圧信号Ｓ２を所定のプログラムによって解析し、アーク電流であると判定した場合、事故検出信号Ｓ３を電圧出力ポートから出力する。
【００３４】
ここで、図５は、実験で再現した直列アークの電流波形であり、図６は図５の四角枠Ｍの拡大図であり、アーク電流波形と電源電圧（ＡＣ１００Ｖ）波形とを示している。また、図７は一般家庭で使用される掃除機のスイッチを入れたときの負荷電流波形である。アーク電流は絶縁劣化箇所の電流経路や抵抗が不規則に変化するため各半波の電流ピーク値や、電流ピークの位相（ピーク位相）が不規則に変化することが特徴である。一方、負荷電流は負荷機器で制御されているため、アーク電流に比べて電流ピーク値やピーク位相が不規則且つ大きく変動することはない。
【００３５】
そこで本実施形態では、アーク電流のピーク位相が半波毎に不規則に変動することに着目し、アーク電流と負荷電流とを識別するもので、マイコン３では、図１に示すように、アーク電流のピーク位相として、電源電圧のゼロクロス時点から正の半波の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１，Ｉｐｅａｋ２，．．．及び負の半波の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１´，Ｉｐｅａｋ２´，．．．となる時点までの各電流ピーク時間Ａ（ｎ）（正の半波：ｎ＝１，２，３，４，５，．．．、負の半波：ｎ＝１´，２´，３´，４´，５´，．．．）を検出し、検出した電流ピーク時間Ａ（ｎ）と１周期後に検出した半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ＋１）との差（隣り合う周期の電流ピーク時間の差）ΔＡ（ｎ）´＝Ａ（ｎ）−Ａ（ｎ＋１）の絶対値ΔＡ（ｎ）＝｜Ａ（ｎ）−Ａ（ｎ＋１）｜を算出して、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）に対して所定期間（ｔ０−α）〜ｔ０間で［数１］で表される積算を行うものである。
【００３６】
【数１】
この積算値Ｗは、Ｗ＝Ｗ＋ΔＡ（ｎ）（但し、所定期間内での積算）でも表される。そしてマイコン３は積算値Ｗと閾値とを比較して、積算値Ｗが閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する。
【００３８】
次に負荷電流またはアーク電流が流れた場合、各々についての判定までの手順を具体的に説明する。図８は、図７に示す一般家庭で使用される掃除機のスイッチをオンにしたときの負荷電流の各半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ）の時間変化を示すもので、横軸は時間として電流波形の半波の数ｎとし、縦軸は電流ピーク時間Ａ（ｎ）としてある。具体的には、図７の負荷電流波形における電源電圧のゼロクロス時点から半波毎の電流ピーク時点Ｐ１〜Ｐ６までの電流ピーク時間Ａ（ｎ）は、図８中の点Ｐ１ａ〜Ｐ６ａに各々示される。
【００３９】
図９は図８の隣り合う周期の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´の変動を示すもので、横軸は電流波形の半波の数ｎとし、縦軸は隣り合う周期の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´としてある。具体的には、図９中の点Ｐ１１は図８中のＰ３ａ−Ｐ１ａ、点Ｐ１２はＰ４ａ−Ｐ２ａ、点Ｐ１３はＰ５ａ−Ｐ３ａを示す。そして、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´が、互いに絶対値が等しい閾値Ｋ１（＝０．５ｍｓｅｃ），Ｋ２（＝−０．５ｍｓｅｃ）の外側である場合のみ、すなわち隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合のみ積算値Ｗ＝Ｗ＋ΔＡ（ｎ）の積算動作を行うが、この負荷電流の場合、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´の全点は閾値Ｋ１，Ｋ２に挟まれた内側に入る、すなわち電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃ以下となるため、積算動作は行わない。なお、一部の負荷、使用状況を除いて負荷電流の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´はこの閾値Ｋ１，Ｋ２内に入る。
【００４０】
次に、アーク電流が流れた場合として、図１０は、図５に示すアーク電流の各半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ）の時間変化を示すもので、図８と同様に求められる。図１１は図１０の隣り合う周期の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´の変動を示すもので、図９と同様に求められる。そして、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´が、正負の閾値Ｋ１，Ｋ２を超える点、すなわち電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超える点Ｐ２１，Ｐ２３，Ｐ２６、Ｐ３０，Ｐ３２，Ｐ４６，Ｐ４８，Ｐ６１，Ｐ６６が出現している点がアーク電流の特徴であり、この電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えたときに積算値Ｗ＝Ｗ＋ΔＡ（ｎ）の積算動作を行う。
【００４１】
次に［数１］で示す第１の積算方法以外の４種類の積算方法（第２〜第５の積算方法）について説明する。なお、アーク電流の各半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ）の時間変化、及び隣り合う周期の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´の変動は前述と同様に図１０、図１１と同様である。まず第２の積算方法は、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合には｛ΔＡ（ｎ）−０．５ｍｓｅｃ｝を積算し（Ｗａ＝Ｗａ＋ΔＡ（ｎ）−０．５）、０．５ｍｓｅｃ以下の場合はそのときの積算値Ｗａから所定の値Ｌを減算する方法であり（Ｗａ＝Ｗａ−Ｌ、Ｗａ≧０）、ここではＬ＝０．０２とする。図１１の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´に対応する本積算動作は図１２に示され、図１１の点Ｐ２３が負の閾値Ｋ２をＹ＝０．１ｍｓｅｃ超えたとき、図１２の点Ｐ７０に示すように、点Ｐ２３と閾値との差０．１を積算値Ｗａに積算する。次に点Ｐ２４，Ｐ２５は閾値Ｋ１，Ｋ２に挟まれた内側に入っているため、点Ｐ７０→Ｐ７１→Ｐ７２に示すように積算値ＷａからＬ＝０．０２を各々減算する。次に点Ｐ２６が正の閾値Ｋ１を超えた場合は、点Ｐ７２→Ｐ７３に示すように、点Ｐ２６と閾値との差を積算値Ｗａに積算する。そして、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´が大きいとき、点Ｐ７４のように積算値Ｗａが一気にアーク検出閾値Ｋ３（＝０．２）を超えて、この時点でアーク電流検出と判定する。
【００４２】
次に第３の積算方法は、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃ以上となった場合に１カウントアップし、０．５ｍｓｅｃ未満となった場合は所定の値Ｍを減算する方法で、ここではＭ＝０．２とする。図１１の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´に対応する本積算動作は図１３に示され、図１１の点Ｐ２１が正の閾値Ｋ１以上となったとき、図１３の点Ｐ８０に示すように積算値Ｗｂの１カウントアップを行う。次に点Ｐ２２は閾値Ｋ１，Ｋ２に挟まれた内側に入っているため、点Ｐ８０→Ｐ８１に示すように積算値ＷｂからＭ＝０．２を減算する。次に点Ｐ２３が負の閾値Ｋ２以下となった場合は、点Ｐ８１→Ｐ８２に示すように積算値Ｗｂの１カウントアップを行う。そして、積算値Ｗｂがアーク検出閾値Ｋ４（＝３）を超えたときにアーク電流検出と判定する。この積算方法は、閾値以上になる電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）がある期間内に亘って続いた場合にアーク検出を行うものである。
【００４３】
また第４の積算方法として、所定期間内で、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合には｛ΔＡ（ｎ）−０．５ｍｓｅｃ｝を積算する方法があり、所定期間内での積算値がアーク検出閾値を超えた場合にアーク電流検出と判定する。
【００４４】
さらに第５の積算方法として、所定期間内で、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が、閾値０．５ｍｓｅｃ以上になった場合に１カウントアップする方法があり、所定期間内での積算値がアーク検出閾値を超えた場合にアーク電流検出と判定する。
【００４５】
上記第２〜第５の積算方法のいずれも、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合に積算を行うが、第２，第４の積算方法は電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）と閾値０．５ｍｓｅｃとの差を積算しており、この積算方法は、ΔＡ（ｎ）−０．５ｍｓｅｃが大きい場合に、積算値が一気に大きくなってアーク検出を行うので、検出時間を早くできるという特徴を有する。対して、第３，第５の積算方法は電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合に１カウントアップしており、この積算方法はマイコン３のプログラミング上計算が容易であり、メモリの使用量を抑えることができるという特徴を有する。
【００４６】
また積算期間に関しては、上記第４，第５の積算方法は常に最新の所定期間内での積算によってアーク電流を判定するのに対して、上記第２，第３の積算方法は電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値０．５ｍｓｅｃを超えた場合に積算し、超えない場合に減算するもので、最新の積算期間の情報をメモリに記憶する必要がないためマイコン３のメモリを削減できるが、この積算方法は上記第４，第５の積算方法の簡易方法として考案したもので、積算時間が長い場合、意図した積算が行われない場合がある。
【００４７】
インバータ式の電子レンジ等の電流波形は図１４に示すように、電流波形のピーク付近が平らである。この電流信号をマイコン３でＡ／Ｄ変換すると図１５のようになり、Ａ／Ｄ変換の分解能（図１５では１００μｓｅｃでサンプリングしている）によっては時間ｔ１〜ｔ２の範囲で同じデジタル値の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１０が複数点となることがある。この場合は、最も早く電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１０が発生した時間ｔ１と、最も遅く電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１０が発生した時間ｔ２との中間である時間ｔ３を電流ピーク時間Ａ（ｎ）とすることで、電流ピーク時間Ａ（ｎ）の検出精度を向上させることができる。
【００４８】
また図１６は、電流波形のピーク付近が平らでありながら、電流ピーク点のある部分がＡ／Ｄ変換の誤差によって本来の検出すべき位置よりずれた場合、その電流ピーク点の時間をそのまま電流ピーク時間Ａ（ｎ）とすると誤差が生じる。これを防ぐために、電流ピーク点から電流ピーク値Ｉｐｅａｋ１１に比べて非常に小さい値だけ下がった電流Ｉｐｅａｋ１１’であり、且つ電流ピーク値の発生時間より早い点Ｅ，電流ピーク値の発生時間より遅い点Ｆの時間ｔ４，ｔ５を検出し、時間ｔ４，ｔ５の中間である時間ｔ６を電流ピーク時間Ａ（ｎ）とすることで、電流ピーク時間Ａ（ｎ）の検出精度を向上させることができる。
【００４９】
さらに、アーク電流波形のピークは凸状であり、アーク電流波形では同じデジタル値の電流ピーク値が負荷電流と同じように続くことはないことから、同じデジタル値の電流ピーク値が一定数以上続く場合この波形は負荷特有の波形であると判断でき、負荷特有の波形である場合は、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を強制的にゼロ（ΔＡ（ｎ）＝０）とすることで、このような負荷特性による誤動作を防ぐことができる。
【００５０】
次に、負荷電流の力率が非常に悪い場合の電流波形と電源電圧波形とを図１７に示す。負荷電流の力率が非常に悪い場合には、電流ピーク点が電圧ゼロクロス時点ｔ７，ｔ８の近傍となることがある。電流ピーク値は電圧ゼロクロス時点ｔ７−ｔ８間で検出するので、電流ピーク点がこの時点ｔ７−ｔ８間から外れると電流ピーク時間Ａ（ｎ）を誤検出する場合がある。そこで、電流ピーク点の検出精度を考慮して、電圧ゼロクロス時点ｔ７，ｔ８の近傍の範囲Ｔ１（例えば位相０°〜１０°），Ｔ２（例えば位相１７０°〜１８０°）内に電流ピーク点が存在する場合は、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を強制的にゼロ（ΔＡ（ｎ）＝０）とすることで、このような負荷による誤動作を防ぐことができる。
【００５１】
また、電源を投入して負荷電流が流れ始めた直後や、負荷機器を使用中に使用モードを切り換えたとき、電流ピーク時間Ａ（ｎ）が変動する場合がある。この場合の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）は、アーク電流発生時の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）よりも大きく、変動の継続時間は数周期と短い。したがって、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）が閾値より大きい場合、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を強制的にゼロ（ΔＡ（ｎ）＝０）とすることで、負荷機器の電源投入や、使用モードの切り換えによる誤動作を防ぐことができる。
【００５２】
次に、インバータ式の洗濯機等の場合、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）は大きく、誤動作を引き起こす恐れがある。以下この誤動作を防止する方法について説明する。図１８はインバータ式の洗濯機の電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´である。この変動は負荷機器の中でも大きく、アーク電流発生時の変動の大きさに匹敵する。
【００５３】
ここで図１９は、インバータ式の洗濯機の負荷電流について、隣り合う周期の電流ピーク値の差｛Ｉｐｅａｋ（ｎ＋１）−Ｉｐｅａｋ（ｎ）｝と、電流ピーク時間の差ΔＡ（ｎ）´との相関を表したものであり、図２０はインバータ式の洗濯機のアーク電流について図１９と同様の相関を表したものである。インバータ式の洗濯機の負荷電流は一般的に原点に近い部分に集まり、図１９では原点を斜めに横切る範囲Ｑ１内に収まっており、隣り合う周期の電流ピーク値の差の変動は大きいものの、電流ピーク値の差が小さい領域（例えば−５Ａ〜５Ａ）ではピーク時間の差の変動は比較的小さく、電流ピーク値の差が−５Ａ〜５Ａで且つピーク時間の差が５００μｓｅｃ以上あるいは−５００μｓｅｃ以下の範囲Ｑ２内には分布がないことが特徴である。対してアーク電流は、その電流値及び電流ピークの時間が半波毎に不規則に変動する。よって図２０に示すように、その分布は負荷電流に比べて広い範囲Ｑ３に広がるのが特徴であり、電流ピーク値の差が小さい領域でもピーク時間の差の変動は大きいものとなっている。したがって、電流ピーク値の差の絶対値が閾値よりも大きい領域Ｑ４（図１９の斜線部，５Ａ以上及び−５Ａ以下）に存在する場合は、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を強制的にゼロ（ΔＡ（ｎ）＝０）とすることで、検出対象から除外してインバータ式の洗濯機での誤動作を防ぐことができる。
【００５４】
さらに、一般的な負荷での誤動作対策を以下説明する。アーク電流の各半波のピーク電流値の変動は負荷電流のピーク電流の変動に比べて大きいので、積算値Ｗが閾値を超え、且つ交流電流の半波毎の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ（ｎ）を検出し、検出した電流ピーク値Ｉｐｅａｋ（ｎ）と１周期後の半波の電流ピーク値Ｉｐｅａｋ（ｎ＋１）との差の絶対値ΔＩｐｅａｋ（ｎ）＝｜Ｉｐｅａｋ（ｎ＋１）−Ｉｐｅａｋ（ｎ）｜を閾値と比較し、電流差の絶対値ΔＩｐｅａｋ（ｎ）が閾値より大きい状態が所定の回数連続して続いたときにアーク電流が発生したと判断すれば、電流ピーク点の位相の変動と電流ピーク値の変動とによってアーク電流検出の判定を行うので、誤動作をより少なくすることができる。
【００５５】
また別の対策を以下説明する。アーク電流の電流ピーク時間Ａ（ｎ）は不規則に変動するので、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）もある範囲でばらつく。一方、負荷電流の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）は、負荷への電源投入時、使用モードの変更時や、インバータ式の洗濯機等を除いて、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）は比較的小さく、所定の範囲内に収まる。そこで、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）を、電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）によって区切られた小区分毎に積算する。例えば、小区分をＷ１，Ｗ２，Ｗ３．．．とし、ｐ＜ΔＡ（ｎ）≦ｑであれば小区分Ｗ１で積算し、ｑ＜ΔＡ（ｎ）≦ｒであれば小区分Ｗ２で積算し、．．．というように各小区分Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３．．．毎に積算して、各小区分毎に設定した閾値と比較する。
【００５６】
上記積算方法を用いると、アーク電流は電流ピーク時間の差の絶対値ΔＡ（ｎ）がばらつくので、複数の小区間においてまんべんなく積算される。対して負荷電流の場合は、特定の小区間のみにおいて積算される。したがって、予め設定した複数の小区分において、小区分毎の積算値が閾値を超えた場合にアーク電流検出と判定することで、負荷電流に対する誤動作を低減することができる。
【００５７】
（実施形態２）
図２１は、アーク電流のピーク位相として、半波毎の電流ピーク点から次の半波の電流ピーク点までの時間（電流ピーク時間）Ｂ（ｎ）（正の半波：ｎ＝１，２，３，４，５，．．．、負の半波：ｎ＝１´，２´，３´，４´，５´，．．．）を検出し、検出した電流ピーク時間Ｂ（ｎ）と１周期後に検出した半波の電流ピーク時間Ｂ（ｎ＋１）との差（隣り合う周期の電流ピーク時間の差）の絶対値ΔＢ（ｎ）＝｜Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ＋１）｜を算出して、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＢ（ｎ）に対して所定期間（ｔ０−α）〜ｔ０間で［数２］で表される積算を行うものである。
【００５８】
【数２】
この積算値Ｗは、Ｗ＝Ｗ＋ΔＢ（ｎ）（但し、所定期間内での積算）でも表される。そして積算値Ｗと閾値とを比較して、積算値Ｗが閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する。
【００６０】
このアーク電流判別方法は、実施形態１のような電圧のゼロクロス時点の検出が不要であり、電流波形のみの検出によってアーク電流の判別を行うことができ、電流ピーク点の位相検出方法以外については実施形態１と同様に行うことができる。
【００６１】
（実施形態３）
図２２は、アーク電流のピーク位相として、半波毎の電流ピーク点から次の１周期後の半波の電流ピーク点までの時間（電流ピーク時間）Ｃ（ｎ）（正の半波：ｎ＝１，２，３，４，５，．．．、負の半波：ｎ＝１´，２´，３´，４´，５´，．．．）を検出し、検出した電流ピーク時間Ｃ（ｎ）と１周期後に検出した半波の電流ピーク時間Ｃ（ｎ＋１）との差（隣り合う周期の電流ピーク時間の差）の絶対値ΔＣ（ｎ）＝｜Ｃ（ｎ）−Ｃ（ｎ＋１）｜を算出して、隣り合う周期の電流ピーク時間の差の絶対値ΔＣ（ｎ）に対して所定期間（ｔ０−α）〜ｔ０間で［数３］で表される積算を行うものである。
【００６２】
【数３】
この積算値Ｗは、Ｗ＝Ｗ＋ΔＣ（ｎ）（但し、所定期間内での積算）でも表される。そして積算値Ｗと閾値とを比較して、積算値Ｗが閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する。
【００６４】
このアーク電流判別方法は、ドライヤーの弱モードで出現する半波整流した電流波形のように正側と負側とで異なる電流波形の場合に有効であり、電流ピーク点の位相検出方法以外については実施形態１と同様に行うことができる。
【００６５】
ここで、一般家庭では複数の負荷が同時に使用されることが普通であり、この一般家庭の電路を流れる電流波形は、各負荷電流の合成（和）となり、このような状況でもアーク電流が流れた場合には検出する必要がある。上記実施形態１〜３においては、このような場合でも各半波の電流ピーク時間が同様に変動するので、アーク電流の検出が可能である。
【００６６】
また、プラグのトラッキング現象は、プラグの栓刃間で微少な電流が流れ、絶縁劣化の進行によって徐々に電流が大きくなり、最終的には短絡に至る。この現象は比較的小さい電流（２〜３Ａ程度）でもアークを発生し火災に至るため、なるべく小さいアーク電流で検出して電路を遮断する必要がある。上記実施形態１〜３においては電流ピーク時間を検出するので、２〜３Ａ程度の小さい電流値についても電流ピーク時間の検出が可能であり、プラグのトラッキング現象を早期に検出することができる。
【００６７】
上記実施形態１〜３においては、電流ピーク時間の変動を検出して、アーク電流と負荷電流とを識別する方法、及びその装置について述べた。しかし、アーク電流の性質からすれば、各周期毎のアーク電流が流れ始める時間や電流が流れなくなる時間等も同様に変動する性質がある。したがって上記実施形態１〜３で述べた電流ピーク時間の変動以外にも、電流の始点、終点の時間を検出することによってもアーク電流と負荷電流とを識別することができる。
【００６８】
また、検出した電流ピーク時間Ａ（ｎ）、Ｂ（ｎ）、Ｃ（ｎ）と１周期後の半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ＋１）、Ｂ（ｎ＋１）、Ｃ（ｎ＋１）との差の絶対値を算出して、この電流ピーク時間の差の絶対値を変数とする関数を積算しているが、電流ピーク時間の差は検出した電流ピーク時間と所定の周期後に検出した半波の電流ピーク時間との差でよく、例えば検出した電流ピーク時間Ａ（ｎ）、Ｂ（ｎ）、Ｃ（ｎ）と半周期後に検出した半波の電流ピーク時間Ａ（ｎ）´、Ｂ（ｎ）´、Ｃ（ｎ）´との差の絶対値であってもよい。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出し、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出して、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算し、前記積算値と閾値とを比較して、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断するので、正常な負荷電流では誤検出せず、芯線間の短絡によるアーク短絡現象や、芯線の切断が原因によって発生する直列アーク現象による交流回路の異常電流を検出できるという効果がある。
【００７０】
請求項２の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、電源電圧のゼロクロス時点から半波毎の電流ピーク点までの時間として検出されるので、交流電流の電流ピーク点の位相の具体的な検出方法を提供できるという効果がある。
【００７１】
請求項３の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から次の半波の電流ピーク点までの時間として検出されるので、請求項２のような電圧のゼロクロス時点の検出が不要であり、電流波形のみの検出によってアーク電流検出の判定を行うことができるという効果がある。
【００７２】
請求項４の発明は、請求項１において、前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から１周期後の半波の電流ピーク点までの時間として検出されるので、ドライヤーの弱モードで出現する半波整流した電流波形のように正側と負側とで異なる電流波形の場合に有効であるという効果がある。
【００７３】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算動作は、前記位相差の絶対値を変数とする関数を所定期間内で積算するので、最新の期間の情報によってアーク電流検出の判定を行うことができるという効果がある。
【００７４】
請求項６の発明は、請求項２乃至５いずれかにおいて、前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから電流ピーク点の時間を検出し、同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で複数個検出された場合は、最も早く電流ピーク値が発生した時間と最も遅く電流ピーク値が発生した時間との中間を電流ピーク点の時間とするので、インバータ式の電子レンジ等のようにピーク付近が平らな電流波形に対して、電流ピーク点の時間の検出精度を向上させることができるという効果がある。
【００７５】
請求項７の発明は、請求項２乃至５いずれかにおいて、前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから、電流ピーク値に対して微少な値を電流ピーク値から減算した電流値が発生する時間で、且つ電流ピーク値の発生時間より早い時間と遅い時間との中間を電流ピーク点の時間とするので、ピーク付近が平らな電流波形で、電流ピーク点のある部分がＡ／Ｄ変換の誤差によって本来の検出すべき位置よりずれた場合にでも、電流ピーク点の時間の検出精度を向上させることができるという効果がある。
【００７６】
請求項８の発明は、請求項６において、同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で所定のサンプリング個数以上検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定するので、負荷特性による誤動作を防止することができるという効果がある。
【００７７】
請求項９の発明は、請求項２乃至７いずれかにおいて、電流ピーク点の時間が所定の範囲外で検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定するので、負荷電流の力率が悪い場合に電流ピーク点の時間を誤検出することを阻止して、負荷特性による誤動作を防止することができるという効果がある。
【００７８】
請求項１０の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定するので、負荷への電源投入や、使用モードの変更による誤動作を防止することができるという効果がある。
【００７９】
請求項１１の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定するので、インバータ式の洗濯機等のように電流ピーク点の時間変動が大きい負荷に対して、誤動作を防止することができるという効果がある。
【００８０】
請求項１２の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値から所定値を引いた値を所定期間内で積算した値であるので、最新期間の情報によってアーク電流検出の判定を行うことができ、電流ピーク点の位相の変動が大きい場合には検出時間が早くなるという効果がある。
【００８１】
請求項１３の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、所定期間内でカウントアップした値であるので、最新期間の情報によってアーク電流検出の判定を行うことができ、さらにマイコンのプログラミング上計算が容易であり、メモリの使用量を抑えることができるという効果がある。
【００８２】
請求項１４の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度に前記位相差の絶対値から第１の所定値を減算した値を積算し、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に前記積算値から第２の所定値を減算した値であるので、最新期間の情報をメモリに確保する必要がないためマイコンのメモリを削減することができ、さらに電流ピーク点の位相の変動が大きい場合には検出時間が早くなるという効果がある。
【００８３】
請求項１５の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度にカウントアップし、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に所定値を減算した値であるので、最新期間の情報をメモリに確保する必要がないためマイコンのメモリを削減することができ、さらにマイコンのプログラミング上計算が容易であり、メモリの使用量をさらに抑えることができるという効果がある。
【００８４】
請求項１６の発明は、請求項１乃至７いずれかにおいて、前記積算値が閾値を超えたとき、且つ前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい状態が所定の回数連続して続いたときにアーク電流が発生したと判断するので、電流ピーク点の位相の変動と電流ピーク値の変動とによってアーク電流検出の判定を行い、誤動作をより少なくすることができるという効果がある。
【００８５】
請求項１７の発明は、請求項１において、前記位相差の絶対値を変数とする関数は前記位相差の絶対値によって区切られた小区間毎に積算され、小区間毎の積算値は小区間毎に設定された閾値と比較されて、所定の小区間で積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断するので、誤動作をより少なくすることができるという効果がある。
【００８６】
請求項１８の発明は、交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出する手段と、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出する手段と、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算する手段と、前記積算値と閾値とを比較する手段と、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する手段とを備えるので、正常な負荷電流では誤検出せず、芯線間の短絡によるアーク短絡現象や、芯線の切断による直列アーク現象による交流回路の異常電流を検出する装置を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流ピーク点の位相を検出する第１の方法を示す図である。
【図２】同上の回路構成を示す図である。
【図３】同上の絶対値に変換された電流信号、電圧信号を示す図である。
【図４】同上の絶対値に変換されない電流信号、電圧信号を示す図である。
【図５】アーク電流波形を示す図である。
【図６】アーク電流波形の拡大図である。
【図７】掃除機の負荷電流波形を示す図である。
【図８】掃除機の負荷電流の電流ピーク時間の時間変化を示す図である。
【図９】図８の隣り合う周期の電流ピーク時間の差の時間変化を示す図である。
【図１０】アーク電流の電流ピーク時間の時間変化を示す図である。
【図１１】図１０の隣り合う周期の電流ピーク時間の差の時間変化を示す図である。
【図１２】図１１の電流ピーク時間の差の第１の積算方法を示す図である。
【図１３】図１１の電流ピーク時間の差の第２の積算方法を示す図である。
【図１４】インバータ式電子レンジの電流波形を示す図である。
【図１５】本発明の電流ピーク時間の第１の検出方法を示す図である。
【図１６】同上の電流ピーク時間の第２の検出方法を示す図である。
【図１７】同上の電流ピーク時間の検出範囲を示す図である。
【図１８】インバータ式洗濯機の隣り合う周期の電流ピーク時間の差の時間変化を示す図である。
【図１９】インバータ式洗濯機の負荷電流の電流ピーク差と電流ピーク時間差との相関を示す図である。
【図２０】アーク電流の電流ピーク差と電流ピーク時間差との相関を示す図である。
【図２１】本発明の電流ピーク点の位相を検出する第２の方法を示す図である。
【図２２】同上の電流ピーク点の位相を検出する第３の方法を示す図である。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ１´，Ａ２，Ａ２´，．．． 電流ピーク時間
Ｉｐｅａｋ１，Ｉｐｅａｋ１´，．．． 電流ピーク値
Claims (18)
- 交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出し、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出して、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算し、前記積算値と閾値とを比較して、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断することを特徴とするアーク電流判別方法。
- 前記交流電流の電流ピーク点の位相は、電源電圧のゼロクロス時点から半波毎の電流ピーク点までの時間として検出されることを特徴とする請求項１記載のアーク電流判別方法。
- 前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から次の半波の電流ピーク点までの時間として検出されることを特徴とする請求項１記載のアーク電流判別方法。
- 前記交流電流の電流ピーク点の位相は、半波毎の電流ピーク点から１周期後の半波の電流ピーク点までの時間として検出されることを特徴とする請求項１記載のアーク電流判別方法。
- 前記積算動作は、前記位相差の絶対値を変数とする関数を所定期間内で積算することを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから電流ピーク点の時間を検出し、同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で複数個検出された場合は、最も早く電流ピーク値が発生した時間と最も遅く電流ピーク値が発生した時間との中間を電流ピーク点の時間とすることを特徴とする請求項２乃至５いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記交流電流を所定の周期でサンプリングしてデジタル値に変換してから、電流ピーク値に対して微少な値を電流ピーク値から減算した電流値が発生する時間で、且つ電流ピーク値の発生時間より早い時間と遅い時間との中間を電流ピーク点の時間とすることを特徴とする請求項２乃至５いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 同じデジタル値の電流ピーク値が半波内で所定のサンプリング個数以上検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする請求項６記載のアーク電流判別方法。
- 電流ピーク点の時間が所定の範囲外で検出された場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする請求項２乃至７いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい場合、前記位相差の絶対値を変数とする関数をゼロに設定することを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、前記位相差の絶対値から所定値を引いた値を所定期間内で積算した値であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、所定期間内でカウントアップした値であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度に前記位相差の絶対値から第１の所定値を減算した値を積算し、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に前記積算値から第２の所定値を減算した値であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記積算値は、前記位相差の絶対値が閾値を超えた場合、その度にカウントアップし、前記位相差の絶対値が閾値を超えない場合、その度に所定値を減算した値であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記積算値が閾値を超えたとき、且つ前記交流電流の半波毎の電流ピーク点の電流値を検出し、検出した電流ピーク点の電流値と１周期後に検出した半波の電流ピーク点の電流値との差の絶対値を算出して、前記電流差の絶対値と閾値とを比較し、前記電流差の絶対値が閾値より大きい状態が所定の回数連続して続いたときにアーク電流が発生したと判断することを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載のアーク電流判別方法。
- 前記位相差の絶対値を変数とする関数は前記位相差の絶対値によって区切られた小区間毎に積算され、小区間毎の積算値は小区間毎に設定された閾値と比較されて、所定の小区間で積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断することを特徴とする請求項１記載のアーク電流判別方法。
- 交流電源から交流負荷回路に供給される交流電流の半波毎の電流ピーク点の位相を検出する手段と、検出した電流ピーク点の位相と所定周期後に検出した半波の電流ピーク点の位相との差の絶対値を算出する手段と、前記位相差の絶対値を変数とする関数を積算する手段と、前記積算値と閾値とを比較する手段と、前記積算値が閾値を超えたときにアーク電流が発生したと判断する手段とを備えることを特徴とするアーク電流判別装置。
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