JP5829831B2 - アークフラッシュを検出するセンサと、該センサを備えるアークフラッシュの検出システム及び電気分配システム - Google Patents

アークフラッシュを検出するセンサと、該センサを備えるアークフラッシュの検出システム及び電気分配システム Download PDF

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Description

本発明は全般的にはアークフラッシュ検出に関し、また具体的にはアークフラッシュセンサに関する。
電力回路や開閉装置の実施形態は、絶縁体によって分離させた導体を有する。幾つかの分野では、空気間隙にこの絶縁体の一部または全部の役割をさせることが多い。導体が互いに接近し過ぎている場合や電圧がその絶縁レベルを超える場合には、導体間にアークを生じる可能性がある。導体間にある空気や任意の絶縁体(気体、固体または液体)は電離してその絶縁体が導電性になりこれによりアーク事象を生じさせる可能性がある。アーク事象があると、20,000℃程度に至り、導体や隣接する材料を蒸発させ、かつ周囲の回路を破壊するような爆発的エネルギーを放出する可能性がある温度を誘導することがある。
アークフラッシュ(arc flash)は典型的には、2つの相の間あるいはある相と中性点または接地の間でのアーク短絡(arc fault)に由来する急速なエネルギー放出の結果である。アークフラッシュは、爆発の場合と同様の高熱、強烈な光及び音響波を発生させる可能性がある。しかしアーク短絡電流は回路短絡電流と比較してその規模がかなり小さいのが一般的であり、また回路遮断器ではこうした小さい電流規模には必ずしも反応しない。典型的には、アークフラッシュ緩和技法は標準的なヒューズや回路遮断器を使用する。しかしこうした技法は、応答時間が遅くアークフラッシュを緩和するように十分に高速でない。
アーク短絡を緩和するための一技法は、アークセンサの応答時間を短縮させることである。例えば応答時間の短縮は、例えば光などアーク事象に特異的な特徴を検出することによって達成されることがある。光学センサが筐体内部の光を検出し、アークフラッシュ事象の発生を判定する。しかしこうした光検出方法では、散乱光や他の線源からの光が検出されると誤ったアーク検出に至ることがある。さらにこうした方法ではアーク事象の箇所に関する情報が提供されない。その他の技法には、アークフラッシュで誘導される圧力変化を検出するための圧力センサを筐体内部に実現させることを含む。しかしこうした方法では、圧力ビルドアップにかなりの時間がかかるため検出に遅延が生じる。
米国特許出願第20070263329号
応答時間を向上させかつ警報誤りを最小限にするような改良型のアークフラッシュ防止機構が必要とされている。
簡単に述べると、光と音響波を同時に検出するためのセンサを提示する。本センサは、1本または複数本の光ファイバと、該1本または複数本の光ファイバの少なくとも1本の一方の端部の近くに配置させた隔壁と、を含む。この隔壁は、アークフラッシュから音響波の入射があると振動すると共に1本または複数本の光ファイバのうちの該少なくとも1本の中に光ビームを反射させるように構成されている。1本または複数本の光ファイバの周りに、1本または複数本の光ファイバのうちの少なくとも1本の中にアークフラッシュから発せられた光を拡散させるための半透明領域を配置させている。
別の実施形態では、アークフラッシュ検出システムを提示する。本検出システムは、1本または複数本の光ファイバと、該1本または複数本の光ファイバのうちの1本に結合されると共にレーザビームを発生させるように構成された光源と、を含む。本システムはさらに、1本または複数本の光ファイバのうちの1本の一方の端部の近くに配置されていると共に、アークフラッシュから音響波の入射があると振動しかつ1本または複数本の光ファイバのうちの少なくとも1本の中にレーザビームを反射させるように構成された隔壁を備えたセンサを含む。このセンサはさらに、1本または複数本の光ファイバのうちの少なくとも1本の中にアークフラッシュから発せられた光を拡散させるために該1本または複数本の光ファイバの周りに配置させた半透明領域を含む。本システムは、センサに結合されると共にアークフラッシュからの音響波を示す反射レーザビーム及びアークフラッシュから発せられた光を受け取るように構成された1つまたは複数の光検出器と、該1つまたは複数の光検出器に結合されると共にアークフラッシュの発生を検出するように構成されたプロセッサと、を含む。
別の実施形態では、方法を提示する。本方法は、光ファイバを介してセンサに光を伝達する工程と、アークフラッシュの発生を検出するようにろ過及び処理するためにセンサからの音響波と光を表す成分を含む光を伝達する工程と、を含む。
さらに別の実施形態では、電気分配システムを提示する。本電気分配システムは、光ビームを発生するように構成された光源を有するアークフラッシュ検出システムを含む。電気分配システムの周りには複数のセンサが配置されており、これらのセンサの各々は、1本または複数本の光ファイバと、該1本または複数本の光ファイバの少なくとも1本の一方の端部の近くに配置させた隔壁であって、アークフラッシュから音響波の入射があると振動しかつ1本または複数本の光ファイバの少なくとも1本の中に光ビームを反射させるように構成された隔壁と、を有する。これらのセンサの各々はさらに、1本または複数本の光ファイバのうちの少なくとも1本の中にアークフラッシュから発せられた光を拡散させるために該1本または複数本の光ファイバの周りに配置させた半透明領域を含む。電気分配システムはさらに、センサに結合されると共にセンサから反射された光ビームを検出するように構成された少なくとも1つの光検出器と、該少なくとも1つの光検出器に結合されると共に電気分配システム内部においてアークフラッシュが検出されたときにアーク短絡信号を発生させるように構成されたプロセッサと、を含む。
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
本発明の一実施形態によるアークフラッシュセンサを表した図である。 本発明の別の実施形態によるアークフラッシュセンサを表した図である。 本発明の別の実施形態によるアークフラッシュセンサを表した図である。 本発明の一実施形態によるアーク検出システムのブロック図である。 本発明の別の実施形態によるアーク検出システムのブロック図である。 別のアーク検出システムのブロック図である。 別のアーク検出システムのブロック図である。 本発明の一実施形態によるアークフラッシュから検出された音響及び光信号を時間の経過に従って表したグラフである。 本発明の一実施形態によるアークセンサを実現している電気分配システムを表した図である。 アークフラッシュセンサ内に実現させた隔壁に関する幾つかの実施形態を表した図である。 図10の隔壁の周波数応答を表した図である。
図1は、本発明の一実施形態によるアークフラッシュセンサを表している。センサ10は、ファイバコア16及びファイバクラッド18を有する光ファイバ14の一方の端部13の近くに配置された隔壁12を含む。一実施形態ではその隔壁12は、アークフラッシュからの音(音響波)が入射すると振動し、レーザビーム30からの光をファイバコア16内に反射させるように構成されている。本明細書で使用する場合に音響波とは、圧力波も同様に含むことがある。一実施形態ではその隔壁は、薄膜から製作され細長い位置に配置された不透明材料を備える。別の実施形態ではその隔壁は半透明材料を備える。この半透明材料は例えば、外気圧ダイナミックスに応答し約30%〜約60%の光の透過を可能にするように予ひずみを受けた薄膜を含むことがある。一実施形態では光検出器または検出器アレイの飽和を回避するために、その隔壁が金属化ポリマー材料を備える。隔壁の製作中に、所望の厚さが得られるようにポリマー薄膜上への金属化薄膜の被着を制御することがある。
音響波の検出を可能とさせながら動作時に隔壁の保護を提供するために隔壁12は、外部環境からの音響波の隔壁への到達を許容する保護用スリーブ22及び保護用スクリーン24の内部に封入されることがある。光ファイバ14の周りにはファイバホルダー20が配置されている。一実施形態ではそのファイバホルダーは、アークフラッシュから発せられた光をファイバコア16の中に拡散させるように構成された半透明領域を含む。アークフラッシュからの光検出を強化するために、直径が約0.5mm〜約2mmの任意選択の1つまたは複数の穴25を設けることがある。この実施形態ではアークフラッシュが出した光は、この任意選択の穴25を通ってファイバ14まで導かれる。保護用スクリーン24及び隔壁12がある程度の光の通過を許与するような実施形態では、アークフラッシュからの光はさらに、保護用スクリーン及び隔壁を通過してファイバ14に向けて導かれることがある。
例示的な動作では、センサ10はアークフラッシュからの音響波28及び光26を受け取るように構成されている。センサ10は音響波と光を表す信号を同時に取得するように構成されている。音響波と光を同時に検知するこうした統合型の方式によれば、誤った警報が最小限になると共に早期のアークフラッシュ検出が可能となる。ファイバコア16は、隔壁12上のレーザビーム30を導くように構成されている。隔壁12はアークフラッシュからの音響波の強度及び周波数に基づいて振動するように構成されている。この振動に基づいて、一意のパターンの光が隔壁からビーム方向31に反射される。同時に、アークフラッシュから発せられた光が半透明領域20上に入射する。半透明領域20は、ファイバコア16に向けて光を拡散させるように構成されている。一実施形態ではその半透明領域20は、紫外波長で光を拡散させるように構成されている。光ファイバの一方の端部13と隔壁12の間の距離は、隔壁12からの反射ビームが大きな透過損失を伴うことなくファイバコア16に至るように最適化させている。
図2は、本発明の別の実施形態によるアークフラッシュセンサを表している。センサ34は、対応するファイバコア16、38を有する2本の光ファイバ14、36を備えたデュアルファイバコア設計を表している。第1の光ファイバ14の一方の端部13は隔壁12の近くに配置させている。アークフラッシュが生じた場合、アークフラッシュから発せられた音響波が隔壁に振動を生じさせる。反射されたビーム31は、後でアークフラッシュを検出するように処理を受けるような振動を取り込む。第2の光ファイバ36の一方の端部40は、光ファイバ36がアークフラッシュに由来する拡散光を伝達するように構成されるようにして半透明領域20の内部に配置させている。動作時には、第1の光ファイバ14を音響波検出専用としまた第2の光ファイバ36を光検出用とした2本の光ファイバ14、36を存在させている。図示した実施形態ではファイバコア16は、隔壁12上にレーザビーム30を導くこと並びに後続の処理のために隔壁12からの反射ビーム31を戻すように伝達することの両方を行うように構成されている。一実施形態では、光結合効率を増大させるために光ファイバ36の端部40の周りのクラッド41を除去している。
図3は、本発明の別の実施形態によるアークフラッシュセンサを表している。センサ44は、第1の光ファイバ14が隔壁12上にレーザビーム30を伝達するように構成されかつ第2の光ファイバ15が隔壁12から反射ビーム31を受け取るように構成されるようにした方式で配列させた3本の光ファイバ14、15、36を含む。アークフラッシュからの光を検出するように、図2で説明したような第3の光ファイバ36を構成させている。
図4は、本発明の一実施形態によるアーク検出システムのブロック図である。検出システム50は、光ファイバケーブル14に結合されたセンサ52を含む。光ファイバケーブル14には分離器58及びファイバ分割器60を介して光源56が結合されている。一実施形態ではその光源56は発光ダイオードを含む。別の実施形態ではその光源56は、概ね近赤外波長の光を放出するレーザダイオードを含む。プロセッサ62は、センサからの反射光31及び半透明領域を通った拡散した光64を含むセンサ52から戻される合成光を処理するように構成されている。一実施形態ではそのプロセッサ62は、光学フィルタ66、68及び光検出器70、72を介してファイバ分割器60に結合されると共に、さらにアーク短絡信号73を発生させるように構成されている。この光学フィルタは、光のうちのある種の波長を通過させかつ残りを阻止するように構成されている。光検出器70、72は、入射光の強度及び波長に基づいて等価的な電圧を生成するように構成されている。こうした電圧は、プロセッサ62を介した更なる処理にとって好都合である。アークフラッシュを緩和するためにプロセッサ62に保護デバイス74を結合させることがある。一実施形態ではその保護デバイスは、信号を受け取ったときにトリップするように構成された保護継電器を含む。
例示的な動作においてアーク検出システム50は、アークフラッシュからの音響波及び光を検出するように構成されている。アークフラッシュ事象48があった場合、アークフラッシュから音響波49及び光64(ただしこれらに限らない)が放出される。センサ52は、光と音響波を同時に検出するように構成されている。センサ52は、例えば図1〜3で説明した実施形態のうちのいずれを含むこともできる。一実施形態ではそのアーク検出システム50は、図1で検討したような単一の光ファイバ14を有するセンサ10を実現するように適合させている。レーザダイオードなどの光源56は、光ファイバを介してセンサに伝達されるレーザビームを発生させている。センサからの反射ビーム31及びアークフラッシュからの光64がレーザ光源56に入るのを阻止するように光源56の送出側端部上に分離器58を配置させている。ファイバ分割器60は、レーザビーム30をある方向に伝達しかつ反射光31を別の方向に伝達するように構成されている。一実施形態では、信号ビームはさらにファイバカプラ61を通した後に光学フィルタ66、68を通過させる。この実施形態のさらに具体的な例では、光学フィルタ66は反射ビームが光検出器70に提示されると予測される波長の光を通過させるように構成した帯域通過フィルタ(約1550nmのフィルタ)を含み、かつ光学フィルタ68はアークフラッシュ光が光検出器72に提示されると予測される波長の光を通過させるように構成した低域通過フィルタ(概ね<700nmのフィルタ)を含む。プロセッサ62は、2つの光検出器70、72からの信号を処理しアークフラッシュ事象48が起きた場合にアーク短絡信号73を発生させるように構成されている。保護デバイス74は、アーク短絡信号73に基づいて起動されると共に、アークフラッシュを緩和するためにパワーを切断するように構成されている。
図5は、本発明の別の実施形態によるアーク検出システム80のブロック図を表している。光源56と光検出器70、72を結合させるために、別々の2つのカプラ60及び62ではなく1×3のファイバ分割器82を実現させている。さらに図5は、各実施形態において図4のフィルタが不要であることを例証するために用いている。図5の実施形態ではその光検出器は、波長のうちのあるレンジを検出するように構成されている。一例では、光検出器70が約1550ナノメートル波長のレンジの光を検出するように構成されており、また光検出器72は約200ナノメートル〜約700ナノメートルの波長レンジの光を検出するように構成されている。
図6は、図2に関連して記載したようなセンサ中に少なくとも2本の光ファイバを存在させているアーク検出システムのブロック図である。動作時には、光源から分離器58及びカプラ90を通ってファイバ14へセンサ34へと光が導かれる。光ファイバ14は隔壁(図2では参照番号12で示す)からの反射ビーム31を伝達するように構成されており、また光ファイバ36はアークフラッシュからの光64を伝達するように構成されている。図6の実施形態では、ファイバカプラ90は光源56及び光検出器70をセンサ34と結合させるように実現させている。図7は、アーク検出システム92において(図3に関連して検討したタイプのセンサ内部に)3本の光ファイバ14、15、36を実現させ得るような代替的な一実施形態である。
図8は、本発明の一実施形態によるアークフラッシュから検出した音響及び光信号を表しているグラフである。例示的な一実施形態ではそのグラフ96は、480V、100kAの設定としたシミュレーションのシステムにおいて音響及び光信号を計測することによって得られる。グラフ96は、X軸98上にミリ秒を単位とした時間かつY軸100上に電圧を示している。図示した実施形態では、プロフィール102がアークフラッシュの光成分を表しており、またプロフィール104がアークフラッシュの音響成分を表している。検出されたアークフラッシュ誘導による光103と音響波106の間の相対時間遅延99が一意のサイン(signature)の役割をする。ある種の実施形態では、こうした相対時間遅延は概ね約0.5ms〜約10msである。後で比較するために所与のシステムに関する一意のパターンを形成するプロフィール102、104のこうした組み合わせを保存しておくことがある。音響と光データの両方を用いると誤った警報の可能性が緩和され、アークフラッシュ事象の箇所を提供するようにその相対時間シーケンスが予測される。
図9は、本発明の一実施形態によるアークフラッシュセンサを実現している電気分配システムを表している。電気分配システム110は、システムの周りに配置させると共にアークフラッシュ事象を検出するように構成された複数のセンサ111〜120を含む。このセンサは、図1〜3で検討したような任意の設計を含むことがある。光ファイバケーブル122及び複数のセンサ111〜120に光源56を結合させている。各センサはファイバカプラを介して光検出器アレイ124に結合させている。電気分配システムの内部でアーク短絡が検出された場合にアーク短絡信号を生成するようにプロセッサ62を構成させている。一実施形態ではプロセッサ62は、電気分配システムの周りに配置させた複数のセンサからの信号に基づいて電気分配システム内部におけるアークフラッシュの箇所を検出するように構成されている。
図10は、本発明の一実施形態によるアークフラッシュセンサ内に実現させた隔壁に関する幾つかの実施形態を表している。例示的な一実施形態ではその隔壁12(図1)は、参照番号126で示したような金属薄膜被着を備えたポリマー薄膜を含む。このポリマー薄膜128の一方の側に、薄い金属薄膜130(厚さが約5nm〜約30nm)の単一層を被着させている。別の実施形態では参照番号132は、ポリマー薄膜128の各側に被着させた少なくとも2層の薄い金属薄膜130、134を表している。別の実施形態では参照番号136は、ポリマー薄膜128の一方または両方の側に被着させた複数層の薄い金属薄膜137、138の被着を表している。1層または複数層の薄い金属薄膜の厚さによって、光透過比及び音響波に対する隔壁の周波数応答が制御されている。
図11は、図10の隔壁に関する周波数応答を表している。グラフ142は、Y軸146上にkHz単位で計測した周波数をまたX軸144上にマイクロメートル単位で計測した厚さを表している。プロフィール148〜152はシミュレーションから得ている。プロフィール152は、ポリマー薄膜だけからなるように構成した隔壁に関する例示的な周波数応答である。プロフィール150は、ポリマー薄膜(図10の132)の両側に薄い金属薄膜を備えた隔壁に関する例示的な周波数応答を表している。プロフィール148は、ポリマー薄膜(図10の136)の両側に多重層の金属薄膜を備えた隔壁に関する例示的な周波数応答を表している。
本発明の様々な実施形態において提唱したセンサは低コスト材料及び単純な製造技法を使用し得るので有利である。さらにこうしたセンサは速い応答及び高い感度を有する。一体型のセンサによって、光などの放射と動的な音響波信号とを同時に検出している。こうした一体型センサによればアークフラッシュ事象の迅速な検出が可能となる。アーク検出向けに実現させた光ファイバは、電磁干渉に対する不感受性、サイズ及び重量の削減、分配機能、追加的パワーが不要などの利点を有する。本明細書で使用する場合に、「a」や「an」という語は数量の限定を意味しておらず、むしろ言及した項目が少なくとも1つ存在することを示すためのものである。
本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。
10 センサ
12 隔壁
13 一方の端部
14 光ファイバ
15 光ファイバ
16 ファイバコア
18 ファイバクラッド
20 半透明領域
22 保護スリーブ
24 保護スクリーン
25 任意選択の穴
26 光
28 音響波
30 レーザビーム
31 反射レーザビーム
34 センサ
36 光ファイバ
38 ファイバコア
40 一方の端部
42 ファイバクラッド
44 センサ
48 アークフラッシュ事象
49 音/音響波
50 アーク検出システム
52 センサ
56 レーザ光源
58 分離器
60 ファイバ分割器
62 プロセッサ
64 アークフラッシュ
66 光学フィルタ
68 光学フィルタ
70 光検出器
72 光検出器
73 アーク短絡信号
74 保護デバイス
80 アークフラッシュ検出システム
82 ファイバ分割器
88 アーク検出システム
90 ファイバカプラ
92 アーク検出システム
96 グラフ
98 X軸
99 相対時間遅延
100 Y軸
102 プロフィール
103 例示の光の検出
104 プロフィール
106 例示の音響波の検出
110 電気分配システム
111 センサ
112 センサ
113 センサ
114 センサ
115 センサ
116 センサ
117 センサ
118 センサ
119 センサ
120 センサ
122 光ファイバケーブル
124 光検出器アレイ
126 隔壁
128 ポリマー薄膜
130 薄い金属薄膜
132 隔壁
134 薄い金属薄膜
136 隔壁
137 複数の金属薄膜層
138 複数の金属薄膜層
142 グラフ
144 計測厚さ(X軸、マイクロメートル単位)
146 計測周波数(Y軸、kHz単位)
148 周波数応答プロフィール
150 周波数応答プロフィール
152 周波数応答プロフィール

Claims (7)

  1. 光(26)と音響波(28)を同時に検出するためのセンサ(10)であって、
    1本または複数本の光ファイバ(14、15、36)と、
    前記1本または複数本の光ファイバ(14、15、36)のうちの少なくとも1本の中にアークフラッシュから発せられた光を拡散させるために該1本または複数本の光ファイバ(14、15、36)の周りに配置させた半透明領域と、
    前記半透明領域の端部であって、前記1本または複数本の光ファイバ(14、15、36)のうちの少なくとも1本の一方の端部の近くに配置された隔壁(12)であって、アークフラッシュから音響波の入射があると振動しかつ該1本または複数本の光ファイバ(14、15、36)のうちの該少なくとも1本の中に光ビーム(31)を反射するように構成された隔壁(12)と、
    前記半透明領域の端部を囲み、前記隔壁の保護を提供すると共に、外部環境からの音響波の前記隔壁への到達を許容する保護用スリーブ(22)及び保護用スクリーン(24)と、
    を備えるセンサ(10)。
  2. 前記1本または複数本の光ファイバ(14、15、36)は、光源(56)からの光を隔壁(12)に伝達するため並びに隔壁からの反射光ビーム(31)及びアークフラッシュが生成した光(26)を検出システムに向けて伝達するための少なくとも1本の光ファイバ(14、15、36)を含む、請求項1に記載のセンサ。
  3. 前記1本または複数本の光ファイバ(14、15、36)は、光源(56)からの光(30)を隔壁に伝達するため並びに隔壁からの反射光ビーム(31)を検出システム(50)に向けて伝達するために隔壁(12)の近くに1つの端部を有する第1の光ファイバ(14)と、アークフラッシュに由来する光(26)を検出システム(50)に向けて伝達するために半透明領域(20)内部に配置させた端部を有する第2の光ファイバ(36)と、を含む、請求項1または2に記載のセンサ。
  4. 前記1本または複数本の光ファイバ(14、15、36)は、光源(56)からの光を隔壁(12)に伝達するために隔壁(12)の近くに1つの端部を有する第1の光ファイバ(14)と、反射された光ビーム(31)を検出システムに向けて伝達するために隔壁(12)の近くに1つの端部を有する第2の光ファイバ(15)と、アークフラッシュに由来する光を検出システム(50)に向けて伝達するために半透明領域(20)内部に配置させた端部を有する第3の光ファイバ(36)と、を含む、請求項1乃至3のいずれかに記載のセンサ。
  5. 記1本または複数本の光ファイバ(14、15、36)のうちの1本に結合されると共にレーザビーム(30)を発生させるように構成された光源(56)と、
    請求項1乃至4のいずれかに記載のセンサ(34)
    センサ(34)に結合されると共に、アークフラッシュからの音響波を示す反射レーザビーム(31)及びアークフラッシュから発せられた光を受け取るように構成された1つまたは複数の光検出器(70、72)と、
    1つまたは複数の光検出器に結合されると共にアークフラッシュの発生を検出するように構成されたプロセッサ(62)と、
    を備えるアークフラッシュ検出システム。
  6. 前記プロセッサ(62)は、アークフラッシュの発生を検出した際に保護デバイス(74)にアーク短絡信号(73)を提供するように構成されている、請求項5に記載のアークフラッシュ検出システム。
  7. アークフラッシュ検出システムであって、
    光ビームを発生するように構成された光源(56)と、
    電気分配システムの周りに配置させた複数の請求項1乃至4のいずれかに記載のセンサ(111〜120)
    を備えたアークフラッシュ検出システムと、
    センサに結合されると共にセンサからの反射光ビームを検出するように構成された少なくとも1つの光検出器(124)と、
    前記少なくとも1つの光検出器に結合されると共電気分配システム内部のアークフラッシュの箇所を検出するように構成されたプロセッサ(62)と、
    を備える電気分配システム(110)。
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