Determination of location of electrical disturbance

本発明は、例えば短絡もしくは断線などの故障によってまたは落雷によって引き起こされることもある１つまたは複数の回路での電気的じょう乱の位置を特定することに関する。

多くの用途では、単一電源が、複数の電気負荷に接続される。 例えば、航空機では、単一電源が、コックピット計器、空気供給装置、環境制御機器、その他などの様々な負荷に供給することもある。 短絡または断線の配線故障は、電気アークを発生させてさらなる損傷をもたらすこともある。 電気的じょう乱が回路のどの部分から生じるかは、一般に周知でないので、回路の大部分またはすべてが、回路の様々な部分に損傷を引き起こすのを防止するために遮断されることもある。 しかしながら、電気的じょう乱の場合に回路のすべてまたは大部分を遮断すべきでないことが、望ましいこともある。 これは特に、もし雷などの外部の電気的事象がアーク故障と間違われるならば当てはまり、完全に動作する回路の誤った切断をもたらす。

本発明の第１の態様によると、回路での電気的じょう乱の位置を特定するための装置が、提供される。 本装置は、電圧または電流の摂動によって生成される回路の一部分のインダクタンスを横断する電流波形および電圧波形の相対位相を決定するための１つまたは複数のセンサーと、電流波形および電圧波形の相対位相から回路内の電気的じょう乱の位置を識別するように配置されるコントローラとを有する。

例えば単一電源に接続される複数の配電区間からの特定の配電区間内の電気的じょう乱の位置を特定することができることで、電気的じょう乱の影響を受ける区間だけを分離することが可能になる。 様々な他の負荷または他の構成部品などの回路の残りの部分および電源は、動作を続けることができる。 これは、全電気回路網がより信頼できるように、全電気回路網の可用性を向上させる。

電圧または電流の摂動によって生成される回路インダクタンスを横断する電流波形および電圧波形の相対位相を決定することで、電気的にノイズの多い環境でさえ、電気的じょう乱の位置の信頼できるインジケーターが提供される。

もし特定の配電区間で、電気的じょう乱によって生成された電流波形が、電圧波形より前であるならば、電気的じょう乱の位置は、その特定の配電区間にあると識別できる。 その特定の配電区間は次いで、例えばスイッチを使用して分離されてもよい。 もし電気的じょう乱によって生成された電流波形が、電圧波形より前でないならば、電気的じょう乱の位置は、どこか他の所に、例えば回路の電源側にまたは別の配電区間にあると識別できる。

回路インダクタンスを横断する電流波形および電圧波形の相対位相は、回路の特定の箇所でのインダクタンスの符号（正または負）を計算することによって決定されてもよい。

本発明の第２の態様によると、回路での電気的じょう乱の位置を特定するための方法が、提供される。 本方法は、回路での電圧または電流の摂動によって生成される回路の一部分の回路インダクタンスを横断する電流波形および電圧波形の相対位相を決定するステップと、回路のその部分での電流波形および電圧波形の決定された相対位相から回路内の電気的じょう乱の位置を識別するステップとを含む。

本発明の実施形態は、ほんの一例として、添付の図面を参照して以下に述べられる。

本発明の実施形態による、複数の配電区間および回路内の電気的じょう乱の位置を特定するための装置を備える回路の概略例を示す図である。

本発明の実施形態による装置を備える回路のより詳細な例を示す図である。

じょう乱が回路の負荷側にあるときに図１または図２の回路で生成される波形の例を示す図である。

じょう乱が回路の電源側にあるときに図１または図２の回路で生成される波形の例を示す図である。

回路内の電気的じょう乱の位置を特定するときにノイズの影響を低減するための技術を示す図である。

図１は、それぞれが単一電源２０に接続される複数の配電区間１、２・・・Ｎを有する回路１０の例を示す。 各配電区間１、２・・・Ｎは、固有インダクタンスＬ１、Ｌ２・・・ＬＮを有する。 各配電区間１、２・・・Ｎは、電力を供給すべき電気負荷、すなわち特定の電気部品を有する。 航空機では、例えば、これらは、コックピット計器、空気供給装置、環境制御機器および／または任意の他の電気設備を含むこともある。 配電区間の少なくとも１つは、全回路１０のどこかでの故障、短絡、断線もしくは落雷などの電圧または電流のじょう乱によって生成されるその特定の配電区間１、２・・・Ｎの回路インダクタンスＬ１、Ｌ２・・・ＬＮを横断する電流波形および電圧波形の相対位相を決定するためのコントローラ３０を含む。 電流波形および電圧波形の相対位相から、コントローラ３０は、回路１０内の電気的じょう乱の位置を識別することができる。 例えば、もし配電区間１でのコントローラ３０が、電気的じょう乱によって生成されたその配電区間での電流波形が、対応する電圧波形より前であることを検出するならば、電気的じょう乱の位置は、その特定の配電区間１にあると識別できる。 その特定の配電区間１は次いで、例えばスイッチ４０を使用して、回路１０の残りから分離されてもよい。 もし電気的じょう乱によって生成された配電区間１での電流波形が、対応する電圧波形より前でないならば、電気的じょう乱の位置は、どこか他の所に、例えば回路１０の電源２０側にまたは別の配電区間２・・・Ｎにあると識別できる。

図２は、回路１０のより詳細な例を示すが、しかし１つの配電区間１だけが、例示される。 電源２０からの電力は、固有インダクタンスＬＳを持つケーブル２１を介して分離スイッチ４０に供給される。 電力は、スイッチ４０から出て、固有インダクタンスＬ１を持つ第２のケーブル２２を介して負荷に供給される。 コントローラ３０は、パラメーターＶ _S （戻すべき電圧）および第２のケーブル２２での電流Ｉ（負荷電流）を測定する。 コントローラ３０は、例えば適切な電圧計などの任意の適切な手段によって電圧Ｖ _Sを測定し、例えば適切な電流計などの任意の適切な手段によって電流Ｉを測定するように配置される。 この例では、電圧Ｖ _Sを示す信号は、導線３１を介してコントローラ３０に伝えられ、電流Ｉを示す信号は、導線３２を介してコントローラ３０に伝えられる。

もし故障が、回路の配電区間１に持ち込まれるならば、電源２０は、周期的電圧摂動を経験することもある。 故障は、例えば短絡、断線または雷事象の結果であることもあり、負荷と直列のアークを生成することもあり、または負荷を横断して接地へアークを形成して並列アークをもたらすこともある。 負荷は、図２で例示するように並列の抵抗Ｒおよび静電容量Ｃとして表されてもよい未知の複素インピーダンスを有してもよい。

電気的じょう乱の間に配電区間１のインダクタンスＬ１を横断する電圧波形および電流波形の相対位相を決定する簡便な方法は、配電区間１のインダクタンスＬ１の符号（正または負）を計算することによっている。 もしＶ _S 、ＩおよびＶ _C （負荷の容量成分Ｃを横断する電圧）が、例えば測定によって周知であるならば、配電区間１のインダクタンスＬ１は、式、
Ｖ _L ＝Ｌ１・ｄｉ／ｄｔ
から計算でき、ただしＶ _L ＝Ｖ _S −Ｖ _Cである。

Ｖ _Cは、測定されない。 配電区間１のインダクタンスＬ１を横断する平均電圧は、ゼロであるので、Ｖ _Cは、Ｖ _C 'として図示される、Ｖ _Sを低域通過フィルター処理したバージョンによって近似できる。

配電区間１のインダクタンスＬ１が、Ｖ _S 、Ｖ _C 'およびＩから計算されるとき、配電区間１の外側で生じている摂動は、Ｌ１について正の値をもたらし、一方配電区間１内で生じている摂動は、Ｌ１について負の値をもたらすことが見いだされている。 電圧および／または電流が摂動を受けている間にＬ１の値の符号（正または負）を決定することで、電気的じょう乱の位置が配電区間１内にあるかまたは配電区間１の外部にあるかを決定することが可能になる。 スイッチ４０内にまたはスイッチもしくは全回路１０から離れて、例えばマイクロプロセッサもしくはコンピュータなどの例えば外部制御システムに収納されてもよいコントローラ３０が、Ｖ _SおよびＩを測定し、Ｖ _C 'およびＬ１を計算し、それ故に配電区間１内の故障またはアークの存在を決定することもあり得る。

例えば回路内の電気的ノイズからエラーが生じる可能性を低減するために、追加のフィルター処理および／または事象計数が、特定の配電区間１での故障の存在の検出に確信が得られるように含まれてもよい。 その配電区間は次いで、例えば制御線３３を介してスイッチ４０を開く準備をしているコントローラ３０によって分離されてもよい。

配電区間１のインダクタンスＬ１および負荷の容量成分を横断する電圧の近似値Ｖ _C 'は、以下で提供される方程式を使用して決定できる。 方程式は、離散時間で提示され、表記ｎ、ｎ−１は、逐次計算サイクルを通してパラメーターの最新値および前値を表す。

Ａ＝（１−ｋ）（Ｖ _S （ｎ）−Ｖ _C '（ｎ−１））
ただしｋは、約０．１の典型値を持つフィルター定数である。

Ｌ１＝ｔ・Ａ／（Ｉ（ｎ）−Ｉ（ｎ−１））
ただしｔは、サンプル時間間隔である。

Ｖ _C '（ｎ）＝Ｖ _S （ｎ）−Ａ
例えば図１で示すような複数の配電区間１、２・・・Ｎを備える回路１０で使用されるとき、故障の存在を決定するためのコントローラ３０は、もし所望ならば各配電区間１、２・・・Ｎに提供されてもよい。

図３は、故障が配電区間１で生じるときにその配電区間１でのインダクタンスＬ１を横断して生成される電圧（Ｖ _S ）波形および電流（Ｉ）波形の例を示す。 図からわかるように、電圧波形は、電流波形より後に生じる。 特に電圧ピークは、電流ピークより後に生じる。 またやはり図３で示されるように、配電区間１で検出されたインダクタンスＬ１は、電気的じょう乱の時に負の値を有することになる。

図４は、配電区間の外部、例えば回路の電源側または異なる配電区間２・・・Ｎでの電気的じょう乱に起因してその配電区間で生成される電圧波形および電流波形の例を示す。 図４の波形でわかるように、この例では、電圧Ｖ _S波形は、電流Ｉ波形より前に生じる。 特にピーク電圧Ｖ _Sは、ピーク電流Ｉより前に生じる。 またやはり図４で示されるように、配電区間１でのインダクタンスＬ１は、電気的じょう乱の間正の値を有する。 電圧（Ｖ _S ）波形は、電流（Ｉ）波形より前に生じ、配電区間１でのインダクタンスＬ１は、正の値を有するので、じょう乱は、配電区間１の外部、例えば回路１０の電源２０側でまたは別の配電区間２・・・Ｎで生じたと決定されてもよい。

回路内の電気的じょう乱の位置、例えば回路の負荷側かもしくは電源側かおよび／またはいくつかの配電区間のどれの内部かの表示は、回路の残りが動作を続けることができるように回路のその部分の分離をもたらしてもよい。 電気的じょう乱を被った回路の部分の表示はまた、ユーザーが、電気的じょう乱を経験した回路のその部分を調べることができるように、表示パネルまたはグラフィカルユーザーインターフェースなどでユーザーに提供されてもよい。

図５は、回路１０内の電気的じょう乱の位置を特定するときにノイズの影響を低減するための技術を示す。 この例では、電圧Ｖ _Sおよび電流Ｉのサンプルは、各波形Ｖ _S 、Ｉでのいくつかの時間窓１００、２００、３００のそれぞれで同時に取得される。 各波形Ｖ _S 、Ｉからの結果は、平均値を得るために複数の時間窓１００、２００、３００にわたって平均化されてもよく、ノイズの影響を低減し、より正確な結果を提供する。 明らかに任意の適切な数の時間窓が、使用されてもよく、その窓は、任意の適切な長さであってもよい。

多くの変形が、本発明の範囲内になお入りながら上で述べた例について行われてもよい。 例えば、電圧または電流の摂動によって生成される回路インダクタンスを横断する電流波形および電圧波形の相対位相は、配電区間内のインダクタンスの符号（正または負）を決定することへの代替案として、電圧ピークおよび電流ピークが生じる時間の比較によるなどの、任意の適切な技術によって決定されてもよい。 さらに、コントローラ３０は、回路内もしくはスイッチ機構４０内に提供される構成部品などの任意の適切な技術によって提供されてもよくかつ／またはマイクロプロセッサもしくはコンピュータを含んでもよくまたは含まなくてもよい回路１０の外部の１つもしくは複数の構成部品によって少なくとも部分的に提供されてもよい。

１ 配電区間 ２ 配電区間 １０ 回路 ２０ 電源 ２１ ケーブル ２２ 第２のケーブル ３０ コントローラ ３１ 導線 ３２ 導線 ３３ 制御線 ４０ スイッチ １００ 時間窓 ２００ 時間窓 ３００ 時間窓