Apparatus for monitoring for interference arc electrical device

本発明は、電気デバイスを妨害アークの発生について監視するための装置に関する。 本装置は、電気デバイスの運転時に発生したアークの検出に用いられ、検出された信号から警告信号又は当該電流回路を遮断するのに適した制御信号を導出できるようにすることを目的とする。

電気デバイスの運転時に、特に機器、組立体又は回路部分を互いに接続している導線、ケーブル及び／又はプラグ装置若しくは接点でアークが生じることがある。 アークはスイッチング動作においてもしばしば生じる。 アークは、回路のパターンに従って、電流回路内部で直列に発生することもあれば、隣接して配置された電流回路の間でいわば平行に発生することもある。 電気導体において、或いは電気導体と金属ケーシング部分との間においてフラッシュオーバーや絶縁破壊も起こりうる。 アークの発生原因としては、例えば導体の摩損箇所やキンク箇所の他、押しつぶれやケーブル破断が挙げられる。 装置の運転中の振動や、絶縁体の損傷によってもアークは生じ得る。 導体の敷設が不適切であってもアークの原因となり得ることは言うまでもない。 アークは隣接する電気機器及び電気デバイスの障害を引き起こすが、当該回路部分の破壊や、莫大な物的損害、更には人命の危険を招く火災の原因ともなり得る。

アークの発生は設計上の措置により予防できるが、最終的に完全に排除することはできない。 従って、自動車や、航空機、船舶等の慎重さが必要とされる製造分野では、アークの発生を検出してより大きい損害を防ぐ適切な措置を講じられるようにするための解決策を見い出さなければならない。

ＥＰ０５７５９３２Ａ１に開示されている妨害アーク検出装置は、アークによってもたらされた磁界がホール効果素子によって検出され、アークが検出された場合に当該電流回路を遮断するためのスイッチ機器が操作されるようになっている。 この解決策の有利な構成によれば、更にアークから出る光を感知することによってアークを検出するようになっている。 この場合、平行に案内された複数のバスを監視するために、バスの周囲に光導波体をループ状に配置して、アーク発生時にこの光導波体内に外部から半径方向に導入され、それゆえ少なからず減衰された光を光学受信器に案内することが提案されている。 しかし光導体の使用を基礎とするこの解決策においては、特に危険にさらされた可能性のある個々の位置の周囲及びその範囲内で、光学的方法も援用してアークが選択的に検出されるにすぎない。

ＪＰ０６２２２０９７Ａは、もっぱら光学的に作動するアーク検出のための解決手段を開示している。 そのために監視しようとする導線又はケーブルに沿って平行に配置された光導波体を設けることが提案されている。 この光導波体を介して光送信器と光受信器との間で光が伝送される。 アークにより高温が発生すると、光導波体が溶融して、光送信器と光受信器との間の接続が遮断され、これが受信器において評価される。 この解決手段の短所は、アークによって光導波体が遮断されない場合があることである。 このようなことは、例えば電気導体の光導波体との接触側とは反対側でアークが生じる場合、つまりアークが予想とは異なり、２本の平行な導体の間ではなく、１本の導体とこの導体を包囲しているケーシングとの間で形成された場合に起こる。 これを確実に排除するためには、両電気導体を取り囲む複数の光導波体を設けなければならないが、これは著しいコスト上昇を意味する。

ＤＥ２９５１３３４３Ｕ１に開示される解決策も光導波体の使用を基礎としているが、発光送信器を使用しない点が上述の解決策とは異なる。 ここではアークからの光導波体内に入射結合された光を直接評価する。 このために監視しようとする導線又はケーブルの周りに１本以上の光導波体が螺旋状に案内されている。 当該電気導体全体を空間的に監視できるようにするために、好ましくはより多数の光導波体を、電気導体の周りに十分狭い螺旋状配置において設けることが必要である。 そのうえ、アークの光は外部から半径方向に光導波体内に導入されるので、通常の光導波体は、ジャケット面を介した光の進入及び進出がほぼ起こらないような性状であることに留意しなければならない。 その上で存在するアーク発生時に外部から導入される光の減衰は、発生したアークの検出の信頼性に不利に影響することがあり、また電気導体の周囲に配置された光導波体を非常に目の細かい網状に形成することが必要となる。 同様のことはＤＥ３５３４１７６Ａ１に記載されている解決策にも該当し、またＪＰ１２２７６９５５Ａ及びＥＰ３５９９８５Ａ２に開示される解決策についても同様である。 最後に挙げた公報は、電気導線と一緒にこれと平行に案内された光導波体がジャケット内に収容されている電気ケーブルに関するものである。

ＥＰ０５７５９３２Ａ１

ＪＰ０６２２２０９７Ａ

ＤＥ２９５１３３４３Ｕ１

ＤＥ３５３４１７６Ａ１

ＪＰ１２２７６９５５Ａ

ＥＰ３５９９８５Ａ２

本発明の目的は、電気デバイス、即ちその導線、ケーブル及び／又は接点におけるアークの発生を確実に検出することである。 この場合、特に監視される要素全体に関して空間的に監視が保証されなければならず、アークが発生した場合は適切な方策を講じるようにする。

この課題は、主請求項の特徴を有する装置によって解決される。 有利な構成及び拡張が従属請求項に記載されている。

電気デバイスを妨害アークの発生について監視するための提案された本装置は、機器、組立体又は電気デバイスの回路部分を互いに接続している、単心又は多心の導線として又はケーブルとして形成されている少なくとも１本の電気導体と、アーク発生時にアークから出る光を光電変換器に案内する手段と、変換器と電気的に接続された監視評価ユニットとからなる。 発生したアークから出る光を光電変換器に案内する手段が、少なくとも１本の光導波体である。 本発明においては、光導波体が電気導体を取り囲んで 、電気導体の電気的絶縁体又はケーブルのジャケットを形成することが本質的である。 即ち、光導波体は監視されている電気導体に直接設けられた構成部材であると同時に、その電気的絶縁の働きもする。 以下、本発明との関連において複合導体についても述べる。 この目的に適した使用可能な材料は、一方では良好な光学的性質を有し、他方ではフレキシブルな電気絶縁体として使用できる透明なプラスチックであることが好ましいが、これについては後に詳述する。

特に電気導体全体が光導波体で取り囲まれている場合、即ち電気導体ほぼ全体が光導波体によって包囲されていて、アークの監視が断片的でないようにする場合、光導波体による導体の包囲、即ちその電気的絶縁は、製造の際に押出成形により自体公知の方法で行うことができる点で有利である。 上述のように、光導波体に取り囲まれた電気導体は、上述の方法で監視される電気デバイスの要素を接続するための導線又はケーブルである。 この場合、本発明における電気デバイスとは、それぞれの配置構成や必要に応じて、例えば光導波体で取り囲まれた相応の導線又はケーブルによって接続された電気機器、個々の電気機器又は機器の特殊な組立体を意味するとして理解されたい。

本装置は、その基本的な構成によれば、光導波体によって取り囲まれた電気導体自体で発生するアークに反応する。 この場合、アークの光は従来技術とは異なり、半径方向に外から導入されるのではなく、光導波体の内部で光導波体に直接入射結合される。 しかしこの装置は、後述する実施例において示されるように、クランプコネクタ又はプラグコネクタとして形成された、電気導体と電気デバイスの他のユニットとの接点で発生するアークに反応するように構成することができる。 このために、電気導体を取り囲んでいる光導波体は接点内部まで導入されている。 この場合、アークから出る光は軸方向で光導波体の端面を介して光導波体に入射結合される。 このような端面を介した軸方向入射結合は、先に説明した電気デバイスのコンセプトにおいて、本発明に従って構成されたケーブルが監視されている機器の内部に引き入れられ、機器内のどこかにアークが生じる場合にも考えられる。 比較的小さい機器（小さい体積）の場合は、このような構成で機器全体を監視するのに十分である。 しかし言うまでもなく、比較的大きい機器の場合は、変換器に案内された光導波体によって取り囲まれた別の電気導体を機器自体の中に設けることができる。

監視評価ユニットを設計するに当たっては、電気デバイスの使用目的、及びアーク又アーク発生時に予想される結果の危険度に応じて、種々の異なる配置構成が考えられる。 この場合、例えばアークの発生を適切な視覚的又は聴覚的警告信号により信号化すれば十分であろう。 しかし本発明に係る装置は、アークの作用を受けた電気デバイスの回路部分を通る電流を遮断するための手段を包含していることが好ましく、アークの検出時に当該手段が監視評価ユニットにより作動又は起動される。 当該電流回路を遮断するための手段は、例えばリレー、半導体スイッチ又はパワー半導体とすることができる。

本発明は、信頼性又は安定性を高めるために、好ましくは外部光の作用を抑制するため及び／又は絶縁強度を高めるために、電気導体を取り囲んでいる光導波体が、電気絶縁性且つ不透光性の付加的ジャケットによって包囲された装置も包含する。 更に、例えば導線の屈曲に基づいて発生する可能性のある光学的損失を低減するために、 付加的ジャケットの光導波体に面する内面が光学的に反射するように形成するか、或いはこれを鏡面化すると有利である。 これは、光反射性の箔を該内面上の設けることにより行うことができる。 外部光の作用を抑制するための追加的な方策は、日光及び／又は室内照明に該当する波長の光を遮断するか、或いはアークに特異的な波長のみ透過させるフィルターを通して光を光電変換器に入射結合することである。 この場合、フィルターは変換器に配置されているか、または変換器に一体化された構成部分であってよい。

光導波体によって取り囲まれた電気導体は、導電心線の数以外は種々異なって構成されてよい。 例えば電磁的妨害作用を防ぐために２本の導体を互いに撚って導線を構成することができる。 本発明によれば、遮蔽された導線も光導波体として構成されたジャケットによって取り囲まれることができる。 電気導線が撚線の場合、そのような電気導体は比較的平坦ではない表面を有するので、平坦な表面を得るために、必ずしも必要はないが好ましくは光を反射する平坦化層を設け、次いでこれを光導波体で取り囲むと有利であることが分かっている。 これは例えばチューブ成形法、つまり電気導体に対応する層を形成するチューブを被せることによって行うことができる。 電気導体に撚線を使用する場合に限らず、粘性を有する又はゲル状の層を設けて、絶縁体又はジャケットが破壊された場合に自己回復効果又は自己消火性を達成することも基本的に考えられる。 最後に、本発明の基本原理を維持しつつ、中間層によって分離された複数の光学層又は皮膜を備えた装置として複合導体を構成することも可能である。

本発明により構成された導線又は複合導体は、基本的に使用目的に応じて、切断により長さを調節できる導線であってよく、場合によっては取り付け時に初めて光電変換器に連結される。 しかし複合導体は、既に変換器と接続されている既製導線であってもよい。 最初に挙げた例では、変換器は機器メーカーなどのユーザーが、監視に用いられる光導波体にできるだけ簡単に連結できるように有利な構造に構成される。 本発明の基本コンセプトに従い、同時に絶縁体又はジャケットとして機能する光導波体は、例えばポリマーから形成することができる。 この場合、特にポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）及びその変性物（例えば架橋体及びフッ化物）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、場合によってその共重合体との組み合わせ、或いはポリカーボネート（ＰＣ）が適切な材料であることが分かっている。 このうちポリカーボネートはフレキシビリティーが高く、耐熱性に特に優れていることが特徴である。 そのうえ衝撃靭性を有し、アークによって火炎が発生した場合は自己消火性を発揮する。 ポリメチルペンテンもフレキシビリティーに富み、同様に高温での使用に適している。 しかも電気絶縁性が非常に高い。 上に挙げたポリマーは全て高い透明度、即ち高い透過度を特徴としている。 更にシリコーン・エラストマー又はフッ化ポリマーが光導波体の材料として考えられる。

光電変換器についても種々の構成形態が考えられる。 光導波体に簡単且つ適切に連結できるという観点から、本発明において想定されている構成形態においては、変換器は光導波体の軸方向端部に差し込みにより装着可能なキャップ又は滑動させて装着可能なディスクとして形成されており、場合によっては装着後キャップ又はディスクに電気導体が貫入するようになっている。 光導波体の軸方向端部にねじ込みにより装着する構成形態も考えられ、場合によっては光導波体にフェルール（Ferule）を設ける。 言うまでもなく本発明においては、例えば監視しようとする導体若しくは光導波体に相応の長さがあれば、光導波体の両端部を光電変換器と接続することも考えられる。 しかしこれは電気導体と光導波体のみからなり、切断により長さを調節できる組み合わせにおいてはもちろん考慮されない。 そのような組み合わせがすでに製造段階で光導波体の一方の軸方向端部に変換器又はフェルールが装備される限り、この場合も既製導線と言うことができる。 光導波体を光電変換器と接続するための別の有利な可能性において、光電変換器が、好ましくは光導波体の一方の軸方向端部で当該光導波体に溶融形成されている。 ポリマーエレクトロニクスの進歩に鑑みて、変換器もポリマーから形成することが考えられる。

導線の可能な種々の実施形態、及び監視しようとする装置の構成配置によれば、電気導体の心線の数に関して、複数の光導波体が光電変換器に案内されるようにした本発明に係る実施形態も可能である。 これらの場合において、光電変換器は場合によってＣＣＤライン、ＣＣＤマトリクス又はＣＭＯＳアレイとすることができる。

電気導体と光導波体とからなる組み合わせが所定の長さの既製導線であり、光導波体の一方の軸方向端部のみ光電変換器と接続するようになっていて、他方の端部（但し光導波体によって取り囲まれた電気導体の端部ではない）が、監視しようとする装置に組み入れた後に開いている場合、本発明の有利な拡張においては、閉じていない端部が鏡面化されている。 このようにすることによって、例えばこの端部の近傍で発生するアークの光は光導波体から逃げず、変換器によって確実に受容されて評価に供されることが保障される。 必要に応じて切断して長さを調節できる導線における鏡面化は、開いている端部を反射キャップで閉じることによっても実現できる。 最後に挙げた変形例は、 反射キャップ内に光送信器を配置し、反射キャップが半透過性の鏡を形成し、その鏡が反射キャップ内の光送信器から出る光を透過させる可能性をもたらす。 この光送信器によって、監視されている電気デバイスのスイッチ投入時に、或いは監視評価ユニットにより時間的に制御することにより装置の自己テストを行うことができる。 光送信器から放出された光パルスを評価することにより、光導波体が遮断又は損傷されているかチェックできる。

本発明の別の実用的な構成によれば、例えば船舶における電気接続の監視に必要であるような長い導線の光導波体内に、光増幅器が区分毎に組み入れられている。

本発明は、電気導体を取り囲んでいる光導波体が、発生したアークの光の入射結合の目的と、監視されている電気デバイス内部のその他の有効信号の伝送の目的のいずれにも用いられるようにした装置も明らかに包含する。 必要があれば伝送された有効信号をアークの光から分離又は区別するための当業者に周知の方策を講じる。 つまり必要に応じて光スイッチ又はフィルターを設けるか、或いは有効信号をそれに適した方法で修正する。 有効信号に対して光導波体を利用する場合に存在している発光素子も、光電変換器も、光を外部から入射・放射結合させるスリット・クランプ技術により光導波体に連結することができる。 この場合、それらは当該素子が爪状に形成されている突出する光学的能動素子により光導波体内に圧入される。 場合によってはスリット・クランプ技術を利用して光導波体との光結合も、電気導体の接触も行われる。

本発明による装置の光導波体が妨害アークの検出のほかに、有効信号の光学的伝送にも使用される場合は、妨害アークによって引き起こされた光信号と光学的有効信号との間の区別を、監視評価ユニット内に記憶された基準曲線によって行うことができる。 この場合、種々のタイプの基準曲線が対応するユニット内に記憶されていると好都合である。

光電変換器と監視評価ユニットとの間の情報伝送が、光導波体に取り囲まれた電気導体を介して行うことができ、場合によっては上述の考察による光導波体が有効信号の伝送にも用いられる。 しかし、変換器と監視評価ユニットとの間の情報伝送を、いわゆる「電源ライン技法」を利用して実現し、信号伝送が監視されている装置のエネルギー導線を介して行われるようにすることも考えられる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る装置の概略図である。 本装置は、光導波体２と、光電変換器３と、前記変換器３の信号を評価するための監視評価ユニット４とを備える。 更にこの装置の直接の構成部材は電気導体１である。 電気導体１は、図示されていない電気デバイスの回路部分、組立体又は機器に接続しており、本発明の基本コンセプトによれば、ほぼ全長にわたり光導波体２によって取り囲まれている。 この場合、電気導体１は、いわば光導波体２の非光学的コアをなしている。 図１に示す例では切断により長さを調節できる電気導線であり、別の装置部分によってアークについて監視され、その絶縁体は光導波体２によって形成されている。 電気導体１に起因するアークが生じた場合、このとき発生する光は光導波体２の内部で光導波体２に直接入射結合される。 光は光導波体２によって光電変換器３に送られ、その信号が監視評価ユニット４によって処理される。 監視評価ユニット４の構成に応じて、アークが発生した際に監視評価ユニット４によって警告信号が起動されるか、または適切なスイッチ素子を包含する回路ユニットが作動して、アークの影響された回路部分を遮断する。 検出信号の適切な評価に必要な素子及び回路ユニットは当業者に知られており、ここで詳述する必要はない。 アークの作用を受けた導電回路の遮断は、例えば対応するリレーによって行うことができる。

光電変換器３が相応の面を有する限り、図１に示す構成とは異なり、それぞれ電気導体のジャケットとして用いられる複数の光導波体２に案内されることも可能である。 配置構成が複雑な場合は、光電変換器３にＣＣＤライン又はＣＣＤマトリクスを使用することも考えられる。

図２は、図１に示す装置を若干変更した変形例を示している。 図１に示す構成とは異なり、ここでは電気導体１とこれを取り囲んでいる光導波体２によって構成された導線は、長さが固定した既製の導線である。 電気導体１を所定の箇所で接続又は接触できるようにするために、その端部は監視に用いる光導波体２から半径方向に導出されている。 そのような光導波体２を装備された導体１が、長さに関して可変であるか固定されているかに関わらず、製造時に一回の押出し工程で同時に電気絶縁体と、後の監視に用いる光導波体２とによって取り囲まれ得ることは、特に有利である。 用途によっては、そのように構成された複合導体に、安定性の理由から、或いは外部光の影響を低減する目的で、 不透光性の付加的ジャケット７も装備するのは合理的であろう。 更に適合性を高めるために、付加的な方策や光電変換器３の特別の構成が必要となることもある。 例えば、周囲光の影響を抑制するために光電変換器３を相応するフィルター部材と連結することが必要又は合理的であり得る。 導線に関係する別の方策は、開いていることもある光導波体２の軸方向端部を必要があれば鏡面化することである。 これはアークから光導波体２内に導入された光を確実に評価するという観点で有利である。 最後に、造船などにおいて比較的長い導線の場合は、光導波体２の中間に光増幅器を接続することが必要であろう。

図３は、上述したように電気導体１と光導波体２から構成された導線が、本発明の基本的なコンセプトによれば、例えばプラグコネクタ５の内部の接点を監視する目的にも使用できることを示している。 このために導線及びこれを取り囲んでいる光導波体２は、監視される相当する接点まで直接導入される。 この場合、発生したアークから出る光は軸方向で光導波体２の端面６を通って入射結合され、光電変換器３に供給される。 その他の作用形式はすでに図１に関連して述べたのと同じである。 本発明は複雑な電気デバイス又は電子デバイスの監視にも使用できるという観点で、図３に部材番号５で示したユニットは、好ましくは寸法の小さい機器一式であってもよい。 そのケーシング内には発生した妨害アークを検出するための本発明による複合導体が導入され、そこで例えばクランプコネクタ又は類似のコネクタを介して機器と接続されている。

図１及び図２の関連して既に説明した装置を、各使用例にその都度適合させるための方策の他に、光電変換器３を種々の異なる方式で構成するできる。 図４に示す有利な実施形態において、変換器３は光導波体２に差し込みにより装着可能なキャップとして構成できる。 図４の例ではキャップ状の変換器３に、電気導体１が貫入されている。 周囲光の影響を更に低減させ、及び／又は絶縁耐力を高めるために、この例では電気導体１と光導波体２からなる導線は、 不透光性の追加の絶縁ジャケット７によって取り囲まれている。

本発明の装置又は複合導体には、極めて多様な用途が考えられる。 定置機器の監視と並んで、動いている操作導線及び供給導線（例えば自動車製造やロボット技術）のワイヤー破断又はワイヤー破断の恐れを検出するために使用することも考えられる。 ハイブリッド自動車における燃料電池技術と共に用いることも考えられる。 暗くなるまで（即ち夜となるまで）活動する電源特性を有する光電変換（太陽電池）設備に発生したアークを検出するために使用することも有意義であろう。

切断により長さを調節できる導線を有する本発明の基本的な実施形態。

図１に示す本発明の実施形態において、長さが固定した既製の導線を使用した形態。

プラグ装置の内部を監視するための本発明に係る装置の構成。

差し込みにより装着可能な光電変換器を有する構成形態。

符号の説明

１ 電気導体２ 光導波体３ （光／電）変換器４ 監視評価ユニット５ クランプコネクタ又はプラグコネクタ、場合によって機器６ 光導波体の端面７ 絶縁ジャケット