JP5778787B2 - 電力回路におけるアーク故障を検出するための方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、特に光起電力システム内の、電力回路におけるアーク故障を検出するための方法に関する。
本発明は、さらに、アーク故障検出システム、および対応する検出システムを備える光起電力システムに関する。

例えば、光起電力システムまたはオフグリッド電源装置を提供するシステムにおける電力回路、特に、高電圧および高電流で作動するＤＣ（直流）電力回路は、電気アークを発生しがちである。
電気アークは、例えば、高電流負荷を有する電力線がメンテナンス中に遮断された場合、またはインターコネクタでの接点が劣化した場合、発生する可能性がある。
他にアーク故障、すなわち、電力回路における電気アークの発生を引き起こす可能性があるものには、はんだ接合部の腐食または電力線の絶縁体の破損がある。
アーク故障は、光起電力システムにおける最も共通した火事の原因である。
これは、例えば、２０１１年に施行されるアメリカ合衆国の米国電気工事規程（ＮＥＣ）６９０．１１によって規定される光起電力システムに対するアーク故障保護のための要件を反映する。

したがって、信頼性の高いアーク故障検出方法およびシステムは、主として重要である。
一方で、セキュリティ上の理由から、アーク故障の存在は、可能な限り高い信頼性を持って検出されなければならない。
他方で、アーク故障が発生したと誤って指示する確率は、特に、アーク故障の誤検出が、システムを自動的に再起動するオプションを有さない光起電力システムのシャットダウンを引き起こす場合、例えば、上述のＮＥＣ６９０．１１規定で明記されたように、可能な限り低くしなければならない。

電気アークは、通常、ＲＦ（無線周波数）周波数範囲で広帯域ＡＣ（交流電流）信号を放出する。
電力回路において一致する無線周波数信号を検出することに基づくアーク故障の検出システムは、十分に確立され、例えば、国際公開第９５／２５３７４号明細書から知られている。
ＲＦ周波数範囲における電流波形を介するアーク故障の検出と関連した問題は、誤解釈され、アーク故障に誤って対応づけられた妨害ＲＦ信号が電力回路内にあるかもしれず、最終的に厄介な警告状況を引き起こすことである。
妨害信号の発生源となり得るのは、例えば、ＲＦ無線送信器、電磁遮蔽や電磁妨害抑制が不十分な電気電子機器によって走る電車や路面電車、もしくは隣接する電力システムにおけるアークである。
以下において、それぞれの電力システムにおけるアーク故障以外の、起こり得るすべてのＲＦ源は、以下、「妨害源」と呼ぶ。

検出の信頼性を高めるために、米国特許第７，６３３，７２７（Ｂ２）号明細書は、異なる周波数で動作する２つの狭帯域バンドパスフィルタを備えるアーク故障検出システムを開示する。
２つのバンドパスフィルタの両方の周波帯で無線周波数信号が観測された場合のみ、アーク故障が存在すると判別する。
しかしながら、電気アークの典型的な周波数スペクトルと同様に広い周波数スペクトルを妨害信号が示す場合、この妨害信号は、アーク故障から生じる信号と区別することができない。

したがって、電力回路においてアーク故障を検出するための堅実で信頼できる方法およびシステムを作り出すことが望ましい。
さらに、対応する検出システムを有する光起電力システムについて記述することが望ましい。

本発明の第１の態様によれば、電力回路におけるアーク故障を検出する方法は、以下のステップを備える。
すなわち、電力回路内を流れる電流に関連した第１の信号を判別する。
第１の信号は、電力回路内に電気アークが存在することを信号が示すかどうかを判別するために分析される。第１の信号が、電力回路内に電気アークが存在することを示す場合、電気アークを抑制する手段が作動する。
次いで、電力回路内を流れる電流に関連した第２の信号が、判別され、分析される。
電力回路内におけるアーク故障の発生は、第２の信号が電気アークの存在を示さない場合に報知される。

アークを抑制するための手段を作動するかどうかを試験するこの方法は、アーク故障の存在を示す信号をもたらす。
この試験の結果がポジティブである場合のみ、観測された信号は非常に高い確率で電気アークから起因し、アーク故障が報知される。
妨害源から起因する信号が、アークを抑制するための手段に影響しないと仮定すると、試験の結果がネガティブであることは、アーク以外の妨害源が観測された信号の源であることを示す。
したがって、本方法は、アークと妨害源とを区別する可能性をもたらす。
アーク故障はより確実に検出され、それに応じて、厄介な警告状況を防ぐことができる。

本方法の好適な実施形態において、第１および／または第２の信号を分析するステップは、ＡＣ成分が信号内にあるかどうかを判別することを備え、信号内にＡＣ成分が存在することは、電気アークの存在を示すと考えられる。
このように、電力回路におけるＡＣ信号の観測に基づくアーク検出の技術は、本発明の方法内で利用することができる。
電気アークを抑制するための手段を作動することが、電力回路内を交流電流が流れることを妨害しないことがさらに好ましい。
これは、アークと妨害源との間の弁別を可能にする。

本方法のさらなる好適な実施形態において、電気アークを抑制するための手段を作動するステップは、短絡スイッチおよび／または回路遮断器を動作させる。
短絡スイッチおよび回路遮断器は、アークを抑制するための堅実で安価な手段である。

本方法のさらなる好適な実施形態において、電気アークを抑制するための手段は、アーク故障の発生を報知した後、作動し続ける。
このように、例えばＮＥＣ６９０．１１によるセキュリティ対策が満たされる。

本方法のさらなる好適な実施形態において、第２の信号が電気アークの存在を依然として示す場合、前記第１の信号を分析する処理は、実際の前記第１の信号が電気アークの存在を示すともはやみなさないよう最適化される。
第２の信号が電気アークの存在をそれでもなお示す場合、妨害源は、観測された信号の源である可能性が非常に高い。
次いで、この認識は、例えば、信号がこれ以上観測されないように、すなわち、妨害信号が抑制され、アーク故障の徴候としてみなされないように処理のパラメータを変えることによって、信号を分析する処理を最適化するために使用することができる。

本方法のさらなる好適な実施形態において、電気アークを抑制するための手段を作動してから停止するまでの間のタイムスパンは、アーク故障の典型的な再点火時間よりも短い。
このように、アークのさらなる特性挙動、つまり、短期間だけ抑制される場合に自己点火するということは、アークと妨害源との間のさらなる弁別のために使用される。
この点において、第２の信号が電気アークの存在を示さない場合、以下の追加ステップを行うことがさらに好ましい。
すなわち、電気アークを抑制するための手段が停止され、電力回路内を流れる電流に関連した第３の信号が判別され、分析される。
次いで、第３の信号が電気アークの存在を示す場合、電力回路内のアーク故障の発生が報知される。

本発明の第２の態様によれば、アーク故障検出システムは、アークインジケータおよび電気アークを抑制するための手段を有する制御ユニットを備える。
アーク故障検出システムは、第１の態様による方法を実行するよう設計される。
第１の態様と関連して記載した同じ利点が挙げられる。

アーク故障検出システムの好適な実施形態において、電気アークを抑制するための手段は、短絡スイッチおよび／または回路遮断器を備える。
短絡スイッチおよび回路遮断器は、アークを抑制するための堅実で安価な手段である。
さらに好ましくは、キャパシタは、回路遮断器のスイッチング経路に並列に提供される。
このように、ＡＣ電流信号は、作動中（すなわち、オープンの）回路遮断器を通過することができ、それに応じて観測することができる。

アーク故障検出システムのさらなる好適な実施形態において、インバータのインバータブリッジは、短絡スイッチおよび／または回路遮断器として使用される。
このように、短絡スイッチおよび／または回路遮断器は、電気機械スイッチ等の追加の、他の要素を使用することなく、実現することができる。
また、何らかの方法、つまり、スイッチ、通常は半導体スイッチを備える１つ以上のインバータブリッジを呈する、インバータの構成要素を利用する。

アーク故障検出システムのさらなる好適な実施形態において、制御ユニットのアークインジケータに接続された電流センサとして、ピックアップコイルが使用される。
これは、電力回路からのＡＣ信号を導出するための経済的な方法を提供する。

本発明の第３の態様によれば、電力システム、特に、光起電発電システムは、本発明の第２の態様によるアーク故障検出システムを備える。
第１および第２の態様と関連して記載した同じ利点が挙げられる。

電力システムの好適な実施形態において、アーク故障検出システムは、電力システムのインバータに、完全に、または部分的に統合される。
このように、小型システムを設計することができる。
さらに、インバータ内に呈される制御システムおよび／または半導体電力スイッチは、電力システム内で重複したいかなる構成要素を有することなく、アーク故障検出システム内で使用することができる。

本発明はここでより詳細に記載され、図面と共に以下の詳細な記述を参照して完全に理解されるであろう。

アーク故障検出システムを有する光起電力システムの模式的な配線図である。 電力回路における電気アークの存在を検出するための方法の一実施形態のフローチャートである。 図２によるアーク故障の検出に関連した、異なる状況における電力回路内の、電流対時間の模式図である。 図２によるアーク故障の検出に関連した、異なる状況における電力回路内の、電流対時間の模式図である。 図２によるアーク故障の検出に関連した、異なる状況における電力回路内の、電流対時間の模式図である。 電力回路における電気アークの存在を検出するための方法のさらなる実施形態のフローチャートである。 図６によるアーク故障の検出に関連した状況における電力回路内の、電流対時間の模式図である。

図１は、模式的な配線図で光起電力システム１を示し、光起電力システム１は、以下、ＰＶシステム１と略す。
ＰＶシステム１は、ＤＣ電力線３、４を経由して、インバータ５、例えば、ＤＣ／ＡＣ（直流／交流電流）変換器に接続された光電発電機２（ＰＶ発電機２）を備える。
インバータ５は、そのＡＣ側で、電力グリッド６に接続される。

電力グリッド６は、私的な、または公的な電力グリッドとすることができる。
例えば、電力グリッド６は３相システムであり、インバータ５はあらゆる３相システムに供給するよう設計される。
しかしながら、本発明は、任意の数の位相、例えば、１または２位相で動作する電力グリッドおよび／またはインバータを有して実現することができる。

また例えば、ＰＶ発電機２は、単一の光起電力セルの回路記号によって記号化される。
示したＰＶシステム１の実現において、ＰＶ発電機２は、例えば、それ自体が複数の光起電力セルを備える単一の光起電力モジュール（ＰＶモジュール）とすることができる。
他の実施形態において、ＰＶ発電機２は、例えば、直列に接続された、いわゆる数珠つなぎを形成する、複数のＰＶモジュールを備えることができる。
さらに、ＰＶモジュールの並列接続、または直列／並列接続の組合せも可能である。

ＰＶ発電機２、電力線３、４、およびインバータ５の入力状態によって形成された電力回路において発生し得る異なる２種類のアーク故障を図１に示す。
第１の種類は、電力回路の電源としてのＰＶモジュール発電機２に並列で燃焼する並列アーク７である。
第２の種類は、ＰＶ発電機２と電気的に直列で、電力線３、４の一方内の断線に位置する直列アーク８である。
異なる２種類のアーク７、８は、図１において記号化される。
例えば、直列アーク８は、電力線３内に位置する。
また例えば、並列アーク７は、ＰＶモジュール発電機２に並列して位置する。
一般に、並列アークは、異なる電位を有する２つの点の間に起こり得る。
したがって、並列アークもまた、ＰＶ発電機２の一部に並列に起こる可能性があり、例えば、単一のＰＶモジュールに並列に位置する可能性がある。

さらに、特別なケースの並列アークとして、例えば、接地された金属パイプ内に電力線３、４が布設された状況において、電気アークもまた接地電位に対して起こり得る。
接地電位に対するアークは、以下、接地アークと呼ぶ。
例えば、一方の電力線４、３が意図的に、または意図せず接地された場合、接地アークは、電力線３、４のもう一方と接地電位の間で起こる可能性がある。

図１のＰＶシステム１は、アーク故障検出システム１０をさらに備える。
システム１０は、信号入力１２、制御出力１３、１４、および信号出力１５を有する制御ユニット１１を備える。
制御ユニット１１は、電流センサ１６に、信号入力１２を介して接続される。
例えば、電流センサ１６は、電力線３に対応づけられたピックアップコイルとして実現される。
例えば、ピックアップコイルは、ロゴスキーコイルとして設計され得る。
また、変圧器は、電流センサとして使用することができる。
代替実施形態において、他の既知の種類の電流センサを使用することができる。
特に適切なものは、例えば、オーミック抵抗の低いホールセンサ、または分流器である。
制御ユニット１１内で、信号入力１２はアークインジケータに接続され、アークインジケータは、例えば、バンドパスフィルタおよびエンベロープデコーダにより、測定された電流信号を分析し、測定された電流信号が、電力回路内のＡＣ成分の存在に基づいて、電気アークの存在を示すかどうかを判別する。
なお、電流センサを使用して、測定された電流信号を分析する代わりに、電気回路内の電圧、例えば、インバータ５の入力での電圧は、電気アークが示されたかどうかを分析するために直接測定することができる。
しかしながら、以下に記載するように、電流を分析することは、並列アークと直列アークとを区別する可能性をもたらす。

各制御出力１３、１４は、回路内で発生したアーク故障を遮断するための手段に接続される。
第１の制御出力１３は、ＰＶ発電機２を短絡するのに適した短絡スイッチ１７の制御入力に接続される。
第２の制御出力１４は、電力線３内に設置され、電力線３内を流れる電流を遮断するのに適した回路遮断器１８に接続される。
短絡スイッチ１７および回路遮断器１８は、例えば、電力スイッチを電磁的に動作させることができ、あるいは、半導体デバイス（パワートランジスタ、半導体リレー）に基づき得る。
有利な一実施形態において、電気アークを検出するためのシステム１０または本システム１０の一部は、インバータ５に統合することができる。
これは、制御ユニット１１に、ならびにアークを遮断するための手段にも当てはまる。
後者の場合に関して、例えば、回路遮断器として、もしくはまた短絡スイッチとしてインバータ５のインバータブリッジもしくはブースターブリッジの半導体電力スイッチを使用することが可能である。

短絡スイッチ１７の動作は、ＰＶ発電機２の短絡をもたらし、あらゆる並列アーク７が消える程度まで電力線３と電力線４との間の電圧を下げる。
並列アークの特別なケースとしての接地アークも消えるということに留意されたい。
回路遮断器１８の動作、すなわち、その接点の開放は、ＰＶ発電機２からインバータ５へ流れる電流を遮断し、したがって、あらゆる直列アーク８が消える。
当然、回路遮断器１８が動作したときに接点が閉じるように逆に動作する回路遮断器１８は、逆の制御信号が使用される場合に使用することもできる。

キャパシタ１９は、回路遮断器１８の接点（または、より一般的には、スイッチング経路）に並列に接続される。
これは、回路遮断器１８が動作したとしても、交流電流が、電力回路内を依然として流れることを可能にする。
結果として、回路遮断器１８が動作した場合、直列アーク８に起因しないＡＣ信号が、依然として観測され得、有利には、妨害源とアークのどちらがＡＣ信号の出所であったかを判別するために利用することができる（図２と関連して下記を参照）。
インバータ５の入力段がより高い周波数のための高インピーダンスを有する場合、同じ理由から、図１に点線で示してあるキャパシタ２０は、インバータ５の入力に並列に接続され得る。
多くの場合、適切なキャパシタは、例えば、ＥＭＣ（電磁適合性）フィルタの一部として、インバータの入力段にすでに存在する。

システム１０およびその構成要素の機能性は、以下に詳細に記載されるであろう。

図２は、電力回路内の電気アークを検出するための方法のフローチャートを示す。
本方法は、例えば、図１に示す保護システム１０によって実行することができる。
いかなる制限もなく、したがって、例えば、図１を参照して記載される。

第１のステップＳ２０１において、電力回路、例えば、図１に示す光起電力システム１は、通常の作業条件において動作する。
それに応じて、制御ユニット１１は、その制御出力１３、１４を介して、短絡スイッチ１７を開け、回路遮断器１８を閉じるように制御する。

第２のステップＳ２０２において、電力回路内を流れる電流の第１の信号が測定され、分析される。
第１の信号は、電力回路内を流れる電流のＡＣ成分に関連した信号である。
上記のように、電気アークは、通常、電力回路の電流源によってもたらされる電流に重ね合わさった高周波数信号を放出する。
図１に示す実施形態において、電源は、電力線３および４を通って流れるＤＣ電流をもたらすＰＶ発電機２である。
電流のＡＣ成分は、電流センサ１６によって捕らえられ、制御ユニット１１に送られる。
次いで、第１の信号のパラメータが、電力回路内に電気アークが存在することを示すかどうかを分析する。
これは、例えば、１つ以上のバンドパスフィルタを使用し、燃焼アークに対する周波数成分特性が観測されたかどうかを分析することにより実行することができる。
電気アークが存在するかどうかを示すあらゆる分析方法を、ここでは使用することができることに留意されたい。

以下のステップＳ２０３において、本方法は、アークが示されない場合、ステップＳ２０２に戻る。
ステップＳ２０２における信号の分析が電気アークを示す場合、本方法は、次にステップＳ２０４に続く。
信号出力１５が、この状態で電力回路における電気アークの存在を知らせるレベルにないことを強調しておく。
むしろ、以下のステップは、観測されたＡＣ信号が、実際にアーク（直列／並列）もしくは妨害源に起因するかどうかを判別するために実行される。

ステップＳ２０４において、制御ユニット１１は制御信号を制御出力１４の配線に発行し、回路遮断器１８を動作する。
それに応じて、回路遮断器１８が開き、電流回路内を流れるＤＣ電流が遮断される。
回路遮断器１８に並列に接続されたキャパシタ１９のため、回路遮断器１８の動作は、電力回路内のより高い周波数のＡＣ電流に影響を及ぼさない。

次のステップＳ２０５において、電流センサによって判別された信号が、再び測定され、分析される。
回路遮断器１８を開けたことにより、すなわち、電力回路内を流れるＤＣ電流を遮断したことにより、ステップＳ２０２において観測された第１の信号の出所であったであろう直列アーク８が、現在、消失したとみなすべきである。
それに応じて、ステップＳ２０５における第２の信号が、これ以上のアークの存在を示さない場合、これは、ステップＳ２０２において観測された第１の信号が、実際に、直列電気アーク８の存在に起因したことの証拠とみなすことができる。
ステップＳ２０６において、次いで、本方法はステップＳ２１３に分岐し、そこでは、信号出力１５を能動レベルに設定することによって、制御ユニット１１が電気アークの発生を報知する。

一実施形態において、本方法は、この時点で終了するであろう。
そのような場合において、信号出力１５は、電力回路における電気アークの発生を検出したことを通知する視覚および／または聴覚アラームインジケータに接続され得る。
回路遮断器１８は、開放状態に維持され、検出されたアークが再び点火することを防ぐ。
この場合、システムを自動的に再起動しないよう、ＮＥＣ６９０．１１規定の要件が満たされる。

自動再起動が禁止されない場合に特に適した代替実施形態において、検出システム１０は、ステップＳ２０１による通常動作を再開するよう、まず設定される。
次いで、ステップＳ２０１に続くステップが、再び、少なくとも１度は繰り返される。
ステップＳ２０２が、電気アークの存在を繰り返し示し、一方ステップＳ２０５がアークを示さない場合のみ、本方法は、最終的に、ステップＳ２１３に分岐する。
検出システム１０の動作を追跡するために、ログシステムを制御ユニット１１において実現することができる。
ログシステムは、電気アークの存在を示すあらゆる事象、および／または短絡スイッチ１７ならびに／もしくは回路遮断器１８のあらゆる動作を記録する。

さらなる例示目的のため、図３は、電流対時間の図の形式で、上記のような状況（ステップＳ２０１からＳ２０６およびＳ２１３）を示す。
図の横座標は、任意のユニットにおける進行時間ｔを示す。
図の縦座標は、電力回路内を流れる電流Ｉを示す。
説得力のある記述のために、電流Ｉは、そのＤＣ成分で示される。
したがって、示した電流Ｉは、図１の制御ユニット１１によって分析された信号と異なる。
図１の実施形態において、ピックアップコイルが電流センサ１６として使用され、すなわち、電流センサ１６はＡＣ結合され、ＤＣ成分を制御ユニット１１に送信しない。

時間ｔ＜ｔ_１での図の第１の区分Ａにおいて、ＰＶシステム１は、図２の方法の対応するステップＳ２０１からＳ２０３と同様の、通常の動作条件で動作するが、ステップＳ２０２は、アークの存在を全く示さない。
電流Ｉは、通常の動作電流値Ｉ_０を示すＤＣ電流である。時間ｔ_１で始まる区分Ｂにおいて、電流Ｉは、電流Ｉを通常の動作電流Ｉ_０あたりで変動させるＡＣ成分を示す。
図３の区分Ｂにおける信号の測定および解析は、本方法を図２のステップＳ２０４に分岐させ、そこでは、回路遮断器１８が開かれる。

図２のステップＳ２０５およびＳ２０６と関連して記載したように、信号は、回路遮断器１８が開かれた後、すなわち、おそらく区分Ｂにおいて観測された信号の原因となったであろうアークを消すための手段が作動した後、再び測定され、分析される。
時間ｔ＞ｔ_２の区分Ｃで実行した測定は、いかなるＡＣ成分も有さない、０に等しい電流を示す。
したがって、非常に高い確率で、区分Ｂで観測された信号は、実際に、電気アーク起因であった。
結果として、回路遮断器１８は開かれたままであり、アーク故障が報知されている。
メンテナンスを容易にするために、有利には、検出されたアーク故障が直列アーク故障であることを示すことも可能である。

図２のフローチャートの記述は、ステップＳ２０６が依然として電気アークの存在を示す場合に、さらに続く。
ステップＳ２０４で回路遮断器１８を開いた場合、電力回路内にあるあらゆる直列アークが消えたであろう。
ステップＳ２０６でアークが依然として示されるということは、ステップＳ２０２およびＳ２０５で観測された信号が、妨害源または並列アーク７に起因したことを示す。

その場合、本方法はステップＳ２０７に続き、そこでは、回路遮断器１８が再び閉じられ、短絡スイッチ１７が、起こり得る並列アークを消すための手段として動作しており、すなわち、観測されたＡＣ信号の、２つの起こり得る出所を区別することを可能にするために閉じられる。

続くステップＳ２０８において、信号が再び測定され、分析される。
続くステップＳ２０９において、分析された信号が電気アークの存在を示さない場合、これは、ステップＳ２０２およびＳ２０５で観測された信号が、並列アーク起因であることの証拠とみなすことができる。
それに応じて、本方法は、再び、ステップＳ２１３に分岐し、アーク故障が報知される。
メンテナンスを容易にするために、有利には、検出されたアーク故障が並列アーク故障であることを示すことも可能である。

ここまで（ステップＳ２０１からＳ２０９およびＳ２１３）で記載したような状況を、図４に示す電流対時間の図の形式で再び図示する。
図および示した量の一般的な説明として、図３の説明を参照する。
さらに、図４の電流曲線の軌跡は、区分ＡおよびＢでは図３と同じである。
次いで、信号は、ＡＣ成分が依然として観測されるという点で、回路遮断器１８が開いた（ステップＳ２０４）後の区分Ｃで異なる。
時間ｔ＝ｔ_３では、回路遮断器１８が再び閉じられ、短絡スイッチ１７も閉じられ（ステップＳ２０７）、電流Ｉが、区分Ｄで短絡した場合、その最大値Ｉ_ｍａｘまで増加させられる。
区分Ｄにおいて、いかなるＡＣ電流成分は観測されず、高い確率で、区分ＢおよびＣで観測された信号は、並列電気アーク起因であったことを示す。
それに応じて、短絡スイッチ１７は閉じたままにされ、アーク故障が報知されている（ステップＳ２１３）。

ここで、図２のフローチャートの記述は、ステップＳ２０８で測定され、分析された信号が、電気アークの存在をまさに指示する場合に続く。
その場合、本方法は、ステップＳ２０９からステップＳ２１０に続く。
本方法のこの段階では、高い確率で、電気アークが、ステップＳ２０２、Ｓ２０５、Ｓ２０８で観測された信号の出所であることを除外することができる。
逆に、観測された信号が、妨害源起因である可能性が高い。

この知見を利用すると、信号を分析する処理が、ステップＳ２１０において最適化される。
ステップＳ２１０およびＳ２１１はオプションであり、本出願による方法に必ずしも必要なわけではないことに留意されたい。
上記のように、電気アークは、広い周波数スペクトルを有するＡＣ信号を放出することを特徴とする。
例えば、信号を分析する処理が、例えば、単一のバンドパスフィルタを使用することによって、単一周波数でのＡＣ成分の観測に基づく場合、バンドパスフィルタの周波数は、分析を最適化するために適合することが可能である。
バンドパスフィルタの周波数は、周波数が電気アークの周波数範囲特性内にあったとしても、信号が（フィルタを通った後）どんな性質のＡＣ成分も示さない周波数を発見するために変更される。
これらの基準を満たすバンドパスフィルタを見つけることができたなら、事前に観測した信号が妨害源のためであったことが確認される。
ここで、検出器回路での妨害源の影響が除去されたので、システムの通常動作を再開することができる。
フローチャートにおいて、これは、本方法のステップＳ２１１からの分岐により示され、最適化手順の成功が検証され、ステップＳ２０１に戻る。

本状況は、電流対時間の図で図５において再び図示される。
ｔ＜ｔ_３の間、図は、図４に示す図に対応する。
図４の図とは対照的に、アークの存在は、区分Ｄにおいて依然として報知され、結果として、分析は区分Ｅにおいて最適化される。
区分Ｅにおける平均電流値から明らかなように、最適化手順は通常の作業電流Ｉ_０で実行され、短絡スイッチ１７が開かれ、回路遮断器１８が閉じられていることを意味する。
しかしながら、代替実施形態において、最適化処理は、短絡スイッチ１７および回路遮断器１８が変更されないままの、すなわち、回路遮断器１８および短絡スイッチ１７が依然として閉じられたままの区分Ｄ内で実行されてもよい。

区分Ｅにおいて、信号を分析するために使用されるバンドパスフィルタの周波数は、周波数に調整され、例えば、周波数内で増加および／または減少する。
図示した場合において、最適化手順は成功し、ＡＣ成分の振幅は減少する。
妨害信号の周波数スペクトルは、バンドパスフィルタを通る関連信号において、完全に遮断される。
それに応じて、図２のステップＳ２１１に対応する時間ｔ_５では、最適化手順が良好に完了したとみなされ、ステップＳ２０１による通常の動作が、図５の区分Ｆにおいて再開される。

再び図２に戻り、ステップＳ２１０の最適化処理が成功しなかったことをステップＳ２１１が示した場合、本方法は、ステップＳ２１２で終了する。ステップＳ２１２では、アーク故障が発生した可能性が報知されている。
この状態では、アーク故障を明確に識別することも、アーク故障検出システムを動作の非撹乱モードに調整することも不可能である。

図６は、アーク故障を検出するための方法の代替実施形態のフローチャートを示す。
本方法はまた、例えば、図１に示すような光起電力システムによって実行することもできる。

ステップＳ６０１からＳ６０６は、図２のフローチャートのステップＳ２０１からＳ２０６と同一である。
これらのステップを説明するために、図２に示す実施形態の各部分の説明を参照する。

ステップＳ６０２で測定され、分析された信号、ならびにステップＳ６０５で測定され、分析された信号が電気アークの存在を示す場合において、図６に示す方法は、ステップＳ６０６から次のステップＳ６１２に分岐し、並列アークが存在するかどうかを試験する。
一致するステップは、ここでは詳細に示さない。
例えば、図２に示す実施形態のステップＳ２０７からＳ２１２は、この点において適合することが理解されよう。

図６に示す方法は、ステップＳ６０２で測定され、分析された信号が電気アークを示し、一方、ステップＳ６０５で測定され、分析された信号が示さない場合、図２に示す方法と異なる。
次いで、本方法はステップＳ６０７に分岐し、そこでは、回路遮断器１８が再び閉じられる。
これまで記載された本方法の全ステップに対し、ステップの経時的順序が主な関心事であり、個々のステップの存続期間または連続するステップ間の遅延時間を考慮することなく説明してきた。
図６に記載した方法の実施形態において、ステップＳ６０４において回路遮断器１８を開いてから、ステップＳ６０７において再び回路遮断器１８を閉じるまでの間の時間遅れは、アークが依然として存在していることにより発生するプラズマのために、アークが再び点火するのに十分短いことが重要である。
続くステップＳ６０８では、信号はもう一度測定され、分析される。
ここで再び信号が電気アークの存在を示す場合、アークがＡＣ信号を引き起こしたという仮定が支持される。
それに対応して、本方法は、ステップＳ６０９からステップＳ６１０に分岐し、そこでは、回路遮断器１８が再び開かれ、アーク故障、より詳しくは、直列アーク故障が報知される。

ステップＳ６０８で測定された信号がアークの存在を示さない場合、高い確率で、ステップＳ６０２で観測された信号が、アークではなく妨害源のためであったと仮定することができる。
ステップＳ６０５で観測されなかったということは、非常に短期間のみの間、妨害信号を放出した妨害源に対応づけることができる。
したがって、本方法は、ステップＳ６０１に戻り、本システムは通常動作を再開する。

示した方法の代替実施形態において、ステップＳ６０４からＳ６０９までのシーケンスは、アークと、より一層高い重要性を有する外部の妨害源とを区別することを可能にするために、繰り返し通ることができる。
周期的に放出する妨害源の干渉に対する方法の重要性を向上するために、遅延時間を各繰返しの間に導入することができる。
さらに、遅延時間は、シーケンスの各繰返しにおいて、例えばランダムに変化させることが可能である。

短時間だけアークを消去するための手段を適用することについての同じ基本的考えは、同様に、並列アークの場合に対し、図２のステップＳ２０７からＳ２０９に適用することができる。

図７は、電流対時間の図の形式で再び図６に示す方法を図示する。
図６のステップＳ６０１からＳ６０６に対応する図の区分Ａ、Ｂ、およびＣは、図３の各区分と同一である。
図３に示す実施形態とは対照的に、時間ｔ_２で始まり時間ｔ_３で終わる区分Ｃは、とても短く保たれ、セクションＣの存続期間Δｔ＝ｔ_３−ｔ_２は、アークの再点火期間よりも短い。
図６のステップＳ６０７およびＳ６０８に対応する次の区分Ｂ’では、電気アークを示すＡＣ成分が再び観測される。
結果として、アーク故障は、高い重要性を持って検出されたと仮定される。
最終区分Ｃ’では、次いで、図６のステップＳ６１０とステップＳ６１１により、回路遮断器１８が再び開かれ、アーク故障が報知される。

なお、上記のすべての実施形態において、短絡スイッチ１７の動作は、回路遮断器１８の動作の前に実行することができる。
言い換えれば、並列アークが存在し得るかどうかを判別するためのシーケンスは、直列アークが存在し得るかどうかを判別するためのシーケンスの後ではなく前に実行することができる。
アークと妨害源とを区別するために、短絡スイッチ１７と回路遮断器１８とを同時に動作させることも可能である。
後者の場合において、並列アークと直列アークとの間の弁別は不可能である。
さらに、ＰＶシステムは、直列アークならびに並列アークを消去することを可能にする、電気アークを消去するための唯一の手段を有して設計することが可能である。
ＰＶシステムにおいて、これは、例えば、ＰＶ発電機を構成する光起電力モジュールに近接して取り付けられている、特に、光起電力モジュールそれ自体に取り付けられた接続箱内に取り付けられている回路遮断器もしくは短絡スイッチを有して実現することができる。
この場合、やはり、並列アークと直列アークとを区別することはできない。
電力システムのさらなる代替実施形態において、並列アークを消去するための手段、もしくは直列アークを消去するための手段が提供される。
これは、２種類のアークのうちただ１つが、電力システムの構造により発生する可能性がある場合に適している。

なお、上記説明および図面は例示的なものであり、限定するものではなく、開示されている実施形態に本発明が限定されない。
開示されている実施形態に対する他の変更例は、図面、本開示、および添付の請求項の熟慮により、当業者によって理解され、実行されることが可能である。

１ 光起電力システム（ＰＶシステム）
２ 光電発電機（ＰＶ発電機）
３、４ ＤＣ電力線
５ インバータ
６ 電力グリッド
７ 並列電気アーク
８ 直列電気アーク
１０ 検出システム
１１ 制御ユニット
１２ 信号入力
１３、１４ 制御出力
１５ 信号出力
１６ 電流センサ
１７ 短絡スイッチ
１８ 回路遮断器
１９、２０ キャパシタ
Ｓ ステップ

Claims (15)

1. 電力回路におけるアーク故障を検出する方法であり、
   ａ．前記電力回路内を流れる電流（Ｉ）に関連した第１の信号を判別するステップと、
   ｂ．前記第１の信号を分析し、前記信号が、前記電力回路内での電気アーク（７、８）の存在を示すかどうかを判別するステップと、
   ｃ．前記第１の信号が、前記電力回路内での電気アーク（７、８）の存在を示す場合、電気アークを抑制するための手段を作動するステップと、
   ｄ．前記電力回路内を流れる電流（Ｉ）に関連した第２の信号を判別し、分析するステップと、
   ｅ．前記第２の信号が、電気アーク（７、８）の存在を示さない場合、前記電力回路内でのアーク故障の発生を報知するステップと
   を備える方法。
2. 前記第１および／または第２の信号を分析する前記ステップは、ＡＣ成分が前記信号に含まれるかどうかを判別するステップを備え、前記信号内にＡＣ成分が存在することは、電気アーク（７、８）の存在を示すとみなされる
   請求項１に記載の方法。
3. 電気アークを抑制するための前記手段を作動するステップは、交流電流（Ｉ）が前記電力回路内で流れることを妨害しない
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記電気アーク（７、８）を抑制するための手段を作動する前記ステップは、短絡スイッチ（１７）および／または回路遮断器（１８）を動作させる
   請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 電気アークを抑制するための前記手段は、アーク故障の発生を報知した後、作動し続ける
   請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記第２の信号が、電気アークの存在を依然として示す場合において、前記第１の信号を分析する前記処理は、実際の前記第１の信号が、電気アーク（７、８）の存在を示すとはもはやみなさないよう最適化される
   請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 電気アークを抑制するための前記手段を作動してから停止するまでの間のタイムスパン（Δｔ）は、アーク故障の典型的な再点火時間よりも短い
   請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記第２の信号が、電気アーク（７、８）の存在を示さない場合、以下の追加ステップ、つまり、
   ｆ．電気アークを抑制するための前記手段を停止するステップと、
   ｇ．前記電力回路内を流れる電流（Ｉ）に関連した第３の信号を判別し、分析するステップと、
   ｈ．前記第３の信号が電気アーク（７、８）の存在を示す場合、前記電力回路内でのアーク故障の発生を報知するステップとを有する
   請求項７に記載の方法。
9. アークインジケータと、電気アークを抑制するための手段とを有する制御ユニット（１１）を備え、
   請求項１から８のいずれかによる方法を実行するよう設計された
   アーク故障検出システム（１０）。
10. 電気アークを抑制するための前記手段は、短絡スイッチ（１７）および／または回路遮断器（１８）を備える
    請求項９に記載のアーク故障検出システム。
11. キャパシタ（１９）が、前記回路遮断器（１８）のスイッチング経路に並列に提供される
    請求項９に記載のアーク故障検出システム。
12. インバータ（５）のインバータブリッジが、前記短絡スイッチ（１７）および／または前記回路遮断器（１８）として使用される
    請求項１０または１１に記載のアーク故障検出システム。
13. ピックアップコイルが、前記制御ユニット（１１）の前記アークインジケータに接続された電流センサ（１６）として使用される
    請求項９から１２のいずれかに記載のアーク故障検出システム。
14. 請求項９から１３のいずれかによるアーク故障検出システム（１０）を備える電力システム、特に、光起電発電システム。
15. 前記アーク故障検出システム（１０）が、前記電力システムのインバータ（５）に完全に、または部分的に統合される
    請求項１４に記載の電力システム。

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