光および音波を検出するための方法、システムおよび装置
【課題】確実に閃光アーク事象を検出し、望ましくない回路保護装置の有害トリップを低減する閃光アーク検出システムを提供する。
【解決手段】センサは、第１の光源から光線１１４を受け取り、音波１１６が入射したとき光１１８を反射するように構成されている音響検出器１０６を有するセンサヘッド１０２を備える。センサはまた、少なくとも１つの光ファイバ１０４と、少なくとも１つのセンサヘッドおよび少なくとも１つの光ファイバ１０４内の少なくとも１つの蛍光材料とを備える。少なくとも１つの蛍光材料は、センサ外部の第２の光源から光１２０を受け取り、第２の光源から受け取った光に応答して可視光２０４を放出する。
【解決手段】センサは、第１の光源から光線１１４を受け取り、音波１１６が入射したとき光１１８を反射するように構成されている音響検出器１０６を有するセンサヘッド１０２を備える。センサはまた、少なくとも１つの光ファイバ１０４と、少なくとも１つのセンサヘッドおよび少なくとも１つの光ファイバ１０４内の少なくとも１つの蛍光材料とを備える。少なくとも１つの蛍光材料は、センサ外部の第２の光源から光１２０を受け取り、第２の光源から受け取った光に応答して可視光２０４を放出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載する実施形態は、全体に検出システムに関し、より具体的には光および音波を検出するための方法、システムおよび装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知の電力回路および開閉装置は、一般に、空気、ガスまたは固体誘電体など絶縁体によって分離された導体を有する。しかし、導体が互いに非常に接近して配置された場合、または導体間の電圧が導体間の絶縁体の絶縁特性を超えた場合、アークが発生する。導体間の絶縁体はイオン化される可能性があり、それにより絶縁体が導電性になり、アークが形成され得る。
【０００３】
閃光アークは、二相導体間、相導体と中性導体との間、または相導体とアース点との間の故障による急速なエネルギーの放出よって引き起こされる。閃光アーク温度は２０，０００℃に達し、またはそれを超えることがあり、それにより導体および隣接する機器を気化させることがある。さらに、閃光アークは、導体および隣接する機器を損傷するのに十分な、熱、強烈な光線、圧力波、および／または音波の形態の著しいエネルギーを放出することがある。しかし、閃光アークを生成する故障の電流レベルは、一般に短絡の電流レベルよりも低いので、回路遮断器がアーク故障状態に対処するように特に設計されていない場合、回路遮断器は一般的にトリップせず、または遅延トリップを示さないことになる。個人の保護服および装備の使用を義務付けることにより、閃光アーク問題を規制する政府機関および基準があるが、閃光アークを除去する規定によって確立された装置はない。
【０００４】
ヒューズおよび回路遮断器などの標準的回路保護装置は、一般に閃光アークを低減するのに十分迅速には反応しない。十分に迅速な反応を示す１つの既知の回路保護装置は、電気「クロウバー（ｃｒｏｗｂａｒ）」であり、それは、意図的に電気的「短絡」を生成することにより、機械的および／または電気機械的工程を利用して、電気エネルギーを閃光アーク点から迂回させる。そのような意図的短絡故障は、このときヒューズまたは回路遮断器をトリップさせることにより除去される。しかし、クロウバーを使用することによって生成される意図的短絡故障により、著しい水準の電流が隣接する電気機器を通って流れる可能性があり、それにより、やはり装置に損傷を与える可能性がある。
【０００５】
光センサが、閃光アーク中に放出される光があることを検出するために使用されることがある。しかし、そのようなセンサはしばしば低い光量に感度があり、それらがアークではない閃光をも検出し、回路保護装置の「有害トリップ（ｎｕｉｓａｎｃｅ ｔｒｉｐ）」を引き起す。例えば、典型的な閃光アーク事象は、閃光アーク事象から３から４フィートの距離で１００，０００ルクス程度の光束を有する光を生成することができるが、一方、既知の光センサは一般に７００ルクスまたはそれ未満で飽和する。トリップ中に回路遮断器から放出される光、空間照明による光、または直射日光による光は、光センサが誤って閃光アーク事象を検出する原因になることがある。少なくともいくつかの既知の閃光アーク検出システムは、回路遮断器の中断中に放出される光が、例えば光センサを十分に飽和させないように配置された特定の放出パターン、または光センサを使用する。しかし、回路遮断器中断中に放出される光の量を減少させることにより、回路遮断器の性能に悪影響を与えることがある。したがって、確実に閃光アーク事象を検出し、望ましくない回路保護装置の有害トリップを低減する閃光アーク検出システムが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２８８２４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一実施形態では、第１の光源から光を受け取り、音波が入射したとき光を反射するように構成されている音響検出器を有するセンサヘッドを備えるセンサが提供される。センサはまた、少なくとも１つの光ファイバと、少なくとも１つのセンサヘッドおよび少なくとも１つの光ファイバ内の少なくとも１つの蛍光材料とを備える。少なくとも１つの蛍光材料は、センサ外部の第２の光源から光を受け取り、第２の光源から受け取った光に応答して可視光を放出するように構成されている。
【０００８】
別の実施形態では、センサを含む検出システムが提供される。センサは、第１の光源から光を受け取り、音波が入射したとき光を反射するように構成されている音響検出器を有するセンサヘッドを備える。センサはまた、少なくとも１つの光ファイバと、少なくとも１つのセンサヘッドおよび少なくとも１つの光ファイバ内の少なくとも１つの蛍光材料とを備える。少なくとも１つの蛍光材料は、センサ外部の第２の光源から光を受け取り、第２の光源から受け取った光に応答して可視光を放出するように構成されている。検出システムはまた、音響検出器によって、反射された光を表す第１の測定値を受け取り、少なくとも１つの蛍光材料から放出された可視光を表す第２の測定値を受け取り、受け取った反射光および可視光に基づいて、閃光アークの発生を決定するようにプログラムされたプロセッサを有する信号処理装置を備える。
【０００９】
別の実施形態では、少なくとも１つのセンサを使用して閃光アークを検出する方法が提供され、その方法には少なくとも１つのセンサ内に配置された音響検出器によって少なくとも１つの音波を受け取るステップと、少なくとも１つの音波によって生じた振動により、音響検出器によって光を反射するステップとを含む。その方法はまた、少なくとも１つのセンサ外部の光源からの光を受け取るステップと、外部光源から受け取った光を可視光に変換するステップと、反射光および可視光に基づいて、閃光アークの発生を検出するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】閃光アークを検出する際に使用する例示的センサの横断面図である。
【図２】閃光アークを検出する際に使用する別の例示的センサの横断面図である。
【図３】閃光アークを検出する際に使用する例示的検出システムのブロック図である。
【図４】例示的電力システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、閃光アークを検出するために使用され得る例示的センサ１００の横断面図である。例示的実施形態では、センサ１００はセンサヘッド１０２および少なくとも１つの光ファイバ１０４を含む。センサヘッド１０２は、振動板１０６などの音響検出器１０６を含み、振動板１０６は、ファイバコア１１０およびファイバシース１１２を有する光ファイバ１０４の下流端部１０８近傍に配置される。光線１１４は、光ファイバ１０４を通って、すなわちファイバコア１１０を通って下流に伝送され、振動板１０６の方に向かう。例えば閃光アークによって生成された音波１１６および／または圧力波により、振動板１０６が振動し、光線１１４の反射１１８（以下に「反射光１１８」と称する）がファイバコア１１０を通って上流に伝送される。振動板１０６が振動することによって、反射光１１８の強度、位相、偏光および／または周波数など、反射光１１８の１つまたは複数の特性が、光線１１４の特性とは異なるものになる。
【００１２】
本明細書で使用されると、「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」という用語は光ファイバ１０４の下流端１０８に向かう方向、および実質的に光ファイバ１１４に平行の方向を指す。本明細書で使用されると、「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」という用語は光ファイバ１０４の下流端１０８から離れる方向、および実質的に光ファイバ１０４に平行の方向を指す。さらに本明細書で使用されると、「閃光アーク（ａｒｃ ｆｌａｓｈ）」は２つの電気導体間の故障によるエネルギーの急速な放出を指す。急速なエネルギーの放出により、音波１１６および光１２０が、センサ１００の外部環境で、例えば故障の近傍で生成される。
【００１３】
別の実施形態では、センサ１００は２つ以上の光ファイバ１０４を含む。そのような実施形態では、１つの光ファイバ１０４が光線１１４を振動板１０６に伝送し、別の光ファイバ１０４が、本明細書に十分に説明するように、処理および／または分析のために反射光１１８を上流に伝送する。
【００１４】
例示的実施形態では、振動板１０６は薄膜でできた、細長い位置に配置された不透明材料を含む。振動板１０６は、音波１１６および／または他の適切な圧力波が入射したとき、振動する。作動中に振動板１０６を保護するために、振動板１０６は保護用スリーブ１２２、および音波１１６が振動板１０６に到達することを可能にする保護用スクリーン１２４内に囲まれている。
【００１５】
ファイバホルダ１２６が光ファイバ１０４の周りに配置され、光ファイバ１０４に結合されている。ファイバホルダ１２６は、閃光アークから生じる光をファイバコア１１０内に放散するように構成された半透明領域１２８を含む。例示的実施形態では、半透明領域１２８は蛍光材料で被覆され、および／または蛍光材料が領域１２８内にある。したがって、例示的実施形態では、半透明領域１２８の蛍光材料は、領域１２８に入る紫外線１２０などの光１２０を入射光１２０とは異なるスペクトルまたは波長の可視光に変換することができる。具体的には、蛍光材料は半透明領域１２８に入る紫外線１２０を吸収し、１つまたは複数の可視波長の光（以下「可視光（ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ）」）をファイバコア１１０に向かって、またはファイバコア１１０内部に放出する。
【００１６】
一実施形態では、１つまたは複数の開口１３０が半透明領域１２８内に画定されて、閃光アークからの光検出を高める。一実施形態では、開口１３０は直径約０．５ｍｍから約２ｍｍである。別法として、開口１３０は、センサ１００が本明細書に記載するように機能することができる任意の適切な直径を有することができる。閃光アークによって生成された光１２０は開口１３０を通ってファイバコア１１０の方に向かって送られる。別の実施形態では、保護用スクリーン１２４および振動板１０６が、ある量の光がファイバコア１１０に向けて送られることを可能にする。
【００１７】
作動中、ファイバコア１１０は光線１１４を振動板１０６の方に向けて送る。閃光アークが発生した場合、振動板１０６は、閃光アークから生成される音波１１６の強度および周波数に基づいて振動する。振動に基づいて、固有のパターンの光が振動板１０６から反射される。光ファイバ１０４の下流端と振動板１０６との間の距離は、振動板１０６から反射された光が著しい伝送損失なしにファイバコア１１０によって受け取られるように最適化される。さらに、閃光アークによって生成された光１２０が半透明領域１２８によって吸収され、領域１２８の蛍光材料によって可視光に変換される。半透明領域１２８は可視光をファイバコア１１０の方へ放出する。振動板１０６によって反射された光および半透明領域１２８の蛍光材料から放出された可視光は処理および／または分析されて、本明細書に十分説明するように、閃光アークの発生を検出する。音波１１６および光１２０を感知する、そのような統合された手法は、誤認警報を最小限にし、初期の閃光アークを検出することを可能にする。
【００１８】
図２は、閃光アークを検出するために使用され得る例示的センサ２００の横断面図である。別段指定しない限り、センサ２００はセンサ１００（図１に示す）に類似し、類似の構成要素は図１に使用した同じ参照符号で図２に符号を付けている。例示的実施形態では、センサ２００は第１の光ファイバ１０４および第２の光ファイバ２０２を含む。第１の光ファイバ１０４は光線１１４を振動板１０６に伝送し、閃光アークによって生成された音波１１６を検出する際に使用するために、振動板１０６によって反射された光１１８を伝送する。第２の光ファイバ２０２は振動板１０６の上流でファイバホルダ１２６に結合されている。さらに、第２の光ファイバ２０２は蛍光材料で被覆され、および／または蛍光材料がファイバ２０２内にある。したがって、第２の光ファイバ２０２は、閃光アークによって生成された紫外線１２０などの光１２０を吸収し、可視光２０４を放出する。可視光２０４および振動板１０６によって反射された光１１８は処理および／または分析されて、本明細書で十分に説明するように、閃光アークが発生したかどうかを決定する。別法として、センサ２００は第２の光ファイバ２０２を含まず、第１の光ファイバ１０４が上記に記載のような蛍光材料を含む。
【００１９】
例示的実施形態では、半透明領域１２８は蛍光材料を含まず、領域１２８よりもむしろ第２の光ファイバ２０２が閃光アークによって生成された光に応答して可視光２０４を放出するようになる。別法として、第２の光ファイバ２０２および半透明領域１２８の両方が１つまたは複数の蛍光材料を含み、ファイバ２０２および領域１２８が閃光アークによって生成された光１２０に応答して可視光２０４を放出するようになる。第２の光ファイバ２０２および半透明領域１２８から放出された可視光２０４は、本明細書で十分に説明するように、処理および／または分析される。
【００２０】
図３は、開閉装置および／または任意の他の電気回路あるいは電力システム（いずれも図示せず）内部の閃光アークを検出するために使用され得る例示的検出システム３００のブロック図である。例示的実施形態では、検出システム３００は、信号処理装置３０２およびセンサヘッド１０２に結合された光ファイバ１０４を含むセンサ１００を有する。検出システム３００をセンサ１００に関連して説明するが、検出システム３００はセンサ１００ではなくセンサ２００を含むことができ、またはセンサ１００に加えてセンサ２００を含むことができる。
【００２１】
信号処理装置３０２は、アイソレータ３０６およびファイバスプリッタ３０８によって光ファイバ１０４に結合された光源３０４を含む。一実施形態では、光源３０４は光放出ダイオードを含む。別の実施形態では、光源３０４はほぼ赤外線波長に近い波長で光を放出するレーザダイオードを含む。例示的実施形態では、アイソレータ３０６は、反射光１１８および／または可視光２０４が光源３０４に入ることを防止する。
【００２２】
例示的実施形態では、信号処理装置３０２は、光線１１４を下流へ光源３０４からセンサヘッド１０２まで向けて送り、反射光１１８および可視光２０４を上流へ、信号処理装置３０２内部の第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２まで向けて送るファイバスプリッタ３０８を含む。一実施形態では、ファイバ結合器３１４はファイバスプリッタ３０８に結合されている。そのような実施形態では、ファイバ結合器３１４が反射光１１８および可視光２０４を第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２に向けて送る。
【００２３】
第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２は、所定の波長の光が第１の光検出器３１６および第２の光検出器３１８に伝送されることを可能にし、残りの波長の光をフィルタにより除去し、または遮断する。一実施形態では、第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２は、それぞれ帯域通過フィルタを含む。別法として、第１の光フィルタ３１０および／または第２の光フィルタ３１２は、信号処理装置３０２が本明細書で説明するように機能することができるようにする任意の他のフィルタを含むことができる。例示的実施形態では、第１の光フィルタ３１０が、反射光１１８の期待の範囲の波長より上、またはそれ未満である波長をフィルタにより除去する。したがって、可視光２０４は第１の光フィルタ３１０によって除去され、反射光１１８はフィルタ３１０から出力される。第２の光フィルタ３１２が、可視光２０４の期待の範囲の波長より上、またはそれ未満である波長をフィルタにより除去する。したがって、反射光１１８が第２の光フィルタ３１２によって除去され、可視光２０４がフィルタ３１２から出力される。
【００２４】
第１の光検出器３１６は第１の光フィルタ３１０からの反射光１１８を受け取り、第２の光検出器３１８は第２の光フィルタ３１２からの可視光２０４を受け取る。第１の光検出器３１６および第２の光検出器３１８は、入射光の強度および波長に基づいて、比例電圧信号または代表的な電圧信号を生成する。
【００２５】
例示的実施形態では、信号処理装置３０２は第１の光検出器３１６および第２の光検出器３１８からの電圧信号を受け取るプロセッサ３２０を含む。本明細書で十分に説明するように、プロセッサ３２０は電圧信号を分析し、プロセッサ３２０が、閃光アークが発生したと決定した場合、アーク故障信号３２２を生成する。
【００２６】
プロセッサ３２０には、１つまたは複数のシステム、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能な論理回路（ＰＬＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）および本明細書に記載する機能を実行することができる任意の他の回路が含まれる。上記の例は例示に過ぎず、したがって「プロセッサ」という用語の定義および／または意味を制限する意図はまったくない。
【００２７】
例示的実施形態では、プロセッサ３２０は記憶装置（図示せず）に結合され、または記憶装置を含む。記憶装置には、制限するのではないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、フロッピー（登録商標）ディスク、フラッシュドライブ、コンパクトディスク、デジタルビデオディスク、および／またはプロセッサ３２０が、指示および／またはデータを記憶し、回復しおよび／または実行することを可能にする任意の適切なメモリなどのコンピュータ読み取り可能媒体が含まれる。プロセッサ３２０は、メモリデバイスから、プロセッサ３２０が本明細書に記載するステップおよび機能を実施することができる命令を受け取る。
【００２８】
保護装置３２４はプロセッサ３２０に結合されて、検出した閃光アークを低減する。一実施形態では、保護装置３２４は、アーク故障信号３２２などの信号を受信すると、「トリップする」または活動化するように構成されたリレーを含む。保護装置３２４が活動化すると、電流は、検出されたアーク故障近傍の導体（図示せず）を通って流れることが防止される。
【００２９】
作動中、音波１１６および光１２０は閃光アー３２６クから放出され、センサ１００によって検出される。より具体的には、光１２０は半透明領域１２８、第１の光ファイバ１０４および／または第２の光ファイバ２０２の蛍光材料によって吸収され、領域１２８、ファイバ１０４および／またはファイバ２０２から放出された可視光２０４は信号処理装置３０２に伝送される。さらに、光源３０４は光線１１４を振動板１０６（図１に示す）に伝送する。音波１１６によって、振動板１０６が振動し、光線１１４が反射光１１８として振動板１０６によって反射される。例示的実施形態では、反射光１１８は信号処理装置３０２に伝送される。
【００３０】
反射光１１８および／または可視光２０４は少なくとも１つの光ファイバ１０４を通って信号処理装置３０２に伝送される。例示的実施形態では、反射光１１８は第１の光ファイバ１０４を通って信号処理装置３０２に伝送され、可視光２０４は第２の光ファイバ２０２を通って信号処理装置３０２に伝送される。別法として、反射光１１８および／または可視光２０４は、任意の適切な数の光ファイバ１０４を通って信号処理装置３０２に伝送されることができる。
【００３１】
反射光１１８および可視光２０４が信号処理装置３０２によって受け取られると、ファイバ結合器３１４が反射光１１８を第１の光フィルタ３１０に向けて送り、可視光２０４を第２の光フィルタ３１２に向けて送る。フィルタを通った反射光１１８は第１の光フィルタ３１０から出力され、第１の光検出器３１６によって検出され、および／または測定される。測定または検出された反射光１１８（以下に「反射光測定値（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｌｉｇｈｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）」と称する）を表す第１の電圧信号は、第１の光検出器３１６からプロセッサ３２０に伝送される。さらに、フィルタを通った可視光２０４は第２の光フィルタ３１２から出力され、第２の光検出器３１８によって検出および／または測定される。測定または検出された可視光２０４（以下に「可視光測定値（ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）」と称する）を表す第２の電圧信号は、第２の光検出器３１８からプロセッサ３２０に伝送される。
【００３２】
プロセッサ３２０は第１の光検出器３１６および第２の光検出器３１８からの信号を分析し、閃光アーク３２６を検出すると、アーク故障信号３２２を生成する。より具体的には、プロセッサ３２０は反射光測定値を所定の第１の閾値、または反射光閾値と比較して、検出された音波１１６が閃光アークによって生成されたのかどうかを決定する。プロセッサ３２０は可視光測定値を所定の第２の閾値、または可視光閾値と比較して、検出された光１２０が閃光アークによって生成されたのかどうかを決定する。さらに、プロセッサ３２０は可視光測定値が受け取られた時間と反射光測定値が受け取られた時間の間の差異（以下に「タイミングギャップ（ｔｉｍｉｎｇ ｇａｐ）」と称する）を決定する。プロセッサ３２０は可視光測定値と反射光測定値の間のタイミングギャップを所定のタイミング範囲またはタイミングウィンドウと比較して、受け取った信号が閃光アークによって生成されたかどうかを決定する。例示的実施形態では、タイミングウィンドウとは、閃光アークが発生することを示す可視光測定値が受け取られた後で、反射光測定値が受け取られると予想される（例えば、歴史的データ、実験データまたは他の適切なデータに基づいて）所定の時限である。一実施形態では、タイミングウィンドウは約５００マイクロ秒と約２ミリ秒の間である。別法として、タイミングウィンドウは、検出システム３００が本明細書に記載するように機能することができる任意の適切な時限であってよい。
【００３３】
例示的実施形態では、反射光測定値が反射光閾値に等しいまたは反射光閾値を超えるならば、可視光測定値は可視光閾値に等しいまたは可視光閾値を超え、および／またはタイミングギャップがタイミングウィンドウの範囲内であるならば、プロセッサ３２０は、閃光アークが発生したこと示すアーク故障信号３２２を生成する。保護装置３２４はアーク故障信号３２２に基づいて活動化され、閃光アークを低減するために電力を中断するように構成されている。一実施形態では、アーク故障信号３２２は遠隔システム（図示せず）に伝送されて警報を生成するが、その目的は、誤りを報告するため、閃光アーク３２６の関連するデータを記憶するため、使用者に表示するため、および／または任意の所望の目的のためである。
【００３４】
別の実施形態では、ファイバ結合器３１４および／またはファイバスプリッタ３０８は省略することができる。そのような実施形態では、光線１１４、反射光１１８および／または可視光２０４は個別の光ファイバ１０４を通って伝達され得る。別の実施形態では、ファイバ結合器３１４および／またはファイバスプリッタ３０８は、光線１１４を振動板１０６に伝送し、反射光１１８および可視光２０４を第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２に伝送する単一のファイバ結合器３１４に取り換えることができる。
【００３５】
図４は、例示的電力システム４００のブロック図である。例示的実施形態では、電力システム４００は、検出システム３００、複数の検出ゾーン４０２および各検出ゾーン４０２内に配置された少なくとも１つの回路保護装置４０４を含む。
【００３６】
例示的実施形態では、回路保護装置４０４は、少なくとも１つの導体４０６またはバスによって一体に結合されている。別法として、１つまたは複数の回路保護装置４０４が、他の回路保護装置４０４からの個別の導体４０６またはバスに結合されることができる。例示的実施形態では、回路保護装置４０４は、プロセッサ３２０からのアーク故障信号３２２などの制御信号を受け取ると、導体４０６の出力端部４１０から入力端部４０８を電気的に結合し、または切り離す少なくとも１つの回路遮断器を含む。別法として、回路保護装置４０４は、電力システム４００が本明細書に記載するように機能することを可能にするリレーまたは任意の他の保護装置を含む。
【００３７】
例示的実施形態では、検出システム３００は、少なくとも１つの検出ゾーン４０２内部、および少なくとも１つの回路保護装置４０４近傍に配置された少なくとも１つの光ファイバ１０４を含む。さらに、光ファイバ１０４は図１から３に関連して本明細書で十分に説明するように、少なくとも１つの蛍光材料を含む。例示的実施形態では、光ファイバ１０４が検出ゾーン４０２内で生成される１つまたは複数の閃光アークを検出するように、光ファイバ１０４は各検出ゾーン４０２内に配置される。
【００３８】
例示的実施形態では、光ファイバ１０４は各検出ゾーン４０２内に異なる色の蛍光材料を含み、閃光アークによって生成された光を吸収した後、光ファイバ１０４が各検出ゾーン４０２内に異なる色の可視光２０４を放出するようになる。本明細書で使用されると、「色（ｃｏｌｏｒ）」という用語は、所定の範囲の波長または可視光のスペクトルを指す。別法として、検出システム３００は各検出ゾーン４０２ごとに個別の光ファイバ１０４を含むことができ、各光ファイバ１０４には異なる色の蛍光材料が含まれる。
【００３９】
閃光アークが検出ゾーン４０２内に発生した場合、検出ゾーン４０２に関連する光ファイバ１０４が閃光アークからの光を吸収する。検出ゾーン４０２内の光ファイバ１０４の蛍光材料は、蛍光材料に付随する色で可視光２０４を放出し（図２参照）、可視光２０４を信号処理装置３０２に伝送する（図３参照）。信号処理装置３０２は、図３を参照して上記に記載のように、可視光２０４から閃光アークの発生を決定し、検出する。さらに、信号処理装置３０２は受け取った可視光２０４の色（すなわち波長および／または周波数）を分析する。より具体的には、例示的実施形態では、信号処理装置３０２は各検出ゾーン４０２に対して個別の光フィルタ３１０および個別の光検出器３１６を含む。各光フィルタ３１０は、フィルタ３１０が蛍光材料に付随する可視光２０４の色だけが光検出器３１６を通過することを可能にするように、各検出ゾーン４０２ごとに使用される蛍光材料の色に調整されている。各検出ゾーン４０２に付随する光検出器３１６は可視光測定値（受け取った光の色が表すデータを含む）をプロセッサ３２０に伝送する。
【００４０】
例示的実施形態では、プロセッサ３２０は、探索表またはメモリ装置（図示せず）内部の別のデータ構造内に記憶されたデータを参照して、閃光アークから受け取った光の色を検出ゾーン４０２に関連付けて、閃光アークが発生した位置（すなわち検出ゾーン４０２）を決定する。プロセッサ３２０は閃光アークが発生した決定済みの位置（すなわち決定された検出ゾーン４０２）に付随する所定の可視光閾値を選択する。例示的実施形態では、各検出ゾーン４０２に対する可視光閾値は、互いの検出ゾーン４０２の可視光閾値とは異なる。プロセッサ３２０は光検出器３１６から受け取った可視光測定値を検出ゾーン４０２に付随する可視光閾値に比較して、上記に記載の類似の方法で、受け取った光が閃光アークを示すかどうかを決定する。検出システム３００はアーク故障信号３２２を回路保護装置４０４、または検出された閃光アークに関連する検出ゾーン４０２内部の装置４０４に伝送して、閃光アークを低減する。したがって、複数の検出ゾーン４０２および回路保護装置４０４は検出システム３００によって効率的に監視されて、閃光アークの発生、時間および位置を決定する。
【００４１】
本明細書に記載するシステムおよび方法の技術的効果には、（ａ）少なくとも１つのセンサ内に配置された振動板によって、少なくとも１つの音波を受け取るステップと、（ｂ）少なくとも１つの音波によって生じた振動により、振動板によって光を反射するステップと、（ｃ）少なくとも１つのセンサ外部の光源から光を受け取るステップと、（ｄ）外部光源から受け取った光を可視光に変換するステップと、（ｅ）反射光および可視光に基づいて閃光アークの発生を検出するステップとの少なくとも１つが含まれる。
【００４２】
光および音波を検出する際に使用する方法、システムおよび装置の例示的実施形態が、上記に詳しく説明されている。方法、システムおよび装置は、本明細書に記載する具体的な実施形態に限定されず、むしろ、方法の作用および／またはシステムの構成要素および／または装置が、本明細書に記載する他の作用および／または構成要素から独立して、別々に利用されてもよい。さらに記載した作用および／または構成要素もまた、他のシステム、方法および／または装置において規定され、またはそれらと併せて使用されてもよく、本明細書に記載するようなシステム、方法および装置のみと共に実施することに限定されない。
【００４３】
本発明は、例示的電力システム環境に関連して説明するが、本発明の実施形態は、多くの他の一般の目的または特別な目的のシステム環境または構成で作動可能である。本明細書で説明したシステム環境は、本発明の任意の態様の使用または機能の範囲に関して、なんら制限を提示すると意図するものではない。さらに、本明細書で説明するシステム環境は、例示的な作動環境で説明した任意の１つの構成要素または構成要素の組合せに関連して、任意の独立性または必要性を有すると解釈されるべきである。
【００４４】
本書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また任意の装置またはシステムを作成および使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実行することを可能にするために、例を使用している。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者に思い付く他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言とは実質的に差のない均等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４５】
１００ センサ
１０２ センサヘッド
１０４ 光ファイバ
１０６ 音響検出器
１０８ 下流端部
１１０ ファイバコア
１１２ ファイバシース
１１４ 光線
１１６ 音波
１１８ 反射光
１２０ 光
１２２ 保護用スリーブ
１２４ 保護用スクリーン
１２６ ファイバホルダ
１２８ 半透明領域
１３０ 開口
２００ センサ
２０２ 第２の光ファイバ
２０４ 可視光
３００ 検出システム
３０２ 信号処理装置
３０４ 光源
３０６ アイソレータ
３０８ ファイバスプリッタ
３１０ 第１の光フィルタ
３１２ 第２の光フィルタ
３１４ ファイバ結合器
３１６ 第１の光検出器
３１８ 第２の光検出器
３２０ プロセッサ
３２２ アーク故障信号
３２４ 保護装置
３２６ 閃光アーク
４００ 電力システム
４０２ 検出ゾーン
４０４ 回路保護装置
４０６ 導体
４０８ 入力端部
４１０ 出力端部
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載する実施形態は、全体に検出システムに関し、より具体的には光および音波を検出するための方法、システムおよび装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知の電力回路および開閉装置は、一般に、空気、ガスまたは固体誘電体など絶縁体によって分離された導体を有する。しかし、導体が互いに非常に接近して配置された場合、または導体間の電圧が導体間の絶縁体の絶縁特性を超えた場合、アークが発生する。導体間の絶縁体はイオン化される可能性があり、それにより絶縁体が導電性になり、アークが形成され得る。
【０００３】
閃光アークは、二相導体間、相導体と中性導体との間、または相導体とアース点との間の故障による急速なエネルギーの放出よって引き起こされる。閃光アーク温度は２０，０００℃に達し、またはそれを超えることがあり、それにより導体および隣接する機器を気化させることがある。さらに、閃光アークは、導体および隣接する機器を損傷するのに十分な、熱、強烈な光線、圧力波、および／または音波の形態の著しいエネルギーを放出することがある。しかし、閃光アークを生成する故障の電流レベルは、一般に短絡の電流レベルよりも低いので、回路遮断器がアーク故障状態に対処するように特に設計されていない場合、回路遮断器は一般的にトリップせず、または遅延トリップを示さないことになる。個人の保護服および装備の使用を義務付けることにより、閃光アーク問題を規制する政府機関および基準があるが、閃光アークを除去する規定によって確立された装置はない。
【０００４】
ヒューズおよび回路遮断器などの標準的回路保護装置は、一般に閃光アークを低減するのに十分迅速には反応しない。十分に迅速な反応を示す１つの既知の回路保護装置は、電気「クロウバー（ｃｒｏｗｂａｒ）」であり、それは、意図的に電気的「短絡」を生成することにより、機械的および／または電気機械的工程を利用して、電気エネルギーを閃光アーク点から迂回させる。そのような意図的短絡故障は、このときヒューズまたは回路遮断器をトリップさせることにより除去される。しかし、クロウバーを使用することによって生成される意図的短絡故障により、著しい水準の電流が隣接する電気機器を通って流れる可能性があり、それにより、やはり装置に損傷を与える可能性がある。
【０００５】
光センサが、閃光アーク中に放出される光があることを検出するために使用されることがある。しかし、そのようなセンサはしばしば低い光量に感度があり、それらがアークではない閃光をも検出し、回路保護装置の「有害トリップ（ｎｕｉｓａｎｃｅ ｔｒｉｐ）」を引き起す。例えば、典型的な閃光アーク事象は、閃光アーク事象から３から４フィートの距離で１００，０００ルクス程度の光束を有する光を生成することができるが、一方、既知の光センサは一般に７００ルクスまたはそれ未満で飽和する。トリップ中に回路遮断器から放出される光、空間照明による光、または直射日光による光は、光センサが誤って閃光アーク事象を検出する原因になることがある。少なくともいくつかの既知の閃光アーク検出システムは、回路遮断器の中断中に放出される光が、例えば光センサを十分に飽和させないように配置された特定の放出パターン、または光センサを使用する。しかし、回路遮断器中断中に放出される光の量を減少させることにより、回路遮断器の性能に悪影響を与えることがある。したがって、確実に閃光アーク事象を検出し、望ましくない回路保護装置の有害トリップを低減する閃光アーク検出システムが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２８８２４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一実施形態では、第１の光源から光を受け取り、音波が入射したとき光を反射するように構成されている音響検出器を有するセンサヘッドを備えるセンサが提供される。センサはまた、少なくとも１つの光ファイバと、少なくとも１つのセンサヘッドおよび少なくとも１つの光ファイバ内の少なくとも１つの蛍光材料とを備える。少なくとも１つの蛍光材料は、センサ外部の第２の光源から光を受け取り、第２の光源から受け取った光に応答して可視光を放出するように構成されている。
【０００８】
別の実施形態では、センサを含む検出システムが提供される。センサは、第１の光源から光を受け取り、音波が入射したとき光を反射するように構成されている音響検出器を有するセンサヘッドを備える。センサはまた、少なくとも１つの光ファイバと、少なくとも１つのセンサヘッドおよび少なくとも１つの光ファイバ内の少なくとも１つの蛍光材料とを備える。少なくとも１つの蛍光材料は、センサ外部の第２の光源から光を受け取り、第２の光源から受け取った光に応答して可視光を放出するように構成されている。検出システムはまた、音響検出器によって、反射された光を表す第１の測定値を受け取り、少なくとも１つの蛍光材料から放出された可視光を表す第２の測定値を受け取り、受け取った反射光および可視光に基づいて、閃光アークの発生を決定するようにプログラムされたプロセッサを有する信号処理装置を備える。
【０００９】
別の実施形態では、少なくとも１つのセンサを使用して閃光アークを検出する方法が提供され、その方法には少なくとも１つのセンサ内に配置された音響検出器によって少なくとも１つの音波を受け取るステップと、少なくとも１つの音波によって生じた振動により、音響検出器によって光を反射するステップとを含む。その方法はまた、少なくとも１つのセンサ外部の光源からの光を受け取るステップと、外部光源から受け取った光を可視光に変換するステップと、反射光および可視光に基づいて、閃光アークの発生を検出するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】閃光アークを検出する際に使用する例示的センサの横断面図である。
【図２】閃光アークを検出する際に使用する別の例示的センサの横断面図である。
【図３】閃光アークを検出する際に使用する例示的検出システムのブロック図である。
【図４】例示的電力システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、閃光アークを検出するために使用され得る例示的センサ１００の横断面図である。例示的実施形態では、センサ１００はセンサヘッド１０２および少なくとも１つの光ファイバ１０４を含む。センサヘッド１０２は、振動板１０６などの音響検出器１０６を含み、振動板１０６は、ファイバコア１１０およびファイバシース１１２を有する光ファイバ１０４の下流端部１０８近傍に配置される。光線１１４は、光ファイバ１０４を通って、すなわちファイバコア１１０を通って下流に伝送され、振動板１０６の方に向かう。例えば閃光アークによって生成された音波１１６および／または圧力波により、振動板１０６が振動し、光線１１４の反射１１８（以下に「反射光１１８」と称する）がファイバコア１１０を通って上流に伝送される。振動板１０６が振動することによって、反射光１１８の強度、位相、偏光および／または周波数など、反射光１１８の１つまたは複数の特性が、光線１１４の特性とは異なるものになる。
【００１２】
本明細書で使用されると、「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」という用語は光ファイバ１０４の下流端１０８に向かう方向、および実質的に光ファイバ１１４に平行の方向を指す。本明細書で使用されると、「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」という用語は光ファイバ１０４の下流端１０８から離れる方向、および実質的に光ファイバ１０４に平行の方向を指す。さらに本明細書で使用されると、「閃光アーク（ａｒｃ ｆｌａｓｈ）」は２つの電気導体間の故障によるエネルギーの急速な放出を指す。急速なエネルギーの放出により、音波１１６および光１２０が、センサ１００の外部環境で、例えば故障の近傍で生成される。
【００１３】
別の実施形態では、センサ１００は２つ以上の光ファイバ１０４を含む。そのような実施形態では、１つの光ファイバ１０４が光線１１４を振動板１０６に伝送し、別の光ファイバ１０４が、本明細書に十分に説明するように、処理および／または分析のために反射光１１８を上流に伝送する。
【００１４】
例示的実施形態では、振動板１０６は薄膜でできた、細長い位置に配置された不透明材料を含む。振動板１０６は、音波１１６および／または他の適切な圧力波が入射したとき、振動する。作動中に振動板１０６を保護するために、振動板１０６は保護用スリーブ１２２、および音波１１６が振動板１０６に到達することを可能にする保護用スクリーン１２４内に囲まれている。
【００１５】
ファイバホルダ１２６が光ファイバ１０４の周りに配置され、光ファイバ１０４に結合されている。ファイバホルダ１２６は、閃光アークから生じる光をファイバコア１１０内に放散するように構成された半透明領域１２８を含む。例示的実施形態では、半透明領域１２８は蛍光材料で被覆され、および／または蛍光材料が領域１２８内にある。したがって、例示的実施形態では、半透明領域１２８の蛍光材料は、領域１２８に入る紫外線１２０などの光１２０を入射光１２０とは異なるスペクトルまたは波長の可視光に変換することができる。具体的には、蛍光材料は半透明領域１２８に入る紫外線１２０を吸収し、１つまたは複数の可視波長の光（以下「可視光（ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ）」）をファイバコア１１０に向かって、またはファイバコア１１０内部に放出する。
【００１６】
一実施形態では、１つまたは複数の開口１３０が半透明領域１２８内に画定されて、閃光アークからの光検出を高める。一実施形態では、開口１３０は直径約０．５ｍｍから約２ｍｍである。別法として、開口１３０は、センサ１００が本明細書に記載するように機能することができる任意の適切な直径を有することができる。閃光アークによって生成された光１２０は開口１３０を通ってファイバコア１１０の方に向かって送られる。別の実施形態では、保護用スクリーン１２４および振動板１０６が、ある量の光がファイバコア１１０に向けて送られることを可能にする。
【００１７】
作動中、ファイバコア１１０は光線１１４を振動板１０６の方に向けて送る。閃光アークが発生した場合、振動板１０６は、閃光アークから生成される音波１１６の強度および周波数に基づいて振動する。振動に基づいて、固有のパターンの光が振動板１０６から反射される。光ファイバ１０４の下流端と振動板１０６との間の距離は、振動板１０６から反射された光が著しい伝送損失なしにファイバコア１１０によって受け取られるように最適化される。さらに、閃光アークによって生成された光１２０が半透明領域１２８によって吸収され、領域１２８の蛍光材料によって可視光に変換される。半透明領域１２８は可視光をファイバコア１１０の方へ放出する。振動板１０６によって反射された光および半透明領域１２８の蛍光材料から放出された可視光は処理および／または分析されて、本明細書に十分説明するように、閃光アークの発生を検出する。音波１１６および光１２０を感知する、そのような統合された手法は、誤認警報を最小限にし、初期の閃光アークを検出することを可能にする。
【００１８】
図２は、閃光アークを検出するために使用され得る例示的センサ２００の横断面図である。別段指定しない限り、センサ２００はセンサ１００（図１に示す）に類似し、類似の構成要素は図１に使用した同じ参照符号で図２に符号を付けている。例示的実施形態では、センサ２００は第１の光ファイバ１０４および第２の光ファイバ２０２を含む。第１の光ファイバ１０４は光線１１４を振動板１０６に伝送し、閃光アークによって生成された音波１１６を検出する際に使用するために、振動板１０６によって反射された光１１８を伝送する。第２の光ファイバ２０２は振動板１０６の上流でファイバホルダ１２６に結合されている。さらに、第２の光ファイバ２０２は蛍光材料で被覆され、および／または蛍光材料がファイバ２０２内にある。したがって、第２の光ファイバ２０２は、閃光アークによって生成された紫外線１２０などの光１２０を吸収し、可視光２０４を放出する。可視光２０４および振動板１０６によって反射された光１１８は処理および／または分析されて、本明細書で十分に説明するように、閃光アークが発生したかどうかを決定する。別法として、センサ２００は第２の光ファイバ２０２を含まず、第１の光ファイバ１０４が上記に記載のような蛍光材料を含む。
【００１９】
例示的実施形態では、半透明領域１２８は蛍光材料を含まず、領域１２８よりもむしろ第２の光ファイバ２０２が閃光アークによって生成された光に応答して可視光２０４を放出するようになる。別法として、第２の光ファイバ２０２および半透明領域１２８の両方が１つまたは複数の蛍光材料を含み、ファイバ２０２および領域１２８が閃光アークによって生成された光１２０に応答して可視光２０４を放出するようになる。第２の光ファイバ２０２および半透明領域１２８から放出された可視光２０４は、本明細書で十分に説明するように、処理および／または分析される。
【００２０】
図３は、開閉装置および／または任意の他の電気回路あるいは電力システム（いずれも図示せず）内部の閃光アークを検出するために使用され得る例示的検出システム３００のブロック図である。例示的実施形態では、検出システム３００は、信号処理装置３０２およびセンサヘッド１０２に結合された光ファイバ１０４を含むセンサ１００を有する。検出システム３００をセンサ１００に関連して説明するが、検出システム３００はセンサ１００ではなくセンサ２００を含むことができ、またはセンサ１００に加えてセンサ２００を含むことができる。
【００２１】
信号処理装置３０２は、アイソレータ３０６およびファイバスプリッタ３０８によって光ファイバ１０４に結合された光源３０４を含む。一実施形態では、光源３０４は光放出ダイオードを含む。別の実施形態では、光源３０４はほぼ赤外線波長に近い波長で光を放出するレーザダイオードを含む。例示的実施形態では、アイソレータ３０６は、反射光１１８および／または可視光２０４が光源３０４に入ることを防止する。
【００２２】
例示的実施形態では、信号処理装置３０２は、光線１１４を下流へ光源３０４からセンサヘッド１０２まで向けて送り、反射光１１８および可視光２０４を上流へ、信号処理装置３０２内部の第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２まで向けて送るファイバスプリッタ３０８を含む。一実施形態では、ファイバ結合器３１４はファイバスプリッタ３０８に結合されている。そのような実施形態では、ファイバ結合器３１４が反射光１１８および可視光２０４を第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２に向けて送る。
【００２３】
第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２は、所定の波長の光が第１の光検出器３１６および第２の光検出器３１８に伝送されることを可能にし、残りの波長の光をフィルタにより除去し、または遮断する。一実施形態では、第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２は、それぞれ帯域通過フィルタを含む。別法として、第１の光フィルタ３１０および／または第２の光フィルタ３１２は、信号処理装置３０２が本明細書で説明するように機能することができるようにする任意の他のフィルタを含むことができる。例示的実施形態では、第１の光フィルタ３１０が、反射光１１８の期待の範囲の波長より上、またはそれ未満である波長をフィルタにより除去する。したがって、可視光２０４は第１の光フィルタ３１０によって除去され、反射光１１８はフィルタ３１０から出力される。第２の光フィルタ３１２が、可視光２０４の期待の範囲の波長より上、またはそれ未満である波長をフィルタにより除去する。したがって、反射光１１８が第２の光フィルタ３１２によって除去され、可視光２０４がフィルタ３１２から出力される。
【００２４】
第１の光検出器３１６は第１の光フィルタ３１０からの反射光１１８を受け取り、第２の光検出器３１８は第２の光フィルタ３１２からの可視光２０４を受け取る。第１の光検出器３１６および第２の光検出器３１８は、入射光の強度および波長に基づいて、比例電圧信号または代表的な電圧信号を生成する。
【００２５】
例示的実施形態では、信号処理装置３０２は第１の光検出器３１６および第２の光検出器３１８からの電圧信号を受け取るプロセッサ３２０を含む。本明細書で十分に説明するように、プロセッサ３２０は電圧信号を分析し、プロセッサ３２０が、閃光アークが発生したと決定した場合、アーク故障信号３２２を生成する。
【００２６】
プロセッサ３２０には、１つまたは複数のシステム、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能な論理回路（ＰＬＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）および本明細書に記載する機能を実行することができる任意の他の回路が含まれる。上記の例は例示に過ぎず、したがって「プロセッサ」という用語の定義および／または意味を制限する意図はまったくない。
【００２７】
例示的実施形態では、プロセッサ３２０は記憶装置（図示せず）に結合され、または記憶装置を含む。記憶装置には、制限するのではないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、フロッピー（登録商標）ディスク、フラッシュドライブ、コンパクトディスク、デジタルビデオディスク、および／またはプロセッサ３２０が、指示および／またはデータを記憶し、回復しおよび／または実行することを可能にする任意の適切なメモリなどのコンピュータ読み取り可能媒体が含まれる。プロセッサ３２０は、メモリデバイスから、プロセッサ３２０が本明細書に記載するステップおよび機能を実施することができる命令を受け取る。
【００２８】
保護装置３２４はプロセッサ３２０に結合されて、検出した閃光アークを低減する。一実施形態では、保護装置３２４は、アーク故障信号３２２などの信号を受信すると、「トリップする」または活動化するように構成されたリレーを含む。保護装置３２４が活動化すると、電流は、検出されたアーク故障近傍の導体（図示せず）を通って流れることが防止される。
【００２９】
作動中、音波１１６および光１２０は閃光アー３２６クから放出され、センサ１００によって検出される。より具体的には、光１２０は半透明領域１２８、第１の光ファイバ１０４および／または第２の光ファイバ２０２の蛍光材料によって吸収され、領域１２８、ファイバ１０４および／またはファイバ２０２から放出された可視光２０４は信号処理装置３０２に伝送される。さらに、光源３０４は光線１１４を振動板１０６（図１に示す）に伝送する。音波１１６によって、振動板１０６が振動し、光線１１４が反射光１１８として振動板１０６によって反射される。例示的実施形態では、反射光１１８は信号処理装置３０２に伝送される。
【００３０】
反射光１１８および／または可視光２０４は少なくとも１つの光ファイバ１０４を通って信号処理装置３０２に伝送される。例示的実施形態では、反射光１１８は第１の光ファイバ１０４を通って信号処理装置３０２に伝送され、可視光２０４は第２の光ファイバ２０２を通って信号処理装置３０２に伝送される。別法として、反射光１１８および／または可視光２０４は、任意の適切な数の光ファイバ１０４を通って信号処理装置３０２に伝送されることができる。
【００３１】
反射光１１８および可視光２０４が信号処理装置３０２によって受け取られると、ファイバ結合器３１４が反射光１１８を第１の光フィルタ３１０に向けて送り、可視光２０４を第２の光フィルタ３１２に向けて送る。フィルタを通った反射光１１８は第１の光フィルタ３１０から出力され、第１の光検出器３１６によって検出され、および／または測定される。測定または検出された反射光１１８（以下に「反射光測定値（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｌｉｇｈｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）」と称する）を表す第１の電圧信号は、第１の光検出器３１６からプロセッサ３２０に伝送される。さらに、フィルタを通った可視光２０４は第２の光フィルタ３１２から出力され、第２の光検出器３１８によって検出および／または測定される。測定または検出された可視光２０４（以下に「可視光測定値（ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）」と称する）を表す第２の電圧信号は、第２の光検出器３１８からプロセッサ３２０に伝送される。
【００３２】
プロセッサ３２０は第１の光検出器３１６および第２の光検出器３１８からの信号を分析し、閃光アーク３２６を検出すると、アーク故障信号３２２を生成する。より具体的には、プロセッサ３２０は反射光測定値を所定の第１の閾値、または反射光閾値と比較して、検出された音波１１６が閃光アークによって生成されたのかどうかを決定する。プロセッサ３２０は可視光測定値を所定の第２の閾値、または可視光閾値と比較して、検出された光１２０が閃光アークによって生成されたのかどうかを決定する。さらに、プロセッサ３２０は可視光測定値が受け取られた時間と反射光測定値が受け取られた時間の間の差異（以下に「タイミングギャップ（ｔｉｍｉｎｇ ｇａｐ）」と称する）を決定する。プロセッサ３２０は可視光測定値と反射光測定値の間のタイミングギャップを所定のタイミング範囲またはタイミングウィンドウと比較して、受け取った信号が閃光アークによって生成されたかどうかを決定する。例示的実施形態では、タイミングウィンドウとは、閃光アークが発生することを示す可視光測定値が受け取られた後で、反射光測定値が受け取られると予想される（例えば、歴史的データ、実験データまたは他の適切なデータに基づいて）所定の時限である。一実施形態では、タイミングウィンドウは約５００マイクロ秒と約２ミリ秒の間である。別法として、タイミングウィンドウは、検出システム３００が本明細書に記載するように機能することができる任意の適切な時限であってよい。
【００３３】
例示的実施形態では、反射光測定値が反射光閾値に等しいまたは反射光閾値を超えるならば、可視光測定値は可視光閾値に等しいまたは可視光閾値を超え、および／またはタイミングギャップがタイミングウィンドウの範囲内であるならば、プロセッサ３２０は、閃光アークが発生したこと示すアーク故障信号３２２を生成する。保護装置３２４はアーク故障信号３２２に基づいて活動化され、閃光アークを低減するために電力を中断するように構成されている。一実施形態では、アーク故障信号３２２は遠隔システム（図示せず）に伝送されて警報を生成するが、その目的は、誤りを報告するため、閃光アーク３２６の関連するデータを記憶するため、使用者に表示するため、および／または任意の所望の目的のためである。
【００３４】
別の実施形態では、ファイバ結合器３１４および／またはファイバスプリッタ３０８は省略することができる。そのような実施形態では、光線１１４、反射光１１８および／または可視光２０４は個別の光ファイバ１０４を通って伝達され得る。別の実施形態では、ファイバ結合器３１４および／またはファイバスプリッタ３０８は、光線１１４を振動板１０６に伝送し、反射光１１８および可視光２０４を第１の光フィルタ３１０および第２の光フィルタ３１２に伝送する単一のファイバ結合器３１４に取り換えることができる。
【００３５】
図４は、例示的電力システム４００のブロック図である。例示的実施形態では、電力システム４００は、検出システム３００、複数の検出ゾーン４０２および各検出ゾーン４０２内に配置された少なくとも１つの回路保護装置４０４を含む。
【００３６】
例示的実施形態では、回路保護装置４０４は、少なくとも１つの導体４０６またはバスによって一体に結合されている。別法として、１つまたは複数の回路保護装置４０４が、他の回路保護装置４０４からの個別の導体４０６またはバスに結合されることができる。例示的実施形態では、回路保護装置４０４は、プロセッサ３２０からのアーク故障信号３２２などの制御信号を受け取ると、導体４０６の出力端部４１０から入力端部４０８を電気的に結合し、または切り離す少なくとも１つの回路遮断器を含む。別法として、回路保護装置４０４は、電力システム４００が本明細書に記載するように機能することを可能にするリレーまたは任意の他の保護装置を含む。
【００３７】
例示的実施形態では、検出システム３００は、少なくとも１つの検出ゾーン４０２内部、および少なくとも１つの回路保護装置４０４近傍に配置された少なくとも１つの光ファイバ１０４を含む。さらに、光ファイバ１０４は図１から３に関連して本明細書で十分に説明するように、少なくとも１つの蛍光材料を含む。例示的実施形態では、光ファイバ１０４が検出ゾーン４０２内で生成される１つまたは複数の閃光アークを検出するように、光ファイバ１０４は各検出ゾーン４０２内に配置される。
【００３８】
例示的実施形態では、光ファイバ１０４は各検出ゾーン４０２内に異なる色の蛍光材料を含み、閃光アークによって生成された光を吸収した後、光ファイバ１０４が各検出ゾーン４０２内に異なる色の可視光２０４を放出するようになる。本明細書で使用されると、「色（ｃｏｌｏｒ）」という用語は、所定の範囲の波長または可視光のスペクトルを指す。別法として、検出システム３００は各検出ゾーン４０２ごとに個別の光ファイバ１０４を含むことができ、各光ファイバ１０４には異なる色の蛍光材料が含まれる。
【００３９】
閃光アークが検出ゾーン４０２内に発生した場合、検出ゾーン４０２に関連する光ファイバ１０４が閃光アークからの光を吸収する。検出ゾーン４０２内の光ファイバ１０４の蛍光材料は、蛍光材料に付随する色で可視光２０４を放出し（図２参照）、可視光２０４を信号処理装置３０２に伝送する（図３参照）。信号処理装置３０２は、図３を参照して上記に記載のように、可視光２０４から閃光アークの発生を決定し、検出する。さらに、信号処理装置３０２は受け取った可視光２０４の色（すなわち波長および／または周波数）を分析する。より具体的には、例示的実施形態では、信号処理装置３０２は各検出ゾーン４０２に対して個別の光フィルタ３１０および個別の光検出器３１６を含む。各光フィルタ３１０は、フィルタ３１０が蛍光材料に付随する可視光２０４の色だけが光検出器３１６を通過することを可能にするように、各検出ゾーン４０２ごとに使用される蛍光材料の色に調整されている。各検出ゾーン４０２に付随する光検出器３１６は可視光測定値（受け取った光の色が表すデータを含む）をプロセッサ３２０に伝送する。
【００４０】
例示的実施形態では、プロセッサ３２０は、探索表またはメモリ装置（図示せず）内部の別のデータ構造内に記憶されたデータを参照して、閃光アークから受け取った光の色を検出ゾーン４０２に関連付けて、閃光アークが発生した位置（すなわち検出ゾーン４０２）を決定する。プロセッサ３２０は閃光アークが発生した決定済みの位置（すなわち決定された検出ゾーン４０２）に付随する所定の可視光閾値を選択する。例示的実施形態では、各検出ゾーン４０２に対する可視光閾値は、互いの検出ゾーン４０２の可視光閾値とは異なる。プロセッサ３２０は光検出器３１６から受け取った可視光測定値を検出ゾーン４０２に付随する可視光閾値に比較して、上記に記載の類似の方法で、受け取った光が閃光アークを示すかどうかを決定する。検出システム３００はアーク故障信号３２２を回路保護装置４０４、または検出された閃光アークに関連する検出ゾーン４０２内部の装置４０４に伝送して、閃光アークを低減する。したがって、複数の検出ゾーン４０２および回路保護装置４０４は検出システム３００によって効率的に監視されて、閃光アークの発生、時間および位置を決定する。
【００４１】
本明細書に記載するシステムおよび方法の技術的効果には、（ａ）少なくとも１つのセンサ内に配置された振動板によって、少なくとも１つの音波を受け取るステップと、（ｂ）少なくとも１つの音波によって生じた振動により、振動板によって光を反射するステップと、（ｃ）少なくとも１つのセンサ外部の光源から光を受け取るステップと、（ｄ）外部光源から受け取った光を可視光に変換するステップと、（ｅ）反射光および可視光に基づいて閃光アークの発生を検出するステップとの少なくとも１つが含まれる。
【００４２】
光および音波を検出する際に使用する方法、システムおよび装置の例示的実施形態が、上記に詳しく説明されている。方法、システムおよび装置は、本明細書に記載する具体的な実施形態に限定されず、むしろ、方法の作用および／またはシステムの構成要素および／または装置が、本明細書に記載する他の作用および／または構成要素から独立して、別々に利用されてもよい。さらに記載した作用および／または構成要素もまた、他のシステム、方法および／または装置において規定され、またはそれらと併せて使用されてもよく、本明細書に記載するようなシステム、方法および装置のみと共に実施することに限定されない。
【００４３】
本発明は、例示的電力システム環境に関連して説明するが、本発明の実施形態は、多くの他の一般の目的または特別な目的のシステム環境または構成で作動可能である。本明細書で説明したシステム環境は、本発明の任意の態様の使用または機能の範囲に関して、なんら制限を提示すると意図するものではない。さらに、本明細書で説明するシステム環境は、例示的な作動環境で説明した任意の１つの構成要素または構成要素の組合せに関連して、任意の独立性または必要性を有すると解釈されるべきである。
【００４４】
本書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また任意の装置またはシステムを作成および使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実行することを可能にするために、例を使用している。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者に思い付く他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言とは実質的に差のない均等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４５】
１００ センサ
１０２ センサヘッド
１０４ 光ファイバ
１０６ 音響検出器
１０８ 下流端部
１１０ ファイバコア
１１２ ファイバシース
１１４ 光線
１１６ 音波
１１８ 反射光
１２０ 光
１２２ 保護用スリーブ
１２４ 保護用スクリーン
１２６ ファイバホルダ
１２８ 半透明領域
１３０ 開口
２００ センサ
２０２ 第２の光ファイバ
２０４ 可視光
３００ 検出システム
３０２ 信号処理装置
３０４ 光源
３０６ アイソレータ
３０８ ファイバスプリッタ
３１０ 第１の光フィルタ
３１２ 第２の光フィルタ
３１４ ファイバ結合器
３１６ 第１の光検出器
３１８ 第２の光検出器
３２０ プロセッサ
３２２ アーク故障信号
３２４ 保護装置
３２６ 閃光アーク
４００ 電力システム
４０２ 検出ゾーン
４０４ 回路保護装置
４０６ 導体
４０８ 入力端部
４１０ 出力端部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源（３０４）から光を受け取り（１１４）、音波（１１６）が入射したとき光を反射する（１１８）ように構成されている音響検出器（１０６）を有するセンサヘッド（１０２）と、
少なくとも１つの光ファイバ（１０４）と、
少なくとも１つの前記センサヘッドおよび前記少なくとも１つの光ファイバ内の少なくとも１つの蛍光材料であって、前記センサ外部の第２の光源（３２６）から光を受け取り（１２０）、前記第２の光源から受け取った光に応答して可視光（２０４）を放出するように構成されている少なくとも１つの蛍光材料と
を備えるセンサ（１００）。
【請求項２】
前記センサヘッド（１０２）が前記音響検出器（１０６）近傍に半透明領域（１２８）を備える、請求項１記載のセンサ（１００）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの蛍光材料が前記半透明領域（１２８）内にある、請求項２記載のセンサ（１００）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光ファイバ（１０４）が、前記第１の光源（３０４）からの光（１１４）および前記音響検出器によって反射された光（１１８）を伝送するための第１の光ファイバと、前記少なくとも１つの蛍光材料から放出された前記可視光（２０４）を伝送するための第２の光ファイバ（２０２）とを備える、請求項１記載のセンサ（１００）。
【請求項５】
前記音響検出器（１０６）が、音波（１１６）が入射したとき振動する振動板であり、前記振動により、前記第１の光源（３０４）からの光（１１４）が前記振動板によって反射される、請求項１記載のセンサ（１００）。
【請求項６】
第１の光源（３０４）から光を受け取り（１１４）、音波（１１６）が入射したとき光を反射する（１１８）ように構成されている音響検出器（１０６）を有するセンサヘッド（１０２）、
少なくとも１つの光ファイバ（１０４）、および
少なくとも１つの前記センサヘッドおよび前記少なくとも１つの光ファイバ内の少なくとも１つの蛍光材料であって、前記センサ外部の第２の光源（３２６）から光を受け取り（１２０）、前記第２の光源から受け取った光に応答して可視光（２０４）を放出するように構成されている少なくとも１つの蛍光材料
を備えるセンサ（１００）と、
前記音響検出器によって前記反射された光を表す第１の測定値を受け取り、前記少なくとも１つの蛍光材料から放出された前記可視光を表す第２の測定値を受け取り、受け取った前記反射光および前記可視光に基づいて、閃光アークの発生を決定するようにプログラムされたプロセッサ（３２０）を有する信号処理装置（３０２）と
を備える、検出システム（３００）。
【請求項７】
前記プロセッサ（３２０）が前記第１の測定値を反射光閾値と比較し、前記第２の測定値を可視光閾値と比較するようにさらにプログラムされている、請求項６記載の検出システム（３００）。
【請求項８】
前記プロセッサ（３２０）が、前記プロセッサが前記第１の測定値を受け取る時間と前記プロセッサが前記第２の測定値を受け取る時間との間の差異を表すタイミングギャップを計算するようにさらにプログラムされている、請求項７記載の検出システム（３００）。
【請求項９】
前記プロセッサ（３２０）が、
前記反射光閾値以上の前記第１の測定値、
前記可視光閾値以上の前記第２の測定値、および
所定のタイミングウィンドウ内のタイミングギャップ
の少なくとも１つを決定したとき閃光アーク（３２６）の発生を決定するようにプログラムされている、請求項８記載の検出システム（３００）。
【請求項１０】
前記プロセッサ（３２０）が、前記閃光アークが発生したと決定したとき前記閃光アーク（３２６）を低減する保護装置（４０４）を活動化するようにさらにプログラムされている、請求項９記載の検出システム（３００）。
【請求項１】
第１の光源（３０４）から光を受け取り（１１４）、音波（１１６）が入射したとき光を反射する（１１８）ように構成されている音響検出器（１０６）を有するセンサヘッド（１０２）と、
少なくとも１つの光ファイバ（１０４）と、
少なくとも１つの前記センサヘッドおよび前記少なくとも１つの光ファイバ内の少なくとも１つの蛍光材料であって、前記センサ外部の第２の光源（３２６）から光を受け取り（１２０）、前記第２の光源から受け取った光に応答して可視光（２０４）を放出するように構成されている少なくとも１つの蛍光材料と
を備えるセンサ（１００）。
【請求項２】
前記センサヘッド（１０２）が前記音響検出器（１０６）近傍に半透明領域（１２８）を備える、請求項１記載のセンサ（１００）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの蛍光材料が前記半透明領域（１２８）内にある、請求項２記載のセンサ（１００）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光ファイバ（１０４）が、前記第１の光源（３０４）からの光（１１４）および前記音響検出器によって反射された光（１１８）を伝送するための第１の光ファイバと、前記少なくとも１つの蛍光材料から放出された前記可視光（２０４）を伝送するための第２の光ファイバ（２０２）とを備える、請求項１記載のセンサ（１００）。
【請求項５】
前記音響検出器（１０６）が、音波（１１６）が入射したとき振動する振動板であり、前記振動により、前記第１の光源（３０４）からの光（１１４）が前記振動板によって反射される、請求項１記載のセンサ（１００）。
【請求項６】
第１の光源（３０４）から光を受け取り（１１４）、音波（１１６）が入射したとき光を反射する（１１８）ように構成されている音響検出器（１０６）を有するセンサヘッド（１０２）、
少なくとも１つの光ファイバ（１０４）、および
少なくとも１つの前記センサヘッドおよび前記少なくとも１つの光ファイバ内の少なくとも１つの蛍光材料であって、前記センサ外部の第２の光源（３２６）から光を受け取り（１２０）、前記第２の光源から受け取った光に応答して可視光（２０４）を放出するように構成されている少なくとも１つの蛍光材料
を備えるセンサ（１００）と、
前記音響検出器によって前記反射された光を表す第１の測定値を受け取り、前記少なくとも１つの蛍光材料から放出された前記可視光を表す第２の測定値を受け取り、受け取った前記反射光および前記可視光に基づいて、閃光アークの発生を決定するようにプログラムされたプロセッサ（３２０）を有する信号処理装置（３０２）と
を備える、検出システム（３００）。
【請求項７】
前記プロセッサ（３２０）が前記第１の測定値を反射光閾値と比較し、前記第２の測定値を可視光閾値と比較するようにさらにプログラムされている、請求項６記載の検出システム（３００）。
【請求項８】
前記プロセッサ（３２０）が、前記プロセッサが前記第１の測定値を受け取る時間と前記プロセッサが前記第２の測定値を受け取る時間との間の差異を表すタイミングギャップを計算するようにさらにプログラムされている、請求項７記載の検出システム（３００）。
【請求項９】
前記プロセッサ（３２０）が、
前記反射光閾値以上の前記第１の測定値、
前記可視光閾値以上の前記第２の測定値、および
所定のタイミングウィンドウ内のタイミングギャップ
の少なくとも１つを決定したとき閃光アーク（３２６）の発生を決定するようにプログラムされている、請求項８記載の検出システム（３００）。
【請求項１０】
前記プロセッサ（３２０）が、前記閃光アークが発生したと決定したとき前記閃光アーク（３２６）を低減する保護装置（４０４）を活動化するようにさらにプログラムされている、請求項９記載の検出システム（３００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２４２３８３（Ｐ２０１２−２４２３８３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１０９００２（Ｐ２０１２−１０９００２）
【出願日】平成２４年５月１１日（２０１２．５．１１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１０９００２（Ｐ２０１２−１０９００２）
【出願日】平成２４年５月１１日（２０１２．５．１１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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