DE10017238A1

DE10017238A1 - Kurzschlußlichtbogendetektion für ein Flugzeug

Info

Publication number: DE10017238A1
Application number: DE10017238A
Authority: DE
Inventors: Gary W Scott; Kon B Wong
Original assignee: Square D Co
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2000-11-02
Also published as: GB2348751A; MXPA00003466A; US6625550B1; CA2303964A1; FR2792075B1; GB0008196D0; FR2792075A1; CA2303964C; GB2348751B

Abstract

Ein Kurzschlußlichtbogen-Detektorsystem detektiert Kurzschlußlichtbögen in einem elektrischen Verteilungssystem durch das Überwachen von einem oder mehreren Leitern und das Erzeugen eines Eingangssignals, das einen oder mehrere elektrische Signalzustände in der zu überwachenden Schaltung darstellt. Das Eingangssignal wird verarbeitet, um Signale zu entwickeln, die den elektrischen Strom, der durch die überwachte Schaltung fließt, und breitbandige Rauschsignalkomponenten darstellen. Das System analysiert diese Signale, um zu bestimmen, ob ein Kurzschlußlichtbogen vorhanden ist, und gibt, wenn ein Kurzschlußlichtbogen vorhanden ist, ein Auslösesignal aus, das direkt oder indirekt verwendet werden kann, um einen Schutzschalter oder eine andere Schaltungsunterbrechungsvorrichtung auszulösen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Schutz elek trischer Schaltungen und insbesondere auf die Detektion von elektrischen Störungen des Typs, die als Kurschlußlichtbögen bekannt sind, in einer elektrischen Schaltung und sie bezieht sich insbesondere auf eine Kurzschlußlichtbogendetektion bei der Verdrahtung eines Flugzeugs.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Stromnetze von Flugzeugen unterscheiden sich historisch von Stromnetzen auf der Erde in verschiedenen Dingen. Die elek trischen Systeme in Haus, in kommerziellen und industriellen Anwendungen umfassen allgemein eine Schalttafel für das Emp fangen elektrischer Leistung von einer Stromversorgungsquel le. Die Leistung wird dann durch Schutzvorrichtungen zu be stimmten Leitungszweigen, die eine oder mehrere Verbraucher versorgen, geleitet. Diese Überstromvorrichtungen sind typi scherweise Leitungsunterbrecher, wie Schutzschalter und Si cherungen, die ausgelegt sind, um den elektrischen Strom zu unterbrechen, wenn die Grenzen der Leiter, die die Verbrau cher versorgen, überschritten werden.

Schutzschalter stellen einen bevorzugten Typ eines Schal tungsunterbrechers dar, da ein Rücksetzen ihre wiederholte Verwendung gestattet. Typischerweise unterbrechen Schutz schalter einen elektrischen Stromkreis aufgrund eines Unter brechungs- oder Auslösezustands, wie einer Stromüberlastung oder einem Erdschluß. Der Zustand einer Stromüberlastung er gibt sich, wenn ein Strom die Dauerleistung des Schutzschal ters während eines Zeitintervalls, das durch den Auslösestrom bestimmt wird, überschreitet. Ein Auslösezustand durch einen Erdschluß wird durch ein Ungleichgewicht von Strömen, die zwischen einer Netzleitung und einer neutralen Leitung flie ßen, geschaffen, wobei diese durch einen Leckstrom oder einen Kurschlußlichtbogen zur Erde verursacht werden können.

Kurzschlußlichtbogen werden allgemein als ein Strom durch ein ionisiertes Gas zwischen zwei Enden eines gebrochenen Leiters oder bei einem fehlerhaften Kontakt oder einem Stecker zwi schen zwei Leitern, die eine Last versorgen, oder zwischen einem Leiter und Erde definiert. Jedoch bewirken Kurzschluß lichtbögen normalerweise nicht die Auslösung eines Schutz schalters. Pegel von Kurzschlußlichtbogenströmen können durch eine Abzweigimpedanz (branch impedance) oder eine Lastimpe danz auf einen Pegel unterhalb der Auslösekurve des Lei stungsschalters vermindert werden. Zusätzlich wird ein Kurz schlußlichtbogen, der keinen geerdeten Leiter oder keine Per son mit Erdschluß berührt, eine Erdschlußschutzvorrichtung nicht auslösen.

Es gibt viele Zustände, die eine Kurzschlußlichtbogen verur sachen können, beispielsweise korrodierte, abgenutzte oder gealterte Drähte, Stecker, Kontakte oder Isolationen, lose Verbindungen, Drähte, die durch Nägel oder Klammern durch die Isolation und elektrische Belastungen, die durch eine wieder holte Überlastung, Blitzschläge etc. verursacht werden, be schädigt sind. Diese Fehler können die Leiterisolation be schädigen und bewirken, daß der Leiter eine nicht akzeptable Temperatur erreicht.

Die Notwendigkeit für eine Lichtbogendetektion in einem Flug zeug ist zunehmend deutlich geworden. Beispielsweise kann ei ne Lichtbogenbildung bei einer Leitung einen Faktor bei ge wissen Flugzeugbränden darstellen. Ein spätes Reagieren auf Brände in einem Flugzeug bestand darin, die flammenhemmenden Eigenschaften der Verdrahtung und anderer Komponenten im In neren des Flugzeuges zu erhöhen. Standardüberstromvorrichtun gen, die in Schutzschaltern verwendet werden, reagieren auf die Hitze erzeugende Wirkung eines Stroms in einem Wider standsdraht, um den Schutzschalter "thermisch auszulösen", aber sie reagieren nicht auf zeitweise aussetzende Lichtbo genströme, die eine intensive Lichtbogenerwärmung und einen Brand verursachen können.

Wir schlagen als eine bessere Lösung vor, den Lichtbogen dann zu stoppen, wenn er auftritt, statt zu warten, bis ein Brand beginnt, oder bis ein Schutzschalter eine thermische Auslö sung vornimmt.

Bis vor kurzen waren solche Detektionsmöglichkeiten bei Lei stungsschaltern oder Relais nicht verfügbar. Eine Lichtbogen detektion war für Systeme in Häusern, für kommerzielle oder industrielle Systeme mit 60 Hz verfügbar, aber sie war bis dahin nicht für die 400 Hz Verdrahtungssysteme von Flugzeugen verfügbar. Zusätzlich haben die meisten Leitungen in Flugzeu gen keinen neutralen Rückleiter oder Erdleiter, den man in den Systemen mit 60 Hz findet. Dies verhindert die Verwendung einer differentiellen Detektion von Erdschlüssen in den mei sten Abzweigschaltungen von Flugzeugen. Ein standardmäßiger Leistungsschalter für ein Flugzeug enthält Bimetallzylinder spulen oder Magnetzylinderspulen, die ein inverses Zeitver halten auf einen Strom liefern. Eine Kurzschlußlichtbogende tektion ist mit diesen Vorrichtungen nicht möglich. Eine Lichtbogendetektion unter Verwendung von Lichtbogendetekto ren, die für 60 Hz Schaltungen ausgelegt sind, ist aus mehre ren Gründen nicht möglich. Beispielsweise antworten Lichtbo gendetektoren für 60 Hz teilweise auf Erdschlußfehler, was bei normalen Abzweigschaltungen in Flugzeugen nicht möglich ist. Auch können die bei 60 Hz verwendeten Verfahren nicht automatisch auf einen Leistungsfrequenzbereich, der so hoch wie 400 Hz ist, ausgedehnt werden.

Schutzschalter sind historisch der bevorzugte Schutz für die Verdrahtung in Flugzeugen gewesen. Die aktuellen Gestaltungen basieren auf Technologien, die bis zu 40 Jahre alt sind. Ver besserungen beim Schutz von elektrischen Schaltungen, die im Heimbereich und bei kommerziellen Industrieanwendungen einge führt wurden, haben nur langsam Eingang im Flugzeugbau gefun den. Fehlerstromschutzschalter (Ground Fault Circuit Inter rupters, GFCI) für den Personenschutz sind für häusliche An wendungen seit den frühen siebziger Jahren verfügbar. Unter idealen Bedingungen können GFCIs Lichtbögen von der Phase zur Erde, die beispielsweise nur sechs Milliampere betragen, er kennen, aber sie können keine Serien von Lichtbögen erkennen oder Auslösezeiten bei Fehlern zwischen der Phase und dem neutralen Leiter verbessern.

Technologien für die Detektion von Kurzschlußlichtbögen sind in den USA eine neue und aufregende Innovation beim Schutz von Schaltungen. Wir haben herausgefunden, daß Fehlerstrom schutzschalter (AFCI) so gestaltet werden können, daß sie ei ne Serie von Lichtbögen oder parallele Lichtbögen als auch Lichtbögen von der Phase zur neutralen Leitung erkennen kön nen, indem sie auf eindeutige Zeichen, die von Lichtbögen er zeugt werden, "hören". Wir haben herausgefunden, daß AFCIs Lichtbogenströme erkennen können, die weit unterhalb den Aus lösekurven der gemäß der Mi1-Spezifikation gestalteten Schutzschalter in Flugzeugen liegen. Diese verbesserte Detek tionsfähigkeit kann einen verbesserten Schutz gegenüber dem Auftreten von Lichtbögen an Bord eines Flugzeugs liefern.

Ein Kurzschlußlichtbogen-Schaltungsunterbrechungsvorrichtung ist eine Vorrichtung, um einen Schutz gegenüber den Wirkungen von Kurzschlußlichtbögen zu erzielen, indem die Eigenschaf ten, die für einen Lichtbogen kennzeichnend sind, erkannt werden, und indem die Schaltung spannungslos geschaltet wird, wenn ein Kurzschlußlichtbogen erkannt wird.

Schutzschalter für Flugzeuge sind historisch gesehen der be ste verfügbare Schutz für die Verdrahtung in einem Flugzeug gewesen. Die heutigen Gestaltungsnormen basieren auf Techni ken, die bis zu 40 Jahren alt sind. In Schutzschaltern für den Luftfahrtbereich und den Militärbereich wird der Schutz auf zwei Arten erreicht. Kurzschlußströme betätigen einen ma gnetisch Auslöser, während Überlastströme entweder einen Bi metall-Auslöser oder eine hydraulisch gedämpfte Magnettauch spule betätigen. Die "sofortige Auslösung" ist die durch den hohen Strom verursachte magnetische Auslöseaktion, die man bei einigen aber nicht bei allen Schutzschaltern für die Luftfahrt findet. Die Zeit für die Auslösung während einer Überlast wird bestimmt durch die Zeit, die es braucht, um ein Bimetall auf die Temperatur zu erhitzen, die den Leistungs schalter entriegelt. Je mehr Strom das Bimetall aufheizt, de sto kürzer ist die Zeit, die für das Auslösen des Schutz schalters benötigt wird. Ein hydraulisch-magnetischer Schutz schalter enthält einen magnetischen Brocken, der in Flüssig keit eingeschlossen ist, der sich in Erwiderung auf das Qua drat des Stroms zu einer Auslöseposition bewegt. Diese Schal tungsunterbrechungsvorrichtungen werden von Luftfahrtinge nieuren ausgewählt, um die Verdrahtung eines Flugzeuges ge genüber einer Überhitzung oder einem Durchschmelzen zu schüt zen. Während des Auftretens von Kurzschlußlichtbögen sind diese Ströme oft klein, nur von kurzer Dauer und liegen weit unter der Überstromzeitschutzkurve, die bei diesen Schutz schaltern vorgesehen ist. Ereignisse in jüngster Zeit haben diese Einschränkungen in der Gestaltung und der Funktion be wußter gemacht. Bei mehreren kürzlich aufgetretenen Flugzeug unglücken wurde vermutet, daß "elektrische Kurzschlußlichtbö gen" als eigentliche Ursache aufgetreten sind.

Wir haben einen Weg gefunden, mit dem eine Technologie eines Kurzschlußlichtbogenschutzschalters (AFCI) auf Stromnetze von Luftfahrzeugen, die mit Wechselstrom (AC) und mit Gleichstrom (DC) funktionieren, angewandt werden kann. Die AFCI-Technolo gie schließt elektronische Schaltungen ein, die die Lichtbo gensignatur erkennen und sie von normalen Lichtbögen der Last (wie sie bei Motorbürsten, Schaltern, Relaiskontakten etc. auftreten) unterscheiden kann.

Die Lichtbogenbildung in einer fehlerhaften Wechselstrom schaltung tritt gewöhnlicherweise sporadisch in jedem Halbzy klus der Spannungswellenform auf. Das komplexe Ereignis der Lichtbogenbildung verursacht unterbrochene Lichtbögen, die einen anderen Strom als bei normalen Lastmustern aufweisen.

Beim Vorläufer zu einem Lichtbogen kann es sich um eine Ver bindung mit hohem Widerstand handeln, die zu einem "Glühkontakt" und dann zu einem Serienlichtbogen führt oder um eine Kriechwegbildung, die zu einer von Leitung zu Leitung gehenden oder parallelen Lichtbogenbildung führt. In einem Schutzschalter für Gebäude, der mit einem Fehlerstromschutz schalter (GFCI) ausgerüstet ist, kann eine Kriechwegbildung durch Kohlestaub oder Feuchtigkeit früh erkannt werden, wenn sie hin zur Erde führt. In vielen Schaltungen in Flugzeugen ist der neutrale Leiter, um die notwendige Fehlerstromschutz schaltung zu vervollständigen, nicht vorhanden, und ein GFCI- Schutz ist nicht möglich. Mit der Einführung von AFCI-Schutz schaltern kann ein Schutz gegenüber Lichtbogenkurzschlüssen von Leitung zu Leitung, bei denen die Erde nicht beteiligt ist, erfolgen, indem diese auch erkannt und unterbrochen wer den.

Bei unserer Kurzschlußlichtbogenunterbrechervorrichtung über wachen die zusätzlichen elektronischen Vorrichtungen sowohl die Leitungsspannung als auch die "Stromsignaturen". Bei ei ner normal arbeitenden Schaltung erzeugen übliche Stromfluk tuationen Signaturen, die nicht fälschlicherweise für einen Lichtbogen gehalten werden dürfen. Anlaufströme, Schaltsigna turen und Lastwechsel (normale Ereignisse oder Ereignisse ei nes "guten Lichtbogens") können digital im AFCI als normale Signaturwellenformen programmiert werden. Abweichungen oder Änderungen gegenüber diesen "normalen" Signaturen werden durch elektronische Schaltungen und Algorithmen überwacht, um zu bestimmen, ob eine Lichtbogenbildung auftritt. Wenn diese Kurzschlußlichtbogensignaturen erkannt werden, so wird die Schaltung unterbrochen und die Leistung weggenommen. Die Ge schwindigkeit dieser Detektion als auch die Größe des Licht bogens können Parameter sein, die bei der Herstellung pro grammiert werden können. Die speziellen Signaturen, die als Lichtbogen identifiziert werden, sind Teil der gesetzlich ge schützten Kurzschlußlichtbogentechnologie der Square D Com pany.

Kommerziell sind von der UL empfohlene AFCI-Schutzschalter erhältlich. Diese sind nun im NEC und werden in Schaltungen in Schlafzimmer von Häusern im Jahr 2002 obligatorisch sein. Da die elektrischen Verbraucher im Haushalt stark variieren können, so werden sie so gestaltet, daß sie eine nahezu un endliche Kombination elektrischer Verbraucher gestatten. Ihre AFCI-Programmierung wird mit einem GFCI als auch mit magneti schen und thermischen Überlastkomponenten kombiniert. Sie werden so gestaltet, daß sie in der Form und Funktion statt üblichen Schutzschaltern für den Haushalt verwendet werden können.

Wir haben herausgefunden, daß im Prinzip die Gestaltung und die Programmierung von AFCI-Vorrichtungen für die Anwendung in Luftfahrzeugen einfacher als die für die Anwendung im Haushalt sein kann. Der Hausbesitzer erwartet, daß er jegli chen Verbraucher in eine Steckdose stecken kann, ohne daß ei ne ärgerliche Auslösung durch einen AFCI erfolgt. In Gegen satz dazu steht die Anwendung bei kommerziellen Luftfahrzeu gen, bei denen die Verbraucher in einer vorgegebenen Schal tung, durch die Ausführung fest vorgegeben sind. Der Verbrau cher bei jedem Schutzschalter wird sorgfältig geplant. Abwei chungen von den ursprünglichen OEM-Spezifikationen erfordern eine spezielle Analyse und die Zustimmung der FAA. Feste Ver braucher verbunden mit genormten Verdrahtungspraktiken, Stec kern und Zertifikationen vermindern die Schaltungsvariationen und machen die Flugzeuge einander viel ähnlicher, als man er warten würde. Dies kann es zusammen mit stabilen geregelten Leistungsquellen erlauben, viel schnellere Reaktionszeiten oder Auslösekurven für AFCI-Vorrichtungen, die für Einsätze in der Luftfahrt vorgesehen sind, zu bilden. Zusätzlich ge stattet der Wechselstrom mit 400 Hz, der in modernen Flugzeu gen verwendet wird, mehr Wellenformvergleiche in einer vorge gebenen Zeitdauer: normale 60 Hz NEMA-Vorrichtungen sind aus gelegt, um einen Kurzschlußlichtbogen in 7 Zyklen der Span nung (in 116,7 ms) zu erkennen, bei 400 Hz braucht dies nur 17,5 ms. Die Erhöhung der Frequenz in Verbindung mit einer stabileren Leistungsversorgung, festen Verbrauchern etc. zeigt, daß die Vorrichtungen gut geeignet sein sollten, den elektrischen Ursprung von Bränden in Flugzeugen zu verhin dern. In der Zukunft können diese Vorrichtungen auf der Lei terplatte von Avionic-Netzgeräten montiert sein und/oder bei einzelnen elektrischen Verbrauchern plaziert werden. Sie kön nen so gestaltet werden, daß sie miteinander oder mit Daten aufzeichnungsgeräten kommunizieren, um den Zustand der elek trischen Verdrahtung und der Komponenten zu überwachen. Da tenaufzeichnungsgeräte für die Wartung können nach dem Flug betrachtet und aktuell vorhandene Fehler identifiziert wer den, und Wartungsvorgänge, die diese verhindern, können vor einem Systemausfall vorgenommen werden.

Labortests haben gezeigt, daß AFCI-Schutzschalter Fehler er kennen können, die nicht durch für Militärflugzeuge empfoh lene Schutzschalter erkannt werden können, und daß sie we sentlich schneller bei der Detektion von Kurzschlußlichtbögen in der Verdrahtung eines Flugzeugs sind.

Es wurden Experimente bei der International Aero Inc. mit der Schneider Electric Square D Company durchgeführt, um die Un terschiede zwischen Schutzschaltern für Luftfahrzeuge und AF CI-Vorrichtungen zu bestimmen. Diese Tests basierten auf den FAA WetArcTest-Protokollen, die entwickelt wurden, um die An fälligkeit einer Verdrahtung eines Flugzeugs gegenüber der Lichtbogenbildung zu bestimmen.

Ein gemäß der Mi1-Spezifikation ausgelegter Schutzschalter für Flugzeuge mit einem Nennstrom von fünf Ampere (5 A) wurde in Serie mit einem 15 Ampere AFCI der Square D Company Arc-D- Tect, der modifiziert war, um bei 400 Hz zu arbeiten, gelegt. Es wurde Leistung an einen Wassererhitzer für ein Flugzeug, der 1,95 Ampere durch den Schutzschalter des Gegenstandes und die AFCI-Vorrichtung zieht, angelegt. Lichtbögen im Bereich von 75-100 Ampere wurden am Eingang des Erhitzers durch das Schleifen eines 20 ga Drahtes zwischen dem Eingang des Erhit zers und Erde eingebracht. In jedem Test unterbrach der AFCI- Prototyp die Leistung vor dem Schutzschalter für Flugzeuge nach der Militärnorm. Diese Experimente zeigen, daß diese Vorrichtungen für die Verwendung in Wechselstromschaltungen für Flugzeuge ausgelegt werden können. Es werden aktuell zu sätzliche Tests ausgeführt, um die Detektionsunterschiede mit modifizierten AFCI-Vorrichtungen und Standardschutzschaltern für Luftfahrzeuge als auch die Empfindlichkeit von thermisch akustischem Isolationsmaterial gegenüber einer Entzündung durch elektrische Lichtbögen und die Fähigkeit des AFCI, die Zündung zu vermindern, zu ermitteln.

Es gibt zwei Typen von Kurzschlußlichtbögen in den elektri schen Schaltungen und der Verdrahtung eines Flugzeugs: paral lele und serielle.

Eine parallele Lichtbogenbildung tritt auf, wenn ein Lichtbo gen zwischen zwei Drähten oder zwischen einem Draht und der Zelle vorhanden ist, und der Strom durch die Impedanz der Spannungsquelle, der Drahtes und des Lichtbogens begrenzt ist. Wenn der Kurzschluß fest verbunden und die Lichtbogen spannung niedrig ist, so löst der normale Schutzschalter ei nes Flugzeuges sehr schnell aus, wobei nur eine geringe Er hitzung des Drahtes oder Beschädigung am Punkt des Lichtbo gens auftritt. Gelegentlich bläst der Lichtbogen aber die kurzgeschlossenen Komponenten weg und erzeugt eine größere Lichtbogenspannung und er vermindert den Fehlerstrom bis un ter die Auslösekurve und verursacht "tickende Fehler". Die Konsequenzen eines parallelen Lichtbogenschadens sind gewöhn licherweise viel größer als bei seriellen Lichtbögen. Es kann sein, daß der mittlere Strom nicht ausreicht, um einen kon ventionellen Schutzschalter durch das Erhitzen des Bimetall streifens auszulösen, oder es kann sein, daß der Spitzenstrom nicht groß genug ist, um den magnetischen Auslöser auszulö sen. Dies ergibt eine beträchtliche Wirksamkeit des Schutz schalters gemäß der Militärnorm beim Schutz gegenüber einer parallelen Lichtbogenbildung, wenn der Spitzenstrom einige hundert Ampere beträgt. Unglücklicherweise kann der Fehler strom durch eine Schaltung, die eine zu hohe Impedanz auf weist, so begrenzt werden, daß er nicht sofort den thermisch- magnetischen Schutzschalter auslöst. Die parallele Lichtbo genbildung ist im allgemeinen gefährlicher als die serielle Lichtbogenbildung. Die Energie, die im Lichtbogen freigesetzt wird, ist viel höher, wobei die Temperaturen oft 10000 Grad Fahrenheit überschreiten. Dies verursacht eine thermische Zersetzung oder ein Verkohlen der Isolation, was leitende Kohlenstoffkriechwege schafft und heißes Metall wegschleu dert, das mit hoher Wahrscheinlichkeit auf entflammbare Mate rialien treffen kann.

Die Serienlichtbogenbildung beginnt mit einer Korrosion von Sockelverbindungen oder Verbindungen in Serie mit den elek trischen Verbrauchern. Der Spannungsabfall über einer schlechten Verbindung beginnt mit einigen wenigen hundert Millivolt und erhitzt und oxidiert oder zersetzt thermisch langsam die umgebenden Materialien. Der Spannungsabfall nimmt auf einige wenige Volt zu, wobei er dann zu einer "Glimmverbindung wird" und beginnt, Rauch aus der umgebenden Polymerisolation abzugeben. Der Strom eines seriellen Licht bogens ist gewöhnlicherweise durch die Impedanz des elektri schen Verbrauchers, der mit der Schaltung verbunden ist, auf einen gemäßigten Wert begrenzt. Die Leistungsmenge eines se riellen Lichtbogens ist typischerweise viel geringer als bei einem parallelen Kurzschluß. Da der Spitzenstrom typischer weise niemals größer als der vorgesehene Laststrom ist, ist eine Serienlichtbogenbildung viel schwieriger als eine paral lele Lichtbogenbildung zu detektieren. Die Signatur eines Se rienlichtbogens besteht aus einer unüblichen Variation des normalen Laststroms. Eine Serienlichtbogenbildung gestaltet sich gewöhnlicherweise so, daß der Lichtbogenstrom gut unter halb der Auslösekurve des Flugzeugschutzschalters gemäß der Militärnorm bleibt. Lose Anschlußlötfahnen, ungeordnete oder mit Kreuzgewinde versehene Stecker, gebrochene Leiterlitzen innerhalb eines Drahtes stellen typische Quellen dar. Diese Lichtbögen verursachen Spannungsabfälle am Verbraucher und das Erhitzen des Drahtes, des Steckerstiftes oder der An schlußlötfahne. Diese Erhitzung kann zu einem Ausfall der Komponente führen und zu einer Quelle einer Entzündung wer den. Gleichstromlichtbögen sind ein anderes ernstes Ereignis, das möglicherweise mit der AFCI-Technologie verhindert werden kann. Gleichstromverbraucher sind relativ stabil, und jegli che Änderungen, die in einer Schaltung vorgenommen werden, sind üblicherweise mit bekannten Lastprofilen gut dokumen tiert. Änderungen in der Gleichstromschaltungs-Signatur soll ten sogar schneller als solche in Wechselstromschaltungen de tektierbar sein. Ohne die sinusförmigen Änderungen in der Spannung und Polarität, wie man sie bei der Wechselstromlei stung sieht, sollten Änderungen in der Gleichstromschaltung sogar zuverlässiger als in Wechselstromschaltungen detektiert werden können.

Es muß Sorgfalt bei der Anpassung eines AFCI an Luftfahrzeuge aufgewandt werden. Kritische und wesentliche elektrische Schaltungen benötigen einen Schutz, der nicht fälschlicher weise ausgelöst wird. Viele elektrische Verbraucher in Flug zeugen befinden sich in Abzweigschaltungen, die eine Mischung aus Stromwellenformen an den Schutzschalter liefern. Ein ein ziger Schutzschalter im Cockpit kann mehrere unabhängige Sy steme versorgen. Eine fälschliche Auslösung ist nicht ak zeptabel, wenn mehrere Systeme durch einen Schutzschalter mit Leistung versorgt werden. Es sollte eine sorgfältige Analyse bei der Gestaltung und Implementierung der AFCI-Technologie in Luftfahrzeugen vorgenommen werden. Sogar unter diesen Vor behalten hat der AFCI das Potential eine der größten einzel nen Verbesserungen in Bezug auf die Sicherheit in Luftfahr zeugen, die in den letzten Jahren erreicht wurden, darzustel len.

Um es kurz zusammen zu fassen, so werden Hitze, Lichtbögen oder eine elektrische Entzündung oft durch lose Verbindungen, gebrochene oder kurzgeschlossene Drähte im Leistungsver teilsystem verursacht. Bei der Verdrahtung eines Flugzeuges tragen die Vibration, die Feuchtigkeit, extreme Temperaturen, eine nicht korrekte Wartung und Reparatur alle zu einem Aus fall der Verdrahtung bei. Dies führt zu einer Lichtbogenbil dung und kann dazu führen, daß brennbare Komponenten entzün det werden. Weiterhin kann eine Kohlenstoff-Kriechwegbildung, die durch Hitze verursacht wird, die durch den Lichtbogen er zeugt wird, die Drahtisolation zerstören, die Leiter freile gen, und zu unterbrochenen Kurzschlüssen zwischen den einzel nen Drähten führen. Diese Kurzschlüsse zwischen den Drähten können empfindliche Avioniksysteme beschädigen und Fehlfunk tionen während des Fluges verursachen. Die Eliminierung oder Verminderung dieser Gefahren für den Flug mit einer Kurz schlußlichtbogentechnologie sollte industrieweite Priorität genießen.

Die Erfindung schließt eine Vorrichtung und ein Verfahren ein, mit dem eine Lichtbogenbildung in der Verdrahtung eines Flugzeuges erkannt wird.

Die Detektion der oben beschriebenen zeitweise aussetzenden Ströme, die durch die Lichtbogenbildung verursacht werden, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Ein Detektions signal, das gemäß der Erfindung erzeugt wird, kann verwendet werden, um einen Schutzschalter auszulösen, die Bildung von Lichtbögen der Flugzeugelektronik anzuzeigen, den Piloten zu alarmieren, oder einen Befehl abzusetzen, um ein Steuerrelais auszulösen.

AUFGABEN DER ERFINDUNG UND ZUSAMMENFASSUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kurzschlußlichtbogen-Detektionssystem und ein Verfahren anzu geben, das zuverlässig Kurzschlußlichtbogenzustände, die durch konventionelle Schutzschalter ignoriert werden, detek tiert.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kurzschlußlichtbogendetektionssystem zu liefern, das eine minimale Anzahl hoch zuverlässiger elektronischer Signalver arbeitungskomponenten, wie einen Mikrorechner, verwendet, um den größten Teil der Signalverarbeitung und der Analysefunk tionen auszuführen, so daß es relativ einfach im Betrieb und dennoch sehr zuverlässig ist.

Andere und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden Fachleute aus der vorliegenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und angefügten Ansprüchen erken nen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Be stimmung, ob ein Lichtbogen in der elektrischen Schaltung ei nes Flugzeuges vorhanden ist, bereitgestellt, wobei das Ver fahren die Schrittes der Messung eines Stroms in dieser Schaltung und der Entwicklung eines entsprechenden Eingabesi gnals, das Bestimmen des Vorhandenseins eines breitbandigen Rauschens in diesem Eingangssignal und das Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals, und das Verarbeiten des Ein gangssignals und des Ausgangssignals in vorbestimmter Weise, um zu bestimmen, ob ein Kurzschlußlichtbogen in dieser Schal tung vorhanden ist oder nicht, umfaßt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein System für das Bestimmen, ob eine Lichtbogenbildung in einer elektri schen Schaltung für ein Flugzeug vorhanden ist, bereitge stellt, wobei dieses System einen Sensor für das Messen eines Stroms in der Schaltung und das Entwickeln eines entsprechen den Sensorsignals, eine Schaltung für das Bestimmen des Vor handenseins von breitbandigem Rauschen im Sensorsignal und das Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals und eine Steuerung für das Verarbeiten des Sensorsignals und des Aus gangssignals in einer vorbestimmten Weise, um zu bestimmen, ob ein Kurzschlußlichtbogen in der Schaltung vorhanden ist, umfaßt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Steuerung für das Bestimmen, ob eine Lichtbogenbildung in der elektri schen Schaltung eines Flugzeuges vorhanden ist, in Erwiderung auf Eingangssignale bereitgestellt, wobei die Eingangssignale einem Strom in der Schaltung und dem Vorhandensein eines breitbandigen Rauschens in einem vorbestimmten Frequenzbe reich in der Schaltung entsprechen, wobei die Steuerung eine Vielzahl von Zählern einschließt, und wobei die Steuerung die Vielzahl von Zähler in einer vorbestimmten Art gemäß den Ein gangssignalen inkrementiert und periodisch bestimmt, ob ein Kurzschlußlichtbogen vorhanden ist, basierend zumindest teil weise auf dem Zustand der vielen Zähler.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung, ob eine Lichtbogenbildung in der elektrischen Schaltung eines Flugzeuges vorhanden ist, durch das Verarbei ten von Eingangssignalen, die einem Strom in der Schaltung und dem Vorhandensein von breitbandigem Rauschen in einem vorbestimmten Frequenzbereich in der Schaltung entsprechen, bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte der Inkre mentierung einer Vielzahl von Zählern in einer vorbestimmten Weise gemäß den Eingangssignalen und der periodischen Bestim mung, ob ein Kurzschlußlichtbogen vorhanden ist, basierend zumindest teilweise auf dem Zustand der vielen Zähler, um faßt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Detektor für einen elektrischen Fehler für die Verdrahtung eines Flug zeuges bereitgestellt, wobei er eine erste Bandpaßfilter schaltung, die auf ein Eingangssignal, das einen elektrischen Signalzustand in einer zu überwachenden Schaltung darstellt, anspricht, und sie ein Frequenzsignal hindurch läßt, das aus Signalkomponenten des Eingangssignals besteht, die in ein er stes vorbestimmtes Frequenzband fallen und eine UND-Schal tung, die die Frequenzsignale von den ersten und zweiten Bandpaßfilterschaltungen empfängt und UND-verknüpft, umfaßt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine anwen dungsspezifische integrierte Schaltung, die eine erste Band paßfilterschaltung, die auf ein Eingangssignal anspricht, das einen Signalzustand in einer zu überwachenden Schaltung dar stellt, und die ein Frequenzsignal hindurch läßt, das Signal komponenten des Eingangssignals umfaßt, die in ein erstes vorbestimmtes Frequenzband fallen, eine zweite Bandpaßfilter schaltung, die auf dieses Eingangssignal anspricht, die ein Frequenzsignal hindurch läßt, das Signalkomponenten des Ein gangssignals umfaßt, die in ein zweites vorbestimmtes Fre quenzband fallen, und eine UND-Schaltung, die die Frequenzsi gnale von den ersten und zweiten Bandpaßfilterschaltungen empfängt und sie UND-verknüpft, umfaßt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein funktionelles Blockdiagramm eines Kurzschluß lichtbogendetektionssystems, das die vorliegende Erfindung verkörpert; und

Fig. 2-6b sind Flußdiagramme, die eine Lichtbogendetek tionsroutine für einen Mikroprozessor gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung darstellen;

Fig. 7a-13 sind Flußdiagramme, die andere Aspekte des Betriebs eines Mikroprozessors in einer Ausführungsform der Erfindung zeigen.

BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es wird nun Bezug auf die Zeichnungen und zunächst auf die Fig. 1 genommen, in der in Blockdiagrammform ein neues Kurz schlußlichtbogendetektorsystem gemäß der Erfindung gezeigt und allgemein mit der Bezugszahl 10 gekennzeichnet ist. Ein Kurzschlußlichtbogen ist schematisch mit der Bezugszahl 25 bezeichnet. Im Erläuterungsbeispiel ist das Kurzschlußlicht bogendetektionssystem 10 mit einem elektrischen System eines Flugzeuges, wie einer 115 Volt, 400 Hz Schaltung 15, die auf Kurzschlußlichtbögen hin überwacht werden soll, verbunden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung mit einer 400 Hz Schaltung begrenzt. Mindestens ein Sensor 16 ist in Verbindung mit der Schaltung 15 vorgesehen, um ein Signal zu erzeugen, das einen Signalzustand darstellt, wie die Lei stung, die Spannung oder den Strom in der Schaltung 15. In der dargestellten Ausführungsform umfaßt dieser Sensor 16 ei nen Stromratenänderungssensor (di/dt). Ein überwachter Leiter 15 der Schaltung 15 läuft durch den Stromratenänderungssensor 16 (di/dt) hindurch, wobei dieser ein Signal erzeugt, das die Änderungsrate des Stromflusses im Leiter 15 darstellt. Die Flugzeugzelle 14 liefert einen Rückweg für das elektrische System des Flugzeugs.

Der di/dt-Sensor 16 kann eine Ringspule, die einen Ringkern aufweist, der den relevanten Leiter umgibt, umfassen, wobei eine Ringmeßspule spiralförmig auf dem Kern aufgewickelt ist. Der Kern kann aus magnetischem Material, wie Ferrit, Eisen oder gegossenen permeablen Pulver hergestellt sein, so daß der Sensor auf schnelle Änderungen des Flusses reagieren kann. Ein Luftspalt kann in gewissen Fällen in den Kern ge schnitten werden, um die Permeabilität zu vermindern, und das Kernmaterial ist derart ausgebildet, daß es während des rela tiv hohen Stromes, der bei einigen Arten der Lichtbogenbil dung erzeugt wird, nicht in die Sättigung gerät, so daß eine Lichtbogendetektion dennoch möglich ist.

Der di/dt-Sensor 16 liefert ein Eingangssignal für eine Kurz schlußlichtbogendetektionsschaltung 24, die eine Detektor schaltung für ein breitbandiges Rauschen einschließen kann, und für eine Meßschaltung 26. In einer Ausführungsform werden die Komponenten des Kurzschlußlichtbogendetektors 24 und der Strommeßschaltung 26 auf einer anwenderspezifischen inte grierten Schaltung (ASIC) 30 bereit gestellt. Geeignete Aus gangssignale von der ASIC 30 werden zu einer Mikrosteuerung oder einem Mikroprozessor 40 (beispielsweise PICI16C73A) ge geben, die oder der, basierend auf der Analyse und weiteren Verarbeitung von Signalen, die durch die ASIC 30 geliefert werden, eine Entscheidung fällt, ob ein Auslösesignal oder ein Signal "Lichtbogen erkannt" an einen Ausgang 42 gesandt werden soll. Diese Auslösesignal kann für das Aktivieren ei ner (nicht gezeigten) Auslöseschaltung verwendet werden, die betrieben werden kann, um eine 115 V 400 Hz Spannung von der Schaltung oder den Schaltungen, in der oder denen eine Licht bogenbildung beobachtet wurde, wegzunehmen.

Der Detektor 24 für ein breitbandiges Rauschen umfaßt eine oder mehrere Bandpaßfilterschaltungen 50, die die Änderungs rate des Stromsignals vom di/dt-Sensor 16 empfängt bezie hungsweise empfangen. Die Bandpässe dieser Schaltungen 50 werden ausgewählt, um das Vorhandensein eines breitbandigen Rauschens in speziellen Frequenzbändern, das in den überwach ten Schaltungen beim Auftreten eines Kurzschlußlichtbogens, auftreten kann, zu detektieren. Jeder der Bandpaßfilterschal tungen 50 liefert ein gefiltertes Signal, das solche Kompo nenten eines Eingangssignals vom di/dt-Sensor, die in die je weiligen Bandpaßfrequenzbänder fallen, umfaßt, an eine Si gnaldetektorschaltung 52.

Während des Betriebs erzeugt der Strom in der überwachten Leitung 15 des Flugzeugs ein Feld, das eine Spannung im di/dt-Sensor 16 induziert. Die Spannungsausgabe des Sensors 16 ist primär proportional zur unmittelbaren Änderungsrate des Stroms. Die Kalibrierung des Sensors 16 kann gewählt wer den, um ein Signal in einem Bereich und in einem Frequenz spektrum zu liefern, in dem Lichtbögen am leichtesten von Verbrauchern unterschieden werden können. Dieser Bereich und dieses Spektrum können sich mit der Anwendung ändern, wobei für ein Flugzeug herausgefunden wurde, daß ein nützlicher Be reich sich von 100 bis 150 kA pro Sekunde und ein nützliches Spektrum sich von 100 Hz bis 100 kHz erstreckt. Der Ausgang des Sensors 16 kann auch aus einer Zeitintegration oder eine Integratorschaltung 18 bestehen. Der Integrator kann aus ei ner passiven Widerstands-Kondensator-Schaltung, gefolgt von einem Verstärkungsintegrator, dessen Ausgangssignal propor tional zum Wechselstrom ist, bestehen. Der Integrator 18 lie fert ein Signal, das von einen Analog-Digital-Wandler (A/D- Wandler) 19 abgetastet wird. In einer Ausführungsform besteht das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 19 aus einer Serie von 8 Bit Werten (Minimum), die den Strom mit einer Rate von 16 Ab tastungen pro halbem Zyklus darstellen. Der A/D-Wandler kann ein Teil des Mikroprozessors oder des Mikrorechners 40 sein. Wenn die Frequenz von der nominalen Frequenz weg wandert, wird die Zeit zwischen den Durchgängen der Nullinie der Span nung, die von einer Nulldurchgangsdetektionsschaltung 21 de tektiert werden, unter Verwendung von internen Zeitgebern ge messen und verwendet, um die Abtastrate zu variieren, um eine konstante Anzahl von Abtastwerten pro Zyklus zu erzielen.

Die Schaltung bestimmt, ob gleichzeitig ein Triggerpegelsi gnal in zwei oder mehr Frequenzbändern vorhanden ist. Um dies auszuführen, wird ein Teil des Signals vom di/dt-Sensor 16 zu Bandpaßfiltern 50 geleitet. Die minimale Anzahl von Bandpaß filtern beträgt zwei. Die Frequenzbänder der Filter werden im Spektrum von 10 kHz bis 100 kHz ausgewählt. In einem Beispiel betragen bei einer Implementierung mit zwei Bändern die Mit tenfrequenzen 30 kHz und 60 kHz. In diesem Beispiel werden die Ausgangssignale von den Bandpaßfiltern 50 detektiert (gleichgerichtet) und mit einem Tiefpaßfilter mit einer Eck frequenz von 5 kHz gefiltert. Das Signal, das von jedem Fre quenzband ausgegeben wird, wird zu einer Vergleichsvorrich tung (Signaldetektor) 52 geführt, wo es mit einem Referenz spannungspegel verglichen wird, und, wenn es eine ausrei chende Größe aufweist, einen Ausgangspuls verursacht. Der "Triggerpegel" des Signals von jedem Band, der notwendig ist, um einen Ausgangspuls von der Vergleichsschaltung zu erzeu gen, wird durch das Analysieren der durch die Verbraucher bei nicht vorhandener Lichtbogenbildung erzeugten Signatur der jeweiligen Anwendung bestimmt. Zusätzliche Vergleichsschal tungen (UND-Gatter) werden verwendet, um immer dann einen Puls zu senden, wenn mehrere Filterbänder gleichzeitig ein Triggersignal in ihrem Band empfangen. Die sich ergebenden Pulse, die ein Signal in mehreren Bändern anzeigen, werden durch den Mikroprozessor 40 gezählt und in einem gewissen Lichtbogendetektionsalgorithmus verwendet. Die Abtastwerte des Stroms werden in die Werte current_peak (Stromspitze), current_area (Stromgebiet), max(di/dt) (Maximum der Stromän derung pro Zeit) umgewandelt. Diese Werte werden für jeden Halbzyklus gespeichert.

Die Verwendung der Bezeichnungen "Bandpaßfilter", "Vergleichsvorrichtung", "UND-Gatter" und "Integrator" be schränkt die Erfindung nicht auf Hardwareäquivalente dieser Vorrichtungen. Softwareäquivalente dieser Funktionen können implementiert werden, vorausgesetzt daß das di/dt-Signal (vom Sensor 16) zuerst verstärkt und in Digitalwerte umgewandelt wird.

In der beispielhaften Ausführungsform ist ein (nicht gezeig ter) Spannungssensor als Widerstandsteilerschaltung, die ei nen abgeschwächten Spannungspegel, der mit den Halbleiterlo gikbauelementen kompatibel ist, liefert, implementiert. Die Nulldurchgangsschaltung 21 wird mit einem Tiefpaßfilter (Eckfrequenz 1 kHz) und Vergleichsvorrichtungen implemen tiert, um eine digitale "1" zu liefern, wenn die Spannung über null liegt, und um eine digitale "0" zu liefern, wenn die Spannung unter null Volt liegt. Der Mikrorechner 40 nimmt die Logikpegel auf und schließt Zeitgeber ein, um zu bestim men, ob die Systemfrequenz sich gegenüber dem vorherigen Zy klus erhöht oder erniedrigt hat. Die A/D-Abtastrate wird dann auf einen schnelleren oder langsameren Wert eingestellt, um eine Abtastrate von 33 +/- 1 Abtastwerten pro Zyklus aufrecht zu halten.

Die Flußdiagramme der Fig. 2-6 zeigen ein Verfahren ei ner Lichtbogendetektion, das durch die Schaltungen und den Prozessor der Fig. 1 ausgeführt wird.

Die verfügbaren Eingangssignale umfassen:
16 Abtastwerte (jeweils 1 Byte) des Stroms pro Halbzy klus der Spannung (1 Bit = 0,2 A momentan, im dargestellten Beispiel).

Einen Logikpegelpuls, der die Polarität der Spannung an zeigt, wobei ein Übergang bei der Spannung Null stattfindet.

Eine Impulsfolge, die das gleichzeitige Auftreten des di/dt-Signals in zwei Frequenzbändern zeigt (ein Impuls = gleichzeitige Stromsignale im 30 kHz und 60 kHz Band für min destens 20 µsec im erläuterten Beispiel).

In den Fig. 2-6b werden folgende Bezeichnungen verwen det:
Peak1 = Spitzenwert des vorherigen Halbzyklus
Peak2 = Spitzenwert von zwei vorherigen Halbzyklen (peak of two previous half cycle ago)
Peak3 = Spitzenwert von drei vorherigen Halbzyklen
Peak4 = Spitzenwert von vier vorherigen Halbzyklen
Peak5 = Spitzenwert von fünf vorherigen Halbzyklen
di/dt1 = Maximum di/dt des vorherigen Halbzyklus
di/dt2 = Maximum di/dt der zwei vorherigen Halbzyklen (max di/dt of two previous half cycles ago)
di/dt3 = Maximum di/dt der drei vorherigen Halbzyklen
di/dt4 = Maximum di/dt der vier vorherigen Halbzyklen
di/dt5 = Maximum di/dt der fünf vorherigen Halbzyklen
di/dt_Threshold_1 = 0,25 (peak)
di/dt_Threshold_2 = 0,17 (peak)
di/dt_Threshold_3 = 0,20 (peak)
Noise_Threshold = 16 (Rauschgrenzwert)
HF_Threshold = 4 (HF-Grenzwert)
Aspect_Ratio_1 = Area_1/Peak_1 (Seitenverhältnis)
Slow-Rise = Peak1 - Max_di/dt1
HF_Count_1 = Hochfrequenzzählwert des letzten halben Zy klus

Diese Erfindung verwendet Wellenformen des Stroms und ein breibandiges Rauschen, um zu bestimmen, ob eine Lichtbogen bildung in elektrischen Leitern auftritt. Ein hoher Strom ei nes Lichtbogens wird identifiziert als eine Wellenform des Stroms, die schnelle Stromänderungen (di/dt) mit einem breit bandigen Rauschen (10 kHz bis 100 kHz in einer Ausführungs form) in Abhängigkeit des Pegels von di/dt aufweist. Tabelle 1 faßt die Eigenschaften eines hohen Stroms bei einer Licht bogenbildung in Bezug auf die Wellenformen des Stroms zusam men und zeigt, wie Firmware-Zähler in einer Ausführungsform inkrementiert werden. Eine detaillierte Beschreibung der Ver wendung der Zähler, um zu bestimmen, ob ein Lichtbogen vor handen ist, oder ob es ein Rauschen ist, das von einer norma len Last herrührt, wird später beschrieben.

Es gibt Zustände, bei denen Verbraucher ein breitbandiges Rauschen, einen großen Wert di/dt und hohe Ströme bei norma len Betriebsbedingungen aufweisen. Um zwischen normalen rauschbehafteten Verbraucherströmen und Strömen von Lichtbö gen zu unterscheiden, spricht das Verfahren und die Vorrich tung auf vorbestimmte Pegel des Wertes di/dt, des breitbandi gen Rauschens, der hohen Ströme, abklingender Ströme und Stromverhältnisse (current apect ratios) an.

Breitbandiges Rauschen ist das Produkt der logischen UND-Ver knüpfung von zwei Frequenzbändern in Hardware (wobei keine Beschränkung auf zwei vorliegt). Wenn beide gleichzeitig vor handen sind, so wird ein Impuls am Eingang des Mikrorechners empfangen. Die Impulse werden für jeden Halbzyklus gezählt, gespeichert und dann wird der Zähler rückgesetzt, um die Fre quenzkomponenten im nächsten Halbzyklus zu detektieren.

DEFINITION DER AUSDRÜCKE UND VARIABLEN

In einer Ausführungsform der Erfindung werden folgende Aus drücke und Variablen verwendet:

di/dt_Threshold_1 = Der Grenzwert beträgt 0,25 × (Spitzenstrom). Wenn innerhalb eines Halbzyklus der Wert di/dt diesen Schwellwert überschreitet, so ist die Wahr scheinlichkeit für das Vorhandensein eines Lichtbogens hoch.

di/dt_Threshold_2 = Der Grenzwert beträgt 0,17 × (Spitzenstrom). Wenn innerhalb eines Halbzyklus der Wert di/dt diesen Schwellwert überschreitet und ein breitbandiges Rauschen mit einem normalen niedrigen Betriebsrauschen vor handen ist (HF_Noise_Accumulator < Noise_Threshold), so ist die Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein eines Lichtbo gens hoch.

di/dt_Threshold_3 = Der Grenzwert beträgt 0,20 × (Spitzenstrom). Wenn innerhalb eines Halbzyklus der Wert di/dt diesen Schwellwert überschreitet und ein breitbandiges Rauschen mit einem normalen niedrigen Betriebsrauschen vor handen ist (HF_Noise_Accumulator < Noise_Threshold), so ist die Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein eines Lichtbo gens hoch.

Noise_Threshold = Der Schwellwert beträgt 16. Dies ist der Schwellwert des normalen breitbandigen Betriebsrauschens (HF_Noise_Accumulator). Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung verwenden dies, um zu bestimmen, ob das breitban dige Rauschen von einer Lichtbogenbildung oder einem normalen Betrieb der Verbraucher herkommt.

HF_Count_1 = Ein ganzzahliger Zähler, der den Zählwert des breitbandigen Rauschens des vorherigen Halbzyklus ent hält. Je höher der Zählwert ist, desto größer ist die Ampli tude des breitbandigen Rauschens.

HF_Threshold = Der Schwellwert beträgt 4. Dieser Schwellwert ist der Zählschwellwert des breitbandigen Rau schens, das von einer Lichtbogenbildung verursacht wird. Wenn der Zählwert des breitbandigen Rauschens (HF_Count_1) größer als dieser Schwellwert ist, und wenn der Zählwert des norma len breitbandigen Betriebsrauschens (HF_Noise_Accumulator) kleiner als der Wert Noise_Threshold ist, so ist die Wahr scheinlichkeit für einen Lichtbogen hoch.
Aspect_Ratio = Definiert als Area_1/Peak_1
Slow_Rise = Definiert als Peak1 - di/dt1
Peak0 = Spitzenstrom des aktuellen Halbzyklus
Peak1 = Spitzenstrom des vorherigen Halbzyklus
Peak2 = Spitzenstrom von zwei vorherigen Halbzyklen (Peak current of two previous halfcycle ago)
Peak3 = Spitzenstrom von drei vorherigen Halbzyklen
Peak4 = Spitzenstrom von vier vorherigen Halbzyklen
Peak5 = Spitzenstrom von fünf vorherigen Halbzyklen
di/dt0 = Max di/dt** des aktuellen Halbzyklus
di/dt1 = Max di/dt** des vorherigen Halbzyklus
di/dt2 = Max di/dt** von zwei vorherigen Halbzyklen (Max di/dt** of two previous half cycles ago)
di/dt3 = Max di/dt** von drei vorherigen Halbzyklen
di/dt4 = Max di/dt** von vier vorherigen Halbzyklen
di/dt5 = Max di/dt** von fünf vorherigen Halbzyklen
area0 = Gebiet* des aktuellen Halbzyklus
area1 = Gebiet* des letzten Halbzyklus

di/dt_Profile_Count = Speichert die ganzzahlige Anzahl von Malen, zu denen der Wert di/dt eingestellte Schwellwerte, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, überschritten hat.

High_Current_Half_Cycle = Speichert die ganzzahlige An zahl von Halbzyklen, die größer als der Spitzenwert von 16 A sind.

Arcing_Half_Cycle_Count = Speichert die ganzzahlige An zahl von Malen, bei denen ein Halbzyklus mit einer Lichtbo genbildung detektiert wurde. Der Halbzyklus mit Lichtbogen bildung ist in Tabelle 1 beschrieben.

HF_Count_1 = Speichert die ganzzahlige Anzahl von Zähl werten des breitbandigen Rauschens des vorherigen Halbzyklus.

HF_Profile_Count = Speichert die ganzzahlige Anzahl ak kumulierter Zählwerte des breitbandigen Rauschens von den vorherigen Halbzyklen.

HF_Noise_Accumulator = Speichert die ganzzahlige Anzahl von Hochfrequenzzählwerten während des Anlauf- oder des Sta tionärbetriebs (Ströme kleiner als 16 A).

Missing_Half_Cycle = Boolesche Variable, die auf den Wert TRUE (wahr) gesetzt wird, wenn ein Halbzyklus ohne Lichtbogenbildung auf einen Halbzyklus mit Lichtbogenbildung folgt.

Tabelle 1 (jede Zeile kennzeichnet einen Halbzyklus mit Lichtbogenbildung)

Die folgenden Algorithmen wurden für eine 5 A Lichtbogende tektion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgelegt. Die Bezugszahlen in Klammern entsprechen den Bezugszahlen, die man in den Flußdiagramme der Fig. 2-7 findet.

In dieser Ausführungsform werden die booleschen Variablen folgendermaßen festgesetzt:
Missing_Half_Cycle(141) wird auf den Wert TRUE gesetzt, wenn alle folgenden Bedingungen erfüllt werden (Fig. 2):
(140)
Peak1 < Peak2
Peak1 < 9 A
Arcing_Half_Cycle_Count < 0
Peak2 - Peak1 < 16 A

Der Wert High_Current_Arc (105, 109) wird auf den Wert TRUE gesetzt, wenn alle folgenden Bedingungen erfüllt werden:
(101)
Peak1 < 16 A
Apect_Ratio_1 <= 2
(103)
di/dt1 < di/dt_Threshold_1
ODER
(101)
Peak1 < Peak2
Peak1 < 9 A
(104)
di/dt < di/dt_Threshold_2
(108)
HF_Count_1 < HF_Threshold
HF_Noise_Accumulator < Noise_Threshold

Die Zählwerte des Algorithmus werden inkrementiert und ge löscht unter den folgenden Bedingungen (Fig. 3):
(101)
Wenn (Peak1 < 16 A und Slow_Rise < 2), dann prüfe folgen des:
(103)
di/dt1 < di/dt_Threshold_1
ODER
(104)
di/dt1 < di/dt_Threshold_2
(110)
di/dt1 < di/dt_Threshold_3
(108)
HF_Count_1 < HF_Threshold
HF_Noise_Accumulator < Noise_Threshold
Inkrementiere HF_Profile_Count(107,109), wenn folgendes erfüllt ist:
(103)
di/dt1 < di/dt_Threshold_1
(106)
HF_Count_1 < HF_Threshold
HF_Noise_Accumulator < Noise_Threshold
ODER
(104)
di/dt1 < di/dt_Threshold_2
(108)
HF_Count_1 < HF_Threshold
HF_Noise_Accumulator < Noise_Threshold

Inkrementiere Arcing_Half_Cycle_Count (105, 109), wenn alle folgenden Bedingungen erfüllt sind:
(103)
di/dt1 < di/dt_Threshold_1
ODER
(104)
di/dt1 < di/dt_Threshold_2
(108)
HF_Count_1 < HF_Threshold
HF_Noise_Accumulator < Noise_Threshold

Anlaufbedingungen (Fig. 4):
Anlauf einer Wolframlampe
(102, 115)
Wenn (Peak1 < 12 A und Peak2 < 12 A und Peak3 < 12 A und Peak4 < 12 A und Missing_Half_Cycle = FALSE), dann prüfe folgendes:
(116, 118)
Wenn (((Peak1 < (Peak3 - 2,4 A)) und (Peak1 y Peak2)) und ((Peak2 < Peak3) und (Peak2 < Peak4 - 2,4 A)))
dann setze Folgendes zurück:
-Arcing_Half_Cycle_Count = 0
-di/dt_Profile_Count = 0
-HF_Profile_Count = 0
-High_Current_Arc = FALSE

Anlauf eines induktiven Verbrauchers:
(102, 115)
Wenn (Peak1 < 12 A und Peak2 < 12 A und Peak3 < 12 A und Peak4 < 12 A und Missing_Half_Cycle = FALSE), dann prüfe fol gendes:
(117, 120, 121)
((Peak3 < Peak1) und (Peak5 < Peak3) und (di/dt1 < Peak1/2) und (di/dt2 < Peak2/2) und (di/dt3 < Peak3/2) und ((di/dt5 + 0,5 A) <= di/dt3) und ((di/dt3 + 0,5 A) <= di/dt1) und (Slow Rise < 16 A))
dann setze Folgendes zurück:
-di/dt_Profile_Count = 0
-HF_Profile_Counter = 0
-High_Current_Arc = FALSE

Wenn kein Halbzyklus mit Lichtbogenbildung innerhalb von 0,5 Sekunden nach dem letzten Halbzyklus mit Lichtbogenbildung auftritt, dann lösche alle Zähler.

Ein Kurzschlußlichtbogen zwischen einer Leitung und der neu tralen Leitung oder einer Leitung und Erde ist unter den fol genden Zuständen der obigen Firmware-Zähler vorhanden (Fig. 5):
TRIP (Auslösesignal 132) wenn:
(131)
Wenn (Arcing_Half_Cycle_Count < 6)
ODER
(124)
Wenn (High_Current_Half_Cycles = 3 innerhalb von 0,5 Sekunden und Missing_Half_Cycle = TRUE und di/dt_Profile_Count < 1 und Arcing_Half-Cycle_Count < 1)
ODER
(135)
Wenn (High_Current_Half_Cycles = 4 innerhalb von 0,5 Sekunden und Missing_Half_Cycle = TRUE und der hohe Arcing_Half-Cycle_Count < 2)
ODER
(136)
Wenn (High_Current_Half_Cycles = 5 innerhalb von 0,5 Sekunden und Missing_Half_Cycle = TRUE und Ar cing_Half-Cycle_Count < 3)
ODER (Fig. 6a)
(137)
Wenn (High_Current_Half_Cycles = 5 innerhalb von 0,5 Sekunden und Arcing_Half-Cycle_Count < 3 und di/dt1 < di/dt3 und di/dt_Profile_Count < 2)
ODER
(138)
Wenn (High_Current_Half_Cycles = 5 innerhalb von 0,5 Sekunden und Arcing_Half-Cycle_Count < 3 und di/dt1 < di/dt3 und HF_Profile_Count < 2 und di/dt_Profile_Count < 1)
ODER
(126, 125, 127)
Wenn (5 < High_Current_Half_Cycles < 9 innerhalb von 0,5 Sekunden und Arcing_Half-Cycle_Count < 3 und Missing_Half_Cycle = TRUE)
ODER
(126, 125, 128) (Fig. 6b)
Wenn (5 < High_Current_Half_Cycles < 9 innerhalb von 0,5 Sekunden und Arcing_Half-Cycle_Count < 3 und di/dt_Profile_Count < 3)
ODER
(126, 125, 129)
Wenn (5 < High_Current_Half_Cycles < 9 innerhalb von 0,5 Sekunden und Arcing_Half-Cycle_Count < 3 und HF_Profile_Count < 1 und di/dt_Profile_Count < 2)
ODER
(126, 125, 130)
Wenn (5 < High_Current_Half_Cycles < 9 innerhalb von 0,5 Sekunden und Arcing_Half-Cycle_Count < 3 und HF_Profile_Count < 2 und di/dt_Profile_Count < 1).

Man betrachte nun die Fig. 7a-13, in denen die darge stellten Flußdiagramme ein Beispiel von Overhead- und Ein stellroutinen eines Mikroprozessors für den Mikroprozessor 40 der Fig. 1 in einer Ausführungsform zeigen. Diese Flußdia gramme sind nur ein Beispiel des Anlaufs eines Mikroprozes sors und sollen auf keine Weise die Erfindung einschränken. Die Erfindung ist vielmehr auf die Detektion von Kurzschluß lichtbögen in einer Schaltung, wie sie oben beschrieben und in Verbindung mit den Fig. 1-6 dargestellt wurde, ge richtet, wobei diese eine Ausführungsform eines solchen Lichtbogen-Detektionssystems für die Verwendung in einem Flugzeug zeigt.

Die Fig. 7a und 7b zeigen ein Hauptprogramm für einen Mi krorechner, das Unterprogramme, wie die Initialisierung des initialisierten Mikrorechners 202, das Einstellen verschiede ner Nullwerte für die ASIC (beispielsweise Null_ASIC_Offset 204), die oben unter Bezug auf die Fig. 1 dargestellt und beschrieben wurden, und das Einstellen von Abtastintervallen, umfaßt. Zusätzliche Unterprogramme umfassen ein Selbsttest programm 208, ein Programm 206 zum Einstellen des Abtastin tervalls, ein Programm 214 für das Erfassen der Startdaten, wobei deren weitere Details in den folgenden Fig. 8-13 gezeigt sind. Der Lichtbogendetektionsalgorithmus 212, der in Fig. 7a dargestellt ist, wird hier weiter oben unter Bezug auf die Fig. 2-6 beschrieben.

Fig. 8 zeigt ein beispielhaftes Flußdiagramm für das Pro gramm 206 zum Einstellen des Abtastintervalls.

Fig. 9a-9c zeigen weitere Details eines beispielhaften Fludiagramms für eine Analog-Digital-(A/D)-Abtastinterrupt routine.

Fig. 10a und 10b zeigen ein beispielhaftes Flußdiagramm für das Programm 202 des Nullversatzes des ASIC.

Fig. 11 ist ein beispielhaftes Flußdiagramm für ein Feinein stellungsprogramm 216 der Fig. 10b.

Die Fig. 12 und 13 zeigen jeweils beispielhafte Flußdia gramme für das Selbsttestprogramm 208 und das Programm 214 der Fig. 7a für das Erfassen der Startdaten.

In Verbindung mit dem Programm 206 der Fig. 8 für das Ein stellen des Abtastintervalls stellen die oberen 8 Bits eines Wortes die Periode dar, wobei diese alle 400 nsec vom der an steigende Flanke eines Spannungsnulldurchgangs zu der des nächsten Spannungsnulldurchgangs, wenn ein Rücksetzen und ein Neustart erfolgt, inkrementiert werden. Das Abtastintervall wird verwendet, um die Abtastperiode A bis D in jedem Zeilen zyklus einzustellen.

Bei dem Feineinstellungsprogranm der Fig. 11 bezeichnet HC eine Eingabe eines hohen Stroms. Die Daten "Fine cal data" stellen eine 16 Bit Menge dar, während die Daten "fine cal data low" zu den unteren 8 Bits der 16 Bit Menge gehören.

Während spezielle Ausführungsformen und Anwendungen der vor liegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, soll te verständlich sein, daß die Erfindung nicht auf die präzise Konstruktion und die Aufbauten, die hier beschrieben sind, beschränkt ist, sondern daß verschiedene Modifikationen, Än derungen und Variationen sich aus der vorangehenden Beschrei bung ergeben, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung, ob ein Lichtbogen in einer elek trischen Schaltung eines Flugzeuges vorhanden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Messen eines Stromes in der Schaltung und Entwickeln ei nes entsprechenden Sensorsignals;
Bestimmen des Vorhandenseins von breitbandigem Rauschen in diesem Sensorsignal und Erzeugen eines entsprechenden Aus gangssignals; und
Verarbeiten des Eingangssignals und des Ausgangssignals in vorbestimmter Weise, um zu bestimmen, ob ein Kurzschluß lichtbogen in der Schaltung vorhanden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es weiter das Erzeugen eines Auslösesignals in Erwiderung auf die Bestimmung, daß ein Kurzschlußlichtbogen in der Schaltung vorhanden ist, um faßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Eingangssignal ein di/dt-Signal umfaßt, und wobei die Verarbeitung das Inkremen tieren einer Vielzahl von Zählern in vorbestimmter Weise in Übereinstimmung mit dem Sensorsignal und mit dem Ausgangssi gnal und das periodische Bestimmen, ob ein Kurzschlußlichtbo gen vorhanden ist, auf der Basis von zumindest teilweise dem Zustand der Vielzahl der Zähler umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei, wenn kein Halbzyklus mit einer Lichtbogenbildung in einer vorbestimmten Zeit nach dem letzten Halbzyklus mit einer Lichtbogenbildung erkannt wird, alle Zähler gelöscht werden.

5. System für die Bestimmung, ob ein Lichtbogen in einer elektrischen Schaltung eines Flugzeuges vorhanden ist, wobei das System folgendes umfaßt:
einen Sensor, der einen Strom in der Schaltung detek tiert und ein entsprechendes Sensorsignal entwickelt;
eine Schaltung, die das Vorhandensein von breitbandigem Rauschen in diesem Sensorsignal bestimmt und ein entsprechen des Ausgangssignal erzeugt; und
eine Steuerung, die das Sensorsignal und das Ausgangssi gnal in einer vorbestimmten Steuerung verarbeitet, um zu be stimmen, ob ein Kurzschlußlichtbogen in der Schaltung vorhan den ist.

6. System nach Anspruch 5, wobei die Steuerung ein Auslösesi gnal in Erwiderung auf eine Bestimmung, daß ein Kurzschluß lichtbogen in der Schaltung vorhanden ist, erzeugt.

7. System nach Anspruch 5, wobei die Steuerung eine Vielzahl von Zählern einschließt und diese Vielzahl von Zählern in ei ner vorbestimmten Weise in Übereinstimmung mit dem Sensorsi gnal und dem Ausgangssignal inkrementiert und periodisch zu mindest teilweise auf der Basis des Zustands der Vielzahl der Zähler bestimmt, ob ein Kurzschlußlichtbogen vorhanden ist.

8. System nach Anspruch 5, wobei die Zähler in Software aus geführt sind.

9. System nach Anspruch 5, wobei es weiter einen Spannungs nulldurchgangsdetektor, der mit der Schaltung des Flugzeuges und der Steuerung verbunden ist, einschließt, und wobei die Steuerung auch die Spannungsnulldurchgangsinformation verar beitet, um zu bestimmen, ob ein Kurzschlußlichtbogen in der Schaltung vorhanden ist.

10. System nach Anspruch 7, wobei, wenn kein Halbzyklus mit einer Lichtbogenbildung in einer vorbestimmten Zeit nach dem letzten Halbzyklus mit einer Lichtbogenbildung detektiert wurde, alle Zähler durch die Steuerung gelöscht werden.

11. Steuerung zur Bestimmung, ob eine Lichtbogenbildung in einer elektrischen Schaltung eines Flugzeuges auftritt, in Erwiderung auf Eingangssignale, wobei die Eingangssignale ei nem Strom in der Schaltung und dem Vorhandensein eines breit bandigen Rauschens in einem vorbestimmten Frequenzbereich in der Schaltung entsprechen.

12. Steuerung nach Anspruch 11, wobei die Steuerung weiter ein Auslösesignal in Erwiderung auf eine Bestimmung, daß ein Kurzschlußlichtbogen in der Schaltung vorhanden ist, erzeugt.

13. Steuerung nach Anspruch 11, wobei die Zähler in Software implementiert sind.

14. Steuerung nach Anspruch 11, wobei, wenn kein Halbzyklus mit einer Lichtbogenbildung in einer vorbestimmten Zeit nach dem letzten Halbzyklus mit einer Lichtbogenbildung detektiert wird, alle Zähler gelöscht werden.

15. Verfahren zur Bestimmung, ob ein Lichtbogen in einer elektrischen Schaltung eines Flugzeuges vorhanden ist, in Er widerung auf Eingangssignale, wobei die Eingangssignale einem Strom in der Schaltung und dem Vorhandensein von breitbandi gem Rauschen in einem vorbestimmten Frequenzbereich in der Schaltung entsprechen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Inkrementieren einer Vielzahl von Zählern in einer vor bestimmten Weise in Übereinstimmung mit den Eingangssignalen; und
periodisches Bestimmen, ob ein Kurzschlußlichtbogen vor handen ist, zumindest teilweise basierend auf dem Zustand der Vielzahl von Zählern.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei es weiter das Erzeugen eines Auslösesignals in Erwiderung auf eine Bestimmung, daß ein Kurzschlußlichtbogen in der Schaltung vorhanden ist, ein schließt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei, wenn kein Halbzyklus mit einer Lichtbogenbildung in einer vorbestimmten Zeit nach dem letzten Halbzyklus mit einer Lichtbogenbildung detektiert wurde, alle Zähler gelöscht werden.

18. Detektor für die Detektion eines elektrischen Fehlers in der Verdrahtung eines Flugzeuges, umfassend:
eine erste Bandpaßfilterschaltung, die auf ein Eingangs signal anspricht, das einen elektrischen Signalzustand in ei ner zu überwachenden Schaltung darstellt, und die ein Fre quenzsignal hindurch läßt, das Signalkomponenten des Ein gangssignals umfaßt, die in ein erstes vorbestimmtes Fre quenzband fallen;
eine zweite Bandpaßfilterschaltung, die auf das Ein gangssignal anspricht, und die ein Frequenzsignal hindurch läßt, das Signalkomponenten des Eingangssignals umfaßt, die in ein zweites vorbestimmtes Frequenzband fallen; und
eine UND-Schaltung, die die Frequenzsignale von den er sten und zweiten Bandpaßfilterschaltungen empfängt und UND- verknüpft.

19. Detektor für die Detektion eines elektrischen Fehlers nach Anspruch 18, wobei die ersten und zweiten Frequenzbänder so ausgewählt sind, daß sie typisch für ein Frequenzspektrum von Kurzschlußlichtbögen in einem elektrischen System eines Flugzeugs sind.

20. Detektor für die Detektion eines elektrischen Fehlers nach Anspruch 18, wobei er weiter einen Stromratenänderungs sensor für das Erzeugen des Eingangssignals umfaßt.

21. Detektor für die Detektion eines elektrischen Fehlers nach Anspruch 19, wobei er ferner eine Steuerung, die mit der UND-Schaltung verbunden ist, für das Empfangen der UND-ver knüpften Signale und für das Erzeugen eines Auslösesignals, wenn ein Kurzschlußlichtbogen vorhanden ist, umfaßt.

22. Anwendungsspezifische integrierte Schaltung, umfassend:
eine erste Bandpaßfilterschaltung, die auf ein Eingangs signal anspricht, das einen Signalzustand in einer zu überwa chenden Schaltung darstellt, und die ein Frequenzsignal hin durch läßt, das Signalkomponenten des Eingangssignals umfaßt, die in ein erstes vorbestimmtes Frequenzband fallen;
eine zweite Bandpaßfilterschaltung, die auf das Ein gangssignal anspricht, und die ein Frequenzsignal hindurch läßt, das Signalkomponenten des Eingangssignals umfaßt, die in ein zweites vorbestimmtes Frequenzband fallen; und
eine UND-Schaltung, die die Frequenzsignale von den er sten und zweiten Bandpaßfilterschaltungen empfängt und UND- verknüpft.

23. Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung nach An spruch 22, wobei die ersten und zweiten Frequenzbänder so ausgewählt werden, daß sie ein Frequenzspektrum darstellen, das typisch für Kurzschlußlichtbögen im elektrischen System eines Flugzeugs ist.