論軟起動(dòng)器的短路保護
The short circuit protection for soft motor starter
 
摘 要：電機軟起動(dòng)器能自動(dòng)控制電機電壓，并監控電機電流，作過(guò)載或過(guò)流保護。軟起動(dòng)器的主回路器件是可控硅，由于可控硅無(wú)自關(guān)斷能力，因此在發(fā)生短路的時(shí)候無(wú)法靠電子線(xiàn)路快速響應關(guān)斷的辦法進(jìn)行短路保護，必須引入其它斷路保護機制。本文分析了快熔作軟起動(dòng)器短路保護的可行性和必要性。
 
關(guān)鍵詞： 軟起動(dòng)器  短路保護  可控硅  快熔
 
Abstract:  Motor soft starter can control the voltage supplied to the motor, it can monitor the motor current to protect the overload and over current too. The main power device of soft start  is SCR, which has no self turn off ability. So the fast react electronic circuit cannot be used to switch off the short circuit current, some other method must be used to protect the soft starter  from short circuit damage. The thesis will analyze the fast fuse used as soft start short circuit protect.
Key words:   Soft Starter, Short Circuit Protect,  SCR,  Fast Fuse
 

引言：Danfoss軟起動(dòng)器在許多工業(yè)現場(chǎng)有廣泛應用。最近我們?yōu)閹讉€(gè)用戶(hù)現場(chǎng)排除了軟起動(dòng)器故障，發(fā)現故障原因都是因為軟起動(dòng)器前端沒(méi)有按照Danfoss說(shuō)明書(shū)的要求安裝快速保險絲，在電機或電機電纜線(xiàn)發(fā)生相間或對地短路故障時(shí)造成軟起動(dòng)器可控硅損壞，因此在此討論一下軟起動(dòng)器的短路保護問(wèn)題。

一、               軟起動(dòng)器工作原理：

 

軟起動(dòng)器的主回路功率器件為SCR可控硅，軟起動(dòng)器的工作原理為通過(guò)控制可控硅的觸發(fā)信號導通角以達到控制輸出三相交流電壓的目的。軟起動(dòng)器最常見(jiàn)的故障為主回路可控硅損壞直通，短路電流的熱效應是造成可控硅損壞的主要原因。短路電流的熱效應用I²t值表示，短路時(shí)的電流值和短路持續的時(shí)間是短路保護的重要參考參數。SCR觸發(fā)導通以后沒(méi)有自關(guān)斷的能力，如果靠可控硅自然換流關(guān)斷的話(huà)，最長(cháng)短路關(guān)斷延時(shí)時(shí)間將達到半個(gè)交流周波，對于50Hz的工頻電網(wǎng)而言為10mS?？煽毓璧亩搪愤^(guò)流耐受能力一般沒(méi)有那么強，所以軟起動(dòng)器要求由外部裝置提供短路過(guò)流保護。
 

二、軟起動(dòng)器的短路保護：

下面以丹佛斯220kW軟起動(dòng)器MCD3220為例，討論一下軟起動(dòng)器的短路保護措施。
MCD3220額定輸出能力見(jiàn)下表：

 

當起動(dòng)電流倍數為3倍時(shí)，額定電機滿(mǎn)載電流430A，由此推算其額定輸出電流能力為：
I_e = 430×3.0 = 1290 A
    丹佛斯軟起動(dòng)器MCD3220主回路可控硅模塊為EUPEC公司出品的T588N16TOF，相關(guān)技術(shù)參數如下：
  
 
 

關(guān)鍵數據1：通態(tài)電流有效值1250A，與軟起動(dòng)器的額定輸出電流能力1290A近似相同；
關(guān)鍵數據2：?jiǎn)未?0ms最大峰值有效電流8000A，即靠可控硅自然換流關(guān)斷的話(huà)最大短路電流不允許超過(guò)8000A；
關(guān)鍵數據3：最高結溫（125℃）時(shí)的I²t熱耐受能力為320000A²S，這是半導體器件的短路熱耐受能力，短路保護的主要參考數據。
 
短路電流的大小
    短路電流到底有多大，由短路的類(lèi)型和電網(wǎng)內阻決定。短路類(lèi)型有三相火線(xiàn)同時(shí)短路，兩相火線(xiàn)之間短路和單相火線(xiàn)接地短路，其中以三相火線(xiàn)同時(shí)短路最為嚴重。我們就以此種短路形式分析短路電流。

圖二、不同電網(wǎng)容量和電網(wǎng)內阻時(shí)的短路電流

 
 
    三相火線(xiàn)同時(shí)短路時(shí)的短路電流為Isca：

    
  其中S為電網(wǎng)（變壓器）容量；
  Z為電網(wǎng)（變壓器加上電纜）內阻。圖二以電網(wǎng)內阻為5%和2%為例，分別計算出Isca的值。

    MCD3220用于可能的較差的500kVA容量、5%內阻的電網(wǎng)中時(shí)，短路電流也達到13222A，比可控硅模塊T588N16TOF能夠耐受的單次10ms最大峰值有效電流8000A大。所以靠可控硅自然換流關(guān)斷無(wú)法作可靠的短路過(guò)流保護。因此丹佛斯軟起動(dòng)器本體只提供過(guò)載和瞬時(shí)過(guò)載兩個(gè)過(guò)載保護。

 
上圖是丹佛斯軟起動(dòng)器瞬時(shí)過(guò)載保護的整定參數。
 
    通常用于短路保護的電氣裝置是斷路器和熔斷器，下面就他們的應用進(jìn)行討論。
 
討論一、用斷路器作短路保護
    選配斷路器作短路保護的話(huà)，按電機額定電流430A選，如果選用施耐德公司的產(chǎn)品，應選擇NS630斷路器。此斷路器可以配置兩種脫扣器，其一為電磁式MA(MAE500)型脫扣器，只有短路電流保護功能，由于MCD3000自帶過(guò)載保護，所以可以選用此型號的斷路器，最快動(dòng)作時(shí)間為固定的20ms。NS630還可配置另一種電機專(zhuān)用電子式脫扣器STR43ME(500A)，有短路和過(guò)載保護，短路保護最大動(dòng)作時(shí)間為10ms。
    但是由于斷路器是一種機械裝置，機械裝置有較大的動(dòng)作滯后，所以施耐德給出總分斷時(shí)間約為60ms?？偡謹鄷r(shí)間與選用何種脫扣器沒(méi)有關(guān)系。另外也有文獻估算斷路器的分斷至少延遲一個(gè)工頻周期，即20mS。
如果選用國產(chǎn)斷路器，以上海華通的產(chǎn)品為例，當選用電機專(zhuān)用型SM30 630A或SM40 630A斷路器，最快短路保護時(shí)間為固定的20ms，查不到也問(wèn)不到總分斷時(shí)間，但是由于國內產(chǎn)品多數仿制進(jìn)口產(chǎn)品，所以可以估計實(shí)際總分斷時(shí)間不會(huì )優(yōu)于施耐德的產(chǎn)品。
上述傳統斷路器的保護動(dòng)作延時(shí)都比SCR可控硅的自然換流關(guān)斷時(shí)間長(cháng)得多，因此不適于作軟起動(dòng)器的短路過(guò)流保護。
再看一下施耐德NS斷路器的高級功能 — reflex能量跳閘功能，據稱(chēng)在短路故障時(shí)能產(chǎn)生一種強大氣體壓力直接作用于一個(gè)活塞機構，使斷路器快速可靠地分斷。由于動(dòng)作非常迅速，<10ms，所以如同快速熔斷器一樣，具有自然抑制短路電流的功能。其限流特性曲線(xiàn)如下圖：
 
  
從圖三可以看出NS630在預期短路電流>30kA以上時(shí)，有明顯的限制短路電流能力，但是30kA對于可控硅來(lái)說(shuō)實(shí)在太大了，而且動(dòng)作延時(shí)時(shí)間也要達到半個(gè)工頻周波10mS，因此reflex功能也不適于作軟起動(dòng)器的短路過(guò)流保護。實(shí)際上施耐德推出此功能本身也只是定位在改善對動(dòng)力電纜或母線(xiàn)的保護上的。
 
討論二、 用半導體保護專(zhuān)用快速熔斷器作短路保護（丹佛斯說(shuō)明書(shū)的要求）
    丹佛斯推薦MCD3220軟起動(dòng)器前級安裝800A的快速熔斷器。
    快速熔斷器的熔斷特性如圖四所示：

圖四、快速熔斷器的動(dòng)作特性

    熔斷器動(dòng)作時(shí)間分為兩段，第一四是弧前時(shí)間，即熔斷器溶化的時(shí)間，期間電流與預期短路電流相同。
 
    弧前時(shí)間具體值可從圖五查得?？梢圆榈筋~定電流800A的快速熔斷器，當短路電流為13222A時(shí)，弧前時(shí)間<2mS；當短路電流為99165A時(shí)，弧前時(shí)間< 0.1mS。
 
    第二段為弧斷時(shí)間，這是產(chǎn)生電弧和滅弧所需的時(shí)間，在此期間電流是不斷減小的。
 

圖五、快速熔斷器的弧前時(shí)間

    總的來(lái)說(shuō)快速熔斷器在發(fā)生故障時(shí)的總動(dòng)作時(shí)間與短路電流的熱效應相關(guān)，因此快熔的關(guān)鍵參數不是動(dòng)作時(shí)間，而是動(dòng)作過(guò)程中的累計電流發(fā)熱量I²t，這與可控硅短路保護需要參考的數據指標是一致的。只要快熔的總I²t值與被保護的半導體器件的I²t值相匹配，就能起到有效的短路保護作用。
 
下表是丹佛斯軟起動(dòng)器要求的前級短路保護快熔選型表：
 
 
    丹佛斯說(shuō)明書(shū)中要求MCD3220前級安裝BUSSMANN的170M6012半導體熔斷器，要求的可控硅需要的短路保護I²t值為320000A²S，也就是MCD3220軟起動(dòng)器使用的可控硅T588N16TOF需要的短路保護I²t值。
半導體熔斷器170M6012的數據見(jiàn)下表：
 
 


    由于BUSSMANN的手冊中給出的弧斷I²t值為660V電網(wǎng)電壓時(shí)的數據，所以還要查表求出400V電網(wǎng)電壓時(shí)的修正系數，從下圖可以查到修正系數約為0.61。


則可得：
170M6012在400V電網(wǎng)中的弧斷I²t 。
    弧斷I²t = 465000×0.61= 283650
    170M6012的總I²t值 = 弧前I²t + 弧斷I²t
                       = 69500 + 283650
                       = 353150
    此值與可控硅保護需要的I²t值320000相近。

 
結論：
    半導體器件保護專(zhuān)用快速熔斷器能夠提供軟起動(dòng)器短路保護。對于通?？蛻?hù)，必須要求采用丹佛斯推薦的半導體熔斷器作軟起動(dòng)器短路保護。斷路器不能滿(mǎn)足軟起動(dòng)器短路保護的要求。
 

三、               國產(chǎn)快速熔斷器選型：

 
    國內也有半導體元件保護專(zhuān)用的快速熔斷器，為了降低成本，也可以考慮使用國產(chǎn)的半導體熔斷器作軟起動(dòng)器的短路保護，選型的時(shí)候應參照進(jìn)口產(chǎn)品的相關(guān)參數，滿(mǎn)足以下要求：
1.  電壓： ≥ 380VAC
2.  電流：參照欲替換的BUSSMANN保險絲的額定電流
3.  I²t：國內由于缺少標準，所以也沒(méi)有相關(guān)的產(chǎn)品數據，但根據經(jīng)驗知道，國產(chǎn)快速熔斷器在熔絲材料和型狀方面是完全仿進(jìn)口產(chǎn)品的，因此這個(gè)數據應該與進(jìn)口產(chǎn)品相差不多。
 
選用國產(chǎn)半導體熔斷器時(shí)，真正需要擔心的倒是國產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，如快速熔斷器本體在額定電流時(shí)會(huì )不會(huì )過(guò)熱？會(huì )不會(huì )老化失效？會(huì )不會(huì )無(wú)法分斷？…
   下表以上海電器陶瓷廠(chǎng)的半導體器件保護用熔斷器為例，列出適用于丹佛斯軟起動(dòng)器短路保護用的國產(chǎn)快速熔斷器選型：

軟起動(dòng)器型號	快速熔斷器型號	熔斷器座型號
MCD3007	NGT00C-380V/125  (63A)	sist101
MCD3015	NGT00C-380V/125 (125A)
MCD3018	NGTC1-380V/250 (160A)	sist201
MCD3022	NGTC1-380V/250 (160A)
MCD3030	NGTC1-380V/250 (160A)
MCD3037	NGTC2-380V/400 (280A)	sist401
MCD3045	NGTC2-380V/400 (280A)
MCD3055	NGTC2-380V/400 (280A)
MCD3075	NGTC2-380V/400 (400A)
MCD3090	NGTC3-380V/630 (500A)	sist601
MCD3110	NGTC3-380V/630 (560A)
MCD3132	NGTC3-380V/630 (630A)
MCD3185	RST3-500V/800 (700A)	無(wú)座
MCD3220	RST3-500V/800 (800A)
MCD3300	RST3-500V/1200 (1000A)
MCD3315	RST3-500V/1200 (1200A)
MCD3400	RST1-1000V/2000 (1600A)
MCD3500	RST1-1000V/2000 (2000A)
MCD3600	RST1-1000V/2000 (2000A)
MCD3700	RST1-1000V/2000 (2000A)
MCD3800	RST1-1000V/2000 (2000A)

 

參考文獻 

[1] MCD3000操作說(shuō)明. MG.15.A.41. Danfoss公司.
[2] Compact NS 塑殼開(kāi)關(guān)應用指南. SC DOC 797-LV. 梅蘭日蘭公司. 2005
[3] Marketing Information T588N. Eupec公司. 1996
[4] High Speed Fuse Application Guide. Bussmann公司.
[5] High Speed Fuse Catalog. Bussmann公司.
 
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