論軟起動器的短路保護
The short circuit protection for soft motor starter
 
摘 要：電機軟起動器能自動控制電機電壓，并監控電機電流，作過載或過流保護。軟起動器的主回路器件是可控硅，由于可控硅無自關斷能力，因此在發生短路的時候無法靠電子線路快速響應關斷的辦法進行短路保護，必須引入其它斷路保護機制。本文分析了快熔作軟起動器短路保護的可行性和必要性。
 
關鍵詞： 軟起動器  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軟起動器在許多工業現場有廣泛應用。最近我們為幾個用戶現場排除了軟起動器故障，發現故障原因都是因為軟起動器前端沒有按照Danfoss說明書的要求安裝快速保險絲，在電機或電機電纜線發生相間或對地短路故障時造成軟起動器可控硅損壞，因此在此討論一下軟起動器的短路保護問題。

一、               軟起動器工作原理：

 

軟起動器的主回路功率器件為SCR可控硅，軟起動器的工作原理為通過控制可控硅的觸發信號導通角以達到控制輸出三相交流電壓的目的。軟起動器最常見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，短路時的電流值和短路持續的時間是短路保護的重要參考參數。SCR觸發導通以后沒有自關斷的能力，如果靠可控硅自然換流關斷的話，最長短路關斷延時時間將達到半個交流周波，對于50Hz的工頻電網而言為10mS?？煽毓璧亩搪愤^流耐受能力一般沒有那么強，所以軟起動器要求由外部裝置提供短路過流保護。
 

二、軟起動器的短路保護：

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

 

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

關鍵數據1：通態電流有效值1250A，與軟起動器的額定輸出電流能力1290A近似相同；
關鍵數據2：單次10ms最大峰值有效電流8000A，即靠可控硅自然換流關斷的話最大短路電流不允許超過8000A；
關鍵數據3：最高結溫（125℃）時的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，由短路的類型和電網內阻決定。短路類型有三相火線同時短路，兩相火線之間短路和單相火線接地短路，其中以三相火線同時短路最為嚴重。我們就以此種短路形式分析短路電流。

圖二、不同電網容量和電網內阻時的短路電流

 
 
    三相火線同時短路時的短路電流為Isca：

    
  其中S為電網（變壓器）容量；
  Z為電網（變壓器加上電纜）內阻。圖二以電網內阻為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%內阻的電網中時，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斷無法作可靠的短路過流保護。因此丹佛斯軟起動器本體只提供過載和瞬時過載兩個過載保護。

 
上圖是丹佛斯軟起動器瞬時過載保護的整定參數。
 
    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，按電機額定電流430A選，如果選用施耐德公司的產品，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自帶過載保護，所以可以選用此型號的斷路器，最快動作時間為固定的20ms。NS630還可配置另一種電機專用電子式脫扣器STR43ME(500A)，有短路和過載保護，短路保護最大動作時間為10ms。
    但是由于斷路器是一種機械裝置，機械裝置有較大的動作滯后，所以施耐德給出總分斷時間約為60ms?？偡謹鄷r間與選用何種脫扣器沒有關系。另外也有文獻估算斷路器的分斷至少延遲一個工頻周期，即20mS。
如果選用國產斷路器，以上海華通的產品為例，當選用電機專用型SM30 630A或SM40 630A斷路器，最快短路保護時間為固定的20ms，查不到也問不到總分斷時間，但是由于國內產品多數仿制進口產品，所以可以估計實際總分斷時間不會優于施耐德的產品。
上述傳統斷路器的保護動作延時都比SCR可控硅的自然換流關斷時間長得多，因此不適于作軟起動器的短路過流保護。
再看一下施耐德NS斷路器的高級功能 — reflex能量跳閘功能，據稱在短路故障時能產生一種強大氣體壓力直接作用于一個活塞機構，使斷路器快速可靠地分斷。由于動作非常迅速，<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。其限流特性曲線如下圖：
 
  
從圖三可以看出NS630在預期短路電流>30kA以上時，有明顯的限制短路電流能力，但是30kA對于可控硅來說實在太大了，而且動作延時時間也要達到半個工頻周波10mS，因此reflex功能也不適于作軟起動器的短路過流保護。實際上施耐德推出此功能本身也只是定位在改善對動力電纜或母線的保護上的。
 
討論二、 用半導體保護專用快速熔斷器作短路保護（丹佛斯說明書的要求）
    丹佛斯推薦MCD3220軟起動器前級安裝800A的快速熔斷器。
    快速熔斷器的熔斷特性如圖四所示：

圖四、快速熔斷器的動作特性

    熔斷器動作時間分為兩段，第一四是弧前時間，即熔斷器溶化的時間，期間電流與預期短路電流相同。
 
    弧前時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，弧前時間<2mS；當短路電流為99165A時，弧前時間< 0.1mS。
 
    第二段為弧斷時間，這是產生電弧和滅弧所需的時間，在此期間電流是不斷減小的。
 

圖五、快速熔斷器的弧前時間

    總的來說快速熔斷器在發生故障時的總動作時間與短路電流的熱效應相關，因此快熔的關鍵參數不是動作時間，而是動作過程中的累計電流發熱量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器要求的前級短路保護快熔選型表：
 
 
    丹佛斯說明書中要求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的數據見下表：
 
 


    由于BUSSMANN的手冊中給出的弧斷I²t值為660V電網電壓時的數據，所以還要查表求出400V電網電壓時的修正系數，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：
    半導體器件保護專用快速熔斷器能夠提供軟起動器短路保護。對于通常客戶，必須要求采用丹佛斯推薦的半導體熔斷器作軟起動器短路保護。斷路器不能滿足軟起動器短路保護的要求。
 

三、               國產快速熔斷器選型：

 
    國內也有半導體元件保護專用的快速熔斷器，為了降低成本，也可以考慮使用國產的半導體熔斷器作軟起動器的短路保護，選型的時候應參照進口產品的相關參數，滿足以下要求：
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，所以也沒有相關的產品數據，但根據經驗知道，國產快速熔斷器在熔絲材料和型狀方面是完全仿進口產品的，因此這個數據應該與進口產品相差不多。
 
選用國產半導體熔斷器時，真正需要擔心的倒是國產產品的質量，如快速熔斷器本體在額定電流時會不會過熱？會不會老化失效？會不會無法分斷？…
   下表以上海電器陶瓷廠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器短路保護用的國產快速熔斷器選型：

軟起動器型號	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操作說明. MG.15.A.41. Danfoss公司.
[2] Compact NS 塑殼開關應用指南. 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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