論軟起動(dòng)器的短路保護(hù)
The short circuit protection for soft motor starter
 
摘 要：電機(jī)軟起動(dòng)器能自動(dòng)控制電機(jī)電壓，并監(jiān)控電機(jī)電流，作過(guò)載或過(guò)流保護(hù)。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)法靠電子線路快速響應(yīng)關(guān)斷的辦法進(jìn)行短路保護(hù)，必須引入其它斷路保護(hù)機(jī)制。本文分析了快熔作軟起動(dòng)器短路保護(hù)的可行性和必要性。
 
關(guān)鍵詞： 軟起動(dòng)器  短路保護(hù)  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(xiàn)場(chǎng)有廣泛應(yīng)用。最近我們?yōu)閹讉€(gè)用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)排除了軟起動(dòng)器故障，發(fā)現(xiàn)故障原因都是因?yàn)檐浧饎?dòng)器前端沒(méi)有按照Danfoss說(shuō)明書(shū)的要求安裝快速保險(xiǎn)絲，在電機(jī)或電機(jī)電纜線發(fā)生相間或?qū)Φ囟搪饭收蠒r(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(hù)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(hào)導(dǎo)通角以達(dá)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(yīng)是造成可控硅損壞的主要原因。短路電流的熱效應(yīng)用I²t值表示，短路時(shí)的電流值和短路持續(xù)的時(shí)間是短路保護(hù)的重要參考參數(shù)。SCR觸發(fā)導(dǎo)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，最長(zhǎng)短路關(guān)斷延時(shí)時(shí)間將達(dá)到半個(gè)交流周波，對(duì)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(qiáng)，所以軟起動(dòng)器要求由外部裝置提供短路過(guò)流保護(hù)。
 

二、軟起動(dòng)器的短路保護(hù)：

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(hù)措施。
MCD3220額定輸出能力見(jiàn)下表：

 

當(dāng)起動(dòng)電流倍數(shù)為3倍時(shí)，額定電機(jī)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(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(shù)如下：
  
 
 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)2：?jiǎn)未?0ms最大峰值有效電流8000A，即靠可控硅自然換流關(guān)斷的話最大短路電流不允許超過(guò)8000A；
關(guān)鍵數(shù)據(jù)3：最高結(jié)溫（125℃）時(shí)的I²t熱耐受能力為320000A²S，這是半導(dǎo)體器件的短路熱耐受能力，短路保護(hù)的主要參考數(shù)據(jù)。
 
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(nèi)阻決定。短路類(lèi)型有三相火線同時(shí)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(shí)短路最為嚴(yán)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(nèi)阻時(shí)的短路電流

 
 
    三相火線同時(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(nèi)阻。圖二以電網(wǎng)內(nèi)阻為5%和2%為例，分別計(jì)算出Isca的值。

    MCD3220用于可能的較差的500kVA容量、5%內(nèi)阻的電網(wǎng)中時(shí)，短路電流也達(dá)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(hù)。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(hù)。

 
上圖是丹佛斯軟起動(dòng)器瞬時(shí)過(guò)載保護(hù)的整定參數(shù)。
 
    通常用于短路保護(hù)的電氣裝置是斷路器和熔斷器，下面就他們的應(yīng)用進(jìn)行討論。
 
討論一、用斷路器作短路保護(hù)
    選配斷路器作短路保護(hù)的話，按電機(jī)額定電流430A選，如果選用施耐德公司的產(chǎn)品，應(yīng)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(hù)功能，由于MCD3000自帶過(guò)載保護(hù)，所以可以選用此型號(hào)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(jī)專(zhuān)用電子式脫扣器STR43ME(500A)，有短路和過(guò)載保護(hù)，短路保護(hù)最大動(dòng)作時(shí)間為10ms。
    但是由于斷路器是一種機(jī)械裝置，機(jī)械裝置有較大的動(dòng)作滯后，所以施耐德給出總分?jǐn)鄷r(shí)間約為60ms?？偡?jǐn)鄷r(shí)間與選用何種脫扣器沒(méi)有關(guān)系。另外也有文獻(xiàn)估算斷路器的分?jǐn)嘀辽傺舆t一個(gè)工頻周期，即20mS。
如果選用國(guó)產(chǎn)斷路器，以上海華通的產(chǎn)品為例，當(dāng)選用電機(jī)專(zhuān)用型SM30 630A或SM40 630A斷路器，最快短路保護(hù)時(shí)間為固定的20ms，查不到也問(wèn)不到總分?jǐn)鄷r(shí)間，但是由于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品多數(shù)仿制進(jìn)口產(chǎn)品，所以可以估計(jì)實(shí)際總分?jǐn)鄷r(shí)間不會(huì)優(yōu)于施耐德的產(chǎn)品。
上述傳統(tǒng)斷路器的保護(hù)動(dòng)作延時(shí)都比SCR可控硅的自然換流關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)得多，因此不適于作軟起動(dòng)器的短路過(guò)流保護(hù)。
再看一下施耐德NS斷路器的高級(jí)功能 — reflex能量跳閘功能，據(jù)稱(chēng)在短路故障時(shí)能產(chǎn)生一種強(qiáng)大氣體壓力直接作用于一個(gè)活塞機(jī)構(gòu)，使斷路器快速可靠地分?jǐn)?。由于?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。其限流特性曲線如下圖：
 
  
從圖三可以看出NS630在預(yù)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(duì)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(dá)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(hù)。實(shí)際上施耐德推出此功能本身也只是定位在改善對(duì)動(dòng)力電纜或母線的保護(hù)上的。
 
討論二、 用半導(dǎo)體保護(hù)專(zhuān)用快速熔斷器作短路保護(hù)（丹佛斯說(shuō)明書(shū)的要求）
    丹佛斯推薦MCD3220軟起動(dòng)器前級(jí)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(yù)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(dāng)短路電流為13222A時(shí)，弧前時(shí)間<2mS；當(dāng)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(yīng)相關(guān)，因此快熔的關(guān)鍵參數(shù)不是動(dòng)作時(shí)間，而是動(dòng)作過(guò)程中的累計(jì)電流發(fā)熱量I²t，這與可控硅短路保護(hù)需要參考的數(shù)據(jù)指標(biāo)是一致的。只要快熔的總I²t值與被保護(hù)的半導(dǎo)體器件的I²t值相匹配，就能起到有效的短路保護(hù)作用。
 
下表是丹佛斯軟起動(dòng)器要求的前級(jí)短路保護(hù)快熔選型表：
 
 
    丹佛斯說(shuō)明書(shū)中要求MCD3220前級(jí)安裝BUSSMANN的170M6012半導(dǎo)體熔斷器，要求的可控硅需要的短路保護(hù)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(hù)I²t值。
半導(dǎo)體熔斷器170M6012的數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：
 
 


    由于BUSSMANN的手冊(cè)中給出的弧斷I²t值為660V電網(wǎng)電壓時(shí)的數(shù)據(jù)，所以還要查表求出400V電網(wǎng)電壓時(shí)的修正系數(shù)，從下圖可以查到修正系數(shù)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(hù)需要的I²t值320000相近。

 
結(jié)論：
    半導(dǎo)體器件保護(hù)專(zhuān)用快速熔斷器能夠提供軟起動(dòng)器短路保護(hù)。對(duì)于通?？蛻?hù)，必須要求采用丹佛斯推薦的半導(dǎo)體熔斷器作軟起動(dòng)器短路保護(hù)。斷路器不能滿足軟起動(dòng)器短路保護(hù)的要求。
 

三、               國(guó)產(chǎn)快速熔斷器選型：

 
    國(guó)內(nèi)也有半導(dǎo)體元件保護(hù)專(zhuān)用的快速熔斷器，為了降低成本，也可以考慮使用國(guó)產(chǎn)的半導(dǎo)體熔斷器作軟起動(dòng)器的短路保護(hù)，選型的時(shí)候應(yīng)參照進(jìn)口產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)，滿足以下要求：
1.  電壓： ≥ 380VAC
2.  電流：參照欲替換的BUSSMANN保險(xiǎn)絲的額定電流
3.  I²t：國(guó)內(nèi)由于缺少標(biāo)準(zhǔn)，所以也沒(méi)有相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知道，國(guó)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(shù)據(jù)應(yīng)該與進(jìn)口產(chǎn)品相差不多。
 
選用國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體熔斷器時(shí)，真正需要擔(dān)心的倒是國(guó)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?jǐn)啵?hellip;
   下表以上海電器陶瓷廠的半導(dǎo)體器件保護(hù)用熔斷器為例，列出適用于丹佛斯軟起動(dòng)器短路保護(hù)用的國(guó)產(chǎn)快速熔斷器選型：

軟起動(dòng)器型號(hào)	快速熔斷器型號(hào)	熔斷器座型號(hào)
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(xiàn) 

[1] MCD3000操作說(shuō)明. MG.15.A.41. Danfoss公司.
[2] Compact NS 塑殼開(kāi)關(guān)應(yīng)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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