論軟起動器的短路保護
The short circuit protection for soft motor starter
摘 要： 電(dian)機(ji)軟(ruan)起(qi)動(dong)器(qi)能(neng)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)電(dian)機(ji)電(dian)壓(ya)，並(bing)監(jian)控(kong)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)，作(zuo)過(guo)載(zai)或(huo)過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)。軟(ruan)起(qi)動(dong)器(qi)的(de)主(zhu)回(hui)路(lu)器(qi)件(jian)是(shi)可(ke)控(kong)矽(gui)，由(you)於(yu)可(ke)控(kong)矽(gui)無(wu)自(zi)關(guan)斷(duan)能(neng)力(li)，因(yin)此(ci)在(zai)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)的(de)時(shi)候(hou)無(wu)法(fa)靠(kao)電(dian)子(zi)線(xian)路(lu)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)關(guan)斷(duan)的(de)辦(ban)法(fa)進(jin)行(xing)短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)，必(bi)須(xu)引(yin)入(ru)其(qi)它(ta)斷(duan)路(lu)保(bao)護(hu)機(ji)製(zhi)。本(ben)文(wen)分(fen)析(xi)了(le)快(kuai)熔(rong)作(zuo)軟(ruan)起(qi)動(dong)器(qi)短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)和(he)必(bi)要(yao)性(xing)。
關鍵詞： 軟起動器 短路保護 可控矽 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(shuo)明(ming)書(shu)的(de)要(yao)求(qiu)安(an)裝(zhuang)快(kuai)速(su)保(bao)險(xian)絲(si)，在(zai)電(dian)機(ji)或(huo)電(dian)機(ji)電(dian)纜(lan)線(xian)發(fa)生(sheng)相(xiang)間(jian)或(huo)對(dui)地(di)短(duan)路(lu)故(gu)障(zhang)時(shi)造(zao)成(cheng)軟(ruan)起(qi)動(dong)器(qi)可(ke)控(kong)矽(gui)損(sun)壞(huai)，因(yin)此(ci)在(zai)此(ci)討(tao)論(lun)一(yi)下(xia)軟(ruan)起(qi)動(dong)器(qi)的(de)短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)問(wen)題(ti)。
一、軟起動器工作原理：
軟起動器的主回路功率器件為SCR可(ke)控(kong)矽(gui)，軟(ruan)起(qi)動(dong)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)為(wei)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)可(ke)控(kong)矽(gui)的(de)觸(chu)發(fa)信(xin)號(hao)導(dao)通(tong)角(jiao)以(yi)達(da)到(dao)控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)三(san)相(xiang)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)的(de)目(mu)的(de)。軟(ruan)起(qi)動(dong)器(qi)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)故(gu)障(zhang)為(wei)主(zhu)回(hui)路(lu)可(ke)控(kong)矽(gui)損(sun)壞(huai)直(zhi)通(tong)，短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)的(de)熱(re)效(xiao)應(ying)是(shi)造(zao)成(cheng)可(ke)控(kong)矽(gui)損(sun)壞(huai)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)。短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)的(de)熱(re)效(xiao)應(ying)用(yong)I2 t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觸發導通以後沒有自關斷的能力，如果靠可控矽自然換流關斷的話，最長短路關斷延時時間將達到半個交流周波，對於50Hz的工頻電網而言為10mS。可控矽的短路過流耐受能力一般沒有那麼強，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： 下麵以丹佛斯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：
Ie = 430×3.0 = 1290 A
丹佛斯軟起動器MCD3220主回路可控矽模塊為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，即靠可控矽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I2 t熱耐受能力為320000A2 S，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
duanludianliudaodiyouduoda，youduanludeleixinghedianwangneizujueding。duanluleixingyousanxianghuoxiantongshiduanlu，liangxianghuoxianzhijianduanluhedanxianghuoxianjiediduanlu，qizhongyisanxianghuoxiantongshiduanluzuiweiyanzhong。womenjiuyicizhongduanluxingshifenxiduanludianliu。
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用於可能的較差的500kVA容量、5%內阻的電網中時，短路電流也達到13222A，比可控矽模塊T588N16TOF能夠耐受的單次10ms最大峰值有效電流8000A大。所以靠可控矽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隻提供過載和瞬時過載兩個過載保護。
下圖是丹佛斯軟起動器瞬時過載保護的整定參數。
通常用於短路保護的電氣裝置是斷路器和熔斷器，下麵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，隻有短路電流保護功能，由於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。
但是由於斷路器是一種機械裝置，機械裝置有較大的動作滯後，所以施耐德給出總分斷時間約為60ms。總分斷時間與選用何種脫扣器沒有關係。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，但是由於國內產品多數仿製進口產品，所以可以估計實際總分斷時間不會優於施耐德的產品。
上述傳統斷路器的保護動作延時都比SCR可控矽的自然換流關斷時間長得多，因此不適於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於一個活塞機構，使斷路器快速可靠地分斷。由於動作非常迅速，<10ms，所以如同快速熔斷器一樣，具有自然抑製短路電流的功能。其限流特性曲線如下圖：
圖三、施耐德斷路器的reflex抑製短路電流功能
從圖三可以看出NS630在預期短路電流>30kA以上時，有明顯的限製短路電流能力，但是30kA對於可控矽來說實在太大了，而且動作延時時間也要達到半個工頻周波10mS，因此reflex功能也不適於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隻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三所示：
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。可以查到額定電流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
圖四、快速熔斷器的動作特性 圖五、快速熔斷器的弧前時間
總(zong)的(de)來(lai)說(shuo)快(kuai)速(su)熔(rong)斷(duan)器(qi)在(zai)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)時(shi)的(de)總(zong)動(dong)作(zuo)時(shi)間(jian)與(yu)短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)的(de)熱(re)效(xiao)應(ying)相(xiang)關(guan)，因(yin)此(ci)快(kuai)熔(rong)的(de)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)不(bu)是(shi)動(dong)作(zuo)時(shi)間(jian)，而(er)是(shi)動(dong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)累(lei)計(ji)電(dian)流(liu)發(fa)熱(re)量(liang)I2 t，這與可控矽短路保護需要參考的數據指標是一致的。隻要快熔的總I2 t值與被保護的半導體器件的I2 t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，要求的可控矽需要的短路保護I2 t值為320000A2 S，也就是MCD3220軟起動器使用的可控矽T588N16TOF需要的短路保護I2 t值。
半導體熔斷器170M6012的數據見下表：
由於BUSSMANN的手冊中給出的弧斷I2 t值為660V電網電壓時的數據，所以還要查表求出400V電網電壓時的修正係數，從右圖可以查到修正係數約為0.61。則可得：
170M6012在400V電網中的弧斷I2 t 。
弧斷I2 t = 465000×0.61= 283650
170M6012的總I2 t值 = 弧前I2 t + 弧斷I2 t
= 69500 + 283650
= 353150
此值與可控矽保護需要的I2 t值320000相近。
結論：
bandaotiqijianbaohuzhuanyongkuaisurongduanqinenggoutigongruanqidongqiduanlubaohu。duiyutongchangkehu，bixuyaoqiucaiyongdanfosituijiandebandaotirongduanqizuoruanqidongqiduanlubaohu。duanluqibunengmanzuruanqidongqiduanlubaohudeyaoqiu。
一、 國產快速熔斷器選型：
guoneiyeyoubandaotiyuanjianbaohuzhuanyongdekuaisurongduanqi，weilejiangdichengben，yekeyikaolvshiyongguochandebandaotirongduanqizuoruanqidongqideduanlubaohu，xuanxingdeshihouyingcanzhaojinkouchanpindexiangguancanshu，manzuyixiayaoqiu：
1. 電壓： ≥ 380VAC
2. 電流：參照欲替換的BUSSMANN保險絲的額定電流
3. I2 t：國(guo)內(nei)由(you)於(yu)缺(que)少(shao)標(biao)準(zhun)，所(suo)以(yi)也(ye)沒(mei)有(you)相(xiang)關(guan)的(de)產(chan)品(pin)數(shu)據(ju)，但(dan)根(gen)據(ju)經(jing)驗(yan)知(zhi)道(dao)，國(guo)產(chan)快(kuai)速(su)熔(rong)斷(duan)器(qi)在(zai)熔(rong)絲(si)材(cai)料(liao)和(he)型(xing)狀(zhuang)方(fang)麵(mian)是(shi)完(wan)全(quan)仿(fang)進(jin)口(kou)產(chan)品(pin)的(de)，因(yin)此(ci)這(zhe)個(ge)數(shu)據(ju)應(ying)該(gai)與(yu)進(jin)口(kou)產(chan)品(pin)相(xiang)差(cha)不(bu)多(duo)。
選xuan用yong國guo產chan半ban導dao體ti熔rong斷duan器qi時shi，真zhen正zheng需xu要yao擔dan心xin的de倒dao是shi國guo產chan產chan品pin的de質zhi量liang，如ru快kuai速su熔rong斷duan器qi本ben體ti在zai額e定ding電dian流liu時shi會hui不bu會hui過guo熱re？會hui不bu會hui老lao化hua失shi效xiao？會hui不bu會hui無wu法fa分fen斷duan？…
下表以上海電器陶瓷廠的半導體器件保護用熔斷器為例，列出適用於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.
