论软起动器的短路保护

　　引言：Danfoss软起动器在许多工业现场有广泛应用。最近我们为几个用户现场排除了软起动器故障，发现故障原因都是因为软起动器前端没有按照Danfoss说明书的要求安装快速保险丝，在电机或电机电缆线发生相间或对地短路故障时造成软起动器可控硅损坏，因此在此讨论一下软起动器的短路保护问题。
　　一、软起动器工作原理：

　　软起动器的主回路功率器件为SCR可控硅，软起动器的工作原理为通过控制可控硅的触发信号导通角以达到控制输出三相交流电压的目的。软起动器最常见的故障为主回路可控硅损坏直通，短路电流的热效应是造成可控硅损坏的主要原因。短路电流的热效应用I2t值表示，短路时的电流值和短路持续的时间是短路保护的重要参考参数。SCR触发导通以后没有自关断的能力，如果靠可控硅自然换流关断的话CONTROL ENGINEERING China版权所有，最长短路关断延时时间将达到半个交流周波CONTROL ENGINEERING China版权所有，对于50Hz的工频电网而言为10mS。可控硅的短路过流耐受能力一般没有那么强，所以软起动器要求由外部装置提供短路过流保护。
　　二、软起动器的短路保护：
　　下面以丹佛斯220kW软起动器MCD3220为例，讨论一下软起动器的短路保护措施。
　　MCD3220额定输出能力见下表：

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　　当起动电流倍数为3倍时，额定电机满载电流430A，由此推算其额定输出电流能力为：
　　Ie = 430×3.0 = 1290 A
　　丹佛斯软起动器MCD3220主回路可控硅模块为EUPEC公司出品的T588N16TOF，相关技术参数如下：

　　关键数据1：通态电流有效值1250A，与软起动器的额定输出电流能力1290A近似相同；
　　关键数据2：单次10ms最大峰值有效电流8000A，即靠可控硅自然换流关断的话最大短路电流不允许超过8000A；
　　关键数据3：最高结温（125℃）时的I2t热耐受能力为320000A2S，这是半导体器件的短路热耐受能力，短路保护的主要参考数据。
　　短路电流的大小
　　短路电流到底有多大控制工程网版权所有，由短路的类型和电网内阻决定。短路类型有三相火线同时短路，两相火线之间短路和单相火线接地短路，其中以三相火线同时短路最为严重。我们就以此种短路形式分析短路电流。

　　图二、不同电网容量和电网内阻时的短路电流

　　三相火线同时短路时的短路电流为Isca：
　　其中S为电网（变压器）容量；
　　Z为电网（变压器加上电缆）内阻。
　　图二以电网内阻为5%和2%为例，分别计算出Isca的值。
　　MCD3220用于可能的较差的500kVA容量、5%内阻的电网中时，短路电流也达到13222A，比可控硅模块T588N16TOF能够耐受的单次10ms最大峰值有效电流8000A大。所以靠可控硅自然换流关断无法作可靠的短路过流保护。因此丹佛斯软起动器本体只提供过载和瞬时过载两个过载保护。
　　下图是丹佛斯软起动器瞬时过载保护的整定参数。

　　通常用于短路保护的电气装置是断路器和熔断器，下面就他们的应用进行讨论。
　　讨论一、用断路器作短路保护
　　选配断路器作短路保护的话，按电机额定电流430A选，如果选用施耐德公司的产品，应选择NS630断路器。此断路器可以配置两种脱扣器，其一为电磁式MA(MAE500)型脱扣器，只有短路电流保护功能，由于MCD3000自带过载保护，所以可以选用此型号的断路器，最快动作时间为固定的20ms。NS630还可配置另一种电机专用电子式脱扣器STR43ME(500A)，有短路和过载保护，短路保护最大动作时间为10ms。
　　但是由于断路器是一种机械装置www.cechina.cn，机械装置有较大的动作滞后，所以施耐德给出总分断时间约为60ms。总分断时间与选用何种脱扣器没有关系。另外也有文献估算断路器的分断至少延迟一个工频周期，即20mS。
　　如果选用国产断路器，以上海华通的产品为例，当选用电机专用型SM30 630A或SM40 630A断路器，最快短路保护时间为固定的20ms，查不到也问不到总分断时间，但是由于国内产品多数仿制进口产品CONTROL ENGINEERING China版权所有，所以可以估计实际总分断时间不会优于施耐德的产品。
　　上述传统断路器的保护动作延时都比SCR可控硅的自然换流关断时间长得多，因此不适于作软起动器的短路过流保护。
　　再看一下施耐德NS断路器的高级功能 — reflex能量跳闸功能，据称在短路故障时能产生一种强大气体压力直接作用于一个活塞机构，使断路器快速可靠地分断。由于动作非常迅速，<10ms，所以如同快速熔断器一样，具有自然抑制短路电流的功能。其限流特性曲线如下图：

 

　　图三、施耐德断路器的reflex抑制短路电流功能

　　从图三可以看出NS630在预期短路电流>30kA以上时，有明显的限制短路电流能力，但是30kA对于可控硅来说实在太大了，而且动作延时时间也要达到半个工频周波10mS，因此reflex功能也不适于
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