论软起动器的短路保护

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论软起动器的短路保护
The short circuit protection for soft motor starter
 
摘 要:电机软起动器能自动控制电机电压,并监控电机电流,作过载或过流保护。软起动器的主回路器件是可控硅,由于可控硅无自关断能力,因此在发生短路的时候无法靠电子线路快速响应关断的办法进行短路保护,必须引入其它断路保护机制。本文分析了快熔作软起动器短路保护的可行性和必要性。
 
关键词: 软起动器  短路保护  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,最长短路关断延时时间将达到半个交流周波,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:

 

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,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。

 
上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,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,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:
 
  
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功能也不适于作软起动器的短路过流保护。实际上施耐德推出此功能本身也只是定位在改善对动力电缆或母线的保护上的。
 
讨论二、 用半导体保护专用快速熔断器作短路保护(丹佛斯说明书的要求)
    丹佛斯推荐MCD3220软起动器前级安装800A的快速熔断器。
    快速熔断器的熔断特性如图四所示:

图四、快速熔断器的动作特性
    熔断器动作时间分为两段,第一四是弧前时间,即熔断器溶化的时间,期间电流与预期短路电流相同。
 
    弧前时间具体值可从图五查得。可以查到额定电流800A的快速熔断器,当短路电流为13222A时,弧前时间<2mS;当短路电流为99165A时,弧前时间< 0.1mS。
 
    第二段为弧断时间,这是产生电弧和灭弧所需的时间,在此期间电流是不断减小的。
 

图五、快速熔断器的弧前时间
    总的来说快速熔断器在发生故障时的总动作时间与短路电流的热效应相关,因此快熔的关键参数不是动作时间,而是动作过程中的累计电流发热量I2t,这与可控硅短路保护需要参考的数据指标是一致的。只要快熔的总I2t值与被保护的半导体器件的I2t值相匹配,就能起到有效的短路保护作用。
 
下表是丹佛斯软起动器要求的前级短路保护快熔选型表:
 
 
    丹佛斯说明书中要求MCD3220前级安装BUSSMANN的170M6012半导体熔断器,要求的可控硅需要的短路保护I2t值为320000A2S,也就是MCD3220软起动器使用的可控硅T588N16TOF需要的短路保护I2t值。
半导体熔断器170M6012的数据见下表:
 
 


    由于BUSSMANN的手册中给出的弧断I2t值为660V电网电压时的数据,所以还要查表求出400V电网电压时的修正系数,从下图可以查到修正系数约为0.61。


则可得:
170M6012在400V电网中的弧断I2t 。
    弧断I2t = 465000×0.61= 283650
    170M6012的总I2t值 = 弧前I2t + 弧断I2t
                       = 69500 + 283650
                       = 353150
    此值与可控硅保护需要的I2t值320000相近。

 
结论:
    半导体器件保护专用快速熔断器能够提供软起动器短路保护。对于通常客户,必须要求采用丹佛斯推荐的半导体熔断器作软起动器短路保护。断路器不能满足软起动器短路保护的要求。
 

三、               国产快速熔断器选型:

 
    国内也有半导体元件保护专用的快速熔断器,为了降低成本,也可以考虑使用国产的半导体熔断器作软起动器的短路保护,选型的时候应参照进口产品的相关参数,满足以下要求:
1.  电压: ≥ 380VAC
2.  电流:参照欲替换的BUSSMANN保险丝的额定电流
3.  I2t:国内由于缺少标准,所以也没有相关的产品数据,但根据经验知道,国产快速熔断器在熔丝材料和型状方面是完全仿进口产品的,因此这个数据应该与进口产品相差不多。
 
选用国产半导体熔断器时,真正需要担心的倒是国产产品的质量,如快速熔断器本体在额定电流时会不会过热?会不会老化失效?会不会无法分断?…
   下表以上海电器陶瓷厂的半导体器件保护用熔断器为例,列出适用于丹佛斯软起动器短路保护用的国产快速熔断器选型:
软起动器型号 快速熔断器型号 熔断器座型号
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) 无座
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)
 

参考文献 

[1] MCD3000操作说明. MG.15.A.41. Danfoss公司.
[2] Compact NS 塑壳开关应用指南. SC DOC 797-LV. 梅兰日兰公司. 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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