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。可控硅的短路過(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：
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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：
Ie = 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)。
下圖是丹佛斯軟起動(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。總分?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)唷Ｓ捎趧?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：
圖三、施耐德斷路器的reflex抑制短路電流功能
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三所示：
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。可以查到額定電流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。
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快速熔斷器的弧前時(shí)間" src="http://pagesadmin.cechina.cn/upload/article/9beb47df-8374-4c65-b13b-b1543faacdc2/8.jpg">
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：
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快速熔斷器的動(dòng)作特性 " src="http://pagesadmin.cechina.cn/upload/article/9beb47df-8374-4c65-b13b-b1543faacdc2/9.jpg">
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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)，從右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)于通常客戶，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。
