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說明書的要求安裝快速保險絲，在電機或電機電纜線發生相間或對地短路故障時造成軟起動器可控硅損壞，因此在此討論一下軟起動器的短路保護問題。

  

      軟起動器的主回路功率器件為SCR可控硅，軟起動器的工作原理為通過控制可控硅的觸發信號導通角以達到控制輸出三相交流電壓的目的。軟起動器最常見的故障為主回路可控硅損壞直通，短路電流的熱效應是造成可控硅     損壞的主要原因。短路電流的熱效應用I²t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觸發導通以后沒有自關斷的能力，如果靠可控硅自然換流關斷的話，最長短路關斷延時時間將達到半個交流周波，對于50Hz的工頻電網而言為10mS。可控硅的短路過流耐受能力一般沒有那么強，所以軟起動器要求由外部裝置提供短路過流保護。

 

下面以丹佛斯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：

I_e = 430×3.0 = 1290 A

    丹佛斯軟起動器MCD3220主回路可控硅模塊為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，即靠可控硅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I²t熱耐受能力為320000A²S，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。

 

      短路電流到底有多大，由短路的類型和電網內阻決定。短路類型有三相火線同時短路，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短路最為嚴重。我們就以此種短路形式分析短路電流。

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用于可能的較差的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斷無法作可靠的短路過流保護。因此丹佛斯軟起動器本體只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。

 

     通常用于短路保護的電氣裝置是斷路器和熔斷器，下面就他們的應用進行討論。

      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，只有短路電流保護功能，由于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。

     但是由于斷路器是一種機械裝置，機械裝置有較大的動作滯后，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系。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，但是由于國內產品多數仿制進口產品，所以可以估計實際總分斷時間不會優于施耐德的產品。

     上述傳統斷路器的保護動作延時都比SCR可控硅的自然換流關斷時間長得多，因此不適于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于一個活塞機構，使斷路器快速可靠地分斷。由于動作非常迅速，<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