1．概述 交流电动机的起动一直是人们关注的一个课题，尤其是高压大容量交流电动机，随着其用量的急剧增加，软起动问题就变得更加突出。 众所周知，普通鼠笼式电动机在空载全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的5～7倍。当电动机容量相对较大时，该起动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。 电动机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命。 电动机直接全压起动时的起动转矩约为额定转矩的2倍，对于齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎；对皮带传动设备来说，加大了皮带磨损甚至拉断皮带。 对水泵类负荷来说，电动机全压起动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损坏。 交流高压电机在起动和停止时，都是由高压开关来关合和开断电路的，在关合和开断时会伴随有过电压产生，有时会达到额定电压的5倍以上，这样高的过电压会对电机的绝缘造成严重的危害。电机的相间短路、匝间短路、接地故障等，基本上都是由绝缘击穿引起的。 经常会听一到有人这样说：我厂电网容量很大，电机直接起动没问题。这是仅仅看到了对电网影响的一个方面。还有许多问题他没有注意到，其中操作过电压往往是最容易忽视的，其实电机出现本体故障时，基本上都是从过电压造成绝缘损坏开始的。有的电机由于制造缺陷，虽然经过了出厂试验，但由于很高的操作过电压冲击，出厂几个月就出现了问题；有的电机绝缘质量较好，可能用了十几年也没出现问题，这更使人们对操作过电压的危害认识不足。其实这时绝缘已有相当程度的老化了，潜在的危险更大了。 对于操作过电压，目前人们都是采取一些防范危害的办法，如安装压敏电阻、阻容装置等，而对如何去抑制操作过电压的产生，往往考虑的较少，尚未见到有效的方法。高压电动机采用软起动的方法可以解决前述的一些问题，但是对于操作过电压，许多软起动方法也是无能为力的。哈尔滨帕特尔科技公司研制成功的开关变压器技术可以很好地解决这个问题，由该技术制造的高压电机软起动装置可以做到无操作过电压起停。 2．电感负载操作过电压产生机理 2.1 等值电路及暂态过程分析 图1为单相电感负荷电路的简化等值电路图，图中电容均用集中电容代替，电路中所有电阻均忽略（因电阻的作用只是对振荡的阻尼）。 图中：LS----电源引线电感 CS----电源侧电容 CK----开关触头两极间电容 LK----开关内联线电感 Ct----负荷电容 Lb----开关到负载之间的联线电感 Lt----负荷电感 图1的简化电路中计及7个电感电容元件，在开关开合过程中将产生十几种频率的暂态过程，每个频率均与有关的元件值有关。在简化条件下，有几个频率是重要的。 2.1.1 电源侧振荡频率fS,其值为 fS= 电源侧振荡频率fS指开关电流开断后电源侧的振荡频率，其频率一般在1～20KHz之间。在振荡时，LS和CS上均有很高的谐振电压，图中A点的电压将是电源电压与LS上电压的瞬时值之和，它将引起触头间隙的多次击穿。 2.1.2 负荷侧振荡频率ft，其值为 ft= ft是开关电流开断后，负荷侧的振荡频率，对于空载变压器，电感值可达百亨数量级；对于长输电线，电容值可达数微法，这时振荡频率可能低于数百赫。对于高压电动机，其漏感为毫亨级，振荡频率可达几十千赫。 这一振荡实际上也是电场能和磁场能的交换过程，如果在开关断开时二者贮存的能量之和比较大，则会在电容上产生很高的过电压。 2.1.3 开关关合第一振荡频率fk1，其值为 fk1= 开关触头间隙击穿后，由于LK和CK为微亨级及皮法数量级，fK1可达兆赫以上，此高频振荡的高频电流将使开关K的电流多次过零，造成电弧的多次灭弧。 2.1.4 开关关合第二振荡频率fK2，其值为 fK2= 开关触头间隙击穿后，首先出现的是第一振荡，接着由于CS及Ct上电压 的不同而引起第二振荡，其频率通常在几百千赫范围，其作用与fK1相同。 2.1.5 开关主电路振荡频率fm，当Lt》Ls》Lb时，其频率值为 fm= 此振荡在触头间隙击穿时产生，其数值也在千赫范围内，其作用与fs相同。 2.2 触头间隙击穿引起的过电压 无论关合过程还是开断过程，当高压开关触头间隙绝缘强度低于外施电压时，均将导致间隙绝缘能力的丧失----击穿。 在触头关合过程中，触头间隙不断减小，当到某一距离时间隙击穿，前述几种振荡产生（触头间隙电弧压降很小），同时主电流也从0开始上升，由于高频振荡fK1和fK2谐振电流的叠加作用，使触头间的电流多次过零，如图2所示。 当电流过零时，触头间电弧熄灭，这时由于fs和fm振荡在Ls上产生的高频电压与电源电压相叠加出现在A点；由于负荷侧振荡ft在Ct上产生的高频电压出现在B点，A、B两点之间的电压差即为触头间的恢复电压，当恢复电压大于触头间隙击穿电压时，间隙被再次击穿，电弧重燃，fk1 、fk2、fm再次发生，如此往复，可达数次之多。 第一次高频电流熄弧后，A点电压为电源电压与LS上电压的叠加，在出现第二次击穿时A点电压加到Ct上，使Ct上电压迅速上升，经过多次的击穿燃弧----熄弧----击穿之后，电容Ct上会产生递增的过电压，对负荷造成极大的伤害。 2.3 截流引起的过电压 截流现象是高压开关开断各种小电流时出现的普遍现象，但只有开断小电感电流才会出现问题。在开断小电流过程中，由于开关的灭弧能力强，此时电弧电流不是在电流的零点熄弧而是在某一电流值时突然下降到零而熄弧。 高压开关在开断小电感电流的过程中出现截流的主要后果是产生截流过电压，这一情况可用图3所示的简化单相电路来说明。 在截流发生前，由于C值很小，ic《iL，i≈iL,设t=0时出现截流现象，截流值为i=Ich，电容上电压为uC=U0，则出现截流时负荷侧的能量分别为 CU02和 LIch2。由于振荡，电场能和磁场能不断转换，总能量保持不变（忽略电阻损耗）。当电压达最大值时，全部电场能为 CUm 2，磁场能量为零。可得 LIch2+ CU02= CUm2 由此可得： Um= 式中Z= 为负荷特征阻抗。 由于负荷特征阻抗往往很大，所以Um也很大。 在三相电路中，各相的截流过电压相互影响，会使过电压更大。 3．电机起动时的过电压 如果从开关到电机之间的电缆较长，则上述过电压的情况较小，将还有下述情况产生过电压。 关合电动机时，在不利的情况下，电动机上将出现幅值较高、波前沿很陡的过电压，对电动机的绝缘不利，特别是对电动机进线端线圈绝缘不利。一次合闸过电压即使不会造成电机绝缘击穿，频繁的合闸过电压也会影响绝缘材料的工作寿命。 由于高压开关的三极（相）在调整上的偏差，在关合时三相触头很难做到同时关合，总是会有一相首先关合，故可以首先分析高压开关首合相合闸暂态过电压发生的过程，其等值电路如图4所示。 图中把正在合闸的电机及电缆放在右侧，电缆的波阻抗为ZC，电机绕组的波阻抗为Zm；母线左侧为连接到母线上其它设备（如电机、变压器、电力电容等）的电缆。 高压开关关合过程中，动静触头不断接近，当电源电压u超过动静触头间隙介质强度时，发生击穿，电路接通。在电路接通瞬间，在合闸的电缆中出现正向的流动波ui及在左侧四条电缆中出现反向流动波ur1。正向流动ui由下式决定 ui=u =u 式中：ZC为电缆波阻抗，一般ZC=20～50Ω； n为已带电的电缆数。 当n 相当大时，ui=u，当合闸瞬间电源电压为相电压最大值时，即有一个该幅值的流动波流入正在关合电机的电缆中。 当流动波ui以电磁波的速度流经电缆到达电机进线端时，由于电机绕组的波阻抗Zm与电缆波阻抗ZC不相等，产生了进入电机绕组的流动波um和流回电缆的反射波ur2，当忽略电磁波在电缆中的衰减时，可得 um=ui ur2= ui 通常电机绕组的波阻抗为几百到几千欧，即Zm》Zc，因此可得um≈2ui，即过电压倍数为2。 反射波ur2左行到达母线后又将反射右行，达到电机时又将反射左行，如此往复，使波形变得非常复杂。 在三相电路的情况下，如果第二相关合恰在最不利的时刻，则第二相关合过电压的峰—峰值可达额定电压的5倍。 以上是考虑最不利的情况，实际上由于振荡存在衰减，关合时机不同等原因，过电压带有很大的随机性。 4．电机停止时的过电压 开断电动机的情况比较复杂，因为电机是具有可以旋转的转子，根据转子状态的不同，可分为转子不动和运动两种状态，运动状态又可分为空载和负载两种状态。不同状态下电动机的开断情况是不同的。 4.1 转子静止情况下的电流过零开断 高压电动机用于点动情况几乎没有，所以此种情况仅相当于电动机过电流保护的整定值过低，当