國外選礦廠采用24VDC獨立控制電源時電氣設(shè)計的分析應(yīng)用

羅雙華

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031）

隨著我國對海外工程項目投資越來也多，工程設(shè)計行業(yè)需不斷學(xué)習(xí)了解國外在電氣設(shè)計方面的特點、一些好的設(shè)計思路或習(xí)慣做法等;國外對電氣和人身安全方面十分重視，常采用特低壓ELV特低壓ELV(EXTRA LOW VOLTAGE,引自《電擊防護(hù)裝置和設(shè)備的通用部分規(guī)范》GB/T 17045-2020/IEC 61140:2016,規(guī)定其為低壓的一部分)或安全電壓(42V、36V、24V、12V、6V)作為電動機控制回路的工作電壓；本文針對低壓電動機控制回路電源采用獨立24V直流電源時，其需要值得關(guān)注的一些設(shè)計變化和可能產(chǎn)生的情況進(jìn)行剖析，以便提供一些啟發(fā)和參考[1]。

1 控制電源電壓選擇

根據(jù)《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范GB 50055-2011》2.5.2條控制回路的電源及接線方式應(yīng)安全可靠、簡單適用，并應(yīng)符合下列規(guī)定:①當(dāng)TN或TT系統(tǒng)中的控制回路發(fā)生接地故障時，控制回路的接線方式應(yīng)能防止電動機意外起動或不能停車;②對可靠性要求高的復(fù)雜控制回路可采用不間斷電源供電，亦可采用直流電源供電。直流電源供電的控制回路宜采用不接地系統(tǒng)，并應(yīng)裝設(shè)絕緣監(jiān)視裝置；③額定電壓不超過交流50V或直流120V的控制回路的接線和布線應(yīng)能防止引入較高的電壓和電位。通過上述規(guī)范條文可以看出，在電氣設(shè)計中應(yīng)有防止電動機意外起動或不能停車的措施以及控制回路電源可采用特低壓ELV或直流供電，而對于上述第2點在我國常規(guī)電氣設(shè)計中應(yīng)用較少。

我國低壓配電系統(tǒng)接地型式常采用TN-S系統(tǒng)，低壓電動機控制回路常采用交流220V作為控制回路電源，其引自主回路斷路器下端的相線和中性線，相線通過熔斷器進(jìn)行保護(hù)。

國外發(fā)達(dá)國家為保證操作人員電氣的安全和降低現(xiàn)場操作人員直（間）接觸電危險，對于一般可觸及的工藝設(shè)備機旁現(xiàn)場操作箱上可以直接觸及的按鈕開關(guān)，指示燈等采用直流24V安全電壓或一般采用特低電壓24VDC或110VAC，作為獨立控制回路電源，其控制電源引自直流屏或UPS或110VAC控制變壓器(通長為引接自兩端抽頭相對中間接地抽頭電壓為+55V與-55V的控制變壓器)，而不是引自主回路；常用的合資品牌如施耐德，ABB,西門子等幾乎大部門電氣產(chǎn)品如中低壓斷路器、馬達(dá)保護(hù)器、變頻器、軟起動器等均支持24VDC作為操作工作電源，而國產(chǎn)品牌采用該電壓等級則應(yīng)用較少[2]。

2 控制回路設(shè)計

下文以采用獨立于主回路的24V直流作為電動機控制回路電源簡要分析下在設(shè)計過程中需考慮和關(guān)于的幾點問題和采取的對應(yīng)措施[3]。

2.1 線路電壓損失

如果控制回路采用24VDC供電，我們來對比一下線路電壓損失的變化；大家知道低壓接觸器線圈維持正常工作的最低電壓為額定電壓的80%～85%，如考慮電網(wǎng)的5%電壓波動，則控制導(dǎo)線的線路電壓損失按不大于10%考慮；下表1為各電流規(guī)格接觸器不同線圈電壓下允許的最大線路長度對比表。

表1 線路電壓損失按10%考慮時接觸器線圈不同電壓下允許的最大線路長度對比表

線路電壓損失計算公式如下：

（1）終端單相負(fù)荷用電負(fù)荷矩

（2）直流線路用電負(fù)荷矩

通過以上計算公式和表格可以發(fā)現(xiàn)，線路壓降與控制回路電壓的平方成反比；低壓電動機控制線路長度一般為200m～300m，故對于功率大一些的電機（接觸器吸合功率將陡增），如果繼續(xù)采用24VDC作為接觸器線圈電壓，則線路壓降將大大提高，造成接觸器吸合線圈因電壓低而無法正常工作要求，即無法正常啟動電動機；如果增加控制線纜規(guī)格，雖可以減小線路阻抗，但同時會增加電纜投資；故為解決安全電壓等級低而造成線路壓損過大問題，一般需要通過采用24V中間繼電器作為啟動繼電器,而接觸器線圈則采用220VAC,即通過中間繼電器輔助觸點去驅(qū)動接觸器線圈,從而滿足接觸器正常工作的要求；如圖1所示；因為24VDC中間繼電器工作功率一般只有`1～2W左右；控制回路按鈕及信號燈也仍然可采用直流24V供電。

2.2 防止電動機存在意外起動及應(yīng)對措施

2.2.1 電動機存在意外起動的可能性

我國工程項目大多數(shù)習(xí)慣做法為低壓電機控制回路電源一般引自其主回路或引自主回路的控制變壓器，當(dāng)主回路斷電后，控制回路電源將失電，從而有效切斷啟動繼電器或接觸器控制電源以防止電機自啟動。而當(dāng)采用獨立控制電源時，即與主回路獨立分開，且控制回路電源采用集中式24V直流屏提供電源（以減少各回路220/24V電源模塊數(shù)量），而主接觸器線圈電源引自主回路，其典型電動機控制原理圖（改進(jìn)前）如圖1所示。

圖1 采用24VDC控制電源典型控制原理圖（改進(jìn)前）

如按照我國常規(guī)設(shè)計做法（采用就地和遠(yuǎn)程控制模式），則當(dāng)選擇就地單機調(diào)試模式時，會存在電動機自起動的可能性；現(xiàn)在結(jié)合當(dāng)電動機采用抽屜式開關(guān)柜和獨立控制電源采用直流時，對可能出現(xiàn)的電動機自啟動情形進(jìn)行分析；遠(yuǎn)程模式可根據(jù)接觸器狀態(tài)無反饋信號而復(fù)位輸出指令而停機，在此不再敖述。

情形1：當(dāng)選擇就地模式進(jìn)行單機調(diào)試時，首先斷路器合閘，接通主電源，現(xiàn)場操作人員在現(xiàn)場箱上按下起動按鈕“SB”后，電動機將正常啟動；當(dāng)配電室人員得知后，其可能會直接斷開斷路器切斷主電源，而現(xiàn)場操作人員看到電機停止后可能會忘記按下停止按鈕“SS”，實際上由于控制回路采用24V直流，啟動繼電器KA未能正常斷開，其和接觸器KM則一直處于吸合狀態(tài)，此時電機實際處于無主電源的一種虛停狀態(tài)，而一旦配電室人員再次接通主電源時，電機也將在未做任何操作情況下自行啟動，將對人身或設(shè)備造成安全隱患。

情形2：目前低壓開關(guān)柜常采用抽屜式柜型，圖2為某低壓柜體產(chǎn)品開關(guān)手柄位置說明；開關(guān)手柄三個不同位置時其控制回路均為接通狀態(tài)；當(dāng)需測試電動機控制回路時，將開關(guān)操作手柄旋至試驗位置時，操作人員在現(xiàn)場箱上按下起動按鈕“SB”,可檢測各控制回路元件是否正常，而如果檢測完畢后忘記按停止按鈕“SS”，當(dāng)調(diào)試人員將開關(guān)操作手柄旋轉(zhuǎn)從試驗位置——分閘位置——工作位置時，將使得啟動繼電器KA和接觸器KM線圈得電吸合，此時無任何操作情況下而導(dǎo)致電機自行啟動。

圖2 某低壓柜體產(chǎn)品開關(guān)手柄位置說明

雖然以上兩種情形發(fā)生概率非常低，但存在發(fā)生的可能性；而引起上述原因就是因為未有效地切斷控制啟動回路電源，重新合閘后會出現(xiàn)自行啟動的情況；而此自行啟動并非意外。

2.2.2 解決應(yīng)對措施

為針對上述情形防止電動機意外啟動，有效保障操作人員和設(shè)備的安全；對采用獨立直流控制電源的電動機控制回路，則采用如圖3的方案，具體說明如下：

圖3 采用24VDC控制電源典型控制原理圖（改進(jìn)后）

（1）在控制回路串聯(lián)主斷路器的常開輔助觸點,此時控制回路電源將連同主回路一起合分，即類似國內(nèi)電動機控制回路電源取自主回路斷路器下端功能一樣，從而杜絕電動機自行啟動發(fā)生的可能性。

（2）由于在控制回路串聯(lián)了主斷路器輔助觸點，當(dāng)抽屜在試驗位置時，由于斷路器斷開，而使控制回路斷開而造成進(jìn)行測試不便；為解決此情況，在主斷路器輔助觸點旁并接一副抽屜柜試驗位置常開觸點SW。即當(dāng)試驗位置時，抽屜試驗位置開關(guān)閉合，可接通控制回路電源以便測試；另外如有該試驗位置觸點SW，當(dāng)試驗完成后，旋至分閘和工作位置時，將由于SW斷開而使控制回路電源將失電，從而有效避免繼電器KA一直得電吸合而導(dǎo)致電機主接觸器KM吸合電機自行啟動問題。

（3）采用分閘位置時控制回路斷開的低壓開關(guān)柜體，當(dāng)操作手柄從試驗轉(zhuǎn)向工作位置時，經(jīng)過了分閘位置，其控制回路電源將斷開，也可以避免控制回路電源一直有電的可能性。

以上通過增加兩個相互并聯(lián)的輔助觸點，就可以防止電動機意外啟動的發(fā)生，從而保障操作人員的人身安全。

3 結(jié)語

本文簡要敘述了電動機采用獨立控制回路電源時對電氣設(shè)計需要考慮的一些因素和變化；低壓電動機控制回路設(shè)計采用不同的電氣產(chǎn)品或控制方案，都會觸發(fā)一些不同的設(shè)計思考，只有立足于電氣設(shè)計知識之根本，做到全面分析考慮，才能保障電氣設(shè)備和人身安全。