國外選礦廠采用24VDC獨(dú)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(diǎn)、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(jī)控制回路的工作電壓；本文針對低壓電動機(jī)控制回路電源采用獨(dú)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(jī)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(jī)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(diǎn)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(jī)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(jī)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(dú)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(dú)立于主回路的24V直流作為電動機(jī)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(diǎn)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(jī)控制線路長度一般為200m～300m，故對于功率大一些的電機(jī)（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(jī)；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(diǎn)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(jī)存在意外起動及應(yīng)對措施

2.2.1 電動機(jī)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(jī)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(jī)自啟動。而當(dāng)采用獨(dú)立控制電源時，即與主回路獨(dú)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(jī)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(jī)調(diào)試模式時，會存在電動機(jī)自起動的可能性；現(xiàn)在結(jié)合當(dāng)電動機(jī)采用抽屜式開關(guān)柜和獨(dú)立控制電源采用直流時，對可能出現(xiàn)的電動機(jī)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(jī)，在此不再敖述。

情形1：當(dāng)選擇就地模式進(jìn)行單機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)意外啟動，有效保障操作人員和設(shè)備的安全；對采用獨(dú)立直流控制電源的電動機(jī)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(diǎn),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(jī)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(jī)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(diǎn)，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(diǎn)旁并接一副抽屜柜試驗位置常開觸點(diǎn)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(diǎn)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(jī)主接觸器KM吸合電機(jī)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(diǎn)，就可以防止電動機(jī)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(jī)采用獨(dú)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(jī)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。