罗双华

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330031）

随着我国对海外工程项目投资越来也多，工程设计行业需不断学习了解国外在电气设计方面的特点、一些好的设计思路或习惯做法等;国外对电气和人身安全方面十分重视，常采用特低压ELV特低压ELV(EXTRA LOW VOLTAGE,引自《电击防护装置和设备的通用部分规范》GB/T 17045-2020/IEC 61140:2016,规定其为低压的一部分)或安全电压(42V、36V、24V、12V、6V)作为电动机控制回路的工作电压；本文针对低压电动机控制回路电源采用独立24V直流电源时，其需要值得关注的一些设计变化和可能产生的情况进行剖析，以便提供一些启发和参考[1]。

1 控制电源电压选择

根据《通用用电设备配电设计规范GB 50055-2011》2.5.2条控制回路的电源及接线方式应安全可靠、简单适用，并应符合下列规定:①当TN或TT系统中的控制回路发生接地故障时，控制回路的接线方式应能防止电动机意外起动或不能停车;②对可靠性要求高的复杂控制回路可采用不间断电源供电，亦可采用直流电源供电。直流电源供电的控制回路宜采用不接地系统，并应装设绝缘监视装置；③额定电压不超过交流50V或直流120V的控制回路的接线和布线应能防止引入较高的电压和电位。通过上述规范条文可以看出，在电气设计中应有防止电动机意外起动或不能停车的措施以及控制回路电源可采用特低压ELV或直流供电，而对于上述第2点在我国常规电气设计中应用较少。

我国低压配电系统接地型式常采用TN-S系统，低压电动机控制回路常采用交流220V作为控制回路电源，其引自主回路断路器下端的相线和中性线，相线通过熔断器进行保护。

国外发达国家为保证操作人员电气的安全和降低现场操作人员直（间）接触电危险，对于一般可触及的工艺设备机旁现场操作箱上可以直接触及的按钮开关，指示灯等采用直流24V安全电压或一般采用特低电压24VDC或110VAC，作为独立控制回路电源，其控制电源引自直流屏或UPS或110VAC控制变压器(通长为引接自两端抽头相对中间接地抽头电压为+55V与-55V的控制变压器)，而不是引自主回路；常用的合资品牌如施耐德，ABB,西门子等几乎大部门电气产品如中低压断路器、马达保护器、变频器、软起动器等均支持24VDC作为操作工作电源，而国产品牌采用该电压等级则应用较少[2]。

2 控制回路设计

下文以采用独立于主回路的24V直流作为电动机控制回路电源简要分析下在设计过程中需考虑和关于的几点问题和采取的对应措施[3]。

2.1 线路电压损失

如果控制回路采用24VDC供电，我们来对比一下线路电压损失的变化；大家知道低压接触器线圈维持正常工作的最低电压为额定电压的80%～85%，如考虑电网的5%电压波动，则控制导线的线路电压损失按不大于10%考虑；下表1为各电流规格接触器不同线圈电压下允许的最大线路长度对比表。

表1 线路电压损失按10%考虑时接触器线圈不同电压下允许的最大线路长度对比表

线路电压损失计算公式如下：

（1）终端单相负荷用电负荷矩

（2）直流线路用电负荷矩

通过以上计算公式和表格可以发现，线路压降与控制回路电压的平方成反比；低压电动机控制线路长度一般为200m～300m，故对于功率大一些的电机（接触器吸合功率将陡增），如果继续采用24VDC作为接触器线圈电压，则线路压降将大大提高，造成接触器吸合线圈因电压低而无法正常工作要求，即无法正常启动电动机；如果增加控制线缆规格，虽可以减小线路阻抗，但同时会增加电缆投资；故为解决安全电压等级低而造成线路压损过大问题，一般需要通过采用24V中间继电器作为启动继电器,而接触器线圈则采用220VAC,即通过中间继电器辅助触点去驱动接触器线圈,从而满足接触器正常工作的要求；如图1所示；因为24VDC中间继电器工作功率一般只有`1～2W左右；控制回路按钮及信号灯也仍然可采用直流24V供电。

2.2 防止电动机存在意外起动及应对措施

2.2.1 电动机存在意外起动的可能性

我国工程项目大多数习惯做法为低压电机控制回路电源一般引自其主回路或引自主回路的控制变压器，当主回路断电后，控制回路电源将失电，从而有效切断启动继电器或接触器控制电源以防止电机自启动。而当采用独立控制电源时，即与主回路独立分开，且控制回路电源采用集中式24V直流屏提供电源（以减少各回路220/24V电源模块数量），而主接触器线圈电源引自主回路，其典型电动机控制原理图（改进前）如图1所示。

图1 采用24VDC控制电源典型控制原理图（改进前）

如按照我国常规设计做法（采用就地和远程控制模式），则当选择就地单机调试模式时，会存在电动机自起动的可能性；现在结合当电动机采用抽屉式开关柜和独立控制电源采用直流时，对可能出现的电动机自启动情形进行分析；远程模式可根据接触器状态无反馈信号而复位输出指令而停机，在此不再敖述。

情形1：当选择就地模式进行单机调试时，首先断路器合闸，接通主电源，现场操作人员在现场箱上按下起动按钮“SB”后，电动机将正常启动；当配电室人员得知后，其可能会直接断开断路器切断主电源，而现场操作人员看到电机停止后可能会忘记按下停止按钮“SS”，实际上由于控制回路采用24V直流，启动继电器KA未能正常断开，其和接触器KM则一直处于吸合状态，此时电机实际处于无主电源的一种虚停状态，而一旦配电室人员再次接通主电源时，电机也将在未做任何操作情况下自行启动，将对人身或设备造成安全隐患。

情形2：目前低压开关柜常采用抽屉式柜型，图2为某低压柜体产品开关手柄位置说明；开关手柄三个不同位置时其控制回路均为接通状态；当需测试电动机控制回路时，将开关操作手柄旋至试验位置时，操作人员在现场箱上按下起动按钮“SB”,可检测各控制回路元件是否正常，而如果检测完毕后忘记按停止按钮“SS”，当调试人员将开关操作手柄旋转从试验位置——分闸位置——工作位置时，将使得启动继电器KA和接触器KM线圈得电吸合，此时无任何操作情况下而导致电机自行启动。

图2 某低压柜体产品开关手柄位置说明

虽然以上两种情形发生概率非常低，但存在发生的可能性；而引起上述原因就是因为未有效地切断控制启动回路电源，重新合闸后会出现自行启动的情况；而此自行启动并非意外。

2.2.2 解决应对措施

为针对上述情形防止电动机意外启动，有效保障操作人员和设备的安全；对采用独立直流控制电源的电动机控制回路，则采用如图3的方案，具体说明如下：

图3 采用24VDC控制电源典型控制原理图（改进后）

（1）在控制回路串联主断路器的常开辅助触点,此时控制回路电源将连同主回路一起合分，即类似国内电动机控制回路电源取自主回路断路器下端功能一样，从而杜绝电动机自行启动发生的可能性。

（2）由于在控制回路串联了主断路器辅助触点，当抽屉在试验位置时，由于断路器断开，而使控制回路断开而造成进行测试不便；为解决此情况，在主断路器辅助触点旁并接一副抽屉柜试验位置常开触点SW。即当试验位置时，抽屉试验位置开关闭合，可接通控制回路电源以便测试；另外如有该试验位置触点SW，当试验完成后，旋至分闸和工作位置时，将由于SW断开而使控制回路电源将失电，从而有效避免继电器KA一直得电吸合而导致电机主接触器KM吸合电机自行启动问题。

（3）采用分闸位置时控制回路断开的低压开关柜体，当操作手柄从试验转向工作位置时，经过了分闸位置，其控制回路电源将断开，也可以避免控制回路电源一直有电的可能性。

以上通过增加两个相互并联的辅助触点，就可以防止电动机意外启动的发生，从而保障操作人员的人身安全。

3 结语

本文简要叙述了电动机采用独立控制回路电源时对电气设计需要考虑的一些因素和变化；低压电动机控制回路设计采用不同的电气产品或控制方案，都会触发一些不同的设计思考，只有立足于电气设计知识之根本，做到全面分析考虑，才能保障电气设备和人身安全。