Design af sikre og pålidelige strømsystemer til elektriske forsyninger til minedrift

I verdens miner transporterer, knuser og formaler eldrevet udstyr sten, transporterer råmaterialer, oplyser mørke huler, driver pumper og ventilatorer og driver boremaskiner, skæremaskiner, støvopsamlere og hejseværker. Udstyrssvigt fører til dyre produktionsstop, så der forventes høj pålidelighed på trods af vibrationer, stød og udsættelse for kemikalier, støv, varme og fugt.

Det er en udfordring at designe elektriske forsyningsnetværk til dette miljø og samtidig sikre arbejdernes sikkerhed, men det bliver lettere af, at der findes kommercielle elektriske produkter, som er certificeret i henhold til internationale drifts- og sikkerhedsstandarder. For at forenkle systemdesign og sikre kompatibilitet mellem komponenter kan designere bruge en enkelt kilde til meget af det udstyr, der er nødvendigt for at bygge en komplet løsning.

Denne artikel skitserer kort de miljø- og strømkvalitetskrav, som minedrift stiller til elektrisk udstyr. Derefter præsenteres eksempler på specialiserede løsninger fra SolaHD, og det forklares, hvordan de kan anvendes i en flerstrenget tilgang til at sikre strømkvalitet og medarbejdernes sikkerhed.

Udfordringerne ved underjordisk elektroteknik

I miner udsættes udstyret for ætsende væsker, brændbart støv, snavs, skrappe kemikalier, kraftige vibrationer, tilfældige stød, overspænding og ekstreme temperaturudsving. Udstyret og dets strømsystemer forventes dog at være sikre og pålidelige.

Sikkerheden understøttes af tilsyn fra institutioner som U.S. Mine Safety and Health Administration (MSHA) og Federal Mine Safety and Health Act fra 1977. En anden amerikansk standard er National Electrical Code (NEC), eller National Fire Protection Association (NFPA) 70. Denne standard dækker sikker installation af elektriske ledninger og udstyr. NEC artikel 500 kræver installation af udstyr, der er testet og godkendt til specifikke farer, herunder dem, der findes i miner og deres omgivelser.

At sikre strømkvalitet kræver, at man forstår den grundlæggende strømarkitektur og de tilknyttede problemer.

Miner får generelt deres strøm fra vekselstrømsnettet, selvom der også bruges højspændingsjævnstrøm, der leveres af vekselstrøms- og jævnstrømskonvertering eller jævnstrømsmikronet på stedet. UPS'er (Uninterruptible Power Supplies) er et eksempel. Systemerne følger et grundlæggende design: højspændingsstrøm fra vekselstrømsnettet føder højspændingstransformatorer, der forsyner en hovedunderstation. Hovedunderstationen distribuerer energi til flere sekundære understationer og direkte til minens større motorbelastninger. De sekundære transformerstationer leverer strøm til mellemspændingsforbrugere og mellem-/lavspændingstransformere, der er forbundet med andet udstyr.

Selvom dette forsyningsnet typisk er stabilt, opstår der ofte problemer med strømkvaliteten. Sådanne problemer optræder i form af strømafbrydelser, brownouts, spændingsfald, spændingsstød, spændingstransienter, harmoniske forvrængninger og elektrisk støj (figur 1).

Figur 1: De viste kurver repræsenterer problemer med strømkvaliteten. (Billedkilde: Forfatter, ved hjælp af information fra SolaHD)

Overvej årsagen til og virkningen af disse elkvalitetsproblemer:

Strømafbrydelser: Dette er komplette strømtab i en længere periode, typisk forårsaget af en ulykke eller udstyrsfejl i forsyningsselskabets produktions- eller distributionsnetværk. Strømafbrydelser kan forårsage hardwarefejl og nedbrud i computerbaseret udstyr, standse driften og reducere levetiden for elektrisk udstyr.

Brownouts: Disse beskriver, hvad der sker, når den leverede spænding er under de normale minimumsniveauer i en længere periode. De opstår, når overkapacitet eller andre netværksproblemer tvinger forsyningsselskaberne til at sænke spændingen for at klare efterspørgslen. Virkningerne af brownouts er de samme som ved afbrydelser.

Spændingsfald: Spændingsfald og underspænding er de mest almindelige forstyrrelser af strømkvaliteten i minedrift. De opstår, når en betydelig stigning i belastningen stresser forsyningen, hvilket får forsyningsspændingen til at falde under et tærskelniveau. IEEE definerer et spændingsfald som en spændingsreduktion på 10 til 90 % under den normale 60 hertz (Hz) spænding. En spændingsfaldbegivenhed varer mindre end et minut, men mere end 8 millisekunder (ms). Underspændinger varer længere end et minut.

Både spændingsfald og underspændinger kan forårsage generende udløsning af afbrydere, fejlfunktion og nedlukning af udstyr eller for tidligt udstyrssvigt. Fortsat drift øger risikoen for forbrænding eller eksplosion. Tegn på disse problemer omfatter dæmpet eller flimrende lys, dårligt fungerende HVAC-enheder, motorer, der kører varmt, og automatiseringskontrolsystemer og computere, der låser eller slukker.

Spændingsstød: Et spøndingsstød er en midlertidig stigning i spændingsniveauet i en periode, der spænder fra en halv frekvenscyklus til nogle få sekunder. Disse forstyrrelser kan skyldes nedlukning af elektriske motorer med høj effekt og HVAC-systemers normale cyklus. Gentagne spændingsstød kan stresse og svække systemerne og forårsage falske udløsninger af strømafbrydere og andre beskyttelsesanordninger.

Et andet problem i forbindelse med strømstød er nedbrydning af isoleringen. Forringet isolering bringer sikker drift af minens elsystem i fare ved at fungere som katalysator for brande eller kan udløse metan- eller kulstøvseksplosioner.

Spændingstransienter: Spændingstransienter, eller spikes, er resultatet af pludselige, betydelige stigninger i spændingen forårsaget af eksterne faktorer som f.eks. lynnedslag og skift i forsyningsnettet. De kan også opstå inde i minen på grund af kortslutninger, udløste afbrydere og tungt udstyr, der starter op.

Følsomt elektronisk udstyr er mest udsat for spændingstransienter, der kan forårsage systemlåsning eller -fejl og ødelægge eller slette værdifulde data.

Harmoniske forvrængninger: Spændingsproblemer opstår, når multipla af grundfrekvensen (f.eks. 180 Hz i et 60 Hz-system) forekommer i forsyningens sinusbølge. Harmonisk forvrængning opstår på grund af de ikke-lineære egenskaber ved enheder som frekvensomformere (VSD'er) og belastninger i elsystemet. Overtonerne fører til øget opvarmning i udstyr og ledere, fejltænding af VSD'er og momentpulsationer i motorer. Andre symptomer på harmonisk forvrængning i en mines elsystem er interferens med minens kommunikationssystem, flimrende lys, udløste afbrydere og løsnede elektriske forbindelser.

Der er mange elektriske motorer i miner, og de fleste af dem har ikke-lineære VSD'er, hvilket gør dem til den største kilde til harmoniske svingninger i minedrift. Desuden forbedrer brugen af en fuldbølgeensretter i motorerne effektiviteten, men genererer betydelige harmoniske overtoner.

Elektrisk støj: Dette er en lav amplitude, lav strømstyrke og højfrekvent forstyrrelse, der genereres i og uden for minen. Kilderne kan være fjerne lynnedslag, strømforsyninger, elektroniske kredsløb, dårlige kontakter mellem motorbørster og ledninger af dårlig kvalitet.

Støjsignalerne er overlejret på spændingsbølgeformer og kan forårsage computerfejl og uønskede effekter i kontrolsystemernes kredsløb.

Håndtering af problemer med elkvalitet

Den bedste måde at imødekomme de kritiske udfordringer med kontinuerlig efterspørgsel efter strøm af høj kvalitet i minedrift, samtidig med at man sikrer robusthed og høje niveauer af elektrisk sikkerhed, er at anvende en flerstrenget tilgang med certificeret udstyr, der omfatter UPS'er, strømkonditioneringsanlæg, overspændingsbeskyttelsesenheder (SPD'er), transformere og strømforsyninger.

Tabel 1 opsummerer det bedste udstyr til at kontrollere et bestemt elkvalitetsproblem.

Tabel 1: Der er brug for en række beskyttelsesanordninger til at håndtere alle de problemer med strømkvaliteten, der kan opstå i minedriftsmiljøet. (Billedkilde: SolaHD)

Det er nyttigt at arbejde med en enkelt kilde, såsom SolaHD, til en flerstrenget tilgang til strømkvalitet for at forenkle design-, anskaffelses- og implementeringsprocessen samt for at sikre kompatibilitet. For eksempel leverer virksomhedens SDU500B offline UPS nødstrøm i 4 minutter (min) og 20 sekunder (s) ved fuld belastning og 14 minutter og 30 sekunder ved halv belastning i tilfælde af en strømafbrydelse (figur 2). Som det fremgår af tabel 1, understøtter denne UPS også hovedstrømforsyningen i tilfælde af strømafbrydelser, spændingsfald, spændingsstød, spændingstransienter og harmoniske svingninger.

Figur 2: SDU500B offline UPS leverer backup-strøm i 4 minutter og 20 sekunder ved fuld belastning. (Billedkilde: SolaHD)

UPS'en er DIN-skinnemonteret og bruger vedligeholdelsesfrie, forseglede blysyrebatterier (SLA), der er fuldt opladet på otte timer. Den giver et 300 watt, 120 volt output med en simuleret sinusbølge på 50 til 60 Hz og en overførselstid på mindre end 8 ms. UPS'en kan fungere i et temperaturområde på 0 til 50 ˚C og er en "Anerkendt komponent" til brug i zone-klassificerede farlige områder under E491259, hvilket gør den velegnet til minedrift.

SolaHD's strømkonditioneringsanlæg kan også regulere en spænding til inden for ±1 % for inputvariationer op til +10/-20 %, hvilket give fremragende støjdæmpning og er designet til at modstå de hårdeste elektriske miljøer.

Strømkonditioneringsenhederne bruger en transformerdesignteknik kaldet ferroresonans, der skaber to separate magnetiske stier i enheden med begrænset kobling. En fordel ved dette design er, at indgangsstrømmen indeholder en ubetydelig harmonisk strøm i forhold til den grundlæggende. Transformatorens udgangsside har et parallelt resonanskredsløb og trækker strøm fra primæren for at erstatte den strøm, der leveres til belastningen.

SolaHD 63-23-112-4 120 volt-ampere (VA) MCR kablet regulator er f.eks. en strømfordeler, der giver et 120 volt udgang (±3 %) fra en 120, 208, 240 eller 480 volt indgang. Det sikrer fremragende støjfiltrering og overspændingsbeskyttelse sammen med spændingsregulering. Støjdæmpningen er 120 decibel (dB) i common-mode og 60 dB i transversal-mode. Overspændingsbeskyttelsen er testet i henhold til ANSI/IEEE C62.41 Klasse A & B bølgeform. MCR kablet regulator er et godt valg, når der forventes brownouts, spændingsfald, overspændinger, transienter, harmoniske svingninger og elektrisk støj.

SPD'er beskytter mod udstyrsskadelige spændingstransienter. SolaHD's STV25K-24S transient spændingsstøddæmper (TVSS) SPD er en DIN-skinnemonteret enhed, der fungerer fra et 240 volt indgang (op til 20 A) og giver beskyttelse på brugsstedet ved hjælp af en metaloxidvaristor (MOV) (figur 3).

Figur 3: STV25K-24S TVSS SPD er en DIN-skinnemonteret enhed, der fungerer fra en 240 volt indgang (op til 20 A) og giver overspændingsbeskyttelse på brugsstedet. (Billedkilde: SolaHD)

SolaHD SPD er velegnet til installation i styreskabe i barske industrimiljøer som f.eks. mineanlæg. Enheden yder 25.000 A overspændingsbeskyttelse pr. fase. Responstiden på en transient er mindre end 5 nanosekunder (ns). SPD'en indeholder en termisk sikring, der forhindrer MOV-overophedning forårsaget af for høje strømniveauer.

Specificering af isolationstransformere og strømforsyninger

Ud over at op- eller nedtrappe af en indgangsvekselspænding til en passende udgangsværdi kan isolationstransformere beskytte enheder, der er forbundet til sekundærsiden, mod harmoniske svingninger og elektrisk støj.

Et eksempel er SolaHD E2H112S. Denne isolationstransformer er en energieffektiv, tør type med vejrbeskyttelse. Den har en primær indgang på 480 volt (op til 135 A), tilbyder 208 eller 120 volt fra den sekundærsiden (op til 315 A) og er normeret til 112,5 kilovoltampere (kVA) (figur 4). Transformatoren dæmper også harmoniske svingninger og elektrisk støj.

Figur 4: E2H112S-isolationstransformeren tager en 480 volt indgang på den primære og tilbyder 208 eller 120 volt på den sekundære. Transformatoren dæmper også harmoniske svingninger og elektrisk støj. (Billedkilde: SolaHD)

Transformeren skal beskyttes mod indkoblingsstrømme med en afbryder. Det er god designpraksis at vælge en afbryderenhed med en passende tidsforsinkelse for at eliminere generende udløsning. Dette fænomen opstår, når indgangsstrømmen er høj, men ikke af tilstrækkelig varighed til at beskadige transformeren.

Strømforsyninger er afgørende for ethvert elektrisk forsyningssystem, da de leverer veksel- eller jævnstrøm til udstyr og hjælper med at filtrere elektrisk støj fra hovedforsyningen. DIN-skinnemonterede versioner er pæne og pladsbesparende. Der findes enkelt- og trefasede vekselstrømsmodeller, og det er også muligt at specificere enheder, der kan håndtere spændingsfald ned til halvdelen af netspændingen uden afbrydelse af udgangseffekten.

SolaHD tilbyder en række strømforsyninger til DIN-skinner, såsom SDN5-24-100C AC/DC-forsyning (figur 5). Dette er en enfaset forsyning og overholder specifikationen for farlige miljøer E234790. Den kan modtage en indgang på 85 til 264 volt vekselstrøm (VAC) eller en indgang på 90 til 375 volt jævnstrøm (VDC) og levere en nominel udgang på 24 volt. Udgangsstrømmen er 5 A. Spændingsripplen på udgangen er mindre end 50 millivolt (mV) peak-til-peak. Strømforsyningen har høj immunitet over for elektromagnetisk interferens (EMI) og et driftstemperaturområde på -25 til +60 ˚C. Den er kompakt, måler 123 x 50 x 111 mm, og er beskyttet mod kontinuerlig kortslutning, kontinuerlig overbelastning og kontinuerlig åben kredsløbsfejl.

Figur 5: SDN5-24-100C er en kompakt, DIN-skinnemonteret strømforsyning, der måler 123 x 50 x 111 mm. (Billedkilde: SolaHD)

Konklusion

Miner er både fysisk og elektrisk udfordrende miljøer at sikre strømkvalitet og arbejdernes sikkerhed i. Designere bør anvende en flerstrenget tilgang, hvor hver komponent i det elektriske forsyningssystem kan fungere pålideligt og samtidig afhjælpe udfordringer med strømkvaliteten. El-udstyret skal også overholde de relevante sikkerhedsforskrifter. Ved at arbejde med en enkelt leverandør kan designere hurtigt opbygge et elektrisk netværk, der forbedrer stedets pålidelighed, sænker vedligeholdelsesomkostningerne, sikrer sikkerheden og afhjælper problemer med strømkvaliteten, før de påvirker driften.