Utformning av säkra och tillförlitliga kraftsystem för eldrift i gruvor

I världens gruvor sker transportering, krossning och malning av berg, transport av råmaterial, belysning av mörka bergrum, drivning av pumpar och ventilationsfläktar samt borrar, skärmaskiner, dammuppsamlare och lyftanordningar med hjälp av elektrisk utrustning. Fel på utrustningen leder till kostsamma produktionsavbrott, så hög tillförlitlighet förväntas trots vibrationer, stötar och exponering för kemikalier, damm, värme och fukt.

Att utforma elnät för denna miljö och samtidigt garantera personalens säkerhet är en utmaning, men underlättas av tillgången på kommersiella elprodukter som är certifierade enligt internationella drifts- och säkerhetsstandarder. För att förenkla systemdesignen och garantera kompatibilitet mellan delarna kan konstruktörer använda en enda källa för mycket av den utrustning som behövs för att bygga en komplett lösning.

Artikeln beskriver kortfattat de miljö- och elkvalitetskrav som gruvdrift ställer på elektrisk utrustning. Därefter presenteras exempel på specialiserade lösningar från SolaHD och den förklarar hur dessa kan användas i en strategi med flera nivåer för att garantera elkvalitet och personalens säkerhet.

Utmaningar med elektroteknik under jord

I gruvor utsätts utrustningen för frätande vätskor, brännbart damm, smuts, starka kemikalier, kraftiga vibrationer, slumpmässiga stötar, överspänningar och extrema temperaturvariationer. Utrustningen och dess elsystem förväntas dock vara säkra och tillförlitliga.

Säkerheten stärks av tillsyn från institutioner som U.S. Mine Safety and Health Administration (MSHA) och Federal Mine Safety and Health Act från 1977. En annan amerikansk standard är National Electrical Code (NEC) eller National Fire Protection Association (NFPA) 70. Denna standard omfattar säker installation av elektriska ledningar och utrustning. Article 500 i NEC kräver installation av godkänd utrustning som testats och godkänts för specifika risker, inklusive de som finns i gruvor och deras omgivningar.

För att garantera elkvaliteten måste man förstå den grundläggande elarkitekturen och tillhörande problem.

Gruvor får i allmänhet sin ström från elnätet, även om hög likspänning, som levereras via AC/DC-omvandling eller mikronät för likström på plats, också används. Avbrottsfri strömförsörjning (UPS) är ett exempel. Systemen följer en grundläggande design: ström med hög spänning från elnätet matar högspänningstransformatorer som strömförsörjer en huvudtransformatorstation. Huvudtransformatorstationen distribuerar energi till flera sekundära transformatorstationer och direkt till gruvans större motorbelastningar. De sekundära transformatorstationerna levererar ström till mellanspänningsbelastningar och mellanspännings-/lågspänningstransformatorer som är anslutna till annan utrustning.

Även om detta elnät vanligtvis är stabilt uppstår det ofta problem med elkvaliteten. Sådana problem uppträder i form av strömavbrott, låg spänning, spänningsfall, överspänning, spänningstransienter, harmonisk distorsion och elektriska störningar (figur 1).

Figur 1: Här visas vågformer som representerar problem med elkvaliteten. (Bildkälla: Författaren, med hjälp av information från SolaHD)

Fundera på orsak och verkan av dessa elkvalitetsproblem:

Strömavbrott: Detta är fullständiga strömavbrott under en längre period, vanligtvis orsakade av en olycka eller ett utrustningsfel i elbolagets produktions- eller distributionsnät. Strömavbrott kan orsaka hårdvarufel och krascher i datorbaserad utrustning, stoppa driften och minska livslängden på elektrisk utrustning.

Låg spänning: Detta beskriver vad som händer när den levererade spänningen ligger under de normala miniminivåerna under en längre period. Detta uppstår när överkapacitet eller andra elnätsproblem tvingar elbolagen att sänka spänningen för att hantera efterfrågan. Effekterna av låg spänning liknar de som uppstår vid avbrott.

Spänningsfall: Spänningsfall och underspänning är de vanligaste störningarna i elkvaliteten vid gruvdrift. De uppstår när en betydande ökning av belastningen frestar på strömförsörjningen, vilket medför att matningsspänningen sjunker under en gränsnivå. IEEE definierar ett spänningsfall som en minskning av spänningen med 10 till 90 % vid normal 60 Hz spänning. Ett spänningsfall varar kortare tid än en minut men längre än 8 ms. Underspänningar varar längre än en minut.

Både under- och överspänningar kan orsaka irriterande utlösning av säkringar, felfunktion och avstängning av utrustning, eller för tidiga fel på utrustning. Fortsatt drift ökar risken för förbränning eller explosion. Tecken på sådana problem är t.ex. nedtonade eller flimrande lampor, dåligt fungerande luftbehandlingsenheter, motorer som går varma samt styrsystem och datorer som låser sig eller stängs av.

Överspänning: En överspänning är en tillfällig ökning av spänningsnivån under en tidsperiod som varierar från en halv frekvenscykel till några sekunder. Dessa störningar kan orsakas av avstängning av kraftfulla elmotorer och normal drift av luftbehandlingssystem. Upprepad exponering för överspänningar kan fresta på och försvaga system samt orsaka felaktiga utlösningar av säkringar och andra skyddsanordningar.

Ytterligare ett problem i samband med överspänningar är nedbrytning av isolering. Försämrad isolering äventyrar den säkra driften av gruvans elsystem genom att fungera som katalysator för bränder eller orsaka metan- och koldammsexplosioner.

Spänningstransienter: Spänningstransienter, eller spikar, är resultatet av plötsliga betydande spänningsökningar som orsakas av externa faktorer som blixtnedslag och omkoppling av elnätet. De kan även uppstå inne i gruvan till följd av kortslutningar, utlösta säkringar och tung utrustning som startar.

Känslig elektronisk utrustning är mest utsatt för spänningstransienter som kan orsaka systemlåsning eller fel, och skada eller radera värdefull information.

Harmonisk distorsion: Spänningsproblem uppstår när multiplar av grundfrekvensen (t.ex. 180 Hz i ett 60 Hz-system) förekommer i matningsspänningens sinusvåg. Harmonisk distorsion uppstår till följd av de olinjära egenskaperna hos enheter som frekvensomriktare (VSD) och laster i elsystemet. Övertonerna leder till ökad uppvärmning av utrustning och ledare, feltändning av frekvensomriktarna och momentpulseringar i motorer. Andra symptom på harmonisk distorsion i gruvans elsystem är störningar på gruvans kommunikationssystem, flimrande lampor, utlösta säkringar och lossade elanslutningar.

Det finns många elmotorer i gruvor, varav de flesta har icke-linjära frekvensomriktare, vilket gör dem till den största källan till övertoner vid gruvdrift. Dessutom förbättrar användningen av en helvågslikriktare i motorerna verkningsgraden men genererar betydande övertoner.

Elektriska störningar: Detta är en störning med låg amplitud, låg strömstyrka och hög frekvens som genereras i och utanför gruvan. Källorna kan vara avlägsna blixtnedslag, switchande nätaggregat, elektroniska kretsar, dålig kontakt mellan motorns borste och kontakterna, samt kablar av dålig kvalitet.

Störningssignalerna överlagras på spänningens vågformer och kan orsaka datorstörningar och oönskade effekter i kretsar i styrsystem.

Hantering av problem med elkvalitet

Det bästa sättet att hantera de viktiga utmaningarna med kontinuerlig efterfrågan på högkvalitativ el vid gruvdrift, samtidigt som man garanterar robusthet och höga nivåer av elsäkerhet, är att anta en strategi med flera nivåer och användning av certifierad utrustning som inkluderar UPS, spänningsstabilisatorer, överspänningsskydd (SPD), transformatorer och nätaggregat.

Tabell 1 sammanfattar den bästa utrustningen för att kontrollera ett visst elkvalitetsproblem.

Tabell 1: En rad skyddsanordningar behövs för att hantera alla de problem med elkvaliteten som kan uppstå i gruvmiljöer. (Bildkälla: SolaHD)

Det är bra att arbeta med en enda källa, som SolaHD, för en elkvalitetsstrategi med flera nivår för att förenkla design-, anskaffnings- och driftsättningsprocessen samt för att garantera kompatibilitet. Företagets offline-UPS SDU500B ger exempelvis reservkraft i 4 minuter och 20 sekunder vid full belastning och 14 minuter och 30 sekunder vid halv belastning i händelse av ett strömavbrott (figur 2). Som framgår av tabell 1 stöder denna UPS även huvudströmförsörjningen i händelse av strömavbrott, spänningsfall, överspänningar, spänningstransienter och övertoner.

Figur 2: offline-UPS:en SDU500B ger reservkraft i 4 minuter och 20 sekunder vid full belastning. (Bildkälla: SolaHD)

UPS-enheten monteras på en DIN-skena och använder underhållsfria, förseglade blybatterier (SLA) som laddas fullt på åtta timmar. Den har en uteffekt på 300 W, 120 V med en simulerad sinusvåg på 50 till 60 Hz och en överföringstid på mindre än 8 ms. UPS-enheten kan arbeta i ett temperaturområde på 0 till 50 ˚C och är en "Erkänd komponent" för användning i zonklassificerade riskområden enligt E491259, vilket gör den lämplig för gruvdrift.

Spänningsstabilisatorer från SolaHD kan även reglera en spänning inom ±1 % för inspänningsvariationer på upp till +10/-20 %, ge överlägsen störningsdämpning och de är konstruerade för att tåla de tuffaste elektriska miljöerna.

Spänningsstabilisatorerna använder en konstruktionsteknik med transformator som kallas ferroresonans och skapar två separata magnetiska vägar i enheten med begränsad koppling. En fördel med denna konstruktion är att inströmmen innehåller en försumbar mängd övertoner i förhållande till grundströmmen. Transformatorns utgångssida har en parallell resonanshållarkrets och drar ström från primärsidan för att ersätta den ström som levereras till lasten.

SolaHD:s 63-23-112-4 MCR Hardwire Regulator på 120 VA, är exempelvis, en spänningsstabilisator med en utspänning på 120 V (±3 %) från en inspänning på 120, 208, 240 eller 480 V. Den har utmärkt störningsfiltrering och överspänningsskydd tillsammans med spänningsreglering. Störningsdämpningen är 120 dB i common mode och 60 dB i tvärgående läge. Överspänningsskyddet är testat enligt ANSI/IEEE C62.41 för vågform i klass A och B. MCR Hardwire Regulator är ett bra val när man förväntar sig strömavbrott, spänningsfall, överspänningar, transienter, övertoner och elektriska störningar.

Överspänningsskyddet skyddar mot spänningstransienter som skadar utrustningen. Överspänningsskyddet STV25K-24S från SolaHD är en enhet för montering på DIN-skena som arbetar med en inspänning på 240 V (upp till 20 A) och skyddar vid användningspunkten med hjälp av en metalloxidvaristor (MOV) (figur 3).

Figur 3: Överspänningsskyddet STV25K-24S TVSS är en enhet för montering på DIN-skena som drivs med en inspänning på 240 V (upp till 20 A) och förser användningspunkten med överspänningsskydd. (Bildkälla: SolaHD)

SolaHD SPD är lämplig för installation i styrskåp i tuffa industriella miljöer som t.ex. gruvanläggningar. Enheten tillhandahåller överspänningsskydd för 25 000 A per fas. Svarstiden för en transient är mindre än 5 ns. SPD har inbyggd termisk säkring för att förhindra överhettning av metalloxidvaristorn till följd av för höga strömnivåer.

Specificering av isolationstransformatorer och nätaggregat

Förutom att transformera upp eller ned en inkommande växelspänning till en lämplig utspänning, kan isolationstransformatorer skydda enheter som är anslutna till sekundärsidan från övertoner och elektriska störningar.

Ett exempel är E2H112S från SolaHD. Denna isolationstransformator är en energieffektiv torrtransformator med väderskydd. Den har en inspänning på primärsidan på 480 V (upp till 135 A), ger 208 eller 120 V på sekundärsidan (upp till 315 A) och har en nominell effekt på 112,5 kVA (figur 4). Transformatorn dämpar även övertoner och elektriska störningar.

Figur 4: Isolationstransformatorn E2H112S tar emot en inspänning på 480 V på primärsidan och ger 208 eller 120 V på sekundärsidan. Transformatorn dämpar även övertoner och elektriska störningar. (Bildkälla: SolaHD)

Transformatorn bör skyddas mot strömrusningar på inspänningen med en säkring. Det är god konstruktonssed att välja en säkring med en lämplig tidsfördröjning för att eliminera irriterande felutlösningar. Fenomenet uppstår när strömrusningen på inspänningen är hög men inte varar tillräckligt länge för att skada transformatorn.

Nätaggregat är viktiga i alla elektriska försörjningssystem, eftersom de levererar växelström eller likström till utrustning och hjälper till att filtrera bort elektriska störningar från elnätet. Modeller för montering på DIN-skena är snygga och sparar utrymme. Modeller för växelström för en och tre faser finns. Det är även möjligt att specificera enheter som kan hantera spänningsfall ner till halva nätspänningen utan avbrott i uteffekten.

SolaHD tillhandahåller en mängd olika nätaggregat för montering på DIN-skena, såsom AC/DC-nätaggregatet SDN5-24-100C (figur 5). Det är ett nätaggregat för en fas och uppfyller specifikationen E234790 för riskabla platser. Den tar en inspänning på 85 till 264 VAC eller 90 till 375 VDC och levererar en nominell utspänning på 24 V. Utströmmen är 5 A. Utspänningens rippel är mindre än 50 mV topp till topp Nätaggregatet har hög immunitet mot elektromagnetiska störningar (EMI) och ett driftstemperaturområde på -25 till +60 ˚C. Den är kompakt, 123 x 50 x 111 mm, och skyddad mot kontinuerlig kortslutning, kontinuerlig överbelastning och kontinuerligt öppen krets.

Figur 5: SDN5-24-100C är ett kompakt nätaggregat med måtten 123 x 50 x 111 mm för montering på DIN-skena. (Bildkälla: SolaHD)

Sammanfattning

Gruvor är både fysiskt och elektriskt utmanande miljöer att garantera elkvalitet och personalens säkerhet i. Konstruktörer bör anta en strategi med flera nivåer där varje komponent i det elektriska försörjningssystemet kan fungera tillförlitligt samtidigt som utmaningar med elkvaliteten mildras. Elutrustningen måste även följa relevanta säkerhetsföreskrifter. Genom att arbeta med en enda leverantör kan konstruktörer snabbt bygga ett elnät som förbättrar anläggningens tillförlitlighet, sänker underhållskostnaderna, garanterar säkerheten och lindrar problem med elkvaliteten innan de påverkar driften.