Veilige en betrouwbare voedingssystemen ontwerpen voor mijnbouw Elektrische voedingen

In de mijnen over de hele wereld vervoeren, breken en malen elektrisch aangedreven machines gesteente, vervoeren ze grondstoffen, verlichten ze donkere grotten, laten ze pompen en ventilatoren draaien en drijven ze boren, snijmachines, stofvangers en takels aan. Uitval van apparatuur leidt tot kostbare productiestilstand, dus wordt een hoge betrouwbaarheid verwacht ondanks trillingen, schokken en blootstelling aan chemicaliën, stof, hitte en vocht.

Het ontwerpen van elektrische voedingsnetwerken voor deze omgeving met behoud van de veiligheid van de werknemers is een uitdaging, maar wordt geholpen door de beschikbaarheid van commerciële elektrische producten die gecertificeerd zijn volgens internationale operationele en veiligheidsnormen. Om het systeemontwerp te vereenvoudigen en compatibiliteit tussen componenten te garanderen, kunnen ontwerpers één bron gebruiken voor een groot deel van de apparatuur die nodig is om een complete oplossing te bouwen.

Dit artikel geeft een kort overzicht van de milieu- en stroomkwaliteitseisen die de mijnbouw stelt aan elektrische apparatuur. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van gespecialiseerde oplossingen van SolaHD en wordt uitgelegd hoe deze kunnen worden toegepast in een meervoudige aanpak om de stroomkwaliteit en de veiligheid van werknemers te waarborgen.

De uitdagingen van ondergrondse elektrotechniek

In mijnen wordt apparatuur blootgesteld aan corrosieve vloeistoffen, brandbaar stof, vuil, agressieve chemicaliën, zware trillingen, willekeurige schokken, stroompieken en extreme temperatuurschommelingen. Van apparatuur en de bijbehorende voedingssystemen wordt echter verwacht dat ze veilig en betrouwbaar zijn.

De veiligheid wordt versterkt door het toezicht van instellingen zoals de U.S. Mine Safety and Health Administration (MSHA) en de Federal Mine Safety and Health Act van 1977. Een andere Amerikaanse norm is de National Electrical Code (NEC), of NFPA 70 (National Fire Protection Association). Deze norm heeft betrekking op de veilige installatie van elektrische bedrading en apparatuur. NEC-artikel 500 vereist het installeren van apparatuur die voldoet aan de code en die is getest en goedgekeurd voor specifieke gevaren, waaronder gevaren die voorkomen in mijnen en hun omgeving.

Om de kwaliteit van de stroomvoorziening te garanderen, moet je de basisstroomarchitectuur en de bijbehorende problemen begrijpen.

Mijnen halen hun stroom meestal uit het wisselstroomnet, hoewel er ook hoogspanningsgelijkstroom wordt gebruikt, geleverd door AC/DC-conversie of onsite DC-microgrids. Ononderbreekbare voedingen (UPS'en) zijn hier een voorbeeld van. De systemen volgen een basisontwerp: hoogspanningsstroom van het wisselstroomnet voedt hoogspanningstransformatoren die een hoofdonderstation voeden. Het hoofdonderstation verdeelt energie naar meerdere secundaire onderstations en rechtstreeks naar de grotere motorbelastingen van de mijn. De secundaire onderstations leveren stroom aan middenspanningsbelastingen en midden-/laagspanningstransformatoren die verbonden zijn met andere apparatuur.

Hoewel dit voedingsnet doorgaans stabiel is, treden er vaak problemen op met de stroomkwaliteit. Dergelijke problemen komen voor in de vorm van stroomonderbrekingen, spanningsdalingen, spanningspieken, spanningstransiënten, harmonische vervormingen en elektrische ruis (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Weergegeven golfvormen vertegenwoordigen problemen met de stroomkwaliteit. (Bron afbeelding: Auteur, met behulp van informatie van SolaHD)

Denk na over de oorzaak en het gevolg van deze stroomkwaliteitsproblemen:

Stroomonderbrekingen: Dit zijn volledige stroomonderbrekingen gedurende een langere periode, meestal veroorzaakt door een ongeluk of een storing in de apparatuur in het opwekkings- of distributienetwerk van het nutsbedrijf. Stroomonderbrekingen kunnen hardwarestoringen en crashes veroorzaken in computergebaseerde apparatuur, activiteiten stilleggen en de levensduur van elektrische apparatuur verkorten.

Brownouts: Dit beschrijft wat er gebeurt als de voedingsspanning gedurende langere tijd onder het normale minimumniveau ligt. Ze treden op wanneer nutsbedrijven door overcapaciteit of andere netwerkproblemen de spanning moeten verlagen om aan de vraag te voldoen. De effecten van een stroomonderbreking zijn vergelijkbaar met die van een onderbreking.

Spanningsdalingen: Spanningsdalingen en onderspanningen zijn de meest voorkomende storingen van de stroomkwaliteit in de mijnbouw. Ze treden op wanneer een aanzienlijke toename van de belasting de voeding belast, waardoor de voedingsspanning onder een drempelniveau zakt. De IEEE definieert een sag als een spanningsdaling van 10 tot 90% onder de normale spanning van 60 hertz (Hz). Een sag event duurt minder dan een minuut maar meer dan 8 milliseconden (ms). Onderspanningen duren langer dan een minuut.

Zowel verzwakkingen als onderspanningen kunnen leiden tot hinderlijke uitschakelingen van stroomonderbrekers, storingen en uitschakeling van apparatuur of voortijdige uitval van apparatuur. Als het apparaat in gebruik blijft, neemt het risico van verbranding of explosie toe. Tekenen van deze problemen zijn onder andere gedimde of flikkerende lampen, slecht werkende HVAC-units, motoren die warm lopen en automatiseringssystemen en computers die vastlopen of uitschakelen.

Spanningspieken: Een spanningspiek of overspanning is een tijdelijke verhoging van het spanningsniveau gedurende een periode variërend van een halve frequentiecyclus tot enkele seconden. Deze storingen kunnen worden veroorzaakt door het uitschakelen van krachtige elektromotors en de normale cycli van HVAC-systemen. Herhaalde blootstelling aan spanningspieken kan systemen belasten en verzwakken en valse uitschakelingen van stroomonderbrekers en andere beveiligingen veroorzaken.

Een ander probleem in verband met overspanningen is de aantasting van de isolatie. Verslechterende isolatie brengt de veilige werking van het energiesysteem in de mijn in gevaar door als katalysator te dienen voor branden of door methaan- of kolengruisexplosies te veroorzaken.

Spanningstransiënten: Spanningstransiënten of pieken zijn het gevolg van plotselinge aanzienlijke spanningsstijgingen die worden veroorzaakt door externe factoren zoals blikseminslag en het schakelen van het elektriciteitsnet. Ze kunnen ook in de mijn ontstaan door kortsluiting, onderbroken stroomonderbrekers en het opstarten van zware apparatuur.

Gevoelige elektronische apparatuur loopt het grootste risico op spanningspieken die het systeem kunnen blokkeren of uitvallen en waardevolle gegevens kunnen beschadigen of wissen.

Harmonische vervormingen: Spanningsproblemen ontstaan wanneer veelvouden van de fundamentele frequentie (zoals 180 Hz in een 60 Hz systeem) voorkomen in de sinusgolf van de voeding. Harmonische vervorming ontstaat door de niet-lineaire eigenschappen van apparaten zoals frequentieregelaars (VSD's) en belastingen op het elektriciteitssysteem. De harmonischen leiden tot verhoogde verwarming in apparatuur en geleiders, verkeerd ontsteken van VSD's en koppelpulsaties in motoren. Andere symptomen van harmonische vervorming in een mijnbouwstroomsysteem zijn interferentie met het communicatiesysteem van de mijn, flikkerende lichten, uitgevallen stroomonderbrekers en losgeraakte elektrische verbindingen.

Er zijn veel elektromotors in mijnen, waarvan de meeste zijn uitgerust met niet-lineaire VSD's, waardoor ze de belangrijkste bron van harmonische storingen in een mijn zijn. Bovendien verbetert het gebruik van een volledige-golfgelijkrichter in de motoren de efficiëntie, maar genereert deze aanzienlijke harmonische storingen.

Elektrische ruis: Dit is een storing met lage amplitude, lage stroomsterkte en hoge frequentie die binnen en buiten de mijn wordt gegenereerd. Bronnen zijn onder andere verre blikseminslagen, schakelende voedingen, elektronische circuits, slechte motorborstelcontacten en bedrading van slechte kwaliteit.

De ruissignalen worden gesuperponeerd op spanningsgolfvormen en kunnen computerstoringen en ongewenste effecten veroorzaken in de circuits van regelsystemen.

Stroomkwaliteitsproblemen aanpakken

De beste manier om te voldoen aan de kritieke uitdagingen van een continue vraag naar hoogwaardige stroom in de mijnbouw en tegelijkertijd robuustheid en een hoog niveau van elektrische veiligheid te garanderen, is een meervoudige aanpak met gecertificeerde apparatuur die UPS-systemen, stroomconditioners, overspanningsbeveiligingen (SPD's), transformatoren en voedingen omvat.

Tabel 1 geeft een overzicht van de beste apparatuur om een bepaald probleem met de netvoedingskwaliteit te beheersen.

Tabel 1: Er is een reeks beveiligingsapparaten nodig om alle problemen met de stroomkwaliteit op te lossen die kunnen optreden in de mijnbouwomgeving. (Bron afbeelding: SolaHD)

Het is handig om te werken met één enkele bron, zoals SolaHD, voor een aanpak met meerdere energiekwaliteiten om het ontwerp, de aankoop en de implementatie te vereenvoudigen en compatibiliteit te garanderen. De offline UPS SDU500B van het bedrijf levert bijvoorbeeld 4 minuten (min) en 20 seconden (s) back-upstroom bij volledige belasting en 14 minuten en 30 seconden bij halve belasting in het geval van een stroomonderbreking (Afbeelding 2). Zoals te zien is in Tabel 1, ondersteunt deze UPS ook de hoofdvoeding in het geval van spanningsdalingen, spanningspieken, spanningstransiënten en harmonische storingen.

Afbeelding 2: De SDU500B offline UPS biedt back-upvoeding gedurende 4 min en 20 s bij volledige belasting. (Bron afbeelding: SolaHD)

De UPS wordt op een DIN-rail gemonteerd en maakt gebruik van onderhoudsvrije, verzegelde loodzuurbatterijen (SLA) die in acht uur volledig zijn opgeladen. Hij levert een uitgang van 300 watt, 120 volt met een gesimuleerde sinusgolf van 50 tot 60 Hz en een overdrachtstijd van minder dan 8 ms. De UPS kan werken in een temperatuurbereik van 0 tot 50 °C en is een "Erkend onderdeel" voor gebruik op gevaarlijke locaties met zoneclassificatie volgens E491259, waardoor het geschikt is voor mijnbouwactiviteiten.

De voedingsconditioners van SolaHD kunnen ook een spanning regelen tot binnen ±1% voor ingangsvariaties tot +10/-20%, bieden superieure ruisonderdrukking en zijn ontworpen om de zwaarste elektrische omgevingen te weerstaan.

De voedingsconditioners maken gebruik van een transformatorontwerptechniek genaamd ferroresonantie die twee afzonderlijke magnetische paden in het apparaat creëert met beperkte koppeling. Een voordeel van dit ontwerp is dat de ingangsstroom een verwaarloosbare harmonische stroom bevat ten opzichte van de fundamentele. De uitgangszijde van de transformator heeft een parallel resonantietankcircuit en onttrekt vermogen aan de primaire om het vermogen te vervangen dat aan de belasting wordt geleverd.

De SolaHD 63-23-112-4 MCR Hardwire Regulator van 120 voltampère (VA) is bijvoorbeeld een stroomregelaar die een uitgang van 120 volt (±3%) levert vanaf een ingang van 120, 208, 240 of 480 volt. Het zorgt voor uitstekende ruisfiltering en overspanningsbeveiliging samen met spanningsregeling. De geluidsdemping is 120 decibel (dB) in gewone modus en 60 dB in transversale modus. De overspanningsbeveiliging is getest volgens ANSI/IEEE C62.41 klasse A & B golfvorm. De MCR Hardwire Regulator is een goede keuze wanneer spanningsdalingen, spanningspieken, transiënten, harmonische storingen en elektrische ruis worden verwacht.

SPD's beschermen tegen spanningsovergangen die schadelijk zijn voor apparatuur. De TVSS SPD (Transient Voltage Surge Suppressor) STV25K-24S van SolaHD is een apparaat voor DIN-railmontage dat werkt op een ingang van 240 volt (tot 20 A) en bescherming biedt op het punt van gebruik door gebruik te maken van een metaaloxide varistor (MOV) (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De STV25K-24S TVSS SPD is een DIN-railmontage apparaat dat werkt op een ingang van 240 volt (tot 20 A) en overspanningsbeveiliging biedt op het punt van gebruik. (Bron afbeelding: SolaHD)

De SolaHD SPD is geschikt voor installatie in schakelkasten in zware industriële omgevingen zoals een mijnbouwinstallatie. Het apparaat biedt 25.000 A overspanningsbeveiliging per fase. De reactietijd op een transiënt is minder dan 5 nanoseconden (ns). De SPD bevat een thermische beveiliging om oververhitting van de MOV door te hoge stroomniveaus te voorkomen.

Specificatie van scheidingstransformators en voedingen

Naast het verhogen of verlagen van een ingangswisselspanning naar een geschikte uitgangswaarde, kunnen scheidingstransformatoren apparaten aangesloten op de secundaire zijde beschermen tegen harmonische storingen en elektrische ruis.

Een voorbeeld is de SolaHD E2H112S. Deze scheidingstransformator is een energiezuinig droog type dat voorzien is van een weerschild. Het heeft een primaire ingang van 480 volt (tot 135 A), biedt 208 of 120 volt van de secundaire ingang (tot 315 A) en heeft een nominale waarde van 112,5 kilovolt-ampère (kVA) (afbeelding 4). De transformator vermindert ook harmonische storingen en elektrische ruis.

Afbeelding 4: De E2H112S-scheidingstransformator neemt een ingang van 480 volt op de primaire en biedt 208 of 120 volt op de secundaire. De transformator vermindert ook harmonische storingen en elektrische ruis. (Bron afbeelding: SolaHD)

De transformator moet worden beschermd tegen inschakelstromen door een stroomonderbreker. Het is een goede ontwerppraktijk om een stroomonderbreker te kiezen met een geschikte tijdvertraging om hinderlijk uitschakelen te voorkomen. Dit fenomeen treedt op wanneer de inschakelstroom hoog is, maar van onvoldoende lange duur om de transformator te beschadigen.

Voedingen zijn van vitaal belang voor elk elektrisch voedingssysteem: ze leveren wissel- of gelijkstroomvoeding aan apparatuur en helpen elektrische ruis uit de hoofdvoeding te filteren. De versies voor DIN-railmontage zijn netjes en ruimtebesparend. Er zijn enkelfasige en driefasige AC-modellen beschikbaar; het is ook mogelijk om apparaten te specificeren die spanningsdalingen tot de helft van de lijnspanning aankunnen zonder onderbreking van het uitgangsvermogen.

SolaHD levert een reeks DIN-rail voedingen, zoals de SDN5-24-100C AC/DC-voeding (Afbeelding 5). Dit is een eenfasige voeding en voldoet aan de E234790-specificatie voor gevaarlijke locaties. Het kan een ingang van 85 tot 264 volt AC (VAC) of een ingang van 90 tot 375 volt DC (VDC) aan en levert een nominale uitgang van 24 volt. De uitgangsstroom is 5 A. De spanningsrimpel op de uitgang is minder dan 50 millivolt (mV) piek-tot-piek. De voeding heeft een hoge immuniteit voor elektromagnetische interferentie (EMI) en een bedrijfstemperatuurbereik van -25 tot +60 °C. Het is compact, meet 123 x 50 x 111 mm en is beveiligd tegen continue kortsluiting, continue overbelasting en continue open circuitfouten.

Afbeelding 5: De SDN5-24-100C is een compacte, op een DIN-rail gemonteerde voeding van 123 x 50 x 111 mm. (Bron afbeelding: SolaHD)

Conclusie

Mijnen vormen zowel fysiek als elektrisch een uitdagende omgeving om de stroomkwaliteit en de veiligheid van de werknemers te garanderen. Ontwerpers moeten kiezen voor een meervoudige aanpak waarbij elke component van het elektrische voedingssysteem betrouwbaar kan werken en tegelijkertijd de uitdagingen op het gebied van stroomkwaliteit kan beperken. De elektrische apparatuur moet ook voldoen aan de relevante veiligheidsvoorschriften. Door met één leverancier te werken, kunnen ontwerpers snel een elektrisch netwerk bouwen dat de betrouwbaarheid van de locatie verbetert, de onderhoudskosten verlaagt, de veiligheid waarborgt en problemen met de stroomkwaliteit vermindert voordat ze de bedrijfsvoering beïnvloeden.