Projektowanie bezpiecznych i niezawodnych systemów zasilania górniczych urządzeń elektrycznych

Urządzenia z napędem elektrycznym służą w kopalniach całego świata do transportu, kruszenia i rozdrabniania skał, przenoszenia surowców, oświetlania ciemnych pieczar, zasilania pomp i wentylatorów, a także świdrów, maszyn do cięcia, odpylaczy i dźwigników. Awarie sprzętu prowadzą do kosztownych przestojów w produkcji, dlatego wymagana jest jego wysoka niezawodność pomimo drgań, uderzeń i narażenia na chemikalia, kurz, ciepło oraz wilgoć.

Projektowanie sieci zasilania elektrycznego pod kątem takiego środowiska, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa pracowników, jest trudne, ale pomaga w tym dostępność komercyjnych produktów elektrycznych certyfikowanych zgodnie z międzynarodowymi normami operacyjnymi i bezpieczeństwa. Aby uprościć projektowanie systemu i zapewnić kompatybilność między komponentami, projektanci mogą korzystać z jednego dostawcy większości urządzeń potrzebnych do zbudowania kompletnego rozwiązania.

W niniejszym artykule przedstawiono pokrótce wymagania dotyczące środowiska i jakości zasilania, jakie górnictwo nakłada na sprzęt elektryczny. Następnie przedstawiono przykłady specjalistycznych rozwiązań firmy SolaHD i wyjaśniono, w jaki sposób można je zastosować w wielopoziomowym podejściu do zapewnienia jakości energii i bezpieczeństwa pracowników.

Wyzwania dla elektrotechniki w środowiskach podziemnych

Urządzenia w kopalniach są narażone na działanie żrących cieczy, palnego pyłu, brudu, szkodliwych chemikaliów, silnych drgań, przypadkowych uderzeń, przepięć i ekstremalnych zmian temperatury. Jednak oczekuje się, że urządzenia i ich systemy zasilania będą bezpieczne i niezawodne.

Bezpieczeństwo jest zapewnione dzięki nadzorowi takich instytucji, jak amerykańska Administracja ds. Bezpieczeństwa i Zdrowia w Górnictwie (MSHA) oraz ustawie federalnej z 1977 r. o bezpieczeństwie w kopalniach i zdrowiu. Kolejną normą amerykańską jest National Electrical Code (NEC) inaczej zwany normą NFPA 70 Narodowego Związku Ochrony Przeciwpożarowej (NFPA). Norma ta dotyczy bezpiecznej instalacji przewodów elektrycznych i urządzeń. Artykuł 500 normy NEC wymaga instalacji sprzętu zgodnego z przepisami, przetestowanego i zatwierdzonego pod kątem określonych zagrożeń, również występujących w kopalniach i ich otoczeniu.

Zapewnienie jakości zasilania wymaga zrozumienia podstawowej architektury zasilania i związanych z nią problemów.

Kopalnie zwykle pobierają energię z sieci prądu zmiennego, chociaż stosuje się również prąd stały wysokiego napięcia, dostarczany z przetwornicy prądu zmiennego na stały lub z lokalnych mikrosieci prądu stałego. Przykładem mogą być zasilacze awaryjne (UPS). Systemy te są wykonywane w podstawowym układzie: wysokie napięcie z sieci prądu zmiennego zasila transformatory wysokiego napięcia zasilające podstację główną. Podstacja główna dostarcza energię do wielu podstacji pomocniczych i bezpośrednio do większych odbiorników silnikowych w kopalni. Podstacje pomocnicze dostarczają energię do odbiorników średniego napięcia i transformatorów średniego/niskiego napięcia połączonych z innymi urządzeniami.

Chociaż taka sieć zasilająca jest zwykle stabilna, często pojawiają się problemy z jakością energii. Problemy te mają postać przerw w zasilaniu, spadków, zapadów, udarów i stanów nieustalonych napięcia, zniekształceń harmonicznych i szumów elektrycznych (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przebiegi dla różnych problemów z jakością zasilania. (Źródło ilustracji: autor, przy wykorzystaniu informacji firmy SolaHD)

Rozważmy przyczyny i skutki problemów z jakością zasilania:

Przerwy w zasilaniu: są to całkowita utrata zasilania przez dłuższy czas, zwykle spowodowana wypadkiem lub awarią sprzętu w sieci wytwórczej lub dystrybucyjnej zakładu energetycznego. Przerwy w zasilaniu mogą powodować usterki i awarie sprzętu komputerowego, wstrzymywać pracę i skracać żywotność sprzętu elektrycznego.

Spadki napięcia: opisują one, co się dzieje, gdy dostarczane napięcie utrzymuje się przez dłuższy czas poniżej normalnego poziomu minimalnego. Występują, gdy nadmiar mocy lub inne problemy z siecią zmuszają przedsiębiorstwa energetyczne do obniżenia napięcia w celu sprostania zapotrzebowaniu. Skutki spadków napięcia są podobne do przerw.

Zapady napięcia: zapady i stany podnapięciowe są najczęstszymi zakłóceniami jakości energii w górnictwie. Występują przy znacznym wzroście obciążenia zasilania, powodując spadek napięcia zasilania poniżej poziomu progowego. Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) definiuje zapad jako spadek napięcia o wartość od 10 do 90% poniżej normalnego napięcia przy 60Hz. Zdarzenie zapadu trwa krócej niż jedną minutę, ale dłużej niż 8ms. Zjawisko zbyt niskiego napięcia trwa dłużej niż minutę.

Zarówno zapady, jak i zbyt niskie napięcia mogą powodować niepożądane zadziałanie wyłączników, awarię i wyłączenie sprzętu lub przedwczesną awarię sprzętu. Ciągła praca zwiększa ryzyko zapłonu lub wybuchu. Oznaki tych problemów to m.in. przyciemnione lub migoczące światła, źle działające urządzenia klimatyzacji i wentylacji, przegrzewające się silniki oraz blokujące lub wyłączające się systemy sterowania automatyki i komputery.

Udary napięciowe: stan udaru napięciowego lub nadmiernego napięcia to chwilowy wzrost poziomu napięcia trwający od połowy cyklu częstotliwości do kilku sekund. Zakłócenia te mogą być spowodowane wyłączaniem silników elektrycznych dużej mocy i normalnymi cyklami pracy systemów klimatyzacji i wentylacji. Powtarzające się narażenie na udary napięciowe może obciążać i osłabiać układy oraz powodować fałszywe zadziałanie wyłączników automatycznych i innych urządzeń zabezpieczających.

Kolejnym problemem związanym z nadmiernym napięciem jest osłabienie izolacji. Pogorszenie stanu izolacji zagraża bezpiecznemu działaniu układu zasilania kopalni, ponieważ może prowadzić do pożarów oraz wybuchów metanu lub pyłu węglowego.

Stany nieustalone napięcia: stany nieustalone napięcia lub skoki napięcia są wynikiem nagłych, znacznych wzrostów napięcia spowodowanych czynnikami zewnętrznymi, takimi jak uderzenia pioruna i przełączanie w sieci energetycznej. Mogą one również powstawać wewnątrz kopalni z powodu zwarć, zadziałania wyłączników i rozruchu ciężkiego sprzętu.

Wrażliwe urządzenia elektroniczne są najbardziej narażone na stany nieustalone napięcia, które mogą spowodować zablokowanie systemu lub jego awarię, uszkadzając lub usuwając cenne dane.

Zniekształcenia harmoniczne: problemy z napięciem pojawiają się, gdy w fali sinusoidalnej zasilania występują wielokrotności częstotliwości podstawowej (np. 180Hz w systemie 60Hz). Zniekształcenia harmoniczne wynikają z nieliniowej charakterystyki urządzeń, takich jak napędy o zmiennej prędkości (VSD) i odbiorniki w systemie zasilania. Harmoniczne prowadzą do zwiększonego nagrzewania się urządzeń i przewodów, nieprawidłowego zapłonu napędów o zmiennej prędkości (VSD) oraz pulsacji momentu obrotowego w silnikach. Innymi objawami zniekształceń harmonicznych w kopalnianych układach zasilania są zakłócenia w systemie komunikacji kopalni, migotanie świateł, zadziałanie wyłączników i poluzowane połączenia elektryczne.

W kopalniach używa się wiele silników elektrycznych, z których większość zawiera nieliniowe napędy o zmiennej prędkości (VSD), co czyni je głównym źródłem harmonicznych w działalności górniczej. Ponadto zastosowanie w silnikach prostownika pełnookresowego poprawia sprawność, ale generuje znaczne harmoniczne.

Szumy elektryczne: są to zakłócenia o niskiej amplitudzie, niskim prądzie i wysokiej częstotliwości, generowane wewnątrz i na zewnątrz kopalni. Ich źródła to m.in. odległe uderzenia piorunów, zasilacze impulsowe, obwody elektroniczne, zły stan styków szczotek silników i złej jakości oprzewodowanie.

Sygnały szumów nakładają się na przebiegi napięcia i mogą powodować zakłócenia w pracy komputera oraz niepożądane efekty w obwodach układów sterowania.

Rozwiązywanie problemów z jakością zasilania

Najlepszym sposobem na sprostanie krytycznym wyzwaniom ciągłego zapotrzebowania na wysokiej jakości energię w górnictwie, przy jednoczesnym zapewnieniu odporności i wysokiego poziomu bezpieczeństwa elektrycznego, jest przyjęcie podejścia wielopoziomowego z wykorzystaniem certyfikowanego sprzętu, który obejmuje zasilacze awaryjne (UPS), kondycjonery mocy, komponenty ochrony przeciwprzepięciowej (SPD), transformatory i zasilacze.

W tabeli 1 zestawiono najlepsze urządzenia do zapobiegania konkretnym problemom z jakością zasilania.

Tabela 1: aby poradzić sobie ze wszystkimi problemami z jakością zasilania, które mogą wystąpić w środowisku górniczym, potrzebnych jest szereg urządzeń zabezpieczających. (Źródło ilustracji: SolaHD)

W wielopoziomowym podejściu do jakości zasilania, w celu uproszczenia procesu projektowania, nabywania i wdrażania, a także w celu zapewnienia kompatybilności pomocna jest praca z jednym dostawcą, takim jak firma SolaHD. Na przykład zasilacz awaryjny (UPS) SDU500B działający w trybie offline zapewnia zasilanie rezerwowe przez 4 minuty i 20 sekund przy pełnym obciążeniu oraz przez 14 minut i 30 sekund przy obciążeniu połowicznym w przypadku przerwy w zasilaniu (ilustracja 2). Jak pokazano w tabeli 1, omawiany zasilacz UPS podtrzymuje również główne zasilanie w przypadku spadków, zapadów napięcia, udarów i stanów nieustalonych napięcia oraz występowania harmonicznych.

Ilustracja 2: zasilacz awaryjny (UPS) offline SDU500B zapewnia zasilanie rezerwowe przez 4 minuty i 20 sekundy przy pełnym obciążeniu. (Źródło ilustracji: SolaHD)

Zasilacz awaryjny (UPS) jest montowany na szynie DIN i wykorzystuje bezobsługowe szczelne akumulatory kwasowo-ołowiowe (SLA), których pełne naładowanie trwa osiem godzin. Zapewnia on moc 300W, napięcie 120V z symulowaną falą sinusoidalną o częstotliwości od 50 do 60Hz i czasem transferu poniżej 8ms. Zasilacz awaryjny (UPS) może pracować w zakresie temperatur od 0 do 50˚C i jest uznanym komponentem do użytku w strefach niebezpiecznych według normy E491259, dzięki czemu nadaje się do stosowania w górnictwie.

Kondycjonery zasilania firmy SolaHD mogą również regulować napięcie w zakresie ±1% przy zmienności wejścia do +10/-20%, zapewniają doskonałe tłumienie szumów i są zaprojektowane tak, aby wytrzymać najtrudniejsze warunki elektryczne.

Kondycjonery mocy wykorzystują technikę budowy transformatorów zwaną ferrorezonansem, która tworzy w urządzeniu dwie oddzielne ścieżki magnetyczne z ograniczonym sprzężeniem. Jedną z zalet tej konstrukcji jest to, że prąd wejściowy zawiera pomijalne harmoniczne w stosunku do składowej podstawowej. Wyjściowa strona transformatora posiada równoległy obwód rezonansowy i pobiera energię z uzwojenia pierwotnego, aby zastąpić energię dostarczaną do odbiornika.

Na przykład przewodowy regulator MCR 120V 63-23-112-4 firmy SolaHD jest kondycjonerem mocy, który dostarcza napięcie wyjściowe 120V (±3%) z napięcia wejściowego 120, 208, 240 lub 480V. Zapewnia on znakomite filtrowanie zakłóceń i ochronę przeciwprzepięciową oraz regulację napięcia. Tłumienie szumów wynosi 120dB w trybie wspólnym i 60dB w trybie poprzecznym. Jego ochrona przeciwprzepięciowa jest badana zgodnie z przebiegami klasy A i B wg normy ANSI/IEEE C62.41. Regulator przewodowy MCR jest dobrym wyborem, gdy spodziewane są spadki, zapady, udary i stany nieustalone napięcia oraz występowanie harmonicznych i szumów elektrycznych.

Komponenty ochrony przeciwprzepięciowej (SPD) zabezpieczają przed stanami nieustalonymi napięcia powodującymi uszkodzenie sprzętu. Komponent ochrony przeciwprzepięciowej (SPD) w postaci ogranicznika przepięciowego (TVSS) STV25K-24S firmy SolaHD jest urządzeniem do montażu na szynie DIN, które działa przy napięciu wejściowym 240V (do 20A) i zapewnia ochronę w miejscu użycia dzięki zastosowaniu warystora metalowo-tlenkowego (MOV) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: komponent ochrony przeciwprzepięciowej (SPD) w postaci ogranicznika przepięciowego (TVSS) STV25K-24S jest montowanym na szynie DIN urządzeniem działającym przy napięciu wejściowym 240V (do 20A) i zapewnia ochronę przeciwprzepięciową w miejscu użycia. (Źródło ilustracji: SolaHD)

Komponenty ochrony przeciwprzepięciowej (SPD) SolaHD mogą być instalowane w szafach sterowniczych w trudnych warunkach przemysłowych, takich jak zakłady górnicze. Urządzenie zapewnia ochronę przeciwprzepięciową na poziomie 25kA na fazę. Czas odpowiedzi na stan nieustalony jest krótszy niż 5ns. Omawiany komponent ochrony przeciwprzepięciowej (SPD) zawiera bezpiecznik termiczny, który zapobiega przegrzaniu warystora metalowo-tlenkowego (MOV) spowodowanym nadmiernymi prądami.

Określanie specyfikacji transformatorów izolacyjnych i zasilaczy

Oprócz podwyższania lub obniżania wejściowego napięcia prądu zmiennego do odpowiedniej wartości wyjściowej, transformatory izolacyjne mogą chronić urządzenia podłączone po stronie wtórnej przed harmonicznymi i zakłóceniami elektrycznymi.

Jednym z ich przykładów jest urządzenie E2H112S firmy SolaHD. Omawiany transformator izolacyjny jest energooszczędnym transformatorem suchym wyposażonym w osłonę chroniącą przed czynnikami atmosferycznymi. Ma on napięcie wejściowe strony pierwotnej 480V(do 135A), dostarcza 208 lub 120V na wyjściu strony wtórnej (do 315A), a jego moc znamionowa wynosi 112,5kVA (ilustracja 4). Przedstawiony transformator niweluje również harmoniczne i zakłócenia elektryczne.

Ilustracja 4: transformator izolacyjny E2H112S o napięciu wejściowym 480V po stronie pierwotnej wyprowadza napięcie 208 lub 120V po stronie wtórnej. Przedstawiony transformator niweluje również harmoniczne i zakłócenia elektryczne. (Źródło ilustracji: SolaHD)

Transformator należy zabezpieczyć przed początkowymi prądami rozruchowymi za pomocą wyłącznika automatycznego. Dobrą praktyką projektową jest dobór wyłącznika automatycznego o odpowiednim opóźnieniu czasowym, aby wyeliminować niepożądane wyzwalanie. Zjawisko to występuje, gdy prąd rozruchowy jest wysoki, ale jego czas trwania jest niewystarczający, aby uszkodzić transformator.

Zasilacze mają kluczowe znaczenie dla każdego systemu zasilania elektrycznego, dostarczając prąd zmienny lub stały do urządzeń i pomagając w filtrowaniu zakłóceń elektrycznych z głównego źródła zasilania. Wersje do montażu na szynie DIN zapewniają porządek i oszczędność miejsca. Dostępne są modele jednofazowe i trójfazowe prądu zmiennego. Można też wybrać urządzenia o specyfikacjach umożliwiających im wytrzymywanie spadków napięcia nawet o połowę niższych od napięcia linii bez zakłóceń w mocy wyjściowej.

Firma SolaHD oferuje szereg zasilaczy do montażu na szynie DIN, takich jak zasilacz prądu zmiennego/stałego SDN5-24-100C (ilustracja 5). Jest to zasilacz jednofazowy zgodny ze specyfikacją E234790, przeznaczony do stosowania w strefach niebezpiecznych. Może przyjmować napięcie wejściowe od 85 do 264V~ lub od 90 do 375V=, dostarczając znamionowe napięcie wyjściowe 24V. Prąd wyjściowy wynosi 5A. Wartość międzyszczytowa tętnienia napięcia na wyjściu jest niższa od 50mV. Zasilacz charakteryzuje się wysoką odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i zakresem temperatur roboczych od -25 do +60˚C. Ma kompaktowe wymiary 123 x 50 x 111mm i jest zabezpieczony przed ciągłymi zwarciami, ciągłymi przeciążeniami oraz ciągłymi przerwami w obwodzie.

Ilustracja 5: SDN5-24-100C to kompaktowy zasilacz montowany na szynie DIN o wymiarach 123 x 50 x 111mm. (Źródło ilustracji: SolaHD)

Podsumowanie

Kopalnie stanowią środowisko wymagające zarówno pod względem fizycznym, jak i elektrycznym, jeśli chodzi o zapewnienie jakości zasilania i bezpieczeństwa pracowników. Projektanci powinni przyjąć podejście wielopoziomowe, w którym każdy komponent systemu zasilania elektrycznego może działać niezawodnie, przy jednoczesnym ograniczeniu wyzwań związanych z jakością zasilania. Urządzenia zasilające powinny również być zgodne z odpowiednimi przepisami dotyczącymi bezpieczeństwa. Współpracując z jednym dostawcą, projektanci mogą szybko zbudować sieć elektryczną, która poprawi niezawodność obiektu, obniży koszty konserwacji, zapewni bezpieczeństwo i złagodzi problemy z jakością zasilania, zanim wpłyną one na pracę.