Di dalam pertambangan dunia, peralatan bertenaga listrik mengangkut, meremukkan, dan menggiling batu, mengangkut bahan mentah, menyalakan gua-gua yang gelap, menjalankan pompa dan kipas ventilasi, serta menggerakkan bor, mesin pemotong, pengumpul debu, dan kerekan. Kegagalan peralatan menyebabkan waktu henti produksi yang mahal, sehingga diharapkan keandalan yang tinggi meskipun terjadi getaran, benturan, dan paparan bahan kimia, debu, panas, dan kelembapan.
Merancang jaringan pasokan listrik untuk lingkungan ini sambil memastikan keselamatan pekerja merupakan suatu tantangan, namun terbantu dengan ketersediaan produk listrik komersial yang bersertifikat standar operasional dan keselamatan internasional. Untuk menyederhanakan desain sistem dan memastikan kompatibilitas antar komponen, perancang dapat menggunakan satu sumber untuk sebagian besar peralatan yang diperlukan untuk membangun solusi lengkap.
Artikel ini secara singkat menguraikan tuntutan kualitas lingkungan dan daya yang diterapkan pertambangan pada peralatan listrik. Bagian ini kemudian memperkenalkan contoh solusi khusus dari SolaHD dan menjelaskan bagaimana solusi tersebut dapat diterapkan dalam pendekatan multitingkat untuk memastikan kualitas daya dan keselamatan pekerja.
Tantangan teknik kelistrikan bawah tanah
Di tambang, peralatan dapat terkena cairan korosif, debu yang mudah terbakar, kotoran, bahan kimia keras, getaran berat, benturan acak, lonjakan listrik, dan variasi suhu ekstrem. Namun, peralatan dan sistem tenaganya diharapkan aman dan andal.
Keselamatan didukung oleh pengawasan dari institusi seperti Administrasi Keselamatan dan Kesehatan Tambang AS (MSHA) dan Undang-Undang Keselamatan dan Kesehatan Tambang Federal tahun 1977. Standar AS lainnya adalah National Electrical Code (NEC), atau National Fire Protection Association (NFPA) 70. Standar ini mencakup pemasangan kabel dan peralatan listrik yang aman. NEC Pasal 500 mewajibkan pemasangan peralatan yang sesuai dengan kode yang diuji dan disetujui untuk bahaya tertentu, termasuk yang ditemukan di tambang dan sekitarnya.
Memastikan kualitas daya memerlukan pemahaman tentang arsitektur dasar daya dan isu-isu terkait.
Tambang umumnya mengambil daya dari jaringan AC, meskipun daya DC tegangan tinggi, yang disuplai oleh konversi AC/DC atau mikrogrid DC di lokasi, juga digunakan. Catu daya tak terputus (UPS) adalah contohnya. Sistem ini mengikuti desain dasar: daya tegangan tinggi dari jaringan AC mengalirkan transformator tegangan tinggi yang menyuplai gardu induk. Gardu induk utama mendistribusikan energi ke beberapa gardu induk sekunder dan langsung ke beban motor tambang yang lebih besar. Gardu induk sekunder menyuplai daya ke beban tegangan menengah dan trafo tegangan menengah/rendah yang dihubungkan ke peralatan lain.
Meskipun jaringan pasokan ini biasanya stabil, masalah kualitas listrik sering kali muncul. Permasalahan tersebut muncul dalam bentuk gangguan listrik, brownouts, tegangan sag, lonjakan tegangan, transien tegangan, distorsi harmonik, dan gangguan listrik (Gambar 1).
Pertimbangkan penyebab dan akibat dari masalah kualitas daya berikut:
Gangguan listrik: Ini adalah kehilangan daya total dalam jangka waktu lama, biasanya disebabkan oleh kecelakaan atau kegagalan peralatan pada jaringan pembangkit atau distribusi utilitas. Gangguan listrik dapat menyebabkan kegagalan perangkat keras dan kerusakan pada peralatan berbasis komputer, menghentikan pengoperasian, dan mengurangi masa pakai peralatan listrik.
Brownout: Ini menggambarkan apa yang terjadi ketika tegangan yang disuplai berada di bawah level minimum normal untuk jangka waktu lama. Hal ini terjadi ketika kelebihan kapasitas atau masalah jaringan lainnya memaksa utilitas untuk menurunkan tegangan untuk memenuhi permintaan. Efek dari brownout serupa dengan efek interupsi.
Tegangan melorot: Kondisi sag dan undervoltage merupakan gangguan kualitas daya yang paling umum terjadi di pertambangan. Hal ini terjadi ketika peningkatan beban yang signifikan memberikan tekanan pada suplai, menyebabkan tegangan suplai turun di bawah level ambang batas. IEEE mendefinisikan sag sebagai penurunan tegangan 10 hingga 90% di bawah tegangan normal 60 hertz (Hz). Peristiwa sag berlangsung kurang dari satu menit tetapi lebih dari 8 milidetik (ms). Tegangan rendah bertahan lebih dari satu menit.
Tegangan yang melorot dan tegangan rendah dapat menyebabkan pemutus gangguan tersandung, kerusakan dan penghentian peralatan, atau kegagalan peralatan sebelum waktunya. Pengoperasian yang berkelanjutan meningkatkan risiko pembakaran atau ledakan. Tanda-tanda permasalahan ini antara lain lampu redup atau berkedip-kedip, unit HVAC yang tidak berfungsi dengan baik, motor menjadi panas, dan sistem kontrol otomasi serta komputer terkunci atau mati.
Lonjakan tegangan: Kondisi lonjakan atau tegangan berlebih adalah peningkatan level tegangan sementara dengan durasi mulai dari setengah siklus frekuensi hingga beberapa detik. Gangguan ini dapat disebabkan oleh matinya motor listrik berdaya tinggi dan siklus normal sistem HVAC. Paparan lonjakan tegangan yang berulang dapat menimbulkan tekanan dan melemahkan sistem serta menyebabkan pemutusan sirkuit dan perangkat perlindungan lainnya mengalami trip yang salah.
Masalah selanjutnya yang terkait dengan tegangan lebih adalah degradasi isolasi. Memburuknya isolasi membahayakan pengoperasian sistem tenaga tambang yang aman karena berfungsi sebagai katalisator kebakaran atau memicu ledakan metana atau debu batu bara.
Transien tegangan: Transien tegangan, atau lonjakan, diakibatkan oleh kenaikan tegangan signifikan secara tiba-tiba yang disebabkan oleh faktor eksternal seperti sambaran petir dan peralihan jaringan utilitas. Mereka juga dapat berasal dari dalam tambang karena arus pendek, pemutus arus yang tersandung, dan alat berat yang dinyalakan.
Peralatan elektronik yang sensitif paling berisiko mengalami transien tegangan yang dapat menyebabkan sistem terkunci atau rusak, merusak atau menghapus data berharga.
Distorsi harmonik: Masalah tegangan muncul ketika kelipatan frekuensi dasar (seperti 180 Hz dalam sistem 60 Hz) terjadi pada gelombang sinewave suplai. Distorsi harmonik terjadi karena karakteristik nonlinier perangkat seperti penggerak kecepatan variabel (VSD) dan beban pada sistem tenaga. Harmonisa menyebabkan peningkatan pemanasan pada peralatan dan konduktor, kesalahan penyalaan VSD, dan denyut torsi pada motor. Gejala distorsi harmonik lainnya pada sistem tenaga pertambangan adalah gangguan pada sistem komunikasi tambang, lampu berkedip-kedip, pemutus arus terputus, dan sambungan listrik kendor.
Terdapat banyak motor listrik di tambang, yang sebagian besar memiliki fitur VSD non-linier, menjadikannya sumber utama harmonik dalam operasi penambangan. Selain itu, penggunaan penyearah gelombang penuh pada motor meningkatkan efisiensi tetapi menghasilkan harmonik yang cukup besar.
Kebisingan listrik: Ini adalah gangguan dengan amplitudo rendah, arus rendah, dan frekuensi tinggi yang dihasilkan di dalam dan di luar tambang. Sumbernya meliputi sambaran petir dari jarak jauh, peralihan pasokan listrik, sirkuit elektronik, kontak sikat motor yang buruk, dan kabel berkualitas buruk.
Sinyal kebisingan ditumpangkan pada bentuk gelombang tegangan dan dapat menyebabkan gangguan komputer dan efek yang tidak diinginkan pada sirkuit sistem kontrol.
Mengatasi masalah kualitas daya
Cara terbaik untuk memenuhi tantangan penting dari permintaan yang terus-menerus akan listrik berkualitas tinggi di pertambangan, sekaligus memastikan ketahanan dan tingkat keamanan kelistrikan yang tinggi, adalah dengan menerapkan pendekatan multitingkat dengan menggunakan peralatan bersertifikat yang mencakup UPS, pengondisi daya, perangkat perlindungan lonjakan arus (SPD). ), trafo, dan catu daya.
Tabel 1 merangkum peralatan terbaik untuk mengendalikan masalah kualitas daya tertentu.
Akan sangat membantu jika bekerja dengan satu sumber, seperti SolaHD, untuk pendekatan kualitas daya multitingkat guna menyederhanakan proses desain, akuisisi, dan penerapan, serta memastikan kompatibilitas. Misalnya, UPS offline SDU500B milik perusahaan menyediakan daya cadangan selama 4 menit (menit) dan 20 detik (s) pada beban penuh dan 14 menit dan 30 detik pada setengah beban jika terjadi gangguan listrik (Gambar 2). Seperti terlihat pada Tabel 1, UPS ini juga mendukung catu daya utama jika terjadi pemadaman listrik, penurunan tegangan, lonjakan tegangan, transien tegangan, dan harmonisa.
UPS ini dipasang di rel DIN dan menggunakan baterai asam timbal tersegel (SLA) yang bebas perawatan dan terisi penuh dalam delapan jam. Ini memberikan output 300 watt, 120 volt dengan sinewave simulasi 50 hingga 60 Hz dan waktu transfer kurang dari 8 ms. UPS dapat beroperasi pada kisaran suhu 0 hingga 50˚C dan merupakan “Komponen yang Diakui” untuk Digunakan di Lokasi Berbahaya yang Terklasifikasi Zona berdasarkan E491259, sehingga cocok untuk operasi penambangan.
Pengkondisi daya SolaHD juga dapat mengatur tegangan hingga ±1% untuk variasi input hingga +10/-20%, memberikan redaman kebisingan yang unggul, dan dirancang untuk tahan terhadap lingkungan listrik paling keras.
Pengkondisi daya menggunakan teknik desain transformator yang disebut ferroresonance yang menciptakan dua jalur magnet terpisah pada perangkat dengan kopling terbatas. Salah satu keuntungan dari desain ini adalah bahwa arus masukan mengandung arus harmonik yang relatif dapat diabaikan terhadap arus fundamental. Sisi keluaran transformator dilengkapi rangkaian tangki resonansi paralel dan mengambil daya dari primer untuk menggantikan daya yang disalurkan ke beban.
SolaHD 63-23-112-4 120 volt-ampere (VA) MCR Hardwire Pengatur, misalnya, adalah pengkondisi daya yang menghasilkan keluaran 120 volt (±3%) dari masukan 120, 208, 240, atau 480 volt. Ini memastikan penyaringan kebisingan yang sangat baik dan perlindungan lonjakan arus bersama dengan pengaturan tegangan. Redaman kebisingan adalah 120 desibel (dB) dalam mode umum dan 60 dB dalam mode transversal. Perlindungan lonjakan arusnya diuji pada Bentuk Gelombang ANSI/IEEE C62.41 Kelas A & B. MCR Hardwire Regulator adalah pilihan yang baik ketika terjadi pemadaman listrik, penurunan tegangan, lonjakan arus, transien, harmonik, dan gangguan listrik.
SPD melindungi terhadap transien tegangan yang merusak peralatan. Penekan lonjakan tegangan transien (TVSS) SPD STV25K-24S SolaHD adalah perangkat pemasangan rel DIN yang beroperasi dari input 240 volt (hingga 20 A) dan memberikan perlindungan titik penggunaan dengan menggunakan varistor oksida logam (MOV) (Gambar 3).
SolaHD SPD cocok untuk dipasang di lemari kontrol di lingkungan industri yang keras seperti fasilitas pertambangan. Perangkat ini memberikan perlindungan lonjakan arus sebesar 25,000 A per fase. Waktu respons terhadap transien kurang dari 5 nanodetik (ns). SPD menggabungkan sekering termal untuk mencegah panas berlebih pada MOV yang disebabkan oleh tingkat arus yang berlebihan.
Menentukan transformator isolasi dan catu daya
Selain menaikkan atau menurunkan tegangan AC masukan ke nilai keluaran yang sesuai, transformator isolasi dapat melindungi perangkat yang terhubung ke sisi sekunder dari harmonisa dan gangguan listrik.
Salah satu contohnya adalah SolaHD E2H112S. Trafo isolasi ini adalah tipe kering hemat energi yang dilengkapi pelindung cuaca. Ia memiliki input primer 480 volt (hingga 135 A), menawarkan 208 atau 120 volt dari input sekunder (hingga 315 A), dan diberi nilai 112.5 kilovolt-ampere (kVA) (Gambar 4). Trafo juga mengurangi harmonisa dan kebisingan listrik.
Trafo harus dilindungi dari arus masuk dengan pemutus arus. Merupakan praktik desain yang baik untuk memilih perangkat pemutus arus dengan waktu tunda yang sesuai untuk menghilangkan gangguan tersandung. Fenomena ini terjadi ketika arus masuk tinggi tetapi durasinya tidak cukup untuk merusak trafo.
Pasokan listrik sangat penting untuk sistem pasokan listrik apa pun, menyediakan daya AC atau DC ke peralatan dan membantu menyaring kebisingan listrik dari pasokan utama. Versi pemasangan rel DIN rapi dan menghemat ruang. Tersedia model AC tunggal dan tiga fase; dimungkinkan juga untuk menentukan perangkat yang mampu menangani penurunan tegangan hingga setengah tegangan saluran tanpa gangguan pada daya keluaran.
SolaHD menyediakan berbagai pasokan listrik rel DIN, seperti pasokan AC/DC SDN5-24-100C (Gambar 5). Ini adalah pasokan satu fase dan mematuhi spesifikasi Lokasi Berbahaya E234790. Ia dapat menerima masukan 85 hingga 264 volt AC (VAC) atau masukan 90 hingga 375 volt DC (VDC), yang menyuplai keluaran nominal 24 volt. Arus keluaran adalah 5 A. Riak tegangan pada keluaran kurang dari 50 milivolt (mV) puncak ke puncak. Catu daya ini memiliki kekebalan interferensi elektromagnetik (EMI) yang tinggi dan kisaran suhu pengoperasian -25 hingga +60˚C. Ini kompak, berukuran 123 x 50 x 111 mm, dan terlindung dari korsleting terus menerus, beban berlebih terus menerus, dan gangguan sirkuit terbuka terus menerus.
Kesimpulan
Tambang merupakan lingkungan yang menantang secara fisik dan listrik untuk memastikan kualitas daya dan keselamatan pekerja. Perancang harus mengadopsi pendekatan multi-tingkat di mana setiap komponen sistem pasokan listrik dapat beroperasi dengan andal sekaligus memitigasi tantangan kualitas daya. Peralatan listrik juga harus mematuhi peraturan keselamatan yang relevan. Dengan bekerja sama dengan satu vendor, perancang dapat dengan cepat membangun jaringan listrik yang meningkatkan keandalan lokasi, menurunkan biaya pemeliharaan, menjamin keselamatan, dan mengurangi masalah kualitas daya sebelum berdampak pada operasional.