世界の鉱山内では、電動機器が岩石の輸送、破砕、粉砕、原材料の運搬、暗い洞窟の照明、ポンプや換気扇の作動、ドリル、切断機、集塵機、ホイストの動力を供給しています。機器の故障はコストのかかる生産ダウンタイムにつながるため、振動、衝撃、化学物質、粉塵、熱、湿気への曝露にもかかわらず、高い信頼性が期待されます。
作業者の安全を確保しながらこの環境に合わせた電力供給ネットワークを設計することは困難ですが、国際的な運用および安全規格に認証された商用電気製品の入手が容易になります。システム設計を簡素化し、コンポーネント間の互換性を確保するために、設計者は、完全なソリューションを構築するために必要な機器の多くに単一のソースを使用できます。
この記事では、採掘が電気機器に課す環境と電力品質の要件について簡単に説明します。次に、SolaHD の特殊なソリューションの例を紹介し、電力品質と作業者の安全を確保するためにそれらを多層的なアプローチにどのように適用できるかを説明します。
地下電気工学の課題
鉱山では、機器は腐食性液体、可燃性粉塵、汚れ、強力な化学薬品、激しい振動、ランダムな衝撃、電力サージ、極端な温度変化にさらされます。ただし、機器とその電源システムには安全性と信頼性が求められます。
安全性は、米国鉱山安全衛生局 (MSHA) や 1977 年連邦鉱山安全衛生法などの機関による監督によって強化されています。もう 70 つの米国の規格は、全米電気規格 (NEC) または全米防火協会 (NFPA) です。 500. この規格は、電気配線および機器の安全な設置を対象としています。 NEC 第 XNUMX 条では、鉱山およびその周囲で見られる危険を含む、特定の危険に対してテストおよび承認されたコード準拠の機器を設置することが義務付けられています。
電力品質を確保するには、基本的な電力アーキテクチャと関連する問題を理解する必要があります。
鉱山は通常、AC グリッドから電力を供給しますが、AC/DC 変換またはオンサイト DC マイクログリッドによって供給される高電圧 DC 電力も使用されます。無停電電源装置 (UPS) はその一例です。このシステムは基本設計に従っています。AC グリッドからの高電圧電力が高電圧変圧器に供給され、主変電所に電力が供給されます。メイン変電所は、複数の二次変電所にエネルギーを分配し、鉱山のより大きなモーター負荷に直接エネルギーを分配します。二次変電所は、他の機器に接続された中圧負荷および中低圧変圧器に電力を供給します。
この供給網は通常は安定していますが、電力品質の問題が頻繁に発生します。このような問題は、停電、電圧低下、電圧低下、電圧サージ、過渡電圧、高調波歪み、電気ノイズなどの形で現れます (図 1)。
これらの電力品質問題の原因と影響を考慮してください。
停電: これらは長期間にわたる完全な電力損失であり、通常は電力会社の発電または配電ネットワークにおける事故や機器の故障によって引き起こされます。停電は、コンピュータベースの機器のハードウェア障害やクラッシュを引き起こし、動作を停止させ、電気機器の寿命を縮める可能性があります。
停電: これらは、供給された電圧が長期間にわたって通常の最小レベルを下回った場合に何が起こるかを説明します。これらは、過剰容量またはその他のネットワークの問題により、需要に対応するために電力会社が電圧を下げることを余儀なくされた場合に発生します。電圧低下の影響は停電の影響と似ています。
電圧低下: 瞬低および不足電圧状態は、採掘における最も一般的な電力品質障害です。これらは、負荷の大幅な増加によって電源にストレスがかかり、電源電圧がしきい値レベルを下回ったときに発生します。 IEEE では、サグを、通常の 10 ヘルツ (Hz) 電圧よりも 90 ～ 60% 低下する電圧として定義しています。サグ イベントは 8 分未満、XNUMX ミリ秒 (ms) を超えて続きます。不足電圧は XNUMX 分以上続きます。
瞬低と不足電圧は両方とも、迷惑なブレーカーのトリップ、機器の誤動作やシャットダウン、または機器の早期故障を引き起こす可能性があります。運転を継続すると、燃焼または爆発の危険性が高まります。これらの問題の兆候としては、照明が薄暗くなったり、ちらついたり、HVAC ユニットが動作不良になったり、モーターが高温になったり、オートメーション制御システムやコンピューターがロックしたり電源が切れたりするなどが挙げられます。
電圧サージ: サージまたは過電圧状態は、半周波数サイクルから数秒の範囲にわたる一時的な電圧レベルの上昇です。これらの障害は、高出力電気モーターの停止や HVAC システムの通常のサイクルによって引き起こされる可能性があります。繰り返し電圧サージにさらされると、システムにストレスがかかって弱くなり、回路ブレーカーやその他の保護装置が誤ってトリップする可能性があります。
過電圧に関連するさらなる問題は、絶縁劣化です。断熱材の劣化は、火災の触媒となったり、メタンや石炭粉塵の爆発を引き起こしたりするため、鉱山の電力システムの安全な動作を危険にさらします。
電圧過渡現象: 電圧過渡現象、またはスパイクは、落雷や電力網の切り替えなどの外部要因によって引き起こされる電圧の突然の大幅な増加によって発生します。また、短絡、ブレーカーの低下、重機の始動などにより鉱山内で発生することもあります。
繊細な電子機器は、システムのロックアップや故障、貴重なデータの破損や削除を引き起こす可能性のある過渡電圧によって最も危険にさらされます。
高調波歪み: 供給正弦波に基本周波数の倍数 (180 Hz システムの 60 Hz など) が発生すると、電圧の問題が発生します。高調波歪みは、可変速ドライブ (VSD) や電力システムの負荷などのデバイスの非線形特性によって発生します。高調波は、機器や導体の発熱の増加、VSD の失火、モーターのトルク脈動につながります。鉱山電力システムにおける高調波歪みのその他の症状には、鉱山の通信システムへの干渉、照明のちらつき、ブレーカーの作動、電気接続の緩みなどがあります。
鉱山には多くの電気モーターがあり、そのほとんどは非線形 VSD を備えており、採掘作業における高調波の主な発生源となっています。さらに、モーターに全波整流器を使用すると効率が向上しますが、かなりの高調波が発生します。
電気ノイズ：鉱山内外で発生する低振幅、低電流、高周波の妨害波です。発生源には、遠方からの落雷、スイッチング電源、電子回路、モーターとブラシの接触不良、および品質の悪い配線などが含まれます。
ノイズ信号は電圧波形に重畳され、コンピュータの不具合や制御システムの回路に望ましくない影響を引き起こす可能性があります。
電力品質の問題への対処
堅牢性と高レベルの電気的安全性を確保しながら、鉱山における高品質電力の継続的な需要という重大な課題に対処する最善の方法は、UPS、パワーコンディショナー、サージ保護装置 (SPD) を含む認定機器を使用した多層アプローチを採用することです。 )、変圧器、および電源。
表 1 は、特定の電力品質問題を制御するための最適な機器をまとめたものです。
SolaHD などの単一ソースを使用して多層的な電力品質アプローチを行うと、設計、取得、導入プロセスを簡素化し、互換性を確保するのに役立ちます。たとえば、同社の SDU500B オフライン UPS は、停電時に全負荷で 4 分 20 秒、半負荷で 14 分 30 秒間バックアップ電力を供給します (図 2)。表 1 に示すように、この UPS は、電圧低下、電圧低下、電圧サージ、過渡電圧、および高調波が発生した場合の主電源もサポートします。
UPS は DIN レールに取り付けられており、メンテナンス不要の密閉型鉛酸 (SLA) バッテリを使用しており、300 時間で完全に充電されます。 120 ～ 50 Hz のシミュレートされた正弦波と 60 ms 未満の転送時間で 8 ワット、0 ボルトの出力を提供します。 UPS は 50 ～ 491259 °C の温度範囲で動作でき、EXNUMX に基づくゾーン分類危険場所での使用が「認められたコンポーネント」であるため、鉱山作業に適しています。
SolaHD のパワーコンディショナは、最大 +1/-10% の入力変動に対して電圧を ±20% 以内に調整でき、優れたノイズ減衰を提供し、最も過酷な電気環境に耐えるように設計されています。
パワー コンディショナーは、結合が制限されたデバイス内に 2 つの別個の磁路を作成する、鉄共振と呼ばれる変圧器設計手法を使用します。この設計の利点の 1 つは、入力電流に含まれる高調波電流が基本波に対して無視できることです。変圧器の出力側は並列共振タンク回路を備えており、一次側から電力を取り出して負荷に供給される電力を置き換えます。
SolaHD 63-23-112-4 120 ボルトアンペア (VA) MCR ハードワイヤー レギュレーターたとえば、120、3、120、または 208 ボルトの入力から 240 ボルトの出力 (±480%) を提供するパワー コンディショナーです。電圧調整とともに優れたノイズフィルタリングとサージ保護を保証します。ノイズ減衰はコモンモードで 120 デシベル (dB)、横モードで 60 dB です。サージ保護は、ANSI/IEEE C62.41 クラス A および B 波形に基づいてテストされています。 MCR ハードワイヤ レギュレータは、ブラウンアウト、電圧低下、サージ、過渡現象、高調波、および電気ノイズが予想される場合に適しています。
SPD は、機器に損傷を与える過渡電圧から保護します。 SolaHD の STV25K-24S 過渡電圧サージ抑制装置 (TVSS) SPD は、240 ボルト入力 (最大 20 A) で動作し、金属酸化物バリスタ (MOV) を使用してポイントオブユース保護を提供する DIN レール取り付けデバイスです (図3)。
SolaHD SPD は、鉱山施設などの過酷な産業環境の制御キャビネットへの設置に適しています。このデバイスは、25,000 相あたり 5 A のサージ保護を提供します。過渡現象に対する応答時間は XNUMX ナノ秒 (ns) 未満です。 SPD には、過剰な電流レベルによって引き起こされる MOV の過熱を防ぐための熱ヒューズが組み込まれています。
絶縁トランスと電源の指定
絶縁トランスは、入力 AC 電圧を適切な出力値に昇圧または降圧することに加えて、二次側に接続されたデバイスを高調波や電気ノイズから保護することができます。
一例は、SolaHD E2H112S です。この絶縁トランスは、耐候性シールドを備えたエネルギー効率の高い乾式タイプです。 480 ボルトの一次入力 (最大 135 A) を備え、二次入力から 208 または 120 ボルト (最大 315 A) を供給し、定格は 112.5 キロボルトアンペア (kVA) です (図 4)。トランスは高調波や電気ノイズも軽減します。
変圧器は、回路ブレーカーによって突入電流から保護する必要があります。迷惑なトリップを排除するために、適切な時間遅延を備えた回路ブレーカー デバイスを選択することは、適切な設計手法です。この現象は、突入電流が大きいにもかかわらず、変圧器を損傷するほどの持続時間ではない場合に発生します。
電源はあらゆる電源システムにとって不可欠であり、機器に AC または DC 電力を供給し、主電源からの電気ノイズを除去するのに役立ちます。 DIN レール取り付けバージョンは整理整頓されており、スペースを節約できます。単相 AC モデルと三相 AC モデルが利用可能です。出力電力を中断することなく、線間電圧の半分までの電圧低下に対応できるデバイスを指定することも可能です。
SolaHD は、SDN5-24-100C AC/DC 電源など、さまざまな DIN レール電源を提供しています (図 5)。これは単相電源であり、危険場所 E234790 仕様に準拠しています。 85 ～ 264 ボルトの AC (VAC) 入力または 90 ～ 375 ボルトの DC (VDC) 入力を受け入れ、公称 24 ボルトの出力を供給します。出力電流は 5 A です。出力の電圧リップルはピークツーピークで 50 ミリボルト (mV) 未満です。この電源は、高い電磁干渉 (EMI) 耐性と、-25 ～ +60 °C の動作温度範囲を備えています。寸法は 123 x 50 x 111 mm とコンパクトで、連続短絡、連続過負荷、連続開回路障害から保護されています。
まとめ
鉱山は、電力品質と作業員の安全を確保するために物理的および電気的に困難な環境です。設計者は、電力品質の課題を軽減しながら電源システムの各コンポーネントが確実に動作できる多層アプローチを採用する必要があります。電力機器も関連する安全規制に準拠する必要があります。単一ベンダーと連携することで、設計者は、サイトの信頼性を向上させ、メンテナンスコストを削減し、安全性を確保し、電力品質の問題が運用に影響を与える前に軽減する電気ネットワークを迅速に構築できます。