세계의 광산 내부에서는 전기 동력 장비가 암석을 운반하고, 부수고, 갈고, 원자재를 운반하고, 어두운 동굴을 밝히고, 펌프와 환기 팬을 작동하고, 드릴, 절단기, 집진기 및 호이스트에 전력을 공급합니다. 장비 고장으로 인해 생산 중단 시간으로 인해 비용이 많이 발생하므로 진동, 충격, 화학 물질, 먼지, 열 및 습기에 대한 노출에도 불구하고 높은 신뢰성이 기대됩니다.
작업자의 안전을 보장하면서 이러한 환경에 맞는 전기 공급 네트워크를 설계하는 것은 어려운 일이지만 국제 운영 및 안전 표준에 따라 인증된 상업용 전기 제품의 가용성이 도움이 됩니다. 시스템 설계를 단순화하고 구성 요소 간의 호환성을 보장하기 위해 설계자는 완전한 솔루션을 구축하는 데 필요한 대부분의 장비에 대해 단일 소스를 사용할 수 있습니다.
이 기사에서는 광업이 전기 장비에 요구하는 환경 및 전력 품질 요구 사항을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 SolaHD의 전문 솔루션의 예를 소개하고 이를 다계층 접근 방식에 적용하여 전력 품질과 작업자 안전을 보장하는 방법을 설명합니다.
지하 전기 공학의 과제
광산에서 장비는 부식성 액체, 가연성 먼지, 오물, 가혹한 화학 물질, 심한 진동, 무작위 충격, 전력 서지 및 극심한 온도 변화에 노출될 수 있습니다. 그러나 장비와 전력 시스템은 안전하고 신뢰할 수 있어야 합니다.
안전은 미국 광산 안전 보건청(MSHA) 및 1977년 연방 광산 안전 보건법과 같은 기관의 감독을 통해 강화됩니다. 또 다른 미국 표준은 NEC(National Electrical Code) 또는 NFPA(National Fire Protection Association)입니다. 70. 이 표준은 전기 배선 및 장비의 안전한 설치를 다루고 있습니다. NEC 500조는 광산 및 그 주변에서 발견되는 것을 포함하여 특정 위험에 대해 테스트되고 승인된 규정 준수 장비를 설치하도록 요구합니다.
전력 품질을 보장하려면 기본 전력 아키텍처와 관련 문제를 이해해야 합니다.
광산은 일반적으로 AC 그리드에서 전력을 끌어오지만, AC/DC 변환이나 현장 DC 마이크로그리드를 통해 공급되는 고전압 DC 전력도 사용됩니다. 무정전 전원 공급 장치(UPS)가 그 예입니다. 시스템은 기본 설계를 따릅니다. AC 그리드의 고전압 전력은 주 변전소에 전력을 공급하는 고전압 변압기에 전력을 공급합니다. 주 변전소는 에너지를 여러 보조 변전소에 분배하고 광산의 더 큰 모터 부하에 직접 분배합니다. 2차 변전소는 중전압 부하와 다른 장비에 연결된 중/저압 변압기에 전력을 공급합니다.
이 공급망은 일반적으로 안정적이지만 전력 품질 문제가 자주 발생합니다. 이러한 문제는 정전, 절전, 전압 강하, 전압 서지, 과도 전압, 고조파 왜곡 및 전기 잡음의 형태로 나타납니다(그림 1).
이러한 전력 품질 문제의 원인과 결과를 고려하십시오.
정전: 이는 일반적으로 유틸리티의 발전 또는 배전 네트워크의 사고 또는 장비 고장으로 인해 발생하는 장기간의 완전한 전력 손실입니다. 전원 중단으로 인해 컴퓨터 기반 장비의 하드웨어 오류 및 충돌이 발생하고 작동이 중단되며 전기 장비의 수명이 단축될 수 있습니다.
브라운아웃: 공급 전압이 장기간 동안 정상적인 최소 레벨보다 낮을 때 어떤 일이 발생하는지 설명합니다. 이는 과잉 용량이나 기타 네트워크 문제로 인해 전력회사가 수요에 대처하기 위해 전압을 낮추어야 할 때 발생합니다. 전압 저하의 효과는 중단의 효과와 유사합니다.
전압강하: 강하 및 저전압 조건은 광산에서 가장 흔히 발생하는 전력 품질 장애입니다. 이는 부하가 크게 증가하여 공급 장치에 스트레스를 주어 공급 전압이 임계값 수준 아래로 떨어질 때 발생합니다. IEEE에서는 전압 저하를 일반 10Hz 전압보다 90~60% 낮은 전압으로 정의합니다. 처짐 이벤트는 8분 미만에서 XNUMX밀리초(ms) 이상 지속됩니다. 저전압은 XNUMX분 이상 지속됩니다.
전압 강하와 저전압 모두 차단기 트립, 장비 오작동 및 종료, 조기 장비 고장을 유발할 수 있습니다. 계속 작동하면 연소 또는 폭발의 위험이 높아집니다. 이러한 문제의 징후로는 희미하거나 깜박이는 조명, 제대로 작동하지 않는 HVAC 장치, 과열되는 모터, 자동화 제어 시스템 및 컴퓨터가 잠기거나 전원이 꺼지는 등이 있습니다.
전압 서지: 서지 또는 과전압 상태는 반주파수 사이클에서 몇 초까지의 기간 동안 일시적인 전압 레벨 증가입니다. 이러한 교란은 고전력 전기 모터를 차단하고 HVAC 시스템의 정상적인 사이클링으로 인해 발생할 수 있습니다. 반복적인 전압 서지 노출은 시스템에 스트레스를 주고 약화시킬 수 있으며 회로 차단기 및 기타 보호 장치의 잘못된 트립을 유발할 수 있습니다.
과전압과 관련된 또 다른 문제는 절연 성능 저하입니다. 단열 성능이 저하되면 화재의 촉매 역할을 하거나 메탄이나 석탄 분진 폭발을 유발하여 광산 전력 시스템의 안전한 작동을 위태롭게 합니다.
과도 전압: 전압 과도 또는 스파이크는 낙뢰 및 전력망 전환과 같은 외부 요인으로 인해 전압이 갑자기 크게 증가하여 발생합니다. 또한 단락, 차단기 작동 및 중장비 시동으로 인해 광산 내부에서 발생할 수도 있습니다.
민감한 전자 장비는 시스템 작동 중지 또는 오류를 유발하고 귀중한 데이터를 손상 또는 삭제할 수 있는 과도 전압으로 인해 가장 큰 위험에 처해 있습니다.
고조파 왜곡: 공급 사인파에서 기본 주파수(예: 180Hz 시스템의 60Hz)의 배수가 발생할 때 전압 문제가 발생합니다. 고조파 왜곡은 가변 속도 드라이브(VSD)와 같은 장치의 비선형 특성과 전력 시스템의 부하로 인해 존재합니다. 고조파는 장비와 도체의 가열 증가, VSD의 오발화, 모터의 토크 맥동으로 이어집니다. 광산 전력 시스템의 고조파 왜곡의 다른 증상으로는 광산 통신 시스템 간섭, 깜박이는 조명, 차단기 작동, 전기 연결 느슨함 등이 있습니다.
광산에는 많은 전기 모터가 있으며, 그 중 대부분은 비선형 VSD를 갖추고 있어 광산 작업에서 고조파의 주요 소스가 됩니다. 또한 모터에 전파 정류기를 사용하면 효율이 향상되지만 상당한 고조파가 발생합니다.
전기적 소음: 광산 내부 및 외부에서 발생하는 낮은 진폭, 낮은 전류, 고주파 방해입니다. 원인으로는 원거리 낙뢰, 스위칭 전원 공급 장치, 전자 회로, 불량한 모터-브러시 접촉, 불량한 배선 등이 있습니다.
노이즈 신호는 전압 파형에 중첩되며 제어 시스템 회로에 컴퓨터 결함 및 바람직하지 않은 영향을 일으킬 수 있습니다.
전력 품질 문제 해결
견고성과 높은 수준의 전기 안전을 보장하면서 광산에서 고품질 전력에 대한 지속적인 수요라는 중요한 과제를 충족하는 가장 좋은 방법은 UPS, 전력 조절기, 서지 보호 장치(SPD)를 포함하는 인증된 장비를 사용하여 다단계 접근 방식을 채택하는 것입니다. ), 변압기 및 전원 공급 장치.
표 1에는 특정 전력 품질 문제를 제어하는 데 가장 적합한 장비가 요약되어 있습니다.
설계, 획득 및 배포 프로세스를 단순화하고 호환성을 보장하기 위해 다계층 전력 품질 접근 방식을 위해 SolaHD와 같은 단일 소스를 사용하는 것이 도움이 됩니다. 예를 들어, 이 회사의 SDU500B 오프라인 UPS는 전원 중단 시 최대 부하에서 4분(분) 20초 동안, 절반 부하에서는 14분 30초 동안 백업 전력을 제공합니다(그림 2). 표 1에 표시된 것처럼 이 UPS는 절전, 전압 강하, 전압 서지, 과도 전압 및 고조파가 발생할 경우에도 주 전원 공급 장치를 지원합니다.
UPS는 DIN 레일에 장착되어 있으며 300시간 만에 완전히 충전되는 유지 관리가 필요 없는 밀봉형 납산(SLA) 배터리를 사용합니다. 120~50Hz의 시뮬레이션 사인파와 60ms 미만의 전송 시간으로 8W, 0V 출력을 제공합니다. UPS는 50~491259˚C의 온도 범위에서 작동할 수 있으며 EXNUMX에 따라 구역으로 분류된 위험 장소에서 사용할 수 있는 "인정 구성 요소"이므로 광산 작업에 적합합니다.
SolaHD의 파워 컨디셔너는 최대 +1/-10%의 입력 변동에 대해 ±20% 이내로 전압을 조절할 수 있고 뛰어난 소음 감쇠 기능을 제공하며 가장 가혹한 전기 환경을 견딜 수 있도록 설계되었습니다.
전력 조절기는 제한된 결합으로 장치에 두 개의 별도 자기 경로를 생성하는 철공진이라는 변압기 설계 기술을 사용합니다. 이 설계의 한 가지 장점은 입력 전류에 기본 전류에 비해 무시할 수 있는 고조파 전류가 포함되어 있다는 것입니다. 변압기의 출력측에는 병렬 공진 탱크 회로가 있으며 1차측에서 전력을 끌어와 부하에 전달되는 전력을 대체합니다.
SolaHD 63-23-112-4 120볼트암페어(VA) MCR 하드와이어 조정기예를 들어, 는 120, 3, 120 또는 208V 입력에서 240V 출력(±480%)을 제공하는 전력 조절기입니다. 이는 전압 조정과 함께 탁월한 노이즈 필터링 및 서지 보호를 보장합니다. 잡음 감쇠는 공통 모드에서 120dB, 가로 모드에서 60dB입니다. 서지 보호는 ANSI/IEEE C62.41 클래스 A 및 B 파형에 따라 테스트되었습니다. MCR 하드와이어 레귤레이터는 전압 저하, 전압 강하, 서지, 과도 현상, 고조파 및 전기 잡음이 예상되는 경우에 좋은 선택입니다.
SPD는 장비를 손상시키는 과도 전압으로부터 보호합니다. SolaHD의 STV25K-24S 과도 전압 서지 억제기(TVSS) SPD는 240V 입력(최대 20A)에서 작동하고 MOV(금속 산화물 배리스터)를 사용하여 사용 시점 보호를 제공하는 DIN 레일 실장 장치입니다(그림 삼).
SolaHD SPD는 광산 시설과 같은 열악한 산업 환경의 제어 캐비닛에 설치하는 데 적합합니다. 이 장치는 위상당 25,000A의 서지 보호를 제공합니다. 과도 현상에 대한 응답 시간은 5ns(나노초) 미만입니다. SPD에는 과도한 전류 레벨로 인한 MOV 과열을 방지하기 위해 열 퓨즈가 통합되어 있습니다.
절연 변압기 및 전원 공급 장치 지정
절연 변압기는 입력 AC 전압을 적절한 출력 값으로 높이거나 낮추는 것 외에도 고조파 및 전기 노이즈로부터 2차측에 연결된 장치를 보호할 수 있습니다.
한 가지 예가 SolaHD E2H112S입니다. 이 절연 변압기는 날씨 보호막이 있는 에너지 효율적인 건식 유형입니다. 이 장치는 480V 기본 입력(최대 135A), 보조 입력에서 208V 또는 120V(최대 315A)를 제공하고 정격 112.5kVA(킬로볼트 암페어)입니다(그림 4). 또한 변압기는 고조파와 전기 잡음을 완화합니다.
변압기는 회로 차단기로 돌입 전류로부터 보호되어야 합니다. 불필요한 트립을 제거하기 위해 적절한 시간 지연을 갖춘 회로 차단기 장치를 선택하는 것이 좋은 설계 방법입니다. 이 현상은 돌입 전류가 높지만 변압기를 손상시킬 만큼 지속 시간이 충분하지 않을 때 발생합니다.
전원 공급 장치는 장비에 AC 또는 DC 전원을 공급하고 주 공급 장치에서 전기 노이즈를 필터링하는 데 도움이 되는 모든 전기 공급 시스템에 필수적입니다. DIN 레일 마운트 버전은 깔끔하고 공간을 절약합니다. 단상 및 3상 AC 모델을 사용할 수 있습니다. 출력 전력을 중단하지 않고 라인 전압의 절반까지 전압 강하를 처리할 수 있는 장치를 지정할 수도 있습니다.
SolaHD는 SDN5-24-100C AC/DC 공급 장치와 같은 다양한 DIN 레일 전원 공급 장치를 제공합니다(그림 5). 이는 단상 공급 장치이며 위험 지역 E234790 사양을 준수합니다. 85~264V AC(VAC) 입력 또는 90~375V DC(VDC) 입력을 수용하여 공칭 24V 출력을 제공할 수 있습니다. 출력 전류는 5A입니다. 출력의 전압 리플은 피크 간 50mV 미만입니다. 전원 공급 장치는 높은 EMI(전자기 간섭) 내성과 -25~+60˚C의 작동 온도 범위가 특징입니다. 123 x 50 x 111mm 크기의 소형이며 지속적인 단락, 지속적인 과부하 및 지속적인 개방 회로 오류로부터 보호됩니다.
결론
광산은 전력 품질과 작업자 안전을 보장하기 위해 물리적으로나 전기적으로 까다로운 환경입니다. 설계자는 전력 품질 문제를 완화하면서 전기 공급 시스템의 각 구성 요소가 안정적으로 작동할 수 있는 다계층 접근 방식을 채택해야 합니다. 전력 장비는 관련 안전 규정도 준수해야 합니다. 단일 공급업체와 협력함으로써 설계자는 현장 신뢰성을 향상시키고 유지 관리 비용을 낮추며 안전을 보장하고 전력 품질 문제가 운영에 영향을 미치기 전에 완화하는 전기 네트워크를 신속하게 구축할 수 있습니다.