Konstruere trygge og pålitelige strømsystemer for elektrisk utstyr i gruver

Inne i verdens gruver finner vi elektrisk drevet utstyr som transporterer, knuser og maler stein, haler råvarer, lyser opp mørke huler, driver pumper og ventilasjonsvifter og strømsetter bormaskiner, skjæremaskiner, støvsamlere og taljer. Utstyrsfeil fører til kostbar nedetid i produksjonen, så høy pålitelighet forventes til tross for vibrasjoner, støt og eksponering for kjemikalier, støv, varme og fuktighet.

Det å konstruere elektriske forsyningsnettverk for disse omgivelsene, samtidig som arbeidernes sikkerhet ivaretas, er utfordrende, men å ha tilgjengelighet på kommersielle elektriske produkter som er sertifisert i henhold til internasjonale drifts- og sikkerhetsstandarder, er til stor hjelp. For å forenkle systemkonstruksjon og sikre kompatibilitet mellom komponenter, kan konstruktører bruke én samlet kilde for mye av utstyret som trengs for å bygge en komplett løsning.

Denne artikkelen skisserer kort miljø- og strømkvalitetskravene som gruvedrift stiller til elektrisk utstyr. Deretter introduseres eksempler på spesialiserte løsninger fra SolaHD og hvordan disse kan brukes i en tilnærming med flere nivåer for å sikre strømkvalitet og arbeidernes sikkerhet.

Utfordringene forbundet med underjordisk teknologi

I gruver er utstyret utsatt for korrosive væsker, brennbart støv, skitt, sterke kjemikalier, kraftige vibrasjoner, tilfeldige slag, strømstøt og ekstreme temperaturvariasjoner. Utstyret og strømsystemene forventes imidlertid å være trygge og pålitelige.

Sikkerheten styrkes av tilsyn fra institusjoner som «U.S. Mine Safety and Health Administration» (MSHA) og «Federal Mine Safety and Health Act» fra 1977. En annen amerikansk standard er «National Electrical Code» (NEC) eller «National Fire Protection Association» (NFPA) 70. Denne standarden dekker sikker installasjon av elektrisk kabling og utstyr. NEC paragraf 500 krever installasjon av utstyr som er i samsvar med forskrifter, og som er testet og godkjent for spesifikke farer, inkludert de som er å finne i gruver og tilknyttede omgivelser.

For å sikre at strømkvaliteten er god, må den grunnleggende strømarkitekturen og tilknyttede problemer forstås.

Gruver trekker vanligvis strøm fra strømnettet, men høyspent DC-strøm, forsynt av AC–DC-omformere (AC–DC – vekselstrøm–likestrøm) eller DC-mikrostrømnett på stedet, brukes også. Avbruddsfrie strømforsyninger (UPS-er) er ett eksempel. Systemene følger en grunnleggende utførelse: Høyspentstrøm fra strømnettet mater høyspenttransformatorer som forsyner en hovedtransformatorstasjon. Hovedtransformatorstasjonen distribuerer energi til flere sekundære transformatorstasjoner og direkte til gruvens større motorlaster. De sekundære transformatorstasjonene forsyner strøm til laster med medium spenning og transformatorer med medium/lav spenning som er koblet til annet utstyr.

Selv om dette forsyningsnettet vanligvis er stabilt, oppstår det ofte problemer med strømkvaliteten. Slike problemer oppstår i form av strømavbrudd, spenningskollaps, spenningsfall, spenningsstøt, spenningstransienter, ikke-lineære forvrengninger og elektrisk støy (figur 1).

Figur 1: Her vises bølgeformer som representerer problemer med strømkvaliteten. (Bildekilde: Forfatter, bruker informasjon fra SolaHD)

Se på årsaken og virkningen av disse strømkvalitetsproblemene:

Strømavbrudd: Komplette strømtap over en lengre periode, vanligvis forårsaket av en ulykke eller utstyrsfeil i strømforsyningens generering eller distribusjonsnettverk. Strømavbrudd kan forårsake maskinvarefeil og krasj i datamaskinbasert utstyr, stanse driften og redusere levetiden til elektrisk utstyr.

Spenningskollaps: Hva som skjer når den tilførte spenningen ligger under de normale minimumsnivåene over en lengre periode. Dette oppstår når overkapasitet eller andre nettverksproblemer tvinger strømforsyninger til å redusere spenningen for å takle behovet. Virkningene av spenningskollaps ligner på de for strømavbrudd.

Spenningssenking: Senkings- og underspenningsforhold er de vanligste strømkvalitetsforstyrrelsene i gruvedrift. De oppstår når en betydelig økning i lasten øker stresset til forsyningen, noe som fører til at forsyningsspenningen faller under et terskelnivå. IEEE definerer en senking som en spenningsreduksjon på 10 til 90 % under den normale spenningen ved 60 hertz (Hz). En senkingshendelse varer mindre enn ett minutt, men mer enn 8 millisekunder (ms). Underspenningen varer lenger enn et minutt.

Både senking og underspenning kan forårsake utløsning av automatsikringer, utstyrsfeil og driftsstans, eller for tidlig utstyrsfeil. Kontinuerlig drift øker risikoen for forbrenning eller eksplosjon. Tegn på disse problemene omfatter dempet eller flimrende lys, svak drift av klimaanlegg (HVAC), motorer som blir for varme og automasjonsstyringssystemer og datamaskiner som går i lås eller slår seg av.

Overspenninger: En strømstøt- eller overspenningstilstand er en midlertidig økning av spenningsnivået over en tidsperiode som strekker seg fra en halvfrekvenssyklus til noen få sekunder. Disse forstyrrelsene kan forårsakes ved å slå av elektriske motorer med høy effekt samt normale sykluser i klimaanleggsystemer. Gjentatt eksponering for overspenninger kan føre til stress og svekke systemer og forårsake falske utløsninger av automatsikringer og andre beskyttelsesinnretninger.

Et annet problem forbundet med overspenninger, er degradering av isolasjon. Forringet isolasjon setter gruvens strømsystem i fare, fordi det kan fungere som en katalysator for branner, eller det kan utløse metan- eller kullstøveksplosjoner.

Spenningstransienter: Spenningstransienter, eller spenningsspisser, er et resultat av plutselige store økninger i spenning forårsaket av eksterne faktorer som lynnedslag eller veksling på strømnettet. Disse kan også oppstå inne i gruven på grunn av kortslutninger, utløste automatsikringer og oppstart av tungt utstyr.

Sensitivt elektronisk utstyr er mest utsatt for spenningstransienter som kan forårsake systemlåsing eller -svikt eller skade/slette verdifulle data.

Ikke-lineære forvrengninger: Spenningsproblemer oppstår når et multiplum av den grunnleggende frekvensen (for eksempel 180 Hz i et 60 Hz-system) oppstår i sinusbølgen for forsyningen. Ikke-lineære forvrengninger (oversvingninger) eksisterer på grunn av de ikke-lineære egenskapene til enheter som regulerbare overføringer (VSD – variable speed drives) og laster på strømsystemet. Oversvingningene fører til økt oppvarming i utstyr og ledere, feiltenning i regulerbare overføringer og momentpulseringer i motorer. Andre symptomer på ikke-lineære forvrengninger i et gruvestrømsystem, er forstyrrelser i gruvens kommunikasjonssystem, flimrende lys, utløste automatsikringer og løse elektriske tilkoblinger.

Det er mange elektriske motorer i gruver, der de fleste av disse har ikke-lineære regulerbare overføringer, noe som gjør dem til hovedkilden til oversvingninger i gruvedriftvirksomheten. Bruken av fullbølge-likerettere i motorer forbedrer virkningsgraden, men de genererer store oversvingninger.

Elektrisk støy: Dette er en forstyrrelse med lav amplitude, lav strøm og høy frekvens, som genereres både i og utenfor gruven. Kilder inkluderer lynnedslag i det fjerne, ikke-lineære strømforsyninger, elektroniske kretser, dårlige kontakter på børstemotorer og ledninger med dårlig kvalitet.

Støysignalene ligger oppå spenningsbølgeformer, og kan forårsake datamaskinfeil og uønskede virkninger i kretsene til styresystemene.

Håndtere problemer med strømkvaliteten

Den beste måten å håndtere disse viktige utfordringene på, som omfatter krav om kontinuerlig strøm av høy kvalitet til gruvedriften og samtidig sikre robusthet og høye nivåer av elektrisk sikkerhet, er å ta i bruk en flertrinns tilnærming ved å bruke sertifisert utstyr som inkluderer avbruddsfrie strømforsyninger (UPS-er), nettverninnretninger, overstrømsvern (SPD-er), transformatorer og strømforsyninger.

Tabell 1 oppsummerer det beste utstyret for å takle et bestemt strømkvalitetsproblem.

Tabell 1: En rekke beskyttelsesenheter er nødvendig for å takle alle strømkvalitetsproblemene som kan oppstå i gruvemiljøer. (Bildekilde: SolaHD)

Det er lurt å arbeide med én enkelt kilde, for eksempel SolaHD, for å få en flertrinns strømkvalitetstilnærming for å forenkle konstruksjons-, innkjøps- og distribusjonsprosessen, og for å sikre kompatibilitet. For eksempel tilbyr selskapet SDU500B, en frakoblet (offline) avbruddsfri strømforsyning (UPS) som kan forsyne strøm i 4 minutter (min) og 20 sekunder (s) ved full last og 14 minutter og 30 sekunder ved halv last, i tilfelle det skulle oppstå et strømbrudd (figur 2). Som vist i tabell 1, støtter denne avbruddsfrie strømforsyningen (UPS-en) også hovedstrømforsyningen i tilfelle det skulle oppstå spenningskollaps, spenningsfall, spenningsstøt, spenningstransienter eller oversvingninger.

Figur 2: Den frakoblede SDU500B UPS-en kan levere reservestrøm i 4 minutter og 20 sekunder ved full last. (Bildekilde: SolaHD)

UPS-en er montert på DIN-skinne og bruker vedlikeholdsfrie, forseglede blysyrebatterier (SLA) som kan fullades på åtte timer. Den leverer en utgangseffekt på 300 watt, 120 volt med en simulert sinusbølge på 50 til 60 Hz og en overføringstid på mindre enn 8 ms. UPS-en kan fungere over et temperaturområde på mellom 0 og 50˚C og er en «godkjent komponent» for bruk på soneklassifiserte farlige steder (Zone Classified Hazardous Locations) i henhold til E491259, noe som gjør den egnet for gruvedrift.

Nettverninnretninger fra SolaHD kan også regulere en spenning til innenfor ±1 % for inngangsvariasjoner på opptil +10/–20 %, gi overlegen støydemping og de er konstruert for å motstå de tøffeste elektriske miljøene.

Nettverninnretningene bruker en transformatorteknikk kalt ferroresonans som skaper to separate magnetiske baner i enheten med begrenset kopling. En fordel med denne konstruksjonen er at inngangsstrømmen inneholder en ubetydelig oversvingningsstrøm i forhold til den primære. Utgangssiden til transformatoren har en parallell resonanstank-krets, og den trekker strøm fra den primære for å erstatte strøm som forsynes til lasten.

SolaHD 63-23-112-4, en 120 volt-ampere (VA) MCR trådbundet regulator (Hardwire Regulator), for eksempel, er en nettverninnretning som gir en utgang på 120 volt (±3 %) fra en inngang på 120, 208, 240 eller 480 volt. Den sikrer utmerket støyfiltrering og overspenningsvern, kombinert med spenningsregulering. Støydempingen er 120 desibel (dB) i fellesmodus og 60 dB i transversalmodus. Overspenningsvernet er testet i henhold til ANSI/IEEE C62.41 klasse A- og B-bølgeform. En MCR trådbundet regulator er et godt valg når det forventes spenningskollaps, spenningssenkning, overspenninger, transienthendelser, oversvingninger og elektrisk støy.

Overspenningsvern (SPD-er) beskytter mot spenningstransienter som kan skade utstyr. SolaHD sitt overspenningsvern, transientdemperen (TVSS – transient voltage surge suppressor) STV25K-24S, er en DIN-skinnemontert enhet som er virksom fra en inngangsspenning på 240 volt (opptil 20 A) og gir beskyttelse på bruksstedet ved å bruke en metalloksid-varistor (MOV) (figur 3).

Figur 3: STV25K-24S TVSS SPD-en er en DIN-skinnemontert enhet som er virksom fra en inngangsspenning på 240 volt (opptil 20 A) og gir overspenningsvern på bruksstedet. (Bildekilde: SolaHD)

SolaHD SPD-en er egnet for installasjon i kontrollskap i tøffe industrimiljøer, slik som et gruveanlegg. Enheten gir overspenningsvern på 25 000 A per fase. Responstiden til en transienthendelse er mindre enn 5 nanosekunder (ns). SPD-en har termisk sikring for å hindre overoppheting av MOV-en på grunn av for høye strømnivåer.

Spesifisere skilletransformatorer og strømforsyninger

I tillegg til å trappe opp eller ned en inngangsnettspenning til en egnet utgangsverdi, kan skilletransformatorer beskytte enheter som er koblet til sekundærsiden mot oversvingninger og elektrisk støy.

Ett eksempel er SolaHD E2H112S. Denne skilletransformatoren er en energieffektiv tørr type som har værskjerm. Den har en primær inngang på 480 volt (opptil 135 A), tilbyr 208 eller 120 volt fra den sekundære inngangen (opptil 315 A), og den er klassifisert til 112,5 kilovolt-amper (kVA) (figur 4). Transformatoren reduserer også oversvingninger og elektrisk støy.

Figur 4: E2H112S-skilletransformatoren tar en inngang på 480 volt på den primære og tilbyr 208 eller 120 volt på den sekundære. Transformatoren reduserer også oversvingninger og elektrisk støy. (Bildekilde: SolaHD)

Transformatoren skal beskyttes mot innkoblingsstrømstøt med en automatsikring. Det er god konstruksjonspraksis å velge en automatsikring med en egnet tidsforsinkelse for å eliminere plagsomme utløsninger. Dette fenomenet oppstår når innkoblingsstrømstøtet er høyt, men har for kort varighet til å skade transformatoren.

Strømforsyninger er avgjørende for alle strømforsyningssystemer. De forsyner AC- eller DC-strøm til utstyr og bidrar til å filtrere ut elektrisk støy fra hovedforsyningen. DIN-skinnemonterte versjoner er ryddige og sparer plass. En- og trefasede vekselstrømsmodeller er tilgjengelige. Det er også mulig å spesifisere enheter som kan håndtere spenningsfall ned til halvparten av linjespenningen uten avbrudd i utgangseffekten.

SolaHD tilbyr en rekke strømforsyninger for DIN-skinnemontering, for eksempel SDN5-24-100C, en AC–DC-strømforsyning (figur 5). Dette er en enfaset forsyning, og den er i samsvar med spesifikasjonen for farlige steder, E234790. Den kan håndtere en inngang på 85 til 264 volt AC (VAC) eller en inngang på 90 til 375 volt DC (VDC), og leverer en nominell utgangsspenning på 24 volt. Utgangsstrømmen er 5 A. Spenningsrippelen på utgangen er mindre enn 50 millivolt (mV) spiss-til-spiss. Strømforsyningen har høy immunitet mot elektromagnetisk interferens (EMI) og et driftstemperaturområde fra –25 til +60 ˚C. Den er kompakt, måler 123 x 50 x 111 mm og er beskyttet mot kontinuerlig kortslutning, kontinuerlig overbelastning og kontinuerlige åpne kretsfeil.

Figur 5: SDN5-24-100C er en kompakt, DIN-skinnemontert strømforsyning som måler 123 x 50 x 111 mm. (Bildekilde: SolaHD)

Konklusjon

Gruver er både fysisk og elektrisk utfordrende miljøer når det gjelder å sikre strømkvalitet og arbeidssikkerhet. Konstruktører bør bruke en tilnærming med flere nivåer, der hver komponent i strømforsyningssystemet kan fungere pålitelig og samtidig redusere utfordringer forbundet med strømkvalitet. Strømutstyret bør også overholde relevante sikkerhetsforskrifter. Ved å samarbeide med en enkelt leverandør kan konstruktører raskt konstruere et elektrisk nettverk som forbedrer driftssikkerheten, reduserer vedlikeholdskostnader, sørger for sikkerhet og minimerer strømkvalitetsproblemer før de påvirker driften.