作者：Steven Keeping

　　在世界各地的礦山中，電動設(shè)備運(yùn)輸、壓碎和研磨巖石，運(yùn)輸原材料，照亮黑暗的洞穴，運(yùn)行泵和通風(fēng)機(jī)，并為鉆機(jī)、切割機(jī)、除塵器和提升機(jī)提供動力。設(shè)備故障會導(dǎo)致代價高昂的生產(chǎn)停機(jī)，因此盡管存在振動、沖擊以及暴露于化學(xué)品、灰塵、高溫和潮濕環(huán)境，但仍需要高可靠性。

　　在確保工人安全的同時為這種環(huán)境設(shè)計供電網(wǎng)絡(luò)具有挑戰(zhàn)性，但通過國際操作和安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的商業(yè)電氣產(chǎn)品的可用性會有所幫助。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計并確保組件之間的兼容性，設(shè)計人員可以使用單一來源來構(gòu)建完整解決方案所需的大部分設(shè)備。

　　本文簡要概述了采礦業(yè)對電氣設(shè)備的環(huán)境和電能質(zhì)量要求。然后介紹了SolaHD的專業(yè)解決方案示例，并解釋了如何以多層方法應(yīng)用它們來確保電能質(zhì)量和工人安全。

　　地下電氣工程面臨的挑戰(zhàn)

　　在礦山中，設(shè)備會受到腐蝕性液體、可燃粉塵、污垢、刺激性化學(xué)品、劇烈振動、隨機(jī)沖擊、電涌和極端溫度變化的影響。然而，設(shè)備及其電力系統(tǒng)應(yīng)安全可靠。

　　安全受到美國礦山安全與健康管理局 (MSHA) 和 1977 年聯(lián)邦礦山安全與健康法案等機(jī)構(gòu)的監(jiān)督。另一個美國標(biāo)準(zhǔn)是國家電氣規(guī)范 (NEC) 或國家消防協(xié)會 (NFPA) 70. 本標(biāo)準(zhǔn)涵蓋電氣線路和設(shè)備的安全安裝。 NEC 第 500 條要求安裝經(jīng)過針對特定危險(包括礦山及其周圍環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的危險)進(jìn)行測試和批準(zhǔn)的符合規(guī)范的設(shè)備。

　　確保電能質(zhì)量需要了解基本的電源架構(gòu)和相關(guān)問題。

　　礦山通常從交流電網(wǎng)獲取電力，但也使用由交直流轉(zhuǎn)換或現(xiàn)場直流微電網(wǎng)提供的高壓直流電。不間斷電源 (UPS) 就是一個例子。該系統(tǒng)遵循基本設(shè)計：來自交流電網(wǎng)的高壓電力為高壓變壓器供電，為主變電站供電。主變電站將能量分配給多個次級變電站，并直接分配給礦井較大的電機(jī)負(fù)載。二次變電站向中壓負(fù)載和與其他設(shè)備連接的中低壓變壓器供電。

　　雖然該供電網(wǎng)通常是穩(wěn)定的，但經(jīng)常出現(xiàn)電能質(zhì)量問題。此類問題以電源中斷、停電、電壓暫降、電壓浪涌、電壓瞬變、諧波失真和電氣噪聲的形式出現(xiàn)(圖 1)。

　　圖 1：所示為代表電能質(zhì)量問題的波形。 (圖片來源：作者，使用SolaHD信息)

　　考慮這些電能質(zhì)量問題的原因和影響：

　　電力中斷：這是指長時間完全斷電，通常是由公用事業(yè)發(fā)電或配電網(wǎng)絡(luò)中的事故或設(shè)備故障引起的。電源中斷可能會導(dǎo)致硬件故障和計算機(jī)設(shè)備崩潰、停止操作并縮短電氣設(shè)備的使用壽命。

　　欠壓：這些描述了當(dāng)供電電壓長時間低于正常最低水平時會發(fā)生什么情況。當(dāng)容量過?；蚱渌W(wǎng)絡(luò)問題迫使公用事業(yè)公司降低電壓以滿足需求時，就會發(fā)生這種情況。限電的影響與中斷的影響類似。

　　電壓驟降：電壓驟降和欠壓狀況是采礦業(yè)最常見的電能質(zhì)量干擾。當(dāng)負(fù)載顯著增加對電源造成壓力，導(dǎo)致電源電壓降至閾值水平以下時，就會發(fā)生這種情況。 IEEE 將電壓驟降定義為低于正常 60 赫茲 (Hz) 電壓 10% 到 90% 的電壓降低。電壓驟降事件持續(xù)時間不到一分鐘但超過 8 毫秒 (ms)。欠壓持續(xù)時間超過一分鐘。

　　電壓驟降和欠壓都可能導(dǎo)致斷路器跳閘、設(shè)備故障和停機(jī)，或設(shè)備過早失效。持續(xù)運(yùn)行會增加燃燒或爆炸的風(fēng)險。這些問題的跡象包括燈光暗淡或閃爍、暖通空調(diào)裝置運(yùn)行不良、電機(jī)過熱以及自動化控制系統(tǒng)和計算機(jī)鎖定或斷電。

　　電壓浪涌：浪涌或過壓狀況是指持續(xù)時間從半頻周期到幾秒的暫時電壓電平升高。這些干擾可能是由關(guān)閉大功率電動機(jī)和 HVAC 系統(tǒng)的正常循環(huán)引起的。重復(fù)的電壓浪涌會給系統(tǒng)帶來壓力和削弱，并導(dǎo)致斷路器和其他保護(hù)裝置誤跳閘。

　　與過電壓相關(guān)的另一個問題是絕緣退化。絕緣惡化會成為火災(zāi)的催化劑或引發(fā)甲烷或煤塵爆炸，從而危及礦井電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

　　電壓瞬變：電壓瞬變或尖峰是由外部因素(例如雷擊和公用電網(wǎng)開關(guān))引起的電壓突然顯著增加而引起的。由于短路、斷路器跳閘和重型設(shè)備啟動，它們也可能源自礦井內(nèi)部。

　　敏感電子設(shè)備最容易受到電壓瞬變的威脅，電壓瞬變可能導(dǎo)致系統(tǒng)鎖定或故障、損壞或刪除有價值的數(shù)據(jù)。

　　諧波失真：當(dāng)電源正弦波中出現(xiàn)多個基頻(例如 60 Hz 系統(tǒng)中的 180 Hz)時，就會出現(xiàn)電壓問題。由于變速驅(qū)動器 (VSD) 和電力系統(tǒng)負(fù)載等設(shè)備的非線性特性，存在諧波失真。諧波會導(dǎo)致設(shè)備和導(dǎo)體發(fā)熱增加、VSD 失火以及電機(jī)扭矩脈動。采礦電力系統(tǒng)中諧波失真的其他癥狀包括對礦井通信系統(tǒng)的干擾、燈光閃爍、斷路器跳閘以及電氣連接松動。

　　礦井中有許多電動機(jī)，其中大多數(shù)都具有非線性 VSD，這使其成為采礦作業(yè)中的主要諧波源。此外，在電機(jī)中使用全波整流器可以提高效率，但會產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波。

　　電氣噪聲：這是礦井內(nèi)外產(chǎn)生的低振幅、低電流、高頻干擾。來源包括遠(yuǎn)處雷擊、開關(guān)電源、電子電路、電機(jī)電刷接觸不良以及接線質(zhì)量差。

　　噪聲信號疊加在電壓波形上，可能會導(dǎo)致計算機(jī)故障和控制系統(tǒng)電路中的不良影響。

　　解決電能質(zhì)量問題

　　滿足采礦業(yè)對高質(zhì)量電力持續(xù)需求的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，同時確保穩(wěn)健性和高水平電氣安全性的最佳方法是采用多層方法，使用經(jīng)過認(rèn)證的設(shè)備，包括 UPS、功率調(diào)節(jié)器、浪涌保護(hù)裝置 (SPD) )、變壓器和電源。

　　表 1 總結(jié)了控制特定電能質(zhì)量問題的最佳設(shè)備。

　　表1：需要一系列保護(hù)裝置來應(yīng)對采礦環(huán)境中可能出現(xiàn)的所有電能質(zhì)量問題。 (圖片來源：SolaHD)

　　與單一來源(例如 SolaHD)合作，采用多層電能質(zhì)量方法可以簡化設(shè)計、采購和部署過程，并確保兼容性。例如，該公司的SDU500B離線式UPS在停電時可在滿載時提供4分20秒的備用電源，在半載時提供14分30秒的備用電源(圖2)。如表 1 所示，該 UPS 還可以在出現(xiàn)斷電、電壓暫降、電壓浪涌、電壓瞬變和諧波等情況時支持主電源供電。

　　圖 2：SDU500B 離線式 UPS 在滿負(fù)載時提供 4 分鐘 20 秒的備用電源。 (圖片來源：SolaHD)

　　UPS 采用 DIN 導(dǎo)軌安裝，并使用免維護(hù)密封鉛酸 (SLA) 電池，可在八小時內(nèi)充滿電。它提供 300 瓦、120 伏輸出，模擬正弦波為 50 至 60 Hz，傳輸時間小于 8 毫秒。該 UPS 可在 0 至 50°C 的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并且是 E491259 規(guī)定的可在區(qū)域分類危險場所使用的“認(rèn)可組件”，因此適合采礦作業(yè)。

　　SolaHD 的電源調(diào)節(jié)器還可以在輸入變化高達(dá) +10/-20% 的情況下將電壓調(diào)節(jié)到 ±1% 以內(nèi)，提供卓越的噪聲衰減，并且設(shè)計用于承受最惡劣的電氣環(huán)境。

　　功率調(diào)節(jié)器使用一種稱為鐵磁諧振的變壓器設(shè)計技術(shù)，該技術(shù)在設(shè)備中創(chuàng)建兩個具有有限耦合的獨(dú)立磁路。這種設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)之一是輸入電流包含的諧波電流相對于基波可以忽略不計。變壓器的輸出側(cè)具有并聯(lián)諧振儲能電路，并從初級汲取功率以代替輸送到負(fù)載的功率。

　　例如， SolaHD 63-23-112-4 120 伏安 (VA) MCR 硬線調(diào)節(jié)器是一種功率調(diào)節(jié)器，可從 120、208、240 或 480 伏輸入提供 120 伏輸出 (±3%) 。它確保出色的噪聲過濾和浪涌保護(hù)以及電壓調(diào)節(jié)。共模噪聲衰減為 120 分貝 (dB)，橫模噪聲衰減為 60 dB。其浪涌保護(hù)經(jīng)過 ANSI/IEEE C62.41 A 類和 B 類波形測試。當(dāng)預(yù)計會出現(xiàn)斷電、電壓暫降、浪涌、瞬變、諧波和電噪聲時，MCR 硬線穩(wěn)壓器是一個不錯的選擇。

　　SPD 可防止損壞設(shè)備的電壓瞬變。 SolaHD 的STV25K-24S瞬態(tài)電壓浪涌抑制器 (TVSS) SPD 是一款 DIN 導(dǎo)軌安裝設(shè)備，采用 240 伏輸入(高達(dá) 20 A)運(yùn)行，并通過使用金屬氧化物變阻器 (MOV) 提供使用點(diǎn)保護(hù)(圖3)。

　　圖 3：STV25K-24S TVSS SPD 是一款 DIN 導(dǎo)軌安裝設(shè)備，采用 240 伏輸入(高達(dá) 20 A)運(yùn)行，并提供使用點(diǎn)浪涌保護(hù)。 (圖片來源：SolaHD)

　　SolaHD SPD 適合安裝在惡劣工業(yè)環(huán)境(例如采礦設(shè)施)的控制柜中。該器件每相提供 25,000 A 的浪涌保護(hù)。瞬態(tài)響應(yīng)時間小于 5 納秒 (ns)。 SPD 具有熱熔斷功能，可防止 MOV 因電流過大而導(dǎo)致過熱。

　　指定隔離變壓器和電源

　　除了將輸入交流電壓升壓或降壓至合適的輸出值之外，隔離變壓器還可以保護(hù)連接到次級側(cè)的設(shè)備免受諧波和電氣噪聲的影響。

　　SolaHD E2H112S就是一個例子。該隔離變壓器是一種節(jié)能干式變壓器，具有防風(fēng)雨罩。它的初級輸入電壓為 480 伏(最高 135 A)，次級輸入電壓為 208 或 120 伏(最高 315 A)，額定電流為 112.5 千伏安 (kVA)(圖 4)。該變壓器還可以減輕諧波和電噪聲。

　　圖 4：E2H112S隔離變壓器在初級上采用 480 伏輸入，在次級上提供 208 或 120 伏電壓。該變壓器還可以減輕諧波和電噪聲。 (圖片來源：SolaHD)

　　應(yīng)通過斷路器保護(hù)變壓器免受浪涌電流的影響。良好的設(shè)計實(shí)踐是選擇具有適當(dāng)延時的斷路器裝置，以消除誤跳閘。當(dāng)浪涌電流很高但持續(xù)時間不足以損壞變壓器時，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

　　電源對于任何供電系統(tǒng)都至關(guān)重要，它為設(shè)備提供交流或直流電源，并幫助濾除主電源中的電噪聲。 DIN 導(dǎo)軌安裝版本整潔且節(jié)省空間。有單相和三相交流型號可供選擇;還可以指定能夠處理低至線路電壓一半的電壓暫降而不會中斷輸出功率的設(shè)備。

　　SolaHD 提供一系列 DIN 導(dǎo)軌電源，例如SDN5-24-100C AC/DC 電源(圖 5)。這是單相電源，符合危險場所 E234790 規(guī)范。它可接受 85 至 264 伏交流 (VAC) 輸入或 90 至 375 伏直流 (VDC) 輸入，提供標(biāo)稱 24 伏輸出。輸出電流為 5 A。輸出電壓紋波峰峰值小于 50 毫伏 (mV)。該電源具有高電磁干擾 (EMI) 抗擾度和 -25 至 +60°C 的工作溫度范圍。它結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸為 123 x 50 x 111 mm，具有連續(xù)短路、連續(xù)過載和連續(xù)開路故障保護(hù)功能。

　　圖 5：SDN5-24-100C 是一款緊湊型 DIN 導(dǎo)軌安裝電源，尺寸為 123 x 50 x 111 mm。 (圖片來源：SolaHD)

　　結(jié)論

　　礦井是確保電能質(zhì)量和工人安全的物理和電力環(huán)境。設(shè)計人員應(yīng)采用多層方法，使供電系統(tǒng)的每個組件都能可靠運(yùn)行，同時緩解電能質(zhì)量挑戰(zhàn)。電力設(shè)備還應(yīng)遵守相關(guān)安全規(guī)定。通過與單一供應(yīng)商合作，設(shè)計人員可以快速構(gòu)建一個電網(wǎng)，從而提高站點(diǎn)可靠性、降低維護(hù)成本、確保安全并在電能質(zhì)量問題影響運(yùn)營之前緩解它們。