Návrhy bezpečných a spolehlivých energetických systémů dodávky elektrické energie do těžebních prostředí

Zařízení s elektrickým pohonem přítomná v dolech po celém světe dopravují, drtí a rozemílají horninu, přepravují suroviny, osvětlují temné sluje, pohánějí čerpadla a větrací ventilátory, vrtačky, řezací stroje, sběrače prachu a kladkostroje. Vzhledem k tomu, že poruchy takových zařízení vedou k nákladným prostojům ve výrobě, navzdory vibracím, nárazům a vystavení chemikáliím, prachu, teplu a vlhkosti, se očekává vysoká spolehlivost.

Návrhy elektrických napájecích sítí pro taková prostředí s podmínkou zajištění bezpečnosti pracovníků jsou náročné, pomáhá však dostupnost komerčních elektrických produktů certifikovaných podle mezinárodních provozních a bezpečnostních norem. Pro zjednodušení návrhu systému a zajištění kompatibility mezi komponentami mohou konstruktéři k napájení většiny zařízení potřebného k vytvoření kompletního řešení využívat jediný zdroj.

Tento článek stručně nastiňuje požadavky na životní prostředí a kvalitu energie, které těžba klade na elektrická zařízení. Následně uvádí příklady specializovaných řešení od společnosti SolaHD a vysvětluje způsob jejich využití ve vícestupňové koncepci zajištění kvality elektrické energie a bezpečnosti pracovníků.

Problematika podzemní elektrotechniky

Důlní zařízení jsou vystavena korozivním kapalinám, hořlavým prachům, nečistotě, agresivním chemikáliím, silným vibracím, náhodným nárazům, přepětím a extrémním teplotním změnám. Přesto se od zařízení a jejich napájecích systémů očekává bezpečnost a spolehlivost.

Bezpečnost je podporována dohledem institucí prostřednictvím certifikace US Mine Safety and Health Administration (MSHA) a zákona Federal Mine Safety and Health Act z roku 1977. Dalším americké normy zahrnují National Electrical Code (NEC) nebo National Fire Protection Association (NFPA) 70. Tato norma se vztahuje na bezpečnou instalaci elektrického vedení a zařízení. Článek 500 normy NEC vyžaduje instalaci zařízení, které vyhovující přepisům a jsou testované a schválené pro konkrétní nebezpečí, včetně těch, která se vyskytují v dolech a v jejich okolí.

Zajištění kvality dodávky energie vyžaduje porozumění základní architektuře napájení a souvisejících problémů.

Ačkoli doly nejčastěji odebírají energii ze sítě střídavého napětí, používá se také stejnosměrné vysoké napětí dodávané prostřednictvím AC/DC měničů nebo místních stejnosměrných mikrosítí. Příkladem jsou zdroje nepřerušovaného napájení (UPS). Systémy mají následující základní strukturu: vysokonapěťová energie ze střídavé sítě napájí vysokonapěťové transformátory, které napájejí hlavní rozvodnu. Hlavní rozvodna distribuuje energii do několika sekundárních rozvoden a přímo do větších motorových zátěží dolu. Sekundární rozvodny dodávají energii do středonapěťových zátěží a středonapěťových/nízkonapěťových transformátorů připojených k dalším zařízením.

Ačkoli je taková napájecí síť obvykle stabilní, často vznikají problémy s kvalitou dodávky elektrické energie. Tyto problémy se objevují v podobě výpadků dodávky elektrické energie, brownoutů, poklesů napětí, přepěťových rázů, napěťových přechodových jevů, harmonických zkreslení a elektrického šumu (obrázek 1).

Obrázek 1: zobrazení průběhů představujících problémy s kvalitou dodávky energie. (Zdroj obrázku: autor, s využitím informací od společnosti SolaHD)

Zvažte příčinu a následek těchto problémů s kvalitou dodávky energie:

Výpadky dodávky elektrické energie: jedná se o úplné ztráty dodávky energie po delší dobu, obvykle způsobené nehodou nebo poruchou zařízení ve výrobní nebo distribuční síti společnosti. Výpadky dodávky energie mohou způsobit selhání hardwaru a havárie počítačového vybavení, zastavení provozu a snížení životnosti elektrického zařízení.

Brownouty: tyto stavy označují situace, které nastanou, je-li dodávané napětí po delší dobu pod normálními minimálními úrovněmi. Vyskytují se v případech, kdy přetížení nebo jiné problémy se sítí nutí energetické společnosti snížit napětí, aby uspokojily poptávku. Účinky brownoutů napětí jsou podobné jako u výpadků dodávky.

Poklesy napětí: poklesy a podpětí jsou nejčastějšími poruchami kvality dodávky energie v důlních prostředích. Vyskytují se, pokud významné zvýšení zátěže klade nápor na napájecí napětí, což způsobí jeho pokles pod prahovou úroveň. Norma IEEE definuje pokles jako snížení napětí o 10 až 90 % pod normální úroveň při 60 Hz. Událost poklesu napětí trvá méně než jednu minutu, avšak déle než 8 ms. Podpětí trvá déle než minutu.

Jak poklesy, tak i podpětí mohou způsobit nežádoucí vypínání jističů, poruchy a vypínání zařízení nebo jejich předčasné selhání. Nepřetržitý provoz zvyšuje riziko vznícení nebo výbuchu. Mezi příznaky těchto problémů patří tlumená nebo blikající světla, špatně fungující jednotky HVAC, přehřáté motory a blokování nebo vypínání automatických řídicích systémů a počítačů.

Přepěťové rázy: rázový nebo přepěťový stav znamená dočasný nárůst úrovně napětí po dobu v délce od poloviny frekvenční periody až po několik sekund. Tyto poruchy mohou být způsobeny vypnutím výkonových elektromotorů a běžným cyklováním systémů HVAC. Opakované vystavení systémů účinkům přepětí může způsobit jejich namáhání a oslabení a vyvolat chybné vypínání jističů a dalších ochranných prvků.

Dalším problémem spojeným s přepětím je degradace izolace. Porušená izolace ohrožuje bezpečný provoz důlního energetického systému tím, že působí jako katalyzátor požárů nebo spouští výbuchy metanu či uhelného prachu.

Napěťové přechodové jevy: napěťové přechodové jevy nebo špičky jsou výsledkem náhlého výrazného zvýšení napětí způsobeného vnějšími faktory, jako jsou údery blesku a spínání rozvodné sítě. Mohou také vzniknout uvnitř dolu v důsledku zkratů, vypnutých jističů a spouštění těžké techniky.

Citlivá elektronická zařízení jsou nejvíce ohrožena napěťovými přechody, které mohou způsobit zablokování nebo selhání systému, poškození nebo vymazání cenných dat.

Harmonické zkreslení: problémy s napětím vznikají tehdy, pokud sinusový průběh napájecího napětí obsahuje násobky základní frekvence (např. 180 Hz v systému 60 Hz). Harmonické zkreslení vzniká v důsledku nelineárních charakteristik různých zařízení, jako jsou pohony s proměnnou rychlostí (VSD) a zátěže energetického systému. Vyšší harmonické vedou ke zvýšenému zahřívání zařízení a vodičů, selhávání pohonů VSD a k pulzování točivého momentu motorů. Dalšími příznaky harmonického zkreslení v důlním energetickém systému jsou interference s komunikačním systémem dolu, blikající světla, vypínání jističů a uvolněné elektrická spoje.

V dolech je přítomno mnoho elektromotorů, z nichž většina je vybavena nelineárními pohony VSD, díky kterým se stávají hlavními zdroji vyšších harmonických v těžebním provozu. Dále platí, že použití celovlnného usměrňovače v motorech sice zlepšuje účinnost, ale generuje značné vyšší harmonické.

Elektrický šum: jedná se o rušivé signály s nízkou amplitudou, nízkým proudem a vysokou frekvencí generované uvnitř dolu i mimo něj. Různé zdroje zahrnují patří vzdálené blesky, spínané napájecí zdroje, elektronické obvody, nevyhovující kontakty kartáčů motoru a nekvalitní kabeláž.

Šumové signály, které jsou superponovány na vlnovém průběhu napětí, mohou vyvolávat poruchy počítače a nežádoucí účinky v obvodech řídicích systémů.

Řešení problémů s kvalitou dodávky energie

Nejlepším způsob, jak vyhovět kriticky důležitým požadavkům na vysoce kvalitní energii v důlních prostorech a zároveň zajistit robustnost a vysokou úroveň elektrické bezpečnosti, je zavedení víceúrovňové koncepce s použitím certifikovaného vybavení zahrnujícího zdroje UPS, napájecí kondicionéry, přepěťové ochrany (SPD), transformátory a napájecí zdroje.

V tabulce 1 je uveden přehled nejlepších zařízení na řešení konkrétního problému s kvalitou dodávky elektrické energie.

Tabulka 1: zvládnutí všech problémů s kvalitou dodávky energie, které se mohou vyskytovat v důlním prostředí, vyžaduje celou řadu ochranných zařízení. (Zdroj obrázku: SolaHD)

Aby došlo ke zjednodušení procesu návrhu, akvizice, instalace a zajištění kompatibility, je výhodné realizovat víceúrovňovou koncepci kvality dodávky energie prostřednictvím jediného dodavatele, například společnosti SolaHD. Například offline zdroj UPS SDU500B od této společnosti poskytuje v případě výpadku dodávky energie záložní napájení po dobu 4 min a 20 s při plné zátěži a 14 min a 30 s při poloviční zátěži (obrázek 2). Jak je uvedeno v tabulce 1, tento zdroj UPS také plní úlohu hlavního napájecího zdroje při výskytu brownoutů, poklesů napětí, přepěťových rázů, napěťových přechodových jevů a harmonických složek.

Obrázek 2: offline zdroj UPS SDU500B poskytuje záložní napájení po dobu 4 minut a 20 s při plné zátěži. (Zdroj obrázku: SolaHD)

Zdroj UPS určený pro montáž na lištu DIN používá bezúdržbové, utěsněné olověné (SLA) baterie, které se plně nabijí za osm hodin. Tento zdroj poskytuje výstup 120 V, 300 W se simulovaným sinusovým průběhem 50 až 60 Hz a přenosovou dobou kratší než 8 ms. Zdroj UPS, který je schopný pracovat v teplotním rozsahu 0 až 50 ˚C, je „Uznanou součástí“ pro použití v nebezpečných oblastech klasifikovaných podle normy E491259, čímž je vhodný pro důlní provozy.

Kondicionéry napájení od společnosti SolaHD, které mohou také regulovat napětí na výkyvy v mezích ±1 % při změnách vstupního napětí až +10/-20 %, poskytují vynikající potlačení šumu a jsou navrženy tak, aby odolávaly nejnáročnějším elektrickým prostředím.

Napájecí kondicionéry používají transformátorovou konstrukční technologii zvanou ferorezonance, která v zařízení vytváří dvě samostatné magnetické cesty s omezenou vazbou. Jednou z výhod této konstrukce je skutečnost, že vstupní proud obsahuje pouze zanedbatelné harmonické složky proudu vzhledem k základní harmonické. Výstupní strana transformátoru obsahuje paralelní rezonanční tank a odebírá výkon z primární strany, kterým nahrazuje výkon dodávaný do zátěže.

Například regulátor 63-23-112-4 120 VA MCR Hardwire od společnosti SolaHD je napájecí kondicionér, který dodává výstupní napětí 120 V (±3 %) ze vstupu 120, 208, 240 nebo 480 V. Společně s regulací napětí poskytuje vynikající filtraci šumu a přepěťovou ochranu. Potlačení šumu je 120 dB v souhlasném a 60 dB v transverzálním režimu. Přepěťová ochrana kondicionéru je testována podle normy ANSI/IEEE C62.41 Class A & B Waveform. Regulátor MCR Hardwire je dobrou volbou v situacích, kdy lze očekávat brownouty, poklesy napětí, přepěťové rázy, přechodové jevy, harmonické a elektrický šum.

Přepěťová ochrana (SPD) chrání před napěťovými přechody poškozujícími zařízení. Ochrana SPD proti přechodnému přepětí (TVSS) STV25K-24S od společnosti SolaHD je zařízení pro montáž na lištu DIN pracující na vstupní napětí 240 V (s odběrem až 20 A) a poskytující ochranu v místě provozu pomocí metal-oxidového varistoru (MOV) (obrázek 3).

Obrázek 3: ochrana SPD STV25K-24S TVSS je zařízení pro montáž na lištu DIN, které pracuje na vstupní napětí 240 V (až 20 A) a chrání proti přepětí v místě provozu. (Zdroj obrázku: SolaHD)

Ochrana SPD od společnosti SolaHD je vhodná pro instalaci do rozvaděčů v náročných průmyslových prostředích, jako jsou těžební prostory. Zařízení poskytuje ochranu proti rázům 25 000 A na fázi. Doba odezvy na přechodový jev je kratší než 5 ns. Ochrana SPD je opatřena tepelnou pojistkou zabraňující přehřátí varistoru MOV vlivem nadměrných proudových úrovní.

Volba oddělovacích transformátorů a napájecích zdrojů

Kromě zvýšení nebo snížení vstupního střídavého napětí na vhodnou výstupní hodnotu mohou oddělovací transformátory také chránit zařízení připojená k sekundární straně proti harmonickým složkám a elektrickému rušení.

Jedním z příkladů je transformátor E2H112S od společnosti SolaHD. Tento oddělovací transformátor je energeticky účinného, suchého typu s ochranou proti povětrnostním vlivům. Transformátor má primární napětí je 480 V (odběr až 135 A), dodává sekundární napětí 208 V nebo 120 V (odběr až 315 A) a je dimenzován na výkon 112,5 kVA (obrázek 4). Transformátor také potlačuje harmonické složky a elektrické rušení.

Obrázek 4: oddělovací transformátor E2H112S používá vstupní primární napětí 480 V a dodává sekundární napětí 208 V nebo 120 V. Transformátor také potlačuje harmonické složky a elektrické rušení. (Zdroj obrázku: SolaHD)

Transformátor by měl být chráněn proti náběhovým proudům pomocí jističe. Je dobrou konstrukční praxí vybrat jistič s vhodným časovým zpožděním, aby se eliminovalo rušivé vypínání. K tomuto jevu dochází při vysokém zapínacím proudu, jehož doba trvání však není dostatečná na poškození transformátoru.

Napájecí zdroje, které jsou kriticky důležité pro jakýkoli systém dodávky energie, dodávají do zařízení střídavé nebo stejnosměrné napětí a pomáhají odfiltrovat elektrický šum z hlavní elektrické sítě. Verze pro montáž na DIN lištu jsou čistě provedené a šetří místo. K dispozici jsou modely na jednofázové a třífázové střídavé napětí. Dále je možné vybrat zařízení schopná zvládat poklesy napětí až na polovinu síťového napětí bez přerušení výstupního výkonu.

Společnost SolaHD nabízí řadu napájecích zdrojů pro montáž na lištu DIN, například AC/DC zdroj SDN5-24-100C (obrázek 5). Jedná se o jednofázový napájecí zdroj vyhovující předpisům pro nebezpečná prostředí E234790. Zdroj je schopen provozu na vstupní napětí 85 až 264 V AC nebo 90 až 375 V DC a dodávat jmenovité výstupní napětí 24 V. Výstupní proud je 5 A. Zvlnění výstupního napětí špička-špička je nižší než 50 mV. Napájecí zdroj se vyznačuje vysokou odolností proti elektromagnetickému rušení (EMI) a je schopen provozu v teplotním rozsahu -25 až +60 ˚C. Zdroj má kompaktní provedení, rozměry 123 x 50 x 111 mm a je chráněn proti trvalému zkratu, trvalému přetížení a trvalému přerušení obvodu.

Obrázek 5: model SDN5-24-100C je kompaktní napájecí zdroj pro montáž na lištu DIN o rozměrech 123 x 50 x 111 mm. (Zdroj obrázku: SolaHD)

Závěr

Doly jsou z hlediska zajištění kvality dodávky elektrické energie a bezpečnosti pracovníků fyzicky i elektricky náročná prostředí. Konstruktéři by měli uplatňovat víceúrovňovou koncepci, kdy je každá součást elektrického napájecího systému schopná spolehlivé funkce a zároveň zmírňuje problémy s kvalitou dodávky elektrické energie. Energetické zařízení by také mělo splňovat příslušné bezpečnostní předpisy. Díky spolupráci s jedním dodavatelem mohou konstruktéři rychle vybudovat elektrickou síť, která zlepší spolehlivost pracoviště, sníží náklady na údržbu, zajistí bezpečnost a zmírní problémy s kvalitou dodávky elektrické energie dříve, než by narušily provoz.