Biztonságos és megbízható áramellátó rendszerek tervezése a bányák villamosenergia-ellátására

A világ bányáiban villanyárammal működő gépek szállítják, zúzzák és őrlik a kőzetet, szállítják a nyersanyagokat, világítják meg a sötét tárnákat, működtetik a szivattyúkat és a szellőzőventilátorokat, valamint a fúrókat, vágógépeket, porleválasztókat és emelőket. A gépek meghibásodása költséges termelési leállásokhoz vezet, ezért nagyfokú megbízhatóságot várnak el tőlük annak ellenére, hogy a gépek rezgéseknek, ütéseknek, valamint vegyi anyagoknak, pornak, hőnek és nedvességnek is ki vannak téve.

Az ebben a környezetben használt villamos ellátóhálózatok oly módon való megtervezése, hogy a dolgozók biztonsága is szavatolva legyen, komoly feladatot jelent, de nagyban segíti az, hogy a kereskedelmi forgalomban beszerezhetőek a nemzetközi üzemi és biztonsági szabványoknak megfelelő villamossági termékek. A rendszertervezés egyszerűsítése és az alkatrészek közötti kompatibilitás biztosítása érdekében a tervezők beszerezhetik egyetlen forrásból is a teljes rendszer kialakításához szükséges berendezések nagy részét.

Ez a cikk röviden ismerteti a bányászat által a villamos berendezésekkel szemben támasztott környezetvédelmi és az áramellátás minőségére vonatkozó követelményeket. Ezután példákat mutat a SolaHD testreszabott egyedi megoldásaira, és elmagyarázza, hogyan lehet azokat többszintű kialakításban használni az áramellátás minőségének és a munkavállalók biztonságának szavatolásához.

A föld alatti elektrotechnikával szemben támasztott követelmények

A bányákban a berendezések maró folyadékoknak, éghető pornak, szennyeződéseknek, agresszív vegyi anyagoknak, erős rezgéseknek, véletlenszerű ütéseknek, áramlökéseknek és szélsőséges hőmérséklet-változásoknak vannak kitéve. A berendezésekkel és az áramellátó rendszerekkel szemben azonban elvárás, hogy biztonságosak és megbízhatóak legyenek.

A biztonságot olyan intézmények felügyelete garantálja, mint az Amerikai Egyesült Államok Bányabiztonsági és Bányaegészségügyi Hatósága (MSHA, Mine Safety and Health Administration), és olyan jogszabályok, mint az 1977. évi szövetségi bányabiztonsági és bánya-egészségvédelmi törvény. További amerikai szabványok a NEC (National Electrical Code, nemzeti villanyszerelési szabályzat), valamint az NFPA (National Fire Protection Association, nemzeti tűzvédelmi társaság) 70. szabványa. Ez a szabvány a villanyvezetékek biztonságos kiépítésére és a villamos berendezések biztonságos telepítésére vonatkozik. Az NEC 500. cikke megköveteli a speciális veszélyekre – beleértve a bányákban és azok környezetében előforduló veszélyeket is – tesztelt és jóváhagyott, az előírásoknak megfelelő berendezések használatát.

Az áramellátás minőségének biztosítása megköveteli, hogy értsük az áramellátó rendszer felépítésének alapjait és a kapcsolódó problémákat.

A bányák általában a váltakozó áramú hálózatból nyerik az áramot, bár használnak egyenirányítással vagy helyi egyenáramú mikrohálózatokból nyert nagyfeszültségű egyenáramot is. Egy példa az áramellátásra a szünetmentes tápegységek (UPS, uninterruptible power supply) használata. A rendszerek az alábbi alapfelépítést követik: a váltakozó áramú hálózatból származó nagyfeszültségű áram nagyfeszültségű transzformátorokat táplál, amelyek egy fő alállomást látnak el árammal. A fő alállomás több másodlagos alállomást és közvetlenül a bánya nagyobb terhelést jelentő villanymotorjait táplálja. A másodlagos alállomások a középfeszültségű fogyasztókat és az egyéb berendezésekhez csatlakozó közép- és kisfeszültségű transzformátorokat látják el árammal.

Bár ez az ellátóhálózat általában stabil, gyakran előfordulnak az áramellátás minőségével kapcsolatos problémák. Ezek a problémák áramszünetek, feszültségesések, feszültségingadozások, túlfeszültségek, feszültséglökések, harmonikustorzítások és villamos zajok formájában jelentkeznek (1. ábra).

1. ábra: A képen az áramellátás minőségével kapcsolatos problémáknak megfelelő hullámformák láthatóak (power interruption – áramszünet, brownout – feszültségesés, voltage sag – feszültségingadozás, voltage surge – túlfeszültség, voltage transients – feszültséglökések, harmonic distortion – harmonikustorzítás és electrical noise – villamos zaj) (kép: a szerző, a SolaHD adatainak felhasználásával)

Nézzük át ezeknek az áramellátás minőségével kapcsolatos problémáknak az okát és hatását:

Áramszünet: Ezek hosszabb ideig tartó teljes áramkimaradások, amelyeket jellemzően valamilyen, a közművek áramtermelő vagy elosztóhálózatában bekövetkezett baleset vagy berendezéshiba okoz. Az áramszünetek hardverhibákat okozhatnak a számítógépes berendezésekben, összeomolhat miattuk a rendszer, leállíthatják a számítógépes berendezések működését, és csökkenthetik a villamos berendezések élettartamát.

Feszültségesés: Ezek azok az állapotok, amikor a tápfeszültség hosszabb ideig a megengedett minimális szint alatt van. Ezek akkor fordulnak elő, amikor a túl nagy felvevőkapacitás vagy más hálózati problémák arra kényszerítik a közműveket, hogy csökkentsék a feszültséget annak érdekében, hogy ki tudják elégíteni az igényeket. A feszültségesések hatásai hasonlóak az áramszünetekéihez.

Feszültségingadozás: A bányákban a feszültségingadozás és a feszültségesés a két leggyakoribb áramellátás-minőségi probléma. Ezek akkor lépnek fel, amikor a terhelés jelentős növekedése túlságosan megterheli a tápegységet, és a tápfeszültség egy küszöbérték alá csökken. Az IEEE meghatározása szerint a feszültségingadozás a 60 Hz-es feszültség normál értékéhez képest 10–90%-os feszültségcsökkenés. A feszültségingadozás egy percnél rövidebb, de 8 ezredmásodpercnél (ms) hosszabb ideig tart. A feszültségesések egy percnél tovább tartanak.

Mind a feszültségingadozások, mind a feszültségesések okozhatnak zavaró megszakítókioldást, a berendezések meghibásodását és leállását, illetve a berendezések idő előtti meghibásodását. A működés ilyen esetben történő folytatása növeli a gyulladás vagy a robbanás veszélyét. Ezeknek a hibáknak a tünetei közé tartoznak az elhalványuló vagy villódzó fények, a rosszul működő fűtő-, szellőző- és légkondicionáló (HVAC, heating, ventilation and air conditioning) berendezések, a villanymotorok melegedése, valamint az automatizált vezérlőrendszerek és a számítógépek leállása vagy kikapcsolása.

Túlfeszültség: A túlfeszültség vagy túlfeszültségi állapot egy átmeneti feszültségszint-emelkedés, amelynek időtartama egy félfrekvenciányi ciklustól néhány másodpercig terjedhet. Ezeket a zavarokat a nagy teljesítményű villanymotorok leállítása és a fűtő-, szellőző- és légkondicionáló rendszerek normál ciklikus működése okozhatja. A túlfeszültségnek való ismétlődő kitettség megterhelheti és gyengítheti a rendszereket, valamint a megszakítók és más védőeszközök téves kioldásait okozhatja.

A túlfeszültségekkel kapcsolatos további probléma a szigetelés károsodása. A szigetelés gyengülése veszélyezteti a bánya áramellátó rendszerének biztonságos működését, mert tüzek katalizátoraként szolgálhat, illetve metán- vagy szénporrobbanást idézhet elő.

Feszültséglökések: A feszültséglökések vagy feszültségtüskék a feszültség hirtelen és jelentős emelkedését jelentik, amelyet külső tényezők, például villámcsapások vagy a közműhálózat átkapcsolása okoznak. A feszültséglökések okai lehetnek bányán belüliek is, ilyenek például a rövidzárlatok, a megszakítók kioldása és a nehézgépek indítása.

Az érzékeny elektronikus berendezéseket leginkább a feszültséglökések veszélyeztetik, amelyek rendszerleállást vagy meghibásodást okozhatnak, megrongálva vagy törölve egyes értékes adatokat.

Harmonikustorzítások: Ez a feszültséghiba olyankor keletkezik, ha az alapfrekvencia többszörösei (például egy 60 Hz-es rendszerben 180 Hz) jelennek meg a tápegység szinuszhullámában. Harmonikustorzítás egyes eszközök – például a frekvenciaváltók (VSD, variable speed drive) – nemlineáris jellemzői, illetve a villamosenergia-rendszerre kapcsolt terhelések következtében jön létre. A felharmonikusok a berendezések és a vezetékek fokozott felmelegedését, a frekvenciaváltók hibás vezérlőjel-kiadását és a villanymotorok nyomatékingadozását eredményezik. A bánya áramellátó rendszerében jelentkező harmonikustorzítás egyéb tünetei a bánya kommunikációs rendszerének zavarása, villódzó fények, kioldott megszakítók és meglazult villamos csatlakozások.

A bányákban sok villanymotor van, amelyek többségének fordulatszám-szabályozását nemlineáris frekvenciaváltókkal oldják meg, így a bányákban ezek jelentik a felharmonikusok fő forrását. Ezenkívül a villanymotorokban használt teljes hullámú egyenirányítók javítják ugyan a hatásfokot, de jelentős mennyiségű felharmonikust állítanak elő.

Villamos zajok: A bányán belül és kívül keletkező kis amplitúdójú, kis áramerősségű, nagyfrekvenciás zavarjelek. A villamos zajok forrásai közé tartoznak a távoli villámcsapások, a kapcsolóüzemű tápegységek, az elektronikus áramkörök, a villanymotorok szénkeféinek rossz érintkezése és a rossz minőségű vezetékek.

A zajjelek ráülhetnek a feszültséghullámokra, és számítógépes zavarokat, valamint a vezérlőrendszerek áramköreiben jelentkező nemkívánatos hatásokat okozhatnak.

Az áramellátás minőségével kapcsolatos problémák kezelése

A bányákban a folyamatosan kiváló minőségű áramellátás iránti igény jelentette fontos elvárásoknak való megfelelés legjobb módja – a nagy tűrőképesség és a magas szintű villamos biztonság megteremtése mellett – a többszintű kialakítás tanúsított berendezéseket, többek között szünetmentes tápegységeket, tápfeszültség-formálókat, túlfeszültségvédő eszközöket (SPD, surge protection device), transzformátorokat és tápegységeket használva.

Az 1. táblázat összefoglalja, hogy melyik berendezés a legjobb az áramellátás minőségével kapcsolatos adott probléma kezelésére.

1. táblázat: A bányászati környezetben előforduló, az áramellátás minőségével kapcsolatos összes probléma kezeléséhez többféle védőeszközre van szükség (kép: SolaHD)

Az áramellátás minőségének többszintű biztosításához hasznos, ha egyszerűsíti a tervezési, beszerzési és kiépítési folyamatot, valamint a kompatibilitás szavatolása érdekében egyetlen beszállítótól, például a SolaHD cégtől szerzi be a berendezéseket. A vállalat hálózatot nem igénylő SDU500B szünetmentes tápegysége például áramszünet esetén teljes terhelés mellett 4 perc 20 másodpercig, illetve fél terhelés mellett 14 perc 30 másodpercig szolgáltat tartalék áramellátást (2. ábra). Amint az 1. táblázatban látható, ez a szünetmentes tápegység feszültségesés, feszültségingadozás, túlfeszültség, feszültséglökések és harmonikustorzítások esetén is támogatja a fő áramellátást.

2. ábra: A hálózatot nem igénylő SDU500B szünetmentes tápegység teljes terhelés mellett 4 perc 20 másodpercig szolgáltat tartalék energiát (kép: SolaHD)

A szünetmentes tápegység DIN-sínre szerelhető, és karbantartásmentes, zárt ólom–sav akkumulátorokat használ, amelyek teljes feltöltéséhez nyolc óra szükséges. 300 W-os, 120 V-os kimenetet szolgáltat mesterségesen előállított 50–60 Hz-es szinuszhullámmal és kevesebb mint 8 ms átviteli idővel. A szünetmentes tápegység 0 ˚C és 50 ˚C közötti hőmérséklet-tartományban képes működni, és az E491259 szabvány szerint veszélyes helyeken való használatra „elismert alkatrész”, így alkalmas bányászati tevékenységekhez.

A SolaHD tápfeszültség-formálói ±1%-os pontossággal képesek szabályozni a feszültséget akár +10/–20%-os bemenőfeszültség-ingadozás esetén is, kiváló zajcsillapítást nyújtanak, és úgy tervezték őket, hogy ellenálljanak a legzordabb villamos környezetnek is.

A tápfeszültség-formálók egy ferrorezonanciának nevezett transzformátortechnikát használnak, amely két külön mágneses útvonalat hoz létre az eszközben, korlátozott csatolással. Ennek a kialakításnak az egyik előnye, hogy a bemenőáram az alapáramhoz képest elhanyagolható mértékű felharmonikusáramot tartalmaz. A transzformátor kimeneti oldalán egy párhuzamos rezonáns tárolóáramkör található, és a kimeneti oldal a primer tekercsből vesz fel teljesítményt a terhelésre leadott teljesítmény helyettesítésére.

A SolaHD 63-23-112-4 120 VA-es MCR Hardwire huzalozott feszültségszabályozó például egy olyan tápfeszültség-formáló, amely 120 V-os (±3%) kimenőjelet ad le 120, 208, 240 vagy 480 V-os bemenőfeszültség mellett. A feszültségszabályozás mellett kiváló zajszűrést és túlfeszültség-védelmet is kínál. A zajcsillapítás 120 dB közös üzemmódban és 60 dB keresztüzemmódban. A túlfeszültség elleni védelmet az ANSI/IEEE C62.41 A és B osztályú hullámformára tesztelték. Az MCR Hardwire feszültségszabályozó jó választás, ha feszültségesések, feszültségingadozások, túlfeszültségek, feszültséglökések, harmonikustorzítások és villamos zajok várhatóak.

A túlfeszültségvédő eszközök a berendezéseket károsító feszültséglökések ellen nyújtanak védelmet. A SolaHD STV25K-24S feszültséglökés-elnyomó (TVSS, transient voltage surge suppressor) túlfeszültségvédő egy DIN-sínre szerelhető eszköz, amely 240 V bemenőfeszültségről működik (maximum 20 A mellett), és egy fémoxid-varisztor (MOV, metal oxide varistor) segítségével oldja meg a felhasználási hely védelmét (3. ábra).

3. ábra: Az STV25K-24S feszültséglökés-elnyomó túlfeszültségvédő egy DIN-sínre szerelhető eszköz, amely 240 V bemenőfeszültségről működik (maximum 20 A mellett), és feszültség- és áramlökések ellen védi a felhasználási helyet (kép: SolaHD)

A SolaHD túlfeszültségvédő eszköz alkalmas a zord ipari környezetben, például bányászati létesítményekben található vezérlőszekrényekbe történő beépítésre. A készülék fázisonként 25 000 A-es áramlökés elleni védelmet nyújt. Az áramlökésre adott reakció válaszideje kevesebb mint 5 ns. A túlfeszültségvédő eszköz túlmelegedés-védő biztosítékkal is el van látva, hogy megakadályozza a fémoxid-varisztor túl nagy áramerősség miatti túlmelegedését.

A megfelelő leválasztótranszformátorok és tápegységek kiválasztása

A leválasztótranszformátorok a bemeneti váltakozó feszültség megfelelő kimeneti értékre történő fel- vagy leszabályozásán túlmenően a szekunder oldalra csatlakoztatott eszközöket is képesek megvédeni a felharmonikusoktól és a villamos zajoktól.

Ilyen leválasztótranszformátor például a SolaHD E2H112S. Ez a leválasztótranszformátor energiatakarékos száraz típus, amely időjárásálló burkolattal van ellátva. A primer oldali bemenőfeszültsége 480 V (legfeljebb 135 A mellett), a szekunder oldalon 208 vagy 120 V-ot ad le (legfeljebb 315 A mellett), és 112,5 kVA a névleges teljesítménye (4. ábra). A transzformátor emellett csökkenti a felharmonikusokat és a villamos zajt is.

4. ábra: Az E2H112S leválasztótranszformátor 480 V bemenőfeszültséget igényel a primer oldalon, és 208 vagy 120 V-ot ad le a szekunder oldalon. A transzformátor emellett csökkenti a felharmonikusokat és a villamos zajt is (kép: SolaHD)

A transzformátort megszakítóval kell védeni a bekapcsolási túláramok ellen. Bevált tervezési gyakorlat, hogy a zavaró kioldások kiküszöbölése érdekében megfelelő késleltetési idejű megszakítót kell választani. Ez a jelenség akkor fordul elő, amikor a bekapcsolási túláram nagy, de nem tart elég hosszú ideig ahhoz, hogy károsítsa a transzformátort.

A tápegységek minden villamos ellátórendszerben létfontosságúak, mivel váltakozó vagy egyenáramot szolgáltatnak a berendezések számára, és segítenek kiszűrni a fő tápegység villamos zaját. A DIN-sínre szerelhető változatok jól néznek ki és helytakarékosak. Egy- és háromfázisú váltakozó áramú típusok kaphatóak. Olyan eszközök is léteznek, amelyek a hálózati feszültség felére csökkenő feszültségingadozást is képesek kezelni a kimenőteljesítmény megszakítása nélkül.

A SolaHD kínálatában számos DIN-sínes tápegység szerepel, ezek egyike az SDN5-24-100C váltakozó és egyenáramú tápegység (5. ábra). Ez egy egyfázisú tápegység, és megfelel a veszélyes helyeken használható eszközökre vonatkozó E234790 előírásoknak. A bemenőfeszültsége 85–264 V váltakozó feszültség (VAC) vagy 90–375 V egyenfeszültség (VDC) lehet, és 24 V a névleges kimenőfeszültsége. A kimenő áramerőssége 5 A. A kimenőfeszültség búgófeszültsége kevesebb mint 50 mV (csúcstól csúcsig). A tápegység nagymértékben védett az elektromágneses zavarás (EMI) ellen, és –25 ˚C és +60 ˚C közötti az üzemi hőmérséklet-tartománya. Kis, 123 mm × 50 mm × 111 mm méretű, és védett a folyamatos rövidzárlat, a folyamatos túlterhelés és a folyamatos szakadás ellen.

5. ábra: Az SDN5-24-100C egy kis méretű, DIN-sínre szerelhető tápegység, amelynek méretei: 123 mm × 50 mm × 111 mm (kép: SolaHD)

Összegzés

A bányák mind fizikailag, mind villamosan kihívást jelentő környezetek, amelyekben biztosítani kell az áramellátás minőségét és a munkavállalók biztonságát. A tervezőknek többszintű kialakítást kell alkalmazniuk, ahol a villamos ellátórendszer minden egyes összetevője megbízhatóan működik, miközben enyhíti az áramellátás minőségével kapcsolatos problémákat. A villamos berendezéseknek is meg kell felelniük a vonatkozó biztonsági előírásoknak. Egyetlen beszállítóval együttműködve a tervezők gyorsan kiépíthetnek egy olyan villamos hálózatot, amely javítja a telephely megbízhatóságát, csökkenti a karbantartási költségeket, garantálja a biztonságot, és mérsékli az áramellátás minőségével kapcsolatos problémákat, mielőtt azok hatással lennének a működésre.