為礦業(yè)電力供應(yīng)設(shè)計(jì)安全可靠的電力系統(tǒng)

作者：Steven Keeping

世界各地的礦井都采用電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備來(lái)運(yùn)輸、破碎和研磨巖石、運(yùn)送原材料、為黑暗的礦洞照明、運(yùn)轉(zhuǎn)水泵和通風(fēng)扇，以及為鉆機(jī)、切割機(jī)、除塵器和升降機(jī)提供動(dòng)力。設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的停產(chǎn)，因此盡管存在振動(dòng)、沖擊以及化學(xué)品、粉塵、熱量和濕氣暴露，仍要求設(shè)備具有高可靠性。

要為此類環(huán)境設(shè)計(jì)供電網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)確保工人安全具有挑戰(zhàn)性，但通過(guò)國(guó)際操作和安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的商用電氣產(chǎn)品的出現(xiàn)，有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保元器件之間的兼容性，設(shè)計(jì)人員可以從單一來(lái)源獲得構(gòu)建完整解決方案所需的大部分設(shè)備。

本文簡(jiǎn)要介紹了采礦業(yè)對(duì)電氣設(shè)備的環(huán)境和電能質(zhì)量要求。隨后以 [SolaHD]的專用解決方案為例，說(shuō)明了如何通過(guò)多層方法應(yīng)用這些方案，確保電能質(zhì)量和工人安全。

地下電氣工程所面臨的挑戰(zhàn)

在礦井中，設(shè)備會(huì)受到腐蝕性液體、可燃性粉塵、污垢、刺激性化學(xué)品、劇烈振動(dòng)、隨機(jī)沖擊、電涌和極端溫度變化的影響。不過(guò)，設(shè)備及其電力系統(tǒng)應(yīng)會(huì)安全可靠。

在美國(guó)礦山安全與健康管理局 (MSHA) 等機(jī)構(gòu)以及 1977 年《聯(lián)邦礦山安全與健康法》的監(jiān)督下，安全性得到增強(qiáng)。美國(guó)的另一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是《美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范》(NEC)，或美國(guó)消防協(xié)會(huì) (NFPA) 70。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋電氣線路和設(shè)備的安全安裝。NEC 第 500 條要求安裝符合規(guī)范、經(jīng)過(guò)測(cè)試且獲批用于特定危險(xiǎn)條件（包括礦井及其周圍環(huán)境中存在的危險(xiǎn)）的設(shè)備。

要確保電能質(zhì)量，就需要了解基本的電力系統(tǒng)架構(gòu)和相關(guān)問(wèn)題。

礦井通常從交流電網(wǎng)獲取電能，但也使用由交直流轉(zhuǎn)換或現(xiàn)場(chǎng)直流微電網(wǎng)提供的高壓直流電。不間斷電源 (UPS) 就是一個(gè)例子。這些系統(tǒng)遵循基本設(shè)計(jì)：將來(lái)自交流電網(wǎng)的高壓電饋送到高壓變壓器，再由高壓變壓器向主變電站供電。主變電站將能量分配給多個(gè)二級(jí)變電站，再直接分配給礦井的大型電機(jī)負(fù)載。二級(jí)變電站向中壓負(fù)載和連接其他設(shè)備的中/低壓變壓器供電。

雖然這種供電網(wǎng)通常比較穩(wěn)定，但經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題。這些問(wèn)題往往以電力中斷、電力管制、電壓驟降、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：代表電能質(zhì)量問(wèn)題的波形。（圖片來(lái)源：作者，使用 SolaHD 提供的信息）

考慮這些電能質(zhì)量問(wèn)題的原因和影響：

電力中斷 ：長(zhǎng)時(shí)間完全斷電，通常由于電力公司的發(fā)電或配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生事故或設(shè)備故障所致。電力中斷會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)設(shè)備出現(xiàn)硬件故障和崩潰、停止運(yùn)行，并縮短電氣設(shè)備的使用壽命。

電力管制 ：供電電壓長(zhǎng)時(shí)間低于正常最低水平時(shí)發(fā)生的情況。當(dāng)產(chǎn)能過(guò)?；蚱渌W(wǎng)絡(luò)問(wèn)題迫使電力公司降低電壓以滿足需求時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。電力管制的影響與電力中斷類似。

電壓驟降 ：驟降和欠壓是采礦業(yè)最常見(jiàn)的電能質(zhì)量干擾。當(dāng)負(fù)載大幅增加對(duì)供電造成壓力，導(dǎo)致供電電壓降至閾值水平以下時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。IEEE 將驟降定義為電壓降至 60 Hz 正常電壓的 10%-90%。驟降事件持續(xù)時(shí)間少于一分鐘，但超過(guò) 8 ms。欠壓持續(xù)時(shí)間則超過(guò)一分鐘。

驟降和欠壓都有可能導(dǎo)致煩人的斷路器跳閘、設(shè)備故障和停機(jī)，或設(shè)備過(guò)早出現(xiàn)故障。繼續(xù)運(yùn)行會(huì)增加燃燒或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。這些問(wèn)題的跡象包括燈光變暗或閃爍、暖通空調(diào) (HVAC) 設(shè)備運(yùn)行不良、電機(jī)發(fā)熱、自動(dòng)化控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)鎖定或斷電。

電壓浪涌 ：浪涌或過(guò)壓是指電壓水平暫時(shí)升高，持續(xù)時(shí)間從半頻周期到幾秒鐘不等。關(guān)閉大功率電機(jī)和 HVAC 系統(tǒng)的正常循環(huán)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生這些干擾。反復(fù)暴露于浪涌電壓下會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成壓力和削弱系統(tǒng)，并導(dǎo)致斷路器和其他保護(hù)裝置誤跳閘。

與過(guò)壓相關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是絕緣材料老化。絕緣材料老化會(huì)引發(fā)火災(zāi)或者甲烷或煤塵爆炸，從而危及礦井電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

瞬態(tài)電壓 ：瞬態(tài)電壓或尖峰電壓是由于雷擊和公用電網(wǎng)切換等外部因素造成的電壓突然大幅上升。也可能由于短路、斷路器跳閘和重型設(shè)備啟動(dòng)等原因在礦井內(nèi)部發(fā)生。

敏感的電子設(shè)備最容易受到瞬態(tài)電壓的威脅，其會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)鎖定或故障，從而損壞或刪除寶貴的數(shù)據(jù)。

諧波失真 ：當(dāng)電源正弦波中出現(xiàn)基頻的倍數(shù)（如 60 Hz 系統(tǒng)中出現(xiàn) 180 Hz）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓?jiǎn)栴}。諧波失真是由于變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD) 等器件和電力系統(tǒng)負(fù)載的非線性特征造成的。諧波會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和導(dǎo)線發(fā)熱增加、VSD 失靈以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。礦業(yè)電力系統(tǒng)出現(xiàn)諧波失真的其他癥狀包括：礦井通信系統(tǒng)受到干擾、燈光閃爍、斷路器跳閘以及電氣連接松動(dòng)。

礦井中有許多電機(jī)，其中大多數(shù)都采用非線性 VSD，因此這些器件是采礦作業(yè)中諧波的主要來(lái)源。此外，雖然在電機(jī)中使用全波整流器可提高效率，但會(huì)產(chǎn)生大量諧波。

電氣噪聲 ：這是一種在礦井內(nèi)外產(chǎn)生的低振幅、低電流和高頻率干擾。其來(lái)源包括遠(yuǎn)距離雷擊、切換電源、電子電路、電機(jī)電刷接觸不良和劣質(zhì)線路。

噪聲信號(hào)疊加在電壓波形上，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，并對(duì)控制系統(tǒng)電路造成不良影響。

解決電能質(zhì)量問(wèn)題

要應(yīng)對(duì)采礦業(yè)對(duì)高質(zhì)量電能的持續(xù)需求所帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時(shí)確保穩(wěn)健性和高水平的電氣安全，最好的辦法就是采用多層方法，使用經(jīng)認(rèn)證的設(shè)備，包括不間斷電源、電源調(diào)節(jié)器、浪涌保護(hù)器 (SPD)、變壓器和電源。

表 1 總結(jié)了最適合用于控制特定電能質(zhì)量問(wèn)題的設(shè)備。

表 1：需要一系列保護(hù)裝置來(lái)應(yīng)對(duì)采礦環(huán)境中可能出現(xiàn)的所有電能質(zhì)量問(wèn)題。（圖片來(lái)源：SolaHD）

使用單一來(lái)源（如 SolaHD）來(lái)構(gòu)建多層電能質(zhì)量方法，有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、采購(gòu)和部署流程，同時(shí)確保兼容性。例如，該公司的 [SDU500B]離線式 UPS 可在電力中斷時(shí)，在滿載下提供 4 分 20 秒的備用電源，在半載下提供 14 分 30 秒的備用電源（圖 2）。如表 1 所示，該 UPS 還能在發(fā)生電力管制、電壓驟降、電壓浪涌、電壓瞬變和諧波時(shí)支持主電源。

圖 2：SDU500B 的離線式 UPS 在滿載下可提供 4 分 20 秒的備用電源。（圖片來(lái)源：SolaHD）

UPS 安裝在 DIN 導(dǎo)軌上，使用免維護(hù)的密封鉛酸 (SLA) 電池，可在 8 小時(shí)內(nèi)充滿電。該設(shè)備提供 300 W、120 V 輸出，具有 50 Hz 至 60 Hz 模擬正弦波，傳輸時(shí)間小于 8 ms。該 UPS 的工作溫度范圍為 0?C 至 50?C，是符合 E491259 的“公認(rèn)元器件”，可用于被劃分為危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域，因此適用于采礦作業(yè)。

SolaHD 的電源調(diào)節(jié)器還能將高達(dá) +10%/-20% 的輸入電壓變化調(diào)節(jié)至 ±1% 以內(nèi)，提供出色的噪聲衰減，并能承受最惡劣的電氣環(huán)境。

電源調(diào)節(jié)器采用一種名為鐵磁諧振的變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)，可通過(guò)有限耦合在設(shè)備中創(chuàng)建兩條獨(dú)立的磁路。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，輸入電流中的諧波電流相對(duì)于基波電流來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)。變壓器的輸出端采用并聯(lián)諧振振蕩電路，從主設(shè)備汲取電能，以替代輸送到負(fù)載的電能。

例如，SolaHD [63-23-112-4] 120 VA MCR 硬線穩(wěn)壓器就是一款電源調(diào)節(jié)器，可從 120 V、208 V、240 V 或 480 V 輸入提供 120 V 輸出 (±3%)。該器件能確保出色的噪聲濾波和浪涌保護(hù)以及電壓調(diào)節(jié)功能。共模噪聲衰減為 120 dB，橫模為 60 dB。該器件經(jīng)過(guò)浪涌保護(hù)測(cè)試，符合 ANSI/IEEE C62.41 A 類和 B 類波形。在預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)電力管制、電壓驟降、浪涌、瞬態(tài)、諧波和電氣噪聲的情況下，MCR 硬線穩(wěn)壓器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

SPD 可防止對(duì)設(shè)備造成損害的瞬態(tài)電壓。SolaHD 的 [STV25K-24S] 瞬態(tài)電壓浪涌抑制器 (TVSS) SPD 是一款 DIN 導(dǎo)軌安裝器件，可在 240 V 輸入電壓（最高 20 A）下工作，并通過(guò)使用金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 提供使用點(diǎn)保護(hù)（圖 3）。

圖 3：STV25K-24S TVSS SPD 是一款 DIN 導(dǎo)軌安裝器件，可在 240 V 輸入電壓（最高 20 A）下工作，并提供使用點(diǎn)浪涌保護(hù)。（圖片來(lái)源：SolaHD）

SolaHD SPD 適合安裝在礦場(chǎng)等惡劣工業(yè)環(huán)境的控制柜中。該器件每相可提供 25000 A 的浪涌保護(hù)。瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間不到 5 ns。該 SPD 集成熱熔斷器，可防止過(guò)大電流引起的 MOV 過(guò)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，隔離變壓器還能保護(hù)連接到次級(jí)側(cè)的器件免受諧波和電氣噪聲的影響。

SolaHD 的 [E2H112S]就是一個(gè)例子。這款隔離變壓器是一種節(jié)能型干式變壓器，配備防雨罩。該器件的初級(jí)輸入電壓為 480 V（最高 135 A），次級(jí)輸入電壓為 208 V 或 120 V（最高 315 A），額定電流為 112.5 kVA（圖 4）。該變壓器還能減少諧波和電氣噪聲。

圖 4：[E2H112S]隔離變壓器的初級(jí)輸入電壓為 480 V，次級(jí)輸入電壓為 208 V 或 120 V。該變壓器還能減少諧波和電氣噪聲。（圖片來(lái)源：SolaHD）

變壓器應(yīng)使用斷路器來(lái)防止涌流。良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是選擇具有適當(dāng)時(shí)間延遲的斷路器，以消除誤跳閘。當(dāng)涌流較大但持續(xù)時(shí)間不足以損壞變壓器時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

電源對(duì)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，并幫助濾除來(lái)自主電源的電氣噪聲。DIN 導(dǎo)軌安裝版本外觀整潔，可節(jié)省空間。提供單相和三相交流型號(hào)；還可指定能夠處理電壓驟降（低至線電壓的一半）而不中斷輸出功率的器件。

SolaHD 提供一系列 DIN 導(dǎo)軌電源，例如 [SDN5-24-100C]交直流電源（圖 5）。這是一種單相電源，符合 E234790 危險(xiǎn)場(chǎng)所規(guī)范。該器件可接受 85 V 至 264 V 交流 (VAC) 輸入或 90 V 至 375 V 直流 (VDC) 輸入，提供 24 V 標(biāo)稱輸出。輸出電流為 5 A。輸出電壓紋波的峰間值小于 50 mV。該電源具有很強(qiáng)的抗電磁干擾 (EMI) 能力，工作溫度范圍為 -25?C 至 +60?C。該器件結(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(guò)載和連續(xù)開(kāi)路故障保護(hù)功能。

圖 5：SDN5-24-100C 是一款安裝在 DIN 導(dǎo)軌上的緊湊型電源，尺寸為 123 x 50 x 111 mm。（圖片來(lái)源：SolaHD）

總結(jié)

無(wú)論是在物理方面，還是在電氣方面，礦井環(huán)境都極具挑戰(zhàn)性。要確保礦井中的電能質(zhì)量和工人安全，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采用多層方法，使供電系統(tǒng)的每個(gè)元器件都能可靠運(yùn)行，同時(shí)緩解電能質(zhì)量問(wèn)題。電力設(shè)備還應(yīng)遵守相關(guān)的安全規(guī)定。通過(guò)與單一供應(yīng)商合作，設(shè)計(jì)人員可以快速構(gòu)建出色的電氣網(wǎng)絡(luò)，不僅能提高現(xiàn)場(chǎng)可靠性、降低維護(hù)成本、確保安全性，還能在電能質(zhì)量問(wèn)題影響運(yùn)營(yíng)之前使其得到緩解。

審核編輯 黃宇