Turvallisien ja luotettavien virransyöttöjärjestelmien suunnittelu kaivosten virransyöttöä varten

Kaivoksissa ympäri maailman sähkökäyttöiset laitteet siirtävät, murskaavat ja jauhavat kiviä, kuljettavat raaka-aineita, valaisevat pimeitä luolia, pyörittävät pumppuja ja tuulettimia sekä antavat käyttövoiman porille, leikkureille, pölynkerääjille ja nostolaitteille. Laitteiden vikaantuminen johtaa kalliisiin tuotantoseisokkeihin, joten niiltä odotetaan korkeaa luotettavuutta huolimatta siitä, että ne altistuvat tärinälle ja iskuille sekä kemikaaleille, pölylle, kuumuudelle ja kosteudelle.

On haastavaa suunnitella sähköverkkoja tällaiseen ympäristöön ja varmistaa samalla työntekijöiden turvallisuus, mutta kansainvälisten käyttö- ja turvallisuusstandardien mukaisesti sertifioitujen kaupallisten sähkötuotteiden saatavuus helpottaa asiaa. Kun suunnittelijat voivat saada suuren osan kokonaisratkaisun vaatimista laitteista yhdeltä toimittajalta, järjestelmän suunnittelu ja komponenttien yhteensopivuuden varmistaminen on paljon yksinkertaisempaa.

Tässä artikkelissa hahmotellaan lyhyesti kaivostoiminnan sähkölaitteille asettamia ympäristö- ja energianlaatuvaatimuksia. Sen jälkeen esitellään esimerkkejä SolaHD-yrityksen erikoistuneista ratkaisuista ja kerrotaan, miten niitä voidaan soveltaa virransyötön laadun ja työntekijöiden turvallisuuden varmistavassa monitasoisessa lähestymistavassa.

Maanalaisen sähkötekniikan haasteet

Kaivoksissa laitteistot altistuvat syövyttäville nesteille, syttyvälle pölylle, lialle, voimakkaille kemikaaleille, voimakkaalle tärinälle, satunnaisille iskuille, virtapiikeille ja äärimmäisille lämpötilavaihteluille. Laitteiden ja niiden virtajärjestelmien odotetaan kuitenkin olevan turvallisia ja luotettavia.

Turvallisuutta parantavat Yhdysvaltain kaivosturvallisuus- ja terveyshallinnon (MSHA) kaltaiset instituutiot ja liittovaltion vuoden 1977 kaivosturvallisuus- ja terveyslaki. Toinen yhdysvaltalainen standardi on National Electric Code (kansalliset sähkövoimajärjestelmän säännöt, NEC) eli NFPA (National Fire Protection Association) 70. Tämä standardi kattaa sähköjohtojen ja -laitteiden turvallisen asennuksen. NEC:n artikla 500 edellyttää sellaisten sääntöjen mukaisten laitteiden asentamista, jotka on testattu ja hyväksytty erityisten vaarojen varalta, mukaan lukien kaivoksissa ja niiden ympäristössä esiintyvät vaarat.

Sähkön laadun varmistaminen edellyttää perustason virransyöttöarkkitehtuurin ja siihen liittyvien ongelmien ymmärtämistä.

Kaivokset saavat yleensä tehonsa vaihtovirtaverkosta, vaikka myös AC/DC -muunnoksen tai paikan päällä olevien DC-mikroverkkojen syöttämää suurjännitetasavirtaa käytetään. UPS-virtalähteet (Uninterruptible Power Supply) ovat esimerkki tästä. Järjestelmien perusrakenne on sama: vaihtovirtaverkon syöttämä suurjänniteteho syöttää suurjännitemuuntajia, jotka taas syöttävät virtaa pääsähköasemalle. Pääsähköasema jakaa energiaa useisiin alisähköasemiin ja suoraan kaivoksen suurempiin moottorikuormiin. Alisähköasemat syöttävät virtaa keskijännitekuormille sekä keski- ja pienjännitemuuntajille, jotka on kytketty muihin laitteisiin.

Vaikka tämä sähkönsyöttöverkko on tyypillisesti vakaa, sähkön laatuun liittyviä ongelmia ilmenee usein. Tällaisia ongelmia ovat sähkökatkokset, jännitteenlaskut, jännitteen notkahdukset, jännitepiikit, jännitetransientit, harmoniset monikerrat ja sähköinen kohina (kuva 1).

Kuva 1: Kuvassa on sähkön laatuongelmia edustavia aaltomuotoja. (Kuvan lähde: tekijä, SolaHD-yrityksen tietojen perusteella.)

Mietitäänpä näiden sähkön laatuongelmien syitä ja seurauksia:

Sähkökatkokset: Nämä ovat pitkäkestoisia sähkökatkoja, joissa sähkönsaanti on kokonaan katkennut. Niiden syynä on yleensä onnettomuus tai laitevika sähköntuotannossa tai jakeluverkossa. Sähkökatkokset voivat aiheuttaa tietokonepohjaisten laitteiden vikaantumista ja kaatumisia, pysäyttää toiminnan ja lyhentää sähkölaitteiden käyttöikää.

Jännitteenlaskut: Tämä kuvaa sitä, että syöttöjännite alittaa normaalin vähimmäistason pitkäkestoisesti. Jännitteenlaskuja ilmenee, kun ylikapasiteetti tai muut verkko-ongelmat pakottavat sähkölaitosta laskemaan jännitettä vastatakseen sähkönkysyntään. Jännitteenlaskujen vaikutukset ovat samanlaisia kuin sähkökatkosten.

Jännitenotkahdukset: Notkahdukset ja alijännitetilanteet ovat yleisimpiä sähkön laatuhäiriöitä kaivostoiminnassa. Niitä ilmenee, kun kuorman merkittävä kasvu kuormittaa virtalähdettä ja aiheuttaa syöttöjännitteen putoamisen kynnystason alapuolelle. IEEE määrittää notkahdukseksi 10–90 %:n jännitteen laskun verrattuna normaaliin 60 hertsin jännitteeseen. Notkahdus kestää alle minuutin, mutta yli 8 millisekuntia. Alijännitetilanteet kestävät yli minuutin.

Sekä notkahdukset että alijännitteet voivat aiheuttaa suojakatkaisimien aiheettomia laukeamisia, laitteiden toimintavikoja ja sammumisia sekä ennenaikaisia laitevikoja. Käytön jatkaminen kasvattaa syttymis- ja räjähdysvaaraa. Merkkejä näistä ongelmista ovat himmentyneet tai välkkyvät valot, huonosti toimivat ilmastointilaitteet, kuumana käyvät moottorit sekä jumittuvat tai sammuvat automaation ohjausjärjestelmät ja tietokoneet.

Jännitepiikit: Jännitepiikki eli ylijännitetila on tilapäinen jännitteen nousu, joka kestää taajuuden puolisyklistä muutamaan sekuntiin. Nämä häiriöt voivat johtua korkeatehoisten sähkömoottorien sammuttamisesta ja LVI-järjestelmien normaaleista toimintajaksoista. Toistuva altistuminen jännitepiikeille voi rasittaa ja heikentää järjestelmiä sekä aiheuttaa suojakatkaisimien ja muiden suojalaitteiden virhelaukaisuja.

Toinen ylijännitteeseen liittyvä ongelma on eristeiden heikkeneminen. Eristeiden heikkeneminen vaarantaa kaivoksen virransyöttöjärjestelmän turvallisen toiminnan aiheuttamalla tulipaloja sekä metaanin tai hiilipölyn räjähdyksiä.

Jännitetransientit: Jännitetransientit tai -piikit johtuvat jännitteen äkillisestä merkittävästä noususta, joka aiheutuu salamaniskujen ja sähkönsyöttöverkon kytkemisen kaltaisista ulkoisista tekijöistä. Ne voivat myös olla peräisin kaivoksen sisältä ja aiheutua oikosulusta, suojakatkaisimen laukeamisesta tai raskaan koneen käynnistymisestä.

Jännitetransientit ovat suurin vaara herkille elektroniikkalaitteille. Ne voivat aiheuttaa järjestelmien jumittumista tai vikaantumista sekä arvokkaiden tietojen korruptoitumista tai tuhoutumista.

Harmoniset monikerrat: Jänniteongelmia syntyy, kun siniaaltomuotoisessa syöttöjännitteessä esiintyy perustaajuuden kerrannaisia (kuten 180 Hz järjestelmässä, jonka perustaajuus on 60 Hz). Harmoniset monikerrat johtuvat taajuusmuuttajien (VSD) kaltaisten laitteiden epälineaarisista ominaisuuksista ja virransyöttöjärjestelmän kuormista. Harmoniset monikerrat aiheuttavat laitteiden ja johtimien kuumenemista, taajuusmuuttajien toimintavirheitä ja epätasaista vääntömomenttia moottoreissa. Muita harmonisten monikertojen aiheuttamia oireita kaivoksen virransyöttöjärjestelmässä ovat kaivoksen viestintäjärjestelmän häiriöt, välkkyvät valot, lauenneet suojakatkaisimet ja löystyneet sähköliitännät.

Kaivoksissa on paljon sähkömoottoreita, joista useimmat käyttävät epälineaarista taajuusmuuttajaa. Tämä tekee niistä tärkeimmän harmonisten monikertojen lähteen kaivostoiminnassa. Lisäksi kokoaaltotasasuuntaajien käyttö moottoreissa parantaa hyötysuhdetta mutta tuottaa huomattavia harmonisia monikertoja.

Sähköinen kohina: Nämä ovat alhaisen amplitudin ja virran sekä korkean taajuuden häiriöitä, joita syntyy niin kaivoksen sisällä kuin ulkopuolellakin. Tällaisia saattavat synnyttää kaukaiset salamaniskut, hakkurivirtalähteet, elektroniikkapiirit, huonot kosketukset moottorin ja harjan välillä sekä huonolaatuiset johdotukset.

Kohinasignaalit summautuvat jänniteaaltomuotoihin kanssa ja voivat aiheuttaa häiriöitä tietokoneissa ja haittavaikutuksia ohjausjärjestelmien piireissä.

Sähkön laatuongelmien ratkaiseminen

Paras tapa vastata kaivosteollisuuden korkealaatuisen energian jatkuvan kysynnän kriittisiin haasteisiin ja varmistaa samalla robustisuus sekä korkeatasoinen sähköturvallisuus on monitasoinen lähestymistapa. Siinä käytetään sertifioituja laitteita, joihin kuuluvat UPS-virtalähteet, sähkön laadun parannus, ylijännitesuojat (SPD), muuntajat ja virtalähteet.

Taulukossa 1 on yhteenveto parhaista laitteista sähkön erilaisten laatuongelmien ratkaisuun

Taulukko 1: Erilaisten kaivosympäristössä esiintyvien sähkön laatuongelmien ratkaisemiseksi tarvitaan monenlaisia suojalaitteita. (Kuvan lähde: SolaHD)

On hyödyllistä työskennellä SolaHD-yrityksen kaltaisen yhden toimittajan kanssa sähkön laadun turvaavan monitasoisen lähestymistavan toteuttamisessa, sillä se yksinkertaistaa suunnittelu-, hankinta- ja käyttöönottoprosesseja ja osaratkaisujen yhteensopivuus on varmaa. Esimerkiksi yrityksen verkkoon kytkettävä SDU500B-UPS tarjoaa sähkökatkoksen aikana varavirtaa 4 min 20 s täydellä kuormalla ja 14 min 30 s puolella kuormalla (kuva 2). Kuten taulukossa 1 esitetään, tämä UPS myös tukee pääteholähdettä jännitteenlaskujen, jännitteen notkahdusten, jännitepiikkien, jännitetransienttien ja harmonisten monikertojen tapauksissa.

Kuva 2: Verkkoon kytkettävä SDU500B-UPS tarjoaa varavirtaa 4 min 20 s täydellä kuormalla. (Kuvan lähde: SolaHD)

UPS asennetaan DIN-kiskoon, ja siinä käytetään huoltovapaita suljettuja lyijyakkuja (SLA), jotka latautuvat täyteen kahdeksassa tunnissa. Se tarjoaa 300 watin ja 120 voltin lähtötehon simuloidulla 50–60 Hz:n siniaallolla ja alle 8 ms:n siirtoajalla. Tätä UPS-virtalähdettä voidaan käyttää lämpötila-alueella 0 ... +50 °C ja se on E491259-standardin mukainen ”hyväksytty komponentti”, joka sopii käytettäväksi vaarallisiksi alueiksi luokitetuilla vyöhykkeillä. Näin se sopii myös kaivostoimintaan.

SolaHD-yrityksen sähkön laadun parannuslaitteet voivat myös säätää jännitteen ±1 %:n sisään tavoitetasosta jopa +10/–20 %:n tulovaihteluilla, minkä lisäksi ne tarjoavat erinomaisen kohinanvaimennuksen. Laitteet on suunniteltu kestämään haastavimmatkin sähköympäristöt.

Sähkön laadun parannuksessa käytetään ferroresonanssiksi kutsuttua muuntajan suunnittelutekniikkaa, jossa laitteeseen luodaan kaksi erillistä osittain kytkettyä magneettista reittiä. Yksi tämän tekniikan eduista on se, että syöttövirta sisältää mitättömän harmonisen virran perusvirtaan verrattuna. Muuntajan lähtöpuolella on rinnakkainen resonanssitankkipiiri, ja se ottaa virtaa ensiösyötöstä kuormaan toimitetun tehon korvaamiseksi.

Esimerkiksi SolaHD 63-23-112-4, 120 volttiampeerin (VA) MCR Hardwire Regulator, on sähkön laadun parannuslaite, joka tarjoaa 120 V:n lähtöjännitteen (±3 %) 120, 208, 240 tai 480 V:n syöttöjännitteestä. Se takaa erinomaisen kohinansuodatuksen ja ylijännitesuojauksen yhdessä jännitteensäädön kanssa. Kohinanvaimennus on 120 dB yhteismuodossa ja 60 dB poikittaismuodossa. Sen ylijännitesuojaus on testattu ANSI/IEEE C62.41 -standardin luokkien A ja B aaltomuotojen mukaisesti. MCR Hardwire Regulator on hyvä valinta, jos odotettavissa on jännitteenlaskuja, jännitteen notkahduksia, jännitepiikkejä, jännitetransientteja, harmonisia monikertoja ja sähköistä kohinaa.

Ylijännitesuojat suojaavat laitteistoa vahingollisilta jännitetransienteilta. SolaHD-yrityksen STV25K-24S on jännitetransienttien jännitepiikkivaimennin (TVSS) ja ylijännitesuoja. Se on DIN-kiskoon asennettava komponentti, joka toimii 240 voltin syöttöjännitteellä (enintään 20 A) ja suojaa käyttöpistettä metallioksidivaristorin (MOV) avulla (kuva 3).

Kuva 3: DIN-kiskoon asennettava TVSS-ylijännitesuoja STV25K-24S toimii 240 voltin syöttöjännitteellä (enintään 20 A) ja suojaa käyttöpistettä ylijännitteiltä. (Kuvan lähde: SolaHD)

SolaHD-ylijännitesuoja soveltuu käytettäväksi ohjauskaapeissa kaivosten kaltaisissa vaativissa teollisuusympäristöissä. Laite tarjoaa 25 000 A:n ylijännitesuojauksen vaihetta kohden. Vasteaika transienttiin on alle 5 nanosekuntia (ns). Ylijännitesuojassa on lämpösulake, joka estää metallioksidivaristoria ylikuumenemiselta liian korkean virtatason vuoksi.

Erotusmuuntajien ja virtalähteiden määrittäminen

Sen lisäksi, että erotusmuuntajat kykenevät nostamaan tai laskemaan AC-syöttöjännitteen sopivaan lähtöarvoon, ne suojaavat toisiopuolta harmonisilta monikerroilta ja sähköiseltä kohinalta.

Yksi esimerkki on SolaHD E2H112S. Tämä erotusmuuntaja on energiatehokas kuivamuuntaja, joka tarjoaa sääsuojauksen. Siinä on 480 voltin ensiötulo (enintään 135 A), se tarjoaa 208 tai 120 voltin jännitteen toisiopuolelta (enintään 315 A), ja sen teholuokitus on 112,5 kVA (kuva 4). Muuntaja myös vähentää harmonisia monikertoja ja sähköistä kohinaa.

Kuva 4: E2H112S-erotusmuuntaja ottaa 480 voltin syöttöjännitteen ensiöpuolelle ja tarjoaa 208 tai 120 voltin lähtöjännitteen toisiopuolelta. Muuntaja myös vähentää harmonisia monikertoja ja sähköistä kohinaa. (Kuvan lähde: SolaHD)

Muuntaja on suojattava virtapiikeiltä johdonsuojakatkaisijalla. On hyvä suunnittelukäytäntö valita johdonsuojakatkaisija, jonka aikaviive on sopiva aiheettomien aktivointien poistamiseksi. Laite voisi aktivoitua tarpeettomasti, jos virtapiikki on korkea mutta niin lyhyt, ettei se voisi vaurioittaa muuntajaa.

Virtalähteet ovat välttämättömiä kaikissa virransyöttöjärjestelmissä, sillä ne tuottavat laitteille vaihtovirtaa tai tasavirtaa ja auttavat suodattamaan sähköistä kohinaa pois pääsyötöstä. DIN-kiskoon asennettavat versiot ovat käteviä ja säästävät tilaa. Saatavana on yksi- ja kolmivaiheisia vaihtovirtamalleja. On myös mahdollista valita laitteita, jotka kestävät jännitteen notkahduksen puoleen linjajännitteestä sen vaikuttamatta lähtötehoon.

SolaHD tarjoaa joukon DIN-kiskoon asennettavia virtalähteitä, kuten SDN5-24-100C-AC/DC-virtalähde (kuva 5). Tämä on yksivaiheinen virtalähde, joka täyttää vaarallisia paikkoja koskevat E234790-vaatimukset. Syöttöjännite voi olla 85–264 VAC tai 90–375 VDC ja se tarjoaa 24 V:n nimellislähtöjännitteen. Sen lähtövirta on 5 A. Lähtöjännitteen aaltoilu on alle 50 mV huipusta huippuun. Virtalähde kestää hyvin sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) ja sen käyttölämpötila-alue on −25 ... +60 °C. Se on pienikokoinen (mitat 123 × 50 x 111 mm) ja se on suojattu jatkuvalta oikosululta, jatkuvalta ylikuormitukselta ja jatkuvilta johtavuusvioilta.

Kuva 5: SDN5-24-100C on pienikokoinen, DIN-kiskoon asennettava virtalähde, jonka koko on 123 x 50 x 111 mm. (Kuvan lähde: SolaHD)

Yhteenveto

Kaivokset ovat sekä fyysisesti että sähköisesti haastavia ympäristöjä, joissa on varmistettava sähkön laatu ja työntekijöiden turvallisuus. Suunnittelijoiden tulisi omaksua monitasoinen lähestymistapa, jossa jokainen sähkönsyöttöjärjestelmän komponentti voi toimia luotettavasti ja vähentää samalla sähkön laatuhaasteita. Virransyöttölaitteiden on myös noudatettava vaadittavia turvallisuusmääräyksiä. Suunnittelijat voivat yhtä toimittajaa käyttämällä nopeasti rakentaa sähköverkon, joka parantaa kaivoksen luotettavuutta, laskee huoltokustannuksia, varmistaa turvallisuuden ja vähentää sähkön laatuongelmia ennen kuin ne vaikuttavat toimintoihin.