為礦業電力供應設計安全可靠的電力系統

作者：Steven Keeping

世界各地的礦井都采用電力驅動設備來運輸、破碎和研磨巖石、運送原材料、為黑暗的礦洞照明、運轉水泵和通風扇，以及為鉆機、切割機、除塵器和升降機提供動力。設備故障會導致代價高昂的停產，因此盡管存在振動、沖擊以及化學品、粉塵、熱量和濕氣暴露，仍要求設備具有高可靠性。

要為此類環境設計供電網絡，同時確保工人安全具有挑戰性，但通過國際操作和安全標準認證的商用電氣產品的出現，有助于實現這一目標。為了簡化系統設計，確保元器件之間的兼容性，設計人員可以從單一來源獲得構建完整解決方案所需的大部分設備。

本文簡要介紹了采礦業對電氣設備的環境和電能質量要求。隨后以 [SolaHD]的專用解決方案為例，說明了如何通過多層方法應用這些方案，確保電能質量和工人安全。

地下電氣工程所面臨的挑戰

在礦井中，設備會受到腐蝕性液體、可燃性粉塵、污垢、刺激性化學品、劇烈振動、隨機沖擊、電涌和極端溫度變化的影響。不過，設備及其電力系統應會安全可靠。

在美國礦山安全與健康管理局 (MSHA) 等機構以及 1977 年《聯邦礦山安全與健康法》的監督下，安全性得到增強。美國的另一項標準是《美國國家電氣規范》(NEC)，或美國消防協會 (NFPA) 70。該標準涵蓋電氣線路和設備的安全安裝。NEC 第 500 條要求安裝符合規范、經過測試且獲批用于特定危險條件（包括礦井及其周圍環境中存在的危險）的設備。

要確保電能質量，就需要了解基本的電力系統架構和相關問題。

礦井通常從交流電網獲取電能，但也使用由交直流轉換或現場直流微電網提供的高壓直流電。不間斷電源 (UPS) 就是一個例子。這些系統遵循基本設計：將來自交流電網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二級變電站，再直接分配給礦井的大型電機負載。二級變電站向中壓負載和連接其他設備的中/低壓變壓器供電。

雖然這種供電網通常比較穩定，但經常會出現電能質量問題。這些問題往往以電力中斷、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（圖 1）。

圖 1：代表電能質量問題的波形。（圖片來源：作者，使用 SolaHD 提供的信息）

考慮這些電能質量問題的原因和影響：

電力中斷 ：長時間完全斷電，通常由于電力公司的發電或配電網絡發生事故或設備故障所致。電力中斷會導致計算機設備出現硬件故障和崩潰、停止運行，并縮短電氣設備的使用壽命。

電力管制 ：供電電壓長時間低于正常最低水平時發生的情況。當產能過?；蚱渌W絡問題迫使電力公司降低電壓以滿足需求時，就會出現這種情況。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最常見的電能質量干擾。當負載大幅增加對供電造成壓力，導致供電電壓降至閾值水平以下時，就會出現這種情況。IEEE 將驟降定義為電壓降至 60 Hz 正常電壓的 10%-90%。驟降事件持續時間少于一分鐘，但超過 8 ms。欠壓持續時間則超過一分鐘。

驟降和欠壓都有可能導致煩人的斷路器跳閘、設備故障和停機，或設備過早出現故障。繼續運行會增加燃燒或爆炸的風險。這些問題的跡象包括燈光變暗或閃爍、暖通空調 (HVAC) 設備運行不良、電機發熱、自動化控制系統和計算機鎖定或斷電。

電壓浪涌 ：浪涌或過壓是指電壓水平暫時升高，持續時間從半頻周期到幾秒鐘不等。關閉大功率電機和 HVAC 系統的正常循環時可能會產生這些干擾。反復暴露于浪涌電壓下會對系統造成壓力和削弱系統，并導致斷路器和其他保護裝置誤跳閘。

與過壓相關的另一個問題是絕緣材料老化。絕緣材料老化會引發火災或者甲烷或煤塵爆炸，從而危及礦井電力系統的安全運行。

瞬態電壓 ：瞬態電壓或尖峰電壓是由于雷擊和公用電網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備啟動等原因在礦井內部發生。

敏感的電子設備最容易受到瞬態電壓的威脅，其會導致系統鎖定或故障，從而損壞或刪除寶貴的數據。

諧波失真 ：當電源正弦波中出現基頻的倍數（如 60 Hz 系統中出現 180 Hz）時，就會產生電壓問題。諧波失真是由于變速驅動器 (VSD) 等器件和電力系統負載的非線性特征造成的。諧波會導致設備和導線發熱增加、VSD 失靈以及電機轉矩脈動。礦業電力系統出現諧波失真的其他癥狀包括：礦井通信系統受到干擾、燈光閃爍、斷路器跳閘以及電氣連接松動。

礦井中有許多電機，其中大多數都采用非線性 VSD，因此這些器件是采礦作業中諧波的主要來源。此外，雖然在電機中使用全波整流器可提高效率，但會產生大量諧波。

電氣噪聲 ：這是一種在礦井內外產生的低振幅、低電流和高頻率干擾。其來源包括遠距離雷擊、切換電源、電子電路、電機電刷接觸不良和劣質線路。

噪聲信號疊加在電壓波形上，會導致計算機出現故障，并對控制系統電路造成不良影響。

解決電能質量問題

要應對采礦業對高質量電能的持續需求所帶來的嚴峻挑戰，同時確保穩健性和高水平的電氣安全，最好的辦法就是采用多層方法，使用經認證的設備，包括不間斷電源、電源調節器、浪涌保護器 (SPD)、變壓器和電源。

表 1 總結了最適合用于控制特定電能質量問題的設備。

表 1：需要一系列保護裝置來應對采礦環境中可能出現的所有電能質量問題。（圖片來源：SolaHD）

使用單一來源（如 SolaHD）來構建多層電能質量方法，有助于簡化設計、采購和部署流程，同時確保兼容性。例如，該公司的 [SDU500B]離線式 UPS 可在電力中斷時，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 還能在發生電力管制、電壓驟降、電壓浪涌、電壓瞬變和諧波時支持主電源。

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

UPS 安裝在 DIN 導軌上，使用免維護的密封鉛酸 (SLA) 電池，可在 8 小時內充滿電。該設備提供 300 W、120 V 輸出，具有 50 Hz 至 60 Hz 模擬正弦波，傳輸時間小于 8 ms。該 UPS 的工作溫度范圍為 0?C 至 50?C，是符合 E491259 的“公認元器件”，可用于被劃分為危險場所的區域，因此適用于采礦作業。

SolaHD 的電源調節器還能將高達 +10%/-20% 的輸入電壓變化調節至 ±1% 以內，提供出色的噪聲衰減，并能承受最惡劣的電氣環境。

電源調節器采用一種名為鐵磁諧振的變壓器設計技術，可通過有限耦合在設備中創建兩條獨立的磁路。這種設計的一個優點是，輸入電流中的諧波電流相對于基波電流來說可忽略不計。變壓器的輸出端采用并聯諧振振蕩電路，從主設備汲取電能，以替代輸送到負載的電能。

例如，SolaHD [63-23-112-4] 120 VA MCR 硬線穩壓器就是一款電源調節器，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以及電壓調節功能。共模噪聲衰減為 120 dB，橫模為 60 dB。該器件經過浪涌保護測試，符合 ANSI/IEEE C62.41 A 類和 B 類波形。在預計會出現電力管制、電壓驟降、浪涌、瞬態、諧波和電氣噪聲的情況下，MCR 硬線穩壓器是一個不錯的選擇。

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

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

SolaHD SPD 適合安裝在礦場等惡劣工業環境的控制柜中。該器件每相可提供 25000 A 的浪涌保護。瞬態響應時間不到 5 ns。該 SPD 集成熱熔斷器，可防止過大電流引起的 MOV 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，隔離變壓器還能保護連接到次級側的器件免受諧波和電氣噪聲的影響。

SolaHD 的 [E2H112S]就是一個例子。這款隔離變壓器是一種節能型干式變壓器，配備防雨罩。該器件的初級輸入電壓為 480 V（最高 135 A），次級輸入電壓為 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]隔離變壓器的初級輸入電壓為 480 V，次級輸入電壓為 208 V 或 120 V。該變壓器還能減少諧波和電氣噪聲。（圖片來源：SolaHD）

變壓器應使用斷路器來防止涌流。良好的設計實踐是選擇具有適當時間延遲的斷路器，以消除誤跳閘。當涌流較大但持續時間不足以損壞變壓器時，就會出現這種現象。

電源對任何供電系統都至關重要，它為設備提供交流或直流電，并幫助濾除來自主電源的電氣噪聲。DIN 導軌安裝版本外觀整潔，可節省空間。提供單相和三相交流型號；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 危險場所規范。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。該器件結構緊湊，尺寸為 123 x 50 x 111 mm，具有連續短路、連續過載和連續開路故障保護功能。

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

總結

無論是在物理方面，還是在電氣方面，礦井環境都極具挑戰性。要確保礦井中的電能質量和工人安全，設計人員應采用多層方法，使供電系統的每個元器件都能可靠運行，同時緩解電能質量問題。電力設備還應遵守相關的安全規定。通過與單一供應商合作，設計人員可以快速構建出色的電氣網絡，不僅能提高現場可靠性、降低維護成本、確保安全性，還能在電能質量問題影響運營之前使其得到緩解。

審核編輯 黃宇