作者：Steven Keeping

　　在世界各地的礦山中，電動設備運輸、壓碎和研磨巖石，運輸原材料，照亮黑暗的洞穴，運行泵和通風機，并為鉆機、切割機、除塵器和提升機提供動力。設備故障會導致代價高昂的生產停機，因此盡管存在振動、沖擊以及暴露于化學品、灰塵、高溫和潮濕環境，但仍需要高可靠性。

　　在確保工人安全的同時為這種環境設計供電網絡具有挑戰性，但通過國際操作和安全標準認證的商業電氣產品的可用性會有所幫助。為了簡化系統設計并確保組件之間的兼容性，設計人員可以使用單一來源來構建完整解決方案所需的大部分設備。

　　本文簡要概述了采礦業對電氣設備的環境和電能質量要求。然后介紹了SolaHD的專業解決方案示例，并解釋了如何以多層方法應用它們來確保電能質量和工人安全。

　　地下電氣工程面臨的挑戰

　　在礦山中，設備會受到腐蝕性液體、可燃粉塵、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。然而，設備及其電力系統應安全可靠。

　　安全受到美國礦山安全與健康管理局 (MSHA) 和 1977 年聯邦礦山安全與健康法案等機構的監督。另一個美國標準是國家電氣規范 (NEC) 或國家消防協會 (NFPA) 70. 本標準涵蓋電氣線路和設備的安全安裝。 NEC 第 500 條要求安裝經過針對特定危險(包括礦山及其周圍環境中發現的危險)進行測試和批準的符合規范的設備。

　　確保電能質量需要了解基本的電源架構和相關問題。

　　礦山通常從交流電網獲取電力，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。該系統遵循基本設計：來自交流電網的高壓電力為高壓變壓器供電，為主變電站供電。主變電站將能量分配給多個次級變電站，并直接分配給礦井較大的電機負載。二次變電站向中壓負載和與其他設備連接的中低壓變壓器供電。

　　雖然該供電網通常是穩定的，但經常出現電能質量問題。此類問題以電源中斷、停電、電壓暫降、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：所示為代表電能質量問題的波形。 (圖片來源：作者，使用SolaHD信息)

　　考慮這些電能質量問題的原因和影響：

　　電力中斷：這是指長時間完全斷電，通常是由公用事業發電或配電網絡中的事故或設備故障引起的。電源中斷可能會導致硬件故障和計算機設備崩潰、停止操作并縮短電氣設備的使用壽命。

　　欠壓：這些描述了當供電電壓長時間低于正常最低水平時會發生什么情況。當容量過剩或其他網絡問題迫使公用事業公司降低電壓以滿足需求時，就會發生這種情況。限電的影響與中斷的影響類似。

　　電壓驟降：電壓驟降和欠壓狀況是采礦業最常見的電能質量干擾。當負載顯著增加對電源造成壓力，導致電源電壓降至閾值水平以下時，就會發生這種情況。 IEEE 將電壓驟降定義為低于正常 60 赫茲 (Hz) 電壓 10% 到 90% 的電壓降低。電壓驟降事件持續時間不到一分鐘但超過 8 毫秒 (ms)。欠壓持續時間超過一分鐘。

　　電壓驟降和欠壓都可能導致斷路器跳閘、設備故障和停機，或設備過早失效。持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暗淡或閃爍、暖通空調裝置運行不良、電機過熱以及自動化控制系統和計算機鎖定或斷電。

　　電壓浪涌：浪涌或過壓狀況是指持續時間從半頻周期到幾秒的暫時電壓電平升高。這些干擾可能是由關閉大功率電動機和 HVAC 系統的正常循環引起的。重復的電壓浪涌會給系統帶來壓力和削弱，并導致斷路器和其他保護裝置誤跳閘。

　　與過電壓相關的另一個問題是絕緣退化。絕緣惡化會成為火災的催化劑或引發甲烷或煤塵爆炸，從而危及礦井電力系統的安全運行。

　　電壓瞬變：電壓瞬變或尖峰是由外部因素(例如雷擊和公用電網開關)引起的電壓突然顯著增加而引起的。由于短路、斷路器跳閘和重型設備啟動，它們也可能源自礦井內部。

　　敏感電子設備最容易受到電壓瞬變的威脅，電壓瞬變可能導致系統鎖定或故障、損壞或刪除有價值的數據。

　　諧波失真：當電源正弦波中出現多個基頻(例如 60 Hz 系統中的 180 Hz)時，就會出現電壓問題。由于變速驅動器 (VSD) 和電力系統負載等設備的非線性特性，存在諧波失真。諧波會導致設備和導體發熱增加、VSD 失火以及電機扭矩脈動。采礦電力系統中諧波失真的其他癥狀包括對礦井通信系統的干擾、燈光閃爍、斷路器跳閘以及電氣連接松動。

　　礦井中有許多電動機，其中大多數都具有非線性 VSD，這使其成為采礦作業中的主要諧波源。此外，在電機中使用全波整流器可以提高效率，但會產生相當大的諧波。

　　電氣噪聲：這是礦井內外產生的低振幅、低電流、高頻干擾。來源包括遠處雷擊、開關電源、電子電路、電機電刷接觸不良以及接線質量差。

　　噪聲信號疊加在電壓波形上，可能會導致計算機故障和控制系統電路中的不良影響。

　　解決電能質量問題

　　滿足采礦業對高質量電力持續需求的關鍵挑戰，同時確保穩健性和高水平電氣安全性的最佳方法是采用多層方法，使用經過認證的設備，包括 UPS、功率調節器、浪涌保護裝置 (SPD) )、變壓器和電源。

　　表 1 總結了控制特定電能質量問題的最佳設備。

　　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)

　　與單一來源(例如 SolaHD)合作，采用多層電能質量方法可以簡化設計、采購和部署過程，并確保兼容性。例如，該公司的SDU500B離線式UPS在停電時可在滿載時提供4分20秒的備用電源，在半載時提供14分30秒的備用電源(圖2)。如表 1 所示，該 UPS 還可以在出現斷電、電壓暫降、電壓浪涌、電壓瞬變和諧波等情況時支持主電源供電。

　　圖 2：SDU500B 離線式 UPS 在滿負載時提供 4 分鐘 20 秒的備用電源。 (圖片來源：SolaHD)

　　UPS 采用 DIN 導軌安裝，并使用免維護密封鉛酸 (SLA) 電池，可在八小時內充滿電。它提供 300 瓦、120 伏輸出，模擬正弦波為 50 至 60 Hz，傳輸時間小于 8 毫秒。該 UPS 可在 0 至 50°C 的溫度范圍內運行，并且是 E491259 規定的可在區域分類危險場所使用的“認可組件”，因此適合采礦作業。

　　SolaHD 的電源調節器還可以在輸入變化高達 +10/-20% 的情況下將電壓調節到 ±1% 以內，提供卓越的噪聲衰減，并且設計用于承受最惡劣的電氣環境。

　　功率調節器使用一種稱為鐵磁諧振的變壓器設計技術，該技術在設備中創建兩個具有有限耦合的獨立磁路。這種設計的優點之一是輸入電流包含的諧波電流相對于基波可以忽略不計。變壓器的輸出側具有并聯諧振儲能電路，并從初級汲取功率以代替輸送到負載的功率。

　　例如， SolaHD 63-23-112-4 120 伏安 (VA) MCR 硬線調節器是一種功率調節器，可從 120、208、240 或 480 伏輸入提供 120 伏輸出 (±3%) 。它確保出色的噪聲過濾和浪涌保護以及電壓調節。共模噪聲衰減為 120 分貝 (dB)，橫模噪聲衰減為 60 dB。其浪涌保護經過 ANSI/IEEE C62.41 A 類和 B 類波形測試。當預計會出現斷電、電壓暫降、浪涌、瞬變、諧波和電噪聲時，MCR 硬線穩壓器是一個不錯的選擇。

　　SPD 可防止損壞設備的電壓瞬變。 SolaHD 的STV25K-24S瞬態電壓浪涌抑制器 (TVSS) SPD 是一款 DIN 導軌安裝設備，采用 240 伏輸入(高達 20 A)運行，并通過使用金屬氧化物變阻器 (MOV) 提供使用點保護(圖3)。

　　圖 3：STV25K-24S TVSS SPD 是一款 DIN 導軌安裝設備，采用 240 伏輸入(高達 20 A)運行，并提供使用點浪涌保護。 (圖片來源：SolaHD)

　　SolaHD SPD 適合安裝在惡劣工業環境(例如采礦設施)的控制柜中。該器件每相提供 25,000 A 的浪涌保護。瞬態響應時間小于 5 納秒 (ns)。 SPD 具有熱熔斷功能，可防止 MOV 因電流過大而導致過熱。

　　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，隔離變壓器還可以保護連接到次級側的設備免受諧波和電氣噪聲的影響。

　　SolaHD E2H112S就是一個例子。該隔離變壓器是一種節能干式變壓器，具有防風雨罩。它的初級輸入電壓為 480 伏(最高 135 A)，次級輸入電壓為 208 或 120 伏(最高 315 A)，額定電流為 112.5 千伏安 (kVA)(圖 4)。該變壓器還可以減輕諧波和電噪聲。

　　圖 4：E2H112S隔離變壓器在初級上采用 480 伏輸入，在次級上提供 208 或 120 伏電壓。該變壓器還可以減輕諧波和電噪聲。 (圖片來源：SolaHD)

　　應通過斷路器保護變壓器免受浪涌電流的影響。良好的設計實踐是選擇具有適當延時的斷路器裝置，以消除誤跳閘。當浪涌電流很高但持續時間不足以損壞變壓器時，就會出現這種現象。

　　電源對于任何供電系統都至關重要，它為設備提供交流或直流電源，并幫助濾除主電源中的電噪聲。 DIN 導軌安裝版本整潔且節省空間。有單相和三相交流型號可供選擇;還可以指定能夠處理低至線路電壓一半的電壓暫降而不會中斷輸出功率的設備。

　　SolaHD 提供一系列 DIN 導軌電源，例如SDN5-24-100C AC/DC 電源(圖 5)。這是單相電源，符合危險場所 E234790 規范。它可接受 85 至 264 伏交流 (VAC) 輸入或 90 至 375 伏直流 (VDC) 輸入，提供標稱 24 伏輸出。輸出電流為 5 A。輸出電壓紋波峰峰值小于 50 毫伏 (mV)。該電源具有高電磁干擾 (EMI) 抗擾度和 -25 至 +60°C 的工作溫度范圍。它結構緊湊，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 是一款緊湊型 DIN 導軌安裝電源，尺寸為 123 x 50 x 111 mm。 (圖片來源：SolaHD)

　　結論

　　礦井是確保電能質量和工人安全的物理和電力環境。設計人員應采用多層方法，使供電系統的每個組件都能可靠運行，同時緩解電能質量挑戰。電力設備還應遵守相關安全規定。通過與單一供應商合作，設計人員可以快速構建一個電網，從而提高站點可靠性、降低維護成本、確保安全并在電能質量問題影響運營之前緩解它們。