Výběr transformátoru pro těžební projekty: klíčové aspekty pro mimo-síťové a síťově připojené lokality

Spolehlivost elektrického napájení těžebního provozu přímo ovlivňuje bezpečnost výroby a provozní účinnost. Jako základní zařízení pro přeměnu elektrické energie rozhoduje výběr transformátoru o tom, zda celý těžební napájecí systém bude fungovat stabilně. Off-grid těžební provozy a grid-connected těžební provozy se však zásadně liší strukturou zdroje energie a režimem provozu, a proto se liší i důraz při výběru transformátoru. Tento článek shrnuje klíčové aspekty výběru transformátoru pro oba scénáře.

Off-grid těžební provoz zcela závisí na vlastních zdrojích energie (dieselové generátory, fotovoltaické panely, systémy akumulace energie atd.) a není připojen k vnější síti. Systém musí vyvažovat výrobu a spotřebu energie v reálném čase samostatně. To znamená, že kolísání výkonu zdrojů (např. nespojitý charakter fotovoltaických panelů) musí kompenzovat systémy akumulace energie a záložní generátory, což klade vyšší nároky na nepřerušovanost dodávky energie.

Horní důl připojený k síti je spojen s vnější sítí, která slouží jako hlavní nebo záložní zdroj energie a poskytuje stabilní napětí a frekvenci. Důl může odebírat energii ze sítě a za příznivých podmínek částečně pokrývat svou spotřebu vlastní výrobou z obnovitelných zdrojů. Tento systém je relativně méně složitý.

Výběr transformátoru pro těžební projekt závisí především na úrovni bezpečnosti místa instalace.

Olejově imerzní transformátory používají izolační olej jako chladicí a izolační prostředek. Mají vysokou schopnost přetížení a dobré odvádění tepla, což je činí vhodnými pro povrchové rozvodny, lomy a jiné scénáře s nízkým rizikem a vysokou zátěží. Jejich pořizovací cena je nižší, technologie je zralá a nabízejí dobrý poměr ceny a výkonu při dodávkách vysokého výkonu. Nicméně izolační olej představuje riziko úniku a požáru a jeho kvalita musí být pravidelně testována.

Suchých transformátorů použít epoxidové pryskyřičné lití pro izolaci. Jsou bezolejové, zpomalující hoření a ohnivzdorné, což je činí vhodnými pro podzemní tunely a pracovní čela s vysokou koncentrací plynu nebo uzavřené prostory. Jsou kompaktní, prachotěsné a vlhko­těsné, s jednoduchou běžnou údržbou. Nevýhodami jsou vyšší pořizovací náklady a relativně omezená přetížitelnost.

Krátkým shrnutím: pro vysokorizikové podzemní oblasti zvolit nejdříve suché transformátory; pro povrchové a nízkorizikové scénáře lze upřednostnit olejové transformátory.

Porovnání aplikačních scénářů

1. Přizpůsobení se kolísání zdroje energie. Mimo-síťové systémy často využívají hybridní uspořádání „dieselová generace + solární fotovoltaika (PV) + akumulace energie“. Kolísání výstupu PV a spouštění/zastavování dieselového generátoru způsobují změny napětí i frekvence. Transformátor musí mít dobrou schopnost regulace napětí; pro zvládnutí častých změn na straně zdroje energie může být nutný model s regulací pod zátěží (on-load tap-changing).

2. Odolnost proti dopadu zátěže. Velká zařízení, jako jsou drtiče nebo kuličkové mlýny, mohou při startu odebírat proud několikanásobně vyšší než jmenovitý. Mimo-síťový systém nemá silnou podporu ze sítě, proto transformátor musí disponovat dostatečnou rezervou přetížení, aby nedošlo k prudkému poklesu napětí v síti při startu motorů. Výběr kapacity by měl vycházet z reálného průběhu zátěže s rozumnou rezervou.

3. Podmínky dopravy a instalace. Cesty k vzdáleným těžebním lokalitám jsou často omezené, proto je nutné zohlednit rozměry a hmotnost transformátoru i možnost jeho montáže na místě. Pokud vyžaduje olejový transformátor plnění olejem na místě, musí být k dispozici také zařízení pro úpravu oleje a odpovídající podmínky.

1. Přizpůsobení impedance proti zkratu. Během provozu připojeného k síti musí být impedance proti zkratu transformátoru koordinována s kapacitou sítě proti zkratu. Příliš nízká impedance vede k nadměrnému zkratovému proudu, což zvyšuje zátěž rozvaděčů; příliš vysoká impedance způsobuje nadměrnou regulaci napětí. Ověření by mělo být založeno na očekávaném zkratovém proudu poskytnutém sítí.

2. Výběr skupiny vektorů. Těžební zátěže zahrnují vysoký podíl nelineárních zařízení, jako jsou frekvenční měniče a měkké startéry; harmonické proudy mohou ovlivnit provoz transformátorů. Vektorová skupina Dyn11 vykazuje lepší odolnost vůči harmonickým složkám a účinněji potlačuje třetí harmonickou než skupina Yyn0, což ji činí běžnou volbou pro distribuční transformátory v dolech připojených k síti.

3. Konfigurace kapacity a rezerva pro rozšíření. Růst zátěže v dolech připojených k síti je obvykle poměrně stabilní. Kapacitu transformátoru lze nastavit na „skutečná zátěž × 1,1–1,2“ s rezervou pro rozšíření určenou podle plánu životního cyklu dolu. Příliš velká kapacita nejen zvyšuje ztráty naprázdno, ale také snižuje účiník.

Pro projekt uhelného dole Nishbash v Uzbekistánu jsme dodali tři připojené k síti evropského typu prefabrikované rozváděče o výkonu 3150 kVA a napětí 10/0.4 kV. Vysokonapěťová a nízkonapěťová rozváděčová zařízení i transformátory uvnitř těchto rozváděčů byly všechny vyrobeny námi. Pro tento projekt jsme na základě vlastních charakteristik dolu, jakož i dalších faktorů – například nadmořské výšky, teploty a vlhkosti – vybrali nejvhodnější vybavení.

Při výběru transformátoru jsme zvláště důkladně zohlednili požadavky na připojení k síti. Nakonec jsme zvolili olejový transformátor s vektorovou skupinou Dyn11 a krátkodobým impedančním poměrem 5,5 %.

Q1. Musí být pro těžební účely používány výhradně těžební transformátory?

V podzemních prostorách a v oblastech se zvýšeným rizikem výbuchu je nutné používat transformátory splňující těžební normy (obecný nebo výbušně bezpečný typ). Na povrchu – v povrchových rozváděčích a v lomech – lze používat standardní průmyslové transformátory, avšak musí splňovat požadavky na stupeň krytí a odolnost proti korozi.

Q2. Lze suché transformátory použít venku?

Ano, ale je vyžadováno ochranné pouzdro, obvykle s ochranným stupněm IP54 nebo vyšším, aby zvládlo prachové a vlhké podmínky.

Q3. Může mimo síť provozovaná těžební lokalita využívat standardní transformátor určený pro připojení k síti?

Nedoporučuje se. Vlastnosti zdroje energie a vzory zatížení u mimo-síťových systémů se výrazně liší od těch u systémů připojených k síti. Standardní transformátor určený pro připojení k síti nemusí zvládnout časté kolísání napětí a nárazy startovacího proudu.

Zásadní rozdíl při výběru transformátoru pro mimo-síťové a pro síťově připojené těžební lokality spočívá v odlišných požadavcích, které vlastnosti zdroje energie klade na transformátor . Scénáře mimo síť vyžadují transformátory s vyšší adaptací napětí a větším přetížovým rezervním výkonem, aby zvládly kolísání napájení z vlastních zdrojů a dopady zatížení. U scénářů připojených k síti je důraz kladen spíše na přizpůsobení impedance, potlačení harmonických složek a koordinaci se systémy ochrany sítě. V obou scénářích je úroveň bezpečnosti vždy prvním rozhodujícím kritériem pro volbu mezi olejovými a suchými transformátory — suché transformátory se umisťují pod zemí, olejové na povrchu. Toto pravidlo platí bez ohledu na to, zda je důl napájen mimo síť nebo je připojen k síti.