Auswahl von Transformatoren für Bergbauprojekte: Wichtige Aspekte für netzferne und netzgekoppelte Standorte

Die Zuverlässigkeit der Stromversorgung eines Bergwerks beeinflusst direkt die Produktionssicherheit und die Betriebseffizienz. Als Kerngerät für die Stromumwandlung bestimmt die Auswahl des Transformators, ob das gesamte Bergwerk-Stromversorgungssystem stabil laufen kann. Off-Grid-Bergwerke und netzgekoppelte Bergwerke unterscheiden sich jedoch grundlegend in ihrer Stromquellenstruktur und ihrem Betriebsmodus, weshalb auch die Schwerpunkte bei der Transformatorauswahl unterschiedlich sind. Dieser Artikel fasst die zentralen Aspekte der Transformatorauswahl für beide Szenarien zusammen.

Ein Off-Grid-Bergwerk ist vollständig auf eigene Stromquellen (Dieselgeneratoren, Solarmodule, Energiespeicher usw.) angewiesen und nicht mit einem externen Netz verbunden. Das System muss Erzeugung und Verbrauch in Echtzeit selbst ausgleichen. Das bedeutet, dass Schwankungen der Stromerzeugung (beispielsweise die intermittierende Natur von Solarmodulen) durch Energiespeicher und Notstromaggregate ausgeglichen werden müssen, was höhere Anforderungen an die Versorgungskontinuität stellt.

Ein ans Stromnetz angeschlossener Bergwerk ist mit einem externen Netz verbunden, das als Haupt- oder Notstromquelle dient und eine stabile Spannung und Frequenz bereitstellt. Das Bergwerk kann Strom aus dem Netz beziehen und, soweit die Bedingungen es zulassen, teilweise durch erneuerbare Erzeugung selbst versorgen. Das System ist vergleichsweise weniger komplex.

Die Wahl des Transformators für ein Bergbauprojekt hängt in erster Linie von der Sicherheitsstufe des Installationsortes ab.

Ölgekühlte Transformereinheiten verwenden Isolieröl als Kühl- und Isoliermedium. Sie weisen eine hohe Überlastbarkeit und eine gute Wärmeableitung auf und eignen sich daher für Oberflächensubstationen, Tagebaubereiche und andere Szenarien mit geringem Risiko und hoher Last. Ihre Anschaffungskosten sind niedriger, die Technologie ist ausgereift und sie bieten bei Hochleistungsversorgungsbedingungen ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Allerdings birgt Isolieröl Risiken wie Leckagen und Brände, und die Ölqualität muss regelmäßig geprüft werden.

Trockengeschaltete Transformatoren verwenden Sie Epoxidharzguss zur Isolierung. Sie sind ölfrei, schwer entflammbar und feuerbeständig, wodurch sie sich für unterirdische Tunnel und Arbeitsbereiche mit hohen Gas-Konzentrationen oder engen Räumen eignen. Sie sind kompakt, staubdicht und feuchtigkeitsdicht, mit einfacher Routine-Wartung. Die Nachteile sind höhere Anschaffungskosten und eine relativ begrenzte Überlastfähigkeit.

Kurz gesagt: wählen Sie für hochrisikobehaftete unterirdische Bereiche vorrangig trockenlaufende Transformatoren; für oberirdische und geringrisikobehaftete Szenarien kann ein ölgekühlter Transformator bevorzugt werden.

Vergleich der Anwendungsszenarien

1. Anpassung an Schwankungen der Stromquelle. Netzunabhängige Systeme verwenden häufig eine hybride Konfiguration aus „Dieselgenerator + Photovoltaik (PV) + Energiespeicher“. Schwankungen der PV-Leistung sowie das An- und Abschalten des Dieselgenerators führen beide zu Spannungs- und Frequenzänderungen. Der Transformator muss daher über eine gute Spannungsregelungsfähigkeit verfügen; ein Modell mit lastschaltbarem Stufenschalter (On-Load Tap-Changing) kann erforderlich sein, um häufige Änderungen auf der Stromquellenseite zu bewältigen.

2. Fähigkeit zur Aufnahme von Laststößen. Große Geräte wie Brecher und Kugelmühlen in Bergwerken können beim Anlauf Ströme ziehen, die mehrere Male den Nennstrom übertreffen. Ein netzunabhängiges System verfügt nicht über die starke Stützung eines Verbundnetzes; daher sollte der Transformator über ausreichende Überlastreserve verfügen, um einen starken Abfall der Systemspannung beim Motoranlauf zu verhindern. Die Bemessung der Leistung sollte auf der tatsächlichen Lastkurve unter Berücksichtigung einer angemessenen Reserve erfolgen.

3. Transport- und Installationsbedingungen. Die Straßen zu abgelegenen Bergbaustandorten sind oft eingeschränkt, daher müssen die Transportabmessungen, das Gewicht und die Machbarkeit der Montage vor Ort bei Transformatoren berücksichtigt werden. Falls ein ölgekühlter Transformator vor Ort mit Öl gefüllt werden muss, müssen auch Ölaufbereitungsgeräte und entsprechende Bedingungen vor Ort verfügbar sein.

1. Abstimmung der Kurzschlussimpedanz. Während des netzgekoppelten Betriebs muss die Kurzschlussimpedanz des Transformators mit der Kurzschlussleistung des Netzes abgestimmt werden. Eine zu niedrige Impedanz führt zu übermäßig hohen Kurzschlussströmen und erhöht somit die Belastung der Schaltanlagen; eine zu hohe Impedanz verursacht eine übermäßige Spannungsregelung. Die Überprüfung sollte auf der vom Netz angegebenen erwarteten Kurzschlussstromstärke beruhen.

2. Auswahl der Vektorkonfiguration. Bergbaulasten umfassen einen hohen Anteil nichtlinearer Geräte wie Frequenzumrichter und Weichstarter; Oberschwingungsströme können den Transformatorbetrieb beeinträchtigen. Die Schaltgruppe Dyn11 weist eine bessere Oberschwingungsresistenz und stärkere Unterdrückung der Dritteloberschwingungen als Yyn0 auf und ist daher eine gängige Wahl für Verteiltransformatoren in netzgekoppelten Bergwerken.

3. Leistungskonfiguration und Erweiterungspuffer. Die Lastentwicklung in netzgekoppelten Bergwerken verläuft üblicherweise relativ stabil. Die Transformatorleistung kann mit „tatsächliche Last × 1,1–1,2“ bemessen werden; der Erweiterungspuffer richtet sich nach dem Lebenszyklusplan des Bergwerks. Eine überdimensionierte Leistung erhöht nicht nur die Leerlaufverluste, sondern senkt zudem den Leistungsfaktor.

Für das Kohlebergwerk Nishbash in Usbekistan lieferten wir drei netzgekoppelte, europäische Fertigstellstationen mit einer Leistung von jeweils 3150 kVA und einer Spannung von 10/0.4 kV. Die Hochspannungs- und Niederspannungsschaltanlagen sowie die Transformatoren innerhalb dieser Stationen wurden sämtlich von uns hergestellt. Für dieses Projekt entwickelten wir auf Grundlage der spezifischen Eigenschaften des Bergwerks – unter Berücksichtigung weiterer Faktoren wie Höhenlage, Temperatur und Luftfeuchtigkeit – die am besten geeignete Ausrüstung.

Insbesondere bei der Auswahl des Transformators berücksichtigten wir eingehend die Anforderungen an die Netzanschlussfähigkeit. Letztlich entschieden wir uns für einen ölgekühlten Transformator mit der Vektorgruppe Dyn11 und einer Kurzschlussimpedanz von 5,5 %.

Q1. Müssen Bergwerkstransformatoren zwingend bergwerkspezifische Modelle sein?

Für unterirdische Bereiche sowie für explosionsgefährdete Bereiche sind Transformatoren erforderlich, die den Bergwerksstandards entsprechen (allgemeiner Typ oder explosionsgeschützter Typ). Für oberirdische Umspannwerke und Tagebaubereiche können Standard-Industrietransformatoren eingesetzt werden; diese müssen jedoch die geforderte Schutzart sowie Korrosionsschutzeigenschaften erfüllen.

Q2 ist Können Trockentransformatoren im Freien eingesetzt werden?

Ja, aber eine Schutzeinrichtung ist erforderlich, üblicherweise mit einer Schutzart von IP54 oder höher, um Staub- und Feuchtigkeitsbedingungen zu bewältigen.

Q3. Kann ein netzunabhängiger Bergwerkstandort einen Standard-Netzanschluss-Transformator verwenden?

Nicht empfohlen. Die Stromquelleneigenschaften und die Lastauswirkungsmuster netzunabhängiger Systeme unterscheiden sich erheblich von denen netzgekoppelter Systeme. Ein Standard-Netzanschluss-Transformator könnte häufige Spannungsschwankungen und Anlaufstromspitzen nicht bewältigen.

Der Kernunterschied bei der Transformatorauswahl für netzunabhängige und netzgekoppelte Bergwerke liegt in den unterschiedlichen Anforderungen, die die Stromquelleneigenschaften an den Transformator stellen . Bei netzunabhängigen Szenarien sind Transformatoren mit stärkerer Spannungsanpassungsfähigkeit und größerer Überlastreserve erforderlich, um die Schwankungen selbst errichteter Energiequellen sowie Lastauswirkungen zu bewältigen. Bei netzgekoppelten Szenarien steht hingegen die Impedanzanpassung, die Unterdrückung von Oberschwingungen und die Koordination mit dem Netzschutz im Vordergrund. In beiden Szenarien stellt der Sicherheitsgrad stets die primäre Unterscheidungslinie zwischen ölgekühlten und trockenen Transformatoren dar – trockene Transformatoren werden unterirdisch, ölgekühlte oberirdisch installiert. Dieses Prinzip bleibt unverändert, unabhängig davon, ob der Bergwerkbetrieb netzunabhängig oder netzgekoppelt erfolgt.