Etäkaivoksen mikroverkoratkaisut: muuntajien ja kytkinlaitteiden valinta

Etäkaivokset Keski-Aasiassa, Etelä-Amerikassa ja muilla verkkoon kytkemättömillä alueilla kohtaavat sähkönsiirto-ongelman, jota verkkoon kytketyt kaivokset eivät kohtaa: kaivoksen on varmistettava oma jännitteensä ja taajuutensa tuki samalla kun se ottaa vastaan teollisuuden raskaimmista kuormitustyyppisistä osan. Suurten malmimyllyjen moottorit käynnistyvät suoraan verkosta, kaivinkoneet ja porakoneet toimivat ennakoimattomasti, ja murskaimet aiheuttavat vaihtelevaa, harmonisten komponenttien rikasta sähköntarvetta – usein satojen kilometrien päässä pätevästä huoltotukipisteestä. Hankkeen omistajille hankintavaiheessa valittu laitevarustus määrittää suurelta osin sen, saavuttaako mikroverkko korkean saatavuuden vai muodostuuko siitä tuotannon pullonkaula.

1. Luotettavuus ja varavoima eristetyissä kaivoshybridienergijärjestelmissä

Saaristossa toimivassa kaivosteollisuuden mikroverkossa suuren moottorin käynnistys on koko järjestelmän tapahtuma. Käynnistysvirta tulee paikan päällä olevista generaattoreista, muuntajista ja mahdollisista verkkoon kytketyistä akkuenergian varastointilaitteista, mikä aiheuttaa jännitteen alenemisen ja vaikuttaa kaikkiin samalla väylällä oleviin moottorien ohjauskeskuksiin. Tämän seurauksena voi esiintyä kontaktorien irtoamista, taajuusmuuttajien (VFD) poiskytkentöjä ja ketjureaktioita prosessien pysähtymiseen. Dieselgeneraattorit ovat edelleen välttämättömiä varavoimana ja aukkojen täyttönä, mutta ne eivät taloudellisesti pysty tarjoamaan nopeaa taajuus- ja jännitetukea alhaisilla kuormitustasoilla. Akkuenergian varastointilaitteita käytetään yhä enemmän tämän nopean reaktion tarjoamiseen, kun taas generaattoreita ja muuntajia on mitoitettava uskottavimman pahimman käynnistystilanteen mukaan – ei pelkästään tasavirtakuormitustilanteen perusteella.

Tämä muuttaa jakelulaitteiden määrittelylogiikkaa. Muuntajat ja kytkinlaitteet on mitoitettava transienttijännitteille ja -virroille, ja suojausasetukset on koordinoitava mikroverkon vikavirta-antoon generaattoreista, energian varastointilaitteista ja moottoreista.

2. Moottorin käynnistys, iskukuormat ja muuntajan valinta

Kaivosteollisuuden jakelumuuntajalle tärkein valinta on oikosulkuvastus. Alhaisempi vastus vähentää jännitepudotusta suuren moottorin käynnistyksen aikana, mutta se kasvattaa mahdollista oikosulkuvirtaa muuntajan toissijaisen puolen liittimissä – mikä nostaa keskijännitekytkintä, kaapeleita ja johdinrakenteita seuraavassa verkossa vaadittavia kestovirta- ja kestojännitearvoja. Muuntaja saattaa olla hieman edullisempi; kytkintä ja kaapeleita ei.

Öljyllä jäähdytettyihin jakelumuuntajiin, jotka syöttävät moottoriohjauskeskuksia, käytetään yleensä käytännöllistä impedanssialuetta 5–6 prosenttia, jolloin tasapainotetaan moottorien käynnistysjännitteen tukeminen ja alapuolella olevan kytkinlaitteiston kustannustehokkaasti kestämä oikosulkuvirta. Muuntaja on mitoitettava käyttökuormaan sekä yhtä aikaa käynnistyvien moottoreiden käynnistyskVA:han, jonka jälkeen tarkistetaan, että jännitepudotus moottorien liitäntäpisteissä ja viereisissä MCC-pistorasioissa pysyy hyväksyttävällä rajalla. Korkean taajuusmuuttajien (VFD) läsnäolon tapauksessa on otettava huomioon myös harmoniset kuormitukset ja lisäkuormituksen aiheuttama käämien lämpeneminen.

Öljyllä jäähdytetyillä muuntajilla on tässä edullisuus: nestemäinen jäähdytysaine tarjoaa lämpömassan ja ylikuormitustoleranssin, joita kuivat muuntajat eivät pysty saavuttamaan korkeassa ympäristölämpötilassa ja pölyisissä olosuhteissa – edellyttäen, että säiliön tiukkuus ja öljyn säilytysjärjestelmä sopivat kohteeseen.

3. Ympäristötekijöiden vaikutus tehonarvoihin: korkeusmerenpinnasta, kylmyys, pöly ja kuljetus

IEC:n korkeuskorjaus yli 1 000 metrin korkeudella on laajalti tunnettu, mutta sitä sovelletaan usein virheellisesti. Standardi olettaa puhtaata ilmaa ja ympäristön lämpötilaa –5 °C:n ja +40 °C:n välillä. Kun korkea korkeus yhdistyy johtavalle pölylle – mikä on yleistä Keski-Aasian ja Andien kaivostoiminnan ympäristöissä – pölysaostumat vähentävät pinnan läpilyöntijännitettä enemmän kuin painekorjaus ennustaa. Oikea toimintatapa on yhdistetty korjaus: korkeuspohjainen eristyskompensaatio, suurempi virtausmatka, korkeammat IP-luokat ja kosteusmuodostumisen estämistoimet.

Kylmä ilmastotyyppi lisää toisen kerroksen. Pohjois-Kazakstanissa ja muissa Keski-Aasian kaivostoiminta-alueissa alhaisen lämpötilan öljymuodot ja kylmään säätöön suunnitellut lisävarusteet määrittävät, voidaanko muuntaja kytketä verkkoon ja kuormittaa –40 °C:ssa ilman tehon alentamista tai apulämmitystä. Samalla sama laite on kyettävä hajottamaan lämpöä +40 °C:n kesäisessä ympäristössä, joten jäähdytystavan valinta – ONAN vai ONAF – on tehtävä todellisen sijaintipaikan ympäristöolosuhteiden perusteella, ei tehdasviiteolosuhteiden perusteella.

Pöly vaikuttaa myös kytkinlaitteiston suojausratkaisuun. Ilmalla eristetty kytkinlaitteisto käyttää ilmakehän ilmaa eristeenä ja jäähdytysvälineenä; pölyisessä avoimen kaivoksen tai konsentraattorin ympäristössä tämä ilma on kuitenkin riskitekijä. Kaasulla eristetty tai suojattu kiinteästi eristetty kytkinlaitteisto poistaa jännitteiset osat kosketuksesta paikan ilmastoon ja sitä voidaan käyttää korkealla merenpinnan yläpuolella ilman jännitteen alentamista, mikä tekee siitä turvallisemman valinnan keskitason jännitteen kytkinlaitteistolle ja tärkeille moottorikontrollikeskuksille (MCC).

Kuljetusrajoitukset ovat kolmas ympäristötekijä. Muuntaja tai E-house, joka ylittää saatavilla olevan tietä tai rautatieta pitkin mahdollisen kuljetuksen paino- tai mittojen rajat, ei ole edullinen vaihtoehto, riippumatta tehtaalla määritetystä hinnasta. Alustalle asennettavat ja konttimaiset sähköasemat vähentävät rakennustyömaan rakennustöitä ja käyttöönottoaika – tyypillisesti 30–60 päivästä pysyvien rakennettujen sähköasemien osalta 5–10 päivään esikokoonnettujen liikuteltavien yksiköiden osalta – mutta vain, jos ne on suunniteltu todellisen kuljetusreitin mukaan tehtaasta kaivoksen portille.

4. Etäkaivoksen jakelun laitteistokonfiguraatio

Etäkaivoksen mikroverkon jakelujärjestelmä jakautuu tyypillisesti kolmeen toiminnalliseen kerrokseen.

Öljyssä upotetut jakomuuntajat

Nämä ovat edelleen keskijännitetasolla kaivosten jakelun peruslaitteita, kunhan ne on määritetty sivuston ympäristölämpötila-alueelle, korkeudelle ja pölyn alttiudelle. Keski-Aasian hankkeissa tämä tarkoittaa EAC/GOST-yhteensopivaa dokumentaatiota sekä kylmän ilmastoon soveltuvia öljy- ja lisävarusteiden konfiguraatioita. Chilessä ja Perussa kaivosalan historiallinen suosinta ANSI/NEMA-kytkinlaitteistoja kohtaan tarkoittaa, että muuntajien toissijaisjännite ja impedanssi on sovitettava ANSI-standardin mukaisiin alapuolisiin laitteisiin, vaikka kansallisen sähköverkon standardi olisikin IEC.

Kompaktit muuntamo- ja E-talot

Nämä paketoidaan muuntajan, keskijännitteen kytkentälaitteiston, alajännitteen jakelun, suojauksen ja ohjauksen tehtaalla integroituun koteloon. Niiden arvo ei ole mukavuus, vaan integraation ja tavanomaisten testien siirtyminen rakennusteltasta, jossa laadunvarmistuskyky on rajoitettu, hallittuun tehdasympäristöön. Kotelon on oltava määritelty sivuston pölyn tunkeutumisluokan, kostean ilman tiivistymisen estämisen ja sisäisen lämpötilan nousun mukaan todellisen auringon säteilyn ja ympäröivän kuorman vaikutuksesta.

Keskijännitteen ja alajännitteen kytkentälaitteistot

Kytkentälaitteistot yhdistävät tulevat muuntajat ja paikallisesti tuotetun sähkön jakeluliittimiin, kun taas moottorikontrollikeskukset (MCC) sisältävät kontaktoreita, pehmeitä käynnistimiä ja taajuusmuuttajia. Kytkentälaitteistot muodostavat alle 30 prosenttia kaivosteollisuuden sähköjärjestelmän pääomakuluihin, mutta yksittäinen vika päälevyssä voi saada koko tehtaan pysähtymään. Määrittelyssä on priorisoitava sisäisellä kaaritestaustulla varmistettuja kotelointeja, kattavia lukitusjärjestelmiä sekä suojauksia, jotka ovat koordinoitu muuntajan impedanssin ja moottorin käynnistysprofiilin kanssa.

5. Tekninen vahvistuslista ennen ostoa

Sivusto ja järjestelmäperusta

• Vahvista korkeus, suurin ja pienin ympäristön lämpötila sekä pölyn tai kontaminaation luokitus; vaadi sijaintikohtainen yhdistetty tehon alentaminen.
• Vahvista 50 Hz:n vaihtoehto 60 Hz:n sijaan ja paikallinen sähköverkkokoodi tai hyötyverkkoon liittämistä koskevat vaatimukset.
• Keski-Aasiassa vahvista EAC/GOST-sertifiointi sekä alhaisen lämpötilan öljy- ja lisävarusteiden määrittelyt; Chilessä ja Perussa vahvista, pätevätkö ANSI/NEMA-kytkinlaitestandardit.

Muuntajan määrittely

• Ilmoita suurimmat moottorit, jotka voivat käynnistyä samanaikaisesti, niiden käynnistyskVA ja virrantiellä, sekä sallittu jännitepudotus moottorien liitäntäpisteissä ja naapurimittauskeskuksen (MCC) väylissä.
• Määrittele muuntajan impedanssi optimoidulla arvolla, ei oletusarvolla; vahvista, että se ei aiheuta hallitsematonta oikosulkuvirtatasoa alapuolella olevassa keskijännitteisessä kytkinlaitteessa.
• Määrittele jäähdytystapa (ONAN tai ONAF) todellisen sijaintiympäristön perusteella ja vahvista nimellisteho suurimmalla ympäristön lämpötilalla ilman pakotettua jäähdytystä.
• Öljyllä jäähdytetyille laitteille vahvistetaan öljyn tyyppi minimiympäristölämpötilaan, säiliön tiivistämismenetelmä ja öljyn säilytysjärjestelmä.

Vaihde- ja suoja

• Valitaan eristysstrategia pölyn altistumiselle: AIS vain siellä, missä kotelointi ja ilmanvaihto estävät johtavan pölyn pääsyn; GIS tai SSIS korkeapölyisille tai korkealla sijaitseville pääpiireille.
• Vahvistetaan sisäisen kaariluokituksen ja kaarikestävän rakenteen vaatimukset pääkeskusten keskijännitekytkentälevylle.
• Vaaditaan suojauksen koordinaatiotutkimukset, jotka kattavat muuntajan impedanssin, moottorin käynnistysvirran ja generaattoreiden sekä varastointilaitteiden vikavirta-osaamisen.

Pakkaus, kuljetus ja varmistus

• Vahvistetaan kuljetusmitat – paino, mitat ja nostopisteet – vastaamaan todellista reittiä kohteeseen; vaaditaan kuljetusinsinööripiirustukset ennen tilausvahvistuksen antamista alustalle asennettaville tai konttityyppisille muuntamoille.
• Määritellään FAT-sisältö: muuntajien perustestit IEC 60076-1:n mukaisesti ja kytkentälaitteiden perustestit IEC 62271-200:n mukaisesti; pyydetään IEC-tyyppitestiraportteja koko suunnitteluperheestä, ei ainoastaan yksittäisen laitteen perustodistuksia.
• Vahvista sivun käyttöönoton laajuus ja sen, voidaanko tehtaalla suoritettava integraatiotestaus vähentää paikan päällä tapahtuvaa kytkentäaikaa.

6. Laitteiden sovittaminen käyttöalueeseen

Yksikään yhden katalogituotteen ei sovi sekä Keski-Aasian kylmille ja pölyisille paikoille että Etelä-Amerikan korkealla sijaitseville maanjäristysalueen kaivoksille. Öljyssä jäähdytetyt jakelumuuntajat tarjoavat lämpötilankestävyyden ja ylikuormitusten sietokyvyn, joita kaivosten moottorikuormat vaativat, mutta niiden öljyjärjestelmän, tiivistysten ja lisävarusteiden on oltava suunniteltu huomioiden kylmäkäynnistys ja pölyn tunkeutuminen. Tiukat ala-asemat vähentävät sivun integraatioriskiä vain silloin, kun niiden kuoren lämpötila- ja tunkeutumissuojaus perustuu todelliseen ympäristöolosuhteisiin ja saasteisiin. Keskvirtajännitteen kytkinlaitteet varmistavat käytettävyyden, ja niiden eristysstrategia on valittava pölyn ja korkeuden perusteella, sillä nämä tekijät heikentävät ilmalla eristettyjä ratkaisuja.

Jiangsu Unitan tuotevalikoima – öljyssä jäähdytetyt jakelumuuntajat, tiukat laatikkomaiset sähköasemat ja keskijännitteiset/alhaisen jännitteen kytkinlaitteet – vastaa suoraan näitä kolmea laitekerrosta Keski-Aasian, Etelä-Amerikan ja muiden kaukana sijaitsevien kaivosten markkinoilla. Hankintadiscipliini, joka on merkityksellinen riippumatta toimittajasta, on sama: muuntajaimpedanssin perusteltava moottorin käynnistystutkimuksella, ympäristökorjaukset on laskettava eikä oletettava, ja tehdastestitodisteiden on kattava suunnitteluperhe ja paikallisesti määritetty konfiguraatio.

Kaukana sijaitsevan kaivoksen mikroverkossa ei ole varaa laitteille, jotka on valittu katalogin otsikoista eikä sähköisten ja ympäristöllisten vaatimusten mukaan, joita ne todellisuudessa kohtaavat.

7. Sovellustilanteet ja laitemääritykset

Sama kolmen laitekerroksen rakenne pätee myös kaivosteollisuuden ulkopuolella. Alla oleva taulukko kuvaa tyypillisiä käyttöprofiileja ja niitä määrittäviä erityisvaatimuksia, jotka ratkaisevat, kestävätkö asennus käytössä.

Taulukko 1: Tyypillisiä sovellustilanteita, jakelupuolen vaatimuksia ja suositeltavia laitteistoconfiguraatioita.

8. Usein kysytyt kysymykset

K1. Miksi muuntajan oikosulkuvastus on tärkein valinta kaivosteollisuuden mikroverkossa?

Koska se asettaa kompromissin, joka vaikuttaa koko jakelujärjestelmään. Alhaisempi impedanssi rajoittaa jännitepudotusta suuren moottorin käynnistyessä, mutta se nostaa oletettua oikosulkuvirtaa alapuolella sijaitsevien toissijaisten liitäntäpisteiden kohdalla, joten keskijännitteisen kytkentälaitteiston, kaapelien ja väylän on kestettävä enemmän. Muuntaja saattaa olla hieman edullisempi; kytkentälaitteisto ja kaapelit eivät ole.

K2. Mikä impedanssi on käytännöllinen öljyssä jäähdytetyille muuntajille, jotka syöttävät moottoriohjauskeskuksia?

5–6 prosentin alue on yleensä toimiva eristetyissä kaivosjärjestelmissä, koska se tasapainottaa moottorin käynnistysjännitteen tukemista ja vian tasoa, jonka alapuolella sijaitseva kytkentälaitteisto voi käsittää kustannustehokkaasti. Tarkka arvo on perusteltava moottorin käynnistystutkimuksen perusteella eikä otettava suoraan valmiiksi määritellystä luettelosta, ja se on tarkistettava uudelleen, jos taajuusmuuttajien osuus on korkea.

K3. Riittääkö IEC:n korkeuskorjaus yli 1 000 metrin korkeudella pölyisellä kaivosalueella?

Ei. Standardi olettaa puhtaata ilmaa ja ympäristön lämpötilan olevan -5 °C–+40 °C. Kun korkeus yhdistyy johtavalle pölylle, saostumat vähentävät pinnan läpilyöntijännitettä enemmän kuin painekorjaus ennustaa. Oikea määrittely on yhdistetty korjaus: korkeuspohjainen eristyskorvaus, suurempi virtausmatka, korkeammat IP-luokat ja kosteusmuodostumisen estämistoimet.

K4. Voivatko dieselgeneraattorit yksin tarjota nopeaa taajuus- ja jännitetukea?

Generaattorit ovat edelleen olennaisia varavoimana ja aukkojen täyttämiseen, mutta niillä ei voida taloudellisesti tarjota nopeaa taajuus- ja jännitetukea alhaisilla kuormitustasoilla. Akkukäyttöinen energiavarasto tarjoaa yhä enemmän tätä nopeaa vastausta, kun taas generaattoreita ja muuntajia on mitoitettava uskottavimman pahimmaksi käynnistystilanteeksi eikä pelkästään tasaiselle kuormitukselle.

K5. Miten tiukennetut sähköasemat vähentävät paikan riskejä, ja mitä on vahvistettava ennen tilausvahvistuksen antamista?

Tehtaassa tapahtuva integrointi siirtää kokoonpanon ja tavanomaisen testauksen rakennusteltasta, jossa laadunvarmistuskyvyt ovat rajoitetut, hallittuun tehtaaseen, mikä yleensä lyhentää käyttöönottoa 30–60 päivästä saumattomien ala-asemien osalta 5–10 päivään esikokoonnettujen yksiköiden osalta. Ennen tilauksen antamista varmista, että kotelon tulo- ja sisäinen lämmöneristys vastaavat todellisia auringon ja ympäristön kuormia sekä että kuljetusmitat – paino, mitat ja nostopisteet – vastaavat todellista reittiä tehtaasta kaivokseen.

julkaisu