Muuntajien valinta kaivostoille: Tärkeimmät huomioitavat tekijät verkkoon kytkettyihin ja verkkoon kytkemättömiin kohteisiin

Kaivoksen sähköntuotannon luotettavuus vaikuttaa suoraan tuotannon turvallisuuteen ja toimintatehokkuuteen. Muuntajat ovat keskitettyjä laitteita sähköntehon muuntamiseen, ja niiden valinta määrittää, pystyykö koko kaivoksen sähköjärjestelmä toimimaan vakaaesti. Kuitenkin off-grid-kaivokset ja verkkoliitetyt kaivokset eroavat perustavanlaatuisesti toisistaan sähköntuotannon rakenteen ja toimintatavan suhteen, joten muuntajien valinnassa painopisteet vaihtelevat tilanteen mukaan. Tässä artikkelissa käsitellään keskeisiä näkökohtia muuntajien valinnassa molemmissa skenaarioissa.

Off-grid-kaivos perustuu täysin omiin sähköntuotantolähteisiinsä (esimerkiksi dieselgeneraattoreihin, aurinkosähköön ja energiavarastoihin) eikä ole yhdistetty ulkoiseen sähköverkkoon. Järjestelmän on tasapainotettava sähköntuotanto ja -kulutus reaaliajassa itsenäisesti. Tämä tarkoittaa, että sähköntuotannon vaihtelut (esimerkiksi aurinkosähkön epäsäännöllisyys) on kompensoitava energiavarastoilla ja varageneraattoreilla, mikä asettaa korkeammat vaatimukset jatkuvuudelle.

Verkkoon kytketty kaivos on yhdistetty ulkoiseen sähköverkkoon, joka toimii pää- tai varavoiman lähteenä ja tarjoaa vakaa jännitteen ja taajuuden tukemisen. Kaivos voi ostaa sähköä verkosta ja, jos olosuhteet sen sallivat, tuottaa osan sähköstä itse uusiutuvista energialähteistä. Järjestelmä on suhteellisen vähemmän monimutkainen.

Muuntajan valinta kaivosprojektia varten riippuu ensisijaisesti asennuspaikan turvallisuustasosta.

Öljyimmersioon perustuvat muuntajat käyttävät eristävää öljyä jäähdytys- ja eristysaineena. Niillä on vahva ylikuormituskapasiteetti ja hyvä lämmönpoisto, mikä tekee niistä sopivia pintalaitosten sähköasemia, avoimen kaivoksen alueita ja muita vähäriskejä, suurta kuormaa vaativia tilanteita varten. Niiden hankintakustannukset ovat alhaisemmat, teknologia on kypsä ja ne tarjoavat hyvää arvoa suurtehoisten sähköntoimitusten ehdoin. Kuitenkin eristävä öljy sisältää vuodon ja tulipalon riskejä, ja öljyn laatu on testattava säännöllisesti.

Kuiva-tyyppiset muuntokoneet käytä eristykseen epoksiharjattua valumaa. Ne ovat öljyton, liekkipidätteinen ja tulenvastainen, mikä tekee niistä sopivia maanalaisiin tunnelleihin ja kaasupitoisiin työalueisiin tai suljettuihin tiloihin. Ne ovat kompakti, pölynsuojattu ja kosteudensuojattu, ja niiden tavallinen huolto on yksinkertaista. Heikkouksia ovat korkeammat hankintakustannukset ja suhteellisen rajoitettu ylikuormituskapasiteetti.

Lyhyesti sanottuna: valitse ensisijaisesti kuivatyypin muuntajat korkean riskin maanalaisiin alueisiin; pinnalla ja pienemmän riskin tilanteissa öljyimmersoitu muuntaja voi olla suositeltavampi.

Käyttötilanteiden vertailu

1. Soveltuvuus sähkönlähteen vaihteluihin. Off-grid-järjestelmät käyttävät usein hybridiratkaisua, jossa yhdistetään dieselgeneraattorit, aurinkosähkö (PV) ja energiavarastot. PV:n tuotannon vaihtelut ja dieselgeneraattorien käynnistys/sammutus aiheuttavat molemmat jännitteeseen ja taajuuteen muutoksia. Muuntajan tulee siksi olla hyvä jännitteen säätökyky; tarvittaessa voidaan käyttää kuorman alla tapahtuvaa jännitteen säätöä (OLTC) mahdollistaakseen usein toistuvat muutokset sähkönlähteessä.

2. Kuorman vaikutusten kestävyys. Kaivoksissa käytettävät suuret laitteet, kuten murskauslaitteet ja pallohiomakoneet, voivat ottaa käynnistyksessä useita kertoja nimellisvirtansa suuruisen virran. Off-grid-järjestelmässä ei ole verkon vahvaa tukea, joten muuntajan tulee olla riittävän suuri ylikuormitustoleranssi estääkseen järjestelmän jännitteen voimakasta laskua moottorien käynnistyessä. Kapasiteetin valinnassa on otettava huomioon todellinen kuormakäyrä ja varauduttava riittävästi.

3. Kuljetus- ja asennusehdot. Tiet etäisille kaivostoalueille ovat usein rajoitettuja, joten muuntajien kuljetusmittoja, painoa ja paikan päällä suoritettavaa kokoonpanoa on harkittava. Jos öljyllä jäähdytetyn muuntajan öljytäytön suoritetaan paikan päällä, myös öljyn käsittelylaitteet ja -olosuhteet on oltava saatavilla.

1. Oikosulkuvastuksen sovitus. Verkkoliitetyssä toiminnassa muuntajan oikosulkuvastuksen on oltava yhdenmukainen verkon oikosulkukapasiteetin kanssa. Liian alhainen vastus johtaa liialliseen oikosulkuvirtaan, mikä lisää kytkinlaitteiden kuormitusta; liian korkea vastus aiheuttaa liiallista jännitteen säätöä. Tarkistus on tehtävä verkon ilmoittaman odotetun oikosulkuvirran perusteella.

2. Vektoriryhmän valinta. Kaivosteollisuuden kuormat sisältävät suuren osan epälineaarisia laitteita, kuten taajuusmuuttajia ja pehmeitä käynnistimiä, ja ylätaajuusvirrat voivat vaikuttaa muuntajan toimintaan. Dyn11-kytkentäryhmä kestää ylätaajuuksia paremmin kuin Yyn0-ryhmä ja tukahduttaa kolmannet ylätaajuudet tehokkaammin, mikä tekee siitä yleisen valinnan sähköverkkoon kytkettyjen kaivosten jakelumuuntajissa.

3. Kapasiteetin määrittäminen ja laajennusvaran varaus. Sähköverkkoon kytkettyjen kaivosten kuorman kasvu on yleensä suhteellisen vakaa. Muuntajan kapasiteetti voidaan asettaa arvoon "todellinen kuorma × 1,1–1,2", ja laajennusvaraa varataan kaivoksen elinkaarisuunnitelman perusteella. Liian suuri kapasiteetti ei ainoastaan lisää tyhjäkäyntihäviöitä, vaan myös alentaa tehokerrointa.

Nishbashin hiilikaivoksen hankkeessa Uzbekistanissa toimitimme kolme 3150 kVA:n, 10/0,4 kV:n verkkoliitosta käyttävää eurooppalaista valmiiksi valmistettua sähköasemaa. Näiden sähköasemien korkeajännitekytkinlaitteet, alhaisen jännitteen kytkinlaitteet ja muuntajat valmistettiin kaikki meillä. Tässä hankkeessa suunnittelimme kaivoksen omien ominaisuuksien perusteella parhaiten sopivan laitteiston yhdessä muiden tekijöiden, kuten korkeuden, lämpötilan ja kosteuden, kanssa.

Erityisesti muuntajan valinnassa otimme huomioon huolellisesti verkkoliitoksen vaatimukset. Lopullisena ratkaisuna valitsimme öljyyn upotetun muuntajan Dyn11-vektoriryhmällä ja 5,5 %:n oikosulkuvastuksella.

- Q1:n kanssa. Pitävätkö kaivosten muuntajat olla kaivoskohtaisia malleja?

Käytettäessä maanalaisissa alueissa tai räjähdysvaarallisissa alueissa on käytettävä kaivosstandardeja täyttäviä muuntajia (yleistyyppisiä tai räjähdysturvallisia). Pintasähköasemissa ja avoimen kaivoksen alueilla voidaan käyttää standardimuuntajia, mutta niiden on täytettävä suojaluokka- ja korrosiosuojavaatimukset.

K2. Voiko kuivamuuntajia käyttää ulkona?

Kyllä, mutta suojakotelo on vaadittu, yleensä suojaluokkaa IP54 tai korkeampaa, jotta pölyä ja kosteutta voidaan käsitellä.

Q3. Voiko eristetty kaivos käyttää standardia verkkoliitosta käyttävää muuntajaa?

Ei suositeltavaa. Erillisten järjestelmien tehonlähteen ominaisuudet ja kuorman vaikutusmalleihin eroavat merkittävästi verkkoliitosta käyttävistä järjestelmistä. Standardi verkkoliitosta käyttävä muuntaja ei välttämättä kestä usein esiintyviä jänniteheilahteluja ja käynnistysvirran vaikutuksia.

Ytimellinen ero muuntajien valinnassa erillisten ja verkkoliitosta käyttävien kaivosten välillä on erilaiset vaatimukset, joita tehonlähteen ominaisuudet asettavat muuntajalle . Verkkoisista tilanteista poikkeavat skenaariot vaativat muuntajia, joilla on vahvempi jännitteen sopeutumiskyky ja ylikuormitustoleranssi, jotta ne kestävät itse rakennettujen sähkölähteiden ja kuorman vaihteluita. Verkkoliitetyissä skenaarioissa keskitetään enemmän impedanssien sovittamiseen, harmonisten värähtelyjen tukahduttamiseen ja verkkosuojauksen koordinointiin. Molemmissa skenaarioissa turvallisuustaso on aina ensimmäinen jakolinja öljyssä jäähdytetyiden ja kuivatyypin muuntajien välillä – kuivatyypin muuntajat sijoitetaan maan alle ja öljyssä jäähdytetyt pinnalle. Tämä periaate ei muutu, riippumatta siitä, onko kaivos verkkoisesta vai verkosta poikkeavasta tilanteesta.