Transformatorselectie voor mijnbouwprojecten: Belangrijke overwegingen voor off-grid- en grid-aangesloten locaties

De betrouwbaarheid van de stroomvoorziening van een mijn heeft directe gevolgen voor de veiligheid bij de productie en de operationele efficiëntie. Als kernapparatuur voor stroomomzetting bepaalt de keuze van de transformator of het gehele mijnstroomnet stabiel kan blijven draaien. Off-gridmijnen en netgekoppelde mijnen verschillen echter fundamenteel in structuur van de stroombron en in bedrijfsmodus, waardoor ook de nadruk bij de keuze van de transformator verschilt. In dit artikel worden de belangrijkste aandachtspunten bij de keuze van transformatoren voor beide scenario’s uiteengezet.

Een off-gridmijn is volledig afhankelijk van eigen stroombronnen (dieselmotorgeneratoren, zonnepanelen, energieopslag enz.) en is niet verbonden met een extern elektriciteitsnet. Het systeem moet zelf in real time een evenwicht bewerkstelligen tussen stroomopwekking en -verbruik. Dat betekent dat schommelingen in de stroomopwekking (zoals de onderbrekende aard van zonnepanelen) moeten worden opgevangen door energieopslag en noodgeneratoren, wat hogere eisen stelt aan de continuïteit van de voorziening.

Een netgekoppelde mijn is verbonden met een extern elektriciteitsnet, dat fungeert als hoofd- of back-upstroombron en stabiele spanning en frequentie ondersteunt. De mijn kan stroom kopen van het net en, indien de omstandigheden dit toelaten, gedeeltelijk zelfvoorziening realiseren via hernieuwbare energieopwekking. Het systeem is relatief minder complex.

De keuze van transformator voor een mijnbouwproject hangt in de eerste plaats af van het veiligheidsniveau op de installatieplaats.

Oliegedrenkte transformatoren gebruiken isolerende olie als koel- en isolatiemiddel. Ze hebben een sterke overbelastingscapaciteit en goede warmteafvoer, waardoor ze geschikt zijn voor oppervlakteonderstations, open-pitgebieden en andere lage-risico-, zwaarbelaste scenario’s. Hun aanschafkosten zijn lager, de technologie is volwassen en ze bieden een goede waarde bij hoogvermogensvoorziening. Echter brengt isolerende olie risico’s met zich mee op het gebied van lekkage en brand, en de oliekwaliteit moet regelmatig worden getest.

Droge transformatoren gebruik epoxyharsgieten voor isolatie. Ze zijn olievrij, vlamvertragend en vuurbestendig, waardoor ze geschikt zijn voor ondergrondse tunnels en werkplekken met een hoge gasconcentratie of beperkte ruimtes. Ze zijn compact, stofdicht en vochtbestendig, met eenvoudig routineonderhoud. De nadelen zijn een hogere aanschafkost en een relatief beperkte overbelastingscapaciteit.

In korte bewoordingen: kies eerst droogtype voor hoogrisicogebieden ondergronds; oliegevulde transformatoren kunnen worden verkozen voor oppervlakte- en lagerisicoscenario’s.

Vergelijking van toepassingscenario's

1. Aanpassing aan schommelingen in de stroomvoorziening. Off-grid-systemen maken vaak gebruik van een hybride opstelling met “dieselgeneratie + zonnepv + energieopslag”. De wisselende pv-opbrengst en het opstarten/afsluiten van de dieselgenerator veroorzaken beide spanning- en frequentieveranderingen. De transformator moet een goede spanningsregelcapaciteit hebben; een model met lastschakelaar (on-load tap-changing) kan nodig zijn om frequente wijzigingen aan de zijde van de stroombron te verwerken.

2. Weerstand tegen belastinginvloeden. Grote apparatuur zoals brekers en kogelmolens in mijnen kan bij het opstarten stroomtrekkingen genereren die meerdere malen hoger zijn dan de nominale waarde. Een off-grid-systeem beschikt niet over de sterke ondersteuning van een openbaar elektriciteitsnet, dus de transformator moet voldoende overbelastingsmarge hebben om een sterke daling van de systeemspansing bij het opstarten van motoren te voorkomen. De capaciteitskeuze dient gebaseerd te worden op de werkelijke belastingscurve, met een redelijke marge.

3. Vervoers- en installatievoorwaarden. Wegen naar afgelegen mijnlocaties zijn vaak beperkt, dus de afmetingen, het gewicht en de haalbaarheid van montage ter plaatse van transformatoren moeten worden overwogen. Indien een oliegevulde transformator op locatie met olie moet worden gevuld, moeten ook oliebehandelingsapparatuur en geschikte omstandigheden beschikbaar zijn.

1. Kortsluitimpedantie-aanpassing. Tijdens netgekoppelde werking moet de kortsluitimpedantie van de transformator worden afgestemd op de kortsluitcapaciteit van het net. Een te lage impedantie leidt tot een te grote kortsluitstroom, wat de schakelapparatuur extra belast; een te hoge impedantie veroorzaakt een te grote spanningsregeling. De verificatie moet gebaseerd zijn op de door het net verwachte kortsluitstroom.

2. Selectie van de vectorgroep. Mijnbelastingen omvatten een groot aandeel niet-lineaire apparatuur, zoals frequentieregelaars en zachte starters, en harmonische stromen kunnen de werking van transformatoren beïnvloeden. De Dyn11-vectorgroep presteert beter dan Yyn0 bij het weerstaan van harmonischen en het onderdrukken van derde harmonischen, waardoor deze vaak wordt gekozen als distributietransformator in netgekoppelde mijnen.

3. Capaciteitsconfiguratie en uitbreidingsreserve. De belastingsgroei in netgekoppelde mijnen is meestal relatief stabiel. De transformatorcapaciteit kan worden ingesteld op "werkelijke belasting × 1,1–1,2", met ruimte voor uitbreiding op basis van het levenscyclusplan van de mijn. Een te grote capaciteit verhoogt niet alleen de leegloopverliezen, maar verlaagt ook de arbeidsfactor.

Voor het Nishbash-kolenmijnproject in Oezbekistan leverden wij drie 3150 kVA, 10/0,4 kV netgekoppelde prefab-stations van Europese stijl. De hoogspannings- en laagspanningsschakelapparatuur en de transformatoren binnen deze stations werden allemaal door ons vervaardigd. Voor dit project ontwierpen wij op maat de meest geschikte apparatuur op basis van de specifieke kenmerken van de mijn, samen met andere factoren zoals hoogte boven zeeniveau, temperatuur en vochtigheid.

Bij de keuze van de transformator hielden wij met name rekening met de eisen voor netkoppeling. Uiteindelijk kozen wij een oliegevulde transformator met vectorgroep Dyn11 en een kortsluitimpedantie van 5,5%.

Q1. Moeten mijntransformatoren altijd speciale mijnmodellen zijn?

Voor ondergrondse gebieden en gebieden met explosiegevaar moeten transformatoren die voldoen aan mijnstandaarden (algemene of explosiebestendige uitvoering) worden gebruikt. Voor oppervlaktestations en open-pitgebieden kunnen standaard industriële transformatoren worden toegepast, mits zij voldoen aan de vereiste beschermingsgraad en anticorrosie-eisen.

Q2. Kunnen droge transformatoren buiten worden gebruikt?

Ja, maar een beschermende behuizing is vereist, meestal met een beschermingsgraad van IP54 of hoger, om stof en vochtige omstandigheden te kunnen verdragen.

Q3. Kan een off-grid mijn een standaard netgekoppelde transformator gebruiken?

Niet aanbevolen. De kenmerken van de stroombron en de belastingsinvloedspatronen van off-grid-systemen verschillen aanzienlijk van die van netgekoppelde systemen. Een standaard netgekoppelde transformator kan mogelijk niet omgaan met frequente spanningsfluctuaties en stroompieken bij het opstarten.

Het kernverschil tussen transformatorselectie voor off-grid en netgekoppelde mijnen ligt in de verschillende eisen die de kenmerken van de stroombron aan de transformator stellen . Off-grid-scenario's vereisen transformatoren met een grotere spanningaanpassingscapaciteit en een hogere overbelastingsmarge om de schommelingen van zelfopgebouwde stroombronnen en belastingseffecten te kunnen opvangen. Bij grid-connected-scenario's ligt de nadruk meer op impedantie-aanpassing, onderdrukking van harmonischen en coördinatie met netbeveiliging. In beide scenario's is het veiligheidsniveau altijd de eerste scheidslijn tussen oliegevulde en droogtype-transformatoren — droogtype ondergronds, oliegevulde bovengronds. Dit principe blijft ongewijzigd, of de mijn nu off-grid of grid-connected is.