Wybór transformatora dla projektów górniczych: kluczowe kwestie dotyczące obiektów pozamacierzowych i połączonych z siecią

Niezawodność zasilania kopalni ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo produkcji oraz na efektywność eksploatacji. Jako podstawowe urządzenie do przekształcania energii, transformator decyduje o stabilności pracy całego systemu zasilania kopalni. Jednak kopalnie pozamacierzowe i kopalnie połączone z siecią różnią się fundamentalnie strukturą źródła zasilania oraz trybem działania, co powoduje, że priorytety wyboru transformatora są w obu przypadkach różne. W niniejszym artykule przedstawiono kluczowe aspekty doboru transformatora w obu tych scenariuszach.

Kopalnia pozamacierzowa opiera się całkowicie na własnych źródłach zasilania (np. agregatach prądotwórczych z silnikami wysokoprężnymi, fotowoltaice, magazynach energii itp.) i nie jest połączona z zewnętrzną siecią energetyczną. System musi samodzielnie zapewniać bilans generowanej i pobieranej mocy w czasie rzeczywistym. Oznacza to, że wahania mocy źródeł zasilania (np. charakter niestabilny fotowoltaiki) muszą być kompensowane przez magazyny energii oraz agregaty rezerwowe, co stawia wyższe wymagania wobec ciągłości zasilania.

Kopalnia połączona z siecią zewnętrzna jest podłączona do zewnętrznej sieci elektroenergetycznej, która stanowi główny lub rezerwowy źródło zasilania oraz zapewnia stabilne napięcie i częstotliwość. Kopalnia może zakupować energię elektryczną z sieci oraz – w przypadku sprzyjających warunków – częściowo pokrywać własne zapotrzebowanie za pomocą generacji odnawialnej. System ten jest stosunkowo mniej złożony.

Wybór transformatora dla projektu górniczego zależy przede wszystkim od poziomu bezpieczeństwa miejsca instalacji.

Transformatory zanurzone w oleju wykorzystują olej izolacyjny jako środek chłodzenia i izolacji. Posiadają dużą zdolność do pracy w warunkach przeciążenia oraz dobrą odprowadzanie ciepła, co czyni je odpowiednimi dla stacji transformatorowych powierzchniowych, obszarów odkrywkowych oraz innych scenariuszy o niskim ryzyku i dużym obciążeniu. Ich koszt zakupu jest niższy, technologia jest dojrzała, a ich wartość jest wysoka w warunkach zasilania o dużej mocy. Jednak olej izolacyjny wiąże się z ryzykiem wycieku i pożaru, a jego jakość wymaga regularnego badania.

Transformatory suchego typu używać odlewania żywicą epoksydową do izolacji. Są one bezolejowe, samogasnące i odporno na ogień, co czyni je odpowiednimi do tuneli podziemnych oraz stref roboczych o wysokim stężeniu gazów lub przestrzeni zamkniętych. Są kompaktowe, odporno na kurz i wilgoć, a ich rutynowa konserwacja jest prosta. Wadami są wyższy koszt zakupu oraz względnie ograniczona zdolność przeładunkowa.

W skrócie: w pierwszej kolejności wybrać transformatory suchego typu dla wysokiego ryzyka w obszarach podziemnych; transformatory zanurzone w oleju mogą być preferowane w przypadku zastosowań powierzchniowych oraz scenariuszy o niskim ryzyku.

Porównanie scenariuszy zastosowań

1. Dostosowanie do fluktuacji źródła zasilania. Systemy pozamacierzowe często wykorzystują hybrydową konfigurację „generacja dieslowa + fotowoltaika (PV) + magazynowanie energii”. Fluktuacje mocy wyjściowej PV oraz uruchamianie i zatrzymywanie agregatu dieslowego powodują zmiany napięcia i częstotliwości. Transformator musi charakteryzować się dobrą zdolnością regulacji napięcia; model z regulacją pod obciążeniem (OLTC) może być konieczny do obsługi częstych zmian po stronie źródła zasilania.

2. Wytrzymałość na wpływ obciążenia. Duże urządzenia, takie jak kruszarki i młyny kulowe w kopalniach, mogą pobierać prądy rozruchowe wielokrotnie przekraczające wartość znamionową. System pozamacierzowy nie dysponuje silną pomocą sieci, dlatego transformator powinien posiadać wystarczający zapas przeciążeniowy, aby zapobiec gwałtownemu spadkowi napięcia w systemie podczas rozruchu silników. Dobór mocy powinien opierać się na rzeczywistej charakterystyce obciążenia z rozsądnym zapasem.

3. Warunki transportu i montażu. Drogi prowadzące do odległych miejsc wydobycia są często ograniczone, dlatego należy uwzględnić wymiary, masę transformatora oraz możliwość jego montażu na miejscu. Jeśli transformator olejowy wymaga napełnienia olejem na miejscu, konieczne jest również posiadanie sprzętu do obróbki oleju oraz odpowiednich warunków.

1. Dopasowanie impedancji zwarcia. Podczas pracy w połączeniu z siecią impedancja zwarcia transformatora musi być zsynchronizowana z zdolnością zwarciową sieci. Zbyt niska impedancja powoduje nadmierny prąd zwarciowy, zwiększając obciążenie aparatury łączeniowej; zbyt wysoka impedancja powoduje nadmierne regulowanie napięcia. Weryfikacja powinna opierać się na oczekiwanym prądzie zwarciowym dostarczanym przez sieć.

2. Wybór grupy wektorowej. Obciążenia górnicze obejmują znaczny udział urządzeń nieliniowych, takich jak przemienniki częstotliwości i miękkie rozruchy; prądy harmoniczne mogą wpływać na pracę transformatorów. Grupa wektorowa Dyn11 charakteryzuje się lepszą odpornością na harmoniczne oraz skuteczniejszym tłumieniem harmonicznych rzędu trzeciego niż grupa Yyn0, dlatego jest powszechnie wybierana dla transformatorów rozdzielczych w kopalniach podłączonych do sieci.

3. Konfiguracja mocy i zapas na rozbudowę. W kopalniach podłączonych do sieci wzrost obciążenia jest zazwyczaj stosunkowo stabilny. Moc transformatora może zostać ustalona na poziomie „rzeczywiste obciążenie × 1,1–1,2”, przy czym zapas na rozbudowę dobiera się zgodnie z planem cyklu życia kopalni. Nadmiernie duża moc nie tylko zwiększa straty jałowe, ale także obniża współczynnik mocy.

Dla projektu kopalni węgla Nishbash w Uzbekistanie dostarczyliśmy trzy europejskie, prefabrykowane stacje transformatorowe do sieci o mocy 3150 kVA i napięciach 10/0,4 kV. Wyposażenie wysokonapięciowe, niskonapięciowe oraz transformatory zamontowane w tych stacjach zostały wyprodukowane przez nas. Dla tego projektu dobraliśmy najbardziej odpowiednie urządzenia z uwzględnieniem charakterystycznych cech kopalni oraz innych czynników, takich jak wysokość nad poziomem morza, temperatura i wilgotność.

W szczególności przy doborze transformatora w pełni uwzględniliśmy wymagania związane z przyłączeniem do sieci. Ostatecznie wybraliśmy transformator olejowy z grupą wektorową Dyn11 i impedancją zwarcia wynoszącą 5,5%.

Q1. Czy transformatory górnicze muszą być modelami specjalnymi przeznaczonymi wyłącznie dla górnictwa?

W obszarach podziemnych oraz w miejscach zagrożonych wybuchem konieczne jest stosowanie transformatorów spełniających normy górnicze (typ ogólny lub przeciwwybuchowy). W powierzchniowych stacjach transformatorowych oraz na terenach odkrywkowych można stosować standardowe transformatory przemysłowe, jednak muszą one spełniać wymagania dotyczące stopnia ochrony oraz odporności na korozję.

Q2. Czy transformatory suche mogą być używane na zewnątrz?

Tak, ale wymagane jest obudowa ochronna, zwykle z stopniem ochrony IP54 lub wyższym, aby radzić sobie z warunkami pylnymi i wilgotnymi.

Q3. Czy kopalnia pozamacierzowa może używać standardowego transformatora połączonego z siecią?

Nie zalecane. Charakterystyka źródła zasilania oraz wzorce wpływu obciążenia w systemach pozamacierzowych różnią się znacznie od tych w systemach połączonych z siecią. Standardowy transformator połączony z siecią może nie wytrzymać częstych fluktuacji napięcia oraz uderzeń prądu rozruchowego.

Główna różnica w doborze transformatora dla kopalni pozamacierzowych i połączonych z siecią polega na różnych wymaganiach, jakie stawia charakterystyka źródła zasilania wobec transformatora scenariusze pozamacierzowe wymagają transformatorów o lepszej adaptacji napięcia i większym zapasie obciążenia, aby radzić sobie z fluktuacjami samodzielnie zbudowanych źródeł zasilania oraz wpływami obciążenia. W scenariuszach przyłączonych do sieci większy nacisk kładziony jest na dopasowanie impedancji, tłumienie harmonicznych oraz koordynację z ochroną sieci. W obu scenariuszach poziom bezpieczeństwa zawsze stanowi pierwszą linię podziału między transformatorami olejowymi a suchymi — transformatory suche stosowane są pod ziemią, olejowe – na powierzchni. Zasada ta pozostaje niezmieniona niezależnie od tego, czy kopalnia działa w trybie pozamacierzowym, czy przyłączona do sieci.