Riešenia diaľkových baníckych mikro-sietí: Výber transformátorov a rozvádzačov

Diaľkové ťažobné projekty v Strednej Ázii, Južnej Amerike a iných mimo sieťových oblastiach čelia problému distribúcie energie, ktorý neznajú elektrárne pripojené do siete: ťažobná lokalita musí sama zabezpečiť napätie a frekvenciu, zároveň absorbovať niektoré z najťažších záťažových zaťažení v priemysle. Veľké mlynové motory sa spúšťajú priamo do siete, kopáče a vŕtačky pracujú nepredvídateľne a drviče vyvolávajú kolísavú, harmonickými zložkami bohatú spotrebu – často stovky kilometrov od kvalifikovanej servisnej základne. Pre majiteľov projektov rozhoduje výbava vybraná v etape nákupu v podstate o tom, či mikroSieť dosiahne vysokú dostupnosť alebo sa stane úzkym miestom výroby.

1. Spoľahlivosť a záložné napájanie v izolovaných ťažobných mikroSieťach

V izolovanej banskéj mikro-sieti je štart veľkého motora udalosťou ovplyvňujúcou celý systém. Štartovací prúd prechádza miestnymi generátormi, transformátormi a akýmkoľvek online batériovým úložiskom energie, čo spôsobuje pokles napätia ovplyvňujúci každé stredisko riadenia motorov na rovnakej zbernici. Môže nasledovať vypnutie kontaktorov, vypnutie frekvenčných meničov (VFD) a reťazové vypnutie procesov. Dieselové generátory zostávajú nevyhnutné ako záloha a na vyplnenie medzier, avšak ekonomicky nemôžu poskytnúť rýchlu podporu frekvencie a napätia pri nízkych faktoroch zaťaženia. Batériové úložiská energie sa čoraz viac používajú na poskytnutie tejto rýchlej odpovede, zatiaľ čo generátory a transformátory musia byť špecifikované pre najhorší realistický scénár štartu – nie len pre ustálené zaťaženie.

Toto mení logiku špecifikácie rozvodu. Transformátory a rozvádzače musia byť hodnotené pre prechodné výkyvy napätia a prúdu a nastavenia ochrany musia byť koordinované s príspevkom mikro-siete k poruche zo strany generátorov, úložísk energie a motorov.

2. Spúšťanie motora, nárazové zaťaženia a výber transformátora

Najdôležitejšou voľbou pre distribučný transformátor v ťažobnom priemysle je impedancia skratu. Nižšia impedancia znižuje pokles napätia počas štartu veľkého motora, avšak zvyšuje predpokladaný prúd skratu na sekundárnych svorkách – čo zvyšuje požiadavky na odolnosť proti skratu pre vybavenie stredného napätia, káble a zbernice v nasledujúcom stupni. Transformátor môže byť mierne lacnejší; výkonové vypínacie zariadenia a káble nie.

Pre olejom chladené distribučné transformátory, ktoré napájajú centrá pre riadenie motorov, sa často používa praktický rozsah impedancie 5–6 percent, čím sa dosiahne rovnováha medzi podporou napätia pri štarte motora a poruchovým prúdom, ktorý môže nízkoúrovňové rozvádzače bez výrazného zvýšenia nákladov odľahčiť. Transformátor sa musí dimenzovať na prevádzkové zaťaženie plus štartovný združený výkon (kVA) motorov, ktoré sa skutočne štartujú súčasne, a následne sa musí overiť, či pokles napätia na svorkách motora a na susedných zberniciach centra pre riadenie motorov nepresahuje prípustnú hranicu.

Olejom chladené transformátory tu zachovávajú výhodu: kvapalné chladiace prostredie poskytuje tepelnú zotrvačnosť a toleranciu pre preťaženie, ktorú suché transformátory v prostrediach s vysokou teplotou okolia a veľkým množstvom prachu ťažko dosahujú – za predpokladu, že tesnenie nádrže a systém uchovávania oleja vyhovujú konkrétnej lokalite.

3. Environmentálne zníženie výkonu: nadmorská výška, nízka teplota, prach a preprava

Korekcia IEC pre nadmorskú výšku nad 1 000 m je všeobecne známa, avšak často sa nesprávne uplatňuje. Norma predpokladá čistý vzduch a okolitú teplotu v rozsahu od –5 °C do +40 °C. Keď sa vysoká nadmorská výška kombinuje s vodivým prachom – čo je bežné v ťažobných prostrediach Strednej Ázie a Andov – usadeniny prachu znižujú napätie prebiehajúce po povrchu viac, než predpovedá korekcia na základe tlaku. Správnou odpoveďou je komplexná korekcia: kompenzácia izolácie na základe nadmorskej výšky, zväčšenie dráhy prebiehania, vyššie stupne krytia IP a opatrenia proti kondenzácii.

Studené podnebie pridáva ďalšiu zložitosť. V severnom Kazachstane a iných ťažobných oblastiach Strednej Ázie určujú nízkoteplotné olejové zmesi a príslušenstvo schopné prevádzky za studena, či transformátor možno zapnúť a zaťažiť pri –40 °C bez zníženia výkonu alebo pomocného ohrievania. Súčasne musí rovnaké zariadenie odvádzať teplo pri letnej okolitej teplote +40 °C, preto výber režimu chladenia – ONAN alebo ONAF – musí zodpovedať skutočnému okoliu na mieste inštalácie, nie referenčným podmienkam v továrni.

Prach tiež určuje stratégiu pre krytia rozvádzačov. Rozvádzače s izoláciou vzduchom využívajú atmosférický vzduch na izoláciu a chladenie; v prachovitom prostredí otvorenej banskej jamy alebo koncentrátoru sa tento vzduch stáva nevýhodou. Rozvádzače s izoláciou plynom alebo chránené pevnou izoláciou oddeľujú živé časti od atmosféry na mieste a môžu sa používať aj vo vysokohorských oblastiach bez zníženia napätia, čo ich robí odolnejšou voľbou pre hlavný stredný napäťový rozvádzač a kritické motorové riadiace centrá (MCC).

Dopravné obmedzenia sú tretiou environmentálnou premennou. Transformátor alebo E-house, ktorý presahuje hmotnostné alebo rozmerové limity dostupnej cestnej alebo železničnej trasy, nie je výhodný, bez ohľadu na cenu v továrni. Podstavcové a kontajnerové transformačné stanice znižujú rozsah stavebných prác na mieste a dobu uvedenia do prevádzky – zvyčajne z 30–60 dní pre trvalé rozostavované stanice na 5–10 dní pre predmontované mobilné jednotky – avšak len vtedy, ak sú navrhnuté presne podľa skutočnej dopravnej trasy z továrne až po bránu bane.

4. Konfigurácia vybavenia pre diaľkové ťažobné rozvody

Systém diaľkového ťažobného mikro-siete sa zvyčajne rozdeľuje na tri funkčné vrstvy.

Olejom chladené distribučné transformátory

Tieto zariadenia stále predstavujú hlavný prostriedok pre rozvod v ťažobných prevádzkach na strednom napätí, za predpokladu, že sú špecifikované pre rozsah okolitej teploty, nadmorskú výšku a expozíciu prachu na danom mieste. Pre projekty v Strednej Ázii to znamená dokumentáciu zhodnú s požiadavkami EAC/GOST a konfigurácie oleja a príslušenstva pre chladné podnebie. Pre Čile a Peru historická preferencia ťažobného priemyslu pre prepínače podľa noriem ANSI/NEMA znamená, že sekundárne napätie a impedancia transformátorov musia byť kompatibilné s následnými zariadeniami certifikovanými podľa noriem ANSI, aj keď je národným sieťovým štandardom IEC.

Kompaktné rozvodné stanice a E-houses

Tieto balíky zahŕňajú transformátor, vysokonapäťové rozvádzače, nízkonapäťové rozvody, ochranu a riadenie v jednom továrensky integrovanom puzdre. Ich hodnota spočíva nielen v pohodlí, ale predovšetkým v presune integrácie a rutinných skúšok z staveniska s obmedzenou schopnosťou zabezpečenia kvality do kontrolovanej továrenskej prostredia. Puzdro sa musí špecifikovať podľa stupňa odolnosti voči vnikaniu prachu na mieste, výkonnosti proti kondenzácii a teplotného nárastu vo vnútri pri skutočnom slnečnom a okolitom zaťažení.

Vysokonapäťové a nízkonapäťové rozvádzače

Rozvádzače spájajú prichádzajúce transformátory a lokálnu výrobu s rozvodnými vedeniami, zatiaľ čo MCC obsahujú kontaktory, mäkké štartéry a frekvenčné meniče. Rozvádzače tvoria menej ako 30 percent celkových kapitálových výdavkov (CAPEX) na energetický systém ťažobného podniku, avšak jediná porucha na hlavnom rozvádzači môže spôsobiť výpadok celého závodu. Pri špecifikácii sa musia uprednostniť puzdrá preverené na vnútorné oblúky, komplexné zámky a ochrana koordinovaná s impedanciou transformátora a profilom štartovania motorov.

5. Zoznam technických potvrdení pred nákupom

Základ miesta a systému

• Potvrďte nadmorskú výšku, maximálnu a minimálnu okolitú teplotu a klasifikáciu prachu alebo kontaminantov; vyžadujú sa miestne kombinované zníženia výkonu.
• Potvrďte napájanie 50 Hz alebo 60 Hz a miestne požiadavky siete alebo dodávateľa energie pre pripojenie.
• Pre Strednú Áziu potvrďte certifikáciu EAC/GOST a špecifikácie oleja a príslušenstva pre nízke teploty; pre Čile a Peru potvrďte, či sa uplatňujú normy ANSI/NEMA pre rozvádzače.

Špecifikácia transformátora

• Uveďte najväčšie motory, ktoré môžu štartovať súčasne, ich štartovací zdánlivý výkon (kVA) a prúdový profil, ako aj prípustný pokles napätia na svorkách motorov a na susedných zberniach MCC.
• Špecifikujte impedanciu transformátora ako optimalizovanú hodnotu, nie ako predvolenú; potvrďte, že nevytvára nezvládnuteľnú úroveň skratového prúdu na nízkonapäťových rozvádzačoch v dolnom toku.
• Špecifikujte režim chladenia (ONAN alebo ONAF) vzhľadom na skutočnú okolitú teplotu na mieste a potvrďte menovitý výkon pri maximálnej okolitej teplote bez núteného chladenia.
• Pre jednotky s olejom potvrďte typ oleja pre minimálnu okolitú teplotu, spôsob tesnenia nádrže a systém ochrany oleja.

Rozvádzače a ochrana

• Vyberte stratégiu izolácie pri vystavení prachu: AIS iba v prípadoch, keď kryt a vetranie vylúčia vodivý prach; GIS alebo SSIS pre hlavné dosky v prostredí s vysokou koncentráciou prachu alebo na veľkej nadmorskej výške.
• Potvrďte klasifikáciu vnútorného oblúka a konštrukciu odolnú voči oblúku pre hlavný strednoprúdový rozvádzač.
• Vyžadujte štúdie koordinácie ochrany, ktoré zahŕňajú impedanciu transformátora, nábehový prúd motorov a príspevok poruchového prúdu zo zdrojov elektrickej energie a úložných systémov.

Balenie, preprava a overenie

• Porovnajte rozmery a hmotnosť prepravného obalu a miesta zdvíhania so skutočnou trásou na stavbu; pred vydaním objednávky vyžadujte inžinierske výkresy prepravy pre rozvádzače namontované na podstavci alebo v kontajneroch.
• Špecifikujte rozsah FAT: bežné skúšky transformátorov podľa IEC 60076-1 a bežné skúšky rozvádzačov podľa IEC 62271-200; požiadajte o správy o typových skúškach podľa IEC pre celú konštrukčnú rodinu, nie len o certifikáty bežných skúšok jednotlivých zariadení.
• Potvrdiť rozsah uvádzania lokality do prevádzky a či integrované továrenské testovanie môže skrátiť dobu napájania na mieste.

6. Prispôsobenie vybavenia prevádzkovému rozsahu

Žiadny jediný výrobok z katalógu nevyhovuje ani centrálnoázijským chladným a prašným lokalitám, ani juhoamerickým baníckym lokalitám vo vysokohorských oblastiach a seizmicky aktívnych zónach. Olejom chladené distribučné transformátory poskytujú tepelnú odolnosť a toleranciu preťaženia, ktoré vyžadujú banícke pohonné záťaže, avšak ich olejový systém, tesnenie a príslušenstvo musia byť nastavené tak, aby zohľadňovali realitu chladného štartu a vnikania prachu. Kompaktné rozvodné stanice znižujú riziko integrácie na mieste len vtedy, ak je tepelný výkon a ochrana pred vnikaním nečistôt obalu navrhnutý na základe skutočného okolitého prostredia a profilu kontaminantov. Vysokonapäťové rozvádzače chránia dostupnosť a ich izolačná stratégia sa musí vybrať s ohľadom na podmienky prachu a nadmorskej výšky, ktoré zhoršujú vzduchom izolované konštrukcie.

Rozsah výrobkov spoločnosti Jiangsu Unita – olejom chladené distribučné transformátory, kompaktné skrinkové rozvádzače a strednoproudé/nízkonapäťové rozvádzače – sa priamo mapuje na tieto tri úrovne vybavenia pre trhy centrálnej Ázie, južnej Ameriky a iných odľahlých ťažobných lokalít. Pravidlá nákupu, ktoré majú význam, sú rovnaké bez ohľadu na dodávateľa: vyžadovať zdôvodnenie impedancie transformátora na základe štúdie štartovania motorov, vyžadovať výpočet environmentálnych korekcií namiesto ich predpokladania a vyžadovať dôkazy o továrenských skúškach, ktoré pokrývajú celú konštrukčnú rodinu aj konkrétnu konfiguráciu pre dané miesto.

Mikro sieť odľahlej ťažobnej lokality nemá rezervu pre vybavenie vybrané na základe katalógových nadpisov namiesto toho, aby bolo vybrané podľa elektrického a environmentálneho rozsahu, s ktorým sa v skutočnosti stretne.

7. Scenáre použitia a priradenie vybavenia

Rovnaké tri úrovne vybavenia sa uplatňujú aj mimo ťažobných aplikácií. V nasledujúcej tabuľke sú typické prevádzkové profily priradené ku špecifikačným bodom, ktoré rozhodujú o tom, či inštalácia vydrží v prevádzke.

Tabuľka 1: Typické scenáre použitia, požiadavky na distribučnej strane a odporúčané konfigurácie zariadení.

8. Často kladené otázky

Q1. Prečo je skratová impedancia transformátora najdôležitejšou voľbou v ťažobnom mikro-sieti?

Pretože určuje kompromis, ktorý sa prejavuje v celom distribučnom systéme. Nižšia impedancia obmedzuje pokles napätia počas štartu veľkého motora, avšak zvyšuje predpokladaný skratový prúd na sekundárnych svorkách, čo znamená, že strednoproudé prepínače, káble a zbernice v smeri od transformátora musia vydržať vyšší prúd. Transformátor môže byť mierne lacnejší; prepínače a káble nie.

Q2. Aká impedancia je praktická pre olejom chladené transformátory napájajúce centrá pre riadenie motorov?

Rozsah 5–6 % je v izolovaných baníckych systémoch všeobecne použiteľný, pretože vyváža podporu napätia pri štarte motora a úroveň poruchového prúdu, ktorú môžu nákladovo efektívne zvládnuť prepínače v smeri od transformátora. Presná hodnota by mala byť odôvodnená na základe štúdie štartu motorov, nie považovaná za štandardnú hodnotu z katalógu, a mala by sa znovu overiť v prípadoch s vysokým podielom frekvenčných meničov (VFD).

Q3. Je korekcia IEC pre nadmorskú výšku nad 1 000 m postačujúca pre prašnú banícku lokalitu?

Nie. Štandard predpokladá čistý vzduch a okolitú teplotnú pásmu od –5 °C do +40 °C. V prípade, keď sa výška nad morom stretne s vodivým prachom, usadeniny znížia napätie prebiehajúce po povrchu viac, ako predpovedá korekcia tlaku. Správnou špecifikáciou je kombinovaná korekcia: izolačná kompenzácia založená na nadmorskej výške, zväčšená dráha prebiehania, vyššie stupne krytia IP a opatrenia proti kondenzácii.

Q4. Môžu dieselové generátory samostatne poskytnúť rýchlu podporu frekvencie a napätia?

Generátory stále zostávajú nevyhnutné pre zálohu a dopĺňanie medzier, avšak ekonomicky nemôžu poskytnúť rýchlu podporu frekvencie a napätia pri nízkych faktoroch zaťaženia. Batériové úložiská energie čoraz viac poskytujú túto rýchlu odpoveď, zatiaľ čo generátory a transformátory musia byť špecifikované pre najhorší dôveryhodný štartovací scenár, nie len pre ustálený režim zaťaženia.

Q5. Ako kompaktné rozvodné stanice znížia riziko na mieste a čo je potrebné potvrdiť pred vydaniem objednávky (PO)?

Integrácia do výrobnej dielne presunie montáž a bežné skúšky z staveniskového tábora s obmedzenými možnosťami kontroly kvality do kontrolovanej výrobnej dielne, čo zvyčajne skráti dobu uvádzania do prevádzky zo 30–60 dní pre podstanice postavené na mieste na 5–10 dní pre predintegrované jednotky. Pred vydaniem objednávky potvrďte stupeň ochrany krytu proti vnikaniu nečistôt a vnútorný tepelný návrh vzhľadom na skutočné slnečné a okolité zaťaženie, ako aj dopravný obal – hmotnosť, rozmery a body zdvíhania – vzhľadom na skutočnú trasu z výrobnej dielne po bránu ťažobného areálu.

oznámenia