为矿业电力供应设计安全可靠的电力系统

作者：Steven Keeping

世界各地的矿井都采用电力驱动设备来运输、破碎和研磨岩石、运送原材料、为黑暗的矿洞照明、运转水泵和通风扇，以及为钻机、切割机、除尘器和升降机提供动力。设备故障会导致代价高昂的停产，因此尽管存在振动、冲击以及化学品、粉尘、热量和湿气暴露，仍要求设备具有高可靠性。

要为此类环境设计供电网络，同时确保工人安全具有挑战性，但通过国际操作和安全标准认证的商用电气产品的出现，有助于实现这一目标。为了简化系统设计，确保元器件之间的兼容性，设计人员可以从单一来源获得构建完整解决方案所需的大部分设备。

本文简要介绍了采矿业对电气设备的环境和电能质量要求。随后以 SolaHD 的专用解决方案为例，说明了如何通过多层方法应用这些方案，确保电能质量和工人安全。

地下电气工程所面临的挑战

在矿井中，设备会受到腐蚀性液体、可燃性粉尘、污垢、刺激性化学品、剧烈振动、随机冲击、电涌和极端温度变化的影响。不过，设备及其电力系统应会安全可靠。

在美国矿山安全与健康管理局 (MSHA) 等机构以及 1977 年《联邦矿山安全与健康法》的监督下，安全性得到增强。美国的另一项标准是《美国国家电气规范》(NEC)，或美国消防协会 (NFPA) 70。该标准涵盖电气线路和设备的安全安装。NEC 第 500 条要求安装符合规范、经过测试且获批用于特定危险条件（包括矿井及其周围环境中存在的危险）的设备。

要确保电能质量，就需要了解基本的电力系统架构和相关问题。

矿井通常从交流电网获取电能，但也使用由交直流转换或现场直流微电网提供的高压直流电。不间断电源 (UPS) 就是一个例子。这些系统遵循基本设计：将来自交流电网的高压电馈送到高压变压器，再由高压变压器向主变电站供电。主变电站将能量分配给多个二级变电站，再直接分配给矿井的大型电机负载。二级变电站向中压负载和连接其他设备的中/低压变压器供电。

虽然这种供电网通常比较稳定，但经常会出现电能质量问题。这些问题往往以电力中断、电力管制、电压骤降、电压浪涌、电压瞬变、谐波失真和电气噪声的形式出现（图 1）。

图 1：代表电能质量问题的波形。（图片来源：作者，使用 SolaHD 提供的信息）

考虑这些电能质量问题的原因和影响：

电力中断：长时间完全断电，通常由于电力公司的发电或配电网络发生事故或设备故障所致。电力中断会导致计算机设备出现硬件故障和崩溃、停止运行，并缩短电气设备的使用寿命。

电力管制：供电电压长时间低于正常最低水平时发生的情况。当产能过剩或其他网络问题迫使电力公司降低电压以满足需求时，就会出现这种情况。电力管制的影响与电力中断类似。

电压骤降：骤降和欠压是采矿业最常见的电能质量干扰。当负载大幅增加对供电造成压力，导致供电电压降至阈值水平以下时，就会出现这种情况。IEEE 将骤降定义为电压降至 60 Hz 正常电压的 10%-90%。骤降事件持续时间少于一分钟，但超过 8 ms。欠压持续时间则超过一分钟。

骤降和欠压都有可能导致烦人的断路器跳闸、设备故障和停机，或设备过早出现故障。继续运行会增加燃烧或爆炸的风险。这些问题的迹象包括灯光变暗或闪烁、暖通空调 (HVAC) 设备运行不良、电机发热、自动化控制系统和计算机锁定或断电。

电压浪涌：浪涌或过压是指电压水平暂时升高，持续时间从半频周期到几秒钟不等。关闭大功率电机和 HVAC 系统的正常循环时可能会产生这些干扰。反复暴露于浪涌电压下会对系统造成压力和削弱系统，并导致断路器和其他保护装置误跳闸。

与过压相关的另一个问题是绝缘材料老化。绝缘材料老化会引发火灾或者甲烷或煤尘爆炸，从而危及矿井电力系统的安全运行。

瞬态电压：瞬态电压或尖峰电压是由于雷击和公用电网切换等外部因素造成的电压突然大幅上升。也可能由于短路、断路器跳闸和重型设备启动等原因在矿井内部发生。

敏感的电子设备最容易受到瞬态电压的威胁，其会导致系统锁定或故障，从而损坏或删除宝贵的数据。

谐波失真：当电源正弦波中出现基频的倍数（如 60 Hz 系统中出现 180 Hz）时，就会产生电压问题。谐波失真是由于变速驱动器 (VSD) 等器件和电力系统负载的非线性特征造成的。谐波会导致设备和导线发热增加、VSD 失灵以及电机转矩脉动。矿业电力系统出现谐波失真的其他症状包括：矿井通信系统受到干扰、灯光闪烁、断路器跳闸以及电气连接松动。

矿井中有许多电机，其中大多数都采用非线性 VSD，因此这些器件是采矿作业中谐波的主要来源。此外，虽然在电机中使用全波整流器可提高效率，但会产生大量谐波。

电气噪声：这是一种在矿井内外产生的低振幅、低电流和高频率干扰。其来源包括远距离雷击、切换电源、电子电路、电机电刷接触不良和劣质线路。

噪声信号叠加在电压波形上，会导致计算机出现故障，并对控制系统电路造成不良影响。

解决电能质量问题

要应对采矿业对高质量电能的持续需求所带来的严峻挑战，同时确保稳健性和高水平的电气安全，最好的办法就是采用多层方法，使用经认证的设备，包括不间断电源、电源调节器、浪涌保护器 (SPD)、变压器和电源。

表 1 总结了最适合用于控制特定电能质量问题的设备。

表 1：需要一系列保护装置来应对采矿环境中可能出现的所有电能质量问题。（图片来源：SolaHD）

使用单一来源（如 SolaHD）来构建多层电能质量方法，有助于简化设计、采购和部署流程，同时确保兼容性。例如，该公司的 SDU500B 离线式 UPS 可在电力中断时，在满载下提供 4 分 20 秒的备用电源，在半载下提供 14 分 30 秒的备用电源（图 2）。如表 1 所示，该 UPS 还能在发生电力管制、电压骤降、电压浪涌、电压瞬变和谐波时支持主电源。

图 2：SDU500B 的离线式 UPS 在满载下可提供 4 分 20 秒的备用电源。（图片来源：SolaHD）

UPS 安装在 DIN 导轨上，使用免维护的密封铅酸 (SLA) 电池，可在 8 小时内充满电。该设备提供 300 W、120 V 输出，具有 50 Hz 至 60 Hz 模拟正弦波，传输时间小于 8 ms。该 UPS 的工作温度范围为 0˚C 至 50˚C，是符合 E491259 的“公认元器件”，可用于被划分为危险场所的区域，因此适用于采矿作业。

SolaHD 的电源调节器还能将高达 +10%/-20% 的输入电压变化调节至 ±1% 以内，提供出色的噪声衰减，并能承受最恶劣的电气环境。

电源调节器采用一种名为铁磁谐振的变压器设计技术，可通过有限耦合在设备中创建两条独立的磁路。这种设计的一个优点是，输入电流中的谐波电流相对于基波电流来说可忽略不计。变压器的输出端采用并联谐振振荡电路，从主设备汲取电能，以替代输送到负载的电能。

例如，SolaHD 63-23-112-4 120 VA MCR 硬线稳压器就是一款电源调节器，可从 120 V、208 V、240 V 或 480 V 输入提供 120 V 输出 (±3%)。该器件能确保出色的噪声滤波和浪涌保护以及电压调节功能。共模噪声衰减为 120 dB，横模为 60 dB。该器件经过浪涌保护测试，符合 ANSI/IEEE C62.41 A 类和 B 类波形。在预计会出现电力管制、电压骤降、浪涌、瞬态、谐波和电气噪声的情况下，MCR 硬线稳压器是一个不错的选择。

SPD 可防止对设备造成损害的瞬态电压。SolaHD 的 STV25K-24S 瞬态电压浪涌抑制器 (TVSS) SPD 是一款 DIN 导轨安装器件，可在 240 V 输入电压（最高 20 A）下工作，并通过使用金属氧化物压敏电阻 (MOV) 提供使用点保护（图 3）。

图 3：STV25K-24S TVSS SPD 是一款 DIN 导轨安装器件，可在 240 V 输入电压（最高 20 A）下工作，并提供使用点浪涌保护。（图片来源：SolaHD）

SolaHD SPD 适合安装在矿场等恶劣工业环境的控制柜中。该器件每相可提供 25000 A 的浪涌保护。瞬态响应时间不到 5 ns。该 SPD 集成热熔断器，可防止过大电流引起的 MOV 过热。

指定隔离变压器和电源

除了将输入交流电压升压或降压至合适的输出值之外，隔离变压器还能保护连接到次级侧的器件免受谐波和电气噪声的影响。

SolaHD 的 E2H112S 就是一个例子。这款隔离变压器是一种节能型干式变压器，配备防雨罩。该器件的初级输入电压为 480 V（最高 135 A），次级输入电压为 208 V 或 120 V（最高 315 A），额定电流为 112.5 kVA（图 4）。该变压器还能减少谐波和电气噪声。

图 4：E2H112S 隔离变压器的初级输入电压为 480 V，次级输入电压为 208 V 或 120 V。该变压器还能减少谐波和电气噪声。（图片来源：SolaHD）

变压器应使用断路器来防止涌流。良好的设计实践是选择具有适当时间延迟的断路器，以消除误跳闸。当涌流较大但持续时间不足以损坏变压器时，就会出现这种现象。

电源对任何供电系统都至关重要，它为设备提供交流或直流电，并帮助滤除来自主电源的电气噪声。DIN 导轨安装版本外观整洁，可节省空间。提供单相和三相交流型号；还可指定能够处理电压骤降（低至线电压的一半）而不中断输出功率的器件。

SolaHD 提供一系列 DIN 导轨电源，例如 SDN5-24-100C 交直流电源（图 5）。这是一种单相电源，符合 E234790 危险场所规范。该器件可接受 85 V 至 264 V 交流 (VAC) 输入或 90 V 至 375 V 直流 (VDC) 输入，提供 24 V 标称输出。输出电流为 5 A。输出电压纹波的峰间值小于 50 mV。该电源具有很强的抗电磁干扰 (EMI) 能力，工作温度范围为 -25˚C 至 +60˚C。该器件结构紧凑，尺寸为 123 x 50 x 111 mm，具有连续短路、连续过载和连续开路故障保护功能。

图 5：SDN5-24-100C 是一款安装在 DIN 导轨上的紧凑型电源，尺寸为 123 x 50 x 111 mm。（图片来源：SolaHD）

总结

无论是在物理方面，还是在电气方面，矿井环境都极具挑战性。要确保矿井中的电能质量和工人安全，设计人员应采用多层方法，使供电系统的每个元器件都能可靠运行，同时缓解电能质量问题。电力设备还应遵守相关的安全规定。通过与单一供应商合作，设计人员可以快速构建出色的电气网络，不仅能提高现场可靠性、降低维护成本、确保安全性，还能在电能质量问题影响运营之前使其得到缓解。