作者：Steven Keeping

世界各地的礦井都采用電力驅(qū)動設備來運輸、破碎和研磨巖石、運送原材料、為黑暗的礦洞照明、運轉(zhuǎn)水泵和通風扇，以及為鉆機、切割機、除塵器和升降機提供動力。設備故障會導致代價高昂的停產(chǎn)，因此盡管存在振動、沖擊以及化學品、粉塵、熱量和濕氣暴露，仍要求設備具有高可靠性。

要為此類環(huán)境設計供電網(wǎng)絡，同時確保工人安全具有挑戰(zhàn)性，但通過國際操作和安全標準認證的商用電氣產(chǎn)品的出現(xiàn)，有助于實現(xiàn)這一目標。為了簡化系統(tǒng)設計，確保元器件之間的兼容性，設計人員可以從單一來源獲得構建完整解決方案所需的大部分設備。

本文簡要介紹了采礦業(yè)對電氣設備的環(huán)境和電能質(zhì)量要求。隨后以 [SolaHD]的專用解決方案為例，說明了如何通過多層方法應用這些方案，確保電能質(zhì)量和工人安全。

地下電氣工程所面臨的挑戰(zhàn)

在礦井中，設備會受到腐蝕性液體、可燃性粉塵、污垢、刺激性化學品、劇烈振動、隨機沖擊、電涌和極端溫度變化的影響。不過，設備及其電力系統(tǒng)應會安全可靠。

在美國礦山安全與健康管理局 (MSHA) 等機構以及 1977 年《聯(lián)邦礦山安全與健康法》的監(jiān)督下，安全性得到增強。美國的另一項標準是《美國國家電氣規(guī)范》(NEC)，或美國消防協(xié)會 (NFPA) 70。該標準涵蓋電氣線路和設備的安全安裝。NEC 第 500 條要求安裝符合規(guī)范、經(jīng)過測試且獲批用于特定危險條件（包括礦井及其周圍環(huán)境中存在的危險）的設備。

要確保電能質(zhì)量，就需要了解基本的電力系統(tǒng)架構和相關問題。

礦井通常從交流電網(wǎng)獲取電能，但也使用由交直流轉(zhuǎn)換或現(xiàn)場直流微電網(wǎng)提供的高壓直流電。不間斷電源 (UPS) 就是一個例子。這些系統(tǒng)遵循基本設計：將來自交流電網(wǎng)的高壓電饋送到高壓變壓器，再由高壓變壓器向主變電站供電。主變電站將能量分配給多個二級變電站，再直接分配給礦井的大型電機負載。二級變電站向中壓負載和連接其他設備的中/低壓變壓器供電。

雖然這種供電網(wǎng)通常比較穩(wěn)定，但經(jīng)常會出現(xiàn)電能質(zhì)量問題。這些問題往往以電力中斷、電力管制、電壓驟降、電壓浪涌、電壓瞬變、諧波失真和電氣噪聲的形式出現(xiàn)（圖 1）。

圖 1：代表電能質(zhì)量問題的波形。（圖片來源：作者，使用 SolaHD 提供的信息）

考慮這些電能質(zhì)量問題的原因和影響：

電力中斷 ：長時間完全斷電，通常由于電力公司的發(fā)電或配電網(wǎng)絡發(fā)生事故或設備故障所致。電力中斷會導致計算機設備出現(xiàn)硬件故障和崩潰、停止運行，并縮短電氣設備的使用壽命。

電力管制 ：供電電壓長時間低于正常最低水平時發(fā)生的情況。當產(chǎn)能過?；蚱渌W(wǎng)絡問題迫使電力公司降低電壓以滿足需求時，就會出現(xiàn)這種情況。電力管制的影響與電力中斷類似。

電壓驟降 ：驟降和欠壓是采礦業(yè)最常見的電能質(zhì)量干擾。當負載大幅增加對供電造成壓力，導致供電電壓降至閾值水平以下時，就會出現(xiàn)這種情況。IEEE 將驟降定義為電壓降至 60 Hz 正常電壓的 10%-90%。驟降事件持續(xù)時間少于一分鐘，但超過 8 ms。欠壓持續(xù)時間則超過一分鐘。

驟降和欠壓都有可能導致煩人的斷路器跳閘、設備故障和停機，或設備過早出現(xiàn)故障。繼續(xù)運行會增加燃燒或爆炸的風險。這些問題的跡象包括燈光變暗或閃爍、暖通空調(diào) (HVAC) 設備運行不良、電機發(fā)熱、自動化控制系統(tǒng)和計算機鎖定或斷電。

電壓浪涌 ：浪涌或過壓是指電壓水平暫時升高，持續(xù)時間從半頻周期到幾秒鐘不等。關閉大功率電機和 HVAC 系統(tǒng)的正常循環(huán)時可能會產(chǎn)生這些干擾。反復暴露于浪涌電壓下會對系統(tǒng)造成壓力和削弱系統(tǒng)，并導致斷路器和其他保護裝置誤跳閘。

與過壓相關的另一個問題是絕緣材料老化。絕緣材料老化會引發(fā)火災或者甲烷或煤塵爆炸，從而危及礦井電力系統(tǒng)的安全運行。

瞬態(tài)電壓 ：瞬態(tài)電壓或尖峰電壓是由于雷擊和公用電網(wǎng)切換等外部因素造成的電壓突然大幅上升。也可能由于短路、斷路器跳閘和重型設備啟動等原因在礦井內(nèi)部發(fā)生。

敏感的電子設備最容易受到瞬態(tài)電壓的威脅，其會導致系統(tǒng)鎖定或故障，從而損壞或刪除寶貴的數(shù)據(jù)。

諧波失真 ：當電源正弦波中出現(xiàn)基頻的倍數(shù)（如 60 Hz 系統(tǒng)中出現(xiàn) 180 Hz）時，就會產(chǎn)生電壓問題。諧波失真是由于變速驅(qū)動器 (VSD) 等器件和電力系統(tǒng)負載的非線性特征造成的。諧波會導致設備和導線發(fā)熱增加、VSD 失靈以及電機轉(zhuǎn)矩脈動。礦業(yè)電力系統(tǒng)出現(xiàn)諧波失真的其他癥狀包括：礦井通信系統(tǒng)受到干擾、燈光閃爍、斷路器跳閘以及電氣連接松動。

礦井中有許多電機，其中大多數(shù)都采用非線性 VSD，因此這些器件是采礦作業(yè)中諧波的主要來源。此外，雖然在電機中使用全波整流器可提高效率，但會產(chǎn)生大量諧波。

電氣噪聲 ：這是一種在礦井內(nèi)外產(chǎn)生的低振幅、低電流和高頻率干擾。其來源包括遠距離雷擊、切換電源、電子電路、電機電刷接觸不良和劣質(zhì)線路。

噪聲信號疊加在電壓波形上，會導致計算機出現(xiàn)故障，并對控制系統(tǒng)電路造成不良影響。

解決電能質(zhì)量問題

要應對采礦業(yè)對高質(zhì)量電能的持續(xù)需求所帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，同時確保穩(wěn)健性和高水平的電氣安全，最好的辦法就是采用多層方法，使用經(jīng)認證的設備，包括不間斷電源、電源調(diào)節(jié)器、浪涌保護器 (SPD)、變壓器和電源。

表 1 總結了最適合用于控制特定電能質(zhì)量問題的設備。

表 1：需要一系列保護裝置來應對采礦環(huán)境中可能出現(xiàn)的所有電能質(zhì)量問題。（圖片來源：SolaHD）

使用單一來源（如 SolaHD）來構建多層電能質(zhì)量方法，有助于簡化設計、采購和部署流程，同時確保兼容性。例如，該公司的 [SDU500B]離線式 UPS 可在電力中斷時，在滿載下提供 4 分 20 秒的備用電源，在半載下提供 14 分 30 秒的備用電源（圖 2）。如表 1 所示，該 UPS 還能在發(fā)生電力管制、電壓驟降、電壓浪涌、電壓瞬變和諧波時支持主電源。

圖 2：SDU500B 的離線式 UPS 在滿載下可提供 4 分 20 秒的備用電源。（圖片來源：SolaHD）

UPS 安裝在 DIN 導軌上，使用免維護的密封鉛酸 (SLA) 電池，可在 8 小時內(nèi)充滿電。該設備提供 300 W、120 V 輸出，具有 50 Hz 至 60 Hz 模擬正弦波，傳輸時間小于 8 ms。該 UPS 的工作溫度范圍為 0?C 至 50?C，是符合 E491259 的“公認元器件”，可用于被劃分為危險場所的區(qū)域，因此適用于采礦作業(yè)。

SolaHD 的電源調(diào)節(jié)器還能將高達 +10%/-20% 的輸入電壓變化調(diào)節(jié)至 ±1% 以內(nèi)，提供出色的噪聲衰減，并能承受最惡劣的電氣環(huán)境。

電源調(diào)節(jié)器采用一種名為鐵磁諧振的變壓器設計技術，可通過有限耦合在設備中創(chuàng)建兩條獨立的磁路。這種設計的一個優(yōu)點是，輸入電流中的諧波電流相對于基波電流來說可忽略不計。變壓器的輸出端采用并聯(lián)諧振振蕩電路，從主設備汲取電能，以替代輸送到負載的電能。

例如，SolaHD [63-23-112-4] 120 VA MCR 硬線穩(wěn)壓器就是一款電源調(diào)節(jié)器，可從 120 V、208 V、240 V 或 480 V 輸入提供 120 V 輸出 (±3%)。該器件能確保出色的噪聲濾波和浪涌保護以及電壓調(diào)節(jié)功能。共模噪聲衰減為 120 dB，橫模為 60 dB。該器件經(jīng)過浪涌保護測試，符合 ANSI/IEEE C62.41 A 類和 B 類波形。在預計會出現(xiàn)電力管制、電壓驟降、浪涌、瞬態(tài)、諧波和電氣噪聲的情況下，MCR 硬線穩(wěn)壓器是一個不錯的選擇。

SPD 可防止對設備造成損害的瞬態(tài)電壓。SolaHD 的 [STV25K-24S] 瞬態(tài)電壓浪涌抑制器 (TVSS) SPD 是一款 DIN 導軌安裝器件，可在 240 V 輸入電壓（最高 20 A）下工作，并通過使用金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 提供使用點保護（圖 3）。

圖 3：STV25K-24S TVSS SPD 是一款 DIN 導軌安裝器件，可在 240 V 輸入電壓（最高 20 A）下工作，并提供使用點浪涌保護。（圖片來源：SolaHD）

SolaHD SPD 適合安裝在礦場等惡劣工業(yè)環(huán)境的控制柜中。該器件每相可提供 25000 A 的浪涌保護。瞬態(tài)響應時間不到 5 ns。該 SPD 集成熱熔斷器，可防止過大電流引起的 MOV 過熱。

指定隔離變壓器和電源

除了將輸入交流電壓升壓或降壓至合適的輸出值之外，隔離變壓器還能保護連接到次級側(cè)的器件免受諧波和電氣噪聲的影響。

SolaHD 的 [E2H112S]就是一個例子。這款隔離變壓器是一種節(jié)能型干式變壓器，配備防雨罩。該器件的初級輸入電壓為 480 V（最高 135 A），次級輸入電壓為 208 V 或 120 V（最高 315 A），額定電流為 112.5 kVA（圖 4）。該變壓器還能減少諧波和電氣噪聲。

圖 4：[E2H112S]隔離變壓器的初級輸入電壓為 480 V，次級輸入電壓為 208 V 或 120 V。該變壓器還能減少諧波和電氣噪聲。（圖片來源：SolaHD）

變壓器應使用斷路器來防止涌流。良好的設計實踐是選擇具有適當時間延遲的斷路器，以消除誤跳閘。當涌流較大但持續(xù)時間不足以損壞變壓器時，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

電源對任何供電系統(tǒng)都至關重要，它為設備提供交流或直流電，并幫助濾除來自主電源的電氣噪聲。DIN 導軌安裝版本外觀整潔，可節(jié)省空間。提供單相和三相交流型號；還可指定能夠處理電壓驟降（低至線電壓的一半）而不中斷輸出功率的器件。

SolaHD 提供一系列 DIN 導軌電源，例如 [SDN5-24-100C]交直流電源（圖 5）。這是一種單相電源，符合 E234790 危險場所規(guī)范。該器件可接受 85 V 至 264 V 交流 (VAC) 輸入或 90 V 至 375 V 直流 (VDC) 輸入，提供 24 V 標稱輸出。輸出電流為 5 A。輸出電壓紋波的峰間值小于 50 mV。該電源具有很強的抗電磁干擾 (EMI) 能力，工作溫度范圍為 -25?C 至 +60?C。該器件結構緊湊，尺寸為 123 x 50 x 111 mm，具有連續(xù)短路、連續(xù)過載和連續(xù)開路故障保護功能。

圖 5：SDN5-24-100C 是一款安裝在 DIN 導軌上的緊湊型電源，尺寸為 123 x 50 x 111 mm。（圖片來源：SolaHD）

總結

無論是在物理方面，還是在電氣方面，礦井環(huán)境都極具挑戰(zhàn)性。要確保礦井中的電能質(zhì)量和工人安全，設計人員應采用多層方法，使供電系統(tǒng)的每個元器件都能可靠運行，同時緩解電能質(zhì)量問題。電力設備還應遵守相關的安全規(guī)定。通過與單一供應商合作，設計人員可以快速構建出色的電氣網(wǎng)絡，不僅能提高現(xiàn)場可靠性、降低維護成本、確保安全性，還能在電能質(zhì)量問題影響運營之前使其得到緩解。

審核編輯 黃宇