Entwicklung von sicheren und zuverlässigen elektrischen Versorgungssystemen für den Bergbau

In den Minen der Welt transportieren, zerkleinern und mahlen elektrisch betriebene Anlagen Gestein, transportieren Rohstoffe, beleuchten dunkle Kavernen, betreiben Pumpen und Ventilatoren und treiben Bohrer, Schneidemaschinen, Staubabscheider und Hebewerkzeuge an. Geräteausfälle führen zu kostspieligen Produktionsausfällen, daher wird eine hohe Zuverlässigkeit erwartet, auch wenn die Geräte Vibrationen, Stößen und Chemikalien, Staub, Hitze und Feuchtigkeit ausgesetzt sind.

Die Planung von Stromversorgungsnetzen für diese Umgebung bei gleichzeitiger Gewährleistung der Arbeitssicherheit ist eine Herausforderung, die jedoch durch die Verfügbarkeit kommerzieller elektrischer Produkte, die nach internationalen Betriebs- und Sicherheitsstandards zertifiziert sind, erleichtert wird. Um den Systementwurf zu vereinfachen und die Kompatibilität zwischen den Komponenten zu gewährleisten, kann ein Großteil der für den Aufbau einer Komplettlösung benötigten Ausrüstung aus einer Hand bezogen werden.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Anforderungen, die der Bergbau an die Umwelt und die Stromqualität von elektrischen Geräten stellt. Anschließend werden Beispiele für spezielle Lösungen von SolaHD vorgestellt und erläutert, wie diese in einem mehrstufigen Ansatz zur Gewährleistung der Stromqualität und der Sicherheit der Mitarbeiter eingesetzt werden können.

Die Herausforderungen des elektrischen Tiefbaus

In Bergwerken sind die Geräte korrosiven Flüssigkeiten, brennbarem Staub, Schmutz, aggressiven Chemikalien, starken Vibrationen, zufälligen Stößen, Stromstößen und extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Von den Geräten und ihren Energiesystemen wird jedoch erwartet, dass sie sicher und zuverlässig sind.

Die Sicherheit wird durch die Aufsicht von Institutionen wie der U.S. Mine Safety and Health Administration (MSHA) und dem Federal Mine Safety and Health Act von 1977 gestärkt. Eine weitere US-amerikanische Norm ist der National Electrical Code (NEC) oder National Fire Protection Association (NFPA) 70. Diese Norm behandelt die sichere Installation von elektrischen Leitungen und Geräten. Artikel 500 des NEC schreibt die Installation von Geräten vor, die den Vorschriften entsprechen und für bestimmte Gefahren getestet und zugelassen sind, einschließlich der Gefahren, die in Bergwerken und deren Umgebung auftreten.

Die Sicherstellung der Netzqualität erfordert ein Verständnis der grundlegenden Netzarchitektur und der damit verbundenen Probleme.

Bergwerke beziehen ihren Strom im Allgemeinen aus dem Wechselstromnetz, obwohl auch Hochspannungs-Gleichstrom verwendet wird, der durch AC/DC-Umwandlung oder Gleichstrom-Mikronetze vor Ort geliefert wird. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) sind ein Beispiel dafür. Die Systeme folgen einem Grundkonzept: Hochspannungsstrom aus dem Wechselstromnetz speist Hochspannungstransformatoren, die ein Hauptumspannwerk versorgen. Das Hauptumspannwerk verteilt die Energie an mehrere sekundäre Umspannwerke und direkt an die größeren Motorlasten des Bergwerks. Die sekundären Umspannwerke versorgen Mittelspannungsverbraucher und Mittel-/Niederspannungstransformatoren, die mit anderen Geräten verbunden sind, mit Strom.

Obwohl dieses Versorgungsnetz in der Regel stabil ist, treten häufig Probleme mit der Netzqualität auf. Solche Probleme treten in Form von Stromunterbrechungen, Stromausfällen, Spannungsabfällen, Überspannungen, Spannungsspitzen, harmonischen Verzerrungen und elektrischem Rauschen auf (Abbildung 1).

Abbildung 1: Dargestellt sind Wellenformen, die Netzqualitätsprobleme darstellen. (Bildquelle: Autor, unter Verwendung von Informationen von SolaHD)

Betrachten Sie die Ursache und die Auswirkungen dieser Netzqualitätsprobleme:

Stromunterbrechungen: Hierbei handelt es sich um vollständige Stromausfälle über einen längeren Zeitraum, die in der Regel durch einen Unfall oder einen Geräteausfall im Erzeugungs- oder Verteilungsnetz des Versorgungsunternehmens verursacht werden. Stromunterbrechungen können zu Hardwarefehlern und Abstürzen bei computergestützten Geräten führen, den Betrieb zum Erliegen bringen und die Lebensdauer von elektrischen Geräten verkürzen.

Unterspannungen: Diese beschreiben, was passiert, wenn die Versorgungsspannung über einen längeren Zeitraum unter den normalen Mindestwerten liegt. Sie treten auf, wenn Überkapazitäten oder andere Netzprobleme die Versorgungsunternehmen zwingen, die Spannung zu senken, um die Nachfrage zu bewältigen. Die Auswirkungen von Unterspannungen sind ähnlich wie die von Unterbrechungen.

Spannungseinbrüche: Spannungseinbrüche und Unterspannungen sind die häufigsten Störungen der Stromqualität im Bergbau. Sie treten auf, wenn eine signifikante Erhöhung der Last die Stromversorgung belastet, wodurch die Versorgungsspannung unter einen Schwellenwert fällt. Die IEEE definiert einen Spannungseinbruch als eine 10- bis 90-prozentige Absenkung der Spannung unter die normale 60-Hertz-Spannung (Hz). Ein Spannungseinbruch dauert weniger als eine Minute, aber mehr als 8 Millisekunden (ms). Unterspannungen dauern länger als eine Minute.

Sowohl Spannungseinbrüche als auch Unterspannungen können zu störenden Unterbrecherauslösungen, Fehlfunktionen und Abschaltungen von Geräten oder vorzeitigen Geräteausfällen führen. Bei fortgesetztem Betrieb besteht die Gefahr einer Verbrennung oder Explosion. Anzeichen für diese Probleme sind unter anderem gedämpftes oder flackerndes Licht, schlecht funktionierende HLK-Geräte, heiß laufende Motoren sowie Automatisierungssysteme und Computer, die sich blockieren oder ausschalten.

Überspannungen: Ein Spannungsstoß oder eine Überspannung ist ein vorübergehender Anstieg des Spannungspegels für eine Dauer von einem halben Frequenzzyklus bis zu einigen Sekunden. Diese Störungen können durch das Abschalten von leistungsstarken Elektromotoren und den normalen Betrieb von HLK-Anlagen verursacht werden. Wiederholte Überspannungen können die Systeme belasten und schwächen und zu Fehlauslösungen von Leistungsschaltern und anderen Schutzeinrichtungen führen.

Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit Überspannungen ist die Zersetzung der Isolierung. Eine sich verschlechternde Isolierung gefährdet den sicheren Betrieb des Grubenstromsystems, indem sie als Katalysator für Brände dient oder Methan- oder Kohlenstaubexplosionen auslöst.

Spannungstransienten: Spannungstransienten oder Spannungsspitzen entstehen durch plötzliche erhebliche Spannungserhöhungen, die durch äußere Faktoren wie Blitzeinschläge und Umschaltungen im Stromnetz verursacht werden. Sie können auch innerhalb des Bergwerks durch Kurzschlüsse, ausgelöste Unterbrecher und das Anfahren schwerer Geräte entstehen.

Empfindliche elektronische Geräte sind am stärksten durch Spannungsspitzen gefährdet, die das System blockieren oder ausfallen lassen und wertvolle Daten beschädigen oder löschen können.

Harmonische Verzerrungen: Spannungsprobleme entstehen, wenn Vielfache der Grundfrequenz (z. B. 180 Hz in einem 60-Hz-System) in der Sinuskurve der Versorgung auftreten. Harmonische Verzerrungen entstehen durch die nichtlinearen Eigenschaften von Geräten wie drehzahlvariablen Antrieben (VSDs) und Lasten im Stromnetz. Die Oberschwingungen führen zu einer erhöhten Erwärmung von Geräten und Leitern, Fehlzündungen von VSDs und Drehmomentpulsationen in Motoren. Weitere Anzeichen für harmonische Verzerrungen im Stromnetz eines Bergwerks sind Störungen im Kommunikationssystem des Bergwerks, flackernde Lichter, ausgelöste Schutzschalter und lockere elektrische Verbindungen.

In Bergwerken gibt es viele Elektromotoren, von denen die meisten mit nichtlinearen VSDs ausgestattet sind, was sie zur Hauptquelle von Oberschwingungen in einem Bergbaubetrieb macht. Die Verwendung eines Vollwellengleichrichters in den Motoren verbessert zwar den Wirkungsgrad, erzeugt aber erhebliche Oberwellen.

Elektrisches Rauschen: Hierbei handelt es sich um eine Störung mit geringer Amplitude, geringer Stromstärke und hoher Frequenz, die innerhalb und außerhalb des Bergwerks entstehen kann. Zu den Ursachen gehören weit entfernte Blitzeinschläge, Schaltnetzteile, elektronische Schaltungen, schlechte Kontakte zwischen Motor und Bürste sowie eine mangelhafte Verdrahtung.

Die Rauschsignale überlagern die Spannungswellenformen und können Computerstörungen und unerwünschte Effekte in den Schaltkreisen von Steuerungssystemen verursachen.

Behebung von Problemen mit der Netzqualität

Der beste Weg, um die kritischen Herausforderungen des kontinuierlichen Bedarfs an hochwertiger Energie im Bergbau zu bewältigen und gleichzeitig Robustheit und ein hohes Maß an elektrischer Sicherheit zu gewährleisten, ist ein mehrstufiger Ansatz mit zertifizierten Geräten, die USVs, Spannungsaufbereiter, Überspannungsschutz (SPDs), Transformatoren und Netzteile umfassen.

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die besten Komponenten zur Behebung eines bestimmten Netzqualitätsproblems.

Tabelle 1: Für die Bewältigung aller Probleme mit der Netzqualität, die im Bergbau auftreten können, ist eine Reihe von Schutzkomponenten erforderlich. (Bildquelle: SolaHD)

Es ist hilfreich, bei einem mehrstufigen Netzqualitätskonzept mit einem einzigen Anbieter wie SolaHD zusammenzuarbeiten, um den Entwurfs-, Beschaffungs- und Implementierungsprozess zu vereinfachen und die Kompatibilität sicherzustellen. So bietet beispielsweise die Offline-USV SDU500B des Unternehmens bei einer Stromunterbrechung eine Notstromversorgung von 4 Minuten (min) und 20 Sekunden (s) bei Volllast und 14 Minuten und 30 Sekunden bei halber Last (Abbildung 2). Wie in Tabelle 1 dargestellt, unterstützt diese USV auch die Hauptstromversorgung bei Unterspannungen, Spannungseinbrüchen, Überspannungen, Spannungstransienten und Oberschwingungen.

Abbildung 2: Die Offline-USV SDU500B liefert bei Volllast 4 Minuten und 20 Sekunden lang Notstrom. (Bildquelle: SolaHD)

Die USV wird auf einer DIN-Schiene montiert und verwendet wartungsfreie, verschlossene Blei-Säure-Batterien (SLA), die in acht Stunden vollständig aufgeladen sind. Sie liefert eine Leistung von 300 Watt und 120 Volt mit einer simulierten Sinuswelle von 50 bis 60 Hz und einer Übertragungszeit von weniger als 8 ms. Die USV kann in einem Temperaturbereich von 0 bis 50 °C betrieben werden und ist eine „anerkannte Komponente“ für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone E491259, was sie für den Einsatz im Bergbau geeignet macht.

SolaHDs Signalaufbereiter können eine Spannung mit einer Genauigkeit von ±1% für Eingangsschwankungen von bis zu +10/-20% regeln, bieten eine hervorragende Rauschdämpfung und sind so konzipiert, dass sie auch den rauesten elektrischen Umgebungen standhalten.

Die Leistungsaufbereiter verwenden eine Transformator-Konstruktionstechnik namens Ferroresonanz, die zwei getrennte magnetische Pfade im Gerät mit begrenzter Kopplung schafft. Ein Vorteil dieser Konstruktion ist, dass der Eingangsstrom im Verhältnis zur Grundschwingung einen vernachlässigbaren Oberschwingungsstrom enthält. Die Ausgangsseite des Transformators verfügt über einen Parallelschwingkreis und entnimmt der Primärseite Leistung, um die an die Last abgegebene Leistung zu ersetzen.

Der MCR-Hardwire-Regler 63-23-112-4 von SolaHD für 120 Volt-Ampere (VA) zum Beispiel ist ein Leistungsregler, der eine 120-Volt-Ausgangsspannung (±3 %) aus einer 120-, 208-, 240- oder 480-Volt-Eingangsspannung liefert. Er gewährleistet eine hervorragende Rauschfilterung und einen hervorragenden Überspannungsschutz sowie eine Spannungsregelung. Die Rauschdämpfung beträgt 120 Dezibel (dB) im Gleichtaktmodus und 60 dB im Gegentaktmodus. Der Überspannungsschutz wurde nach ANSI/IEEE C62.41 Class A & B Waveform getestet. Der MCR-Hardwire-Regler ist eine gute Wahl, wenn Unterspannungen, Spannungseinbrüche, Überspannungen, Transienten, Oberwellen und elektrisches Rauschen zu erwarten sind.

SPDs schützen vor geräteschädigenden Spannungstransienten. Der TVSS (Transient Voltage Surge Suppressor) STV25K-24S von SolaHD ist eine Komponente für die Hutschienenmontage, die mit einem 240-Volt-Eingang (bis zu 20 A) betrieben wird und durch den Einsatz eines Metalloxid-Varistors (MOV) einen Schutz am Einsatzort bietet (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der TVSS-SPD STV25K-24S ist eine Komponente für die Hutschienenmontage, die mit einem 240-Volt-Eingang (bis zu 20 A) betrieben wird und Überspannungsschutz am Einsatzort bietet. (Bildquelle: SolaHD)

Der SPD von SolaHD eignet sich für den Einbau in Schaltschränken in rauen Industrieumgebungen wie z.B. im Bergbau. Das Gerät bietet einen Überspannungsschutz von 25.000 A pro Phase. Die Reaktionszeit auf eine Transiente beträgt weniger als 5 Nanosekunden (ns). Der SPD verfügt über eine thermische Sicherung, um eine Überhitzung des MOV durch zu hohe Ströme zu verhindern.

Spezifikation von Trenntransformatoren und Netzteilen

Trenntransformatoren können nicht nur eine Eingangswechselspannung auf einen geeigneten Ausgangswert herauf- oder herabsetzen, sondern auch die an der Sekundärseite angeschlossenen Geräte vor Oberwellen und elektrischem Rauschen schützen.

Ein Beispiel ist der E2H112S von SolaHD. Dieser Trenntransformator ist ein energieeffizienter Trockentransformator mit einem Wetterschutz. Er hat einen 480-Volt-Primäreingang (bis zu 135 A), bietet 208 oder 120 Volt auf der Sekundärseite (bis zu 315 A) und hat eine Nennleistung von 112,5 Kilovoltampere (kVA) (Abbildung 4). Der Transformator dämpft auch Oberschwingungen und elektrisches Rauschen.

Abbildung 4: Der Trenntransformator E2H112S nimmt primärseitig eine 480-Volt-Eingangsspannung auf und bietet sekundärseitig 208 oder 120 Volt. Der Transformator dämpft auch Oberschwingungen und elektrisches Rauschen. (Bildquelle: SolaHD)

Der Transformator sollte durch einen Schutzschalter gegen Einschaltströme geschützt werden. Es ist eine gute Konstruktionspraxis, einen Schutzschalter mit einer geeigneten Zeitverzögerung zu wählen, um unerwünschte Auslösungen zu vermeiden. Dieses Phänomen tritt auf, wenn der Einschaltstrom hoch ist, aber nicht lange genug anhält, um den Transformator zu beschädigen.

Netzteile sind für jedes elektrische Versorgungssystem von entscheidender Bedeutung, da sie die Geräte mit Wechsel- oder Gleichstrom versorgen und dabei helfen, elektrische Störungen aus der Hauptversorgung herauszufiltern. Die Versionen für die Hutschienenmontage sind elegant und platzsparend. Es sind ein- und dreiphasige AC-Modelle erhältlich; es ist auch möglich, Geräte zu spezifizieren, die Spannungseinbrüche bis zur Hälfte der Netzspannung ohne Unterbrechung der Ausgangsleistung bewältigen können.

SolaHD bietet eine Reihe von Hutschienennetzteilen an, wie z.B. das AC/DC-Netzteil SDN5-24-100C (Abbildung 5). Es handelt sich um eine einphasige Stromversorgung, die der Spezifikation für explosionsgefährdete Bereiche E234790 entspricht. Es kann eine Eingangsspannung von 85 bis 264 Volt AC (VAC) oder von 90 bis 375 Volt DC (VDC) akzeptieren und liefert eine nominale 24 Volt Ausgangsspannung. Der Ausgangsstrom beträgt 5 A. Die Spannungswelligkeit am Ausgang beträgt weniger als 50 Millivolt (mV) Spitze-Spitze. Das Netzteil zeichnet sich durch eine hohe Immunität gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und einen Betriebstemperaturbereich von -25 bis +60 °C aus. Es ist kompakt, misst 123 x 50 x 111 mm und ist gegen Dauerkurzschluss, Dauerüberlast und Dauerunterbrechung geschützt.

Abbildung 5: Das SDN5-24-100C ist ein kompaktes, auf einer Hutschiene montierbares Netzteil mit den Abmessungen 123 x 50 x 111 mm. (Bildquelle: SolaHD)

Fazit

Bergwerke sind sowohl physisch als auch elektrisch anspruchsvolle Umgebungen, in denen die Stromqualität und die Sicherheit der Arbeiter gewährleistet werden müssen. Es sollte ein mehrstufiger Ansatz verfolgt werden, bei dem jede Komponente des Stromversorgungssystems zuverlässig arbeiten kann und gleichzeitig die Probleme mit der Stromqualität gemildert werden. Auch die Stromversorgungsgeräte sollten den einschlägigen Sicherheitsvorschriften entsprechen. Durch die Zusammenarbeit mit einem einzigen Anbieter kann schnell ein elektrisches Netzwerk aufgebaut werden, das die Zuverlässigkeit des Standorts verbessert, die Wartungskosten senkt, die Sicherheit gewährleistet und Probleme mit der Stromqualität entschärft, bevor sie den Betrieb beeinträchtigen.