作者：Steven Keeping

　　在世界各地的矿山中，电动设备运输、压碎和研磨岩石，运输原材料，照亮黑暗的洞穴，运行泵和通风机，并为钻机、切割机、除尘器和提升机提供动力。设备故障会导致代价高昂的生产停机，因此尽管存在振动、冲击以及暴露于化学品、灰尘、高温和潮湿环境，但仍需要高可靠性。

　　在确保工人安全的同时为这种环境设计供电网络具有挑战性，但通过国际操作和安全标准认证的商业电气产品的可用性会有所帮助。为了简化系统设计并确保组件之间的兼容性，设计人员可以使用单一来源来构建完整解决方案所需的大部分设备。

　　本文简要概述了采矿业对电气设备的环境和电能质量要求。然后介绍了SolaHD的专业解决方案示例，并解释了如何以多层方法应用它们来确保电能质量和工人安全。

　　地下电气工程面临的挑战

　　在矿山中，设备会受到腐蚀性液体、可燃粉尘、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。然而，设备及其电力系统应安全可靠。

　　安全受到美国矿山安全与健康管理局 (MSHA) 和 1977 年联邦矿山安全与健康法案等机构的监督。另一个美国标准是国家电气规范 (NEC) 或国家消防协会 (NFPA) 70. 本标准涵盖电气线路和设备的安全安装。 NEC 第 500 条要求安装经过针对特定危险(包括矿山及其周围环境中发现的危险)进行测试和批准的符合规范的设备。

　　确保电能质量需要了解基本的电源架构和相关问题。

　　矿山通常从交流电网获取电力，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。该系统遵循基本设计：来自交流电网的高压电力为高压变压器供电，为主变电站供电。主变电站将能量分配给多个次级变电站，并直接分配给矿井较大的电机负载。二次变电站向中压负载和与其他设备连接的中低压变压器供电。

　　虽然该供电网通常是稳定的，但经常出现电能质量问题。此类问题以电源中断、停电、电压暂降、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：所示为代表电能质量问题的波形。 (图片来源：作者，使用SolaHD信息)

　　考虑这些电能质量问题的原因和影响：

　　电力中断：这是指长时间完全断电，通常是由公用事业发电或配电网络中的事故或设备故障引起的。电源中断可能会导致硬件故障和计算机设备崩溃、停止操作并缩短电气设备的使用寿命。

　　欠压：这些描述了当供电电压长时间低于正常最低水平时会发生什么情况。当容量过剩或其他网络问题迫使公用事业公司降低电压以满足需求时，就会发生这种情况。限电的影响与中断的影响类似。

　　电压骤降：电压骤降和欠压状况是采矿业最常见的电能质量干扰。当负载显着增加对电源造成压力，导致电源电压降至阈值水平以下时，就会发生这种情况。 IEEE 将电压骤降定义为低于正常 60 赫兹 (Hz) 电压 10% 到 90% 的电压降低。电压骤降事件持续时间不到一分钟但超过 8 毫秒 (ms)。欠压持续时间超过一分钟。

　　电压骤降和欠压都可能导致断路器跳闸、设备故障和停机，或设备过早失效。持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暗淡或闪烁、暖通空调装置运行不良、电机过热以及自动化控制系统和计算机锁定或断电。

　　电压浪涌：浪涌或过压状况是指持续时间从半频周期到几秒的暂时电压电平升高。这些干扰可能是由关闭大功率电动机和 HVAC 系统的正常循环引起的。重复的电压浪涌会给系统带来压力和削弱，并导致断路器和其他保护装置误跳闸。

　　与过电压相关的另一个问题是绝缘退化。绝缘恶化会成为火灾的催化剂或引发甲烷或煤尘爆炸，从而危及矿井电力系统的安全运行。

　　电压瞬变：电压瞬变或尖峰是由外部因素(例如雷击和公用电网开关)引起的电压突然显着增加而引起的。由于短路、断路器跳闸和重型设备启动，它们也可能源自矿井内部。

　　敏感电子设备最容易受到电压瞬变的威胁，电压瞬变可能导致系统锁定或故障、损坏或删除有价值的数据。

　　谐波失真：当电源正弦波中出现多个基频(例如 60 Hz 系统中的 180 Hz)时，就会出现电压问题。由于变速驱动器 (VSD) 和电力系统负载等设备的非线性特性，存在谐波失真。谐波会导致设备和导体发热增加、VSD 失火以及电机扭矩脉动。采矿电力系统中谐波失真的其他症状包括对矿井通信系统的干扰、灯光闪烁、断路器跳闸以及电气连接松动。

　　矿井中有许多电动机，其中大多数都具有非线性 VSD，这使其成为采矿作业中的主要谐波源。此外，在电机中使用全波整流器可以提高效率，但会产生相当大的谐波。

　　电气噪声：这是矿井内外产生的低振幅、低电流、高频干扰。来源包括远处雷击、开关电源、电子电路、电机电刷接触不良以及接线质量差。

　　噪声信号叠加在电压波形上，可能会导致计算机故障和控制系统电路中的不良影响。

　　解决电能质量问题

　　满足采矿业对高质量电力持续需求的关键挑战，同时确保稳健性和高水平电气安全性的最佳方法是采用多层方法，使用经过认证的设备，包括 UPS、功率调节器、浪涌保护装置 (SPD) )、变压器和电源。

　　表 1 总结了控制特定电能质量问题的最佳设备。

　　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)

　　与单一来源(例如 SolaHD)合作，采用多层电能质量方法可以简化设计、采购和部署过程，并确保兼容性。例如，该公司的SDU500B离线式UPS在停电时可在满载时提供4分20秒的备用电源，在半载时提供14分30秒的备用电源(图2)。如表 1 所示，该 UPS 还可以在出现断电、电压暂降、电压浪涌、电压瞬变和谐波等情况时支持主电源供电。

　　图 2：SDU500B 离线式 UPS 在满负载时提供 4 分钟 20 秒的备用电源。 (图片来源：SolaHD)

　　UPS 采用 DIN 导轨安装，并使用免维护密封铅酸 (SLA) 电池，可在八小时内充满电。它提供 300 瓦、120 伏输出，模拟正弦波为 50 至 60 Hz，传输时间小于 8 毫秒。该 UPS 可在 0 至 50°C 的温度范围内运行，并且是 E491259 规定的可在区域分类危险场所使用的“认可组件”，因此适合采矿作业。

　　SolaHD 的电源调节器还可以在输入变化高达 +10/-20% 的情况下将电压调节到 ±1% 以内，提供卓越的噪声衰减，并且设计用于承受最恶劣的电气环境。

　　功率调节器使用一种称为铁磁谐振的变压器设计技术，该技术在设备中创建两个具有有限耦合的独立磁路。这种设计的优点之一是输入电流包含的谐波电流相对于基波可以忽略不计。变压器的输出侧具有并联谐振储能电路，并从初级汲取功率以代替输送到负载的功率。

　　例如， SolaHD 63-23-112-4 120 伏安 (VA) MCR 硬线调节器是一种功率调节器，可从 120、208、240 或 480 伏输入提供 120 伏输出 (±3%) 。它确保出色的噪声过滤和浪涌保护以及电压调节。共模噪声衰减为 120 分贝 (dB)，横模噪声衰减为 60 dB。其浪涌保护经过 ANSI/IEEE C62.41 A 类和 B 类波形测试。当预计会出现断电、电压暂降、浪涌、瞬变、谐波和电噪声时，MCR 硬线稳压器是一个不错的选择。

　　SPD 可防止损坏设备的电压瞬变。 SolaHD 的STV25K-24S瞬态电压浪涌抑制器 (TVSS) SPD 是一款 DIN 导轨安装设备，采用 240 伏输入(高达 20 A)运行，并通过使用金属氧化物变阻器 (MOV) 提供使用点保护(图3)。

　　图 3：STV25K-24S TVSS SPD 是一款 DIN 导轨安装设备，采用 240 伏输入(高达 20 A)运行，并提供使用点浪涌保护。 (图片来源：SolaHD)

　　SolaHD SPD 适合安装在恶劣工业环境(例如采矿设施)的控制柜中。该器件每相提供 25,000 A 的浪涌保护。瞬态响应时间小于 5 纳秒 (ns)。 SPD 具有热熔断功能，可防止 MOV 因电流过大而导致过热。

　　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，隔离变压器还可以保护连接到次级侧的设备免受谐波和电气噪声的影响。

　　SolaHD E2H112S就是一个例子。该隔离变压器是一种节能干式变压器，具有防风雨罩。它的初级输入电压为 480 伏(最高 135 A)，次级输入电压为 208 或 120 伏(最高 315 A)，额定电流为 112.5 千伏安 (kVA)(图 4)。该变压器还可以减轻谐波和电噪声。

　　图 4：E2H112S隔离变压器在初级上采用 480 伏输入，在次级上提供 208 或 120 伏电压。该变压器还可以减轻谐波和电噪声。 (图片来源：SolaHD)

　　应通过断路器保护变压器免受浪涌电流的影响。良好的设计实践是选择具有适当延时的断路器装置，以消除误跳闸。当浪涌电流很高但持续时间不足以损坏变压器时，就会出现这种现象。

　　电源对于任何供电系统都至关重要，它为设备提供交流或直流电源，并帮助滤除主电源中的电噪声。 DIN 导轨安装版本整洁且节省空间。有单相和三相交流型号可供选择;还可以指定能够处理低至线路电压一半的电压暂降而不会中断输出功率的设备。

　　SolaHD 提供一系列 DIN 导轨电源，例如SDN5-24-100C AC/DC 电源(图 5)。这是单相电源，符合危险场所 E234790 规范。它可接受 85 至 264 伏交流 (VAC) 输入或 90 至 375 伏直流 (VDC) 输入，提供标称 24 伏输出。输出电流为 5 A。输出电压纹波峰峰值小于 50 毫伏 (mV)。该电源具有高电磁干扰 (EMI) 抗扰度和 -25 至 +60°C 的工作温度范围。它结构紧凑，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 是一款紧凑型 DIN 导轨安装电源，尺寸为 123 x 50 x 111 mm。 (图片来源：SolaHD)

　　结论

　　矿井是确保电能质量和工人安全的物理和电力环境。设计人员应采用多层方法，使供电系统的每个组件都能可靠运行，同时缓解电能质量挑战。电力设备还应遵守相关安全规定。通过与单一供应商合作，设计人员可以快速构建一个电网，从而提高站点可靠性、降低维护成本、确保安全并在电能质量问题影响运营之前缓解它们。