תכנון מערכות אספקת כוח אמינות ובטוחות עבור מוצרי כרייה חשמליים

בתוך המכרות בעולם, ציוד מוזן חשמלית מוביל, מוחץ וטוחן סלעים, גורר חומרי גלם, מאיר מערות חשוכות, מפעיל משאבות ומאווררי אוורור ומפעיל מקדחים, מכונות חיתוך, אספני אבק ומכונות הרמה. תקלת ציוד מובילה לזמן השבתת ייצור יקר, כך שנדרשת אמינות גבוהה למרות רעידות, מכות וחשיפה לכימיקלים, אבק, חום ולחות.

תכנון רשתות אספקת חשמל עבור סביבה זו תוך כדי הבטחת בטיחות עובדים הוא‏ מאתגר אך נעזר על ידי הזמינות של מוצרי חשמל מסחריים מוסמכים לתקני ‏תפעול ובטיחות בינלאומיים. כדי לפשט תכנון מערכת ולהבטיח תאימות בין רכיבים, מתכננים יכולים להשתמש במקור‏ יחיד להרבה מהציוד הנדרש עבור בניית פתרון שלם.

מאמר זה מתאר בקצרה את דרישות איכות הסביבה ואיכות אספקת החשמל שכרייה מציבה על ציוד חשמלי. אחר כך המאמר מציג דוגמאות של‏ פתרונות מיוחדים מ-SolaHD ומסביר כיצד ניתן ליישם אותם ‏בגישה רב-שכבתית (multitiered approach) כדי להבטיח אספקת חשמל איכותית ובטיחות עובדים.

האתגרים של הנדסת חשמל תת-קרקעית

במכרות, ציוד חשוף לנוזלים‏ מאכלים, אבק דליק, לכלוך, כימיקלים חזקים, רעידות חזקות, מכות רנדומליות, נחשולי מתח ושינויי טמפרטורה קיצוניים. עם זאת, ציוד ומערכות אספקת הכוח שלהם מצופים להיות בטוחים ואמינים.

הבטיחות נתמכת על ידי פיקוח של מוסדות כמו ה-U.S. Mine Safety and Health Administration‏ (MSHA) וה-Federal Mine Safety and Health Act של 1977‏. תקן ארה"ב אחר הוא ה-National Electrical Code‏ (NEC), או National Fire Protection Association ‏(NFPA) ‏70. תקן זה מכסה את ההתקנה הבטוחה של חיווט וציוד‏ חשמלי. NEC Article 500 דורש ציוד תואם-קוד בדוק ומאושר לסיכונים מסוימים, כולל אלו הנמצאים במכרות וסביבתם.

הבטחת איכות אספקת כוח דורשת הבנה של ארכיטקטורת אספקת כוח בסיסית וסוגיות נלוות.

מכרות בדרך כלל מוזנים מרשת ה-AC, למרות שאספקת מתח גבוה DC, המסופקת על ידי המרת AC/DC‏ או רשתות DC Microgrid‏ נמצאת בשימוש גם כן. ספקי כוח אל-פסק (UPSs) הם דוגמאות לכך. המערכות עוקבות אחר תכנון בסיסי: מתח-גבוה מרשת ה-AC מזין שנאי מתח-גבוה המספקים חשמל לתחנת-משנה עיקרית. תחנת-המשנה העיקרית מפיצה אנרגיה לתחנות-משנה שניוניות מרובות וישירות לעומסי המנוע הגדולים יותר של המכרה. תחנות-המשנה השניוניות מספקות חשמל לעומסי מתח-בינוני ולשנאי מתח בינוני/נמוך המחוברים לציוד אחר.

בעוד רשת אספקה זו בדרך כלל יציבה, לעתים קרובות מתעוררות בעיות של איכות אספקה. בעיות כאלו מופיעות בצורה של‏ הפסקות חשמל, נפילות מתח, ירידות מתח, נחשולי מתח, טרנזיינטים של מתח, עיוותים הרמוניים ורעש חשמלי (איור 1).

איור 1: מוצגות צורות גל המייצגות בעיות של איכות אספקת כוח. (מקור תמונה: מחבר, תוך שימוש במידע מ-SolaHD)

הבא בחשבון את הגורמים וההשפעות של‏ בעיות איכות אספקת כוח אלו:

הפסקות חשמל (Power interruptions): אלו הן הפסקות חשמל מוחלטות לתקופה ממושכת, שנגרמות בדרך כלל על ידי תאונה או תקלה בציוד יצירת החשמל או ברשת ההפצה. הפסקות חשמל יכולות לגרום לתקלות חומרה וקריסות של ציוד מבוסס-מחשב, לעצור תפעול ולקצר את אורך החיים של ציוד חשמלי.

נפילות מתח (Brownouts): אלו מתארות מה קורה כשהמתח המסופק הוא מתחת לרמות המינימום הנורמליות לתקופה ממושכת.‏ הן מתרחשות כשדרישה מעבר ליכולת או בעיות רשת אחרות מאלצות את ספקי השירות להנמיך את המתח כדי להתמודד עם הדרישה. אפקטים אלה של‏ נפילות מתח דומים לאלה של‏ הפסקות חשמל.

ירידות מתח (Voltage sags): ירידות ותנאי תת-מתח הם הפרעות איכות האספקה הנפוצות ביותר בכרייה. הם מתרחשים כשגידול‏ משמעותי בעומס מאמץ את האספקה, וגורם לירידה במתח האספקה אל מתחת לרמת סף. ה-IEEE‏ מגדיר ירידה (Sag‏) כהפחתת מתח של‏ ‏10 עד %‏90‏ אל מתחת למתח ה-60 הרץ (Hz) הנורמלי. אירוע ירידה (Sag‏) נמשך פחות מדקה אחת אך יותר מ-8‏ מילי-שניות (ms‏). תתי-מתח נמשכים יותר מדקה.

ירידות (sags‏) מתח כמו גם תתי-מתח עלולים לגרום לנפילות מפסק מטרידות, תקלות ציוד וכיבוי או כשל ציוד תרם זמן. המשך פעולה מעלה את הסיכון לבעירה או פיצוץ. סימנים של‏ בעיות אלו כוללים אורות מעומעמים או מהבהבים, יחידות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC‏) הפועלות בצורה גרועה, ומערכות בקרת אוטומציה ומחשבים נתקעים או נכבים.

נחשולי מתח (Voltage surges): נחשול או מצב מתח-יתר הוא גידול זמני ברמת המתח‏ למשך זמן מחצי מחזור תדר עד מספר שניות. הפרעות אלו יכולות להיגרם על ידי כיבוי מנועים חשמליים בעלי הספק גבוה והמחזור הרגיל של מערכות HVAC. חשיפה חוזרת לנחשולי מתח יכולה לאמץ ולהחליש מערכות ולגרום לנפילות שווא של מפסקי זרם והתקני הגנה אחרים.

בעיה נוספת הקשורה עם מתחי-יתר היא ירידה בביצועי מבודד. בידוד נחלש מסכן את העבודה הבטוחה של מערכת החשמל של המכרה בהיותו זרז לשריפות או להפעלת פיצוצי מתן או אבק פחם.

טרנזיינטים של מתח (Voltage transients): טרנזיינטים של מתח, או פרצי מתח (spikes), נגרמים על ידי קפיצות פתאומיות במתח הנגרמות על ידי גורמים חיצוניים כגון מכות ברק ומיתוג רשת החשמל. הם יכולים גם לנבוע בתוך המכרה בגלל קצר חשמלי, נפילות של מפסקי זרם והתנעה של ציוד כבד.

ציוד אלקטרוני רגיש נמצא בסיכון הגבוה ביותר מטרנזיינטים של מתח היכולים לגרום לתקיעת מערכת או תקלה, השחתה או מחיקה של נתונים יקרי ערך.

עיוותים הרמוניים (Harmonic distortions): בעיות מתח מתעוררות כשכפולות של‏ התדר היסודי (כגון ‎180 Hz‏ במערכת של‏ Hz‏ 60‏) מתרחשות בגל הסינוס של האספקה. עיוותים הרמוניים קיימים בשל המאפיינים הלא-לינאריים של‏ התקנים כמו מערכות מנוע מהירות-משתנה (VSD‏) ועומסים על מערכת אספקת-הכוח. ההרמוניות מובילות לחימום מוגבר בציוד ומוליכים, להצתה לקויה במערכות ופולסציה של מומנט במנועים. סימפטומים אחרים של‏ עיוותים הרמוניים ‏במערכת אספקת-כוח הם הפרעות במערכת התקשורת של המכרה, אורות מהבהבים, נפילות של מפסקי זרם וחיבורי חשמל רופפים.

במכרה ישנם מנועים חשמליים רבים, שמרביתם כוללים‏ מערכות VSD לא-לינאריות‏, דבר ההופך אותם למקור העיקרי להרמוניות בתפעול כרייה. יתר על כן, שימוש במיישר גל שלם במנועים משפר נצילות אך מייצר הרמוניות משמעותיות.

רעש חשמלי (Electrical noise): זה הפרעה‏ בתדר גבוה, זרם נמוך, משרעת נמוכה הנוצרת בתוך ומחוץ למכרה. המקורות כוללים מכות ברק מרוחקות, ספקי-כוח ממותגים, מעגלים אלקטרוניים, מגעי מברשת-מנוע לא טובים וחיווט באיכות גרועה.

אותות הרעש מתלבשים על צורות גל מתח ויכולים לגרום להפרעות מחשב ותופעות בלתי רצויות במעגלי מערכות הבקרה.

טיפול בבעיות של איכות אספקת כוח

הדרך הטובה ביותר לעמוד באתגרים הקריטיים של‏ דרישה מתמדת לאספקת-כוח באיכות גבוהה בכרייה, תוך כדי הבטחת איתנות ורמות גבוהות של בטיחות חשמלית, היא לאמץ גישה רב-שכבתית (multitiered approach) תוך שימוש בציוד מוסמך הכולל ספקי-כוח אל-פסק, התקני Power Conditioner, התקני הגנה מפני נחשולים (SPDs), שנאים וספקי-כוח.

טבלה 1‏ מסכמת את הציוד הטוב ביותר כדי לשלוט בבעיית איכות אספקת כוח מסוימת.

טבלה 1: סדרה של‏ התקני הגנה נחוצים כדי להתמודד עם כל בעיות האיכות של אספקת כוח היכולות לקרות בסביבת הכרייה. (מקור תמונה: SolaHD)

כדאי לעבוד עם מקור יחיד, כמו SolaHD, עבור גישת איכות אספקת כוח רב-שכבתית כדי לפשט את התכנון, הרכש ותהליכי הפריסה, כמו גם כדי להבטיח תאימות. לדוגמה, UPS העתודה SDU500B של החברה מספק אספקת כוח גיבוי למשך 4 דקות (min) ו-20 שניות (s) בעומס מלא ו-14 דקות ו-30 שניות בחצי עומס, במקרה של הפסקת חשמל (איור 2‏). כמתואר בטבלה 1‏, UPS זה תומך גם בספק-הכוח העיקרי במקרה של נפילות מתח, ירידות מתח, נחשולי מתח, טרנזיינטים של מתח והרמוניות.

איור 2: ‏UPS העתודה SDU500B מספק אספקת כוח גיבוי למשך 4 דקות ו-20 שניות בעומס מלא. (מקור תמונה: SolaHD)

ה-UPS מורכב על מסילת DIN ומשתמש בסוללות אטומות עם חומצת עופרת שנטענות במלואן בשמונה שעות. הוא מספק יציאה של 120 וולט, 300 ואט, עם גל סינוס מדומה של 50 עד 60‎ Hz‎ וזמן העברה של פחות מ-8‎ ms. ה-UPS יכול לפעול בתחום טמפרטורות של 0 עד 50‎˚C ‏והוא‏ “רכיב מוכר” עבור שימוש באזור מסווג כמקום מסוכן תחת E491259, דבר ההופך אותו למתאים עבור כרייה.

התקני ה-Power Conditioner של SolaHD יכולים גם לווסת‏ מתח עד כדי %‏1‏± עבור שינויי כניסה של עד 10‎/-20%+, מספקים ניחות רעש מעולה ומתוכננים לעמוד בסביבות החשמליות הקשות ביותר.

התקני ה-Power Conditioner משתמשים בטכניקת תכנון שנאי הנקראית Ferroresonance היוצרת שני מסלולים מגנטיים נפרדים בהתקן עם צימוד מוגבל. יתרון אחד של תכנון זה הוא שזרם הכניסה מכיל זרם הרמוני זניח יחסית לבסיסי. צד היציאה של השנאי כולל מעגל Resonant Tank‏ מקבילי ומושך הספק מהראשוני כדי להחליף הספק הנמסר לעומס.

לדוגמה, רגולטור ה-MCR Hardwire,‏ 120 וולט-אמפר (VA)‏, SolaHD 63-23-112-4 הוא Power Conditioner המספק יציאה של 120 וולט (%‏3‏±) מכניסה של‏ 120‏, ‏208‏, 240‏ או 480 וולט‏. הוא מבטיח סינון רעש מעולה והגנה מנחשולים יחד עם רגולציית מתח. ניחות הרעש הוא‏ 12‏ דציבלים (dB‏) באות-משותף (common mode) ו-dB‏ 60‏ באופן רוחבי (transverse mode). ההגנה מנחשולים שלו נבדקת לפי ANSI/IEEE C62.41 Class A & B Waveform. רגולטור ה-MCR Hardwire הוא בחירה‏ טובה כשצופים נפילות מתח, ירידות מתח, נחשולים, טרנזיינטים, הרמוניות ורעש חשמלי.

התקני SPD‏ מגינים מפני טרנזיינטים של מתח המזיקים לציוד. SPD מדכא נחשולי מתח טרנזיינטי (TVSS)‏ STV25K-24S של SolaHD הוא התקן להתקנה על מסילת DIN העובד מכניסה של 240 וולט (עד 20‎ A) ומספק הגנה על נקודת-שימוש על ידי שימוש בואריסטור תחמוצת מתכת (MOV‏) (איור 3‏).

איור 3: ה-STV25K-24S TVSS SPD הוא התקן להתקנה על מסילת DIN העובד מכניסה של 240 וולט (עד 20‎ A) ומספק הגנה מנחשולים בנקודת-השימוש. (מקור תמונה: SolaHD)

ה-SolaHD SPD‏ מתאים עבור התקנה בארונות בקרה בסביבות תעשייתיות קשות כגון‏ מתקן כרייה. ההתקן מספק הגנה מנחשולים של ‎25,000 A לפאזה. זמן תגובה לטרנזיינט הוא פחות מ-‏5‏ ננו-שניות (ns‏). ה-SPD כולל היתוך תרמי כדי למנוע התחממות-יתר של MOV‏ הנגרמת על ידי רמות זרם גבוהות מדי.

הגדרת שנאיי בידוד וספקי-כוח

בנוסף להעלאה או הורדה של מתח כניסה AC לערך יציאה מתאים, שנאיי בידוד יכולים להגן על התקנים המחוברים לצד השניוני מפני הרמוניות ורעש חשמלי.

דוגמה אחת היא ה-SolaHD E2H112S. שנאי בידוד זה הוא מסוג יבש, יעיל-אנרגטית, הכולל ‏מגן מפני מזג אוויר (weather shield). יש לו כניסה ראשונית של‏ 480 וולט‏ (עד ‎135 A‏), מציע ‏208‏ או 120‏ וולט מהשניוני (עד ‎315 A‏), ומדורג 112.5 קילו-וולט-אמפר (kVA‏‏) (איור 4‏). השנאי גם ממתן הרמוניות ורעש חשמלי.

איור 4‏: שנאי הבידוד E2H112S לוקח כניסה של‏ 480 וולט‏ בראשוני ומציע 208 או 120 וולט בשניוני. השנאי גם ממתן הרמוניות ורעש חשמלי. (מקור תמונה: SolaHD)

יש להגן על השנאי מפני זרמי התנעה על ידי מפסק זרם. זו פרקטיקת תכנון טובה לבחור‏ התקן מפסק זרם עם‏ שיהוי זמן מתאים כדי למנוע ניתוק טורדני. תופעה זו מתרחשת כשזרם ההתנעה הוא‏ גבוה אך אינו נמשך‏ מספיק זמן כדי לגרום נזק לשנאי.

ספקי-כוח הם חיוניים לכל מערכת אספקת חשמל, מספקים מתח AC‏ או DC‏ לציוד ועוזרים לסנן רעש חשמלי מהאספקה הראשית. גרסאות להרכבה על מסילת DIN הן מסודרות וחוסכות מקום. זמינים דגמי AC תלת-פאזיים; ‏אפשר גם להגדיר התקנים המסוגלים‏ לטפל בירידות מתח עד מחצית מתח הקו ללא הפרעה למתח היציאה.

SolaHD מספקת‏ מגוון ספקי-כוח למסילת DIN, כגון ספק ה-AC/DC ‏SDN5-24-100C (איור 5‏). זהו ספק‏ חד-פאזי ותואם עם מפרט Hazardous Location E234790. הוא יכול לקבל כניסת 85 עד 264 וולט AC‏ (VAC) או כניסת 90 עד 375 וולט‏ DC‏ (VDC‏), ומספק יציאה של 24 וולט נומינלי. זרם היציאה הוא A‏ 5‏. אדוות המתח ביציאה היא‏ פחות מ-50 מילי-וולט (mV‏) שיא-לשיא. ספק הכוח מתאפיין בחסינות גבוהה להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ותחום טמפרטורות עבודה של 25- עד 60°C+. הוא קומפקטי, מידותיו 123 x 50 x ‏111 מ"מ, ומוגן מפני קצר חשמלי רציף, עומס-יתר רציף ותקלות נתק-מעגל רציפות.

איור 5‏: ה-SDN5-24-100C‏ הוא ספק-כוח קומפקטי להרכבה על מסילת DIN שמידותיו 123 x 50 x‏ 111 מ"מ. (מקור תמונה: SolaHD)

סיכום

מכרות הם סביבות מאתגרות מבחינה פיזית כמו גם חשמלית להבטחת איכות אספקת כוח ובטיחות עובדים. על המתכננים לאמץ גישה רב-שכבתית (multitiered approach) בה כל רכיב של מערכת האספקה החשמלית יכול לעבוד באמינות תוך מיתון אתגרי איכות אספקת כוח. על הציוד ההספקי לדבוק גם בתקנות הבטיחות הרלוונטיות. על ידי עבודה עם ספק יחיד, מתכננים יכולים לבנות במהירות רשת חשמלית המשפרת אמינות אתר, מקטינה עלויות תחזוקה, מבטיחה בטיחות, וממתנת בעיות איכות אספקת-כוח לפני שהן משפיעות על התפעול.