Трансформатор для горнодобывающих объектов: как рассчитать мощность для дробилок, мельниц и экскаваторов, почему длинные карьерные кабели требуют более высокого напряжения и какая степень защиты IP необходима для открытого или подземного рудника

Сначала ответ: трансформатор для рудника подбирается по циклу нагрузки рудника, а не по таблице кВА — дробилки, мельницы, конвейеры и экскаваторы являются ударными и гармоническими нагрузками, и кабель, который до них доходит, обычно определяет проект раньше, чем это делает трансформатор

Трансформатор для рудника — это агрегат, который принимает подачу 33 кВ, 110 кВ, 132 кВ или 220 кВ от энергоснабжающей организации на площадку и превращает её в электроэнергию, которая фактически добывает, транспортирует, дробит и измельчает: 11 кВ или 6,6 кВ для экскаваторов, буровых станков и насосов в карьере; 11 кВ, 6,6 кВ или 3,3 кВ для конвейеров, подъёмников и вентиляции под землёй; и 11 кВ или 6,6 кВ с понижением до 0,4 кВ или 0,69 кВ на обогатительной фабрике для дробилок, мельниц SAG и шаровых мельниц, приводов флотации и сгустителей. Это не распределительный трансформатор с табличкой рудника на нём. Три характеристики отличают горную нагрузку от коммунальной: нагрузка является ударно-циклической, а не постоянной; значительная её доля поступает через преобразователи частоты (VFD) и устройства плавного пуска, поэтому ток не является синусоидальным; и она часто подаётся по очень длинным кабелям, падение напряжения в которых — а не номинальная мощность трансформатора в кВА — устанавливает практический предел. Поэтому правильная последовательность такова: составить перечень нагрузок, применить коэффициенты спроса и неодновременности, перевести в кВА, проверить просадку напряжения при пуске двигателя на наиболее удалённом центре управления двигателями, применить снижение номинала из-за гармоник и температуры окружающей среды/высоты над уровнем моря, и только затем выбрать стандартный номинал и уровень напряжения, который позволяет сохранить кабель карьера достаточно коротким для работы. кВА — это выход этого процесса, а не вход.

Ключевые выводы

• Горные нагрузки являются ударно-циклическими, поэтому агрегат выбирается по циклу нагрузки и способности выдерживать перегрузку, а не по одной постоянной величине. Дробилки, мельницы и конвейеры термически и механически нагружают обмотку весь день — та же логика, что и в статье как можно нагружать трансформатор, применённая к режиму, который никогда не отдыхает.
• Большая часть нагрузки современного рудника является нелинейной. Шестипульсные приводы, приводы постоянного тока, выпрямители и светодиодное освещение — все они пропускают гармонический ток через обмотку, поэтому обычный распределительный трансформатор не рассчитан на потери, которые он фактически будет испытывать — см. почему гармонические токи перегревают трансформаторы и выбор трансформатора с K-фактором.
• Фидеры карьера и фабрики строятся на 6,6/11/33 кВ, потому что ограничением является кабель, а не трансформатор. При одинаковом процентном падении напряжения на одинаковом расстоянии необходимое сечение меди масштабируется обратно пропорционально квадрату напряжения — обоснование, лежащее в основе выбора класса напряжения и регулирования напряжения.
• Расчёт номинала — это арифметика из шести шагов, и пропуск четвёртого шага является классической ошибкой. Перечень нагрузок → спрос и неодновременность → кВА → просадка при пуске двигателя → снижение из-за гармоник → снижение из-за температуры окружающей среды, высоты и оболочки; та же дисциплина, что и в расчёт распределительной системы за один раз.
• Оборудование выбирает окружающая среда, а не прайс-лист. Пыль, влажность, температура окружающей среды 45–50 °C, высота 3 000–4 600 м, рудничная вода и прибрежная соль определяют, указывать ли масляный или литой трансформатор, IP54 или IP65, и стационарную подстанцию или передвижную на прицепе — сравните масляный vs сухой и снижение номинала при высокой высоте и температуре.

Где находится трансформатор в цепочке электроснабжения рудника?

Рудник — это небольшое коммунальное предприятие само по себе, и его парк трансформаторов многослоен от границы площадки до экскаватора. Правильное определение слоёв важно, потому что уровень, на котором вы трансформируете, определяет, сколько кабеля вы покупаете, сколько меди теряете и насколько далеко может продвинуться забой, прежде чем напряжение станет неприемлемым.

Из этой таблицы следуют два практических вывода. Во-первых, трансформатор главной подстанции — это довольно обычный силовой трансформатор — его отличия заключаются в ограничениях по гармоникам и фликеру, налагаемых в точке общего присоединения, а не в конструкции трансформатора. Во-вторых, трансформаторы, которые вызывают больше всего проблем на проекте, — это малые агрегаты внизу: карьерные агрегаты на прицепах и подземные агрегаты, потому что именно их указывают так, как если бы они были обычными распределительными трансформаторами, тогда как они питают богатые гармониками, циклические, удалённо расположенные нагрузки.

Почему обычный распределительный трансформатор не справляется? Пять отличий горного режима

1. Нагрузка является ударно-циклической, а не постоянной

Распределительные трансформаторы энергоснабжающих организаций проводят большую часть своей жизни при медленно меняющейся доле от номинала. Трансформатор нагрузки рудника проводит свою жизнь, следуя кривой момента. Щёковая или конусная дробилка потребляет пульсирующий ток, когда каждая загрузка захватывается и дробится; нагрузка мельницы колеблется с загрузкой и пульпой; драглайн или экскаватор копает рывками, поворачивается и разгружается; конвейер запускается против уже загруженной ленты. Важное следствие — не средняя нагрузка, а термическое циклирование. Повторяющийся нагрев и охлаждение обмотки и её изоляции механически смещает её, ослабляет усилие зажима и ускоряет старение бумаги, поэтому трансформатор рудника указывается по циклу нагрузки с согласованным конвертом перегрузки, а не по одной рабочей точке. Та же физика лежит в основе обсуждения в коэффициент нагрузки и перегрузочная способность трансформатора, но цикл нагрузки рудника гораздо более агрессивен, чем коммерческий.

2. Большая доля нагрузки является несинусоидальной

Современные рудники устанавливают VFD на конвейеры, мельницы (установки с кольцевым приводом), шламовые насосы, вентиляторы, подъёмники и вентиляцию. Стандартный шестипульсный привод по-прежнему является наиболее распространённой конфигурацией ниже нескольких сотен кВт, и гармонический ток, который он потребляет, составляет большую долю от его собственного номинального тока — на порядок больше, в относительном выражении, чем у хорошо ведущей себя линейной нагрузки. Вверх по цепи все эти токи приводов суммируются в обмотке трансформатора, где гармонические потери на вихревые токи пропорциональны квадрату порядка гармоники. Трансформатор, спроектированный и испытанный на основе синусоидальных допущений при 50 или 60 Гц, грубо недооценивает свою собственную температуру в горячей точке при таком спектре. Это исправляют два механизма: указать агрегат с номиналом по K-фактору или гармонической нагрузке, полученным из практики IEEE C57.110, или выполнить расчёт снижения номинала самостоятельно и купить больший номинал при той же плотности потерь. См. почему гармонические токи перегревают трансформаторы и выбор трансформатора с K-фактором для рабочего метода.

3. Кабель длинный, и падение напряжения — а не кВА — становится связывающим ограничением

Фидер энергоснабжающей организации измеряется десятками или сотнями метров. Фидер карьера от подстанции на бровке до передвижной подстанции на забое измеряется километрами, а гибкий кабель от этой подстанции до экскаватора добавляет ещё несколько сотен метров. Поскольку падение напряжения растёт линейно с длиной и током, а ток падает с напряжением, уровень, на котором вы распределяете, является самым мощным рычагом как для стоимости кабеля, так и для потерь в кабеле. Это тема отдельного раздела ниже.

4. Пуск двигателей частый, и соотношение двигатель-трансформатор высокое

Рудники запускают крупные двигатели на полном напряжении гораздо чаще, чем коммерческое здание — при каждой смене, при каждом перезапуске конвейера после срабатывания защиты, при каждом перезапуске мельницы после окна технического обслуживания. Поскольку двигатель мельницы или дробилки составляет большую долю от номинала питающего трансформатора, пусковой ток составляет большую долю от тока полной нагрузки трансформатора, и результирующая просадка напряжения распространяется вверх по фидеру и влияет на всё остальное на шине. Поведение при пуске двигателя и собственный бросок тока намагничивания трансформатора подчиняются той же общей физике, что описана в бросок тока намагничивания трансформатора; на руднике оба являются расчётными случаями с определёнными пределами, а не курьёзами.

5. Окружающая среда — это входной параметр проектирования, а не сноска

Рудные площадки по всему миру налагают условия окружающей среды, для которых стандартный каталожный трансформатор не построен:

• Температура окружающей среды. Открытые горные работы в Сахеле, Пилбаре, Атакаме и на Аравийском полуострове работают при расчётной температуре окружающей среды 45–50 °C, что устраняет большую часть запаса номинала, если номинал не скорректирован с учётом этого.
• Высота над уровнем моря. Андийские, Альтиплано и Гималайские операции находятся на высоте 3 000–4 600 м, где пониженная плотность воздуха снижает как диэлектрическую прочность внешней изоляции, так и охлаждающую способность воздуха, на которую полагается агрегат. Снижение номинала и коррекция зазоров обязательны — см. снижение номинала при высокой высоте и температуре.
• Пыль и влажность. Пыль дробилок и влажные тропические условия вместе представляют собой суровую комбинацию: гигроскопичная пыль конкурирует с изоляцией, а проникновение в оболочки превращает отложения в проводящий путь.
• Коррозия. Прибрежные порты, рудничная вода и кислотный дренаж требуют заявленного класса коррозии и соответствующей спецификации краски или оболочки, а не стандартной отделки.
• Сейсмика и геотехника. Чилийские и перуанские операции требуют, чтобы агрегат, его вводы и его салазки были сейсмически квалифицированы; подземные агрегаты должны проходить через штрек и быть перемещаемыми.
• Взрывоопасная атмосфера. Угольные шахты и некоторые сульфидные операции требуют огнестойкой конструкции и, в определённых зонах, сертифицированного оборудования.

Как рассчитать номинал трансформатора для рудника? Шесть шагов от перечня нагрузок до таблички

Метод ниже — это тот, который выдерживает инженерную проверку, потому что каждое число в нём можно проследить до перечня двигателей.

Шаг 1 — Составьте перечень нагрузок, а не пожелание по кВА

Для каждого двигателя запишите номинальную мощность на валу в кВт, класс эффективности, коэффициент мощности при номинальной нагрузке, коэффициент эксплуатации, способ пуска (прямой пуск, звезда-треугольник, устройство плавного пуска, VFD) и режим (непрерывный, прерывистый, циклический). Добавьте недвигательные нагрузки — выпрямители, подъёмники, освещение, нагреватели, водоотливные насосы — отдельно, потому что их коэффициенты мощности и гармонические характеристики отличаются. Сгруппируйте перечень по зонам и по уровням напряжения, поскольку каждая группа становится отдельным трансформатором.

Шаг 2 — Примените коэффициенты спроса и неодновременности по зонам

Суммирование каждого номинала на фабрике всегда завышает нагрузку и приводит к завышенному трансформатору с большими потерями. Примените коэффициент неодновременности по группе — долю подключённой нагрузки, которая действительно работает одновременно — и затем проверьте совпадающий пик расчётом потокораспределения, а не перемножением коэффициентов. Типичные значения, используемые в ТЭО горных проектов, составляют 0,6–0,8 для непрерывно работающих технологических зон, но 1,0 там, где нагрузки действительно работают вместе (например, дробильная линия с питающим конвейером). Эти диапазоны являются отраслевым опытом / 行业经验值 и должны быть заменены измеренными данными после ввода фабрики в эксплуатацию.

Шаг 3 — Переведите в кВА, добавьте проектный запас, выберите стандартный номинал

Для каждой группы двигателей полная мощность, которую она требует от трансформатора, составляет S = P / (η × cos φ), где P — мощность на валу в кВт, η — КПД двигателя и cos φ — коэффициент мощности. Просуммируйте группы, примените коэффициент неодновременности и добавьте проектный запас — обычно 15–25 процентов на стадии ТЭО (отраслевой опыт / 行业经验值). Затем округлите вверх до стандартного номинала. Предпочтительные числа из серии IEC R10 дают практическую лестницу: 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000, 20000, 25000, 31500, 40000, 50000 и 63000 кВА.

Шаг 4 — Проверьте просадку напряжения при пуске двигателя на наиболее удалённом центре управления двигателями

Это шаг, который чаще всего пропускают, и тот, который вызывает больше всего мучений при вводе в эксплуатацию. Возьмите самый крупный двигатель, вычислите его ток заторможенного ротора или пусковой ток, добавьте другую работающую нагрузку и рассчитайте напряжение на зажимах двигателя во время пуска — через полное сопротивление трансформатора и через питающий кабель. Проектные пределы, приводимые в горной практике, обычно составляют около 15 процентов просадки на зажимах двигателя и 10 процентов на шине для самого крупного привода, при этом двигатели должны сохранять не менее 80 процентов номинального напряжения во время пуска (отраслевой опыт / 行业经验值; всегда подтверждайте по собственному стандарту фабрики и паспорту двигателя). Если просадка чрезмерна, инструментами являются трансформатор большего размера, конструкция с меньшим полным сопротивлением, устройство плавного пуска или VFD, более высокое распределительное напряжение или более короткий кабель.

Шаг 5 — Примените снижение номинала из-за гармоник и проверьте режим короткого замыкания

Возьмите ожидаемый гармонический спектр на зажимах трансформатора и либо укажите номинал по K-фактору, либо снизьте синусоидальный номинал методом коэффициента увеличения потерь по IEEE C57.110. Отдельно рассчитайте ожидаемый ток короткого замыкания на вторичной стороне трансформатора (практика IEC 60909) и подтвердите способность трансформатора выдерживать его по IEC 60076-5, затем подтвердите, что номинал распределительного устройства и уставки защиты согласованы с броском тока намагничивания при пуске двигателя, чтобы пуск не был принят за аварию. Рудник с трансформатором с низким полным сопротивлением и фидером с низким полным сопротивлением может дать удивительно высокий уровень токов короткого замыкания.

Шаг 6 — Примените снижение номинала из-за окружающей среды и окончательно определите охлаждение, шум и потери

Скорректируйте номинал с учётом расчётной температуры окружающей среды и высоты над уровнем моря и перепроверьте превышение температуры. Выберите класс охлаждения — ONAN для меньших агрегатов, ONAN/ONAF там, где нужен кратковременный номинал, KNAN или AN/AF для внутреннего литого трансформатора — и проверьте требование по шуму, которое на руднике обычно определяется соседним лагерем или законодательной границей, а не самой фабрикой. Наконец, сравните спецификацию потерь со стоимостью владения за срок службы рудника, а не с ценой покупки: рудник работает десятилетиями, поэтому потери холостого хода, за которые он платит непрерывно, обычно превосходят разницу в цене покупки в течение нескольких лет. См. как рассчитать совокупную стоимость владения трансформатором и сравнение классов потерь S11 vs S13 vs S20.

Проработанный пример (иллюстративный)

Возьмём медный концентратор, питаемый от одной заводской подстанции 33 кВ/6,6 кВ. Перечень двигателей даёт привод мельницы SAG с кольцевым двигателем 6 000 кВт через VFD, шаровую мельницу 4 500 кВт, четыре дробилки по 400 кВт, два конвейера по 250 кВт, 1 500 кВт шламовых и технологических насосов и 800 кВт вспомогательных нагрузок, освещения и сервисов. При КПД 0,97 и коэффициенте мощности 0,95 на крупных приводах и КПД 0,90 и коэффициенте мощности 0,85 на вспомогательной группе:

• Мельница SAG: 6 000 / (0,97 × 0,95) = 6 511 кВА
• Шаровая мельница: 4 500 / (0,97 × 0,95) = 4 883 кВА
• Дробилки (4 × 400 кВт = 1 600 кВт): 1 736 кВА
• Конвейеры (500 кВт): 543 кВА
• Насосы (1 500 кВт): 1 628 кВА
• Вспомогательные нагрузки (800 кВт): 800 / (0,90 × 0,85) = 1 046 кВА

Подключённый итог ≈ 16 347 кВА. Примените коэффициент неодновременности фабрики 0,9 → ≈ 14 712 кВА. Добавьте 20 процентов проектного запаса → ≈ 17 655 кВА. Округлите вверх до следующего стандартного номинала: 20 000 кВА. Прежде чем этот номинал будет заказан, он всё ещё должен пройти проверку на гармоники (VFD мельницы SAG и приводы дробилок вместе обосновывают спецификацию по гармонической нагрузке или 12-пульсную схему) и проверку короткого замыкания и координации защит. Арифметика намеренно проста; дисциплина заключается в том, чтобы не останавливаться до проверок.

Почему длинные кабели карьера и фидеры подталкивают вас к более высокому напряжению?

Это самое большое инженерное различие между горными и коммунальными работами, и это арифметика, а не мнение. Для трёхфазного фидера приблизительное линейное падение напряжения составляет ΔU = √3 × I × L × (R cos φ + X sin φ), выраженное в процентах от номинального напряжения. Из этого выражения следуют два факта:

• При постоянной передаваемой мощности ток I падает пропорционально напряжению — поэтому фидер на 6,6 кВ несёт примерно одну шестнадцатую тока той же нагрузки при 400 В, а фидер на 33 кВ несёт одну пятую тока фидера на 6,6 кВ.
• Поскольку процентное падение содержит I/U, а I сам падает как 1/U, необходимое сечение для поддержания того же процентного падения на том же расстоянии масштабируется как 1/U². Перенос той же нагрузки с 400 В на 6,6 кВ сокращает требуемую площадь меди примерно в 270 раз; перенос с 6,6 кВ на 33 кВ сокращает её примерно в 25 раз.

На руднике именно это определяет архитектуру: распределяйте на 33 кВ по всей площадке, трансформируйте до 6,6 или 11 кВ на бровке карьера и прокладывайте только последние несколько сотен метров до экскаватора, бурового станка или водоотливного насоса на рабочем напряжении. Для нагрузки 2 000 кВА на фидере 1 500 м при 6,6 кВ ток составляет около 175 А, и медный фидер 95 мм² при коэффициенте мощности, близком к единице, даёт падение примерно 1,4 процента — комфортный проект без героических усилий. При 400 В те же 2 000 кВА потребовали бы около 2 900 А и кабельного пучка такого размера, который никто никогда не купил бы и не смонтировал. В этом весь аргумент в пользу распределения с повышением напряжения, и поэтому «карьерная подстанция» составляет такую большую долю электрического капитала рудника.

Два практических замечания. Во-первых, передвижная или прицепная подстанция существует именно для того, чтобы эта архитектура была доступной: салазки можно перемещать по мере продвижения забоя, что сохраняет гибкий кабель коротким вместо того, чтобы заставлять проект учитывать постоянно растущее расстояние. Во-вторых, гибкие кабели — это отдельная категория — гибкие, экранированные рудничные питающие кабели, изготовленные по стандарту переносных кабелей, такому как ICEA S-75-381 (также публикуемому как NEMA WC 58), с контрольными жилами проверки заземления, чтобы защита от замыкания на землю могла проверить целостность защитного заземления до подачи напряжения в цепь. Падение напряжения, механические повреждения, погружение в воду и многократное наматывание и разматывание, а не тепловой номинал, являются расчётными случаями для этих кабелей.

Как справиться с гармониками, которые VFD и выпрямители вносят в обмотку?

Гармонический ток на руднике с VFD — это не помеха; он меняет спецификацию каждого трансформатора вверх по цепи, а на некоторых площадках также меняет договор с энергоснабжающей организацией.

Что гармоники делают с трансформатором

Потери на вихревые токи в обмотке растут с квадратом частоты, поэтому пятая, седьмая и одиннадцатая гармоники создают потери на вихревые токи в 25, 49 и 121 раз больше удельного значения, которое они имели бы на основной частоте. Результатом является горячая точка, которую термометр на масле или на поверхности обмотки может не выявить, и изоляция обмотки, которая стареет гораздо быстрее, чем предполагала бы её синусоидальная нагрузка. Механическая сторона хуже: гармонические моменты в двигателе и в собственной механической структуре трансформатора создают вибрацию и слышимый шум. Стандартный метод количественной оценки дополнительных потерь, и ссылка, лежащая в основе каждого запроса на трансформатор «с K-номиналом» или «для гармонической нагрузки», — это IEEE C57.110.

Что можно указать вместо слепого завышения номинала

• Номинал по K-фактору (K-4, K-9, K-13, K-20 и выше), соответствующий ожидаемому спектру, который обязывает производителя к конструкции, чьи потери на вихревые токи и нейтральная мощность могут нести этот спектр при номинале — см. выбор трансформатора с K-фактором.
• Решение со стороны привода, устраняющее проблему в источнике: 12-пульсная схема (два шестипульсных моста, питаемых от трансформатора с двумя вторичными обмотками со сдвигом фаз), 18- или 24-пульсные схемы там, где качество электроэнергии наиболее важно, или активный выпрямитель на более крупных приводах. Они уменьшают гармонический ток, который видит трансформатор, вместо того чтобы защищать трансформатор от него.
• Пассивные фильтры (реакторы с расстройкой и конденсаторные батареи, обычно настроенные на пятую или седьмую гармонику) там, где компенсация реактивной мощности нужна в любом случае, и активные фильтры там, где спектр меняется с нагрузкой — с предупреждением, что обычная конденсаторная батарея для коррекции коэффициента мощности на богатой гармониками шине рудника создаёт риск резонанса, поэтому компенсационные установки на рудниках почти всегда выполняются с расстройкой.
• Исследование гармоник всей сети рудника, а не одной подстанции изолированно, потому что гармонические токи протекают по системе 33 кВ и 11 кВ площадки и могут усиливаться на удалённой шине резонансом, которого нет нигде рядом с приводом.

Какой предел применяется

Там, где рудник подключается к публичной сети,