Maden Sahası Transformatörü: Kırıcılar, Değirmenler ve Ekskavatörler için Güç Nasıl Boyutlandırılır, Uzun Ocak Kabloları Neden Daha Yüksek Gerilimi Zorunlu Kılar ve Açık Ocak veya Yeraltı Madeni Hangi IP Koruma Sınıfına İhtiyaç Duyar

Önce cevap: bir maden sahası transformatörü, bir kVA tablosundan değil, maddenin yük çevriminden boyutlandırılır — kırıcılar, değirmenler, konveyörler ve kepçeler şok ve harmonik yüklerdir ve onlara ulaşan kablo genellikle transformatörden önce tasarımı belirler

Bir maden sahası transformatörü, bir kamu hizmeti kuruluşunun tesise sağladığı 33 kV, 110 kV, 132 kV veya 220 kV beslemeyi alıp gerçekten kazan, taşıyan, kıran ve öğüten elektriğe dönüştüren ünitedir: ocakta kepçeler, deliciler ve pompalar için 11 kV veya 6.6 kV; yeraltında konveyörler, vinçler ve havalandırma için 11 kV, 6.6 kV veya 3.3 kV; ve proses tesisinde kırıcılar, SAG ve bilyeli değirmenler, flotasyon ve koyulaştırıcı tahrikleri için 11 kV veya 6.6 kV'dan 0.4 kV veya 0.69 kV'a. Bu, üzerine maden etiketi yapıştırılmış bir dağıtım transformatörü değildir. Madencilik görevini kamu hizmeti görevinden ayıran üç özellik vardır: yük sabit değil şok-çevrimseldir, büyük bir kısmı değişken frekanslı sürücüler (VFD'ler) ve yumuşak yol vericiler üzerinden geldiği için akım sinüzoidal değildir ve sıklıkla gerilim düşümü — transformatörün anma kVA'sı değil — pratik sınırı belirleyen çok uzun kablolar üzerinden beslenir. Bu nedenle doğru sıralama şudur: yük listesini oluşturun, talep ve çeşitlilik faktörlerini uygulayın, kVA'ya dönüştürün, en uzak motor kontrol merkezinde motor yol verme gerilim düşümünü kontrol edin, harmonik ve ortam/rakım düşürme faktörlerini uygulayın ve ancak bundan sonra ocak kablosunu çalışacak kadar kısa tutan standart bir güç ve gerilim seviyesi seçin. kVA bu sürecin çıktısıdır, asla girdisi değildir.

Önemli çıkarımlar

• Madencilik yükleri şok-çevrimseldir, bu nedenle ünite tek bir sabit değere göre değil, bir yük çevrimi ve aşırı yük kabiliyetine göre seçilir. Kırıcılar, değirmenler ve konveyörler sargıyı gün boyu termal ve mekanik olarak döver — bu, bir transformatörün ne kadar yüklenebileceği konusundaki mantığın, hiç dinlenmeyen bir göreve uygulanmış halidir.
• Modern bir maden yükünün büyük bir kısmı doğrusal değildir. Altı darbeli sürücüler, DC sürücüler, doğrultucular ve LED aydınlatma, sargıdan harmonik akım geçirir; bu nedenle sade bir dağıtım transformatörü, gerçekte karşılaşacağı kayıplar için yetersiz tasarlanmıştır — bkz. harmonik akımların transformatörleri neden aşırı ısıttığı ve K-faktörü transformatör seçimi.
• Ocak ve tesis besleyicileri 6.6/11/33 kV'ta inşa edilir çünkü kısıt transformatör değil kablodur. Aynı mesafede aynı yüzde gerilim düşümü için gereken bakır kesiti, gerilimin ters karesiyle ölçeklenir — bu, gerilim sınıfı seçimi ve gerilim regülasyonu konularının arkasındaki mantıktır.
• Boyutlandırma altı adımlı bir aritmetiktir ve dördüncü adımı atlamak klasik hatadır. Yük listesi → talep ve çeşitlilik → kVA → motor yol verme düşümü → harmonik düşürme → ortam, rakım ve muhafaza düşürme; bu, tek bir hesaplamada dağıtım sistemi boyutlandırma disiplininin aynısıdır.
• Donanımı fiyat listesi değil, ortam seçer. Toz, nem, 45–50 °C ortam sıcaklığı, 3,000–4,600 m rakım, maden suyu ve kıyı tuzu; yağ daldırmalı mı yoksa dökme reçine mi, IP54 mü IP65 mi ve sabit bir trafo merkezi mi yoksa römorklu taşınabilir bir ünite mi belirleyeceğinize karar verir — yağ daldırmalı vs kuru tip ve yüksek rakım ve yüksek sıcaklık düşürme karşılaştırmalarına bakın.

Transformatör bir maddenin güç zincirinde nerede yer alır?

Bir maden kendi başına küçük bir kamu hizmeti kuruluşudur ve transformatör filosu, tesis sınırından kepçeye kadar katmanlıdır. Katmanları doğru yapmak önemlidir çünkü dönüşüm yaptığınız seviye, ne kadar kablo satın alacağınızı, ne kadar bakır kaybedeceğinizi ve gerilim artık kabul edilebilir olmadan önce çalışma aynasının ne kadar ilerleyebileceğini belirler.

Bu tablodan iki pratik sonuç çıkar. Birincisi, ana trafo merkezi transformatörü oldukça geleneksel bir güç transformatörüdür — farklılıkları transformatörün yapısında değil, ortak bağlantı noktasında uygulanan harmonik ve kırpışma limitlerindedir. İkincisi, bir projede en çok sorun çıkaran transformatörler en alttaki küçük olanlardır: römorklu ocak üniteleri ve yeraltı üniteleri, çünkü bunlar harmonik açıdan zengin, çevrimsel, uzaktan konumlandırılmış yüklerle beslenirken sıradan dağıtım transformatörleriymiş gibi şartnameye yazılanlardır.

Sıradan bir dağıtım transformatörü neden işi yapamaz? Madencilik görevinin farklı olduğu beş yol

1. Yük sabit değil, şok-çevrimseldir

Kamu hizmeti dağıtım transformatörleri ömrünün çoğunu anma değerinin yavaşça değişen bir kesrinde geçirir. Bir maden yükleme transformatörü ise ömrünü bir tork eğrisini takip ederek geçirir. Bir çeneli veya konik kırıcı, her şarj tutulup kırıldığında titreşen bir akım çeker; bir değirmenin yükü şarj ve bulamaçla salınır; bir çekme kepçesi veya kepçe patlamalar halinde kazar, döner ve boşaltır; bir konveyör zaten yüklü bir banda karşı çalışır. Önemli sonuç ortalama yük değil, termal çevrimdir. Bir sargının ve yalıtımının tekrarlanan ısınması ve soğuması onu mekanik olarak hareket ettirir, sıkıştırma basıncını gevşetir ve kâğıdın yaşlanmasını hızlandırır; bu nedenle bir maden transformatörü tek bir görev noktasına göre değil, üzerinde anlaşılmış bir aşırı yük zarfı olan bir yük çevrimine göre şartnameye yazılır. Aynı fizik, transformatör yük faktörü ve aşırı yük kapasitesi tartışmasının temelini oluşturur, ancak bir maden yük çevrimi ticari olandan çok daha agresiftir.

2. Yükün büyük bir kısmı sinüzoidal değildir

Modern madenler konveyörlere, değirmenlere (halka dişli kurulumlar), bulamaç pompalarına, fanlara, vinçlere ve havalandırmaya VFD'ler yerleştirir. Standart bir altı darbeli sürücü, birkaç yüz kW'ın altında hâlâ en yaygın konfigürasyondur ve çektiği harmonik akım, kendi anma akımının büyük bir kesridir — göreceli olarak, iyi davranan bir doğrusal yükten bir mertebe daha fazla. Yukarı akışta, tüm bu sürücü akımları transformatör sargısında toplanır; burada harmonik girdap kayıpları harmonik mertebesinin karesiyle orantılıdır. 50 veya 60 Hz'de sinüzoidal varsayımlarla tasarlanıp test edilen bir transformatör, bu spektrum altındaki kendi sıcak nokta sıcaklığını büyük ölçüde hafife alır. Bunu düzelten iki mekanizma vardır: üniteyi IEEE C57.110 pratiğinden türetilen bir K-faktörü veya harmonik görev anma değeri ile şartnameye yazın ya da düşürme aritmetiğini kendiniz yapıp aynı kayıp yoğunluğunda daha büyük bir güç satın alın. Çalışma yöntemi için bkz. harmonik akımların transformatörleri neden aşırı ısıttığı ve K-faktörü transformatör seçimi.

3. Kablo uzundur ve bağlayıcı kısıt kVA değil gerilim düşümü olur

Bir kamu hizmeti besleyicisi onlarca veya yüzlerce metreyle ölçülür. Kenar trafo merkezinden çalışma aynasındaki sürüklenen trafo merkezine giden bir ocak besleyicisi kilometrelerle ölçülür ve o trafo merkezinden kepçeye giden sürüklenen kablo birkaç yüz metre daha ekler. Gerilim düşümü uzunluk ve akımla doğrusal olarak arttığı ve akım gerilimle düştüğü için, dağıtım yaptığınız seviye hem kablo maliyeti hem de kablo kaybı üzerindeki en güçlü tek koldur. Bu, aşağıda kendi bölümünün konusudur.

4. Motor yol verme sıktır ve motor-transformatör oranı yüksektir

Madenler büyük motorları tam gerilimde ticari bir binadan çok daha sık çalıştırır — her vardiya değişiminde, bir arıza sonrası her konveyör yeniden başlatmada, bir bakım penceresi sonrası her değirmen yeniden başlatmada. Bir değirmen veya kırıcı motoru, besleyen transformatörün anma gücünün büyük bir kesri olduğundan, yol verme akımı transformatörün tam yük akımının büyük bir kesridir ve ortaya çıkan gerilim düşümü besleyici boyunca geriye yayılarak bara üzerindeki her şeyi etkiler. Motor yol verme davranışı ve transformatörün kendi enerjilenme ani akımı, transformatör ani akımı bölümünde açıklanan aynı genel fiziği izler; bir madende her ikisi de merak konusu değil, tanımlanmış limitleri olan tasarım durumlarıdır.

5. Ortam bir dipnot değil, bir tasarım girdisidir

Dünya genelinde maden sahaları, standart bir katalog transformatörünün üretilmediği çevresel koşulları dayatır:

• Ortam sıcaklığı. Sahel, Pilbara, Atacama ve Arap Yarımadası'ndaki açık ocak işletmeleri 45–50 °C tasarım ortam sıcaklığında çalışır; bu, anma değeri buna göre düzeltilmediği sürece marjın çoğunu ortadan kaldırır.
• Rakım. And, Altiplano ve Himalaya işletmeleri 3,000–4,600 m'de yer alır; burada azalan hava yoğunluğu hem dış yalıtımın dielektrik dayanımını hem de ünitenin dayandığı havanın soğutma kabiliyetini düşürür. Düşürme ve açıklık düzeltmesi zorunludur — bkz. yüksek rakım ve yüksek sıcaklık düşürme.
• Toz ve nem. Kırıcı tozu ve nemli tropikal koşullar birlikte cezalandırıcı bir kombinasyondur: higroskopik toz yalıtımla rekabet eder ve muhafazalara giriş, birikintiyi iletken bir yola dönüştürür.
• Korozyon. Kıyı limanları, maden suyu ve asit drenajı, standart bir yüzey değil, beyan edilmiş bir korozyon sınıfı ve buna uygun bir boya veya muhafaza şartnamesi gerektirir.
• Sismik ve geoteknik. Şili ve Peru işletmeleri ünitenin, buşinglerinin ve kızağının sismik olarak nitelendirilmesini gerektirir; yeraltı üniteleri bir galeriden geçebilmeli ve yeniden konumlandırılabilmelidir.
• Yanıcı atmosfer. Kömür madenleri ve bazı sülfür işletmeleri aleve dayanıklı yapı ve tanımlanmış bölgelerde sertifikalı ekipman gerektirir.

Bir maden sahası transformatörünü nasıl boyutlandırırsınız? Yük listesinden anma plakasına altı adım

Aşağıdaki yöntem, bir mühendislik incelemesinden geçen yöntemdir, çünkü içindeki her sayı bir motor çizelgesine kadar izlenebilir.

Adım 1 — Bir kVA dileği değil, yük listesi oluşturun

Her motor için anma mil kW'ını, verim sınıfını, anma yükteki güç faktörünü, servis faktörünü, yol verme yöntemini (DOL, yıldız-üçgen, yumuşak yol verici, VFD) ve görevi (sürekli, kesintili, çevrimsel) kaydedin. Motor dışı yükleri — doğrultucular, vinçler, aydınlatma, ısıtıcılar, su tahliye pompaları — ayrı olarak ekleyin, çünkü güç faktörleri ve harmonik imzaları farklıdır. Listeyi bölgeye ve gerilim seviyesine göre gruplandırın, çünkü her grup ayrı bir transformatör olur.

Adım 2 — Bölge başına talep ve çeşitlilik faktörlerini uygulayın

Bir tesisteki her anma plakasını toplamak her zaman yükü abartır ve aşırı boyutlu, kayıplı bir transformatör üretir. Grup başına bir çeşitlilik faktörü uygulayın — gerçekten aynı anda çalışan bağlı yükün kesri — ve sonra eşzamanlı tepe değeri faktörleri birbiriyle çarparak değil, bir yük akışıyla doğrulayın. Madencilik fizibilite çalışmalarında kullanılan tipik değerler sürekli çalışan proses alanları için 0.6–0.8'dir, ancak yükler gerçekten birlikte çalıştığında (örneğin besleme konveyörüyle bir kırıcı hattı) 1.0'dır. Bu bantlar sektör deneyimi / 行业经验值 olup, tesis işletmeye alındığında ölçülen verilerle değiştirilmelidir.

Adım 3 — kVA'ya dönüştürün, tasarım yedeği ekleyin, standart bir güç seçin

Her motor grubu için transformatörden talep ettiği görünür güç S = P / (η × cos φ) formülüyle bulunur; burada P kW cinsinden mil gücü, η motor verimi ve cos φ güç faktörüdür. Grupları toplayın, çeşitlilik faktörünü uygulayın ve bir tasarım yedeği ekleyin — fizibilite aşamasında yaygın olarak yüzde 15–25 (sektör deneyimi / 行业经验值). Sonra standart bir güce yukarı yuvarlayın. IEC R10 serisinden tercih edilen sayılar pratik merdiveni verir: 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000, 20000, 25000, 31500, 40000, 50000 ve 63000 kVA.

Adım 4 — En uzak motor kontrol merkezinde motor yol verme gerilim düşümünü kontrol edin

Bu, en sık atlanan ve en çok devreye alma sıkıntısına neden olan adımdır. En büyük motoru alın, kilitli rotor veya yol verme akımını hesaplayın, diğer çalışan yükü ekleyin ve yol verme sırasında motor terminallerindeki gerilimi hesaplayın — hem transformatör empedansı hem de besleyici kablosu üzerinden. Madencilik pratiğinde belirtilen tasarım limitleri yaygın olarak en büyük tahrik için motor terminallerinde yaklaşık yüzde 15 düşüm ve barada yüzde 10'dur; motorların yol verme sırasında nominal gerilimin en az yüzde 80'ini koruması beklenir (sektör deneyimi / 行业经验值; her zaman tesisin kendi standardına ve motor veri sayfasına göre doğrulayın). Düşüm aşırıysa, araçlar daha büyük bir transformatör, daha düşük empedanslı bir tasarım, bir yumuşak yol verici veya VFD, daha yüksek bir dağıtım gerilimi veya daha kısa bir kablodur.

Adım 5 — Harmonik düşürmeyi uygulayın ve kısa devre görevini doğrulayın

Transformatör terminallerinde beklenen harmonik spektrumu alın ve ya bir K-faktörü anma değeri belirtin ya da sinüzoidal anma değerini IEEE C57.110'un kayıp artış faktörü yöntemiyle düşürün. Ayrı olarak, transformatör sekonderindeki muhtemel kısa devre akımını hesaplayın (IEC 60909 pratiği) ve transformatörün buna dayanma kabiliyetini IEC 60076-5'e göre doğrulayın, sonra şalt ekipmanı anma değerinin ve koruma ayarlarının motor yol verme ani akımıyla koordine edildiğini, böylece yol vermenin arıza sanılmadığını doğrulayın. Düşük empedanslı bir transformatöre ve düşük empedanslı bir besleyiciye sahip bir maden, şaşırtıcı derecede yüksek bir arıza seviyesi üretebilir.

Adım 6 — Ortam düşürmesini uygulayın ve soğutma, gürültü ve kayıpları sonlandırın

Anma değerini tasarım ortam sıcaklığı ve rakım için düzeltin ve sıcaklık artışını yeniden kontrol edin. Soğutma sınıfını seçin — küçük üniteler için ONAN, kısa süreli bir anma değeri istendiğinde ONAN/ONAF, iç mekân dökme reçine için KNAN veya AN/AF — ve gürültü gereksinimini kontrol edin; bu bir madende genellikle tesisin kendisi tarafından değil, komşu kamp veya yasal bir sınır tarafından belirlenir. Son olarak, kayıp şartnamesini satın alma fiyatıyla değil, maden ömrü boyunca sahip olma maliyetiyle karşılaştırın: bir maden onlarca yıl çalışır, bu nedenle sürekli ödediği yüksüz kayıp genellikle birkaç yıl içinde satın alma fiyatı farkına hâkim olur. Bkz. transformatör toplam sahip olma maliyeti nasıl hesaplanır ve S11 vs S13 vs S20 kayıp sınıfları.

Çözümlü bir örnek (örnekleyici)

Tek bir 33 kV/6.6 kV tesis trafo merkezinden beslenen bir bakır konsantratörünü ele alalım. Motor çizelgesi bir VFD üzerinden 6,000 kW halka dişli SAG değirmen tahriki, bir 4,500 kW bilyeli değirmen, dört adet 400 kW kırıcı, iki adet 250 kW konveyör, 1,500 kW bulamaç ve proses pompası ile 800 kW yardımcı, aydınlatma ve servis yükü veriyor. Büyük tahriklerde verim 0.97 ve güç faktörü 0.95, yardımcı grupta verim 0.90 ve güç faktörü 0.85 ile:

• SAG değirmeni: 6,000 / (0.97 × 0.95) = 6,511 kVA
• Bilyeli değirmen: 4,500 / (0.97 × 0.95) = 4,883 kVA
• Kırıcılar (4 × 400 kW = 1,600 kW): 1,736 kVA
• Konveyörler (500 kW): 543 kVA
• Pompalar (1,500 kW): 1,628 kVA
• Yardımcılar (800 kW): 800 / (0.90 × 0.85) = 1,046 kVA

Bağlı toplam ≈ 16,347 kVA. 0.9 tesis çeşitlilik faktörü uygulayın → ≈ 14,712 kVA. Yüzde 20 tasarım yedeği ekleyin → ≈ 17,655 kVA. Bir sonraki standart güce yukarı yuvarlayın: 20,000 kVA. Bu güç sipariş edilmeden önce hâlâ harmonik kontrolünden (SAG değirmeni VFD'si ve kırıcı tahrikleri birlikte bir harmonik görev şartnamesini veya 12 darbeli bir düzenlemeyi haklı çıkarır) ve kısa devre ile koruma koordinasyonu kontrolünden geçmesi gerekir. Aritmetik kasıtlı olarak basittir; disiplin, kontrolleri yapmadan durmamaktadır.

Uzun ocak kabloları ve besleyicileri neden sizi daha yüksek bir gerilime iter?

Bu, madencilik ile kamu hizmeti işi arasındaki en büyük tek mühendislik farkıdır ve görüş değil aritmetiktir. Üç fazlı bir besleyici için yaklaşık hat-hat gerilim düşümü ΔU = √3 × I × L × (R cos φ + X sin φ) olup nominal gerilimin yüzdesi olarak ifade edilir. Bu ifadeden iki gerçek çıkar:

• Sabit iletilen güçte, akım I gerilimle orantılı olarak düşer — bu nedenle 6.6 kV'taki bir besleyici, aynı görevin 400 V'taki akımının yaklaşık on altıda birini taşır ve 33 kV'luk bir besleyici, 6.6 kV'luk birinin akımının beşte birini taşır.
• Yüzde düşüm I/U içerdiğinden ve I kendisi 1/U olarak düştüğünden, aynı mesafede aynı yüzde düşümü korumak için gereken kesit 1/U² ile ölçeklenir. Aynı yükü 400 V'tan 6.6 kV'a taşımak, gereken bakır alanını kabaca 270 kat azaltır; 6.6 kV'tan 33 kV'a taşımak ise kabaca 25 kat azaltır.

Bir madende mimariyi bel