Máy biến áp cho mỏ khai thác: Cách tính toán công suất cho máy nghiền, máy xay và máy xúc, tại sao cáp dài trong hố mỏ buộc phải dùng điện áp cao hơn, và cấp bảo vệ IP nào mà mỏ lộ thiên hoặc mỏ hầm lò cần

Câu trả lời trước tiên: máy biến áp trạm mỏ được định cỡ từ chu kỳ phụ tải của mỏ, không phải từ bảng kVA — máy nghiền, máy nghiền bi, băng tải và máy xúc là các phụ tải xung và hài, và cáp dẫn đến chúng thường quyết định thiết kế trước cả máy biến áp

Máy biến áp trạm mỏ là thiết bị nhận nguồn cấp 33 kV, 110 kV, 132 kV hoặc 220 kV do đơn vị điện lực cung cấp đến khu vực mỏ và biến đổi thành điện năng thực sự dùng để đào, vận chuyển, nghiền và xay: 11 kV hoặc 6.6 kV cho máy xúc, máy khoan và máy bơm tại moong khai thác; 11 kV, 6.6 kV hoặc 3.3 kV cho băng tải, tời và thông gió dưới hầm; và 11 kV hoặc 6.6 kV giảm xuống 0.4 kV hoặc 0.69 kV tại nhà máy chế biến cho máy nghiền, máy nghiền SAG và máy nghiền bi, truyền động tuyển nổi và máy làm đặc. Đây không phải là máy biến áp phân phối gắn nhãn tên mỏ. Ba đặc điểm phân biệt nhiệm vụ khai thác với nhiệm vụ điện lực: phụ tải mang tính xung-chu kỳ thay vì ổn định, một phần lớn phụ tải đến qua biến tần (VFD) và bộ khởi động mềm nên dòng điện không hình sin, và nó thường được cấp qua cáp rất dài mà sụt áp — chứ không phải kVA định mức của máy biến áp — mới là yếu tố đặt giới hạn thực tế. Do đó trình tự đúng là: lập danh sách phụ tải, áp dụng hệ số nhu cầu và hệ số đồng thời, chuyển đổi sang kVA, kiểm tra sụt áp khi khởi động động cơ tại tủ điều khiển động cơ xa nhất, áp dụng hệ số giảm định mức do hài và môi trường/độ cao, và chỉ sau đó mới chọn cấp định mức tiêu chuẩn và cấp điện áp sao cho cáp moong đủ ngắn để vận hành. kVA là đầu ra của quá trình đó, không bao giờ là đầu vào.

Những điểm chính cần nắm

• Phụ tải mỏ mang tính xung-chu kỳ, nên thiết bị được chọn theo chu kỳ phụ tải và khả năng quá tải, không phải theo một con số ổn định. Máy nghiền, máy nghiền bi và băng tải búa vào cuộn dây cả về nhiệt lẫn cơ suốt ngày — cùng lý luận như máy biến áp có thể mang tải bao nhiêu, áp dụng cho một nhiệm vụ không bao giờ nghỉ.
• Một phần lớn phụ tải mỏ hiện đại là phi tuyến. Truyền động sáu xung, truyền động DC, bộ chỉnh lưu và đèn LED đều đẩy dòng hài qua cuộn dây, nên một máy biến áp phân phối thông thường bị thiết kế thiếu so với tổn thất thực tế mà nó sẽ gặp — xem tại sao dòng hài làm máy biến áp quá nhiệt và chọn máy biến áp theo hệ số K.
• Đường dây cấp moong và nhà máy được xây ở 6.6/11/33 kV vì cáp, chứ không phải máy biến áp, mới là ràng buộc. Với cùng một phần trăm sụt áp trên cùng một khoảng cách, tiết diện đồng cần thiết tỷ lệ nghịch với bình phương điện áp — lý luận đằng sau chọn cấp điện áp và điều chỉnh điện áp.
• Định cỡ là một bài toán số học sáu bước, và bỏ qua bước bốn là lỗi kinh điển. Danh sách phụ tải → nhu cầu và đồng thời → kVA → sụt áp khi khởi động động cơ → giảm định mức do hài → giảm định mức do môi trường, độ cao và vỏ bọc; cùng kỷ luật như định cỡ hệ thống phân phối trong một phép tính.
• Môi trường chọn thiết bị, không phải bảng giá. Bụi, độ ẩm, nhiệt độ môi trường 45–50 °C, độ cao 3,000–4,600 m, nước mỏ và muối biển ven bờ quyết định việc bạn chỉ định loại ngâm dầu hay đúc nhựa, IP54 hay IP65, và một trạm cố định hay một trạm di động gắn rơ-moóc — so sánh ngâm dầu so với khô và giảm định mức ở độ cao và nhiệt độ cao.

Máy biến áp nằm ở đâu trong chuỗi điện năng của mỏ?

Một mỏ tự nó là một đơn vị điện lực thu nhỏ, và đội máy biến áp của nó được phân lớp từ ranh giới khu mỏ xuống đến máy xúc. Việc phân lớp đúng rất quan trọng vì cấp mà bạn biến đổi quyết định bạn mua bao nhiêu cáp, mất bao nhiêu đồng, và gương khai thác có thể tiến xa bao nhiêu trước khi điện áp không còn chấp nhận được.

Hai hệ quả thực tế rút ra từ bảng này. Thứ nhất, máy biến áp trạm chính là một máy biến áp lực khá thông thường — khác biệt của nó nằm ở giới hạn hài và nhấp nháy áp đặt tại điểm đấu nối chung chứ không phải ở kết cấu máy biến áp. Thứ hai, những máy biến áp gây nhiều rắc rối nhất trong một dự án là những máy nhỏ ở dưới cùng: các tổ máy moong gắn rơ-moóc và các tổ máy dưới hầm, vì đó là những máy bị chỉ định như thể chúng là máy biến áp phân phối thông thường trong khi lại được cấp cho các phụ tải giàu hài, chu kỳ, ở vị trí xa xôi.

Tại sao một máy biến áp phân phối thông thường không làm được việc? Năm điểm khác biệt của nhiệm vụ khai thác

1. Phụ tải mang tính xung-chu kỳ, không ổn định

Máy biến áp phân phối của điện lực dành phần lớn vòng đời ở một phần nhỏ của định mức biến đổi chậm. Máy biến áp mang tải của mỏ dành vòng đời bám theo một đường cong mô-men. Máy nghiền hàm hoặc máy nghiền trục quay kéo một dòng điện nhấp nhô mỗi khi một mẻ quặng bị kẹp và nghiền; phụ tải của máy nghiền bi dao động theo mẻ và bùn quặng; máy xúc cáp hoặc máy xúc đào thành từng đợt rồi quay và đổ; băng tải khởi động khi băng đã đầy tải. Hệ quả quan trọng không phải là phụ tải trung bình — mà là chu kỳ nhiệt. Việc nung nóng và nguội đi lặp lại của cuộn dây và cách điện làm nó dịch chuyển cơ học, làm lỏng lực kẹp và tăng tốc lão hóa giấy, đó là lý do máy biến áp mỏ được chỉ định theo một chu kỳ phụ tải với một đường bao quá tải đã thống nhất thay vì theo một điểm nhiệm vụ duy nhất. Cùng vật lý đó làm nền tảng cho thảo luận trong hệ số mang tải và khả năng quá tải của máy biến áp, nhưng chu kỳ phụ tải mỏ hung hãn hơn nhiều so với chu kỳ thương mại.

2. Một phần lớn phụ tải là phi hình sin

Các mỏ hiện đại đặt VFD trên băng tải, máy nghiền bi (các tổ máy truyền động vành răng), máy bơm bùn, quạt, tời và thông gió. Truyền động sáu xung tiêu chuẩn vẫn là cấu hình phổ biến nhất dưới vài trăm kW, và dòng hài mà nó kéo là một phần lớn dòng định mức của chính nó — về mặt tương đối, lớn hơn một bậc so với một phụ tải tuyến tính ngoan. Về phía thượng nguồn, tất cả các dòng truyền động đó cộng lại trong cuộn dây máy biến áp, nơi tổn thất dòng xoáy hài tỷ lệ với bình phương bậc hài. Một máy biến áp được thiết kế và thử nghiệm theo giả định hình sin ở 50 hoặc 60 Hz đánh giá thấp nghiêm trọng nhiệt độ điểm nóng của chính nó dưới phổ đó. Hai cơ chế khắc phục điều đó: chỉ định tổ máy với định mức hệ số K hoặc nhiệm vụ hài rút ra từ thực hành IEEE C57.110, hoặc tự thực hiện bài toán giảm định mức và mua một định mức lớn hơn ở cùng mật độ tổn thất. Xem tại sao dòng hài làm máy biến áp quá nhiệt và chọn máy biến áp theo hệ số K để biết phương pháp làm việc.

3. Cáp dài, và sụt áp — không phải kVA — trở thành ràng buộc quyết định

Đường dây cấp của điện lực đo bằng hàng chục hoặc hàng trăm mét. Đường dây cấp moong từ trạm biến áp vành moong đến trạm biến áp kéo theo tại gương khai thác đo bằng kilômét, và cáp kéo theo từ trạm biến áp đó đến máy xúc cộng thêm vài trăm mét nữa. Vì sụt áp tăng tuyến tính theo chiều dài và dòng điện, còn dòng điện giảm theo điện áp, cấp mà bạn phân phối là đòn bẩy mạnh nhất lên cả chi phí cáp lẫn tổn thất cáp. Đây là chủ đề của một mục riêng bên dưới.

4. Khởi động động cơ diễn ra thường xuyên và tỷ số động cơ trên máy biến áp cao

Các mỏ khởi động động cơ lớn ở điện áp đầy đủ thường xuyên hơn nhiều so với một tòa nhà thương mại — mỗi lần đổi ca, mỗi lần khởi động lại băng tải sau sự cố, mỗi lần khởi động lại máy nghiền bi sau cửa sổ bảo trì. Vì động cơ máy nghiền bi hoặc máy nghiền chiếm một phần lớn định mức của máy biến áp cấp nguồn, dòng khởi động chiếm một phần lớn dòng đầy tải của máy biến áp, và sụt áp kết quả lan ngược lên đường dây cấp và ảnh hưởng đến mọi thứ khác trên thanh cái. Hành vi khởi động động cơ và dòng từ hóa xung của chính máy biến áp tuân theo cùng vật lý chung được mô tả trong dòng từ hóa xung của máy biến áp; tại một mỏ, cả hai đều là trường hợp thiết kế với các giới hạn xác định chứ không phải là những điều kỳ lạ.

5. Môi trường là một đầu vào thiết kế, không phải chú thích cuối trang

Các khu mỏ trên khắp thế giới áp đặt những điều kiện môi trường mà một máy biến áp catalogue tiêu chuẩn không được chế tạo để chịu:

• Nhiệt độ môi trường. Các hoạt động khai thác lộ thiên ở Sahel, Pilbara, Atacama và Bán đảo Ả Rập chạy ở nhiệt độ môi trường thiết kế 45–50 °C, điều này loại bỏ phần lớn biên định mức trừ khi định mức được hiệu chỉnh cho nó.
• Độ cao. Các hoạt động ở Andes, Altiplano và Himalaya nằm ở 3,000–4,600 m, nơi mật độ không khí giảm làm giảm cả khả năng chịu điện môi của cách điện ngoài lẫn khả năng làm mát của không khí mà tổ máy dựa vào. Giảm định mức và hiệu chỉnh khoảng cách là bắt buộc — xem giảm định mức ở độ cao và nhiệt độ cao.
• Bụi và độ ẩm. Bụi máy nghiền và điều kiện nhiệt đới ẩm kết hợp là một tổ hợp khắc nghiệt: bụi hút ẩm cạnh tranh với cách điện, và sự xâm nhập vào vỏ bọc biến lớp bụi lắng thành một đường dẫn điện.
• Ăn mòn. Cảng ven biển, nước mỏ và dòng thải axit đòi hỏi một cấp ăn mòn được công bố và một quy cách sơn hoặc vỏ bọc tương ứng, không phải một lớp hoàn thiện tiêu chuẩn.
• Địa chấn và địa kỹ thuật. Các hoạt động ở Chile và Peru yêu cầu tổ máy, sứ xuyên và xe trượt của nó phải được chứng nhận chịu địa chấn; các tổ máy dưới hầm phải lọt qua đường lò và có thể tái định vị.
• Khí quyển dễ cháy. Các mỏ than và một số hoạt động sulphua yêu cầu kết cấu chống cháy và, trong các vùng xác định, thiết bị được chứng nhận.

Làm thế nào để định cỡ một máy biến áp trạm mỏ? Sáu bước từ danh sách phụ tải đến nhãn máy

Phương pháp dưới đây là phương pháp trụ được qua một cuộc thẩm định kỹ thuật, vì mọi con số trong đó đều có thể truy nguyên về một bảng liệt kê động cơ.

Bước 1 — Lập danh sách phụ tải, không phải một điều ước kVA

Với mỗi động cơ, ghi lại kW trục định mức, cấp hiệu suất, hệ số công suất ở tải định mức, hệ số phục vụ, phương pháp khởi động (DOL, sao-tam giác, khởi động mềm, VFD) và nhiệm vụ (liên tục, gián đoạn, chu kỳ). Thêm các phụ tải không phải động cơ — bộ chỉnh lưu, tời, chiếu sáng, lò sưởi, máy bơm thoát nước — riêng biệt, vì hệ số công suất và đặc trưng hài của chúng khác nhau. Nhóm danh sách theo khu vực và theo cấp điện áp, vì mỗi nhóm trở thành một máy biến áp riêng.

Bước 2 — Áp dụng hệ số nhu cầu và hệ số đồng thời theo khu vực

Cộng mọi nhãn máy trong một nhà máy luôn phóng đại phụ tải và tạo ra một máy biến áp quá lớn, nhiều tổn thất. Áp dụng một hệ số đồng thời cho mỗi nhóm — phần phụ tải đấu nối thực sự chạy cùng lúc — rồi kiểm chứng đỉnh trùng thời bằng một bài toán phân bố công suất thay vì nhân các hệ số với nhau. Các con số điển hình dùng trong công tác khả thi khai thác là 0.6–0.8 cho các khu vực chế biến vận hành liên tục, nhưng là 1.0 ở nơi các phụ tải thực sự chạy cùng nhau (ví dụ một dây chuyền máy nghiền với băng tải cấp liệu của nó). Các dải này là kinh nghiệm ngành / 行业经验值 và phải được thay bằng dữ liệu đo được một khi nhà máy đi vào vận hành.

Bước 3 — Chuyển đổi sang kVA, thêm dự phòng thiết kế, chọn cấp định mức tiêu chuẩn

Với mỗi nhóm động cơ, công suất biểu kiến mà nó yêu cầu từ máy biến áp là S = P / (η × cos φ), trong đó P là công suất trục tính bằng kW, η là hiệu suất động cơ và cos φ là hệ số công suất. Cộng các nhóm, áp dụng hệ số đồng thời, và thêm dự phòng thiết kế — thường là 15–25 phần trăm ở giai đoạn khả thi (kinh nghiệm ngành / 行业经验值). Sau đó làm tròn lên đến một cấp định mức tiêu chuẩn. Các số ưu tiên từ dãy IEC R10 cho thang bậc thực tế: 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000, 20000, 25000, 31500, 40000, 50000 và 63000 kVA.

Bước 4 — Kiểm tra sụt áp khi khởi động động cơ tại tủ điều khiển động cơ xa nhất

Đây là bước bị bỏ qua nhiều nhất và là bước gây ra nhiều khổ sở nhất khi chạy thử. Lấy động cơ lớn nhất, tính dòng khóa rô-to hoặc dòng khởi động của nó, cộng thêm phụ tải đang chạy khác, và tính điện áp tại đầu cực động cơ trong lúc khởi động — qua tổng trở máy biến áp và qua cáp cấp. Các giới hạn thiết kế được nêu trong thực hành khai thác thường là khoảng 15 phần trăm sụt áp tại đầu cực động cơ và 10 phần trăm tại thanh cái cho truyền động lớn nhất, với kỳ vọng động cơ giữ ít nhất 80 phần trăm điện áp danh định trong lúc khởi động (kinh nghiệm ngành / 行业经验值; luôn xác nhận theo tiêu chuẩn của chính nhà máy và bảng dữ liệu động cơ). Nếu sụt áp quá mức, các công cụ là một máy biến áp lớn hơn, một thiết kế tổng trở thấp hơn, một bộ khởi động mềm hoặc VFD, một điện áp phân phối cao hơn, hoặc một cáp ngắn hơn.

Bước 5 — Áp dụng giảm định mức do hài và kiểm chứng nhiệm vụ ngắn mạch

Lấy phổ hài dự kiến tại đầu cực máy biến áp và hoặc chỉ định định mức hệ số K hoặc giảm định mức hình sin bằng phương pháp hệ số tăng tổn thất của IEEE C57.110. Riêng biệt, tính dòng ngắn mạch tiềm năng tại thứ cấp máy biến áp (thực hành IEC 60909) và xác nhận khả năng chịu đựng của máy biến áp theo IEC 60076-5, rồi xác nhận rằng định mức thiết bị đóng cắt và cài đặt bảo vệ được phối hợp với dòng từ hóa xung khi khởi động động cơ để việc khởi động không bị nhầm là sự cố. Một mỏ với máy biến áp tổng trở thấp và đường dây cấp tổng trở thấp có thể tạo ra mức sự cố cao đến bất ngờ.

Bước 6 — Áp dụng giảm định mức do môi trường và chốt làm mát, tiếng ồn và tổn thất

Hiệu chỉnh định mức cho nhiệt độ môi trường thiết kế và độ cao, rồi kiểm tra lại độ tăng nhiệt. Chọn cấp làm mát — ONAN cho các tổ máy nhỏ hơn, ONAN/ONAF khi muốn có định mức ngắn hạn, KNAN hoặc AN/AF cho loại đúc nhựa trong nhà — và kiểm tra yêu cầu tiếng ồn, mà tại một mỏ thường do khu lán trại lân cận hoặc một ranh giới luật định quyết định chứ không phải do chính nhà máy. Cuối cùng, so sánh quy cách tổn thất với chi phí sở hữu trong suốt vòng đời mỏ thay vì với giá mua: một mỏ chạy hàng thập kỷ, nên tổn thất không tải mà nó trả liên tục thường lấn át chênh lệch giá mua trong vài năm. Xem cách tính tổng chi phí sở hữu máy biến áp và so sánh cấp tổn thất S11 vs S13 vs S20.

Một ví dụ tính toán (minh họa)

Lấy một nhà máy tuyển đồng được cấp từ một trạm biến áp nhà máy 33 kV/6.6 kV duy nhất. Bảng liệt kê động cơ cho một truyền động máy nghiền SAG vành răng 6,000 kW qua VFD, một máy nghiền bi 4,500 kW, bốn máy nghiền 400 kW, hai băng tải 250 kW, 1,500 kW máy bơm bùn và máy bơm công nghệ, và 800 kW phụ trợ, chiếu sáng và dịch vụ. Với hiệu suất 0.97 và hệ số công suất 0.95 trên các truyền động lớn, và hiệu suất 0.90 và hệ số công suất 0.85 trên nhóm phụ trợ:

• Máy nghiền SAG: 6,000 / (0.97 × 0.95) = 6,511 kVA
• Máy nghiền bi: 4,500 / (0.97 × 0.95) = 4,883 kVA
• Máy nghiền (4 × 400 kW = 1,600 kW): 1,736 kVA
• Băng tải (500 kW): 543 kVA
• Máy bơm (1,500 kW): 1,628 kVA
• Phụ trợ (800 kW): 800 / (0.90 × 0.85) = 1,046 kVA

Tổng đấu nối ≈ 16,347 kVA. Áp dụng hệ số đồng thời nhà máy 0.9 → ≈ 14,712 kVA. Thêm 20 phần trăm dự phòng thiết kế → ≈ 17,655 kVA. Làm tròn lên cấp định mức tiêu chuẩn kế tiếp: 20,000 kVA. Trước khi định mức đó được đặt hàng, nó vẫn phải qua kiểm tra hài (VFD máy nghiền SAG và các truyền động máy nghiền cùng nhau biện minh cho một quy cách nhiệm vụ hài hoặc một bố trí 12 xung) và kiểm tra ngắn mạch và phối hợp bảo vệ. Bài toán số học cố ý đơn giản; kỷ luật nằm ở việc không dừng lại trước các kiểm tra.

Tại sao cáp moong và đường dây cấp dài lại đẩy bạn lên điện áp cao hơn?

Đây là khác biệt kỹ thuật lớn nhất giữa công việc khai thác và công việc điện lực, và đó là số học chứ không phải ý kiến. Với một đường dây cấp ba pha, sụt áp dây-dây xấp xỉ là ΔU = √3 × I × L × (R cos φ + X sin φ), biểu diễn theo phần trăm điện áp danh định. Hai sự thật rút ra từ biểu thức đó:

• Ở công suất truyền không đổi, dòng điện I giảm tỷ lệ với điện áp — nên một đường dây cấp ở 6.6 kV mang dòng điện chỉ bằng khoảng một phần mười sáu so với cùng nhiệm vụ ở 400 V, và một đường dây cấp 33 kV mang dòng điện bằng một phần năm so với đường dây 6.6 kV.
• Vì phần trăm sụt áp chứa I/U, và bản thân I giảm theo 1/U, tiết diện cần thiết để giữ cùng phần trăm sụt áp trên cùng khoảng cách tỷ lệ với 1/U