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Mit dem rasanten technologischen Fortschritt in der Kohlebergbauindustrie steigen die Leistungsniveaus der Kohlebergbauausrüstung weiter an, und die Entfernungen der Bergbauflächen erweitern sich. Diese Entwicklungen stellen höhere Anforderungen an die entsprechenden Stromversorgungssysteme. Während des Bergbauprozesses vergrößert sich der Abstand zwischen Kohlebergbau, Baggerausrüstung und Stromversorgungssystemen, was zu zahlreichen Herausforderungen führt, wie etwa einem geringeren Leistungsfaktor, niedriger Spannung an den Leitungen, Spannungsschwankungen und Wellenformverzerrungen durch starke und nichtlineare Lasten. Um diese Probleme anzugehen, schlägt dieses Papier mehrere Lösungen vor, vergleicht deren Vor- und Nachteile und stellt ein innovatives Spannungskompensationsverfahren sowie zugehörige Geräte und Feldanwendungen vor.
Schlüsselwörter: Kohlemine unter der Erde; Fernstromversorgung; Ausgrabungsgeräte; Stromqualität; Spannungskompensation
Die rasante Entwicklung der Kohlebergbauindustrie hat zu einem steigenden Strombedarf für Bergbauanlagen geführt, was zu längeren Bergbauflächen führt. Diese Erweiterung stellt erhebliche Herausforderungen für die entsprechenden Stromversorgungssysteme dar. Mit zunehmender Entfernung zwischen Bergbau- und Ausgrabungsgeräten sowie den Stromversorgungsgeräten führt das Vorhandensein großer Aufschlaglasten und nichtlinearer Lasten zu einer Reihe von Qualitätsproblemen bei den Stromversorgungen über große Entfernungen. Dazu gehören ein reduzierter Leistungsfaktor, niedrige Spannung an den Leitungen, Spannungsschwankungen und Wellenformverzerrungen. Solche Probleme erschweren nicht nur das Starten großer Geräte und verursachen häufige Ausfälle, sondern verringern auch die Isolierungsleistung, was zu elektrischen Sicherheitsvorfällen führt. Darüber hinaus führt die Fernübertragung von Strom zu erheblichen Leitungsverlusten, was den Energieverbrauch und die Kosten für Kohlebergbauunternehmen erheblich erhöht.
Um wirtschaftliche Verluste zu mindern, die Sicherheit zu erhöhen und die Effizienz zu steigern, beleuchtet dieses Papier gängige Lösungen für die Fernstromversorgung in unterirdischen Kohlebergwerken, vergleicht deren Vor- und Nachteile und schlägt ein innovatives Spannungskompensationssystem vor.
2.1 Mehrere Kabel in parallelem oder größerem Kabeldurchmesser
Die Verwendung mehrerer paralleler Kabel oder der Austausch bestehender Kabel mit größeren Durchmessern kann äquivalente Impedanz und Spannungsabfälle reduzieren. Dieser Ansatz erhöht jedoch die Kabelkosten und die Installationskomplexität.
Abbildung 1. Schaltplan von parallelen Kabeln oder Lösung mit erhöhtem Kabelquerschnitt
2.2 Anpassung der Transformator-Taps zur Erhöhung der Versorgungsspannung
Die Einstellung der Transformator-Taps zur Erhöhung der Versorgungsspannung kann Netzverluste ausgleichen. Diese Methode kann jedoch zu übermäßig hohen Spannungen bei Geräteausfallzeiten oder ohne Last führen, was Risiken für die Kabel- und Geräteisolierung darstellt.
Abbildung 2. Schaltplan der zunehmenden Ausgangsspannung des mobilen Transformators
2.3 Mobiles Transformatoren näher an die Ausrüstung bewegen
Das Verlegen mobiler Transformatoren näher an die Ausrüstung reduziert die Länge der Versorgungskabel und verringert somit Spannungsabfälle. Eine häufige Umpositionierung der Transformatoren erhöht jedoch die betrieblichen Schwierigkeiten und Kosten.
Abbildung 3. Schaltplan zur Verlegung des mobilen Transformators näher an die Last
2.4 Hinzufügen von explosionssicherem SVG zur Blindleistungskompensation
Der Einsatz explosionssicherer SVG-Einheiten in der Nähe von Lastgeräten sorgt für eine Blindleistungskompensation, erhöht die Endspannungen und stabilisiert den Betrieb der Anlagen. Diese Lösung erfordert, SVGs nahe an der Last zu platzieren und sie idealerweise mit der Last zu bewegen, wenn möglich, was dennoch mehrere Verlagerungen und höhere Kosten erfordern kann.
Abbildung 4. Schaltplan zur Hinzufügung explosionssicherer SVG auf der Lastseite zur Blindleistungskompensation
Um die Einschränkungen der oben genannten Lösungen zu adressieren, schlägt dieses Papier einen innovativen Ansatz vor: Die Integration eines Netzreglergeräts in der Mitte, um die Netzspannung zu erhöhen und sicherzustellen, dass die Endgeräte ausreichend Strom erhalten.
Abbildung 5. Schaltplan für die Installation eines gitterintegrierten Regulierungsgeräts in der Mitte der Leitung
Das integrierte Spannungsregelgerät verbessert die Blindleistungskompensation des Stromsystems, verbessert den Leistungsfaktor und reduziert Spannungsabfallverluste. Er kompensiert aktive Stromverluste durch eine Erhöhung der Systemspannung und sorgt so für stabile Endspannungen. Das Gerät passt sich automatisch basierend auf den Gitterspannungs- und Netzstromparametern an und hält die Spannung unter variablen Bedingungen innerhalb akzeptabler Bereiche.
DieNetzintegriertes Regulierungsgerätwurde erfolgreich in Betrieb genommen und an der unterirdischen Übergangsfront vonChangcheng Nr. 5 Kohlemine, befindet sich im Otog Front Banner, Autonome Region Innere Mongolei. Die Mine wird betrieben vonShandong Energy Xinmin Inner Mongolia Energy Co., Ltd.gegründet im Jahr 2005 und befindet sich in der Stadt Ordos, Innere Mongolei.
Die Changcheng Nr. 5 Mine umfasst ein Bergbaugebiet von13,6595 km², mit insgesamt geologischen Reserven von180,4 Millionen metrische Tonnenund gewinnbare Reserven von118,8 Millionen metrische Tonnen. Es verfügt über eine geplante jährliche Produktionskapazität von1,8 Millionen Tonnenund eine geschätzte Dienstzeit von50,8 Jahre.
Die Spitze der Mine war schwer ausgerichtetProbleme mit Spannungsabfällen bei der Fernnetzversorgung. Die vorherige Lösung bestand darin, die mobile Umspannstation (Mobiltransformator) jedes Mal zu verlegen, wenn der Kurs eine bestimmte Entfernung vorrückte. Dieser Ansatz verursachte erhebliche Arbeits- und Materialkosten und störte die Produktionskontinuität – was einen dringenden Verbesserungsbedarf unterstreicht.
Detaillierte Standortuntersuchungen ergaben folgende Systemparameter:
Um den maximal zulässigen Betriebsabstand ohne Spannungsstütze zu bestimmen, wurden folgende Berechnungen durchgeführt:
(1)Äquivalente Impedanz des mobilen Umspannwerks:
wobei Un die Nennspannung des Systems ist, Uz% der Prozentsatz der Kurzschlussimpedanz des Umspannwerks und In der Nennstrom.
(2)Äquivalente Impedanz des Schneidmotors beim Anfahren:
wobei Iq der Anfangsstrom des Motors ist.
(3) Im schlimmsten Fall (maximale Entfernung) ist der zulässige Spannungsabfall am Motoranschluss25%, das heißt, die minimal zulässige Anschlussspannung ist:
Umin=0,75×1140 V=855 VUmin=0,75×1140V=855V
(4) Der Startstrom des Schneidmotors unter dieser Bedingung wurde entsprechend berechnet.
(5) Der zulässige Spannungsabfall über das Kabel ist:
wobei Uo die Ausgangsspannung des mobilen Umspannwerks ist.
(6) Nach Standard-Kabeltabellen ist der äquivalente Widerstand der120 mm²Kabel istRc=0,173 Ω/kmRc=0,173Ω/km(pro Phase).
(7) Basierend auf diesen Parametern gilt dieMaximal zulässige Stromversorgungsentfernungwurde ungefähr wie folgt berechnet1400 Meter.
Die Analyse bestätigte, dass wenn der Streckenkopf darüber hinaus fährt~1400 MeterVon der mobilen Umspannstation aus führt ein übermäßiger Spannungsabfall sowohl beim Start als auch im normalen Betrieb zu Abschaltungen oder zum Ausfall der Geräte.
Um dies zu adressieren, eineNetzintegriertes Regulierungsgerätwurde installiert1,4 km flussabwärtsaus der mobilen Umspannstation, wie gezeigt in:
Abbildung 6. Schaltplan des Installationsstandorts des Grid Integrated Regulation Device
Das Gerät war mit einer Ziel-Ausgangsspannung von1300 V. Nach der Regelung wird die Netzspannung ungefähr gehalten1300 V, wodurch das nachgeschaltete Kabelsegment – vom Gerät zum Gleiskopf – verlängert werden kannüber 1,4 km hinauswährend sie dennoch die Betriebsanforderung von 1140 V am Lastende erfüllten. Die gleiche Berechnungsmethode gilt und wird hier der Kürze halber ausgelassen.
Nach der Installation des Grid Integrated Regulation Device wurde der effektive Kursabstand auf die volle Länge ausgeweitet2800 Meter. Der Antrieb arbeitet nun zuverlässig ohne spannungsbedingte Unterbrechungen. Die Häufigkeit mobiler Umzugsstationen wurde deutlich reduziert, die Systemstabilität verbessert und die Lösung hat erhaltenGroßes Lob vom Kunden.
Abbildung 7. Vor Ort Foto des integrierten Netzregulierungsgeräts im Betrieb in der Changcheng No. 5 Mine
Mit der Entwicklung der Kohlebergbauindustrie steigen die Stromanforderungen an Bergbauausrüstung weiter, was längere Arbeitsdistanzen erfordert. Probleme mit der Fernversorgung, insbesondere Spannungsabfälle, sind bei unterirdischen Betrieben häufig. Direktestartmotoren, die in Baggern und Bergleuten verwendet werden, stehen aufgrund hoher Anfangsanforderungen vor erheblichen Startproblemen. Traditionelle Lösungen haben Einschränkungen, aber das vorgeschlagene netzintegrierte Regulierungssystem bietet eine wirksame Lösung, verbessert die Effizienz der Arbeit unter Tage und senkt die Betriebskosten.
Die Kombination aus explosionsfesten SVG-Einheiten und netzintegrierten Regulierungsgeräten bietet eine umfassende Lösung zur Verbesserung der Stromqualität in unterirdischen Kohlebergwerken und gewährleistet eine zuverlässige und effiziente Stromversorgung.
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