채굴 전기 공급을 위한 안전하고 신뢰할 수 있는 전력 시스템 설계

전 세계 광산에서는 전기 구동 장비가 암석을 운반, 분쇄, 연마하고 원자재를 운반하며 어두운 동굴을 밝히고 펌프와 환풍기를 가동하고 드릴, 절단기, 집진기, 호이스트를 구동합니다. 장비 고장은 다운타임으로 이어져 비용이 많이 드는 만큼 진동, 충격, 화학 물질, 먼지, 열, 습기 노출에도 높은 신뢰성이 요구됩니다.

작업자의 안전을 보장하면서 이러한 환경에 맞는 전기 공급 네트워크를 설계하는 것은 어려운 일이지만, 국제 운영 및 안전 표준 인증을 받은 상업용 전기 제품을 사용할 수 있다면 도움이 됩니다. 시스템 설계를 간소화하고 부품 간의 호환성을 보장하기 위해 설계자는 완전한 솔루션을 구축하는 데 필요한 대부분의 장비를 단일 소스로 이용할 수 있습니다.

이 기사에서는 채굴에 사용되는 전기 장비에 관한 환경 및 전력 품질 요구 사항을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 SolaHD의 특수 솔루션을 예시로 소개하고 전력 품질과 작업자 안전을 보장하기 위해 다층적으로 적용하는 방법을 설명합니다.

지하 전기 공학의 과제

광산에서 사용되는 장비는 부식성 액체, 가연성 먼지, 오물, 유해한 화학 물질, 심한 진동, 무작위 충격, 전력 서지, 극심한 온도 변화에 노출됩니다. 하지만 장비와 전력 시스템은 안전하고 신뢰할 수 있어야 합니다.

안전은 미국 광산안전보건국(MSHA) 및 1977 연방 광산안전보건법(Federal Mine Safety and Health Act)과 같은 기관의 감독을 통해 강화되고 있습니다. 다른 미국 표준으로는 국가전기코드(NEC) 또는 미국화재예방협회(NFPA) 70이 있습니다. 이 표준에서는 전기 배선 및 장비의 안전한 설치를 규정합니다. NEC Article 500에서는 광산과 그 주변 환경에서 발견되는 위험을 포함하여 특정 위험에 대해 테스트를 거쳐 승인받은 규정 준수 장비를 설치하도록 요구합니다.

전력 품질을 보장하려면 기본적인 전력 아키텍처와 관련 문제를 이해해야 합니다.

광산은 일반적으로 AC 그리드에서 전력을 끌어오지만, AC/DC 변환 또는 현장 DC 마이크로그리드를 통해 공급되는 고전압 DC 전력도 사용합니다. 예를 들면 무정전 전원 공급 장치(UPS)가 있습니다. 이 시스템은 주 변전소에 전원을 공급하는 고전압 변압기에 AC 그리드의 고전압 전력이 공급되는 기본 설계를 따릅니다. 주 변전소에서는 여러 2차 변전소와 광산의 대규모 모터 부하에 직접 에너지를 분배합니다. 2차 변전소에서는 다른 장비에 연결된 중전압 부하와 중/저전압 변압기에 전력을 공급합니다.

이 공급 그리드는 일반적으로 안정적이지만 전력 품질 문제가 종종 발생합니다. 이러한 문제는 전력 중단, 브라운아웃, 전압 강하, 전압 서지, 과도 전압, 고조파 왜곡 및 전기 잡음의 형태로 나타납니다(그림 1).

그림 1: 전력 품질 문제를 나타내는 파형을 보여줍니다. (이미지 출처: 작성자, SolaHD의 정보 사용)

다음과 같은 전력 품질 문제의 원인과 영향을 고려해야 합니다.

전력 중단: 일반적으로 발전 또는 분배 네트워크에서 발생한 사고 또는 장비 고장으로 인해 장시간에 걸쳐 전력이 완전히 손실되는 경우입니다. 전력 중단은 컴퓨터 기반 장비의 하드웨어 고장 및 충돌, 작동 중단, 전기 장비의 수명 단축을 유발할 수 있습니다.

브라운아웃: 공급 전압이 정상 최소 수준보다 낮은 상태가 장시간 지속될 때 발생하는 상황을 설명합니다. 용량 초과 또는 기타 네트워크 문제로 인해 전력 시설에서 수요에 대응하기 위해 전압을 낮춰야 할 때 발생합니다. 브라운아웃의 영향은 전력 중단과 유사합니다.

전압 강하: 전압 강하와 부족 전압 상태는 채굴 시에 가장 흔하게 발생하는 전력 품질 문제입니다. 부하가 크게 증가하여 공급 장치에 스트레스가 가해져 공급 전압이 임계값 아래로 떨어질 때 발생합니다. IEEE에서는 전압이 정상 60Hz 아래로 10% ~ 90% 감소하는 것을 전압 강하라고 정의합니다. 전압 강하 이벤트는 8밀리초(ms) 이상 1분 미만 동안 지속됩니다. 부족 전압 상태는 1분 이상 지속됩니다.

전압 강하와 부족 전압은 모두 차단기 트립, 장비 오작동 및 전원 차단 또는 조기 장비 고장의 원인이 될 수 있습니다. 계속적인 작동은 연소 또는 폭발 위험을 높입니다. 이러한 문제의 징후로는 조명이 어두워지거나 깜박이는 경우, HVAC 장치가 제대로 작동하지 않는 경우, 모터가 뜨거워지는 경우, 자동화 제어 시스템과 컴퓨터가 잠기거나 전원이 꺼지는 경우 등이 있습니다.

전압 서지: 서지 또는 과전압 상태는 반 주기 주파수에서 수 초에 이르는 기간 동안 일시적으로 전압 레벨이 상승하는 것을 말합니다. 이러한 장애는 고전력 전기 모터의 차단 및 HVAC 시스템의 정상 사이클링으로 인해 발생할 수 있습니다. 반복적인 전압 서지 노출은 시스템에 스트레스를 주고 약화시켜 회로 차단기 및 기타 보호 장치의 오작동을 유발할 수 있습니다.

과전압과 관련된 다른 문제로는 절연 성능 저하가 있습니다. 절연 성능 저하는 화재의 촉매제 역할을 하거나 메탄 또는 석탄 분진 폭발을 유발하여 광산 전력 시스템의 안전한 운영을 위태롭게 합니다.

과도 전압: 과도 전압 또는 스파이크는 낙뢰, 전력망 스위칭과 같은 외부 요인으로 인해 전압이 급격하게 증가하여 발생합니다. 단락, 차단기 트립, 중장비 시동 등으로 인해 광산 내부에서도 발생할 수 있습니다.

민감한 전자 장비는 시스템 잠금 또는 고장을 일으켜 중요한 데이터의 손상 또는 삭제로 이어질 수 있는 과도 전압의 위험에 가장 취약합니다.

고조파 왜곡: 전압 문제는 기본 주파수의 몇 배(예: 60Hz 시스템에서 180Hz)가 공급 사인파에서 발생할 때 발생합니다. 고조파 왜곡은 가변 속도 구동기(VSD), 전력 시스템의 부하와 같은 장치의 비선형 특성으로 인해 존재합니다. 고조파는 장비와 컨덕터의 발열 증가, VSD의 착화 실패, 모터의 토크 파동으로 이어집니다. 채굴 전력 시스템에서 고조파 왜곡의 다른 증상으로는 광산의 통신 시스템 간섭, 깜박이는 조명, 차단기 트립, 느슨한 전기 연결 등이 있습니다.

광산에는 많은 전기 모터가 있으며, 대부분 비선형 VSD를 탑재하여 채굴 작업에서 고조파의 주요 원인이 됩니다. 또한 모터에 전파장 정류기를 사용하면 효율은 향상되지만 상당한 고조파가 발생합니다.

전기 잡음: 광산 내부와 외부에서 발생하는 저진폭, 저전류, 고주파 교란입니다. 원인으로는 원거리 낙뢰, 스위칭 전원 공급 장치, 전자 회로, 모터 브러시 접점 불량, 배선 품질 불량 등이 있습니다.

잡음 신호는 전압 파형에 중첩되어 컴퓨터 결함의 원인이 되며 제어 시스템 회로에 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있습니다.

전력 품질 문제 해결

채굴에서 지속적인 고품질 전력 수요라는 중대한 과제를 해결하는 동시에 견고성과 높은 수준의 전기 안전을 보장하는 가장 좋은 방법은 UPS, 전력 조절기, 서지 보호 장치(SPD), 변압기, 전원 공급 장치 등 인증된 장비를 사용하는 다층 접근 방식을 채택하는 것입니다.

표 1에는 특정 전력 품질 문제를 제어하는 데 가장 적합한 장비가 요약되어 있습니다.

표 1: 채굴 환경에서 발생할 수 있는 모든 전력 품질 문제에 대처하기 위해서는 일련의 보호 장치가 필요합니다. (이미지 출처: SolaHD)

전력 품질 문제에 대한 다층적 접근 방식으로 설계, 수집, 배포 공정을 간소화하고 호환성을 보장하기 위해 SolaHD와 같은 단일 소스를 사용하는 것이 도움이 됩니다. 예를 들어, 이 회사의 SDU500B 오프라인 UPS는 전력 중단 시 최대 부하에서 4분 20초 동안, 1/2 부하에서 14분 30초 동안 백업 전력을 공급합니다(그림 2). 표 1에 표시된 대로 이 UPS는 브라운아웃, 전압 강하, 전압 서지, 과도 전압 및 고조파 발생 시에도 주 전원 공급 장치를 지원합니다.

그림 2: SDU500B 오프라인 UPS는 최대 부하에서 4분 20초 동안 백업 전력을 공급합니다. (이미지 출처: SolaHD)

이 UPS는 DIN 레일 실장형이며 8시간 만에 완전히 충전되고 유지 보수가 필요 없는 밀폐형 납축(SLA) 배터리를 사용합니다. 300W, 120V 출력과 50Hz ~ 60Hz의 시뮬레이션된 사인파, 8ms 미만의 전송 시간을 지원합니다. 이 UPS는 0˚C ~ 50˚C의 온도 범위에서 작동할 수 있으며 E491259에 따라 위험 지역으로 분류된 구역에서 사용하도록 '승인된 부품'으로, 채굴 작업에 적합합니다.

또한 SolaHD의 전력 조절기는 최대 +10/-20%의 입력 변동에 대해 ±1% 이내로 전압을 조절할 수 있고, 뛰어난 잡음 감쇠 기능을 제공하며, 가장 열악한 전기 환경을 견딜 수 있도록 설계되었습니다.

이 전력 조절기에서는 제한된 결합으로 장치에서 두 개의 개별 자기 경로를 생성하는 철공진이라는 변압기 설계 기술을 사용합니다. 이 설계의 한 가지 장점은 기본 전류와 비교해서 입력 전류에 포함된 고조파 전류가 무시할 수 있을 정도로 적다는 것입니다. 변압기의 출력 측에는 병렬 공진 탱크 회로가 있으며 1차측에서 전력을 끌어와서 부하에 전달되는 전력을 대체합니다.

예를 들어 SolaHD 63-23-112-4 120VA MCR 하드와이어 조정기는 120V, 208V, 240V 또는 480V 입력에서 120V 출력(±3%)을 제공하는 전력 조정기입니다. 전압 조정과 함께 탁월한 잡음 필터링 및 서지 보호를 보장합니다. 잡음 감쇠는 공통 모드에서 120dB, 횡 모드에서 60dB입니다. 서지 보호 기능은 ANSI/IEEE C62.41 클래스 A 및 B 파형에 대해 테스트되었습니다. MCR 하드와이어 조정기는 브라운아웃, 전압 강하, 서지, 과도 전압, 고조파 및 전기 잡음이 예상되는 경우에 적합합니다.

SPD는 장비를 손상시키는 과도 전압으로부터 보호합니다. SolaHD의 STV25K-24S 과도 전압 서지 억제기(TVSS) SPD는 240V 입력(최대 20A)에서 작동하고 금속 산화물 배리스터(MOV)를 사용하여 사용 시점 보호 기능을 제공하는 DIN 레일 실장 장치입니다(그림 3).

그림 3: STV25K-24S TVSS SPD는 240V 입력(최대 20A)에서 작동하고 사용 시점 서지 보호 기능을 제공하는 DIN 레일 실장 장치입니다. (이미지 출처: SolaHD)

SolaHD SPD는 광산 시설과 같은 열악한 산업 환경의 제어 캐비닛에 설치하기에 적합합니다. 이 장치는 위상당 25,000A의 서지 보호를 제공합니다. 과도 상태에 대한 응답 시간은 5ns 미만입니다. SPD는 과도한 전류 레벨로 인한 MOV 과열을 방지하기 위해 열 용단을 통합합니다.

절연 변압기 및 전원 공급 장치 지정

절연 변압기는 입력 AC 전압을 적절한 출력값으로 높이거나 낮추는 이외에 2차측에 연결된 장치를 고조파 및 전기 잡음으로부터 보호할 수 있습니다.

한 가지 예로 SolaHD E2H112S가 있습니다. 이 절연 변압기는 에너지 효율이 높은 건식 타입으로 웨더 실드가 특징입니다. 1차 입력은 480V(최대 135A)이고, 2차에서 208V 또는 120V(최대 315A)를 제공하며, 정격 전류는 112.5kVA입니다(그림 4). 또한 이 변압기는 고조파 및 전기 잡음을 완화합니다.

그림 4: E2H112S 절연 변압기는 1차측에서 480V 입력을 받고 2차측에서 208V 또는 120V를 제공합니다. 또한 이 변압기는 고조파 및 전기 잡음을 완화합니다. (이미지 출처: SolaHD)

변압기는 회로 차단기를 통해 유입 전류로부터 보호되어야 합니다. 불필요한 트립을 방지하기 위해 적절한 시간 지연이 있는 회로 차단기 장치를 선택하는 것이 올바른 설계 관행입니다. 이 현상은 유입 전류가 높지만 변압기를 손상시킬 만큼 지속 시간이 충분하지 않을 때 발생합니다.

전원 공급 장치는 모든 전기 공급 시스템에 필수적이며, 장비에 AC 또는 DC 전원을 공급하고 주 공급 장치에서 전기 잡음을 걸러내는 데 도움을 줍니다. DIN 레일 실장 버전은 깔끔하고 공간 낭비가 없습니다. 단상 및 3상 AC 모델을 사용할 수 있으며, 출력 전력의 중단 없이 선간 전압의 절반까지 전압 강하를 처리할 장치를 지정할 수도 있습니다.

SolaHD는 SDN5-24-100C AC/DC 공급 장치와 같은 다양한 DIN 레일 전원 공급 장치를 제공합니다(그림 5). 이 장치는 단상 공급 장치이며 위험 지역 E234790 사양을 준수합니다. 85VAC ~ 264VAC 입력 또는 90VDC ~ 375VDC 입력을 받아 공칭 24V 출력을 공급할 수 있습니다. 출력 전류는 5A입니다. 출력의 전압 리플은 50mV(피크 투 피크)미만입니다. 이 전원 공급 장치는 높은 전자파 장해(EMI) 내성과 -25˚C ~ +60˚C의 작동 온도 범위를 지원합니다. 123mm x 50mm x 111mm의 콤팩트한 크기로 연속 단락, 연속 과부하, 연속 개방 회로 결함으로부터 보호됩니다.

그림 5: SDN5-24-100C는 123mm x 50mm x 111mm 크기의 콤팩트 DIN 레일 실장 전원 공급 장치입니다. (이미지 출처: SolaHD)

결론

광산은 전력 품질과 작업자의 안전을 보장하기 위해 물리적, 전기적으로 까다로운 환경입니다. 설계자는 전기 공급 시스템의 각 부품이 안정적으로 작동하면서 전력 품질 문제를 완화할 수 있는 다층적 접근 방식을 채택해야 합니다. 또한 전력 장비는 관련 안전 규정을 준수해야 합니다. 설계자는 단일 벤더와 협력하여 현장의 신뢰성을 개선하고 유지보수 비용을 낮추며 안전을 보장하고 전력 품질 문제를 운영에 영향을 미치기 전에 완화하는 전기 네트워크를 신속하게 구축할 수 있습니다.