安全で信頼性の高い鉱業用電力供給の設計

世界の鉱山では、電動機器により、岩石を運搬、粉砕、研磨し、原料を運び、暗い洞窟を照らし、ポンプや換気扇を動かし、ドリル、切断機、集塵機、ホイストに電力を供給しています。機器の故障はコストのかかる生産ダウンタイムにつながるため、振動、衝撃、化学物質、粉塵、熱、湿気にさらされても高い信頼性が求められます。

作業員の安全を確保しながら、このような環境に対応した電気供給ネットワークを設計することが課題となりますが、その際に国際的な運用・安全規格の認証を取得した市販の電気製品を利用できることが支えになります。システム設計を簡素化し、コンポーネント間の互換性を確保するために、設計者は、完全なソリューションを構築するのに必要な機器の多くに対して単一の供給元を利用できます。

この記事では、鉱業が電気機器に求める環境要件と電力品質について簡単に概説します。次に、SolaHDの専門的ソリューションの例を紹介し、電力品質と作業員の安全を確保するための多層的アプローチにどのように適用できるかを説明します。

地下電気工学の課題

鉱山では、機器は腐食性液体、可燃性粉塵、汚れ、刺激の強い化学物質、激しい振動、不規則な衝撃、電力サージ、極端な温度変化にさらされます。しかし、機器とその電源システムには安全性と信頼性が求められます。

安全性は、米国鉱山安全衛生局（MSHA）などの機関や1977年連邦鉱山安全衛生法による監督によって強化されています。もう一つの米国規格は、米国電気工事規定（NEC）、または全米防火協会（NFPA）70です。この規格は、電気配線および電気機器の安全な設置について規定しています。NEC第500条は、鉱山やその周辺で生じる特定の危険に対して試験および承認された規定準拠の機器を設置することを義務付けています。

電力品質を確保するには、基本的な電源アーキテクチャと関連する問題を理解する必要があります。

通常、鉱山はACグリッドから電力を得ていますが、AC/DC変換や敷地内のDCマイクログリッドから供給される高圧DC電源も使用しています。無停電電源（UPS）はその1例です。このシステムは次の基本的な設計に従っています。主変電所に供給される高圧トランスに送られるACグリッドからの高圧電力は。主変電所は、複数の2次変電所と鉱山の大型モータ負荷に直接エネルギーを分配します。2次変電所は、中電圧負荷と他の機器に接続された中低圧トランスに電力を供給します。

この供給グリッドは通常安定していますが、電力品質の問題がしばしば発生します。このような問題は、停電、ブラウンアウト、電圧サグ、電圧過渡、高調波歪み、電気ノイズなどの形で生じます（図1）。

図1：電力品質の問題を示す波形。（画像提供：SolaHDの情報をもとに筆者作成）

これらの電力品質の問題の原因と影響について考えてみましょう。

停電：長期間にわたる完全な電源損失で、通常、電力会社の発電または配電ネットワークにおける事故または機器の故障によって引き起こされます。停電は、コンピュータベースの機器のハードウェア障害やクラッシュを引き起こし、業務を停止させ、電気機器の寿命を縮める可能性があります。

ブラウンアウト：これは、供給される電圧が、通常の最低レベルを下回る状態が長時間続く場合に起きることを指しています。過剰設備や他のネットワークの問題により、電力会社が需要に対応するために電圧を下げざるを得ない場合に発生します。ブラウンアウトの影響は停電の影響と似ています。

電圧サグ：サグと不足電圧状態は、鉱業で最も一般的な電力品質障害です。負荷の大幅な増加が電源にストレスを与え、電源電圧が閾値レベルを下回る場合に発生します。IEEEは、サグを通常の60Hz電圧を下回る10%～90%の電圧低下として定義しています。サグの発生は、8ミリ秒（ms）以上1分未満にわたって続きます。不足電圧は1分以上にわたって続きます。

サグと不足電圧の両方が、不用なブレーカトリップ、機器の誤動作とシャットダウン、または機器の早期故障を引き起こす可能性があります。操作を続けると、燃焼や爆発の危険性が高まります。これらの問題の兆候として、照明の暗さやフリッカ、HVACユニットの動作不良、モータの熱暴走、オートメーション制御システムやコンピュータのロックアップやパワーダウンなどがあります。

電圧サージ：サージまたは過電圧状態は、1/2周波数サイクルから数秒間までの一時的な電圧レベルの上昇です。これらの障害は、高電力の電気モータの停止や、HVACシステムの通常のサイクルによって引き起こされる可能性があります。電圧サージに繰り返しさらされると、システムにストレスがかかって能力が低下し、サーキットブレーカや他の保護装置の誤作動を引き起こす可能性があります。

過電圧に関連したさらなる問題は、絶縁劣化です。劣化している絶縁は、火災のきっかけとなったり、メタンや炭塵の爆発を引き起こしたりして、鉱山の電力システムの安全な動作を妨げます。

電圧過渡：電圧過渡（スパイク）は、落雷や電力会社の送電網切り替えなどの外的要因によって発生する急激な電圧上昇によって生じます。また、短絡、ブレーカのトリップ、重機の始動などの原因により鉱山内で発生することもあります。

高感度の電子機器は、システムのロックアップや障害を引き起こし、貴重なデータを破損または削除する可能性のある電圧過渡によるリスクに最もさらされます。

高調波歪み：電源の正弦波に基本周波数の倍数（60 Hzのシステムで180 Hzなど）が発生すると、電圧の問題が生じます。高調波歪みは、可変速駆ドライブ（VSD）や電力システムの負荷などの装置の非線形特性によって存在します。高調波は、機器や導体の加熱、VSDの失弧、モータのトルク脈動の増大につながります。鉱山の電力システムにおける高調波歪みの他の症状には、鉱山の通信システムへの干渉、照明のフリッカ、ブレーカのトリップ、電気接続の緩みなどがあります。

鉱山には多くの電気モータがあり、そのほとんどが非線形のVSDを備えているため、鉱山作業における高調波の主な発生源となっています。さらに、モータに全波整流器を使用すると効率は向上しますが、かなりの高調波が発生します。

電気ノイズ：鉱山内外で発生する低振幅、低電流、高周波の障害です。原因は、遠距離での落雷、スイッチング電源、電子回路、モータブラシの接触不良、低品質の配線などです。

ノイズ信号は電圧波形にスーパーインポーズされ、制御システムの回路にコンピュータのグリッチや望ましくない影響を引き起こす可能性があります。

電力品質の問題への対処

鉱業における高品質な電力に対する継続的な需要および堅牢性と高い電気安全性の確保という重大な課題に対応する最善の方法は、UPS、パワーコンディショナ、サージ保護デバイス（SPD）、トランス、および電源装置を含む認定機器を使用する多層的アプローチを採用することです。

表1は、特定の電力品質問題を制御するのに最適な機器をまとめたものです。

表1：鉱業環境で発生する可能性のあるあらゆる電力品質問題に対処するためには、一連の保護デバイスが必要です。（画像提供：SolaHD）

多層的な電源品質アプローチのためにSolaHDのような単一の供給元と連携することは、設計、取得、展開のプロセスを簡素化し、互換性を確保する上で有用です。たとえば、同社のSDU500BオフラインUPSは、停電が発生した場合、全負荷時で4分20秒、半負荷時で14分30秒のバックアップ電力を提供します（図2）。表1に示すように、このUPSは、ブラウンアウト、電圧サグ、電圧サージ、電圧過渡、および高調波の発生時にも主電源をサポートします。

図2：SDU500BオフラインUPSは、全負荷時に4分20秒間バックアップ電力を供給します。（画像提供：SolaHD）

UPSはDINレールマウントで、8時間でフル充電されるメンテナンス不要の密閉型鉛蓄電池（SLA）を使用しています。300W、120Vの出力を提供し、50～60Hzのシミュレートされた正弦波を備え、転送時間は8ミリ秒未満です。このUPSは0～50℃の温度範囲で動作し、E491259に基づいて危険場所と分類されたゾーンで使用するための「認定コンポーネント」であり、採鉱作業に適しています。

また、SolaHDのパワーコンディショナは、最大+10/-20%の入力変動に対して±1%以内に電圧を調整することができ、優れたノイズ減衰を提供し、最も過酷な電気的環境に耐えるように設計されています。

このパワーコンディショナは、鉄共振と呼ばれるトランス設計技術を使用しており、限られたカップリングでデバイス内に2つの独立した磁路を作成します。この設計の利点の1つは、入力電流に基本周波数と比較して無視できるほどの高調波電流が含まれることです。トランスの出力側は並列共振タンク回路を備え、負荷に送られる電力を置き換えるために1次側から電力を引き出します。

たとえば、SolaHD 63-23-112-4 120ボルトアンペア（VA）MCRハードワイヤレギュレータは、120、208、240、または480V入力から120V出力（±3%）を供給するパワーコンディショナです。電圧安定化とともに、優れたノイズフィルタリングとサージ保護を保証します。ノイズ減衰はコモンモードで120デシベル（dB）、横モードで60dBです。そのサージ保護は、ANSI/IEEE C62.41クラスAおよびB波形に対してテスト済みです。MCRハードワイヤレギュレータは、ブラウンアウト、電圧サグ、サージ、過渡、高調波、電気ノイズが予想される場合に、優れた選択肢となります。

SPDは、機器に損傷を与える電圧過渡から保護します。SolaHDのSTV25K-24S過渡電圧サージ抑制器（TVSS）SPDは、240V入力（最大20A）で動作し、酸化金属バリスタ（MOV）を使用することでユースポイント保護を提供するDINレールマウントデバイスです（図3）。

図3：STV25K-24S TVSS SPDは、240V入力（最大20A）で動作し、ユースポイントのサージ保護を提供するDINレールマウントデバイスです。（画像提供：SolaHD）

SolaHD SPDは、採掘施設などの過酷な産業環境における制御キャビネットに設置するのに適しています。このデバイスは、1位相あたり25,000Aのサージ保護を提供します。過渡に対する応答時間は5ナノ秒（ns）未満です。SPDには、過剰な電流レベルによって引き起こされるMOVの過熱を防ぐサーマルヒューズが組み込まれています。

絶縁型トランスと電源の指定

絶縁型トランスは、入力AC電圧を適切な出力値へと昇圧または降圧することに加えて、2次側に接続されたデバイスを高調波や電気ノイズから保護することができます。

その1例が、SolaHD E2H112Sです。この絶縁型トランスは、エネルギー効率の高い乾式タイプで、ウェザーシールドを備えています。480Vの1次側入力（最大135A）を備え、2次側から208Vまたは120V（最大315A）を提供し、定格は112.5キロボルトアンペア（kVA）です（図4）。また、トランスは高調波と電気ノイズを軽減します。

図4：E2H112S絶縁型トランスは、1次側に480Vの入力を受け、2次側に208Vまたは120Vを提供します。また、トランスは高調波と電気ノイズを軽減します。（画像提供：SolaHD）

トランスは、回路ブレーカによって突入電流から保護されている必要があります。時間遅延が適切な回路ブレーカデバイスを選択して、不用なトリップを排除することは、優れた設計方法です。この現象は、突入電流が高くても、トランスを損傷させるには持続時間が不十分な場合に発生します。

電源は、あらゆる電気供給システムにとって不可欠であり、機器にACまたはDC電源を供給し、主電源からの電気ノイズを除去するのに役立ちます。DINレールマウントバージョンは、コンパクトな省スペース設計です。単相と三相のACモデルがあります。ライン電圧の半分までの電圧サグに対応し、出力電力を低下させないデバイスを指定することも可能です。

SolaHDは、SDN5-24-100C AC/DC電源など、さまざまなDINレール電源を提供しています（図5）。これは単相電源で、危険場所E234790仕様に準拠しています。85～264VのAC（VAC）入力、または90～375VのDC（VDC）入力を受け入れ、公称24Vの出力を供給することができます。出力電流は5Aです。出力の電圧リップルのピークツーピークは、50ミリボルト（mV）未満です。この電源は、高い電磁妨害（EMI）耐性と-25～+60℃の動作温度範囲を備えています。サイズは123 x 50 x 111mmとコンパクトで、連続短絡、連続過負荷、連続開回路故障に対して保護されています。

図5：SDN5-24-100Cは、123 x 50 x 111mmの小型DINレールマウント電源です。（画像提供：SolaHD）

まとめ

鉱山は物理的にも電気的にも、電力品質と作業員の安全を確保するのが難しい環境です。設計者は、電力供給システムの各コンポーネントが電力品質の課題を軽減しながら確実に動作できるような多層的アプローチを採用する必要があります。電力設備も、関連する安全規制を遵守する必要があります。設計者は、単一のベンダーと連携することで、サイトの信頼性を向上させ、メンテナンスコストを削減し、安全性を確保し、操業に影響が及ぶ前に電力品質の問題を軽減する電気ネットワークを迅速に構築することができます。