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Com o rápido avanço da tecnologia na indústria de mineração de carvão, os níveis de potência dos equipamentos de mineração continuam aumentando, e as distâncias das frentes mineradoras estão se estendendo. Esses desenvolvimentos impõem demandas maiores sobre os sistemas de fornecimento de energia correspondentes. Durante o processo de mineração, a distância entre mineração de carvão, equipamentos de escavação e sistemas de fornecimento de energia aumenta, levando a inúmeros desafios, como redução do fator de potência, baixa tensão nas extremidades das linhas, flutuações de tensão e distorção da forma de onda devido a cargas de alto impacto e não lineares. Abordando essas questões, este artigo propõe várias soluções, compara suas vantagens e desvantagens, e apresenta um esquema inovador de compensação de tensão, juntamente com equipamentos e aplicações de campo relacionadas.
Palavras-chave: Mina de carvão subterrânea; Fonte de energia de longa distância; Equipamentos de escavação; Qualidade da potência; Compensação de tensão
O rápido desenvolvimento da indústria de mineração de carvão levou a um aumento das necessidades de energia para equipamentos de mineração, resultando em frentes de mineração mais longas. Essa extensão apresenta desafios significativos para os sistemas de alimentação correspondentes. À medida que a distância entre equipamentos de mineração e escavação e dispositivos de alimentação aumenta (power supply), a presença de grandes cargas de impacto e cargas não lineares leva a uma série de problemas de qualidade de fontes de alimentação de longa distância. Essas incluem redução do fator de potência, baixa tensão nas extremidades da linha, flutuações de tensão e distorções de forma de onda. Esses problemas não só dificultam o início de equipamentos grandes e causam falhas frequentes, como também reduzem o desempenho do isolamento, levando a incidentes de segurança elétrica. Além disso, a transmissão de energia por longa distância resulta em perdas substanciais nas linhas, aumentando significativamente o consumo e os custos de energia para as empresas de mineração de carvão.
Para mitigar perdas econômicas, aumentar a segurança e melhorar a eficiência, este artigo revisa soluções comuns para fornecimento de energia de longa distância em minas subterrâneas de carvão, comparando seus prós e contras, e propõe um esquema inovador de compensação de tensão.
2.1 Múltiplos cabos em diâmetro paralelo ou maior
Usar múltiplos cabos em paralelo ou substituir cabos existentes por diâmetros maiores pode reduzir a impedância equivalente e as quedas de tensão. No entanto, essa abordagem aumenta os custos dos cabos e a complexidade da instalação.
Figura 1. Esquema de cabos paralelos ou solução de seção transversal aumentada do cabo
2.2 Ajuste das derivações do transformador para aumentar a tensão de alimentação
Ajustar as derivações do transformador para aumentar a tensão de alimentação pode compensar as perdas na linha. No entanto, esse método pode resultar em tensões excessivamente altas durante o tempo de inatividade do equipamento ou operação sem carga, representando riscos para o isolamento de cabos e dispositivos.
Figura 2. Esquema do aumento da solução de tensão de saída do transformador móvel
2.3 Aproximando Transformadores Móveis de Equipamentos
Mover transformadores móveis mais perto do equipamento reduz o comprimento dos cabos de alimentação, diminuindo assim as quedas de tensão. No entanto, o reposicionamento frequente dos transformadores aumenta as dificuldades operacionais e os custos.
Figura 3. Esquema de realocação do transformador móvel mais próximo da carga
2.4 Adição de SVG à prova de explosão para compensação de potência reativa
A implantação de unidades SVG à prova de explosão próximas a equipamentos de carga proporciona compensação de potência reativa, aumento das tensões de fim de linha e estabilização do funcionamento do equipamento. Essa solução exige colocar SVGs próximos à carga, idealmente movendo-os junto com a carga, se possível, o que ainda pode envolver múltiplas realocações e custos aumentados.
Figura 4. Esquema de adição de SVG à prova de explosão no lado da carga para compensação de potência reativa
Para abordar as limitações das soluções acima, este artigo propõe uma abordagem inovadora: integrar um dispositivo de regulação de grade no meio da linha para elevar a tensão da linha, garantindo que o equipamento de fim de linha receba energia suficiente.
Figura 5. Esquema da instalação de um dispositivo de regulação integrado à rede no meio da linha
O dispositivo integrado de regulação de tensão melhora a compensação de potência reativa do sistema de energia, melhorando o fator de potência e reduzindo as perdas de queda de tensão. Ele compensa as perdas induzidas pela corrente ativa aumentando a tensão do sistema, garantindo tensões estáveis no fim da linha. O dispositivo ajusta automaticamente com base nos parâmetros da tensão da grade e da corrente de linha, mantendo a tensão dentro de faixas aceitáveis sob condições variadas.
ODispositivo de Regulação Integrada da Redefoi comissionado com sucesso e colocado em operação na face de direção subterrânea deMina de Carvão Nº 5 de Changcheng, localizada em Otog Front Banner, Região Autônoma da Mongólia Interior. A mina é operada porShandong Energy Xinmin Inner Mongolia Energy Co., Ltd., fundada em 2005 e situada na cidade de Ordos, Mongólia Interior.
A Mina Nº 5 de Changcheng cobre uma área de mineração de13,6595 km², com reservas geológicas totais de180,4 milhões de toneladas métricase reservas recuperáveis de118,8 milhões de toneladas métricas. Possui uma capacidade anual de produção projetada de1,8 milhão de toneladase uma vida útil estimada de50,8 anos.
A frente da mina estava de frente severaProblemas de queda de tensão na fonte de alimentação de longa distância. A solução anterior envolvia realocar a subestação móvel (transformador móvel) toda vez que o rumo avançava uma certa distância. Essa abordagem gerou custos significativos de mão de obra e materiais e interrompeu a continuidade da produção — destacando uma necessidade urgente de melhorias.
Investigações detalhadas do local revelaram os seguintes parâmetros do sistema:
Para determinar a distância máxima viável de operação sem suporte de tensão, foram realizados os seguintes cálculos:
(1)Impedância equivalente da subestação móvel:
onde Un é a tensão nominal do sistema, Uz% é a porcentagem de impedância de curto-circuito da subestação e In é sua corrente nominal.
(2)Impedância equivalente do motor de corte durante a partida:
onde Iq é a corrente inicial do motor.
(3) No pior cenário possível (distância máxima), a queda de tensão permitida no terminal do motor é25%, ou seja, a tensão mínima permitida nos terminais é:
Umin=0,75×1140 V=855 VUmin=0,75×1140V=855V
(4) A corrente inicial do motor de corte sob essa condição era calculada de acordo.
(5) A queda de tensão permitida através do cabo é:
onde Uo é a tensão de saída da subestação móvel.
(6) De acordo com tabelas padrão de cabos, a resistência equivalente do120 mm²Cabo éRc=0,173 Ω/kmRc=0,173Ω/km(por fase).
(7) Com base nesses parâmetros, oDistância máxima permitida na fonte de alimentaçãofoi calculado como aproximadamente1400 metros.
A análise confirmou que quando o topo rodoviário opera além do~1400 metrosA partir da subestação móvel, uma queda excessiva de tensão tanto durante a partida quanto na operação normal causava desligamentos dos equipamentos ou falha no arranque.
Para resolver isso, umDispositivo de Regulação Integrada da Redefoi instalado1,4 km rio abaixoDa subestação móvel, conforme mostrado em:
Figura 6. Esquema do local de instalação do Dispositivo de Regulação Integrada da Rede
O dispositivo foi configurado com uma tensão de saída alvo de1300 V. Após a regulação, a tensão da linha é mantida aproximadamente em1300 V, permitindo que o segmento de cabo a jusante — do dispositivo até o coletor da estrada — se estendaalém de 1,4 kmainda atendendo ao requisito operacional de 1140 V na extremidade da carga. A mesma metodologia de cálculo se aplica e, portanto, é omitida aqui para maior brevidade.
Após a instalação do Dispositivo de Regulação Integrada da Grade, a distância efetiva de direção foi estendida ao máximo2800 metros. O conector de estrada agora opera de forma confiável, sem interrupções relacionadas à tensão. A frequência de realocações de subestações móveis foi significativamente reduzida, a estabilidade do sistema melhorou e a solução recebeuElogios Altos do Cliente.
Figura 7. Foto no local do Dispositivo de Regulação Integrada da Rede em operação na Mina Nº 5 de Changcheng
À medida que a indústria de mineração de carvão evolui, a demanda por energia dos equipamentos de mineração continua a crescer, exigindo distâncias de trabalho mais longas. Problemas de fornecimento de energia de longa distância, especialmente quedas de tensão, são comuns em operações subterrâneas. Motores de partida direta usados em escavadeiras e mineradores enfrentam desafios significativos de partida devido à alta demanda inicial da corrente. Soluções tradicionais têm limitações, mas o dispositivo de regulação integrado à rede proposto oferece uma solução eficaz, aumentando a eficiência do trabalho subterrâneo e reduzindo custos operacionais.
A combinação de unidades SVG à prova de explosão e dispositivos de regulação integrados à rede oferece uma solução abrangente para melhorar a qualidade da energia em minas subterrâneas de carvão, garantindo fornecimento de energia confiável e eficiente.
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