تعويض الجهد المبتكر لإمدادات الطاقة لمسافات طويلة في مناجم الفحم تحت الأرض

الملخص

مع التقدم السريع للتكنولوجيا في صناعة تعدين الفحم، تستمر مستويات الطاقة في معدات تعدين الفحم في الارتفاع، وتزداد المسافات بين وجوه التعدين. تفرض هذه التطورات طلبا أعلى على أنظمة تزويد الطاقة المقابلة. خلال عملية التعدين، تزداد المسافة بين تعدين الفحم، ومعدات الحفر، وأنظمة تزويد الطاقة، مما يؤدي إلى العديد من التحديات مثل انخفاض عامل الطاقة، انخفاض الجهد في أطراف الخط، تقلبات الجهد، وتشوه الموجة الناتجة عن الأحمال عالية الصدمات وغير الخطية. لمعالجة هذه القضايا، تقترح هذه الورقة عدة حلول، وتقارن بين مزاياها وعيوبها، وتقدم نظام تعويض الجهد المبتكر إلى جانب المعدات والتطبيقات الميدانية ذات الصلة.
الكلمات المفتاحية: منجم فحم تحت الأرض; مصدر الطاقة لمسافات طويلة؛ معدات الحفر؛ جودة الطاقة؛ تعويض الجهد
 

1. مقدمة

أدى التطور السريع لصناعة تعدين الفحم إلى زيادة متطلبات الطاقة لمعدات التعدين، مما أدى إلى وجوه تعدين أطول. يشكل هذا الامتداد تحديات كبيرة لأنظمة تزويد الطاقة المقابلة. مع تزايد المسافة بين معدات التعدين والحفر وأجهزة تزويد الطاقة، يؤدي وجود أحمال صدمة كبيرة وأحمال غير خطية إلى سلسلة من مشاكل جودة مزودات الطاقة لمسافات طويلة. تشمل هذه عوامل تقليل عامل القدرة، انخفاض الجهد عند نهايات الخط، تقلبات الجهد، وتشوهات الموجة. هذه المشاكل لا تجعل تشغيل المعدات الكبيرة صعبة وتسبب أعطالا متكررة، بل تقلل أيضا من أداء العزل، مما يؤدي إلى حوادث السلامة الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي نقل الطاقة لمسافات طويلة إلى خسائر كبيرة في الخط، مما يزيد بشكل كبير من استهلاك الطاقة والتكاليف لمؤسسات تعدين الفحم.
لتقليل الخسائر الاقتصادية، وتعزيز السلامة، وتحسين الكفاءة، تستعرض هذه الورقة الحلول الشائعة لإمدادات الكهرباء لمسافات طويلة في مناجم الفحم تحت الأرض، وتقارن بين إيجابياتها وعيوبها، وتقترح نظام تعويض جهد مبتكر.
 

2. الحلول الشائعة لإمدادات الطاقة لمسافات طويلة في مناجم الفحم تحت الأرض

2.1 عدة كابلات بقطر كابل متوازي أو أكبر

استخدام عدة كابلات بالتوازي أو استبدال الكابلات الموجودة بأقطار أكبر يمكن أن يقلل من الممانعة المكافئة وانخفاض الجهد. ومع ذلك، يزيد هذا النهج من تكاليف الكابلات وتعقيد التركيب.
 

الشكل 1. مخطط الكابلات المتوازية أو حل المقطع العرضي المتزايد للكابل
 

2.2 تعديل صنابير المحولات لزيادة جهد الإمداد

تعديل صنابير المحول لزيادة جهد التغذية يمكن أن يعوض عن فقدان الخط. ومع ذلك، قد تؤدي هذه الطريقة إلى جهود عالية جدا أثناء توقف المعدات أو التشغيل بدون حمل، مما يشكل مخاطر على عزل الكابلات والأجهزة.

الشكل 2. مخطط لحل جهد خرج المحولات المتنقلة المتزايدة
 

2.3 نقل المحولات المتنقلة أقرب إلى المعدات

نقل المحولات المتنقلة أقرب إلى المعدات يقلل من طول كابلات الإمداد، مما يقلل من انخفاض الجهد. ومع ذلك، فإن إعادة تموضع المحولات بشكل متكرر تزيد من صعوبات التشغيل والتكاليف.

الشكل 3. مخطط لنقل المحول المتنقل أقرب إلى الحمل
 

2.4 إضافة SVG مقاوم للانفجار لتعويض القوة التفاعلية

نشر وحدات SVG المقاومة للانفجار بالقرب من معدات التحميل يوفر تعويضا عن الطاقة التفاعلية، مما يرفع جهود نهاية الخط ويثبت تشغيل المعدات. يتطلب هذا الحل وضع SVGs بالقرب من الحمل، ويفضل نقلها مع الحمل إذا أمكن، وقد يتطلب ذلك عدة عمليات نقل وزيادة التكاليف.

الشكل 4. مخطط لإضافة SVG مقاوم للانفجار في جانب الحمل لتعويض القدرة التفاعلية
 

3. جهاز تنظيم متكامل للشبكة في منتصف الخط

لمعالجة حدود الحلول المذكورة أعلاه، تقترح هذه الورقة نهجا مبتكرا: دمج جهاز تنظيم الشبكة في منتصف الخط لرفع جهد الخط، مما يضمن حصول معدات نهاية الخط على طاقة كافية.

الشكل 5. مخطط تركيب جهاز تنظيم متكامل مع الشبكة في منتصف الخط
 

يعزز جهاز تنظيم الجهد المدمج تعويض الطاقة التفاعلية لنظام الطاقة، مما يحسن عامل القدرة ويقلل من خسائر انخفاض الجهد. يعوض عن الخسائر الناتجة عن التيار النشط من خلال زيادة جهد النظام، مما يضمن استقرار جهود نهاية الخط. يقوم الجهاز بالضبط تلقائيا بناء على معايير جهد الشبكة وتيار الخط، محافظا على الجهد ضمن نطاقات مقبولة تحت ظروف مختلفة.
 

4. التطبيق الميداني لجهاز التنظيم المتكامل للشبكة

الجهاز تنظيم الشبكة المتكاملتم تشغيله بنجاح وتشغيله في واجهة التوجيه تحت الأرضمنجم الفحم رقم 5 تشانغتشنغ، تقع في راية أوتوغ فرونت، منطقة منغوليا الداخلية ذاتية الحكم. يتم تشغيل المنجم بواسطةشركة شاندونغ إنرجي شينمين للطاقة في منغوليا الداخلية المحدودة.، تأسست في عام 2005 وتقع في مدينة أوردوس، منغوليا الداخلية.
منجم تشانغتشنغ رقم 5 يغطي منطقة تعدين13.6595 كم²، مع إجمالي الاحتياطيات الجيولوجية180.4 مليون طن متريواحتياطيات قابلة للاسترداد من118.8 مليون طن متري. لديها قدرة إنتاجية سنوية مصممة لتكون1.8 مليون طنوعمر الخدمة المقدر50.8 سنة.
وجه المنجم كان واضحامشاكل انخفاض جهد مزود الطاقة لمسافات طويلة. الحل السابق كان يتضمن نقل محطة التحويل المتنقلة (المحول المتنقل) في كل مرة يتقدم فيها الاتجاه لمسافة معينة. وقد تكبد هذا النهج تكاليف عمالة ومواد كبيرة وعطل استمرارية الإنتاج — مما يبرز الحاجة الملحة للتحسين.
كشفت التحقيقات الميدانية التفصيلية عن المعايير التالية للنظام:

• جهد تشغيل النظام:1140 V
• إجمالي قوة الطريق:518 كيلوواط
  • محرك مضخة هيدروليكية:200 كيلوواط
  • محرك القطع:318 كيلوواط
• سعة المحطة الفرعية المتنقلة:1 MVA
• مقطع الكابل العرضي:120 مم²
• المسافة الإجمالية المصممة للاتجاه:2.8 كم

لتحديد أقصى مسافة تشغيل ممكنة بدون دعم الجهد، أجريت الحسابات التالية:
(1)الممانعة المكافئة للمحطة الفرعية المتنقلة:

حيث أن Un هو الجهد الاسمي للنظام، وUz٪ هو نسبة مقاومة الدائرة القصيرة في محطة التحويل، وIn هو التيار المقدر لها.

(2)مقاومة مكافئة لمحرك القطع أثناء التشغيل:

حيث أن Iq هو تيار بدء المحرك.

(3) في أسوأ سيناريو (المسافة القصوى)، يكون هبوط الجهد المسموح به عند طرف المحرك هو25%، مما يعني أن الحد الأدنى المسموح به لجهد الطرف هو:

Umin=0.75×1140 V=855 VUmin=0.75×1140V=855V

(4) تم حساب تيار بدء محرك القطع في هذه الحالة وفقا لذلك.

(5) انخفاض الجهد المسموح به عبر الكابل هو:

حيث Uo هو جهد خرج المحطة الفرعية المتنقلة.

(6) وفقا لجداول الكيبل القياسية، فإن المقاومة المكافئة ل120 مم²الكابل هوRc=0.173 Ω/كمRc=0.173Ω/km(لكل مرحلة).

(7) استنادا إلى هذه المعايير،أقصى مسافة مسموح بها لمصدر الطاقةتم حسابها تقريبا1400 متر.

أكد التحليل أنه عندما يعمل رأس الطريق إلى ما بعد ذلك~1400 مترمن محطة التحويل المتنقلة، فإن انخفاض الجهد المفرط أثناء بدء التشغيل والتشغيل العادي كان يسبب توقف المعدات أو فشل في التشغيل.
لمعالجة هذا،جهاز تنظيم الشبكة المتكاملتم تثبيته1.4 كم أسفل النهرمن المحطة الفرعية المتنقلة، كما هو موضح في:

الشكل 6. مخطط موقع تركيب جهاز التنظيم المتكامل للشبكة
 

تم تكوين الجهاز بجهد خرج هدف1300 فولت. بعد التنظيم، يحافظ على جهد الخط عند حوالي1300 فولت، مما يتيح تمديد مقطع الكابل السفلي — من الجهاز إلى رأس الطريق —بعد 1.4 كممع الاستمرار في تلبية متطلبات التشغيل 1140 فولت في نهاية الحمل. تنطبق نفس منهجية الحساب، ولذلك يتم حذفها هنا للاختصار.
بعد تركيب جهاز التنظيم المتكامل للشبكة، تم تمديد مسافة الاتجاه الفعالة إلى أقصى حد2800 متر. يعمل رأس الطريق الآن بشكل موثوق دون انقطاعات مرتبطة بالجهد الكهربائي. تم تقليل وتيرة نقل المحطات الفرعية المتنقلة بشكل كبير، وتحسن استقرار النظام، وتم الحصول على الحلمدح كبير من العميل.

الشكل 7. صورة ميدانية لجهاز التنظيم المتكامل للشبكة أثناء التشغيل في منجم تشانغتشنغ رقم 5
 

5. الخاتمة

مع تطور صناعة تعدين الفحم، تستمر متطلبات الطاقة في التعدين في النمو، مما يستلزم مسافات عمل أطول. مشاكل مزودات الطاقة لمسافات طويلة، وخاصة انخفاض الجهد، شائعة في العمليات تحت الأرض. تواجه محركات التشغيل المباشر المستخدمة في الحفارات والمناجم تحديات كبيرة في بدء التشغيل بسبب الطلب العالي في البداية الحالية. الحلول التقليدية لها حدود، لكن جهاز التنظيم المتكامل المقترح للشبكة يقدم حلا فعالا، يعزز كفاءة العمل تحت الأرض ويقلل من تكاليف التشغيل.
يوفر الجمع بين وحدات SVG المقاومة للانفجار وأجهزة التنظيم المتكاملة في الشبكة حلا شاملا لتحسين جودة الطاقة في مناجم الفحم تحت الأرض، مما يضمن إمدادات طاقة موثوقة وفعالة.