針對採礦業電氣供應設備設計安全可靠的電力系統

全球各地的礦場都依賴電動設備來運輸、粉碎和研磨礦石，以及拖運原料、照亮昏暗的礦洞、驅動幫浦和通風風扇，並為鑽機、切割機器、集塵器和起重機供電。一旦這些設備故障，就會導致生產中斷，並造成重大的經濟損失，因此即便遭受振動、衝擊或接觸化學品、灰塵、高溫和濕氣的情況，設備也需具備高可靠性。

要針對這類環境設計供電網路，同時確保工作人員的安全可謂困難重重，但市面上通過國際操作和安全標準認證的商用電氣產品，有助於達成這個目標。為了簡化系統設計並確保元件之間的相容性，設計人員可透過單一貨源取得大部分需要的設備，以打造完整的解決方案。

本文將簡要概述電氣設備在礦場中所面臨的環境和電力品質要求。接著會介紹 SolaHD 的專業解決方案範例，並說明如何以多層次作法運用這些解決方案，以確保電力品質和工作人員的安全。

地下電氣工程面臨諸多挑戰

礦場中的設備容易受到腐蝕性液體、易燃粉塵、煤塵、強力化學品、劇烈振動、隨機衝擊、電力突波和極端溫度變化的影響，而這些設備及其電力系統必須安全可靠。

在美國礦場安全與衛生管理局 (MSHA) 等機構以及 1977 年《聯邦礦業安全與健康法案》的監督下，礦場的安全受到保障。此外，美國還有一套標準名為《美國國家電氣規範》(NEC)，又稱 NFPA 70。這套標準涵蓋了安裝電氣接線和設備的相關安全要求。NEC 第 500 條規定，安裝的設備必須符合法規，且須經過測試和核准方可用於具有特定危害的場所，包括礦場及其周遭環境。

只有清楚地瞭解基本的電源架構和相關問題，才能確保電力品質。

通常，礦場會從 AC 電網取得電力，但也會使用 AC/DC 轉換器或現場的 DC 微電網所提供的高壓直流電。不斷電系統 (UPS) 就是一個例子。這些系統都遵循一個基本設計，即 AC 電網的高壓電饋送到高壓變壓器，再供電給主變電所。主變電所會將電力配送到多個二次變電所，並直接供電給礦場中較大的馬達負載。二次變電所負責供電給中電壓負載，以及連接到其他設備的中低電壓變壓器。

雖然這種供電網通常比較穩定，但經常出現電力品質問題。這類問題的呈現方式可能是電力中斷、暫時低壓、電壓驟降、電壓突波、電壓瞬變、諧波失真和電氣雜訊 (圖 1)。

圖 1：此波形代表電力品質出現問題。(圖片來源：作者，引用 SolaHD 的資訊)

請思考以下電力品質問題的原因和影響：

電力中斷：指長時間完全斷電，通常是因為發電或配電網路發生事故，或設備出現故障所致。電力中斷可能會導致電腦設備的硬體故障、系統當機和操作中斷，同時可能會導致電氣設備的使用壽命縮短。

暫時低壓：指供電電壓長時間低於正常最低電壓位準時出現的現象。出現過載或其他電網問題，迫使供電部門降低電壓以因應需求時，就會發生這種情況。暫時低壓造成的影響與電力中斷的情形類似。

電壓驟降：電壓驟降和欠壓是採礦業中最常見的電力品質問題。當負載明顯增加並對供電造成壓力時，會導致電源電壓低於臨界位準，就會發生這種情況。根據 IEEE 定義，電壓比正常 60 Hz 電壓低且減少 10% 至 90%，即為電壓驟降。電壓驟降事件的持續時間不超過一分鐘，但要超過 8 ms。欠壓的持續時間則超過一分鐘。

驟降和欠壓都可能導致斷路器誤跳、設備故障和停機，或設備提前老化。如果設備在這種狀況下繼續運作，會有起火或爆炸的風險。這類問題往往有跡可循，比如燈光變暗或閃爍、HVAC 單元運作不良、馬達過熱，以及自動化控制系統和電腦發生鎖定或關機。

電壓突波：電壓突波或過壓情況是指電壓位準暫時增加，且持續時間介於半個頻率週期到幾秒之間。這些干擾可能是因為高功率電動馬達關機，以及 HVAC 系統正常關開機循環所引起。持續暴露在電壓突波下，可能會加重系統負擔並有損系統效能，進而導致斷路器和其他保護裝置誤跳。

此外，過壓還可能會引起絕緣效能下降。絕緣效能下降可能有損礦場電力系統的安全操作，可能會引發火災，或是觸發甲烷或煤塵爆炸。

電壓瞬變：電壓瞬變 (又稱尖波) 是由外部因素 (如雷擊和電網切換) 導致電壓突然顯著增加所致。這類問題也可能源自於礦場內部發生短路、斷路器跳脫和重型設備啟動。

高靈敏度的電子設備極易受到電壓瞬變的影響，可能會導致系統鎖定或故障、重要資料損毀或刪除。

諧波失真：當電源正弦波中出現倍數的基頻時 (例如 60 Hz 系統出現 180 Hz)，就會引發電壓問題。諧波失真是因為變速驅動器 (VSD) 等裝置以及電力系統負載的非線性特徵所致。諧波會導致設備和導體發熱增加、VSD 不點火和馬達扭力波動。在礦業電力系統中，諧波失真的其他症狀還有：礦場通訊系統的干擾、燈光閃爍、斷路器跳脫和電氣連接鬆動。

礦場中有許多電動馬達，其中大部分都採用非線性 VSD，而這就是採礦作業中主要的諧波來源。此外，雖然在馬達中使用全波整流器可提高效率，但同時也會產生較多的諧波。

電氣雜訊：這是礦場內外產生的低振幅、低電流和高頻干擾。其來源包括遠方雷擊、電源切換、電子電路、馬達電刷接觸不良及接線品質不佳等。

這些雜訊訊號會疊加在電壓波形之上，可能會導致電腦出現小故障，且對控制系統電路產生不樂見的影響。

解決電力品質問題

為了因應採礦作業對高品質電力的持續需求，同時確保電力系統的穩定性和高度安全性，採用多層次作法是解決關鍵挑戰的最佳途徑，也就是使用經過認證的設備，包括 UPS、電源調節器、突波保護裝置 (SPD)、變壓器和電源供應器。

表 1 歸納出可控管特定電力品質問題的最佳設備。

表 1：要因應採礦環境中出現的所有電力品質問題，需要用到的一系列保護裝置。(圖片來源：SolaHD)

採用單一貨源 (如 SolaHD) 來實施多層次電力品質作法，有助於簡化設計、採購和部署流程，並可確保系統的相容性。舉例而言，該公司的 SDU500B 離線式 UPS 可在電力中斷時，提供 4 分鐘 20 秒的全負載備援電力，以及 14 分鐘 30 秒的半負載電力 (圖 2)。如表 1 所示，這款 UPS 亦可在暫時低壓、電壓驟降、電壓突波、電壓瞬變和諧波的情況下，支援主電源供應器。

圖 2：SDU500B 離線式 UPS 可提供 4 分鐘 20 秒的全負載備援電力。(圖片來源：SolaHD)

這款 UPS 安裝在 DIN 軌道上，並採用免維護的密封式鉛酸 (SLA) 電池，可在八小時內充飽電。可提供 300 W、120 V 的輸出、50 至 60 Hz 之間的模擬正弦波，傳輸時間小於 8 ms。此 UPS 的工作溫度介於 0 至 50˚C，根據 E491259 標準，屬於「認可元件」，可在歸類於危險場所的區域中使用，因此適用於採礦作業。

此外，SolaHD 的電源調節器可在輸入波動高達 +10/-20% 的情況下，將輸出電壓穩定至 ±1% 的範圍內；更提供出色的雜訊衰減，可承受最惡劣的電氣環境。

這款電源調節器採用一種稱為鐵質共振的變壓器設計技術，能在耦合有限的裝置中，建立兩條獨立的磁性路徑。這種設計有個優點在於，輸入電流中含有相較於基礎值可忽略不計的諧波電流。此變壓器的輸出端具有一個並聯諧振器槽狀電路，可從一次側取得電力，以補償輸送給負載的電力。

以 SolaHD 63-23-112-4 120 VA MCR 固線式穩壓器為例，這款電源調節器可在 120、208、240 或 480 V 輸入下，提供 120 V 的穩壓輸出 (±3%)。除了穩壓外，還可確保達到出色的雜訊濾波和突波保護。在共模模式下，可將雜訊衰減至 120 dB，在差模模式下，則可衰減至 60 dB。突波保護能力經過測試，符合 ANSI/IEEE C62.41 A 級和 B 級波形的要求。若預期會有暫時低壓、電壓驟降、突波、瞬變、諧波和電氣雜訊等問題，這款 MCR 固線式穩壓器是不錯的選擇。

SPD 能保護設備，以免在電壓瞬變下受損。SolaHD 的 STV25K-24S 暫態電壓突波抑制器 (TVSS) SPD 是一款 DIN 軌道安裝式裝置，能以 240 V 輸入電壓 (高達 20 A) 操作，並採用金氧變阻器 (MOV) 提供使用點保護功能 (圖 3)。

圖 3：STV25K-24S TVSS SPD 是一款 DIN 軌道安裝式裝置，能以 240 V 輸入電壓 (高達 20 A) 工作，並提供使用點突波保護功能。(圖片來源：SolaHD)

這款 SolaHD SPD 適合安裝在嚴苛工業環境 (如採礦設施) 的控制機櫃中。此裝置每相可提供 25,000 A 突波保護。其暫態反應時間低於 5 ns。此 SPD 內建熱熔斷功能，可避免過大電流導致 MOV 過熱。

指定隔離變壓器和電源供應器

除了將輸入 AC 電壓升壓或降壓至合適的輸出值外，隔離變壓器還能保護連接到二次側的裝置，以免受到諧波和電氣雜訊的影響。

SolaHD E2H112S 就是這類裝置之一。這款隔離變壓器屬於節能型乾式變壓器，並配有天候防護罩。具有 480 V 的一次側輸入電壓 (高達 135 A)，再由二次側提供 208 V 或 120 V (高達 315 A)，額定值可達 112.5 kVA (圖 4)。此外，這款變壓器還能減輕諧波與電氣雜訊。

圖 4：E2H112S 隔離變壓器能以一次側的 480 V 輸入電壓，在二次側提供 208 或 120 V。此外，這款變壓器還能減輕諧波與電氣雜訊。(圖片來源：SolaHD)

此變壓器應採用電路斷路器，以免湧入電流造成破壞。挑選具有適當延遲時間的斷路器裝置來解決誤跳脫問題，是不錯的設計作法。當湧入電流較高，但持續時間不足以破壞變壓器時，就會發生此現象。

電源供應器對於任何供電系統來說都至關重要，不僅能為設備提供交流或直流電，還有助於過濾主電源產生的電氣雜訊。DIN 軌道安裝式的電源供應器緊湊小巧，能有效節省空間。有提供單相和三相 AC 款式；有些型號甚至可因應降至線路電壓一半的電壓驟降，而不會造成輸出電力中斷。

SolaHD 推出多款 DIN 軌道式電源供應器，例如 SDN5-24-100C AC/DC 電源 (圖 5)。這是一款單相電源，符合 E234790 規定的危險場所要求。此元件能接受 85 至 264 VAC 輸入或 90 至 375 VDC 輸入，可提供 24 V 標稱輸出。輸出電流為 5 A。輸出電壓漣波的峰對峰電壓不超過 50 mV。這款電源供應器具有良好的電磁干擾 (EMI) 耐受性，能夠在 -25 至 +60˚C 的溫度範圍內工作。小巧緊湊，尺寸僅有 123 x 50 x 111 mm，可避免連續短路、連續過載和連續開路等故障的發生。

圖 5：SDN5-24-100C 是一款緊湊的 DIN 軌道安裝式電源供應器，尺寸為 123 x 50 x 111 mm。(圖片來源：SolaHD)

結論

無論是在實體層面還是電氣層面，礦場環境都給保障電力品質以及現場工作人員安全帶來挑戰。設計人員應採用多層次作法，確保供電系統的每個元件都能可靠運作，同時減輕品質方面的問題。另外，電力設備還須符合相關的安全法規。採用單一廠商的方案，設計人員就可迅速構建合適的電氣網路，不僅能提高現場可靠性、降低維護成本並確保安全性，還能減輕電力品質問題，避免干擾電網的運作。