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Avec l’avancée rapide de la technologie dans l’industrie minière du charbon, les niveaux de puissance des équipements miniers continuent d’augmenter, et les distances des surfaces minières s’étendent. Ces développements imposent des exigences plus élevées aux systèmes d’alimentation électriques correspondants. Au cours du processus minier, la distance entre l’extraction du charbon, les équipements d’excavation et les systèmes d’alimentation électrique augmente, entraînant de nombreux défis tels que la réduction du facteur de puissance, une basse tension aux extrémités des lignes, des fluctuations de tension et une distorsion de la forme d’onde due à des charges à fort impact et non linéaires. Pour répondre à ces questions, cet article propose plusieurs solutions, compare leurs avantages et inconvénients, et introduit un schéma innovant de compensation de tension ainsi que les équipements et applications de terrain associés.
Mots-clés: Mine de charbon souterraine ; Alimentation longue distance ; Équipements d’excavation ; Qualité de la puissance ; Compensation de tension
Le développement rapide de l’industrie minière du charbon a entraîné une augmentation des besoins en énergie pour les équipements miniers, ce qui a entraîné des surfaces minières plus longues. Cette extension pose des défis importants pour les systèmes d’alimentation correspondants. À mesure que la distance entre les équipements miniers et d’excavation et les dispositifs d’alimentation électrique augmente, la présence de charges d’impact importantes et non linéaires entraîne une série de problèmes de qualité des alimentations électriques longue distance. Cela inclut une réduction du facteur de puissance, une basse tension aux extrémités de la ligne, des fluctuations de tension et des distorsions de forme d’onde. Ces problèmes rendent non seulement difficile le démarrage de gros équipements et provoquent des pannes fréquentes, mais réduisent aussi les performances de l’isolation, entraînant des incidents de sécurité électrique. De plus, le transport d’électricité longue distance entraîne d’importantes pertes sur les lignes, augmentant considérablement la consommation et les coûts pour les entreprises minières de charbon.
Pour atténuer les pertes économiques, améliorer la sécurité et améliorer l’efficacité, cet article passe en revue les solutions courantes pour l’alimentation électrique longue distance dans les mines souterraines de charbon, en comparant leurs avantages et inconvénients, et propose un schéma innovant de compensation de tension.
2.1 Câbles multiples en parallèle ou avec un diamètre plus grand
Utiliser plusieurs câbles en parallèle ou remplacer les câbles existants par des diamètres plus grands peut réduire l’impédance équivalente et les chutes de tension. Cependant, cette approche augmente les coûts des câbles et la complexité de l’installation.
Figure 1. Schéma des câbles parallèles ou solution de section transversale accrue des câbles
2.2 Ajustement des prises du transformateur pour augmenter la tension d’alimentation
Ajuster les prises du transformateur pour augmenter la tension d’alimentation peut compenser les pertes de ligne. Cependant, cette méthode peut entraîner des tensions excessivement élevées lors des arrêts de l’équipement ou sans charge, posant des risques pour l’isolation des câbles et des dispositifs.
Figure 2. Schéma de l’augmentation de la solution de tension de sortie des transformateurs mobiles
2.3 Rapprocher les transformateurs mobiles de l’équipement
Rapprocher les transformateurs mobiles de l’équipement réduit la longueur des câbles d’alimentation, diminuant ainsi les chutes de tension. Cependant, le repositionnement fréquent des transformateurs augmente les difficultés opérationnelles et les coûts.
Figure 3. Schéma de déplacement du transformateur mobile plus près de la charge
2.4 Ajout d’un SVG anti-explosion pour la compensation de la puissance réactive
Le déploiement d’unités SVG anti-explosion près des équipements de charge assure la compensation de puissance réactive, augmente les tensions de fin de ligne et stabilise le fonctionnement de l’équipement. Cette solution nécessite de placer des SVG près de la charge, idéalement en les déplaçant avec la charge si possible, ce qui peut tout de même impliquer plusieurs déplacements et des coûts accrus.
Figure 4. Schéma d’ajout de SVG anti-explosion côté charge pour la compensation de la puissance réactive
Pour remédier aux limites des solutions ci-dessus, cet article propose une approche innovante : intégrer un dispositif de régulation de réseau au milieu de la ligne afin d’augmenter la tension de la ligne, garantissant que l’équipement de fin de ligne reçoit suffisamment d’énergie.
Figure 5. Schéma d’installation d’un dispositif de régulation intégrée au réseau au milieu de la ligne
Le dispositif de régulation de tension intégré améliore la compensation de la puissance réactive du système électrique, améliorant le facteur de puissance et réduisant les pertes de chute de tension. Il compense les pertes induites par le courant actif en augmentant la tension du système, assurant ainsi des tensions de fin de ligne stables. L’appareil ajuste automatiquement en fonction des paramètres de tension de grille et de courant de ligne, maintenant la tension dans des plages acceptables dans des conditions variables.
LeDispositif de régulation intégrée du réseaua été mise en service avec succès et mise en service à la face de direction souterraine deMine de charbon n°5 de Changcheng, situé dans Otog Front Banner, Région autonome de Mongolie intérieure. La mine est exploitée parShandong Energy Xinmin Inner Mongolia Energy Co., Ltd., fondée en 2005 et située dans la ville d’Ordos, en Mongolie intérieure.
La mine n°5 de Changcheng couvre une zone minière de13,6595 km², avec des réserves géologiques totales de180,4 millions de tonnes métriqueset réserves récupérables de118,8 millions de tonnes métriques. Il dispose d’une capacité de production annuelle conçue de1,8 million de tonneset une durée de vie utile estimée à50,8 ans.
Le cap de la mine était très visibleProblèmes de chute de tension dans l’alimentation longue distance. La solution précédente consistait à déplacer la sous-station mobile (transformateur mobile) à chaque avance de la tête d’une certaine distance. Cette approche entraînait d’importants coûts de main-d’œuvre et de matériaux et perturbait la continuité de la production — soulignant un besoin urgent d’amélioration.
Des enquêtes détaillées sur le site ont révélé les paramètres du système suivants :
Pour déterminer la distance maximale de fonctionnement réalisable sans support de tension, les calculs suivants ont été effectués :
(1)Impédance équivalente de la sous-station mobile:
où Un est la tension nominale du système, Uz % est le pourcentage d’impédance de court-circuit de la sous-station, et In est son courant nominal.
(2)Impédance équivalente du moteur de coupe au démarrage:
où Iq est le courant de démarrage du moteur.
(3) Dans le pire des cas (distance maximale), la chute de tension autorisée à la borne moteur est25%, ce qui signifie que la tension minimale autorisée aux bornes est :
Umin=0,75×1140 V=855 VUmin=0,75×1140V=855V
(4) Le courant de démarrage du moteur de coupe dans cette condition était calculé en conséquence.
(5) La chute de tension autorisée à travers le câble est :
où Uo est la tension de sortie de la sous-station mobile.
(6) Selon les tables de câbles standard, la résistance équivalente de la120 mm²Le câble estRc=0,173 Ω/kmRc=0,173Ω/km(par phase).
(7) Sur la base de ces paramètres, leDistance maximale autorisée d’alimentationétait calculé comme approximativement1400 mètres.
L’analyse a confirmé que lorsque le capuchon routier circule au-delà~1400 mètresDepuis la sous-station mobile, une chute de tension excessive au démarrage et au fonctionnement normal provoquerait des arrêts d’équipement ou un manque de démarrage.
Pour y répondre, unDispositif de régulation intégrée du réseaua été installé1,4 km en avaldepuis la sous-station mobile, comme montré dans :
Figure 6. Schéma de l’emplacement d’installation du dispositif de régulation intégrée au réseau
L’appareil était configuré avec une tension de sortie cible de1300 V. Après régulation, la tension de la ligne est maintenue à environ1300 V, permettant au segment de câble en aval — du dispositif au cap-tête de route — de s’étendreau-delà de 1,4 kmtout en répondant toujours aux exigences opérationnelles de 1140 V à l’extrémité de la charge. La même méthodologie de calcul s’applique et est donc omise ici pour plus de concision.
Après l’installation du dispositif de régulation intégrée au réseau, la distance de cap effective a été étendue au maximum2800 mètres. Le capuchon de route fonctionne désormais de manière fiable sans interruption liée à la tension. La fréquence des déplacements de postes mobiles a été significativement réduite, la stabilité du système s’est améliorée, et la solution a reçuBeaucoup d’éloges de la part du client.
Figure 7. Photo sur site du dispositif de régulation intégrée du réseau en fonctionnement à la mine n°5 de Changcheng
À mesure que l’industrie minière du charbon évolue, la demande énergétique des équipements miniers continue de croître, nécessitant des distances de travail plus longues. Les problèmes d’alimentation longue distance, en particulier les chutes de tension, sont courants dans les opérations souterraines. Les moteurs à démarrage direct utilisés dans les excavatrices et les mineurs rencontrent d’importants défis de démarrage en raison de la forte demande de courant initiale. Les solutions traditionnelles présentent des limites, mais le dispositif de régulation intégré au réseau proposé offre une solution efficace, améliorant l’efficacité du travail souterrain et réduisant les coûts opérationnels.
La combinaison d’unités SVG anti-explosion et de dispositifs de régulation intégrés au réseau offre une solution complète pour améliorer la qualité de l’énergie dans les mines de charbon souterraines, garantissant une alimentation électrique fiable et efficace.
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