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Con el rápido avance tecnológico en la industria minera del carbón, los niveles de potencia de los equipos mineros continúan aumentando y las distancias de los frentes mineros se están ampliando. Estos desarrollos imponen mayores exigencias a los sistemas de suministro eléctrico correspondientes. Durante el proceso de minería, la distancia entre la minería del carbón, los equipos de excavación y los sistemas de suministro eléctrico aumenta, lo que genera numerosos desafíos como reducción del factor de potencia, bajo voltaje en los extremos de la línea, fluctuaciones de tensión y distorsión de la forma de onda debido a cargas de alto impacto y no lineales. Para abordar estos problemas, este artículo propone varias soluciones, compara sus ventajas y desventajas, y presenta un esquema innovador de compensación de voltaje junto con equipos y aplicaciones de campo relacionadas.
Palabras clave: Mina de carbón subterránea; Suministro eléctrico de larga distancia; Equipos de excavación; Calidad de la potencia; Compensación de tensión
El rápido desarrollo de la industria minera del carbón ha provocado un aumento de la demanda energética para equipos mineros, lo que ha resultado en enfrentamientos mineros más largos. Esta extensión plantea desafíos significativos para los sistemas de alimentación correspondientes. A medida que aumenta la distancia entre equipos de minería y excavación y los dispositivos de alimentación eléctrica, la presencia de grandes cargas de impacto y cargas no lineales provoca una serie de problemas de calidad en la fuente de alimentación de larga distancia. Estos incluyen reducción del factor de potencia, bajo voltaje en los extremos de la línea, fluctuaciones de tensión y distorsiones de la forma de onda. Estos problemas no solo dificultan el arranque de equipos grandes y causan fallos frecuentes, sino que también reducen el rendimiento del aislamiento, lo que puede provocar incidentes de seguridad eléctrica. Además, la transmisión de energía a larga distancia provoca pérdidas sustanciales en la línea, aumentando significativamente el consumo y los costes de energía para las empresas mineras de carbón.
Para mitigar pérdidas económicas, mejorar la seguridad y mejorar la eficiencia, este artículo revisa soluciones comunes para el suministro eléctrico de larga distancia en minas subterráneas de carbón, comparando sus pros y contras, y propone un esquema innovador de compensación de voltaje.
2.1 Cables múltiples en paralelo o con diámetro de cable mayor
Utilizar múltiples cables en paralelo o reemplazar cables existentes por diámetros mayores puede reducir las caídas equivalentes de impedancia y voltaje. Sin embargo, este enfoque incrementa los costes del cable y la complejidad de la instalación.
Figura 1. Esquema de cables paralelos o solución de sección transversal aumentada del cable
2.2 Ajuste de las derivaciones del transformador para aumentar la tensión de alimentación
Ajustar las derivaciones del transformador para aumentar la tensión de alimentación puede compensar las pérdidas de línea. Sin embargo, este método puede provocar voltajes excesivamente altos durante el tiempo de inactividad del equipo o el funcionamiento sin carga, lo que supone riesgos para el aislamiento de cables y dispositivos.
Figura 2. Esquema para aumentar la solución de tensión de salida del transformador móvil
2.3 Acercando transformadores móviles al equipo
Acercar los transformadores móviles al equipo reduce la longitud de los cables de alimentación, disminuyendo así las caídas de tensión. Sin embargo, el reposicionamiento frecuente de los transformadores aumenta las dificultades y costes operativos.
Figura 3. Esquema de reubicación del transformador móvil más cerca de la carga
2.4 Adición de SVG a prueba de explosiones para compensación de potencia reactiva
Desplegar unidades SVG a prueba de explosiones cerca del equipo de carga proporciona compensación de potencia reactiva, aumento de los voltajes de línea final y estabilización del funcionamiento del equipo. Esta solución requiere colocar SVGs cerca de la carga, idealmente moviéndolos con la carga si es posible, lo que aún podría implicar múltiples reubicaciones y mayores costes.
Figura 4. Esquema de añadir SVG a prueba de explosiones en el lado de carga para compensación de potencia reactiva
Para abordar las limitaciones de las soluciones anteriores, este artículo propone un enfoque innovador: integrar un dispositivo de regulación de red en la línea media para elevar la tensión de línea, asegurando que el equipo de fin de línea reciba suficiente energía.
Figura 5. Esquema de instalación de un dispositivo de regulación integrado en la red en el centro de la línea
El dispositivo integrado de regulación de voltaje mejora la compensación de potencia reactiva del sistema eléctrico, mejorando el factor de potencia y reduciendo las pérdidas por caída de tensión. Compensa las pérdidas inducidas por corriente activa aumentando la tensión del sistema, asegurando tensiones estables al final de la línea. El dispositivo se ajusta automáticamente en función de los parámetros de tensión de la red y de la corriente de línea, manteniendo el voltaje dentro de rangos aceptables bajo condiciones variables.
ElDispositivo de Regulación Integrada de la Redha sido puesta en servicio con éxito y puesta en funcionamiento en la cara de cabeceo subterránea deMina de Carbón Nº 5 de Changcheng, situada en Otog Front Banner, Región Autónoma de Mongolia Interior. La mina es operada porShandong Energy Xinmin Inner Mongolia Energy Co., Ltd., fundada en 2005 y situada en la ciudad de Ordos, Mongolia Interior.
La mina Changcheng nº 5 cubre una zona minera de13,6595 km², con reservas geológicas totales de180,4 millones de toneladas métricasy reservas recuperables de118,8 millones de toneladas métricas. Tiene una capacidad anual de producción diseñada de1,8 millones de toneladasy una vida útil estimada de50,8 años.
La cabeza de la mina estaba de cara severaProblemas de caída de tensión en la fuente de alimentación de larga distancia. La solución anterior consistía en reubicar la subestación móvil (transformador móvil) cada vez que el rumbo avanzaba cierta distancia. Este enfoque conllevaba costes significativos de mano de obra y materiales, y perturbaba la continuidad de la producción, lo que ponía de manifiesto una necesidad urgente de mejora.
Las investigaciones detalladas del sitio revelaron los siguientes parámetros del sistema:
Para determinar la distancia máxima factible de operación sin soporte de voltaje, se realizaron los siguientes cálculos:
(1)Impedancia equivalente de la subestación móvil:
donde Un es el voltaje nominal del sistema, Uz% es el porcentaje de impedancia de cortocircuito de la subestación y In es su corriente nominal.
(2)Impedancia equivalente del motor de corte durante el arranque:
donde Iq es la corriente de arranque del motor.
(3) En el peor escenario posible (distancia máxima), la caída de tensión permitida en el terminal del motor es25%, lo que significa que la tensión mínima permitida en terminales es:
Umin=0,75×1140 V=855 VUmin=0,75×1140V=855V
(4) La corriente de arranque del motor de corte en esta condición se calculaba en consecuencia.
(5) La caída de tensión permitida a través del cable es:
donde Uo es el voltaje de salida de la subestación móvil.
(6) Según las tablas estándar de cables, la resistencia equivalente de la120 mm²Cable esRc=0,173 Ω/kmRc=0,173Ω/km(por fase).
(7) Basándose en estos parámetros, laDistancia máxima permitida en la fuente de alimentaciónse calculó aproximadamente1400 metros.
El análisis confirmó que cuando el encabezado de carretera opera más allá~1400 metrosDesde la subestación móvil, una caída excesiva de tensión tanto durante el arranque como durante el funcionamiento normal causaba apagados del equipo o fallo en el arranque.
Para abordar esto, unDispositivo de Regulación Integrada de la Redse instaló1,4 km río abajoDesde la subestación móvil, como se muestra en:
Figura 6. Esquema de la ubicación de instalación del Dispositivo de Regulación Integrada de la Red
El dispositivo estaba configurado con un voltaje de salida objetivo de1300 V. Tras la regulación, la tensión de línea se mantiene aproximadamente en1300 V, permitiendo que el tramo de cable aguas abajo—desde el dispositivo hasta el conector de carretera—se extiendamás allá de 1,4 kmsin dejar de cumplir con el requisito operativo de 1140 V en el extremo de carga. Se aplica la misma metodología de cálculo y, por tanto, se omite aquí por brevedad.
Tras la instalación del Dispositivo de Regulación Integrada de Red, la distancia efectiva de rumbo se amplió al máximo2800 metros. El conector de carretera ahora funciona de forma fiable sin interrupciones relacionadas con el voltaje. La frecuencia de reubicaciones de subestaciones móviles se ha reducido significativamente, la estabilidad del sistema ha mejorado y la solución ha recibidoUn gran elogio del cliente.
Figura 7. Foto in situ del Dispositivo de Regulación Integrada de la Red en funcionamiento en la mina número 5 de Changcheng
A medida que la industria minera del carbón evoluciona, la demanda energética de los equipos mineros sigue creciendo, lo que obliga a mayores distancias de trabajo. Los problemas de alimentación de larga distancia, especialmente las caídas de voltaje, son comunes en operaciones subterráneas. Los motores de arranque directo utilizados en excavadoras y mineros se enfrentan a importantes desafíos de arranque debido a la alta demanda inicial de corriente. Las soluciones tradicionales tienen limitaciones, pero el dispositivo de regulación integrado en la red propuesto ofrece un remedio eficaz, mejorando la eficiencia del trabajo subterráneo y reduciendo los costes operativos.
La combinación de unidades SVG a prueba de explosiones y dispositivos de regulación integrados en la red proporciona una solución integral para mejorar la calidad energética en minas subterráneas de carbón, asegurando un suministro eléctrico fiable y eficiente.
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