تحليل جودة الطاقة لشبكات التوزيع الكهربائية في صناعة التعدين

 

كان التعدين احتلالاً للبشرية منذ عصور ما قبل التاريخ، كما تم استخدامه للحصول على المعادن لصنع الأدوات اللازمة للأنشطة الزراعية، كما كان التعدين أحد الركائز الأساسية للاقتصاد الأسترالي لأكثر من (200) عام  خلال العام (2016م-2017م)، بحيث نما قطاع التعدين بنسبة (1.8٪) في عام 2017م، كما ارتفعت صادرات الدولة من التعدين بنسبة (33.8٪) لتصل إلى (156.4) مليار دولار أمريكي مقارنة بالعام السابق بسبب ارتفاع الأسعار وسجل قطاع التعدين أعلى زيادة في الأرباح التشغيلية.

 

وعلى الرغم من تراجع الاستثمارات مؤخراً؛ إلا أنها لا تزال أهم جزء من الصادرات، حيث ساهمت بنسبة (5.8٪) في الناتج المحلي الإجمالي الأسترالي خلال الفترة (2016م-2017م)، كما يمكن تصنيف التعدين إلى ثلاث فئات اعتماداً على تقنيات الحفر، كما إن التعدين تحت الأرض بما في ذلك الغرف والأعمدة وأنواع الجدران الطويلة والتعدين السطحي بما في ذلك أنواع الحفرة المفتوحة والشرائط والتعدين البحري.

 

كما تم تأكيد وجود الفحم في أستراليا في “ورت جاكسون” سيدني عام 1791م، كما وبدأت أنشطة التعدين الفعلية في عام (1801م) في “هانتر فالي” و”نيو ساوث ويلز”، بحيث تطور صناعة التعدين عندما تم إدخال الكهرباء إلى مناجم الفحم الجوفية في الولايات المتحدة في نهاية القرن التاسع عشر، كما أنتجت المولدات الكهربائية التي تعمل بمحرك بخاري جهداً مستمراً يبلغ (300) فولت لتوزيع الطاقة من أجل تنشيط محركات (DC) ذات الجرح المتسلسل نظراً لخصائصها الملائمة لسرعة عزم الدوران.

 

كذلك تم تطوير آلات قطع وحفر وتحميل الفحم في البداية ثم تبعها عربات مكوكية وأنظمة تثبيت السقف وآلات التعدين المستمر، بحيث أدت الميكنة إلى تحسين كفاءة عملية التعدين بشكل هائل، ومع ذلك فقد أدخلت أيضاً مخاطر مثل الشرارة الكهربائية، مما أدى إلى تحديات متعلقة بالسلامة خلال تلك الحقبة، وذلك على الرغم من أن بعض المناجم تستخدم جهداً أعلى من (600- Vdc).

 

الخصائص الكهربائية لأنظمة طاقة التعدين

 

تعتبر أنظمة الطاقة الكهربائية في قطاع التعدين معقدة بسبب إضافة الأحمال غير الخطية ومتطلبات الطاقة العالية، وبالتالي يتم استخدام مستويات مختلفة من الجهد وأنظمة توزيع الطاقة في الصناعة اعتماداً على نوع التعدين، كما يحدد المعيار الأسترالي (AS / NZS 4871.1: 2012) ثلاثة مستويات للجهد لأنظمة طاقة المناجم والمحاجر والجهد المنخفض الإضافي (أقل من 50 فولط أو 120 فولت تيار مستمر).

 

كذلك الجهد المنخفض (بين 50-1000 فولط أو 120-1500 فولت تيار مستمر) والجهد العالي (يتجاوز الجهد المنخفض)، وبالمثل تم وضع العديد من قواعد وأنظمة السلامة من قبل إدارة سلامة إنفاذ قوانين التعدين (MESA) وتم تحديد مستويات الجهد التالية للتيار المتردد وفقاً للوائح الفيدرالية لمناجم الفحم في الولايات المتحدة الأمريكية.

 

كما أن الجهد المنخفض (أقل من 660 فولت) الجهد المتوسط ​​(660-1000 فولت) والجهد العالي (أعلى من 1000 فولت)، ونظراً للزيادة في متطلبات الطاقة؛ فقد وصلت مستويات جهد التوزيع الآن إلى (25) كيلو فولت أمبير، بحيث حلت سيارات المكوك (AC) محل سيارات المكوك (DC) ومحركات التيار المتردد بأنظمة إلكترونية للطاقة حلت محل محركات انتقال التيار المستمر، كما زاد استخدام الفولتية للسيارات المكوكية وعمال المناجم المستمرة إلى (550) فولت و (2400) فولت على التوالي.

 

أيضاً يمكن تصنيف أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية للمناجم إلى ثلاث فئات اعتماداً على نوع تقنية الحفر بما في ذلك أنظمة التعدين تحت الأرض والسطحية وفي أعماق البحار، بحيث تتشابه أنظمة نقل وتوزيع الطاقة فوق سطح الأرض تماماً لجميع أنواع أنظمة التعدين، ولكن تظهر التعقيدات والاختلافات عند توزيع الطاقة تحت الأرض أو في المناجم البحرية، كما يمكن توفير الطاقة لصناعة التعدين من شركات المرافق أو توليد الطاقة الذاتية باستخدام الوقود الأحفوري ومصادر الطاقة المتجددة.

 

كما يمكن أن تصل متطلبات الطاقة لمنشآت التعدين والتركيز إلى (120) ميغاوات لكل (100000) طن من منتجات التعدين يومياً، وفي الوقت الحاضر يلزم وجود قدرة أعلى للدائرة القصيرة بسبب استخدام الأحمال غير الخطية، لذلك يمكن تحقيق هذه السعة العالية للدائرة القصيرة عن طريق:

 

  • إضافة خطوط نقل علوية على التوازي.

 

  • زيادة مستوى الجهد الكهربائي.

 

  • باستخدام ناقل الحركة بالتيار المستمر، أو توليد الطاقة في المحطة.

 

كما يؤدي توليد الطاقة في موقع المحطة إلى تحسين خصائص الشبكة الضعيفة، لكن نقل الوقود والمشاكل اللوجستية الأخرى قد يفوق المزايا، ومع ذلك تستخدم صناعات التعدين عادة التوليد الذاتي في المواقع النائية، وعادة ما يتم تشغيل المولدات بواسطة محركات الديزل أو الغلايات التي تعمل بالوقود الأحفوري.

 

وعلاوة على ذلك، يتم استخدام مولدات الديزل للطوارئ على نطاق واسع لتوفير الطاقة للأحمال الحرجة مثل الرافعات ومضخات زيت التشحيم ومراوح التهوية في حالة انقطاع التيار الكهربائي، ومع ذلك ونظراً لأن المولدات لا يمكنها الاستجابة لتغيرات الحمل بنفس سرعة شركة المرافق؛ فإن الأنظمة ذات المولدات التي تعمل في وضع الجزيرة تكون أكثر عرضة لتقلبات الجهد والتردد الكهربائي.

 

أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية في التعدين تحت الأرض

 

زادت الفولتية التوزيعية لأنظمة الجدران الطويلة تحت الأرض بسبب الحجم الكبير وقوة آلات التعدين وتيارات التدفق الكبيرة وانخفاض الجهد بسبب الكابلات الطويلة، كما زاد تصنيف الطاقة الأولي البالغ (5) كيلو فولت أمبير لتطبيقات التعدين المستمر إلى (9) ميجا فولت أمبير لأنظمة الجدران الطويلة، وفي الوقت الحاضر تستخدم المحولات الحلقية حتى 25 ميغاوات في التعدين تحت الأرض.

 

لذلك يوضح الشكل التالي (1) مخططاً مبسطاً لخط واحد لمحطة طاقة لمطحنة الطحن تتكون من طاحونة شبه ذاتية التولد بقدرة (13) جيجاوات وطاحنتين كرويتين بقوة (7.83) ميغاوات، وفي المحطة الفرعية، يتم تحويل الطاقة من جهد نقل (230) كيلو فولت لتوزيع الجهد بمستوى (11) كيلو فولت من خلال محولين (40) ميجا فولت أمبير، ثم يتم نقلها إلى الأحمال من خلال محطات توزيع الطاقة الفرعية.

 

 

أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية في التعدين السطحي

 

تكون معدات التعدين السطحي متحركة ويجب أن يأخذ مخطط التوزيع هذا التنقل في الاعتبار، وكذلك أنظمة التوزيع الشعاعية هي الأكثر شيوعاً ويتم إنشاء قسم من التوزيع الأولي كخط أساس يتكون من خطوط قطبية علوية تسمح بتنقل معدات التعدين.

 

كما ويرد مثال على نظام توزيع طاقة شعاعي في صناعة التعدين السطحي في حفرة مكشوفة، بحيث يتميز هذا النوع من الأنظمة بكونه غير مكلف ومرن، كما يتم تحويل الطاقة في محطة فرعية للمرافق من جهد نقل (220) كيلو فولت إلى مستوى جهد توزيع (13.8) كيلو فولت.

 

أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية في التعدين في أعماق البحار

 

تم تقديم أنظمة توزيع التيار المتردد والتيار المستمر للتعدين في أعماق البحار، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، بحيث يعتبر نظام التيار المستمر أكثر اقتصادا وفعالية وموثوقية مع تقليل حجم عزل الكابلات وعدد المكونات.

 

ومن ثم يمكن أن تكون خياراً محتملاً في المستقبل إذا تمت معالجة القيود المتعلقة بنقص العزلة وعدم قدرة قواطع الدائرة ذات الجهد المتوسط على إخماد التيارات ذات الدائرة القصيرة، كما يجب اختيار تصنيفات الحماية من دخول المعدات الكهربائية في أعماق البحار وفقاً لعمق المعدات ودرجة الحماية المطلوبة.