LVDC grid in mine environment

Abstract

Electrification of mine machines has several advantages. Compared to combustion engines they are friendlier to the environment, quieter, and require less ventilation in the mine. Usually, electrical grids in mines have been realised with AC distribution. DC distribution has however advantages over AC, such as greater power distribution capacity and smaller losses.

In this thesis, an LVDC grid for underground case mine is designed and analysed. Different components and realizations of DC grids are presented and the most suitable methods for mine environment are selected. For the case mine, the cable type and diameter are selected via voltage drop calculation and by analysing the cable’s current rating with the maximum loads of the mine. The chosen cable is used in simulation model which is used to examine the voltage quality under the dynamic loads of the mine. In addition, energy storages and their optimal location are studied. Without the energy storages the voltage drops too low for the mine loads, but with the support of energy storages the voltage stayed above the desired threshold. It was noticed that when energy storages were located at the back of the grid the maximum current in the grid was lower compared to situation where they were at the beginning of the grid. Finally, an estimate of the price for the LVDC grid for the case mine is given.

Kaivoskoneiden sähköistäminen tuo useita etuja. Ympäristöystävällisyyden ohella sähköiset koneet ovat hiljaisempia, energiatehokkaampia ja vähentävät kaivoksen ilmastoinnintarvetta verrattuna polttomoottoreihin. Toistaiseksi kaivosten sähköverkot on toteutettu vaihtosähköllä. Tasasähkönjakelussa on kuitenkin lukuisia etuja vaihtosähköön verrattuna, kuten suurempi tehonsiirtokapasiteetti ja pienemmät häviöt.

Tässä työssä suunnitellaan ja analysoidaan LVDC-verkon soveltuvuus maanalaiseen kaivosympäristöön. Työssä esitellään DC-verkon eri komponentit sekä toteutustavat, ja valitaan kaivosympäristöön parhaiten soveltuva toteutus. Tutkimuskohteena olevaan kaivokseen valitaan sopiva kaapelityyppi sekä poikkipinta-ala jännitteenalenemalaskennalla sekä tarkastelemalla kaapelien virrankestoa kaivoksen maksimikuormilla. Valittua kaapelia käytetään kaivosverkon simulointimallissa, jonka avulla kaivosverkon jännitteen laatua tarkastellaan kaivoksen dynaamisilla kuormilla. Simulointimallilla tarkastellaan lisäksi energiavarastojen sekä niiden sijainnin vaikutusta jännitteen laatuun. Ilman energiavarastoja jännitteen havaittiin putoavan liian alhaiseksi kaivoskuormille. Energiavarastojen avulla jännite saatiin pysymään halutun rajan yläpuolella. Energiavarastojen sijoittamisen verkon perälle havaittiin pienentävän verkon maksimivirtaa verrattuna tilanteeseen jossa energiavarastot ovat verkon alussa. Lisäksi työssä arvioidaan LVDC-verkon kustannuksia.