1 Влияние цикла переключения на срок службы осветительных установок

Осветительная установка [3] представляет из себя комплексное светотехническое устройство, предназначенное для искусственного и (или) естественного освещения и состоящая из источника оптического излучения, осветительного прибора или светопропускающего устройства, освещаемого объекта или группы объектов, приемника излучения и вспомогательных элементов, обеспечивающих работу установки (проводов и кабелей, пускорегулирующих и управляющих устройств, конструктивных узлов, средств обслуживания).

В рамках данного исследования нас интересуют три составляющие типичной современной осветительной установки: источник света, пускорегулирующая аппаратура и, непосредственно, электросветильник.

Пускорегулирующая аппаратура представляет собой совокупность аппаратов для управления электрическими устройствами (в том числе – для их пуска и останова) и регулирования режима электроустановок и электрических сетей. К ПРА в электроосветительных установках относятся стартер, дроссель, сглаживающий конденсатор, электронный инвертор и т.д. В последнее время широко распространены электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА, электронный балласт), которые представляют из себя электронное устройство, осуществляющее пуск и поддержание рабочего режима газоразрядных осветительных ламп. Контактные аппараты в ПРА заменяются бесконтактными, содержащими тиристорные и транзисторные ключи, логический магнитные и полупроводниковые элементы, которые уменьшают эксплуатационные затраты, существенно повышают надёжность и срок службы.

Каждый тип ПРА имеет свои особенности принципа действия и конструкции. С точки зрения разрабатываемой методики нас будут интересовать три характеристики ламп: число допустимых включений (коммутаций) до выхода из строя m_ПРА, коэффициент полезного действия (который влияет на потреблённое количество электроэнергии P) и цена Ц_ПРА.

У каждого типа ламп есть свои особенности конструкции. В этом направлении будем учитывать четыре характеристики ламп: количество часов непрерывной работы до выхода из строя T_э число допустимых включений лампы (коммутаций) m_л, электрическая мощность P_л и цена Ц_л.

Светодиодные, индукционные и лампы накаливания практически не имеют ограничения числа допустимых включений (коммутаций) m_л, ввиду конструктивных особенностей. Напротив, наиболее распространённые в современном мире люминесцентные лампы (ЛЛ) низкого давления имеют ограниченное количество включений-отключений. Согласно результатам стендовых испытаний [4] различных люминесцентных ламп, применяющих испытания с имитацией реальных условий эксплуатации [5, п 3.9.4, п 3.9.6] (частое включение и выключение ламп), количество допустимых коммутаций лампы m_л зависит от типов, конструктивных особенностей и прочего, и нивелируется от значений 1500 до 12000 включений. Поэтому далее рассматриваем исключительно расчёт для люминесцентных ламп.

Электроды люминесцентной лампы представляют собой спираль из вольфрамовой нити, покрытые пастой (активной массой) из щёлочноземельных металлов [6, с. 111]. Эта паста обеспечивает стабильный разряд. В процессе работы она постепенно осыпается с электродов, выгорает и испаряется. Особенно интенсивно она осыпается во время запуска, когда некоторое время разряд происходит не по всей площади электрода, а на небольшом участке его поверхности, что приводит к локальным перепадам температур. Поэтому люминесцентные лампы всё же имеют конечный срок службы (он зависит главным образом от качества изготовления электродов, скорости зажигания), хотя он и больший, чем у обычных ламп накаливания, у которых спираль с постоянной скоростью испаряется. Отсюда потемнение на концах лампы, которое усиливается ближе к окончанию срока службы. Когда паста выгорит полностью, напряжение на лампе возрастает скачкообразно и схема, в которой работает лампа, не может для её горения обеспечить большим напряжением.

Как правило, люминесцентные лампы подвергаются включениям-выключениям несколько раз в сутки. На количество коммутаций влияют как человеческий фактор, так и системы автоматизации освещения. Влияние цикла переключения на срок службы люминесцентных ламп различных типов в разных схемах различно. В электроосветительных системах, где происходит больше одного переключения за три часа, требуется использовать балласты с предварительным нагревом. Если переключение происходит менее часто, то могут использоваться балласты холодного запуска. Согласно [7] даже при низком количестве переключений балласты тёплого запуска дадут более высокий результат, как видно на примере ЛЛ TL-D80 из рисунка 1 (в скобках на оси ординат указано количество циклов переключения за 24 часа).

Рисунок 1 - Срок службы ЛЛ TL-D 80

Для систем электрического освещения (СЭО), работающих, преимущественно, в условиях частых коммутаций электросветильников, введём первый критерий для данной методики. Исходя из [8, с.307], продолжительность включения (ПВ) - понятие из области электропривода, играющее важную роль при выборе электродвигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме, при проектировании привода различных механизмов. Таким образом, применяя данный принцип определения ПВ для сетей электроосвещения, работающих в режимах, отличных от непрерывного (24 часа в сутки), получаем следующую формулу:

,%, (1)

где: Т_вкл – время работы электросветильника/линии электроосвещения (включенное состояние всех ламп) за рассматриваемый промежуток времени, ч; Т_откл – количество времени за рассматриваемый промежуток, в течении которого электросветильник/линия электроосвещения отключены, ч; T_ц – общее время цикла работы электроосветительной установки, включающее среднестатистическое время в течении одного запуска СЭО и время паузы от отключения электросветильников до последующего их запуска в рамках рассматриваемого помещения, ч.

Исходя из вышесказанного, методика оптимальной эксплуатации электрических светильников по критерию минимума финансовых затрат может быть рекомендована к применению в помещениях, в которых продолжительность включения электроосвещения составляет более 50%, т.е.:

,%. (2)

Стоит отметить, что методика применима к СЭО с любой ПВ и любым видом ламп, однако, наибольший экономический эффект будет достигаться при условии (2) для люминесцентных ламп.

Немаловажно то, что оптимальное время включения лампы по критерию экономической эффективности T_КЧ зависит, преимущественно, от мощности осветительной установки, стоимости отпуска электроэнергии, стоимости источников света и оптимального количества циклов включения/отключения лампы m_л.опт, учитывающего среднестатистический срок службы данного источника света [5, п. 3.6.4.3], т.е.:

, (3)

где: T_{ср.стат} – среднестатистический срок службы [5, п. 3.3.6] данного источника света, ч; T_{опт.изг} – оптимальное время включения лампы, согласно прогнозам предприятия-изготовителя либо расчётам специалистов-аналитиков, ч; k_{попр.ср.сл} – поправочный коэффициент, учитывающий актуальность (современность) представленных эмпирических показателей срока службы.

Очевидно, что сложность расчётов будет зависеть от конфигурации системы освещения. Например, будет нерационально использовать десятки электросветильников, для того чтобы обеспечить освещение прохода в цехе, над которым установлена отдельная группа из нескольких светильников. В данном исследовании планируется разработка математической системы расчёта для каждой составляющей линии электроосвещения, которая впоследствии может быть использована как для расчёта «выгодного» времени работы линии освещения, так и определения экономической эффективности того или иного графика работы электроосветительной установки.