Влияние цикла переключения на срок службы осветительных установок

ВВЕДЕНИЕ

Основной целью энергетической политики Республики Беларусь является поиск путей и формирование механизмов оптимального развития и функционирования отраслей ТЭК, а также техническая реализация надежного и эффективного энергообеспечения всех отраслей экономики и населения, обеспечивающих производство конкурентоспособной продукции и достижение стандартов уровня и качества жизни населения высокоразвитых европейских государств при сохранении экологически безопасной среды.

Исторически и экономически современная человеческая цивилизация имеет жёсткую зависимость от искусственного освещения. Как первая услуга, предложенная электроснабжающими компаниями, освещение сейчас является одной из сфер конечного применения, на которую приходится значительная часть глобального потребления электроэнергии. Экспертами прогнозируется, что мировой спрос на искусственное освещение к 2030 году будет на 80% выше текущего уровня. На сегодняшний день в масштабе всей планеты на долю сетевого электрического освещения приходится около 20% от общего производства электроэнергии.

Учитывая текущее состояние электроэнергетики Беларуси и постройку атомной электростанции, следует заметить, что стоимость электроэнергии в ближайшем будущем будет уменьшаться. Поэтому при эксплуатации электроосвещения необходимо обратить внимание на такие финансовые факторы, как стоимость закупки источников света, стоимость пускорегулирующей аппаратуры и затраты на утилизацию использованных ламп согласно [1].

На срок службы осветительных установок оказывают влияние многие факторы. К ним относятся отклонения питающего напряжения [2], токи высших гармоник, электромагнитные волны, тепловое воздействие, а также износ источников света и пускорегулирующей аппаратуры (ПРА).

Одним из важнейших факторов, снижающих срок службы электрических светильников, является количество коммутаций в процессе их эксплуатации. Каждая коммутация сопровождается переходными процессами импульсного характера, что негативно сказывается как на оборудовании светильника, так и непосредственно на источнике света. Особенно это актуально для газонаполненных ламп. Так в установившемся режиме эмиссионное покрытие электродов люминесцентной лампы разрушается довольно медленно. Гораздо более интенсивное распыление эмиссионного вещества происходит при её включении. Светодиоды намного менее критичны к коммутациям, чем газонаполненные лампы. Однако все светодиодные светильники, питающиеся от стандартного переменного напряжения 220 В, содержат блоки питания, которые имеют ограниченное количество циклов включения-отключения.

В данном исследовании предлагается методика эксплуатации электросветильников, основанная на определении оптимального времени их использования в рамках одного рабочего цикла с учётом количества потреблённой электроэнергии, количества циклов включения-отключения без ухудшения их рабочих свойств. В методике учитывается стоимость, как потреблённой электроэнергии, так и комплектующих системы электрического освещения, подвергающихся износу при каждом запуске.

Пример расчёта оптимального времени эксплуатации осветительной установки

Совокупность представленных способов расчёта позволяет превентивно выбрать наиболее экономичный вариант электроосветительных установок, ещё на этапе проектирования (реконструкции), с учётом того, что известны все необходимые параметры помещений, лимит капитальных вложений в осветительные установки (ОУ) и текущие стоимости комплектующих. Данная методика также может быть использована в качестве организационно-технических мероприятий по экономии в уже эксплуатируемых помещениях. Возможно, как применение только организационных мероприятий (работа ОУ по разработанному графику, время включения освещения в помещении максимально близкое к T_КЧ), так и организационно-технических (включающих также установку систем автоматического включения/отключения светильников, датчиков движения и т.д.).

Принципиальная разница в определении оптимального времени включения T_КЧ для гражданских зданий и промышленных объектов заключается в нескольких факторах:

- сложность (разветвлённость) электроосветительных сетей промышленных предприятий;

- различные условия эксплуатации, особенности обслуживания;

- количество источников света, задействованных на предприятиях, существенно выше, чем у бытовых потребителей.

Именно из-за последнего фактора, при расчётах T_КЧ для систем электрического освещения промышленных объектов, следует учитывать расходы на утилизацию отработанных ламп Ц_у. Стоимость приема в собственность для последующего обезвреживания, в зависимости от количества ламп, предоставлена в [10].

Следовательно, вышеуказанные формулы расчётов затрат изменяются в зависимости от типа потребителя, получая слагаемое Ц_у или наоборот.

Для наглядного примера рассмотрим расчётT_КЧ для различных вариантов.

Пример1: помещение с 4 электросветильниками, имеющими 2 люминесцентные лампы T5/840-28W-KC (цена бел. руб с НДС Ц_л=3,04 BYN, m_л=2000) в каждом и 3 электросветильниками, имеющими 4 люминесцентные лампы T8/840-18W-КС (цена бел. руб с НДС Ц_л=2,08 BYN, m_л=1500) в каждом. Принять затраты на монтаж и утилизацию ламп такими же, как и для ПРА: затраты на монтаж З_м=1 BYN, затраты на утилизацию З_у=0,79 BYN. Предположим, что включение всей ОУ производится с помощью одноклавишного выключателя и в качестве ПРА используются ЭПРА с холодным розжигом ламп (учитываем, как коэффициент увеличения на 1,2). Стоимость ЭПРА Ц_ПРА=6 BYN, m_ПРА=3000. Затраты финансовые на кратковременное увеличение электроэнергии в момент пуска весьма незначительные для люминесцентных ламп данного типа (учитываем, как коэффициент 1,05), тогда по формуле (9), BYN:

Пересчитаем тариф оплаты за электроэнергию на текущий курс доллара США.

, BYN/кВт^.ч, (23)

где С_б – базовая стоимость электроэнергии, BYN /кВт^.ч; К_тек – текущий курс доллара США по обменному курсу национального банка РБ, BYN; К_б – базовый курс доллара США по обменному курсу национального банка РБ, BYN; k_НДС, – коэффициент, учитывающий увеличение стоимости электроэнергии за счёт налога на добавленную стоимость.

При соотношении курса белорусского рубля к доллару США 2,0461:1, тариф был равен 0,25197 BYN/кВт^.ч. тогда текущий тариф по формуле (23):

, BYN/кВт^.ч.

Тогда минимальное оптимальное время включения электроосвещения данного помещения по критерию экономической эффективности по формуле (12):

Пример 2: в помещении промышленного предприятия установлены 9 электросветильников с двумя лампами T8/840-36W-КС (цена с НДС 1,54 USD) в каждом. Стоимость утилизации одной лампы примем равной 0,32 USD[10]. В качестве ПРА используются электромагнитные ПРА, стоимостью 1,6 USDкаждая. Для ПРА будем учитывать влияние дополнительных факторов: k_попр.2=1,3.

Среднее нормируемое количество циклов включений-отключений для бюджетных люминесцентных ламп рассматриваемого типа примем равным 1500, а для ПРА, соответственно, 1800. Затраты на монтаж можно принять равными 30% от стоимости оборудования. Тогда при одновременном включении всех электросветильников, затраты на один пуск в соответствии с формулой (9) составят в USD:

Следовательно, при одновременном включении всех электросветильников и стоимости электроэнергии 0,1 USD за 1кВт^.ч, минимальное оптимальное время включения по формуле (12) будет равно:

.

То есть если лампы будут находиться во включенном состоянии менее 38 минут при приблизительно равномерном графике включений-отключений, то это приведёт к дополнительным затратам, связанным с эксплуатационными расходами.Поэтому гораздо лучше будет оправдан пересмотр графика работы данных электросветильников.

Пример3: в бытовом помещении установлены 6 электросветильников с лампами накаливания 60Вт (цена бел. руб без НДС Ц_л=0,5 BYN). Управление СЭО осуществляется с помощью двухклавишного выключателя (1 от первой клавиши от стабилизатора, 5 – от второй, напрямую от сети). ПРА не используется. Для расчётов примем T_пуск равное 5с=1/12 минуты=1/720 ч

В этом примере требуется применить формулу (15). При включении только первой клавиши выключателя:

, BYN.

Тогда по формуле (12):

При включении только второй клавиши выключателя:

BYN.

При включении сразу двух клавиш выключателя:

BYN.

Как видно из данных расчётов, лампы накаливания, ввиду своих особенностей, имеют весьма малое значение минимального оптимального времени включения T_КЧ. Таким образом, электросветильники с лампами накаливания выгоднее выключать как можно скорее, после их включения (коммутации).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенная методика позволяет оптимизировать работу систем освещения таким образом, что при некотором возрастании затрат электроэнергии общие затраты на эксплуатацию осветительной установки будут снижены.

Методика была успешно представлена на четырёх конференциях: XXXVII научная конференция студентов I, II ступеней и аспирантов (РБ, г. Гомель, ГГТУ им. П.О.Сухого); XVII международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления» (РБ, г. Гомель, ГГТУ им. П.О.Сухого); международная конференция «Проспект Свободный - 2017» (РФ, г. Красноярск, СФУ); международная научно-практическая конференция "Инновационные технологии в энергетике: образование, наука, производство" (Туркменистан, г. Мары, ГЭИТ).На XXXVII научной конференции студентов I, II ступеней и аспирантов был получен диплом за "лучший научный доклад.

Имеются научные публикации по материалам конференций[19], [20]. Также выполнена и ожидает публикации статья «Повышение эффективности эксплуатации электрических светильников» для журнала «Вестник ГГТУ им. П.О.Сухого».

Сформулируем основные выводы по результатам исследования.

1) Оптимальное время включения лампы по критерию экономической эффективности TКЧ 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].

2) В осветительных установках, использующих однотипные комплектующие и источники света одинаковой (суммарной) мощности, величина T_КЧ будет практически одинаковой.

3) При условиях п.2 – равномерно разделённая нагрузка на два выключателя, позволяет утверждать, что величина оптимального времени включения ламп по критерию экономической эффективности T_КЧ на каждой линии будет приблизительно равна.

4) Для люминесцентных ламп наиболее эффективна работа с учётом времени T_КЧ, т.к. данные источники света имеют длительный полезный срок эксплуатации, при ограниченном количестве циклов коммутации, обусловленном деградацией люминофора, снижающей световой поток, и потерей электродами эмиссионной способности. Последнее может обусловливаться истощением или отравлением эмиссионного покрытия (ЭП) вольфрамовых спиралей электродов. При полной потере электродами эмиссионной способности они либо разрушаются, либо ЛЛ перестает зажигаться.

5) Для ламп накаливания, дуговых ртутных люминесцентных ламп (ДРЛ) и натриевых газоразрядных ламп (ДНаТ) эффективность работы согласно с временем T_КЧ обусловлена лишь в случае с большой нагрузкой, сосредоточенной на одном устройстве управления либо наличия дорогой ПРА. В остальных случаях – электросветильники данных видов рекомендуется отключать как можно быстрее после включения (коммутации).

6) Для светодиодных ламп (СД) и индукционных ламп количество циклов включения/отключения практически не ограничено, следовательно, не принимая в расчёт ПРА и редкие виды, можно сказать, что T_КЧ для них практически равен нулю.

7) Совокупность представленных способов расчёта позволяет превентивно выбрать наиболее экономичный вариант электроосветительных установок, ещё на этапе проектирования (реконструкции), с учётом того, что известны все необходимые параметры помещений, лимит капитальных вложений в ОУ и текущие стоимости комплектующих.

8) Возможно, как применение только организационных мероприятий (работа ОУ по разработанному графику, информирование персонала, время включения освещения в помещении максимально близкое к T_КЧ), так и организационно-технических (установка автоматической системы управления освещением, установка датчиков движение в совокупности с таймерами отключения);

9) На основании полученных уравнений и коэффициентов можно проводить имитационное моделирование и создать программу расчёта для ЭВМ, которая будет способна рассчитать конфигурацию системы электрического освещения и выбрать вариант, имеющий наибольший экономический эффект от применения данной методики.

Степень внедрения: на основе результатов расчёта данной методики в части цеха производства пластмассовых изделий №1 ЗАО «Легпромразвитие» г. Бобруйска, а также в производственных цехах по ул. К. Маркса 27 и административно бытовой корпус было внедрено в производство рационализаторское предложение по оптимизации эксплуатации электрических светильников на основе времени оптимального включения Т_КЧ, что позволило существенно увеличить срок службы источников света и уменьшить суммарные затраты на электрическое освещение суммарно на 31990 BYN, что приблизительно составляет 30% от суммарных эксплуатационных затрат на СЭО предприятия.Копия акта внедрения методики в производство находится в приложении А. На данный момент планируется внедрение данной методики на территории нескольких цехов ЗАО «Легпромразвитие», ОАО «Белшина», ОАО «Бобруйскагромаш» и РУП «БЗТДиА».

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы

ВВЕДЕНИЕ

Основной целью энергетической политики Республики Беларусь является поиск путей и формирование механизмов оптимального развития и функционирования отраслей ТЭК, а также техническая реализация надежного и эффективного энергообеспечения всех отраслей экономики и населения, обеспечивающих производство конкурентоспособной продукции и достижение стандартов уровня и качества жизни населения высокоразвитых европейских государств при сохранении экологически безопасной среды.

Исторически и экономически современная человеческая цивилизация имеет жёсткую зависимость от искусственного освещения. Как первая услуга, предложенная электроснабжающими компаниями, освещение сейчас является одной из сфер конечного применения, на которую приходится значительная часть глобального потребления электроэнергии. Экспертами прогнозируется, что мировой спрос на искусственное освещение к 2030 году будет на 80% выше текущего уровня. На сегодняшний день в масштабе всей планеты на долю сетевого электрического освещения приходится около 20% от общего производства электроэнергии.

Учитывая текущее состояние электроэнергетики Беларуси и постройку атомной электростанции, следует заметить, что стоимость электроэнергии в ближайшем будущем будет уменьшаться. Поэтому при эксплуатации электроосвещения необходимо обратить внимание на такие финансовые факторы, как стоимость закупки источников света, стоимость пускорегулирующей аппаратуры и затраты на утилизацию использованных ламп согласно [1].

На срок службы осветительных установок оказывают влияние многие факторы. К ним относятся отклонения питающего напряжения [2], токи высших гармоник, электромагнитные волны, тепловое воздействие, а также износ источников света и пускорегулирующей аппаратуры (ПРА).

Одним из важнейших факторов, снижающих срок службы электрических светильников, является количество коммутаций в процессе их эксплуатации. Каждая коммутация сопровождается переходными процессами импульсного характера, что негативно сказывается как на оборудовании светильника, так и непосредственно на источнике света. Особенно это актуально для газонаполненных ламп. Так в установившемся режиме эмиссионное покрытие электродов люминесцентной лампы разрушается довольно медленно. Гораздо более интенсивное распыление эмиссионного вещества происходит при её включении. Светодиоды намного менее критичны к коммутациям, чем газонаполненные лампы. Однако все светодиодные светильники, питающиеся от стандартного переменного напряжения 220 В, содержат блоки питания, которые имеют ограниченное количество циклов включения-отключения.

В данном исследовании предлагается методика эксплуатации электросветильников, основанная на определении оптимального времени их использования в рамках одного рабочего цикла с учётом количества потреблённой электроэнергии, количества циклов включения-отключения без ухудшения их рабочих свойств. В методике учитывается стоимость, как потреблённой электроэнергии, так и комплектующих системы электрического освещения, подвергающихся износу при каждом запуске.

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 лампыm_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-D80из 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.