Promelectro_#5_2014

Термостабилизация излучающего кристалла — путь увеличения срока службы

Охлаждение светоизлучающего элемента в осветительном приборе является одной из основ-­ ных проблем, решение которой существенно повышает надежность системы в целом. В современных светодиодных системах освещения в основном используются пассивные охлаждающие системы на основе легких сплавов (алюминий, силумин), теплопроводящей керамики или специальных теплопроводящих пластмасс. Использование тепловых трубок, систем принудительного охлаждения (встраиваемых микровентиляторов), охлаждающих жидкостей или Пельтье-элементов приводит к резкому увели­ чению стоимости осветительной системы и увеличению энергопотребления. Если для осветительных систем больших размеров площадь охлаждающей поверхности радиатора не лимитируется, то в таких приборах, как светодиодные лампы (на замену ламп накаливания и компактных люминесцентных ламп) требования к разме­ рам радиатора диктуются как дизайном самой лампы, так и размерами электронной платы управ­- ления, встраиваемой в радиатор. Это, в свою очередь, приводит к необходимости оптимизации площади охлаждающей поверхности радиа­ тора и невозможности увеличения мощности лампы из-за ограниченных размеров радиатора. Существенным недостатком металлических радиаторов является их вес и стоимость (сплав алюминия). Поэтому для ощутимого уменьшения веса, например, светодиодной лампы, использу­ ются конструкции из проводящей керамики или теплопроводящих пластмасс. Заметим, что благо­- даря возможности литья под давлением пласт-

Рис. 4. Светодиодные лампы с металлическим, теплопроводными керамическим и пластмассовым радиаторами (произведены в Украине)

масс, можно легко получать различные конст­ рукции радиаторов с высокими эргономическими характеристиками, хорошо разветвленной поверхностью, что для современных технологий литья металлов под давлением может быть недос­ тижимо. Критерием определения качественного теплоотвода для конкретного изделия является зависимость спада светового потока во времени с момента включения прибора (рис. 4). Спад светового потока на 4–5% свидетельствует об оптимальной системе охлаждения. Такие приборы обычно обеспечивают срок службы более 50 тыс. часов, высокую надежность электронных компонентов, а также высокую стабильность светового потока в процессе эксплуатации [8, 9].

Электронные системы управления. Эффективность и качество — вклад в энергоэффективность

Для успешного решения проблем светотехники, надежности, энергоэффективности, электробезопасности и электромагнитной совмес­ тимости необходимо создавать электронные системы управления светодиодными комплексами, обеспечивающие высокие КПД (до 95%) и коэффициент мощности (более 0,9), гальваническую развязку с сетью, радиопомехи, не превышающие нормы, установленные действующими регламентами. При проектировании электронных схем управления мощными светодиодными блоками в габаритных осветительных устройствах (прожекторах, уличных светильниках, потолочных осветительных системах) возможность размещения схем управления на достаточно больших площадях позволяет строить электронные схемы со встроенными активными корректорами коэффициента мощности, системами многокаскадного преобразования, дополнительными системами стабилизации тока и подавления радиопомех. Для электронных схем управления, встроенных, например, в ретрофиты (аналог лампы накаливания), ограничение размеров электронной платы накладывает ограничения на реализацию дополнительных функций драйверов и, как следствие, может привести к ухудшению параметров свето­ вого прибора в целом. Опыт украинских разработчиков электроники для светодиодных ламп с цоколями Е27 и Е14, показывает возможность достижения КПД >87%, коэффициента мощности 0,95 и более, общего коэффициента токовых гармоник не более 12%. При оптимальной конструкции радиатора лампы такие схемы управления отличаются высокой надежностью и стабильностью светового потока на протяжении длительного времени эксплуатации [10]. Фотографии некоторых из них показаны на рис. 5.

Рис. 5. Драйверы для светодиодных ламп и светильников для ЖКХ

Ряд осветительных систем нуждается в специальных схемах автоматического включения– выключения светового потока. Такие системы обычно снабжаются светочувствительными элементами (фоторезисторами, фотодиодами, фототранзисторами) для регулирования света в зависимости от уровня освещенности или датчиками движения (звука) для включения осветительной системы при появлении движущегося объекта в зоне освещения. Такие осветительные системы хорошо зарекомендовали себя на объектах жилищно-коммунального хозяйства (лестничных клетках, коридорах, парадных, лифтах).

К перспективным направления электроники светодиодного освещения следует отнести системы беспроводного управления освеще­ нием (светильник включается и выключается по программе встроенного контроллера), а также так называемые smart-системы, характерные для RGB источников света. В таких системах возможна реализация режимов управления не только величиной светового потока, но и цветовыми параметрами осветительной системы, что приводит к максимальной адаптации светового излучения к времени суток и, как следствие, к улучшению условий труда, повышению его производительности­ , уменьшению утомляемости и другим положительным результатам при таком освещении.

Эффективные оптические системы.

Минимизация оптических потерь. Пространственное распределение светового потока

Для современных светодиодных осветительных приборов основными требованиями к опти­- ческой системе являются обеспечение необ-

ходимого пространственного распределения светового потока (кривых силы света КСС) и минимальных оптических потерь. Под КСС понимают график зависимости силы света светового прибора от меридиональных и экваториальных углов, получаемый сечением его фотометриче­ ского тела плоскостью или поверхностью. Наи­ более наглядно представляются кривые силы света в виде графиков, построенных в полярных координатах (рис. 6). Выбирать диаграмму направленности следует с учетом параметров объекта освещения. При этом иногда светотехнические изделия оказываются не совсем подходящими по своим характеристикам пространственного распределения светового потока для их использования на конкретных объектах.

Рис. 6. Примеры пространственного распределения светового потока для различных типов светодиодных осветительных систем

Для различных типов светодиодных осветительных устройств эти требования обеспечиваются различными способами. Для уличных светильников требуемое распределение светового потока обеспечивается или использованием специальных оптических систем (линз на каждый светодиод или блока линз на линейку светодиодов), или специальной конструкции осветительного устройства, в которой светодиоды устанавливаются в различных плоскостях и интегрально обеспечивают требуемую кривую силы света (КСС). Типичная 3D диаграмма распределения светового потока для уличного светильника показана на рис. 7.

Для потолочных светильников также возможна реализация нескольких конструкций оптической системы — комбинация отражающей и рассеивающей системы для обеспечения требуемой КСС, использование сильно рассеивающих свет материалов, применение специальных материалов, боковая подсветка которых дает равномерную светимость достаточно большой

Рис. 7. Типичное пространственное распределение светового потока для уличного светильника

поверхности (аналоги LED подсветки LCD телевизоров). Примеры таких конструкций украинских производителей показаны на рис. 8.

Для ретрофитных ламп (светодиодных ламп с цоколями Е27 и Е14) требования, предъявляемые к КСС, диктуются необходимостью работы таких ламп в арматуре светильников, использующих лампы накаливания. Например, для того, чтоб люстра со светодиодными лампами сохраняла тот же световой дизайн, что и с лампами накаливания, необходимо обеспечить распределение светового потока светодиодной лампы в телесном угле, близком к 360°. Это возможно лишь при реализации специальных конструкций лампы (расположении светодиодов в различных плоскостях или применение специальных опти­ ческих систем, расширяющих углы излучения).

Синтез оптических систем для каждого конкретного применения является не столько тех-

нической, сколько научной задачей, требующей использования современного аналитического аппарата, сложного программного обеспечения, знаний в области материаловедения, оптики, математики.

Метрология. Контроль качества светодиодных систем освещения

Знание полного комплекса параметров и характеристик светодиодного осветительного устройства позволяет прогнозировать его поведение на длительное время, оптимизировать конструкции, улучшать тепловые характеристики, повышать энергетическую эффективность и обеспечивать производство конкурентоспособных светотехнических изделий. При этом метроло­ гическая база требует наличия современных высокоточных измерительных приборов, аттес­ тованных в соответствии с международными требованиями. Составными частями метрологии светодиодного осветительного устройства является метрология самого светодиода в качестве основного элемента системы освещения и метрология осветительной системы в целом.

Созданный при Институте физики полупро­ водников им. В.Е. Лашарьова в процессе выпол­- нения вышеуказанной Программы “Центр испы­- таний и диагностики полупроводниковых источников света и осветительных систем на их основе” оснащен современным измерительным оборудованием для диагностики практически всех светотехнических изделий. На рис. 9 представлены фотографии современных гониофотометров для измерения характеристик светодиодов. Измерения проводятся в рекомендованных МКО геометриях “А” или “В”. Гониофотометры позволяют определить практически все параметры и характеристики светодиодов для принятия решения о возможности их использования при производстве осветительных приборов.

Рис. 8. Конструкции светодиодных потолочных све­ тиль­ников

Рис. 9. Фотография современных гониофотометров для диагностики светодиодов

Для определения полного светового потока светодиода, его спектральной характеристики, цветовых координат, индекса цветопередачи, коррелированной цветовой температуры и других параметров используются фотометрические

Рис. 14. Универсальный прибор измерения напряжения, тока, мощности, фактора мощности, спектра токовых гармоник

ный прибор, который помимо непосредственного измерения напряжения, тока, мощности, фактора мощности может вычислять интегральный

Рис. 15. Примеры форм напряжения, тока и спект­ рального распределения токовых гармоник для различных блоков питания

систем отвода тепла от мощных светоизлучающих кристаллов для стабилизации температурных режимов работы светодиодов в оптимальном диапазоне температур, регламентированном производителем. Правильный выбор материала, формы и теплорассеивающей площади радиаторов способствует повышеннию срока службы светильника в целом. Метод измерения температуры различных участков светотехнического прибора на основе термопар требует использования многоканальных систем измерения (до 10 термопар подключаются одновременно) и не всегда позволяет размещать термопары в участках светотехнического устройства, температурный режим работы которых вызывает наибольший интерес. Использование метода инфракрасной тепловизионной микроскопии позволяет прово­- дить непосредственные замеры распределения температуры не только по поверхности радиа­ тора, деталей электронной платы управления, платы с расположенными светодиодами, но и рас-­ пределение температуры по площади светоизлучающего светодиодного кристалла. Последний фактор очень важен, потому что в мощных свето­- диодах при высоких уровнях возбуждения (больших токах) могут возникать значительные температурные градиенты, обусловленные неоднородностью распределения тока по площади активной области светодиода. Такой эффект нужно учитывать как при конструировании светоизлучающего прибора, так и при оценке допустимых режимов управления им.

Использование современных тепловизоров со сменными инфракрасными объективами и специальным программным обеспечением позво­ ляет эффективно измерять распределение темпе-­ ратуры в различных зонах осветительного прибора, а также отслеживать в автоматическом режиме динамику изменения температуры в характерных точках прибора за большой промежуток времени (до 2–3 часов) с интервалом между измерениями от 1 с до 15 минут. На рис. 16 показан вариант системы исследования динамики изменения температуры на рабочих поверхностях светодиодного осветительного устройства, построенной на основе тепловизора FLIR SC-305.

Рис. 16. Система измерения распределения тепловых полей различных компонентов осветительного устройства

Климатические условия эксплуатации светотехнического прибора являются важными требованиями, которые гарантируют работоспо­ собность прибора при заданных диапазонах давления, влажности, температуры. Проведение измерений оптических и электрических параметров светодиодного осветительного устройства в специальных камерах тепла и холода позволяет установить диапазоны температур, в которых сохраняется его работоспособность и обеспечиваются параметры, регламентированные производителем. На рис. 17 показан используемый в “Центре испытаний и диагностики” экспериментальный комплекс для проведения температурных исследований светотехнических приборов (диапазон температур от –40°С до + 150°С).

PC

Спектрорадиометр

Рис. 17. Экспериментальныйкомплексдляпроведения температурных исследований светотехнических приборов

Государственная целевая программа. Результаты внедрения разработок

За период 2011–2013 годы реализован ряд пилотных проектов по внедрению светодиодной осветительной техники украинского производства. В частности, установлено 2100 уличных светильников на 47 км дорог в городах (рис. 18): Киев (930 светильников на 12 км — Воздухо­ флотский проспект с прилегающими улицами), Харьков (650 светильников на 20 км Набережной и центральных улиц), Донецк (500 светильников на 15 км дорог в центре города). Экономия электроэнергии составила 1 млн. кВт·ч в год. Около 4000 светодиодных ламп (рис. 19) освещают 6 станций Киевского метрополитена (экономия электроэнергии — 1,7 млн. кВт·ч в год, срок окупаемости — всего 9 месяцев, а срок службы — 10 лет). Объекты ЖКХ Киева и Харькова оснащено

Киев, Воздухофлотский пр. — 18 км дорог, 930 светильников

Рис. 18. Светодиодное освещение улиц Киева, Харькова, Донецка

7000 светильниками, что дало экономию электроэнергии 1,26 млн. кВт·ч в год. Срок окупаемости составляет 2,5 года, а срок службы — 10 лет. На объектах бюджетной сферы и на промышленных предприятиях вместо люминесцентных светильников установлено 500 потолочных свето­ диодных, которые проходят эксплуатационные испытания в помещениях НТУУ “Киевский политехнический институт”, Киевского национального университета им. Тараса Шевченко и др.

Многоцветные динамические светодиодные модули обеспечивают праздничную иллюминацию­ вечернего Тернополя. Внедрены специальные осветительные приборы с заданным распреде­ ­ лением светового потока на бъектах Государ­ ственной пенитенциарной службы Украины.

Реализация важной для государства задачи — внедрение комплексных систем освещения на значимых социальных объектах, уже в 2014 году позволила оснастить современными светодиод­ ными системами освещения (рис. 20) участки автомобильных дорог Киев–Одесса (Киев– Чабаны), Киев–Харьков (Киев–Борисполь с развязками), аудитории трех высших учебных заведений (Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Национальный технический университет “Киевский политехнический институт”, Харьковская национальная академия городского хозяйства), здание Национальной детской специализированной больницы “ОХМАДЕТ”, учебных помещений гимназии № 5 г. Чугуева и другие объекты. Именно эти социально значимые объекты уже в 2014 году дадут существенную экономию электроэнергии, что при тенденции постоянного повышения тарифов на электроэнергию приведет не только к значительному экономическому эффекту, но и к социальному эффекту, связанному с улучшением экологии, качества освещения, а также к повышению произ­ водительности труда и др.

Опыт развитых стран мира в организации рынка систем освещения свидетельствует о необходимости скорейшего перехода к использованию энергосберегающей светодиодной техники. Учитывая тот факт, что в мировом масштабе расходы электроэнергии на освещение составляют 19–20% от всей произведенной электроэнергии, некоторые развитые страны законодательно запрещают использование ламп накаливания, осуществляя переход на светодиодное освещение. Как правило, государство финансовыми и организационными мерами поощряет такой переход. В Украине в начале 2014 года можно было ожидать внедрение про-

ектов по модернизации систем освещения с объемом финансирования до 200–250 млн. грн., что составляет лишь 2–3% от реальной потребности регулируемого государством рынка потребления (к сожалению, в нынешних условиях развития экономики Украины не реализована и эта цифра). При таких капиталовложениях переход к эффективному освещения продлится от 10 до 30 лет, а народнохозяйственный комплекс не сможет ежегодно экономить электроэнергию на сумму 3–7 млрд. грн.

Результаты выполнения Программы являют­ ся существенным вкладом в реализацию приоритетных направлений государственной политики в области энергосбережения. Сегодня можно утверждать, что результаты выполнения Программы — это яркий пример тесного сотрудничества ученых и специалистов Национальной академии наук Украины, высших учебных заведений, представителей производственной сферы с целью эффективного внедрения разработок в производство, организации этого производства на украинских предприятиях и инсталляции высокоэффективного осветительного оборудования на объектах бюджетной и промышленной сфер, транспорте, автомобильных дорогах, в жилищнокоммунальном хозяйстве.

Все это свидетельствует о том, что выполнение Программы — чрезвычайно важная и актуальная задача, а прекращение ее выполнения в 2014 году является ошибочным.

ВЫВОДЫ

Успешное рещение задачи создания высоко­ эффективных светодиодных осветительных систем возможно лишь при учете научных, технологических, материаловедческих, электронных, теплоэнергетиченских, оптических и других аспектов, определяющих качество создаваемых приборов. При этом особую роль играет метрологическое обеспечение этих разработок с использованием современных средств измерения широкой гаммы параметров и характеристик как элементов светотехнического прибора, так и самого прибора в целом. В процессе выполнения заданий Государственной целевой научно-технической программы “Разработка и внедрение энеогосберегающих светодиодных источников света и осветительных систем на их основе” были проведены разработки и созданы производства широкой номенклатуры светодиодной осветительной техники с параметрами и характеристиками, удовлетворяющими международным стандартам.

Постановка серийного производства широкого класса светодиодных осветительных приборов на таких предприятиях как ООО “Экта-Пром” (г. Житомир), ООО “ОСП Корпорация “Ватра” (г. Тернополь), ООО “Атилос” (г. Чернигов),

ООО “СУ-24”, ООО “Светодиодные технологии Украина” (г.Харьков) позволяет обеспечивать потребности Украины в высококачественной энергоэффективной осветительной технике.

Пріоритетними напрямками діяльності центру є:

1. Проведення випробувань продукції на відповідність вимогам:

•  Постанови Кабінету міністрів України від 15 жовтня 2012 р. № 992 Про затвердження вимог до світлодіодних світлотехнічних пристроїв та електричних ламп, що використовуються в мережах змінного струму з метою освітлення;

•  Технічного регламенту етикетування ламп побутового використання стосовно ефективності споживання електроенергії (вимірювання світлового потоку, потужності, тривалості горіння, визначення ефективності споживання електроенергії);

•  Технічного регламенту низьковольтного електричного обладнання (вимірювання світлового потоку, сили світла, освітленості, колірної температури, координат колірності, домінантної довжини хвилі, коефіцієнту корисної дії, коефіцієнту потужності, електричних параметрів, розмірів, маси, перевірка світлорозподілу, маркування, взаємозамінності, міцності кріплення цоколя до колби, захисту від випадкового дотику до струмоведучих частин, середньої тривалості горіння, пускових та робочих характеристик, стабільності роботи, опору та електричної міцності ізоляції, перевищення температури поверхні, випробування на дію механічних та кліматичних чинників, стійкості до скручування, теплостійкості, вогнестійкості, ступеня захисту оболонок, вологостійкості, іскростійкості, дію дощу та вітру, шумових характеристик, рівня вібрації, безпеки в кінці тривалості горіння тощо);

•  Технічного регламенту з електромагнітної сумісності обладнання (вимірювання напруги завад на затискачах мережі електроживлення);

•  Технічного регламенту безпеки машин (перевірка освітленості робочих місць, повітря робочої зони (стосовно концентрації пилу), шумових характеристик, параметрів вібрації, температури зовнішніх поверхонь, виконання вимог електробезпеки, ступеню захисту оболонок, опору та електричної міцності ізоляції, спрацювання

сигналізації і блокувань, плавності роботи, відсутності заїдань, комплектності і пакування, вимог до конструкції, радіального биття, якості покриттів, опору заземлення, напруги електричних кіл, кольорів сигнальних і знаків безпеки, символів органів керування, вимог до матеріалів, маркування, систем захисту, зусиль на рукоятках, важелях, маховиках і рухомих кришках, маси, частоти обертання, захисту від ураження електричним струмом та залишковою напругою тощо)

2. Проведення робіт в галузі метрології.

ДП "Полтавастандартемтрологія" проводить повірку:

•  світловимірювальних ламп, які є основними засобами вимірювальної техніки при проведенні перевірки світлових параметрів джерел світла;

•  люксметрів;

•  фотометричних головок.

3. Створення IES файлів світильників.

Формат IES, розроблений Світлотехнічним товариством Північної Америки. Він підтримується більшістю професійних світлотехнічних програм, які дають змогу змоделювати світильники для зовнішнього та внутрішнього освітлення в різних ситуаціях, дозволяють максимально наближено до реального втілення, розраховувати і створювати світлотехнічні проекти по освітленню будьяких об’єктів. Зокрема, йдеться про такі відомі програми, як DIALux, Relux, Lightscape, 3D Studio Max, 3D Studio Viz та інші.

Контакти:

36022, м. Полтава, вул. Вузька, 6 тел./факс +38(0532)58-43-39, +38(050)303-63-26

cvel@list.ru, ndcvel.to@gmail.com

Шпак Світлана Василівна —

начальник НД ЦВЕЛ

Бубирь Світлана Олександрівна —

начальник лабораторії випробувань світлотехнічної продукції

Кулініч Людмила Іванівна —

начальник лабораторії випробувань технологічного обладнання

Н.Н. Соловьев, инженер

“КиевПромЭлектроПроект”

УДК 621.316.925

Расчет дифференциальной защиты трансформатора при выполнении проектов электроснабжения промышленных предприятий и подстанций

Вданной статье предлагается унифицировать содержание и порядок оформления расчетов диф­ ференциальной защиты силового трансформатора, выполненной с использованием цифровых микропроцессорных терминалов, для проектов электроснабжения промпредприятий и подстанций. В тексте приводятся наиболее важные моменты, необходимые для выполнения расчета микропроцессорной дифференциальной защиты сотрудниками проектных институтов и организаций, при выполнении проектов электроснабжения и подстанций.

Ключевые слова: дифференциальная защита силового трансформатора, микропроцессорная защита, электрическая подстанция, цифровое реле, уставка защиты, рабочая характеристика.

Встатті пропонується уніфікувати вміст та порядок оформлення розрахунків диференційного захисту силового трансформатору, що виконується з використанням цифрових мікропроцесорних терміналів, для проектів електропостачання промислових підприємств та підстанцій. В статті наведенні найбільш важливі моменти, що потрібні при виконанні розрахунку мікропроцесорного диференційного захисту співробітниками проектних інститутів та організацій, при виконанні проектів електропостачання та підстанцій.

Ключові слова: диференційний захист силового трансформатору, мікропроцесорний захист, електрична підстанція, цифрове реле, уставка захисту, робоча характеристика.

In this paper we propose to unify the content and policies calculations differential protection of power transformer, made using digital microprocessor terminals for power supply projects of industrial enterprises and substations. The text refers to the most important points needed to perform the calculation of the differential protection officers microprocessor design institutes and organizations in carrying out projects and electricity substations.

Key words: differential protection of power transformer, microprocessor protection, electrical substation, digital relay protection setting, performance.

Введение

При выполнении проектов электроснабжения или подстанций среднего и высшего класса напряжения проектировщику необходимо выполнять раздел релейной защиты проекта.

До появления в нашей стране микропроцессорных терминалов или попросту говоря, цифровых защит, в проектных институтах и организациях применялись соответствующие нормали проектных документаций, разработанные ГПИ