LED Straßenbeleuchtung in Einsatz Betriebssicherheit und...
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KIT – University of the State of Baden-Württemberg andNational Large-scale Research Center of the Helmholtz Association
KIT LICHTTECHNISCHES INSTITUT
www.lti.kit.edu
LED‐Straßenbeleuchtung in Einsatz Betriebssicherheit und Lebensdauer30.3.2015 Kommunaler Energietag Sachsen
Dr. Rainer Kling Lichttechnisches Institut Karlsruhe
Motivation
KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR 26.11.2013 Seite 3
Straßenbeleuchtung in Deutschland NAV und HQL dominiert LED Anteil 10%Alter Leuchten Bestand
KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR 26.11.2014 Seite 3
Noch über 25% HQL
Bestand!
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 3
Philips, Kling
Motivation
KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR 26.11.2013 Seite 4
Modernisierung StraßenbeleuchtungSanierungTeilsanierung Neuinstallation
MaßnahmenBestandsaufahme: Beleuchtungsanlage Unabhängige Lichtplanung und Projektüberwachung
Ziele Energetische Sanierung > BetriebskosteneinsparungLangfristige Betriebssicherheit > Hohe Wartungsfaktoren
KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR 26.11.2014 Seite 4KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 4
Betriebssicherheit Leuchten
Seite 5
LED Leuchten
Sicherheit Anwendungs-bezogen Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 5
Lebensdauer
Sicherheitanforderungen Leuchten
Persönliche SicherheitAnlagenverfügbarkeit Anlagensicherheit
ProdukthaftungRetrofitLeuchte
KIT Dr. Rainer Kling Licht2014 Seite 6
Prüfklassen:Geprüfte QualitätNorm-konformitätGS – ZeichenCE – ZeichenVDE –Zeichen TÜV -Zeichen
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 6
Persönliche Haftung Anlagen‐verantwortungVerkehrssicherheit
Gesundheit Photobiologisch Elektrisch ÜberspannungEMV
Sicherheitsanforderungen
Verkehrssicherheitspflicht § 823 ff BGB „Schadenersatz“ § 839 BGB, Art. 34 GG „Haftung bei Amtspflichtverletzung“ § 836 BGB § 14 Landesstraßengesetz
Einhaltung der Gütekriterien Beleuchtungsniveau
horizontale Beleuchtungsstärke Eh Gütekriterien: DIN EN 13 201 1‐4 Blendung
KIT Dr. Rainer Kling Licht2014 Seite 7KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 7
Sicherheitsanforderungen Anlage
Standsicherheitsprüfung der MastenStandsicherheit visuell Prüfverfahren
Mechanisches BiegeverfahrenUltraschall /MetallSchwingungsanalyse
Empfehlung: ab 15 Jahre Alter
Elektrische Anlagensicherheit SchaltschränkeLeitungsnetz (Querschnitte, Längen, Iso.‐Widerstände)
KIT Dr. Rainer Kling Licht2014 Seite 8KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 8
Leuchten Schutz- und Prüfklassen
Schutzklassen: Prüfklassen 0 Kein SchutzI Schutzerdung II Schutzisolierung
VDE 0100 Teil 410, 412.1
III Schutzkleinspannung SELV, bis 50V DC, 120V ACDIN VDE 0570-2-6
KIT Dr. Rainer Kling Straßenbeleuchtung 30.09 2014 Seite 9KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 9
LED Straßenleuchte
Aufbau: Schematisch Real:
Abdeckscheibe
Gehäuse
EVG
LED Modul
DOW
Temperaturmanagement der LeuchteTemperaturmanagement der LED Chip
LED Chip
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 10
Optik
LED Leuchte
LED Leuchten Benchmark
Straßenleuchten Ist-Stand: Lichttechnisches Institut Benchjmark 2014:
LED Leuchten: • Lichtausbeuten: 90 - 110 - 120 lm/W• Wattagen: 20 W – 160 W
HID Leuchten als Vergleich: • Lichtausbeuten: 80 -120 lm/W• Wattagen 20 W – 400 W
KIT Dr. Rainer Kling Straßenbeleuchtung 30.09 2014 Seite 11KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 11
Sichere und gute LED Straßenleuchten
SicherheitErfüllung der Elektrotechnischen NormenRichtlinienkonformitätSchutzart Photobiologische Sicherheit: IEC 62471EMV
LichttechnikEN 13201EntblendungKein „Lichtsmog“
KIT Dr. Rainer Kling Licht2014 Seite 12KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 12
Schuch
Gute Straßenleuchten
Montage‐/WartungsfreundlichkeitEinfacher Wechsel EVG / LED‐Modul
WirtschaftlichkeitKosten/Effizienz/ LebensdauerProduktqualität und Ästhetik
Thermomanagement Thermomanagement LeuchteLebensdauer
KIT Dr. Rainer Kling Licht2014 Seite 13KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 13
Schuch
Anforderungen LED Leuchten
Seite 14
LED Leuchten
Sicherheit Anwendungs-bezogen Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 14
Lebensdauer
Lebensdauer Ausfallraten
Ausfallrate = 1 / Mean Time to Failure (MTTF)
Aus
fallr
ate
/ % Ausfallraten über Zeit
Zeit / h
sinkendeAusfallrate
“konstante Ausfallrate”
ansteigendeAusfallrate
Frühausfall-rate
End-of LifeAusfallrate
gültiger Bereich Ausfallrate
Ausfallformen: PrimärausfallSekundärausfallVollausfallDriftausfall
Ausfallarten:Vorbetriebs-FertigungsfehlerBetriebsausfallFrühausfallNormalausfall
Mit Ausfallrate
Verschleiß Ausfall nach mittlerer Lebensdauer
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 15
LED von Chip zum Modul
Viele LED Chip HerstellerVerschiedene Herstell-Verfahren Schnelle Chip Evolution und Generationswechsel
Verschiedene LED Halbleiter MaterialienZ.B. GaAsP/ InGaN auf verschiedenen Substraten
Weißes Licht: Verschiedene Prinzipien und Aufbau
Leistungsklassen: Low Power bis High Power Chips größer 1A Betriebsstrom
Einzelchips, Module und Light Engines
Standardisierung: Zhaga
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 16
Lebensdauer LED Einzel Chip:LM80 Tests bei TcBetriebsstrom hat stärke Auswirkungen auf Lebensdauer als Temperatur Tj gestiegen bei neueren Chips! Chips L70B50 Werte:LD Tests auf 6.000 h und 10.000 h Werte auf 60.000 h extrapoliert
LED Module L70B50 :Tc gestiegen auf über 100°C:LM80 Tests bei TcLD Tests auf 10.000 h, teilweise bis 30.000 h
LED und Lebensdauer
Philips
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 17
Ursachen LED Chip Degradation
Lichtstromrückgang (Degradation) und color driftLED Chip, Package LED ModulOptik AlterungBetriebstemperatur LED BetriebsstromstärkeThermische AnbindungMechanische BeanspruchungUmweltaspekte
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 18
LED Modul Lebensdauer Beispiel LED Straßenbeleuchtungsmodul:
Daten: Osram Prevaled LEP -10000-657-CT3P = 78 W, U = 162 V, I = 0.425 A > großer Kühlkörper notwendigTc max = 80°C, System- Lichtstrom 8165 lm, Systemeffizienz 112 lm/WCCT 5700K, CRI 65L85 B10 = 60.000 h, 15000 Schaltzyklen
Seite 20KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 20
Normen und Standards für Modul:Elektromagnetische Kompatibilität: EN 55015 , EN 61547, EN 61000-4-2, EN 61000-4-3EN 61000-4-4,EN 61000-4-6Photobiologische Sicherheit: IEC 62471Sicherheit des LED-Moduls: EN 62031, UL 8750Vibrations-, Bruchfestigkeit: EN 60068-2-6, EN 60068-2-21Temperatur-, Korrosionsbelastung: JESD22-A105-C, JESD22-A101-C, JESD22-A103EN 60068-2-2, EN 60068-2-11
Wartungsfaktor
Seite 21
Wartungsfaktor (maintenance factor)
MF
Lampenlichtstromwartungsfaktor (lamp lumen maintenance factor)
LLMF (Chip degradation)
Leuchtenwartungsfaktor (luminaire maintenance factor)
LMF
Lampenausfallfaktor (lamp survival factor)
LSF (Leuchten Frühausfälle)
MF = LLMF x LSF x LMF
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 21
Wartungsfaktor LED Leuchte
*Osram
MF = LLMF x LSF x LMF
Ohne
Lichtstromnachführung
lt. Angabe desLeuchtenherstellers
0,98* lt. Angabe desLeuchtenherstellers
Mit
Lichtstromnachführung
1,0 0,98* lt. Angabe desLeuchtenherstellers
LED ChipDegradation LED Leuchte
LED Leuchte 1-2 % Frühausfälle
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 22
Bei L90 B10 – Statistische Betrachtung der LED Lichtströme:Best case: 90 % LED´s haben 100 % Lichtstrom
10 % LED´s = 89 % Lichtstrom (kein Ausfall)LLMF = 0.989
Durchschnitt-Fall: 10 % LED´s haben 95 % Lichtstrom80 % LED´s = 90 % Lichtstrom5 % LED´s = 70 % Lichtstrom5 % LED´s = 1 % LichtstromLLMF = 0.85
Worst case: 90 % LED´s haben 90 % Lichtstrom10 % LED´s = 1 % LichtstromLLMF = 0.81
Bespiele Leuchten Wartungsfaktor
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 23
Ausfallursachen (total failure)
LED Chip Herstellqualität LED Modul (Betrieb, Bestückung) OptikEVG (Aufbau, Lebensdauer Bauelement, Betriebsweise) Gehäuse mit Abdeckscheibe Anbindung NetzThermomanagementUmwelteinflüsse (Feuchtigkeit, Temperatur)
Ursachen LED Leuchtenausfall
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 24
Überspannungsschutz und EMV
KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR 29.11.2013 Seite25
Überspannungsfestigkeit SurgeÜberspannungsfälle Stromstöße: Inrush CurrentMaßnahmen
Schutzschaltung an Eingang EVG Erdung GehäuseErdkabel Mast
EMV Abstrahlung: leitungsgebunden und Funk LTI: Kalibriertes EMV Messlabor
EMV Leuchte IEC/EN 62493 (VDE 0848-493)EVG IEC/EN 61547 61000-3-2EC/EN
KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR 26.11.2014 Seite 25
LTI HV & EMV Test
EVG Ausfallursachen
LED EVG Ausfälle Bauelemente Platine Lötstellen Temperatur TcGehäuse:
Wärmeeintrag WassereintragÜberspannung
ZuleitungÜberspannungStroßströme
LED-Modul EVG
LötstellenBrüche,
Platine Verbindungs-BrücheKurzschlüsse
R C L IC Drift Ausfälle Tc LED Chip
GehäuseTc EVG
Zuleitung
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 26
Ausfallraten EVG Reale EVG Ausfallraten Straßenleuchten
Angaben für konstante maximale Ausfallraten bei festem Tc:XA: Ausfallrate 1 % bei 100.000 hXB: Ausfallrate 5 % bei 100.000 hXC: Ausfallrate 10 % bei 50.000 hXD: Ausfallrate 10 % bei 30.000 h
Bei 10°C Temperaturerhöhung über Tc: Verdopplung der Ausfallrate = Halbierung der Lebensdauer!
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 27
Ausfallraten LED Leuchten
Reale Ausfallraten StraßenleuchtenVerteilung auf Baugruppen:
Beispiel: Straßenleuchten (6000 Stück):Ausfallrate 0.6% nach 6.200 h
LTI 2014
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 28
Anforderungen: Verfügbarkeit der Ersatzteile: 30 JahreGeometrie und LED Anzahl bleibt gleich Lichtstrompakete über Lebensdauer gesichertEVG und LED ErsatzLebensdauer in Abhängigkeit von der Temperatur (bei 5% Ausfallrate)Tc AngabeLVK im Eulumdat – FormatLebensdauer Treiber (5% Ausfallrate)
Leuchten Betriebssicherheit
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 29
Zusammenfassung
Seite 30KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR 26.11.2014 Seite 30
Viele LED‐Leuchten sind ausgereift und zeichnen sich durch hohe Wirtschaftlichkeit aus.
Betrieb der Leuchte: Sicherheit und Lebensdauer neben Funktion, Lichttechnik, Wirtschaftlichkeit und Ästhetik
Unabhängige Lichtplanung ist unabdingbar.
Angaben der Hersteller sind zu hinterfragen.
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 30
KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR 29.11.2013 Seite
Dr.-Ing. Rainer Kling Universitätsdozent für Lichttechnik,Lichtplanung und Elektronische Betriebsgeräte
Lichttechnisches InstitutKarlsruher Institut für Technologie KITEngesser Str. 1376131 Karlsruhe
Tel.: +49-721-6084-2537Fax: +49-721-6084-2590Mail: [email protected]
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 31
Kontaktdaten:
KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 31