HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNE ELEKTRODISTRIBUCIJSKE KONFERENCIJE - HO CIRED 4. (10.) savjetovanje Trogir/Seget Donji, 11. - 14. svibnja 2014. SO1-12 Branko Škara, struč.spec.ing.el. Dalekovod-projekt d.o.o., Zagreb branko.skara@dalekovod.hr Mr.sc. Davor Petranović, dipl.ing.el. Elektroprojekt d.d., Zagreb davor.petranovic@elektroprojekt.hr LED RASVJETA TRANSFORMATORSKE STANICE 110/20 KV SAŽETAK LED izvori svjetla nalaze sve veću primjenu u unutarnjoj i vanjskoj rasvjeti. U ovom referatu se istražuje mogućnosti primjene LED izvora svjetla u unutarnjoj i vanjskoj rasvjeti transformatorske stanice 110/20 kv. Na temelju suvremene norme HRN EN 12464 određeni su zahtjevi na unutarnju i vanjsku rasvjetu za realnu transformatorsku stanicu 110/20 kv. Obrađena je opća, nužna i protupanična unutarnja rasvjeta, te vanjska rasvjeta. Svi potrebni proračuni su izrađeni u suvremenom programskom paketu koji projektanti koriste za proračun rasvijetljenosti. Također je dan i osvrt na isplativost uporabe LED izvora svjetla za rasvjetu transformatorskih stanica 110/20 kv. Ključne riječi: LED, transformatorska stanica, rasvjeta, proračun, ušteda 110/20 KV SUBSTATION LED LIGHTING SUMMARY LED light sources are increasingly used for both indoor and outdoor lighting. This paper explores the possibilities of using LED light sources in the indoor and outdoor lighting on the example of the 110/20 kv substation. Based on modern standard HRN EN 12464, certain requirements on indoor and outdoor lighting for 110/20 kv substation is stated. General, emergency and anti-panic indoor and outdoor lighting are elaborated. All necessary calculations are made in a modern software package that designers used to calculate illumination. Paper also present the feasibility of using LED light sources for lighting of the 110/20 kv substation. Key words: LED, transformer station, lighting, calculation, saving 1
1. UVOD Tema referata je LED rasvjeta transformatorske stanice 110/20 kv, a njegova je svrha prikazati mogućnost primjene svjetiljki moderne konstrukcije s ugrađenim LED izvorima svjetlosti u svim vrstama rasvjete koje se nalaze u transformatorskoj stanici uvažavajući norme [1, 2, 3], pravilnike [4] i ostalu literaturu koja obrađuje navedenu tematiku [5, 6, 7, 8]. Transformatorska stanica 110/20 kv je elektroenergetsko postrojenje čija namjena je transformacija napona s naponske razine 110 kv na naponsku razinu 20 kv. Objekt se sastoji od vanjskog postrojenja i pogonske zgrade u kojoj se nalazi srednjenaponsko postrojenje, kontrolne prostorije, transformatori i razvodi vlastite potrošnje, prigušnica i dr. Cijeli objekt treba osvijetliti prema zahtjevima hrvatskih pravilnika i normi. 2. RASVJETA TS 110/20 kv Zbog karakteristika postrojenja, rasvjeta se dijeli na dva glavna dijela: unutarnju i vanjsku rasvjetu. Unutarnja rasvjeta transformatorske stanice 110/20 kv se dijeli na opću, nužnu i protupaničnu rasvjetu. Opća rasvjeta je osnovna rasvjeta koja pruža ugodnu razinu izravne i neizravne rasvjete dovoljnog intenziteta za obavljanje radnji održavanja i upravljanja alatima i uređajima te daje približno jednaku rasvijetljenost na cijeloj radnoj površini. Nužna rasvjeta je vrsta rasvjete koja se uključuje prilikom otkazivanja mrežnog izvora električne energije, koristeći vlastiti izvor energije (baterije u razvodu pomoćnog istosmjernog napona). Namjena protupanične rasvjete je sprječavanje panike i osiguravanje dovoljne rasvijetljenosti koja ljudima omogućava siguran dolazak do mjesta gdje je uočljiv evakuacijski put. Svjetiljka protupanične rasvjete posjeduje vlastitu bateriju koja se puni iz razvoda pomoćnog izmjeničnog napona. Prema normi HRN EN 12464-1 potrebna srednja vrijednost rasvijetljenosti za unutarnje prostore objekata u elektroindustriji iznosi 100 500 lx ovisno o prostoriji te uzvrat boja R a 40 80. Zahtijevane razine rasvijetljenosti su prikazane u tablici I. Prostorija Tablica I. Svjetlotehnički zahtjevi za unutarnju rasvjetu Potrebna srednja rasvijetljenost E (lx) Uzvrat boja R a SN postrojenje 200 60 Kabelski prostor 150 60 Stubište 150 40 Hodnik 100 40 Prostorije transformatora vlastite potrošnje 200 60 Prostorija prigušnice 200 60 Sanitarni čvor, pomoćna prostorija 200 80 Prostorije sekundarne opreme 500 80 Prostorije AC i DC razvoda 200 80 Norma HRN EN 1838 definira svjetlotehničke zahtjeve za nužnu i protupaničnu rasvjetu. Srednja vrijednost rasvijetljenosti za nužnu rasvjetu mora iznositi najmanje 10 % od zahtijevane rasvijetljenosti opće rasvjete ili najmanje 15 lx. Za protupaničnu rasvjetu navedena norma propisuje da horizontalna rasvijetljenost mora biti 1 lx na sredini evakuacijskog puta i to na središnjem dijelu bez rubnog dijela širine 0,5 m na kojem mora biti 0,5 lx. Omjer između minimalne i maksimalne rasvijetljenosti ne smije biti veći od 1:40. Normom HRN EN 12464-2 definirani su svjetlotehnički zahtjevi za vanjske radne prostore. U slučaju transformatorske stanice 110/20 kv minimalne razine rasvijetljenosti su prikazane u tablici II. 2
Tablica II. Svjetlotehnički zahtjevi za vanjsku rasvjetu Vanjski prostor Potrebna minimalna rasvijetljenost E (lx) Jednolikost U 0 Uzvrat boja R a Vanjsko postrojenje 20 Prometno područje gdje se vozila kreću brzinom manjom od 10 km/h Područje kretanja pješaka unutar električki sigurnog područja 10 5 0.25 20 3. LED RASVJETA 3.1. LED izvori svjetla Prvi LED izvori svjetlosti mogli su biti proizvedeni nakon otkrića silicij-karbida (SiC) 1891. godine. Prvo otkriće dogodilo se 1907. godine kada je Henry Joseph Round izvodio pokuse sa silicij-karbidom i uočio žutu svjetlost prilikom puštanja struje kroz njega. No, prvu praktičnu uporabu LED izvor svjetlosti je doživio tek 1962. godine kada ju je proizveo Nick Holonyak. Korištene su kao zamjena žarulja sa žarnom niti kod indikatora i sedam-segmentnih zaslona te kao prvi izbor u skupoj opremi kao npr. laboratorijska oprema za ispitivanje, a kasnije se pojavljuju u TV i radio uređajima te računalima. Ovi LED izvori svjetlosti su emitirali crveno svjetlo i imali samo 0,001 lm svjetlosnog toka te zbog toga nisu mogli biti korišteni za osvjetljavanje površine, već samo kao indikatori. Do 1968. godine proizvodnja LED izvora svjetlosti je bila iznimno skupa zbog čega nije mogla ući u širu upotrebu. Te godine je počela prva masovna proizvodnja LED od strane tvrtke Monsanto koja je za proizvodnju koristila galij-arsen-fosfid (GaAsP). Ove LED izvore svjetlosti Hewlett Packard je počeo koristiti u svojim proizvodima. Godine 1970. došlo je do bitnog smanjenja cijene LED izvora svjetlosti. Tvrtka Fairchild Electronics LED izvore svjetlosti prodavala je po cijeni nižoj od 5 centi. Do tada je cijena bila oko 200 dolara. Prve visoko sjajne LED izvore svjetlosti otkrio je T. P. Pearsall 1976. godine otkrivanjem novih poluvodičkih materijala prilagođenih valnoj duljini prijenosa optičkih vlakana. Zbog svoje visoke učinkovitosti korištene su u telekomunikacijskoj industriji. Do zaokreta u korištenju LED izvora svjetlosti dolazi 1994. godine kada je Shuji Nakamura LED vidio kao adekvatan izvor svjetlosti. Tada je proizveo plavi visoko sjajni LED, a ubrzo zatim i bijeli. Slika 1. LED izvor svjetla 3
LED čini čip izrađen od poluvodičkog materijala dopiranog određenim primjesama, što omogućava izradu P-N spoja. Prilikom prisutnosti istosmjernog napona elektroni prelaze s N na P stranu te se u području spoja spajaju sa šupljinama. Zatim prelaze u niže energetske nivoe, a višak energije koju otpuštaju se očituje u obliku fotona, odnosno svjetlosti. Slika 2. Razvoj LED izvora svjetla u usporedbi s ostalim izvorima svjetla Prvi visokoučinski LED proizveo je Philips Lumiled 2002. godine. Snaga čipa je bila 5 W, a iskoristivost 18-22 lm/w. Kako bi se stekao dojam visoke učinkovitosti LED-a za primjer se mogu uzeti žarulje sa žarnom niti koje nemaju prostora za unaprjeđenje, a učinkovitost im je 15 lm/w pri snagama 60-100 W. Učinkovitost fluo cijevi se povećava sve do 100 lm/w. Trenutno najviša učinkovitost LED izvora svjetlosti prijavljena je u veljači 2013. godine od strane tvrtke Cree Inc. i iznosi 276 lm/w. Svjetlosna iskoristivost od 276 lm/w ostvarena je pri struji 350 ma i boji svjetla 4401 K. Kod svjetiljki sa LED izvorima svjetlosti za primjenu u industriji koriste se čipovi snage od nekoliko W do nekoliko desetaka W. No, to za posljedicu ima manju učinkovitost. 4
3.2. LED svjetiljke 3.2.1. LED svjetiljke za opću rasvjetu Za opću rasvjetu u svim prostorijama transformatorska stanice, osim u sanitarnom čvoru, predviđena je rasvjeta svjetiljkama sa LED cijevima (tip 1). Navedene svjetiljke su nadgradne konstrukcije, izrađene od čeličnog lima premazanog zaštitnim slojem te sa jednom ili dvije LED cijevi. LED cijevi su retrofit izvedbe T8 oblika sa G13 priključkom koje se priključuju u kućište konvencionalne rasvjete. U sanitarnom čvoru rasvjeta je proračunata pomoću nadgradnih svjetiljki s ugrađenim LED izvorima svjetlosti (tip 2). Slika 3. LED svjetiljka za unutarnju rasvjetu tip 1 Slika 4. LED svjetiljka za unutarnju rasvjetu tip 2 3.2.2. LED svjetiljke za nužnu rasvjetu Za svjetiljke nužne rasvjete odabrane su svjetiljke jednakog tipa kao i svjetiljke opće rasvjete, ali su označene crvenom trakom kako bi ih se moglo razlikovati od svjetiljaka za opću rasvjetu. Svjetiljke se napajaju s pomoćnog razvoda istosmjernog napona 220 V DC. Ovaj tip svjetiljke prikazan je na slici 5. 5
Slika 5. LED svjetiljka za nužnu rasvjetu 3.2.3. LED svjetiljke za protupaničnu rasvjetu Za protupaničnu rasvjetu odabrana je svjetiljka nadgradne konstrukcije i montira se direktno na strop ili ju je moguće ovjesiti uz pomoć lanca ili užeta. Na svaku svjetiljku oslikan je odgovarajući piktogram, u propisanom obliku i omjeru boja, ovisno o smjeru evakuacijskog puta. Piktogrami su slike predmeta kao simbol pojma ili riječi. Svjetiljka se nalazi na slici 6. Slika 6. LED svjetiljka za protupaničnu rasvjetu 3.2.4. LED svjetiljke za vanjsku rasvjetu Za vanjsku rasvjetu odabrane su svjetiljke moderne konstrukcije sa ugrađenim LED izvorima svjetlosti čija je primarna namjena rasvjeta eksterijera, parkirališta, cestovne infrastrukture itd. Svjetiljka se sastoji od kućišta od lijevanog aluminija obojenog zaštitnom bojom, čeličnih spojnica i vijaka te zaštitnog stakla. Optika u više slojeva omogućava ujednačenu distribuciju svjetlosti što omogućuje zamjenu svjetiljki sa visokotlačnim natrijevim žaruljama. Korištene su svjetiljke sa dva tipa optike. Prvi tip je za svjetiljku s neusmjerenim svjetlosnim tokom, a drugi tip sa usmjerenim svjetlosnim tokom. Slika 7. LED svjetiljka za vanjsku rasvjetu 6
Slika 8. LED svjetiljka za vanjsku rasvjetu s neusmjerenim svjetlosnim tokom Slika 9. LED svjetiljka za vanjsku rasvjetu s usmjerenim svjetlosnim tokom 4. PROJEKT LED RASVJETE LED svjetiljke iz prošlog poglavlja koristiti će se u projektu unutarnje i vanjske rasvjete TS 110/20 kv [9]. Transformatorska stanica 110/20 kv Primošten [10] je izvedena pomoću klasične rasvjete (FC cijevi i visokotlačni natrijevi izvori svjetla), a za potrebe ovog referata korištene su njene dimenzije i raspored opreme. Svjetlotehnički proračuni su vršeni pomoću programskog paketa za proračun rasvijetljenosti, koji na temelju baze podataka različitih proizvođača svjetiljaka vrši proračun prikazujući rezultate u alfanumeričkom i grafičkom obliku. Opća unutarnja rasvjeta je projektirana pomoću svjetiljaka prikazanim na slikama 3 i 4. U prostoriji srednjenaponskog postrojenja, koja je dimenzija 17,7 x 8,7 m predviđeno je 14 svjetiljaka tip 1 s jednim izvorom svjetla. Svjetiljke su montirane na strop, na visini 3 m. Proračunata srednja rasvijetljenost iznosi 249 lx. 7
Slika 9. Alfanumerički proračun opće rasvjete u prostoriji srednjenaponskog postrojenja Nužna rasvjeta je projektirana pomoću svjetiljaka prikazanim na slici 5. U prostoriji srednjenaponskog postrojenja, koja je dimenzija 17,7 x 8,7 m predviđene su 2 svjetiljke s jednim izvorom svjetla. Svjetiljke su montirane na strop, na visini 3 m. Proračunata srednja rasvijetljenost je 29 lx. Slika 10. Alfanumerički proračun nužne rasvjete u prostoriji srednjenaponskog postrojenja Protupanična rasvjeta je projektiranja pomoću svjetiljaka prikazanim na slici 6 s odgovarajućim piktogramima. U prostoriji srednjenaponskog postrojenja, koja je dimenzija 17,7 x 8,7 m predviđene su 3 svjetiljke s jednim izvorom svjetla. Kako je zahtijevana rasvijetljenost 1 lx, proračun se ne provodi već se svjetiljke smještaju prema normi HRN EN 1838 i uputama proizvođača. Vanjska rasvjeta je projektirana pomoću svjetiljaka prikazanim na slici 7. Raspored svjetiljaka i grafički prikaz rasvijetljenosti u vanjskom postrojenju je prikazan na slici 11, a rezultati u tablici III. Za rasvjetu postrojenja se koriste neusmjerene svjetiljke, a za rasvjetu ograde se koriste svjetiljke s usmjerenim svjetlosnim tokom. Svjetiljke su montirane na visini 10 m. 8
Slika 11. Grafički prikaz rezultata proračuna vanjske rasvjete s prikazom razmještaja svjetiljaka Tablica III. Rezultati proračuna rasvijetljenosti za vanjsku rasvjetu Vanjski prostor Proračunata rasvijetljenost E (lx) Jednolikost U 0 Vanjsko postrojenje 28 Prometno područje gdje se vozila kreću brzinom manjom od 10 km/h Područje kretanja pješaka unutar električki sigurnog područja 20 14 0.29 5. USPOREDBA LED I KLASIČNE RASVJETE Ukupna korištena snaga svjetiljki opće rasvjete s LED izvorima svjetlosti bi iznosila 1.945 W, dok bi u konvencionalnoj izvedbi snaga iznosila 2.612 W. Analizom ovih podataka moguće je zaključiti da bi se korištenjem svjetiljki sa LED izvorima svjetlosti mogle ostvariti značajne uštede. U ovom slučaju ušteda bi iznosila nešto više od 25 %, no moguće je ostvariti i veće uštede. Ovakva mala ušteda je iz razloga što su korištene svjetiljke konvencionalne rasvjete, konstrukcije prilagođene fluo cijevima, ali sa 9
cijevima retrofit izvedbe u kojima su LED izvori svjetlosti. Konstrukcije svjetiljki izrađenih posebno za LED izvore svjetlosti bi znatno povećale iskoristivost izvora svjetlosti, poboljšale rezultate i povećale uštedu. Ukupna snaga svjetiljki vanjske rasvjete u prikazanoj konfiguraciji i modernoj varijanti iznosi 1.776 W, dok bi u konvencionalnoj iznosila 5.720 W. To bi značilo da bi se upotrebom svjetiljki sa LED izvorima svjetlosti potrošnja električne energije smanjila za oko 60 %. Dio uštede ide i zbog primjene nove norme. Početna investicija u LED rasvjetu iznosi oko 180.000 kn, a u klasičnu oko 40.000 kn. Uslijed smanjene snage i manje potrošnje električne energije (očekivano smanjenje troška za električnu energiju je oko 10.000 kn/god), te duljeg životnog vijeka (16.000 sati za klasičnu i 70.000 sati za LED rasvjetu), LED rasvjeta će se isplatiti nakon 12 godina investicije. U slučaju zamjene postojeće rasvjete LED rasvjetom period isplaćivanja investicije se povećava na 16 godina. Budući da će se tehnologija proizvodnje poboljšati i povećati opseg proizvodnje, može se očekivati daljnji pad cijena LED rasvjete što bi učinilo LED rasvjetu još više konkurentnom u odnosu na klasičnu. 6. ZAKLJUČAK LED izvori svjetla i LED svjetiljke imaju sve veću primjenu u unutarnjoj rasvjeti i vanjskoj javnoj rasvjeti (ceste, trgovi, ). U ovom referatu je analizirana mogućnost primjene LED izvora svjetla pri projektiranju unutarnje i vanjske rasvjete transformatorske stanice 110/20 kv. Kao podloga za proračun uzeta je dokumentacija TS 110/20 kv Primošten. Nakon odabira tipa svjetiljaka izvršen je proračun pomoću programa za proračun rasvijetljenosti. Potrebni nivoi rasvijetljenosti su odabrani prema važećim normama za unutarnju i vanjsku rasvjetu. Rezultati su prikazani u alfanumeričkom i grafičkom obliku. Rezultati proračuna su prikazali uštede zbog primjene LED rasvjete, zbog njenog duljeg životnog vijeka i veće iskoristivosti. Budući radovi bi trebali biti projekti i izvedba rasvjete realnih transformatorskih stanica svih naponskih razina izvedenih u LED izvedbi rasvjete. 7. LITERATURA [1] Norma HRN EN 12464-1 Svjetlo i rasvjeta Rasvjeta radnih mjesta 1. dio: Unutrašnji radni prostori, [2] Norma HRN EN 12464-2 Svjetlo i rasvjeta Rasvjeta radnih mjesta 2. dio: Vanjski radni prostori, [3] Norma HRN EN 1838 Svjetlo i rasvjeta Nužna rasvjeta, [4] Pravilnik o temeljnim zahtjevima za zaštitu od požara elektroenergetskih postrojenja i uređaja, Narodne novine 146/2005. [5] Petranović D., LED rasvjeta, XI Seminar stručnog usavršavanja ovlaštenih inženjera elektrotehnike u graditeljstvu, TVZ Zagreb, Zagreb, Hrvatska, studeni 2011. [6] Fink I., Primjena LED tehnologije u unutarnjoj rasvjeti, Diplomski rad E110, TVZ, Zagreb, 2011. [7] Vratić T., Projekt ulične rasvjete sa svjetiljkama s LED izvorima svjetla, Diplomski rad E167, TVZ, Zagreb, 2011. [8] Petranović, D.: Utjecaj LED javne rasvjete na distribucijsku mrežu, S01-06, HRO CIRED, Sv. Martin na Muri, svibanj 2012. [9] Škara B., LED rasvjeta trafostanice 110/20 kv, Diplomski rad E265, TVZ, Zagreb, 2013. [10] Elektrotehnički projekt transformatorske stanice Primošten: PC159E7: Vanjska rasvjeta, Dalekovod-Projekt d.o.o., 2012. [11] Korisnički priručnik, DIALux, ver. 4.10., DIAL Gmbh 10