LED Straßenbeleuchtung in Einsatz Betriebssicherheit und...

KIT – University of the State of Baden-Württemberg andNational Large-scale Research Center of the Helmholtz Association

KIT LICHTTECHNISCHES INSTITUT

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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


Noch über 25% HQL

Bestand!

KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 3

Philips, Kling

Motivation


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

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LED Leuchten

Sicherheit Anwendungs-bezogen Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit


Lebensdauer

Sicherheitanforderungen Leuchten

Persönliche SicherheitAnlagenverfügbarkeit Anlagensicherheit

ProdukthaftungRetrofitLeuchte

KIT Dr. Rainer Kling Licht2014 Seite 6

Prüfklassen:Geprüfte QualitätNorm-konformitätGS – ZeichenCE – ZeichenVDE –Zeichen TÜV -Zeichen


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)


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


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

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Sichere und gute LED Straßenleuchten

SicherheitErfüllung der Elektrotechnischen NormenRichtlinienkonformitätSchutzart Photobiologische Sicherheit: IEC 62471EMV

LichttechnikEN 13201EntblendungKein „Lichtsmog“


Schuch

Gute Straßenleuchten

Montage‐/WartungsfreundlichkeitEinfacher Wechsel EVG / LED‐Modul

WirtschaftlichkeitKosten/Effizienz/ LebensdauerProduktqualität und Ästhetik

Thermomanagement Thermomanagement LeuchteLebensdauer


Schuch

Anforderungen LED Leuchten

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LED Leuchten

Sicherheit Anwendungs-bezogen Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit


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


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


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


Ursachen LED Chip Degradation

Lichtstromrückgang (Degradation) und color driftLED Chip, Package LED ModulOptik AlterungBetriebstemperatur LED BetriebsstromstärkeThermische AnbindungMechanische BeanspruchungUmweltaspekte


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


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


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


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


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


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


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!


Ausfallraten LED Leuchten

Reale Ausfallraten StraßenleuchtenVerteilung auf Baugruppen:

Beispiel: Straßenleuchten (6000 Stück):Ausfallrate 0.6% nach 6.200 h

LTI 2014


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


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 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]


Kontaktdaten:


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