LED Straßenbeleuchtung in Einsatz Betriebssicherheit und Lebensdauer

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1 LED Straßenbeleuchtung in Einsatz Betriebssicherheit und Lebensdauer Kommunaler Energietag Sachsen KIT LICHTTECHNISCHES INSTITUT Dr. Rainer Kling Lichttechnisches Institut Karlsruhe KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Large-scale Research Center of the Helmholtz Association

2 Motivation Straßenbeleuchtung in Deutschland NAV und HQL dominiert LED Anteil 10% Alter Leuchten Bestand Philips, Kling Noch über 25% HQL Bestand! KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR Seite Seite 3 3

3 Motivation Modernisierung Straßenbeleuchtung Sanierung Teilsanierung Neuinstallation Maßnahmen Bestandsaufahme: Beleuchtungsanlage Unabhängige Lichtplanung und Projektüberwachung Ziele Energetische Sanierung > Betriebskosteneinsparung Langfristige Betriebssicherheit > Hohe Wartungsfaktoren KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR Seite Seite 4 4

4 Betriebssicherheit Leuchten LED Leuchten Sicherheit Anwendungsbezogen Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit Lebensdauer KIT Dr. Rainer Kling Seite 5

5 Sicherheitanforderungen Leuchten Persönliche Sicherheit Anlagenverfügbarkeit Anlagensicherheit Produkthaftung Retrofit Leuchte Prüfklassen: Geprüfte Qualität Normkonformität GS Zeichen CE Zeichen VDE Zeichen TÜV - Zeichen Persönliche Haftung Anlagenverantwortung Verkehrssicherheit Gesundheit Photobiologisch Elektrisch Überspannung EMV KIT Dr. Rainer Dr. Rainer Kling Kling Licht Seite Seite 6 6

6 Sicherheitsanforderungen Verkehrssicherheitspflicht 823 ff BGB Schadenersatz 839 BGB, Art. 34 GG Haftung bei Amtspflichtverletzung 836 BGB 14 Landesstraßengesetz Einhaltung der Gütekriterien Beleuchtungsniveau horizontale Beleuchtungsstärke E h Gütekriterien: DIN EN Blendung KIT Dr. Rainer Dr. Rainer Kling Kling Licht Seite Seite 7 7

7 Sicherheitsanforderungen Anlage Standsicherheitsprüfung der Masten Standsicherheit visuell Prüfverfahren Mechanisches Biegeverfahren Ultraschall /Metall Schwingungsanalyse Empfehlung: ab 15 Jahre Alter Elektrische Anlagensicherheit Schaltschränke Leitungsnetz (Querschnitte, Längen, Iso. Widerstände) KIT Dr. Rainer Dr. Rainer Kling Kling Licht Seite Seite 8 8

8 Leuchten Schutz- und Prüfklassen Schutzklassen: Prüfklassen 0 Kein Schutz I Schutzerdung II Schutzisolierung VDE 0100 Teil 410, III Schutzkleinspannung SELV, bis 50V DC, 120V AC DIN VDE KIT Dr. Rainer Dr. Rainer Kling Kling Straßenbeleuchtung Seite Seite 9 9

9 LED Straßenleuchte Aufbau: Schematisch Real: Gehäuse LED Modul Optik LED Chip EVG Abdeckscheibe DOW Temperaturmanagement der Leuchte Temperaturmanagement der LED Chip LED Leuchte KIT Dr. Rainer Kling Seite 10

10 LED Leuchten Benchmark Straßenleuchten Ist-Stand: Lichttechnisches Institut Benchjmark 2014: LED Leuchten: Lichtausbeuten: lm/w Wattagen: 20 W 160 W HID Leuchten als Vergleich: Lichtausbeuten: lm/w Wattagen 20 W 400 W KIT Dr. Rainer Dr. Rainer Kling Kling Straßenbeleuchtung Seite Seite 11 11

11 Sichere und gute LED Straßenleuchten Sicherheit Erfüllung der Elektrotechnischen Normen Richtlinienkonformität Schutzart Photobiologische Sicherheit: IEC EMV Lichttechnik EN Entblendung Kein Lichtsmog Schuch KIT Dr. Rainer Dr. Rainer Kling Kling Licht Seite Seite 12 12

12 Gute Straßenleuchten Montage /Wartungsfreundlichkeit Einfacher Wechsel EVG / LED Modul Wirtschaftlichkeit Kosten/Effizienz/ Lebensdauer Produktqualität und Ästhetik Thermomanagement Thermomanagement Leuchte Lebensdauer Schuch KIT Dr. Rainer Dr. Rainer Kling Kling Licht Seite Seite 13 13

13 Anforderungen LED Leuchten LED Leuchten Sicherheit Anwendungsbezogen Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit Lebensdauer KIT Dr. Rainer Kling Seite 14

14 Lebensdauer Ausfallraten Ausfallformen: Primärausfall Sekundärausfall Vollausfall Driftausfall Ausfallarten: Vorbetriebs-Fertigungsfehler Ausfallrate / % sinkende Ausfallrate Frühausfallrate Ausfallraten über Zeit konstante Ausfallrate gültiger Bereich Ausfallrate ansteigende Ausfallrate End-of Life Ausfallrate Betriebsausfall Frühausfall Zeit / h Normalausfall Mit Ausfallrate Ausfallrate = 1 / Mean Time to Failure (MTTF) Verschleiß Ausfall nach mittlerer Lebensdauer KIT Dr. Rainer Kling Seite 15

15 LED von Chip zum Modul Viele LED Chip Hersteller Verschiedene Herstell-Verfahren Schnelle Chip Evolution und Generationswechsel Verschiedene LED Halbleiter Materialien Z.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 Seite 16

16 LED und Lebensdauer Lebensdauer LED Einzel Chip: LM80 Tests bei T c Betriebsstrom hat stärke Auswirkungen auf Lebensdauer als Temperatur T j gestiegen bei neueren Chips! Chips L70B50 Werte: LD Tests auf h und h Werte auf h extrapoliert LED Module L70B50 : T c gestiegen auf über 100 C: LM80 Tests bei T c LD Tests auf h, teilweise bis h Philips KIT Dr. Rainer Kling Seite 17

17 Ursachen LED Chip Degradation Lichtstromrückgang (Degradation) und color drift LED Chip, Package LED Modul Optik Alterung Betriebstemperatur LED Betriebsstromstärke Thermische Anbindung Mechanische Beanspruchung Umweltaspekte KIT Dr. Rainer Kling Seite 18

18 LED Modul Lebensdauer Beispiel LED Straßenbeleuchtungsmodul: Daten: Osram Prevaled LEP CT3 P = 78 W, U = 162 V, I = A > großer Kühlkörper notwendig T cmax = 80 C, System- Lichtstrom 8165 lm, Systemeffizienz 112 lm/w CCT 5700K, CRI 65 L85 B10 = h, Schaltzyklen Normen und Standards für Modul: Elektromagnetische Kompatibilität: EN 55015, EN 61547, EN , EN EN ,EN Photobiologische Sicherheit: IEC Sicherheit des LED-Moduls: EN 62031, UL 8750 Vibrations-, Bruchfestigkeit: EN , EN Temperatur-, Korrosionsbelastung: JESD22-A105-C, JESD22-A101-C, JESD22-A103 EN , EN KIT Dr. Rainer Kling Seite 20 Seite 20

19 Wartungsfaktor 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 Seite 21

20 Wartungsfaktor LED Leuchte LED Chip Degradation LED Leuchte MF = LLMF x LSF x LMF Ohne Lichtstromnachführung lt. Angabe des Leuchtenherstellers 0,98* lt. Angabe des Leuchtenherstellers Mit Lichtstromnachführung 1,0 0,98* lt. Angabe des Leuchtenherstellers LED Leuchte 1-2 % Frühausfälle *Osram KIT Dr. Rainer Kling Seite 22

21 Bespiele Leuchten Wartungsfaktor Bei L90 B10 Statistische Betrachtung der LED Lichtströme: Best case: 90 % LED s haben 100 % Lichtstrom 10 % LED s = 89 % Lichtstrom (kein Ausfall) LLMF = Durchschnitt-Fall: 10 % LED s haben 95 % Lichtstrom 80 % LED s = 90 % Lichtstrom 5 % LED s = 70 % Lichtstrom 5 % LED s = 1 % Lichtstrom LLMF = 0.85 Worst case: 90 % LED s haben 90 % Lichtstrom 10 % LED s = 1 % Lichtstrom LLMF = 0.81 KIT Dr. Rainer Kling Seite 23

22 Ursachen LED Leuchtenausfall Ausfallursachen (total failure) LED Chip Herstellqualität LED Modul (Betrieb, Bestückung) Optik EVG (Aufbau, Lebensdauer Bauelement, Betriebsweise) Gehäuse mit Abdeckscheibe Anbindung Netz Thermomanagement Umwelteinflüsse (Feuchtigkeit, Temperatur) KIT Dr. Rainer Kling Seite 24

23 Überspannungsschutz und EMV Überspannungsfestigkeit Surge Überspannungsfälle Stromstöße: Inrush Current Maßnahmen Schutzschaltung an Eingang EVG Erdung Gehäuse Erdkabel Mast EMV Abstrahlung: leitungsgebunden und Funk LTI: Kalibriertes EMV Messlabor EMV Leuchte IEC/EN (VDE ) EVG IEC/EN EC/EN LTI HV & EMV Test KIT Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR Seite 25 25

24 EVG Ausfallursachen LED EVG Ausfälle Bauelemente Platine Lötstellen Temperatur Tc Gehäuse: Wärmeeintrag Wassereintrag Überspannung Zuleitung Überspannung Stroßströme T c LED Chip LED- Modul R C L IC Drift Ausfälle EVG Lötstellen Brüche, Gehäuse T c EVG Platine Verbindungs- Brüche Kurzschlüsse Zuleitung KIT Dr. Rainer Kling Seite 26

25 Ausfallraten EVG Reale EVG Ausfallraten Straßenleuchten Angaben für konstante maximale Ausfallraten bei festem T c : XA: Ausfallrate 1 % bei h XB: Ausfallrate 5 % bei h XC: Ausfallrate 10 % bei h XD: Ausfallrate 10 % bei h Bei 10 C Temperaturerhöhung über T c : Verdopplung der Ausfallrate = Halbierung der Lebensdauer! KIT Dr. Rainer Kling Seite 27

26 Ausfallraten LED Leuchten Reale Ausfallraten Straßenleuchten Verteilung auf Baugruppen: Beispiel: Straßenleuchten (6000 Stück): Ausfallrate 0.6% nach h LTI 2014 KIT Dr. Rainer Kling Seite 28

27 Leuchten Betriebssicherheit Anforderungen: Verfügbarkeit der Ersatzteile: 30 Jahre Geometrie und LED Anzahl bleibt gleich Lichtstrompakete über Lebensdauer gesichert EVG und LED Ersatz Lebensdauer in Abhängigkeit von der Temperatur (bei 5% Ausfallrate) Tc Angabe LVK im Eulumdat Format Lebensdauer Treiber (5% Ausfallrate) KIT Dr. Rainer Kling Seite 29

28 Zusammenfassung 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 KIT Dr. Dr. Rainer Rainer Kling Kling STADTLICHT & VERKEHR Seite Seite 30 30

29 Kontaktdaten: Dr.-Ing. Rainer Kling Universitätsdozent für Lichttechnik, Lichtplanung und Elektronische Betriebsgeräte Lichttechnisches Institut Karlsruher Institut für Technologie KIT Engesser Str Karlsruhe Tel.: Fax: Mail: KIT KIT Dr. Dr. Rainer Rainer Dr. Rainer Kling Kling Kling STADTLICHT & VERKEHR Seite Seite Seite