Электрические источники света и осветительные приборы

лектрическое освещение и сети. Раздел I

Раздел I

1.1. Требования к осветительным установкам

К освещению промышленных предприятий предъявляются следующие требования:

достаточная яркость рабочей поверхности;
постоянство освещения;
ограничение пульсации светового потока;
ограничение ослеплённости;
благоприятное распределение яркости в поле зрения.

Достаточная яркость рабочей поверхности является необходимым условием для обеспечения нормальной работоспособности человеческого глаза.

Величина освещённости рабочего места устанавливается в зависимости от точности выполняемой производственной операции. Чем точнее работа, чем меньше объекты различения и чем дальше эти объекты расположены от рабочего, тем уровень освещённости должен быть выше.

Однако уровень освещённости определяется не только величиной объектов различения и расстоянием их до глаза рабочего, но и контрастом объектов различения с фоном, а также степенью светлоты фона, т. е. поверхностью обрабатываемого изделия.

Постоянство освещённости на рабочем месте является необходимым условием в осветительной установке.

Колебания освещённости на рабочей поверхности могут являться следствием колебания напряжения в осветительной сети или раскачивания светильников местного освещения, свободно подвешенных на подводящих ток проводах.

Колебания освещённости вызывают зрительное утомление. Исследования показали, что колебания освещенности имеют место при изменении амплитуды напряжения на ±4 % от номинального значения.

Ограничение пульсации светового потока. Для люминесцентных ламп, работающих в сетях переменного тока, как и для любых других газоразрядных источников света, характерно наличие колебаний светового потока во времени, определяемых безынерционностью излучения электрического разряда.

Колебания светового потока создает так называемый стробоскопический эффект. Стробоскопический эффект нарушает правильное восприятие глазом движущихся предметов.

Достаточной мерой борьбы с пульсацией светового потока, т. е. явлением стробоскопического эффекта, является применение схем включения ламп таким образом, чтобы соседние лампы получали напряжение со сдвигом фаз, т. е. включение ламп в многоламповых светильниках на разные фазы; или применение двухламповой схемы, где одна лампа включается последовательно с индуктивным сопротивлением, а другая – последовательно с индуктивным и емкостным сопротивлением.

Ограничение ослеплённости. Уровень ослеплённости, создаваемый светильниками, расположенными в поле зрения, определяется их яркостью и силой света по направлению к глазу наблюдателя, высотой их расположения над линией зрения и яркостью окружающего фона.

В соответствии с этим ограничение ослеплённости в действующих СНиП сводится к регламентации минимально допускаемой высоты подвеса светильника над полом освещаемого помещения в зависимости от защитного угла светильника, характера рассеивателя и мощности источника света, определяющих его яркость и силу света по направлению к глазу наблюдателя.

Защитный угол светильника – угол, заключённый между горизонталью, проходящей через тело накала лампы, и линией, соединяющей крайнюю точку тела накала с противоположным краем отражателя.

Светильники с защитным углом менее 10° без рассеивателей и с лампами в прозрачной колбе для общего освещения помещений не допускаются.

Величину защитного угла можно определить из соотношения:

, (1.1)

где h – расстояние от тела накала лампы до уровня выходного отверстия светильника, мм; R – радиус выходного отверстия светильника, мм; r – радиус кольца тела накала лампы, мм.

В установках местного освещения должно быть обращено особое внимание на устранение бликов, возникающих на поверхностях с направленным отражением, что достигается соответствующим выбором размещения светильников, исключающим попадание отраженных лучей в глаза работнику.

Распределение яркости в поле зрения. В практических условиях освещения недопустима большая неравномерность распределения яркости в поле зрения, которая может возникнуть, если яркость рабочей поверхности резко отличается от яркости стен и потолка помещения.

Для сохранения удовлетворительного распределения яркости в окружающем пространстве светильники общего освещения должны создавать на уровне рабочей поверхности не менее 10 % освещенности, нормированной для данного рода работ при комбинированном освещении, но и не более 30 %.

Неравномерность распределения яркости в поле зрения может быть вызвана падающими тенями, возникающими от расположенных вблизи предметов, корпуса работника или неравномерным освещением рабочей поверхности. Неравномерность распределения яркости по рабочей поверхности не регламентирована СНиП, однако при проектировании осветительной установки надо стремиться к устранению затенения и равномерному распределению освещённости в пределах рабочей поверхности.

1.2. Общие сведения о световых величинах

Одна из основных величин, характеризующих источник света, – световой поток.

Световой поток Ф – мощность световой энергии или видимого излучения, оцениваемого по световому ощущению, которое оно производит на глаз человека.

Единица измерения светового потока – люмен [лм].

Точечный источник, сила света которого равна 1 канделе [кд] в телесном угле, равном 1 стерадиану [ср], испускает световой поток, равный 1 люмену:

, (1.2)

где I – сила света, кд; Ф – световой поток, лм; – телесный угол, ср.

Телесный угол – часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность (которая называется поверхностью, стягивающей данный телесный угол). Границей телесного угла является некоторая коническая поверхность.

Телесный угол измеряется отношением площади той части сферы с центром в вершине угла, которая вырезается этим телесным углом, к квадрату радиуса сферы: = S/r2.

Стерадиан – единица измерения телесных углов. Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы радиусом r, вырезающему из сферы поверхность площадью r2.

Рисунок 1.1 – Графическое изображение телесного угла

в 1 ср

Сила света I характеризует пространственную плотность излучаемого светового потока.

Сила света, равная 1 канделе, испускается с площади 1/600000 м2 сечения полного излучателя в перпендикулярном этому сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325 МПа.

Телесный угол в 1 ср соответствует части пространства, ограниченной конической поверхностью с вершиной в центре сферы и вырезанным на её поверхности участком, равным величине квадрата радиуса сферы:

, (1.3)

где S – площадь участка сферы, вырезаемого телесным углом, м2; r – радиус сферы, м.

Освещённость E – поверхностная плотность падающего светового потока, которая определяется отношением светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности:

. (1.4)

Единица измерения освещенности – люкс [лк].

Светимость R – поверхностная плотность излучаемого светового потока, определяется из соотношения

, (1.5)

где R – светимость, лм/м2 ; Ф – световой поток, лм; Sи – площадь излучающей поверхности, м2 .

Яркость L – поверхностная плотность силы света в заданном направлении.

, (1.6)

где I – сила света по направлению угла , кд; dScos – площадь проекции светящегося тела на плоскость, перпендикулярную направлению, отсчитываемую от нормали к поверхности излучаемого тела, м2; L – яркость, кд/м2.

Для самостоятельного изучения:

[1]. Прочитать материал на с. 9–30, особое внимание уделить п. 1.1–1.4.

1.3. Электрические источники света

По способу генерирования света все электрические источники делятся на

температурные (например, лампы накаливания, в т. ч. галогенные);
люминесцентные (холодного свечения; например, газоразрядные).

Основными характеристиками источников света являются следующие номинальные величины:

напряжение;
мощность;
световой поток;
световая отдача;
средняя продолжительность работы (горения).

Световая отдача лампы определяется отношением её излучаемого светового потока Фл к потребляемой электрической мощности Рл:

. (1.6)

Единица измерения световой отдачи – лм/Вт.

Световая отдача ламп основной серии лежит в пределах 7…19 лм/Вт.

Лампы накаливания (ЛН) состоят из цоколя и стеклянной колбы, внутри которых расположена вольфрамовая нить накала.

Лампы накаливания общего назначения выпускаются в диапазоне мощности 15–1500 Вт на напряжение от 12 до 220 В.

Лампы подразделяются на вакуумные (В) мощностью 15–25 Вт и газонаполненные (Б, Г) мощностью от 40 до 1000 Вт. Газонаполненные лампы (Б,Г) после откачки воздуха заполняются аргоном с добавлением 12…16 % азота. Буква Б обозначает биспиральное исполнение элемента свечения. Светоотдача с криптоновым наполнением на 10…20 % больше лампы с аргоновым наполнением. Стоимость криптона выше стоимости аргона, поэтому лампы с криптоновым наполнением (БК) дороже ламп с аргоновым наполнением (Б, Г). Необходимость вакуумирования ламп вызвана тем, что вольфрамовая нить накала нагревается до температуры 2000…2500 K, т. е. до температуры, при которой вольфрам окисляется в присутствии кислорода. Лампы мощностью 40 Вт и более наполняются газом, который уменьшает интенсивность распыления нити накаливания даже при более высоких температурах. Вольфрамовая нить накаливания может сворачиваться в спираль, биспираль (Б) и другие формы.

Большинство ламп накаливания изготавливают из прозрачного стекла. Для создания более рассеянного света выпускают лампы с баллонами из матированного, опалового или молочного стекла. Светоотдача их меньше, чем ламп с прозрачным баллоном. Лампы в светорассеивающих колбах имеют следующую буквенную индексацию: МТ – матированная; МЛ – молочная; О – опаловая.

Широко распространены лампы местного освещения на напряжение 12, 24 и 36 В мощностью до 100 Вт.

Средняя продолжительность горения ЛН при номинальном напряжении определяется в 1000 часов. Срок службы их сокращается в условиях повышенного напряжения и увеличивается при работе в условиях пониженного напряжения. В настоящее время выпускаются лампы на напряжение в определенных пределах, например, 215…225, 220…230, 230…240 В. Лампы на 230…240, 235…245 В применяют на лестничных площадках, в коридорах для дежурного освещения, т. к. ночью и днем может быть повышенное напряжение. Но их нецелесообразно применять при стабильном напряжении 220 В из-за значительного уменьшения их светового потока.

Простота схем включения делает лампы накаливания надежными источниками света в светильниках местного освещения, в осветительных установках аварийного освещения и некоторых других случаях.

Люминесцентные лампы (ЛЛ) относятся к газоразрядным лампам, видимое излучение в которых происходит под действием электрического разряда в газах и парах металлов.

Люминесцентные лампы состоят из трубки с электродами на её концах. На внутреннюю поверхность стеклянной трубки нанесен тонкий слой люминофора. Каждый электрод состоит из вольфрамовой нити накала и двух никелевых усов. От электродов выведены наружу два контакта. Колба лампы заполнена аргоном под небольшим давлением. Для создания ртутных паров в нее введена небольшая капелька ртути.

Трубчатые ЛЛ низкого давления отличаются от ЛН по всем характеристикам.

Световая отдача – 75 лм/Вт. Средняя продолжительность работы (горения) всех типов ЛЛ не менее 12000 часов, т. е. значительно больше, чем ЛН. Световая отдача и к. п. д. ЛЛ также в несколько раз выше, чем ЛН.

По цветности излучения трубчатые ЛЛ низкого давления делятся на: ЛБ – лампы белого цвета; ЛХБ – холодно-белого цвета; ЛТБ – лампы тёпло-белого цвета; ЛД – дневного цвета; ЛДЦ – дневного цвета для правильной цветопередачи.

ЛЛ предназначены для работы при температуре окружающего воздуха +5…+50 С. При температуре меньше +10 С лампы не зажигаются. Для зажигания и горения ламп необходимо включение последовательно с ними пускорегулирующих аппаратов (ПРА). ПРА разделяются на индуктивные (И), ёмкостные (Е) и компенсированные (К); на аппараты с параллельным, пониженным (П) и особо низким (ПП) уровнем шума.

Прямые ЛЛ выпускаются мощностью: 4; 6; 8; 15; 20; 30; 40; 65; 80; 150 Вт. В сети напряжением 127 и 220 В применяются ЛЛ от 15 до 80 Вт. ЛЛ мощностью 30, 40, 65, 80 Вт могут работать только в сети напряжением 220 В, они же наиболее распространены в люминесцентном освещении. Кроме того, применяются лампы с мощностью 18, 36 и 58 Вт. При маркировке ламп мощность указывают цифрой, например, ЛЛ мощностью 40 Вт: ЛБ 40, ЛТБ 40, ЛДЦ 40, ЛХБ 40. По своей форме ЛЛ классифицируются на следующие типы (кроме прямых): U-образные – 8–80 Вт; W-образные – 30 Вт; кольцевые – 20–40 Вт.

К недостаткам люминесцентного освещения относятся:

возможность стробоскопического эффекта;
длительность процесса зажигания (несколько секунд);
низкий коэффициент мощности;
более высокие затраты по сравнению с затратами на освещение ЛН;
резкое сокращение срока службы ламп при частых включениях.

Однако несмотря на эти недостатки, люминесцентное освещение нашло широкое применение, т. к. ЛЛ при меньшем расходе электроэнергии обеспечивают большую светоотдачу.

Лампы ДРЛ – четырёхэлектродные дуговые лампы высокого давления с люминофорным покрытием на колбе.

Такие лампы выполняются в пределах мощностей 80–2000 Вт и имеют световую отдачу 40…60 лм/Вт. Срок службы до 12000 часов, к концу срока службы световой поток снижается до 70 % от первоначального. ДРЛ включаются через одноламповые индуктивные ПРА, потери мощности в которых составляют около 10 %. Лампы мощностью 2000 Вт включаются на линейное напряжение системы 380/220 В, остальные – на 220 В. Процесс разгорания ламп после включения длится 5–7 минут. При температуре от –10 до +25 °С и выше лампы не утрачивают своих качеств.

Преимуществом ДРЛ по сравнению с ЛЛ является их компактность при высокой единичной мощности.

Существенный недостаток – плохая цветопередача их излучения, позволяющая применять лампы ДРЛ только при отсутствии каких-либо требований к различению цветов, а также значительные пульсации светового потока.

Лампы ДКсТ – дуговые ксеноновые трубчатые лампы с воздушным охлаждением. Работают без ПРА, но зажигаются с помощью специального пускового устройства.

Мощность – 5; 10; 20 и 50 кВт. Световая отдача – 20…45 лм/Вт. Срок службы – 300…750 часов, но при стабилизации напряжения может достигать и 3000 часов. Лампы 5 кВт включаются на 220 В попарно-последовательно, лампы 10 кВт – в сеть 220 В; более мощные – в сеть 380 В.

Область применения ограничена вредным для людей избытком в их спектре ультрафиолетовых лучей. Этот недостаток устранён в лампах в колбе из легированного кварца (ДКсТЛ). Пульсации светового потока у ламп ДКсТ особенно велики. Температура окружающей среды влияния не оказывает.

Металлогенные лампы МГЛ и ДРИ (металлогенные и натриевые) выпускаются мощностью 250; 400; 700; 1000; 2000 Вт. Лампы мощностью 2000 Вт включаются в сеть 380 В. Световая отдача до 100 лм/Вт. Срок службы от 1000 до 5000 часов. Лампы включаются в сеть через ПРА, состоящие из дросселя и поджигающего устройства УИЗУ, дающего импульсы высокого напряжения.

У ДНаТ световая отдача – 180 лм/Вт. Лампы ДНаТ дают только жёлтый свет, поэтому пригодны только для освещения загородных автострад. Срок службы 20000 часов. В сеть включаются через однофазные индуктивные ПРА.

Применение электрических источников света разных типов:

для общего освещения производственных помещений высотой 8 и более метров применяются, в основном, газоразрядные лампы. Лампы накаливания применяются главным образом в помещениях, где производятся грубые работы или осуществляется общий надзор за работой оборудования (подвалы, туннели, кладовые, проходы между фундаментами машин и т. д.) или же в помещениях, где использование газоразрядных ламп не возможно по каким-либо причинам. Для местного освещения применяются ЛН и ЛЛ (при высоких требованиях к цветопередаче и при работах с блестящими поверхностями). Для общественных зданий обязательно применяют ЛЛ, а в коридорах, гардеробах, фойе, санузлах, кладовых, подвалах, чердаках и т. п. применяются ЛН.

Для самостоятельного изучения:

[1]. Прочитать материал на с. 31–75, особое внимание уделить п. 2.4.

1.4. Осветительные приборы

Осветительный прибор ближнего действия называется светильником.

Светильник состоит из двух основных частей – источника света и устройства, перераспределяющего световой поток источника в пространстве (отражатель, рассеиватель и т. п.). Кроме того, в состав светильника входит арматура: провода, ламподержатели или патроны, детали крепления и пускорегулирующие устройства (ПРА).

Экономичность, качество и удобство эксплуатации осветительной установки зависят от выбора светильников. Экономичность и качество освещения определяются их светотехническими характеристиками, надёжность и эксплуатационные требования – конструктивным исполнением.

Светильники характеризуют по ряду признаков:

по характеру светораспределения;
по форме кривой силы света;
по типу источника света;
по способу установки;
по защищённости от воздействия внешней среды;
по целевому назначению и т. д.

ГОСТ 17677–82 «Светильники. Общие технические условия» предусматривает классификацию светильников по указанным условиям.

Полная светотехническая характеристика светильника образуется:

из его класса светораспределения;
из формы кривой силы света в любых меридианах (т. е. в вертикальных плоскостях) и направления максимума силы света;
из степени защиты от пыли и воды.

Перечисленные параметры, характеризующие светильник, определяются по справочной литературе: классификация светильников по светораспределению – [2, с. 74; 3, с. 94]; классификация светильников по форме кривой силы света – [2, с. 75; 3, с. 94]; минимально допустимая степень защиты светильников – [2, с. 77–78; 3, с. 97–98].

Структура условного обозначения светильников по ГОСТ 17677–82.

Первая буква – источник света:

Н – лампы накаливания;

С – лампы-светильники (зеркальные, диффузные);

И – кварцевые галогенные (накаливания);

Л – прямые трубчатые люминесцентные;

Ф – фигурные люминесцентные;

Р – ртутные типа ДРЛ;

Г – ртутные типа ДРИ, ДРИШ;

Ж – натриевые типа ДНаТ;

Б – бактерицидные;

К – ксеноновые трубчатые.

Вторая буква – способ установки светильника:

С – подвесные;

П – потолочные;

В – встраиваемые;

Д – пристраиваемые;

Б – настенные;

Н– настольные, опорные;

Т – напольные, венчающие;

К – консольные, торцевые;

Р – ручные;

Г – головные.

Третья буква – назначение светильника:

П – для промышленных и производственных зданий;

О – для общественных зданий;

Б – для жилых домов;

У – для наружного освещения;

Р – для рудников и шахт;

Т – для кинематографических и телевизионных студий.

Затем следуют:

число, обозначающее номер серии (01–99);
число ламп в светильнике (если больше одной);
число, обозначающее мощность ламп в ваттах;
число, обозначающее номер модификации светильника (001–999);
буквы и числа, обозначающие климатическое исполнение и категорию размещения светильника.

1.5. Нормирование искусственного освещения

Уровень нормированной освещённости для производственных и вспомогательных помещений устанавливают по СНиП 23-05-95 с учетом разряда зрительных работ, выбранного источника света, применяемой системы освещения, отсутствия или наличия естественного света. Нормы освещённости устанавливают при проектировании по отраслевым нормативным документам, а при их отсутствии – в соответствии со СНиП 23-05-95.

При наличии факторов, имеющих значение при выборе освещённости, выбранная по нормам освещённость повышается или понижается на одну ступень. В основу норм положена шкала освещённости:

0,2; 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 5; 7; 10; 20; 30; 50; 75; 100; 150; 200; 300; 400;

500; 600; 750; 1000; 1250; 2000; 2500; 3000; 3500; 4000; 4500; 5000.

К повышающим факторам относятся:

удалённость рабочей поверхности от глаз на 1 м;
непрерывный характер работы;
повышенная опасность травматизма;
повышенные санитарные требования;
отсутствие или недостаточность естественного освещения;
предназначенность помещения для работы или обучения подростков.

Понижающие факторы:

кратковременность пребывания людей в помещении;
наличие оборудования, не требующего постоянного наблюдения.

Нормы освещённости для различных случаев приведены, например, в [2, с. 31–41].

Для самостоятельного изучения:

[1]. Прочитать материал на с. 75–87.

Перечень литературы, на которую имеются ссылки

1. Шпиганович, А. Н. Электрика предприятий, организаций и учреждений. Электрическое освещение и сети [Текст]: учебник в 2 т. Т. 1. Осветительные приборы и сети / А. Н. Шпиганович, В. И. Зацепина, Е. П. Зацепин. – Липецк: Издательство ЛГТУ, 2009. – 320 с.

2. Козловская, В. Б. Электрическое освещение [Текст]: справочник / В. Б. Козловская, В. Н. Радкевич, В. Н. Сацукевич. – Минск: Техноперспектива, 2007. – 255 с.

3. Кнорринг, Г. М. Справочная книга для проектирования электрического освещения [Текст] / Г. М. Кнорринг, И. М. Фадин, В. Н. Сидоров. – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1992. – 448 с.

PAGE 9

Электрические источники света и осветительные приборы