Corpuri de iluminat miniere cu lămpi fluorescente cu vapori de mercur de inalta tensiune

1.Considerații generale asupra principiului de funcționare și date constructive de bază ale lampilor cu vapori de mercur de înaltă presiune

Lămpile cu vapori de mercur, fluorescente, fac parte din categoria izvoarelor de lumină cu descărcări electrice în gaze și vapori metalici, cu balon fluorescent, la care lumina este emisă, în principal, de un strat de substanță fluorescentă excitantă ea însăși de radiațiile invizibile (ultraviolete) ale descărcărilor.

Aceste tipuri de lămpi au performanțe ridicate, în comparație cu lămpile de incandescență:randamente si eficacitate luminoasă, rezistență mare la șocuri și vibrații, securitate mare împotriva exploziilor, etc. fapt pentru care domeniul lor de utilizare s-a extins foarte mult.

În principiu, funcționarea acestor lămpi se bazează pe fenomenul de luminiscență al gazelor sau vaporilor metalici provocat de descărcările electrice în acestea. Acest fenomen constă în emisia unor radiații electromagnetice în spectrul vizibil de către electronii unor atomi excitanți, când aceștia revin, de pe orbite superioare, la nivelele energetice inferioare,corespunzătoare stari de echilibru. Lungimea de undă a acestor radiații, adică culoarea luminii emise, este caracteristică gazului sau vaporilor metalici folosiți. Excitarea atomilor substanțelor gazoase și a vaporilor metalici are loc, în principal, prin ciocnirea acestora cu electronii liberi, aflați în incintă (fig.1) ca urmare a emisiei termoelectrice a electrozilor (catozi) sau a ionizării spațiului de descărcare și accelerați sub influența unor câmpuri electrice puternice stabilite înte electrozi (+și-).

Zonele caracteristice ale descarcărilor luminiscente în gaze sau vapori metalici sunt prezentate în fig.1, iar caracteristica tensiune-curent Ul=f(I) a descărcării luminiscențe este reprezentată în figura 2. Porțiunea OA, caracterizată printr-un curent practic constant și foarte mic se numește zona descărcării întunecoase, deoarece gazul nu emite radiații vizibile. În această porțiune, singurii purtători de sarcină sunt electronii liberi ai gazului. Valoarea atinsă de tensiune în punctul A, numită tensiune de aprindere (amorsare), accelerează electronii liberi, care acumulează o energie cinetică suficientă pentru a provoca, prin ciocniri, apar noi electroni, care accelerați de cămpul electric dintre electrozi, produc la rândul lor, ionizarea altor atomi de gaz ș.a.m.d.

Descărcarea pe porțiunea OA poartă și numele de descărcare neautomată deoarece existența sa depinde de factorii externi, numărul particulelor atrase de electrozi crește cu tensiunea.

Multiplicarea în progresie geometrică a numărului de electroni liberi dă naștere unei avalanșe de electroni, având ca urmare creșterea curentului electric de descărcare, la o valoare relativ constantă a tensiunii. Fenomenului îi corespunde porțiunea ABCD a caracteristicii Ul(I), denumită zona descărcării luminiscente, deoarece descărcarea este însoțită de emisia radițiilor luminoase, cuprinzând zone luminoase alternante cu cele întunecate: lumina anodică, coloana pozitivă, lumina negativă și lumina catodică (fig.1 și 2).

În această zonă a caracteristicii voltamperice funcționează lămpile cu efluvii catodice sau cu licărire ( cu lumină negativă, folosind gaze rarefiate neon sau heliu), în care lumina este produsă prin radiația zonei negative a descărcării, din vecinătatea catodului ( lămpi de semnalizare,control,startere,etc.) și lămpile cu descărcări luminiscete, folosind coloana luminoasă pozitivă ( tuburi de înaltă tensiune folosite pentru reclame luminoase și la iluminatul decorativ ). Aceste tipuri de lămpi se încadrează în categoria lămpilor cu descărcare cu electrozi reci.

Punctul D marchează trecerea la zona descărcării în arc ( DE ) care se caracterizează printr-o scădere pronunțată a tensiunii pe tub, pe măsură ce crește curentul de descărcare, dadorită faptului că numărul sporit de ioni și electroni liberi micșorează foarte mult rezistivitatea mediului din interiorul tubului. În aceasta zonă se situează punctul de funcționare al lămpilor cu descărcări în gaze, vapori metalici și al lămpilor cu arc: aceste lămpi se încadrează, de fapt,în categoria lămpilor cu electrozi calzi. Pentru mărirea eficiențeii luminoase se folosesc diferite medii de descărcare: vapori de mercur cu gaze inerte ( argon, neon, etc) sau ioduri metalice, vapori de sodiu cu gaze inerte, etc.

Porțiunea ABCD a caracteristicii Ul(I) constituie zona de descărcare autonomă, deoarece descărcarea continuă chiar dacă dispare influența factorilor externi. Autonomia descărcării se datorește faptului că, pentru o anumită intensitate a câmpului electric, ionizările sunt foarte intense și catozii eliberează un număr suficient de electroni pentru a menține descărcarea.

După presiunea gazului și natura mediului de descărcare aceste lămpi se împart în:

-lămpi cu vapori de mercur de joasa presiunen cu balon clar ( au în componență luminii, în special, radiații ultraviolete și se utilizează la sterilizarea aerului, apei, alimentelor, în tratamentele medicale, pentru heliografie, etc );

-lămpi cu vapori de mercur de înaltă presiune cu balon clar sau mat, conțin mercur, unele cantități reduse de argon și ioduri metalice de sodiu, theliu, etc. pentru corectarea compoziției spectrale: se utilizează la iluminatul exterior unde nu se cere o redare corectă a culuorilor, lipsind radiațiile roții;

-lămpi cu vapori de mercur de foarte înaltă presiune, au o eficacitate luminoasă mare și sunt utilizate în tehnica iluminatului cu proiectare la spații intinse, căi ferate, aeroporturi, terenuri sportive, etc.

-lămpi cu xenon, au puteri mari ( 2,5÷6,5 ) kw, funcție de lungimea arcului, având aplicații la iluminatul cu proiectare a spațiilor mari;

-lămpi fluorescente care au balonul sau tubul acoperit cu straturi fluorescente care, pe lângă convertirea radiațiilor invizibile ale descărcărilor în radiații vizibile, contribuie la inbunătățirea compoziției spectrale a luminii radiate și la mărirea eficacității luminoase a acestor lămpi.

Lămpile fluorescente pot fi:

-la joasă presiune, cu tuburi fluorescente și o gamă mare de puteri ( 10÷120)w; au domenii largi de folosire în tehnica iluminatului atăt în medii normale cât și în atmosfere potențial periculoase. Studiul acestora constituie obiectul altei lucrări de laborator;

-la înaltă presiune cu balon fluorescent de formă ovoidală, folosite la iluminatul halelor industriale, străzi, exploatări miniere, terenuri de sport, etc. Aceste tipuri se utilizează din ce în ce mai mult și in industria minieră, atât în construcție normală cât și specială antigrizutoasă, datorită fluxurilor luminoase mari si unor condiții mai puțin periculoase de redare a culuorilor.

Trecerea la presiuni înalte la lămpile cu descărcări cu vapori de mercur s-a făcut cu scopul măririi radiațiilor vizibile din spectrul de lumină si a eficacității luminoase a acestora.

Curba de variație a eficacității luminoase cu presiunea la aceste lămpi este prezentată în fig.3.

1.1. Lampa cu vapori de mercur de înaltă presiune, cu balon clar, este reprezentată în fig.4. Se compune din tubul de descărcare din cuarț 1, electrozii principali 2, electrodul auxiliar 3, rezistorul de grafit 4, soclul 5, balonul exterior, din sticlă 6, necesar pentru izolarea termică a tubului de cuarț față de mediul exterior cât și pentru a face posibilă manipularea lămpii, deoarece sticla de cuarț se devitrifică în contact cu transpirația mâinilor.

În tubul de cuarț se introduce un gaz inert (de obicei argon) și mercur. Electrodul auxiliar se amplasează lângă unul dintre electrozii principali si este

legat, prin intermediul unui rezistor de grafit, la celălalt electrod auxiliar. Rezistorul de grafit limitează curentul de câțiva miliamperi, valoare suficientă pentru ionizarea inițială a atmosferei de argon și mercur din tub.

La alimentarea cu tensiunea de la rețea, între electrodul axiliar și electrodul principal (cel de lângă electrodul auxiliar) are loc o descărcare favorizată de atmosfera de argon. Această descărcare produce creșterea temperaturii în tub, mercurul aflat în stare lichidă se evaporează și presiunea începe să crească, odată cu cresterea temperaturii, până când se produce arcul electric între electrozii principali, care se stabilizează după 4÷5 minute de la amorsare, în funcție de caracteristicile balastului și puterea lămpii.

După ce lampa a fost stinsă, reaprinderea ei este posibilă numai după 8 minute, timp necesar pentru răcirea lămpii, deoarece tensiunea care se aplică la bornele ei o poate amorsa numai dupa scăderea presiunii și temperaturi sub anumite valori.

Conectarea lămpii la rețea se realizează printr-un balast inductiv B care limitează curentul, în funcționarea normală a lămpii. Pentru înbunătățirea factorului de putere, în paralel cu bornele de alimentare ale lămpii se montează un condensator C (fig.4).

Durata de funcționare a acestor izvoare de lumină este de 1000-2000 ore, iar eficacitatea luminoasă 40÷60 [lm/w].

Caracteristicile lămpilor cu vapori de mercur de înaltă presiune, pentru tensiunea de 220V, cu balon mat (OSRAM) sunt trecute în tabelul nr.1

Tabelul nr.1

Puterea nominală

(W)

Flux luminos

(lm)

Eficacitate luminoasă

(lm/W)

80 3000 37

125 5400 43

250 11500 46

400 20500 51

700 37000 53

1000 52000 52

2000 130000 65

Dezavantajul principal al acestor lămpi îl constituie redarea incorectă a culorilor, deoarece radiațiile emise au culoarea verde-albăstruie (din cauza gazului folosit-argon-în interiorul tubului de cuarț), din spectru lipsind radiațiile roșii. Corectarea compoziției spectrale se realizează prin: depunerea unui strat fluorescent pe peretele interior al balonului de sticlă (lămpi fluorescente cu vapori de mercur de înaltă presiune); introducerea unui filament în balonul de sticlă conectat în paralel cu electrozii tubului de descărcare din cuarț (lămpi cu vapori de mercur de inaltă presiune cu lumină mixtă); introducerea iodurilor metalice în tubul de descărcare din cuarț (lămpi cu vapori de mercur de inalta presiune cu ioduri metalice).

Se construiesc și lămpi cu vapori de sodiu care au în tubul de descărcare sodiu si neon sau argon. Descărcarea începe în atmosfera de neon sau argon si odată cu creșterea temperaturii continuă în vaporii de sodiu.

Au o eficacitate luminoasă ridicată (70÷120 1m/W) fiind utilizate în iluminatul locuințelor în care este necesară o percepție mărită fără a fi necesară o redare corectă a culorilor (iluminatul public, iluminatul decorativ), datorită proprietăților favorabile ale luminii monocromatice, de culuare portocalie, a sodiului.

Caracteristicile lămpilor cu vapori de înaltă presiune și balasturilor aferente, frecvent utilizate, sunt prezentate în tabelul nr.2.Tabelul nr.2

Balon fluorescent

Tipul

PN-(W)

Ø1(lm) Tipul Balast

UN(V)

Balast

IN(A)

Cosø

Fără condensator

Cosø

Cu condensator

Alte accesorii

1 2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7 8

Lămpi cu vapori de mercur

LVF 80 3100 BVA 80 220 0,8 0,4 0,8 Condensator 6,3 µF

LVF 125 5500 BVA 125

220 1,15 0,5 0,9 Condensator 10 µF

LVF 250 11700 BVA 250

220 2,15 0,55 0,95 Condensator 20 µF

LVF 400 20500 BVA 400

220 3,25 0,6 0,9 Condensator 25 µF

Lămpi cu vapori de sodiu

LPN 175

13000 BNA 175

220 2,15 0,4 Dispozitiv de amorsare tip DA-0,5,187--

242VLPN 250

18000 BNA 250

220 3,00 0,42

LPN 400

38000 BNA 400

220 4,40 0,44

LPNT 250

20000 BNA 250

220 3,00 0,42

LPNT 400

40000 BNA 400

220 4,40 0,44

1.2. Lămpile fluorescente cu vapori de mercur de înaltă presiune se compun dintr-o lampă cu descărcări cu mercur de înaltă presiune (1) introdusă în interiorul unui balon fluorescent (2). Această lampă este prezentă în fig.5. Datorită pulberii fluorescente dispusă pe peretele interior al balonului de sticlă, lumina albă emisă de această lampă asigură redarea satisfăcătoare a culorilor obiectelor înconjurătoare. Spre deosebire de lămpile fluorescente de joasă presiune, a căror funcționare este dependentă de variațiile de temperatură, aceste lămpi au un flux luminos, practic constant, până la temperaturi ale mediului ambiant de 20 PC, eficacitatea lor luminoasă fiind cuprinsă între 30÷50lm/w.

1.3. Lampa cu lumină mixtă face parte dintr-o categorie specială și reprezintă o combinație între o lampă cu vapori de mercur de înaltă presiune și o

lampă cu incandescență, ambele reunite într-un balon de sticlă și conectate în serie, fig.6.

Balastrul inductiv a fost înlocuit cu un filament de wolfram care stabilizează descărcarea și corectează spectrul de lumină al lămpii cu vapori de mercur de inaltă presiune.

Pentru a obține o eficacitate luminoasă ridicată (20÷25 lm/w) fluxul luminos emis de tubul de descărcare trebuie sa fie aproximativ egal cu fluxul luminos emis de filament.

1.4. Lampa cu vapori de sodiu se utilizează în iluminatul public, hale industriale, în general în locurile unde nu este necesară redarea corectă a culorilor dar se impune percepția mărită a formelor. Aceste proprietăți le comfera culoarea galbenă emisă de descărcarea în vapori de sodiu.

2. Corpuri de iluminat miniere

Izvoarele de lumină nu se pot utiliza în toate cazurile, în instalațiile de iluminat deoarece, în general, au o luminanță prea mare producând efectul de orbire, iar distribuția fluxului luminos nu este cea mai avantajoasă pentru obținerea unui nivel de iluminare prescris, în condiții economice.

pentru înlăturarea acestor inconveniente, izvoarele de lumină se introduc în corpuri de iluminat care servesc pentru reducerea strălucirii, corectarea curbei fotometrice, protecția înpotriva lovirii, murdăririi, stropirii și alimentarea de la rețea a izvoarelor de lumină precum și fixarea acestora la locul de utilizare. În minele cu pericol de explozie, prin corpul de iluminat se realizează și protecția antigrizutoasă a izvorului de lumină.

Corpurile de iluminat se compun, în general din două părți principale:

-sistemul optic și de protecție cu rol de a modifica compoziția spectrală, distribuția fluxului luminos, reducerea luminanței lămpii constituit din: elemente reflectante, care reflectează lumina; elemente transmițătoare (difuzoare), abajururi, globuri; lentile; elemente selective absorbante (filtre colorate);

-armătura, constituită din elemente metalice, care asigură fixarea, protecția lămpii și a sistemului optic, conductoarele electrice de legătură pentru alimentarea lămpii de la rețea, balasturi, condensatoare.

Corpurile de iluminat se diferențiază prin caracteristicile optice:

-distribuția intensității luminoase, dependentă de curbele fotometrice ale lămpilor;

-randamentul, calculat ca raport între fluxul luminos emis de corp și fluxul luminos emis de izvorul de lumină, protejat de corpul de iluminat;

-unghiul de protecție, măsurat între orizontală și raza vizuală, astfel încât elementul strălucitor al lămpii să nu producă efectul de orbire;

-factorul de depreciere, apare datorită îmbătrânirii elementelor transmițătoare ale curpurilor de iluminat, datorită depunerilor de impurități pe suprafața lui. Este raportul dintre fluxul luminos mediu emis de corp în timpul funcționării sale și fluxul inițial.

Datorită pericolului pe care-l prezintă izvoarele de lumină pentru atmosfera minelor grizutoase s-au construit corpuri de iluminat antiexplozive (pentru industria minieră se numesc antigrizutoase) care protejaza izvorul de lumină de contactul cu mediul periculos. Construcția antigrizutoasă a corpurilor de iluminat se realizează prin următoarele mijloace: deconectarea preventivă automată a izvorului de lumină de la sursa de alimentare în cazul spargerii corpului de sticlă; închiderea în care antigrizutoase a părților periculoase; folosirea unor izvoare de lumină nepericuloase.

Utilizarea carcaselor antigrizutoase este mijlocul de protecție cel mai frecvent utilizat.

Carcasele sunt în construcție antigrizutoasă doar modul de protecție al lor poate fi cu siguranță mărită (simbol ”e” comform STAS 6877/1985) sau prin capsulare antideflagrantă (simbol ”d” comform aceluiași standard). Protecția cu siguranță mărită se aplică în special elementelor care, în general, în funcționarea normală nu produc scântei. Protecția prin capsulare antideflagrantă se realizează prin introducerea echipamentelor electrice, care în funcționare normală produc scântei sau arcuri electrice, în carcase rezistente la explozie. Aceste carcase au intersticții antideflagrante de anuminte dimensiuni. În aceste carcase poate pătrunde metan, praf de cărbune, apă, aer, etc, deci poate avea loc o explozie, dar flacăra și gazele rezultate în urmă exploziei, la ieșirea din carcasă sunt răcite prin interstițiile antideflagrante astfel încât nu pot produce aprinderea atmosferei periculoase, exterioare carcasei.

3. Construcția corpurilor de iluminat minier de tip A.V.

Sunt destinate pentru realizarea iluminatului general, utilizând lămpi cu vapori de mercur cu puterea de 80W sau 125W.

Aceste corpuri de iluminat se construiesc în două variante: tipurile AV-80 și AV-125 au carcasă metalică, iar cele de tip AV-02-180 și AV-02-1125 au carcasă de aluminiu turnat.

Caracteristicile tehnice pentru aceste corpuri de iluminat sunt prezente în tabelul 3.

Aceste corpuri de iluminat protejază lămpile de tip LVF-80 și LVF-125. Balasturile aferente utilizate sunt de tipul BVS-80 respectiv BVS-125.

Schițele acestor corpuri de iluminat sunt prezentate în fig. 7 și fig. 8.Tabelul nr.3.

Tipul Tens. nominală

(V)

Puterea nominală

(V)

Factor de

putere

Grad de protecție

Grupa de medii comform STAS

6877/2-74

Masa

AV-80 P 220 80 0,5 IP.54 Exde I/II A,B,C,T4 12,8

AV-80 N 220 80 0,5 IP.54 Exde I/II A,B,C,T4 12,8

AV-125 P 220 125 0,5 IP.54 Exde I/II A,B,C,T4 13,6

AV-125 N 220 125 0,5 IP.54 Exde I/II A,B,C,T4 13,5

AV-02-180 P 220 80 0,5 IP.54 Exd I/II A,B,C,T4 7,750

AV-02-180 N 220 80 0,5 IP.54 Exd I/II A,B,C,T4 7,750

AV-02-1125 P 220 125 0,5 IP.54 Exd I/II A,B,C,T4 8,350

AV-02-1125 N 220 125 0,5 IP.54 Exd I/II A,B,C,T4 8,350

Corpurile de iluminat din această categorie se compun din trei părți principale:

-compartimentul optic;

-compartimentul bornelor;

-compartimentul balastului.

În compartimentul optic (1) fig.7 se introduce lampa cu vapori de mercur de înaltă presiune. Protecția acesteia se realizează cu ajutorul unui glob de sticlă (2) rezistență la explozie care realizează în același timp corectarea curbei fotometrice și reducerea luminației izvorului de lumină. Protecția mecanică a globului de sticlă se realizează printr-un grătar metalic (3) fixat la corpul principal și asigurat înpotriva desfacerii cu un șurub (4). Acest șurub denumit și de protecție, are rolul de a limita pericolul de electrocutare și de provocare de explozii prin faptul că nu permite cuplarea lămpii dacă nu este închis perfect, iar la schimbarea izvoarelor de lumină, scoate de sub tensiune partea interioară ce intră în contact cu atmosfera înconjurătoare și personalul de exploatare.

Compartimentul bornelor are în interior bornele de racord ale cablurilor de alimentare, bornele de alimentare ale lămpii și întrerupătorul (5). Întrerupătorul

permite alimentarea lămpii numai când compartimentul principal este închis și asigurat. Racordul cablurilor la corpul de iluminat este asigurat prin intermediul introducătoarelor de borne tip niplu sau pâlnie fixate pe carcasă.

Compartimentul superior este destinat fixării balastului și realizării protecției antigrizutoase a acestuia.

4. Chestiuni de studiat

-Se vor studia lămpile cu vapori de mercur existente în laborator, identificându-se părțile componente ale acestora, balasturile și condensatoarelor utilizate la stabilirea descărcării și înbunătățirea factorului de putere.

-Se vor identifica părțile componente ale corpurilor de iluminat și se va preciza rolul funcțional și de protecție al fiecărei părți.

Bibliografie

1. Comșa, D., ș.a. -Proiectarea instalațiilor electrice industriale, E.D.P., 1979.

2. Miclescu, Th., ș.a. -Utilizarea energiei electrice, E.D.P., 1980

3. Pietrăreanu, E. -Agenda electricianului, E.T., 1986.

4. X X X -Prospecte ELBA pentru corpuri de iluminat miniere.