Светодиодные светофоры для Российских железных дорог

Железнодорожные светофоры предназначены для регулирования движения поездов, маневровых составов, а также регулирования скорости роспуска с сортировочной горки. Также светофоры или дополнительные световые указатели могут информировать машиниста о маршруте или как-либо ещё конкретизировать показание. Отсюда и высокие требования к надёжности их работы и качеству передаваемых сигнальных показаний.

Длительный опыт эксплуатации железнодорожных светофоров, где в качестве источников света используются лампы накаливания, позволяет сделать вывод, что их технико-экономические показатели невысоки. Срок службы светофорных ламп не превышает 2000 часов, они имеют низкую надежность, более того до 0,2 % из них отказывают ранее установленного срока службы.

Цветные линзы-светофильтры создают опасность неправильного восприятия показания сигнала из-за отраженных или проходящих через открытую крышку головки светофора солнечных лучей.

Применение в качестве линз светофоров обычного стекла приводит к массовому их повреждению в результате случаев вандализма. Ежегодно по этой причине приходится менять до 10 % линз. Использование защитных металлических решеток или полимерного стекла не в полной мере гарантирует их защиту и, кроме того, снижает дальность видимости огней светофоров.

За прошедшие 50 лет светофоры не претерпели существенных качественных изменений. Большие надежды были связаны с применением двухнитевых ламп, однако это не дало стопроцентного резервирования источника света. Так, при разгерметизации колбы лампы, что происходит довольно часто, одновременно перегорают обе нити. Кроме того, за последние годы качество светофорных ламп заметно ухудшилось.

Например, по анализу службы автоматики и телемеханики Приволжской железной дороги в 2010 году произошло 44 отказа в работе светофоров, что составляет 41% от общего количества отказов по вине эксплуатационного штата хозяйства автоматики и телемеханики. Основными причинами нарушения нормальной работы светофоров это потеря электрического контакта в ламподержателе – 20 случаев, перегорание ламп светофоров – 23 случая. Поэтому перспектива замены ламповых светофоров на альтернативные высоконадежные источники света сейчас действительно актуальна.

Светодиоды – это слаботочные приборы, способные излучать световую энергию при низких напряжениях и малых точках. С одной стороны, это несомненное преимущество: можно получить источники световых сигналов с малым потреблением электроэнергии и обеспечить регулировку силы света изменением скважности импульсов питающего напряжения. При этом видимость сигналов будет обеспечиваться благодаря быстродействию светодиодов и инерционности зрения человека. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания. Наконец, светодиод - низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный. В целом светодиод, долговечный прибор срок службы светодиодов составляет в настоящее время 20 - 50 тысяч часов.[1. c 4]

В целом внедрение светодиодных устройств световой сигнализации для железных дорог России ведется, начиная уже с 1998 года. В рамках реализации Программы безопасности движения налажено производство светодиодных светофорных головок для железнодорожных переездов и светодиодных светофоров оповестительной пешеходной сигнализации, предназначенных для организации движения автомобильного транспорта и пешеходов. Срок службы таких светосигнальных устройств не менее 20 лет, при средней наработке на отказ 50 000 часов.

Современные светодиодные светофорные головки, заменившие на железнодорожных переездах ламповые светофоры, имеют дополнительные достоинства. Дальность видимости сигналов увеличена от 200 до 300 метров, угол обзора увеличен от 200 до 500 метров, повреждение защитного стекла или светодиодов не приводит к изменению цвета сигнала.[2]

В 2001 году на Горьковской железной дороге начались эксплуатационные испытания первых светодиодных комплектов для карликовых и мачтовых светофоров. Они конструктивно взаимозаменяемы с ламповыми комплектами для мачтовых и для карликовых светофоров.

Такой светодиодный линзовый комплект состоял из платы со светодиодами, которая крепится к типовому профильному кольцу – основанию, платы питания с выпрямительными диодами и элементами защиты от перенапряжений, защитного колпака из высокопрочного полимерного стекла и задней крышки с клеммами подключения. Конструктивно светодиоды выполнены в корпусах с линзами Френеля, поэтому светодиодные светооптические системы не нуждаются в фокусирующих линзах.

Для получения необходимой силы света в комплектах карликовых светофоров красного и желтого цветов использовалось по 96 светодиодов, зеленого, синего и белого цветов – по 68, а в комплектах мачтовых светофоров – по 168 и 130 светодиодов соответственно.

Тогда эксплуатационные испытания подтвердили высокие светооптические характеристики светодиодных светофоров: видимость огней даже карликовых светофоров обеспечивалась на расстоянии не менее 800 метров. Особенно контрастное увеличение видимости дали светодиодные комплекты синего огня.

Однако наряду с достоинствами одновременно проявили себя и недостатки. Серьёзным препятствием на пути внедрения светодиодных систем стало наличие емкостных связей между жилами кабеля в схемах с центральным питанием светофоров. Например, удаленный от поста электрической централизации светодиодный светофор с центральным питанием в значительной степени был подвержен подсветке от наведенного в кабельной линии напряжения помехи или подпитки. Такой же емкостной эффект наблюдался и при установке светофоров в схемах централизованной автоблокировки. К тому же обеспечить контроль неисправности сигнала при малых токах типовыми огневыми реле не представляется возможным. Трудности доставляет и реализация режима мигания сигнала светофора, так как для светодиода не существует понятия «холодной нити накала» и в паузах мигания его нужно выключать полностью. Поэтому до разработки и принятия оптимальных решений по устранению недостатков было предложено начать внедрение светодиодных светофоров на перегонах с децентрализованной автоблокировкой. В ней огни светофоров питаются напряжением 12В, а протяжённость кабеля управления не превышает 100 метров. В этих условиях ёмкостные связи не оказывают влияние на работу светодиодных светофоров. [1. c 5]

Ещё одним серьёзным недостатком, угрожающим безопасности движения поездов стало проявление так называемого фантомного эффекта, когда прямое солнечное излучение по оси сигнала вызывает искажение его цветности. Эти проблемы и приостановили тогда процесс массового внедрения поездных светодиодных светофоров на Российских железных дорогах.[3, с 60]

Вместе с тем в 2007 - 2009 году в рамках Программы ресурсосбережения в компании ОАО «РЖД» было развёрнуто внедрение одноцветных светодиодных маршрутных указателей – буквенного, цифрового и положения, предназначенных для указания пути приема, отправления или направления следования поездов и маневровых составов.

В 2006 году была изготовлена установочная партия, проведены квалификационные испытания, подтверждена готовность производства к серийному выпуску. Если провести сравнение, то применяемые в настоящее время маршрутные указатели на лампах накаливания имеют следующие и достаточно существенные недостатки:

• высокое энергопотребление - 1400 Вт, за счет применения в своем составе до 35 ламп накаливания мощностью 40 Вт;

• низкую надежность ламп накаливания, недостаточную пыле и влаго защищенность. Всё это приводит к окислению контактов ламп накаливания, загрязнению внутренних поверхностей линз, загрязнению защитного стекла, снижению видимости и различимости сигнального показания. А также проникновение влаги влечёт за собой занижение изоляции источника питания по отношению к земле;

• небольшой нормативный срок службы - 10 лет.

Современные светодиодные маршрутные указатели имеют гораздо более высокие технико-экономические показатели:

• энергопотребление снижено в 4 раза в дневном режиме и в 10 раз в ночном за счет снижения потребляемой мощности светодиодных ячеек до 10 Вт;

• эксплуатационные расходы снижены в 10 раз за счет исключения ряда технических операций периодического обслуживания, таких как проверка внутреннего состояния указателя, измерение напряжения на лампах и их замена, чистка переднего стекла и внутренних поверхностей линз, ликвидация последствий проявления вандализма;

• срок службы увеличен в 2 раза – до 20 лет, за счет применения современных высокопрочных полимерных материалов и покрытий, высоконадежных светодиодов со сроком службы на весь период эксплуатации, повышенной защиты от проявлений вандализма;

• обеспечена взаимозаменяемость с существующими ламповыми конструкциями.

Срок окупаемости таких светодиодных маршрутных указателей составляет 2,6 года, светодиодных маршрутных указателей положения – 3,3 года.

В настоящее время с 2006 года на железных дорогах Росси применяются головки светодиодные красного цвета заградительного светофора для железнодорожных переездо.

Светодиодная головка заградительного светофора является малообслуживаемым устройством и обеспечивает снижение эксплуатационных расходов в 10 раз, снижение затрат на периодическую регулировку за счет широкой диаграммы направленности, улучшение светотехнических параметров видимости заградительного огня, монтаж на существующие несущие конструкции.[2]

Энергетическая эффективность в современных условиях – это важнейший фактор повышения конкурентоспособности ОАО «РЖД» на внутреннем и международном рынках транспортных услуг. Компания ОАО РЖД является крупнейшим потребителем энергоресурсом в стране, расход электроэнергии которой составляет около 5% от общего потребления электроэнергии в стране. Учитывая неблагоприятные долгосрочные тенденции развития рынка энергоресурсов в компании, была принята и актуализирована Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2020 года. При формировании стратегии впервые был выделен отдельный проект «Внедрение светодиодной техники в ОАО РЖД». Одно из направлений в проекте отводится внедрению светодиодных систем сигнализации в хозяйстве автоматики и телемеханики.

В настоящее время в программу ресурсосбережения включено внедрение головки светодиодной мачтового светофора с токовым контролем - предназначенной для управления движением поездов, обеспечивает включение световых сигналов, контроль исправности в рабочем режиме. Головка является также малообслуживаемым устройством и обеспечивает:

• снижение эксплуатационных расходов в 12 раз;

• снижение энергопотребления в 1,5 раза за счет снижения потребляемой мощности до 9-10 Вт вместо 15 Вт, потребляемых светофорной лампой накаливания;

• улучшение светотехнических параметров, таких как дальность видимости и различимость сигнального показания светофоров, что ведет к повышению безопасности движения, улучшению условий труда машинистов;

• монтаж на существующие несущие конструкции. [2]

Первый пилотный проект ОАО «РЖД» 2010 года – это внедрение на девяти железных дорогах Октябрьской, Московской, Горьковской, Северной, Северо-Кавказской, Приволжской, Свердловской, Восточно-Сибирской, Дальневосточной 740 мачтовых светофорных головок с модулями светодиодных систем для светофоров числовой кодовой автоблокировки. Для оборудования перегонов применены светодиодные светофоры модульного типа компании ЗАО НПО «РоСАТ» со светодиодными оптическими системами типа ССМ - 200, красного, жёлтого и зелёного цветов. Продукция компании сертифицирована на федеральном железнодорожном транспорте Российской Федерации и утверждена главным инженером Департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» Г.Д. Казиевым 5.02.2010 года.

Установленные светодиодные светофорные головки получили положительные отклики с дорог. Машинистам нравятся яркие огни светодиодных светофоров, хорошо различимые при любых погодных условиях.

В 2010 году в Ростове - на - Дону на пятой научно - практическая конференция «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте - Транс ЖАТ 2010» была организована выставка, на которой была представлена светофорная головка с антикоррозийным нанопокрытием - газотермическое металлонапыление. Это покрытие имеет несравнимо лучшие показатели антикоррозийности, чем применяемое сейчас цинкование. Головка с нанопокрытием вызвала большой интерес как руководства департамента автоматики и телемеханики, так и представителей служб железных дорог.[5.c 21]

Подводя итог можно утверждать, что использование в железнодорожных светофорах светодиодных систем вместо традиционных линзовых комплектов с лампами накаливания обеспечивает снижение энергопотребления и затрат на обслуживание. В связи с внедрением светодиодных светофоров исключается ряд периодических работ по техническому обслуживанию светофоров:

• смена ламп светофоров (согласно п.1.4 Инструкции от 22.10.2009г. ЦШ-720-09 смена производится один раз в квартал);

• чистка внутренней части светофорных головок (согласно п.1.14 ЦШ-720-09 проверка и чистка производится при смене ламп);

• покраска светофоров (согласно п.1.17 ЦШ-720-09 покраска производится при обнаружении следов коррозии металла, но не реже одного раза в два года. Мачты и кронштейны светодиодных светофоров имеют цинковое покрытие, а козырьки и фоновые щиты покрыты порошковой эмалью, что обеспечивает необслуживаемый режим эксплуатации в течение не менее 10 лет);

• количество проверок с пути видимости сигнальных огней светофоров при внедрении светодиодных светофоров сокращается с 4 проверок до 2 проверок в год согласно п. 1.1 инструкции ЦШ-720-09. [6]

Более высокие светотехнические параметры светодиодов увеличивают дальность видимости, и различимость сигнального показания, в результате чего обеспечивается улучшение условий труда машинистов, что в свою очередь способствует повышению уровня безопасности движения поездов.

В 2011 году продолжилась подготовка к внедрению еще нескольких типов светофоров на основе светодиодов, в том числе и для карликовых станционных светофоров. Так что большой путь светодиодов только начинается.

Литература:

1. Светодиодные железнодорожные светофоры. Миф или реальность. Журнал АСИ №1, 2005год.

2. Светодиодные сигнальные устройства как ресурсосберегающие технические средства. scbist.com

3. Новые разработки. Журнал АСИ №12, 2005 года.

4. Ресурсосберегающие технологии в ОАО «РЖД». www.int.su/press

5. Внедрение светодиодных светофоров на сети железных дорог. Газета «Евразия вести» 2010 год.

6. Инструкция по техническому обслуживанию устройств сигнализации, централизации и блокировки. ЦШ-720-09.