Wybrane aspekty techniczne i niezawodnościowe zasilania w energię elektryczną elementów infrastruktury ulicznej

Poszczególne firmy w celu zbudowania i utrzymania przewagi konkurencyjnej ciągle udoskonalają swoje produkty w aspekcie niezawodnościowym. Jak wszystkie urządzenia wymagające ciągłego zasilania elektrycznego, wspomniane wcześniej elementy infrastruktury ulicznej mogą też przestać funkcjonować z powodu awarii układu dostarczającego do nich energię elektryczną. Dlatego niezawodność funkcjonowania tych urządzeń powinna być cały czas monitorowana oraz powinny być prowadzone analizy i badania mające na celu eliminację możliwości wystąpienia ich awarii. Ponieważ na rynku cały czas pojawiają się nowe rozwiązania technologiczne, mające na celu poprawę bezpieczeństwa kierujących i pieszych przy coraz większym natężeniu ruchu, zapewnienie niezawodności zasilania infrastruktury drogowej w postaci sygnalizatorów i lamp ulicznych staje się sprawą kluczową.

W niniejszym artykule przeanalizowano wybrane zagadnienia niezawodności zasilania określonych elementów infrastruktury ulicznej na fragmencie drogi krajowej w gminie miejskiej w latach 2013-2017 . W pierwszej części przedstawiona została infrastruktura techniczna układów zasilania i sterowania sygnalizatorów świetlnych oraz latarni ulicznych. Druga część zawiera analizę niezawodności funkcjonowania trzech zestawów urządzeń służących do sterowania ruchem oraz ośmiu latarni ulicznych, zlokalizowanych na jednym odcinku drogi. Jednym z głównych kryteriów analizy było niezawodne działanie ww. elementów infrastruktury ulicznej z punktu widzenia toru zasilania w energię elektryczną.

Wymagania techniczne układów zasilania i sterowania sygnalizacji świetlnej oraz latarni ulicznych

Budowa i zadania urządzeń sygnalizacji świetlnej

Sygnalizacja świetlna jest zestawem urządzeń, których zadaniem jest sterowanie kolizyjnymi potokami ruchu pojazdów i pieszych. System obejmuje urządzenia sterujące (sterowniki) oraz urządzenia wykonawcze, czyli sygnalizatory z elementami wsporczymi wraz z urządzeniami łączności. Dodatkowo system może być uzupełniony przez urządzenia transmisyjne, informacyjne (wyświetlacze prędkości) oraz detekcyjne, które rejestrują parametry ruchu (przyciski, detektory). Przeznaczeniem sygnalizacji świetlnej jest porządkowanie ruchu, zwiększenie przepustowości wlotów poprzez grupowanie pojazdów, umożliwienie przyjścia pieszym na ulicach o dużym ruchu kołowym oraz wjazdu pojazdom z podporządkowanych ulic. Jednym z głównych celów sygnalizacji świetlnej jest zmniejszenie liczby wypadków, przede wszystkim czołowo-bocznych i czołowych, które wiążą się z wjazdami pojazdów z drogi podporządkowanej i skrętami w lewo oraz wypadków z pieszymi poprzez ograniczenie punktów kolizji [1].

Sygnalizacja świetlna w przyjętej do analizy miejscowości jest zasilana jednostronnie. Tor zasilania doprowadzony jest ze stacji transformatorowej SN/nn kablem podziemnym. Brak jest zasilania rezerwowego. UPS-y podtrzymują wyłącznie logikę sterowania. Po wyłączeniu zasilania podtrzymywany jest system sygnalizacji i pamięć sterownika. Umożliwia to zdalne połączenie i zidentyfikowanie awarii. Sterownik może wysłać SMS o braku zasilania, ale sygnały świetlne nie są w takim przypadku „nadawane”. Sygnalizacja pracuje w układzie zasilania TN-S (układ jest uziemiony, części normalnie nieprzewodzące połączone są z punktem neutralnym transformatora, występuje rozdział przewodu PE i N).

Cały układ został zaprojektowany jako acykliczna akomodacja typu „wszystko czerwone”, pracująca w oparciu o sterownik ASR-2000 PL. Na wszystkich wlotach zastosowano pętle indukcyjne, które pozwalają na obserwowanie pojazdów z odległości umożliwiającej bezpieczne hamowanie albo przejazd bez zatrzymania. System umożliwia dobór odpowiedniej fazy i podtrzymywania jej w zależności od liczby „zgłaszających” się pojazdów. Pozwala to na efektywne zarządzenie czasem przejazdu poprzez wykorzystywanie większych niż zadanych w programie luk czasowych w potoku pojazdów i zadawanie sygnału zielonego tam, gdzie jest aktualnie potrzebne. Każde skrzyżowanie jest monitorowane w systemie ciągłym. Układ sterujący składa się z jednostki centralnej oraz interfejsów w obiektach objętych kontrolą. Komputer centralny poprzez modem współpracuje z układem interfejsu, zainstalowanym w sterowniku sygnalizacji.

Detekcja pojazdów odbywa się przy pomocy istniejącego systemu (AUTOSCOPE). Do detekcji ruchu pieszego zaprojektowane są przyciski zgłoszeniowe z kontrolą przyjęcia zgłoszenia. Sensorowe detektory ruchu pieszych zawierają potwierdzenia przyjęcia zgłoszenia na diodach LED. Przyciski zasilane są na poziomie 24 V z II klasą ochronności i stopniem ochrony obudowy IP55. Natomiast do zasilania sygnalizatorów stosuje się wielożyłowe kable o napięciu znamionowym 0,6/0,1 kV i żyłach miedzianych w izolacji polwinitowej. Jeśli chodzi o pętle indukcyjne, to wykonuje się je z przewodu jednożyłowego o izolacji z gumy silikonowej.

Aby połączyć pętlę ze sterownikiem stosuje się kable telekomunikacyjne. Połączenie wykonywane jest w studzience kablowej przy zastosowaniu złączki uniwersalnej. Każdy obwód pętli połączony jest z przynajmniej jedną parą przewodów, które nalezą do jednego toru transmisyjnego. Z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej czynne części systemu pozostające pod napięciem chronione są przed dotykiem bezpośrednim. Zasilanie zostaje wyłączone w przypadku uszkodzeń wywołujących napięcie dotyku na dostępnych częściach przewodzących o wartościach niebezpiecznych dla zdrowia i życia. Każdy stalowy masz i wysięgnik posiada lokalne uziemienie, a w obwodzie zasilania sterownika stosuje się wyłącznik różnicowo-prądowy [6].

Podstawowe wymagania projektowe i techniczne oświetlenia ulicznego

Projektując oświetlenie drogi brane są pod uwagę cechy drogi, właściwości środowiska oraz cechy ruchu na drodze. Geometrycznymi cechami drogi są: rozdzielczość jezdni, gęstość skrzyżowań jednopoziomowych, środki stosowane dla uspokojenia ruchu, strefy kolizyjne i rodzaje skrzyżowań. Za właściwości środowiska przyjmuje się: główny typ pogody, poziomy luminacji otoczenia drogi oraz złożoność obrazu w polu widzenia użytkownika drogi. Cechami ruchu są: liczba pojazdów mechanicznych, rowerzystów, pieszych, parkowanie pojazdów i zagrożenie przestępczością [1].

Odpowiednie dobranie układu optycznego ma na celu właściwe oświetlenie zarówno drogi, jak i pobocza. Szeroki rozsył opraw ulicznych skutkuje właściwym wykorzystaniem zastosowanych słupów i opraw. Odpowiedni rozstaw słupów na drodze zapewnia rozsył w kierunku C0-C180. Zbyt szeroki kąt może powodować olśnienie. Optymalne kierowanie światła zarówno w płaszczyznę drogi, jak i pobocze umożliwia rozsył w kierunku C90-C270. Niewłaściwie dobrany rozsył obniża więc skuteczność systemu oświetlenia [2, 3].

Analizowany fragment ulicy oświetlony jest oprawami oświetleniowymi z lampą sodową. Wymagane parametry optyczne są zapewnione poprzez odbłyśnik fasetonowy, który pozwala na precyzyjne ukierunkowanie wiązki. Oświetlenie zaprojektowano na oprawach wyposażonych w źródło światła o przedłużonej wytrzymałości. Oprawy zostały wykonane w II klasie ochronności. Oprawa posiada jedno źródło światła o mocy 100W z osprzętem konwencjonalnym. Brak jest regulacji strumienia świetlnego. Napięcie wejściowe wynosi 230 – 240 V. W badanym obszarze zamontowano zapłonniki szeregowo-równoległe. Układ taki ma odpowiednio skompensowany współczynnik mocy. Dla opraw sodowych wartość współczynnika mocy biernej wynosi co najmniej 0,85. W tym celu stosuje się odpowiednie kondensatory kompensujące [6].

Oprawy oświetlenia ulicznego narażone są na działanie czynników atmosferycznych. Zagrożeniem mogą być np. duże różnice temperatur, ekspozycja na światło słoneczne, wnikanie pyłów, wody, itp. Korpus oprawy musi zapewniać odpowiedni stopień szczelności przed wnikaniem wody i pyłu do wnętrza oprawy. W oprawach drogowych stopień ochrony IP jest często podawany oddzielnie dla komory źródła światła i komory osprzętu. Dla źródła istotne jest zachowanie wysokiej szczelności umożliwiającej utrzymanie jak najwyższej czystości, co pozwala na zachowanie parametrów świetlnych. Jeśli chodzi o komory osprzętu dopuszczalne są niższe poziomy IP. Współczynnik IK określa, jaką energię uderzenia jest w stanie wytrzymać oprawa. Uderzenie może nastąpić w wyniku gradobicia lub aktów wandalizmu. Korpusy wykonywane są z tworzyw sztucznych oraz z aluminium.

Ze względu na proces starzenia, w końcowej fazie eksploatacji może dochodzić do uszkodzeń. Zgodnie z normą EN 60598 w lampach sodowych stosowane są zabezpieczenia termiczne. Jednym z rozwiązań jest układ wyposażony w termo-wyłącznik. Termo-wyłącznik odcina dopływ prądu w sytuacji przegrzania statecznika. Po wymianie wyeksploatowanego źródła światła możliwe jest ponowne uruchomienie oprawy. Ograniczenie ilości prób załączenia uszkodzonej lampy zapewnia zapłonnik z wyłącznikiem czasowym. Energia jest oszczędzana przez układ redukcji mocy za pomocą autonomicznego przełącznika.

W analizowanej lokalizacji oprawy zamocowane są na słupach stalowych z wysięgnikami jednoramiennymi i oprawami oświetlenia ulicznego z lampą sodową. Oświetlenie wykonane jest linią napowietrzną. Napowietrzne linie niskiego napięcia wykonano na słupach z żerdzi wirowanych z samonośnymi przewodami izolowanymi. Kablowe linie niskiego napięcia i średniego napięcia ułożone są bezkolizyjnie, częściowo zabezpieczone rurami dwudzielnymi. W celu zabezpieczenia przed zamuleniem ułożono dodatkową ochronną rurę rezerwową. Uszczelniono miejsca wprowadzenia kabli do rur osłonowych. Kable zabezpieczono przed uszkodzeniem oraz posadowiono ocynkowane słupy. Ochronę przed dotykiem pośrednim wykonano przez uziemienie [6]. Przewidziano jednostronny układ zasilania bez możliwości rezerwowania.

Analiza warunków niezawodności funkcjonowania sygnalizatorów świetlnych i latarni ulicznych na wybranym odcinku drogi

Przerwy w działaniu sygnalizatorów świetlnych

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, przerwy w dostawie energii elektrycznej dzielą się na planowane i nieplanowane. Nieplanowane są wynikiem wystąpienia awarii w sieci elektroenergetycznej. Czas trwania przerwy jest liczony od momentu uzyskania przez przedsiębiorstwo energetyczne informacji o jej wystąpieniu do czasu wznowienia dostarczania energii elektrycznej [4]. Biorąc pod uwagę taką definicję, na analizowanym odcinku drogi, w okresie od 2013 do 2017 roku, trzy sygnalizacje świetlne ulegały wyłączeniom nieplanowanym. Liczbę wyłączeń w poszczególnych latach przedstawiono na rysunku 1. Uzyskane dane wskazują, że najwięcej wyłączeń nieplanowanych miało miejsce w 2017 roku. Najmniej tych wyłączeń miało miejsce w 2014 roku. Jak wynika z danych przedstawionych na rysunku 1, w latach 2014 – 2017 liczba wyłączeń nieplanowanych generalnie rosła. Liczba zdarzeń nieplanowanych w 2016 roku była co prawda tylko nieznacznie wyższa niż w roku 2015, jednak od roku 2014 widoczny jest trend wzrostowy [5].

Z uzyskanych danych wynika, że przyczyny wyłączeń nieplanowanych są różne. Jak można zauważyć (rys. 2.), największa liczba zdarzeń została zakwalifikowana do kategorii niewyjaśnione (40%). Odsetek ten jest znaczny. Niezidentyfikowanie powodu wyłączenia może mieć istotny wpływ na ocenę niezawodności przyjętych założeń i rozwiązań techniczno-projektowych. Brak pogłębionej analizy takich przypadków może mieć też wpływ na wzrost takich wyłączeń w przyszłości. Dodatkowo bardziej szczegółowe dane dotyczące przyczyn wystąpienia awarii, dostępne są od roku 2015 („brak danych” oznacza, że w danym okresie nie była prowadzona statystyka z podziałem na przyczyny awarii) [5].

Ponownie analizując zapisy Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U.2007.93.623), przerwy w dostarczaniu energii elektrycznej, w zależności od czasu ich trwania, dzieli się na [4]:

1. przerwy przemijające (inaczej mikroprzerwy), które trwają nie dłużej niż 1 sekundę; 
2. przerwy krótkie, trwające dłużej niż 1 sekundę i nie dłużej niż 3 minuty; 
3. przerwy długie, które trwają dłużej niż 3 minuty i nie dłużej niż 12 godzin; 
4. przerwy bardzo długie, trwające dłużej niż 12 godzin i nie dłużej niż 24 godziny; 
5. przerwy katastrofalne, trwające dłużej niż 24 godziny.

W tabeli 1. zestawiono statystykę przerw w zasilaniu sygnalizatorów ulicznych na badanym odcinku drogi w latach 2013 – 2017. Najwięcej zdarzeń to przerwy krótkie i długie. Należy zwrócić również uwagę na wysoki odsetek przypadków, dla których występujące awarie nie zostały zakwalifikowane przez operatora do żadnej z kategorii (brak danych).

Zobrazowanie liczby przerw długich w funkcjonowaniu sygnalizacji świetlnej przedstawiono na rysunku 3. Ponownie jak w przypadku analiz dotyczących przyczyn awarii, widoczny jest trend rosnący od 2014 roku. Należy zauważyć, że liczba awarii w 2017 roku była ponad dwa razy większa niż w latach 2015 i 2016. W stosunku do roku 2014 jest to aż pięciokrotny wzrost [5].

Przerwy w działaniu latarni ulicznych

Kolejnymi elementami infrastruktury drogowej, które były przedmiotem analiz, jest osiem latarni ulicznych. Okresem analizy były również lata 2013 – 2017. Analogicznie jak w przypadku sygnalizatorów świetlnych, w przedziale lat 2014 – 2017 zanotowano wzrost zdarzeń nieplanowanych. Awarie w roku 2017 występowały z trzy razy większą częstotliwością niż w roku 2014. W stosunku do lat 2015 i 2016, w 2017 roku zanotowano wzrost liczby awarii o 50%. Analizując całkowitą liczbę zdarzeń można zauważyć, że częstotliwość występowania awarii latarni ulicznych jest kilkanaście razy większa niż awarii sygnalizacji świetlnej.

Na rysunku 5. zaprezentowano przyczyny awarii zasilania lamp. Najwięcej zdarzeń zewidencjonowano jako niewyjaśnione (38%). Duża część wyłączeń nastąpiła z powodu działania żywiołu. W tym wypadku są to więc przyczyny czysto losowe (warunki atmosferyczne). Najmniej wyłączeń nastąpiło z powodu „likwidacji zagrożenia” (działanie automatyki zabezpieczeniowej). Niewielka część wyłączeń miała miejsce z powodu wystąpienia „zdarzenia poza siecią” [5].

W tabeli 2. zestawiono liczbę i rodzaj przerw w zasilaniu latarni ulicznych w latach 2013 – 2017. Liczba przerw krótkich w zasilaniu jest znacznie większa niż dla układu sygnalizacji świetlnej. Z tabeli 2. wynika również, że zarówno liczba przerw krótkich, jak i długich wykazuje w analizowanym okresie tendencje rosnące.

Podsumowanie analiz i propozycje nowych funkcjonalności

Jak wynika z pozyskanych danych, przerwa w funkcjonowaniu sygnalizacji świetlnej i latarni ulicznych może nastąpić z wielu przyczyn. Część z tych przyczyn może mieć charakter katastroficzny. W takim przypadku mamy ograniczone możliwości zapobiegania takim zdarzeniom. Podczas projektowania całości instalacji należy zakładać, że instalacja może być narażona na niebezpieczne warunki atmosferyczne (burza, niskie i wysokie temperatury, podtopienia, oblodzenia, itp.). Analizowana infrastruktura techniczna może również ulec awarii w wyniku kolizji, wypadku drogowego lub przez działanie zwierząt. Ze względu na możliwe połączenie z zaawansowanym systemem zdalnym jest też potencjalnie podatna na atak cyberterrorystyczny. Na niezawodność całej instalacji wpływają też czynniki techniczne, związane z jakością jej wykonania oraz właściwym doborem elementów.

Głównym celem artykułu było przedstawienie podstawowych założeń techniczno-projektowych, które należy uwzględnić podczas projektowania układów sygnalizacji świetlnej i latarni ulicznych w celu zwiększenia niezawodności jej funkcjonowania. Skupiono się przede wszystkim na układzie zasilania i połączeń elektrycznych. W tym celu pozyskano dane dotyczące statystki awarii [5, 6] wybranego fragmentu infrastruktury drogowej w postaci zestawu latarni ulicznych i sygnalizatorów świetlnych. Zestawiono je i przeanalizowano w ujęciu statystycznym pod kątem czasu wystąpienia, długości trwania oraz przyczyny i typu wyłączeń. Z otrzymanych danych wynika, że w ostatnich latach notuje się ciągły wzrost ilości awarii, który jest nawet kilkukrotny w stosunku do ilości awarii, jakie występowały 5 lat temu. Elementem, na który należy zwrócić szczególną uwagę jest ilość awarii, dla których nie została zidentyfikowana przyczyna wystąpienia. Odsetek takich przypadków jest znaczny i wynosi ponad 40% (kategoria zdarzeń „niewyjaśnione”). Dlatego zdecydowanie należy dążyć do głębszego wyjaśniania powodu awarii, by móc im zapobiegać w przyszłości.

Precyzyjniejsze analizy dadzą w konsekwencji możliwość wprowadzenia odpowiednich poprawek i opracowania nowych wymagań w projektowaniu i wykonaniu takich instalacji. Już na etapie wstępnych analiz można wykazać, że istotną poprawę niezawodności działania można uzyskać poprzez zastosowanie rezerwowego toru/torów zasilania, w tym możliwego zasilania dwustronnego. Zastosowanie takiego rozwiązania zmniejszyłoby prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia awaryjnego związanego z utratą zasilania. Proponuje się również, aby sterownik po awarii wysyłał informację (np. SMS) o zaniku zasilania do większej ilości instytucji, w tym do operatora energetycznego i właściwej jednostki Policji. Obecnie Policja otrzymuje informację o awarii sygnalizacji świetlnej od kierowców lub własnych patroli. W jednostce Policji, po analizie bieżącego natężenia ruchu, możliwe byłoby podejmowanie decyzji o skierowaniu patrolu do kierowania ruchem lub pozostawienia organizacji ruchu wg zasad Kodeksu Ruchu Drogowego. W sposób znaczący wpłynęłoby to na zwiększenie bezpieczeństwa na danym odcinku drogi.

Opisany system sygnalizacji świetlnej i latarni ulicznych oraz sterowanie ruchem drogowym prowadzi do zmniejszenia ilości kolizji i wypadków drogowych, poprawy komfortu jazdy jak też zmniejszenia strat czasu. Jego niezawodne działanie, oświetlanie pobocza, zmniejszenie ilości zdarzeń drogowych i poprawa bezpieczeństwa pieszych poprzez sterowanie ruchem ulicznym ma bardzo duże znaczenie. Jak każdy układ tego typu wymaga odpowiedniej pewności zasilania. Biorąc pod uwagę bieżące statystki awarii, w tym tendencje rosnące w ich występowaniu oraz znaczący odsetek zdarzeń niezidentyfikowanych, pogłębione analizy techniczne tych rozwiązań oraz propozycje nowych funkcjonalności stają się wręcz koniecznością.

Literatura

1. S. Gaca, W. Suchorzewski, M. Tracz, Inżynieria ruchu drogowego. Teoria i praktyka, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2014.
2. M. Filipek, J. Cyrynger, Badanie oświetlenia, Wyd. DASL Systems, Kraków 2017.
3. P. Pracki, Systemy oceny efektywności energetycznej oświetlenia wnętrz i dróg, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012.
4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U.2007.93.623).
5. Materiały niepublikowane. Dane uzyskane od operatora energetycznego.
6. Materiały niepublikowane. Dane uzyskane z Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad Oddział w mieście X.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!