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经典案例
轨交铁路运输系统中的工业光纤
Description
铁路运输系统中的工业光纤
背景
铁路运输是一种高速、低成本、低二氧化碳排放的人员和货物运输方法。中国铁路运输作为国家的基础性设施，经过百年的曲折发展，如今已达到世界领先水平。列车可以是一个或多个机车和附加的有轨电车的组合，也可以是一个自行推进的多单元。现代列车通常是由电网供电或柴油机车提供动力。随着自动控制和监控列车运行的先进系统的出现，列车综合系统旨在为乘客和货物提供了一个平稳和安全的旅程。本应用手册为现代列车系统设计中如何保证列车动力源、推进系统和客车控制系统的可靠运行提供了一些器件级解决方案。
列车推进系统
电力和柴油驱动的列车是最常见的现代列车。 这两种列车的主要区别在于列车采用了不同的动力系统。无论是电网供电还是柴油发电机供电，从牵引电机的能量源到推进动力和车载电气系统的辅助发电的能量转换过程其实非常相似，它们通常不直接适用于牵引电机和车载电气系统，必须转换成正确的电压和频率。如图1和图2所示，功率转换过程涉及直流链路和转换器等器件。
图 1 柴油动力列车推进和辅助电力转换器
图 2 电力驱动列车推进和辅助电力转换器
塑料光纤(Plastic optical fiber 简称 POF)和硬包二氧化硅电缆(Hard Clad Silica 简称HCS)通常用作传输介质以控制功率半导体(IGBT、IGCT 和 GTO) 在转换器中的开关，为电气驱动电机和电气系统创造合适的频率和电压。光纤电缆通常用于发送 和接收监测信号，用于直流链路和转换器的电压和电流保护。
在电力驱动的列车中，电网电压必须通过变压器降至较低的电压，断路器能在电力系统发生故障时保护电网和列车。在列车中央计算机和控制单元，控制单元和转换器之间这样传输距离较远的情况，通常会使用玻璃光纤，因为电力子系统和电力变换器工作在高电压和高电流下，所以它们的控制和通信线路必须是电隔离且不受变换器产生的电磁场影响。光纤技术的采用就是为了实现较远的传输距离和较好的隔离和抗电磁干扰能力。
在控制板和转换器之间传输距离较短的情况下，采用塑料光纤POF或硬包二氧化硅电缆HCS进行传输，如表1所示，北亿纤通的650nm系列产品DC-5MBd或DC-10MBd速率的光纤发射器和接收器为此类应用场景提供了最有效，最可靠且最经济的解决方案。
表 1 北亿纤通用于列车推进、控制和监控系统的光纤收发器
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产品型号 |
产品说明 |
支持速率 |
传输距离 |
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FT-1521ETZ |
650nm发射 |
DC-5MBd |
80m(POF) |
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FT-2521ETZ |
650nm接收 |
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FT-1521CZ |
650nm发射 |
DC-5MBd |
110m(POF) |
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FT-2521CZ |
650nm接收 |
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FT-1528Z |
650nm发射 |
DC-10MBd |
53m(POF) |
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FT-2528Z |
650nm接收 |
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FT-1528CZ |
650nm发射 |
DC-10MBd |
110m(POF) |
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FT-2528CZ |
650nm接收 |
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FT-1629Z |
650nm发射 |
DC-50MBd |
50m(POF) |
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FT-2529Z |
650nm接收 |
列车通信系统
在过去，列车中使用了许多专有的通信系统， 这些系统之间不能互相通信，因此 IEC 61375列车通信网络(Train Communication Network 简 称 TCN) 标准应运而生，对列车的通信体系结构和协议进行统一定义。TCN 对有线列车总线(Wire Train Bus 简称WTB)和多功能车辆总线(Multifunction Vehicles Bus 简称MVB)进行了定义，其中WTB是连接车辆的总线，而MVB是连接车辆或车辆组中的设备总线。MVB 可以通过三种媒体类型运行： RS-485 短 距离、距离达200米的变压器耦合双绞线对和传输距离达2公里的光学玻璃光纤。在本应用中，我们只讨论使用光学玻璃纤维的MVB, 它通常用于恶劣和高电磁干扰的环境中。
由于光学玻璃纤维和POF对机车环境中的电气噪声具有较高的抗干扰性，因此通常是机车中传输首选的介质。光纤的作用是将控制器连接到设备和子系统，如电力电子、电机控制器、制动器和无线电。图3显示了机车中MVB 的一般布局。
如图4所示，MVB 还可以连接车厢内的设备来控制灯光、车门、空调和乘客显示器。为了提高网络的可用性，MVB 还有一条额外备份的线路，设备在两条线路上传输。如果其中一条线路出现故障，另一条线路还可以进行通信。
当使用光纤实现MVB 时，需使用星形耦合器来确保信号质量，以便在一条总线上连接多达4095个设备，如图5所示。 MVB数据速率固定为1.5Mbps。北亿纤通的 FTBR-1412Z 发射器和FTBR-2412Z接收器可以完全适用于该场景。
电网动力列车用变频器
电网电力是频率为50Hz 或 60Hz 三相交流电， 这种电力不适合于直接为列车供电，因为列车供电电压通常要求低于电网线路电压，且频率为16.7Hz或 25Hz。因此来自电网线路的电力必须转换成合适的电压和频率，由此就需要使用电源转换器、变压器、断路器等设备。
图6所示是一个静态变频器的概念图，由于该设备在高压和中压环境下运行，所以控制器和设备之间的电隔离是必须的。为此北亿纤通为该应用场景提供了完整的光纤产品组合，如表2所示，以满足短链路和中长链路距离的需求，产品通过POF和多模玻璃光纤电缆进行传输和接收数据。
表2北亿纤通用于发电和配电的光纤产品
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产品型号 |
产品说明 |
支持速率 |
传输距离 |
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FT-1521ETZ |
650nm发射 |
DC-5MBd |
80m(POF) |
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FT-2521ETZ |
650nm接收 |
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FT-1521CZ |
650nm发射 |
DC-5MBd |
110m(POF) |
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FT-2521CZ |
650nm接收 |
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FT-1528Z |
650nm发射 |
DC-10MBd |
53m(POF) |
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FT-2528Z |
650nm接收 |
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FT-1528CZ |
650nm发射 |
DC-10MBd |
110m(POF) |
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FT-2528CZ |
650nm接收 |
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FT-1629Z |
650nm发射 |
DC-50MBd |
50m(POF) |
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FT-2529Z |
650nm接收 |
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FTBR-1414TZ |
850nm发射 |
DC-50MBd |
2000m(MM) |
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FTBR-2418TZ |
850nm接收 |
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FTBR-1413TZ |
850nm发射 |
155MBd |
1000m(MM) |
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FTBR-2416TZ |
850nm接收 |
牵引功率和电网电能质量
在电网供电的列车中，为列车的交流电源线供电的单相电力来自三相交流电网线路，这会在电网中造成不平衡，所以必须加以补偿。静态无功补偿(Static Var Compensation 简称SVC) 是平衡和恢复电网电能质量的常用方法之一。SVC利用晶闸管开关电容器(TSCs)和晶闸管控制电抗器(TCR)来补偿不平衡负载，如图7所示。TSC 和 TCR 在高电压和高电流下工作和开关，将产生非常高的电磁场，容易诱发电噪声进入附近的铜线。光纤电缆具有较好的抗电磁场特性，因此成为SVC系统中向设备发送控制信号的最佳介质。
表3北亿纤通用于静态无功补偿的光纤产品
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产品型号 |
产品说明 |
支持速率 |
传输距离 |
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FT-1521ETZ |
650nm发射 |
DC-5MBd |
80m(POF) |
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FT-2521ETZ |
650nm接收 |
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FT-1521CZ |
650nm发射 |
DC-5MBd |
110m(POF) |
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FT-2521CZ |
650nm接收 |
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FT-1528Z |
650nm发射 |
DC-10MBd |
53m(POF) |
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FT-2528Z |
650nm接收 |
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FT-1528CZ |
650nm发射 |
DC-10MBd |
110m(POF) |
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FT-2528CZ |
650nm接收 |
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FT-1629Z |
650nm发射 |
DC-50MBd |
50m(POF) |
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FT-2529Z |
650nm接收 |
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FTBR-1414TZ |
850nm发射 |
DC-50MBd |
2000m(MM) |
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FTBR-2418TZ |
850nm接收 |
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FTBR-1413TZ |
850nm发射 |
155MBd |
1000m(MM) |
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FTBR-2416TZ |
850nm接收 |
结论
近年来，随着中国铁路运输技术的蓬勃发展， 保证列车平稳可靠的运行是铁路运输的第一要务。北亿纤通提供了一套适用于中长链路传输的多模光纤收发器和适用于短链路传输的塑料光纤收发器解决方案，可应用于最先进的机车、列车的各种应用场景，为客户提供最可靠有效且最经济的解决方案。
北亿纤通 | F-tone Networks
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