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光纤数字通信的直流双边联跳保护方案

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2020年4月19日
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摘 要 介绍北京地铁亦庄线在国内轨道交通工程中首次应用的基于光纤数字通信的直流双边联跳保护方案。阐述方案的回路构成、联跳动作原理，分析方案设计过程中需要重点考虑的环节，并提出具体要求。与传统电缆传输信号的直流双边联跳方案进行综合经济技术比较，表明新方案具有良好的抗干扰性能、数据传输可靠性高，能够适用于任何工程环境。 关键词 城市轨道交通 光纤 数字通信 直流 双边联跳 北京地铁亦庄线 1 研究背景 城市轨道交通直流牵引供电系统一般采用双边供电，即正常运行时由相邻两个牵引变电所各馈出一路直流电源，为同一区间的牵引网供电。在这种供电方式下，当区间发生故障时，需要将相邻两个牵引变电所的相应直流馈线断路器断开，才能彻底隔离故障。可是，依靠直流馈线断路器配置的电流保护不能完全实现这一功能，主要问题有: 1) 当直流馈线保护装置故障时，近端短路( 短路电流较大) 可由断路器本体大电流脱扣保护动作，切除故障; 而远端短路时，由于短路电流较小，往往达不到大电流脱扣保护定值，故障无法切除。 2) 对于某些长大区间，特别是在越区供电方式下，当远端发生短路时，馈线断路器的电流保护可能无法动作。 鉴于此，工程设计中采用在相邻牵引所直流馈线断路器间设置“双边联跳保护”来解决以上问题。 根据联跳信号传输模式的不同，双边联跳方案可分为模拟信号传输和数字信号传输两种; 而根据传输介质的不同，双边联跳设计方案又可分为电缆方案和光纤方案两种。考虑到基于光纤数字通信的直流双边联跳方案( 以下简称“光纤双边联跳方案”) 在越区供电时切换比较困难，国内轨道交通工程中普遍采用了电缆方案。北京地铁亦庄线在国内首次采用了光纤双边联跳方案，更是在国内外首次将越区供电时的切换回路应用于实际工程。笔者作为主要设计人员，全程参加了该方案的设计，特撰文对此方案进行介绍。 2 方案原理 2． 1 回路构成 光纤双边联跳方案构成如图 1 所示，主要包含联跳信号发送回路、联跳信号接收回路、联跳信号传输回路以及联跳信号切换回路。以相邻牵引变电所 TS1、TS2的馈线柜 D3、D1之间的双边联跳回路为例，继电器 － K11/ － K12、－ K13/ － K14为联跳信号发送回路，继电器 － K21/ － K22为联跳信号接收回路，2 台光耦模块( EES) 、所间光缆以及继电器 － K3/ － K4/ － K7/ － K8构成联跳信号传输回路，其中光耦模块实现光电信号的互相转换，能够接收外部输入的硬接点信号，同时也能够输出硬接点信号驱动出口继电器。另外，同一所内的 2 台光耦模块和继电器 － K3/ － K4/ － K7/ － K8构成联跳信号切换回路，用于越区供电时的联跳回路切换。 2． 2 联跳动作原理 以图 1 所示的接线图为例，阐述光纤双边联跳动作原理。

2． 2． 1 正常双边运行 如图 1 所示，正常运行时牵引变电所 TS1的直流馈线 D3和牵引变电所 TS2的直流馈线 D1对同一区间牵引网进行双边供电，此时越区隔离开关处于分位，其常闭触点 － K94( 11、12，21、22) 处于闭合状态。若此时在该区间靠近 TS1处发生短路，则 D3柜内的微机综保装置首先动作跳开本柜的直流断路器，同时发出信号使触点 － K50闭合，继电器 － K11得电，其常开辅助触点。( 11、14) 闭合; EES2接收到输入联跳信号后，将该信号进行 A/D 转换，然后按照既定的协议格式对数据进行封装，最后转换成光信号发到 TS2站的 EES1。 当 TS2站的 EES1接到 TS1站发来的联跳信号后，首先对数据进行读取还原，再根据该联跳信号的性质( 启动线路测试) 启动 A1出口，继电器 － K3得电，其常开接点( 11、14) 闭合，联跳接收继电器 － K22得电，其常闭接点( 11、12) 断开，D1柜断路器保持( 采用磁保持断路器时需使用常开接点) 回路失电，断路器分闸。为提高双边联跳保护跳闸的可靠性，并采集断路器跳闸相关信息，工程中一般取 － K22常开接点一对( 如 21、24)输入微机综保装置，由其出口对 D1柜的断路器进行再次分闸，同时向 SCADA 系统上传“邻所联跳”信号或“断路器被邻所联跳”信号。 2． 2． 2 越区运行 当牵引所 TS2解列、由牵引所 TS1与 TS3( 图 1 中未示) 经越区电动隔离开关进行双边供电时，牵引所TS2的越区隔离开关处于合位，其常闭触点 － K94( 31、32，41、42) 处于断开状态，常开触点 － K94( 21、24，51、54) 处于闭合状态。 此时，在区间靠近 TS1处发生短路，联跳信号从牵引所 TS1发送到牵引 TS2的过程与正常运行时相同。不同的是: 在牵引所 TS2内，当 EES1接收到联跳信号后，由于常闭触点 － K94( 41、42) 处于断开状态，联跳接收继电器 － K22无法得电，本站不会接收到联跳信号;而由于 － K94的常开触点( 21、24) 处于闭合状态，当继电器 － K3得电后，其常开触点( 21、24) 闭合，将来自TS1的联跳信号输入到 EES2，经 EES2处理后发送至牵引所 TS3的 EES1，完成越区供电时双边联跳回路的切换。联跳信号发送至 TS3站内的 EES1后的动作原理与 TS2站内相同，此处不再赘述。 3 方案设计要点 3． 1 联跳信号的区分 直流牵引供电系统的电气故障一般可分为临时性故障和永久性故障两类。对于牵引网系统可能发生的临时性故障，当故障切除后，能够利用微机保护装置的自动重合功能进行重合，如合闸成功，即可快速地恢复供电，缩短故障所引起的停电时间; 对于变电所内以及直流电缆等发生的故障，多为永久性故障，此时如启动重合闸功能，将会把电源再次合闸到故障点上，形成对直流设备的大电流冲击，影响设备的使用寿命，因此工程中对此类故障一般不要求启动重合闸。 在直流双边联跳设计方案中，当被联跳站接收到联跳信号后，需要对联跳信号的性质进行区分，以确定是否启动带线路测试的重合闸功能。在光纤双边联跳方案中，对于联跳信号发送回路和联跳信号接收回路，均根据联跳信号性质，分别设置了独立的继电器和辅助触点，如图 1 中的( － K50/ － K11、－ K0/ － K12) 和( － K3/ － K22、－ K4/ － K21) 等。这样能够很好地区分不同性质的联跳信号: 当馈线断路器本体大电流脱扣保护、速断保护、过流保护、di/dt + ΔI、热过负荷保护、低电压保护中出现任一种或几种保护动作时，馈线柜内保护装置出口驱动 － K50闭合，发出启动线路测试的联跳信号; 当变电所内直流正母线对设备壳体发生框架泄漏时，框架泄漏保护继电器启动，驱动 － K0闭合，发出不启动线路测试的联跳信号。 3． 2 光耦模块设计 光耦模块( EES) 是光纤双边联跳方案的关键，其配置方案有两种，均能够满足工程需要。第一种为每回馈线配置 1 台 EES，负责该馈线联跳信号的接收和发送，每牵引所共需配置 4 台; 第二种为左侧上下行馈线配置1 台 EES，负责左侧2 条馈线联跳信号的接收和发送，右侧上下行馈线配置 1 台 EES，负责右侧 2 条馈线联跳信号的接收和发送，每牵引所共配置 2 台 EES。相比较而言，前一种方案当单台 EES 故障时，影响范围小，但投资相对较高; 后一种方案当单台 EES 故障时，影响范围大，但投资相对较低。 为保证光耦模块在变电所强电磁环境下可靠工作，不误发信号，装置需经过相关标准规定的电磁兼容试验，详细要求参照表 1，具体工程中可视情况适当调整。 为防止光耦模块故障或光纤回路断线导致保护拒动，光耦模块自身故障或工作电源丢失时可经过自身带的硬接点发出报警信号; 光耦模块对光纤回路进行实时监测，当光纤回路断线或通信不畅时，可发出“联跳回路故障”信号。以上信号可接入变电所综合自动化系统，并上传至控制中心电力调度系统及复示系统。

3． 3 对越区隔离开关辅助触点的要求 当直流牵引供电系统进行越区双边供电时，双边联跳保护跳闸的直流馈线对应关系需进行切换，该功能一般经过越区隔离开关的辅助触点实现( 辅助触点－ K94) 。从图 1 中能够看到，辅助触点的数量需要“2常开 + 4 常闭”，加上越区隔离开关向 SCADA 系统上传位置信号、就地显示开关位置状态，以及闭锁邻所越区隔离开关操作等需要的辅助触点，其辅助触点数量按“8 常开 +8 常闭”设置是必要的。 在实际工程中，有些电动隔离开关供货商提供的产品无法满足“8 常开 + 8 常闭”的要求。为满足工程需要，需采用中间继电器对辅助触点进行扩展。当中间继电器电源失电时，就无法正确反映越区隔离开关的状态，造成双边联跳回路无法正确切换，给工程带来安全隐患，因此在设计中应该加以避免。 3． 4 对辅助电源回路的要求 在工程中，光耦模块一般集中安装在联跳柜内，或分散安装在各直流馈线柜内，从工程实施方便的角度来看，其工作电源直接从开关柜内辅助电源引出即可。可是，当变电所直流设备故障进行检修时，为保证检修人员安全，需要切断柜内辅助电源，此时可能导致光耦模块失电，使系统丧失双边联跳保护功能; 而直流设备故障时，系统往往运行于越区供电方式，此时是最需要双边联跳保护的时候。为避免此类情况发生，建议光耦模块从所用直流屏引独立工作电源; 光耦模块安装时与其它元器件之间采取防护措施，以保证检修人员不会触及光耦模块的辅助电源; 在上网隔离开关采用柜式安装且设置在变电所内时，也可考虑将光耦模块安装于隔离开关柜内，并为隔离开关柜设计独立于直流开关柜的辅助电源。 4 与电缆联跳方案的比较 电缆联跳方案分为控制电缆和通信电缆两种。对于控制电缆方案，一般又有开量和闭量两种方案。开量方案在正常情况下联跳回路是闭合的，当有联跳信号时回路断开，因此当联跳回路出现断线或接触不良时，可能出现误动作; 闭量方案正好相反，正常情况下联跳回路是断开的，当有联跳信号时回路闭合，因此当出现回路断线或接触不良时，保护装置可能拒动。对于回路断线或接触不良的实时监测，当前还没有很好的解决方案，故而控制电缆方案对误动或拒动问题不能很好地解决。通信电缆方案能够避免上述控制电缆方案的弊端，当通信回路不畅时，可由通信模块发出报警信号，可是采用低电平的通信回路，当通信电缆经过强磁场环境或通信电缆较长时，容易受到电磁干扰，导致保护误动。 与电缆方案比较，光纤双边联跳方案的最大优点在于抗干扰性能好，对不同工程环境均有很强的适应性; 能够对联跳回路进行实时监测，防止由于传输回路断线等造成的保护拒动现象。另外，当区间距离较长时，电缆方案需详细校核联跳接收继电器与联跳传输回路的匹配性，而光缆方案则不用考虑。当然，光纤双边联跳方案的缺点也是非常突出的，即切换回路复杂，对光耦模块的依赖性很强，无法经过越区隔离开关的辅助触点直接进行联跳回路切换。从工程投资上来看，当前光缆价格与电缆价格相差不大，可是光耦模块现阶段的成本较高，导致光纤双边联跳方案在工程投资上较电缆方案要高。3 种方案的综合经济技术比较见表2。

5 结语 直流双边联跳保护是直流牵引供电系统中的重要保护类型之一，除能够作为其它保护的后备外，还能够很好地防止在越区供电时可能产生的保护死区。采用电缆传输信号的双边联跳方案，会受到信号传输距离、电缆敷设环境等因素的限制，在一些工程中可能并不适用;采用基于光纤数字通信的直流双边联跳保护方案，则为广大轨道交通电气设计工程师们提供了另一种选择。在具体工程中，能够根据实际情况，择优选择合适的方案。