預(yù)制式光纜和電纜的選型及整合優(yōu)化

張 潔，蔡 然

（1.中國電建集團江西省電力設(shè)計院有限公司，江西 南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西 南昌 330096）

0 引言

變電站傳統(tǒng)光纜連接采用熔接方式，光纜熔接方案比較成熟，但工藝上比較復(fù)雜[1]。室外光纜需要經(jīng)過處理后在光纖熔接配線架（ODF）中與尾纜熔接，此過程需要專業(yè)人員及機器操作，受操作人員技術(shù)水平、設(shè)備質(zhì)量及環(huán)境粉塵等因素的影響，容易形成隱患。而且施工時如果正值夏季，由于光纖固有的熱脹冷縮效應(yīng)，不利于系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行[2-3]。并且熔接要求操作精細(xì)，費時費力。

變電站傳統(tǒng)電纜連接采用屏柜內(nèi)兩側(cè)均設(shè)置成端子排接線方式[4]。傳統(tǒng)光電纜連接方式存在施工周期長，施工質(zhì)量管控困難的問題。且傳統(tǒng)光電纜連接方式無法適應(yīng)變電站模塊化建設(shè)模式，無法實現(xiàn)二次設(shè)備即插即用。

為實現(xiàn)智能變電站二次設(shè)備即插即用，目前推出采用預(yù)制式光纜、預(yù)制式電纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纜熔接方式、電纜的端子排壓接方式，光纜或電纜兩端通過標(biāo)準(zhǔn)連接器相互連接實現(xiàn)雙端預(yù)制，可以避免傳統(tǒng)方案的種種缺陷。預(yù)制光纜組件無需剝線熔接、預(yù)制電纜組件無需剝線壓接，現(xiàn)場只需要簡單的接插即可連通工作，可以并行施工，縮短施工周期，組網(wǎng)靈活，非常簡便[5]。預(yù)制光纜、電纜在工廠潔凈恒溫環(huán)境中批量生產(chǎn)并經(jīng)過嚴(yán)格出廠檢驗，從生產(chǎn)速度、成品品質(zhì)上相比較現(xiàn)場作業(yè)都會有很好的保證。

預(yù)制式光纜、電纜必須預(yù)先確定光纜長度，對長度測量精確度要求較高，可以采用三維技術(shù)進(jìn)行光纜、電纜的優(yōu)化敷設(shè)，長度測量十分精確。預(yù)制式光纜、電纜連接器費用較高，但可以節(jié)約現(xiàn)場光纜熔接、電纜壓接費用，總體費用上預(yù)制式方案相較傳統(tǒng)費用稍高，但可真正實現(xiàn)變電站二次設(shè)備的即插即用，且在節(jié)約施工作業(yè)、方便運行維護(hù)上有很大的優(yōu)越性，故屏柜間光纜、電纜都可以采用雙端預(yù)制式方案。

1 預(yù)制光纜選型及連接方案

1.1 連接器選型

單芯光纖連接器每根跳纖只能承載一路光鏈路，大量單芯普通跳纖的使用將導(dǎo)致光纜通道擁擠，且每路光鏈路兩端需要插接一次，插接工作量較大。將單芯光纖連接器制成的普通跳纖用于柜內(nèi)裝置間光鏈路連接，將兩端為多個單芯連接器（ST或LC等）的多芯預(yù)制束狀分支光纜用于同一房間內(nèi)不同屏柜之間以及同一配電場地不同柜體之間4芯及以下光鏈路連接，用于配電場地時采用戶外型。

MPO連接器在多方面都具有顯著優(yōu)勢，1個MPO連接器可傳輸光鏈路容量很大，常用有4、8、12、24光鏈路，目前技術(shù)最多已達(dá)672光鏈路，可大大減少布線數(shù)量，并且損耗小、可靠性高，在數(shù)據(jù)機房、國防軍事領(lǐng)域得到認(rèn)可。因此除柜內(nèi)裝置間光鏈路連接及不同屏柜間4芯及以下光鏈路連接以外的光鏈路，都可采用MPO連接器。

1.2 光纜選型

光纜選型需考慮光纜以下性能：

1）機械性能。智能變電站主要裝置常位于場地或不同樓層，應(yīng)采用具備高強度和防護(hù)能力，輕量化、小外徑、小彎曲半徑的非金屬加強型光纜，以降低施工、維護(hù)強度，縮短工期。

2）環(huán)境性能。光纜從場地大量光纜匯集于樓內(nèi)控制室，應(yīng)采用滿足低煙無鹵、阻燃自熄、無毒環(huán)保的室內(nèi)室外通用纜，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，在災(zāi)害情況下降低對人員的危害。耐火性好，著火時能繼續(xù)工作60 min以上，保障重要數(shù)據(jù)通信與故障排查。工作溫度應(yīng)滿足室外光纜部分-40°C～+70°C，柜內(nèi)預(yù)制分支部分-20°C～+70°C。

光纜還應(yīng)具備無毒防鼠咬，長工作壽命，阻水能力強等性能?？紤]到新建站都存在鼠害問題，戶外光纜可采用雙層防鼠纖維抗壓扁阻燃光纜。雙層防鼠玻璃纖維加強元件，具備極高的抗拉伸（短時1 000 N，長時500 N）和防鼠咬性能，中心松管套和雙層LSZH護(hù)套，具備極強的抗壓扁性能（短時2 000 N/100 mm，長時1 000 N/100 mm），特別適合預(yù)制戶外光纜組件及鼠害嚴(yán)重區(qū)域使用。

戶內(nèi)光纜可采用通用的雙端MPO連接器預(yù)制分支光纜，抗拉伸短時500 N，長時150 N；抗壓扁短時1 000 N/100 mm，長時500 N/100 mm。

1.3 連接方案

可采用如圖1所示的預(yù)制光纜連接方案，柜間光纜使用兩端為MPO連接器的預(yù)制集束光纜，戶內(nèi)柜內(nèi)采用普通跳纖，戶外柜內(nèi)采用MPO尾纜，戶內(nèi)柜間4芯及以下的光鏈路連接采用兩端為多個單芯連接器的多芯預(yù)制束狀分支光纜，工程上習(xí)慣多稱為尾纜，為區(qū)別MPO尾纜，文中稱為普通尾纜。

圖1 光纜連接方案示意圖

戶內(nèi)屏柜內(nèi)裝置根據(jù)需求安裝若干MPO-LC轉(zhuǎn)接模塊，實現(xiàn)MPO與柜內(nèi)跳纖的轉(zhuǎn)接，圖2為24路MPO-LC轉(zhuǎn)接模塊，體積較一般光纖熔接配線架小得多。圖3為96口轉(zhuǎn)接容量的傳統(tǒng)光纖熔接配線架示意圖，圖4為96口轉(zhuǎn)接容量的MPO-LC轉(zhuǎn)接模塊在柜內(nèi)布置的示意圖，96口轉(zhuǎn)接容量的MPO-LC轉(zhuǎn)接模塊僅占用2U空間，96口轉(zhuǎn)接容量的傳統(tǒng)光纖熔接配線架需占用6U空間，傳統(tǒng)配線架占用柜內(nèi)空間是MPO-LC轉(zhuǎn)接模塊的3倍。

圖2 免熔接前進(jìn)前出型光纖MPO轉(zhuǎn)接模塊（轉(zhuǎn)24路LC）

圖3 傳統(tǒng)光纖熔接配線架（96口）

圖44 ×24MPO-LC轉(zhuǎn)接模塊（96口）

戶內(nèi)各屏柜MPO預(yù)制光纜通過戶內(nèi)集中接線柜匯集后與戶外光纜連接，戶內(nèi)集中接線柜上只需配置MPO適配器完成戶內(nèi)與戶外MPO預(yù)制光纜的連接，圖5為MPO適配器及支持12路MPO的適配器面板。因不同芯數(shù)MPO連接器外形尺寸及連接定位導(dǎo)引針位置相同，不同芯數(shù)MPO連接器使用的MPO適配器是一致的，MPO兩端一公一母通過通用的MPO適配器連接非常便利。單個適配器外形尺寸僅25×20×9.8 mm，12個MPO適配器構(gòu)成的MPO適配器面板外形尺寸僅144.8×53.3×70.8 mm，以2 300×700×600 mm標(biāo)準(zhǔn)機架式屏柜為例，如圖6所示，柜內(nèi)14 U高度空間內(nèi)可安裝8個MPO適配器面板，每個面板含12個MPO適配器，共96個MPO適配器，以每個MPO口為24芯為例，則可提供96×24=2 304路光鏈路連接，MPO高密度特性極大地提高了集中接線柜的容量，集中接線柜內(nèi)空間十分寬敞。

圖5 MPO適配器及面板

圖6 集中接線柜MPO適配器安裝圖

1.4 整合可靠性分析

對光纜按A、B網(wǎng)分別進(jìn)行整合，確保了A、B網(wǎng)物理上的隔離，保證了雙重化互不關(guān)聯(lián)的原則。采用了高密度MPO預(yù)制光纜與普通尾纜結(jié)合的方式，MPO預(yù)制光纜作為光鏈路的中間主干光鏈路，在光鏈路的首端和末端采用MPO轉(zhuǎn)LC模塊后，高密度多芯MPO口轉(zhuǎn)換為單芯接口的LC口，首端和末端采用跳纖或普通尾纜與二次設(shè)備連接，在某條光鏈路發(fā)生物理斷鏈時可快速選擇MPO中的備用芯，通過首末端拔插切換到備用LC口即可切換到備用芯工作，備用芯的快速切換能夠在光鏈路發(fā)生物理故障時大幅度縮短故障時間。MPO預(yù)制光纜發(fā)生小概率極端嚴(yán)重破壞時會導(dǎo)致對應(yīng)間隔A網(wǎng)或B網(wǎng)所有光鏈路都中斷，但因B網(wǎng)或A網(wǎng)仍正常運行，且MPO預(yù)制光纜的更換無需專業(yè)人員熔接，普通運行檢修人員就可完成拔插更換工作，故障修復(fù)時間很短，對整個二次系統(tǒng)的運行可靠性影響很小。因此A、B網(wǎng)在光鏈路中間段整合為分別采用一根MPO預(yù)制光纜不影響網(wǎng)絡(luò)運行可靠性，與每個設(shè)備單元單獨配置一根光纜的傳統(tǒng)方式在可靠性上差別不大。

2 預(yù)制電纜選型及連接方案

2.1 預(yù)制電纜基本特點

預(yù)制電纜大規(guī)模使用在各類電氣接線中，作用為對電路進(jìn)行連接通斷，是一種達(dá)到裝、配件之間電氣聯(lián)絡(luò)的電力部件，一般由插頭和基座構(gòu)成，經(jīng)過插頭、基座的插合和分離來進(jìn)行電路的通斷。

預(yù)制電纜的基本性能可分為三大類：即機械性能、電氣性能和環(huán)境性能[6]。

在實際應(yīng)用中，關(guān)注最多的機械性能是預(yù)制電纜的機械壽命，經(jīng)調(diào)研相關(guān)預(yù)制電纜廠家，預(yù)制電纜最小承諾的使用壽命是500次插拔，完全可以滿足使用要求。

預(yù)制電纜的主要電氣性能包括接觸電阻、絕緣電阻和抗電強度。具備阻抗低而穩(wěn)定的接觸電阻是優(yōu)良的預(yù)制電纜插件所需的必要條件?，F(xiàn)階段預(yù)制電纜各個產(chǎn)品系列，額定電壓從250 V到1 000 V不等。

常見的環(huán)境性能包括耐溫、耐濕、空調(diào)系統(tǒng)耐鹽霧、振動和沖擊等[7]。目前預(yù)制電纜接插件的最高工作溫度可為200°C，最低溫度為-65°C，抗污染等級可以達(dá)到3級。大部分廠家的預(yù)制電纜已經(jīng)通過振動和沖擊測試，并且根據(jù)安裝方式的不同有IP20、IP65、IP66、IP67、IP68、IP69K多種防護(hù)等級。在環(huán)保方面，已經(jīng)通過了RoHS認(rèn)證[8]。

2.2 電連接器類型

電連接器的種類繁多，結(jié)構(gòu)形式各不相同，但一般應(yīng)具有以下特點：a）高互換性，同一型號、品種、規(guī)格的電連接器，其插頭與基座能夠互相契合，并能夠?qū)崿F(xiàn)要求的電氣、物理等性能；b）良好的使用操作感，操控動作舒適便捷；c）防止誤插的性能；d）穩(wěn)定的緊鎖防松設(shè)施；e）高穩(wěn)定性：如絕緣電阻和耐受電壓要足夠高；f）很強的過載能力；g）高可靠性和穩(wěn)定性；h）優(yōu)良的適應(yīng)環(huán)境條件影響。

1）圓形電連接器

對于圓形連接器而言，通常有螺紋式連接、直插式連接、卡鎖連接三種方式。

（1）螺紋式連接容易接觸到，它具有加工工藝簡潔、生產(chǎn)成本低、適用范圍廣等優(yōu)點，但連接速度較緩慢不利于需多次插拔和高效率連接的場景，耐力學(xué)環(huán)境性能不佳，為避免螺紋連接在長時間較強抖動條件下的松動，通常需打力矩。

（2）直插式連接是以上連接方式中連接效率最高的一種，它可以不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，只要通過直線運動就能達(dá)成連接、分離和鎖緊的效果。因為它屬于直線推拉式連接方式，所以僅適合于總分離力不強的連接器。直插式連接器，使用的空間較小，可以實現(xiàn)高密度多個連接器的組裝[9]。

（3）卡鎖式連接具有卡鎖和多頭螺紋連接結(jié)構(gòu)；具有快速連接和分離、耐力學(xué)環(huán)境性能較高、抗電磁干擾性能好、盲插等優(yōu)點；但它具有加工工藝復(fù)雜、制造成本高、外形較大，使用范圍受限等缺點。

2）矩形電連接器

矩形電連接器的結(jié)構(gòu)組成在很大程度上與軍用低頻電連接器相類似；同樣由接觸件、殼體件、絕緣件及附件組成；只是殼體及絕緣安裝板的形狀為矩形或梯形等類似矩形的形狀。幾乎所有適用于低頻圓形電連接器的接觸件形式均適用于矩形電連接器，接觸件的端接方式也類同[10]。

矩形電連接器同樣由插頭和插座組成，通過插頭、插座的插合和分離來實現(xiàn)電路的連接和斷開，對矩形電連接器來說，主要有機柜式、螺釘鎖緊式、中心螺桿式、扣環(huán)式、二次掛鉤鎖緊式等連接方式。機柜式連接為直插式連接，是將電連接器插頭、插座分別安裝于電氣設(shè)備的機架（機箱）及單元組件上，連接時，依靠單元組件的運動實現(xiàn)連接和分離。此類電連接器無鎖緊機構(gòu)。中心螺桿式結(jié)構(gòu)是通過分別安裝在插頭、插座上的螺套和螺桿來實現(xiàn)連接器的插合和分離。其他連接方式都各有其特點，可按照實際插拔的頻次、振動強度以及重新連接的方式和速度來選用。

2.3 電纜和連接器選型

預(yù)制電纜在使用時，應(yīng)優(yōu)先選用連接可靠、使用方便、性能優(yōu)良的產(chǎn)品，并充分考慮需要傳輸信號的路數(shù)、傳輸信號的工作電壓電流、傳輸信號需要的導(dǎo)線參數(shù)、電纜參數(shù)、安裝尺寸等因素來完成預(yù)制電纜的選型。

可采用雙端預(yù)制電纜，電流、電壓互感器控制電纜兩端連接器采用六芯圓形電連接器，其中電流互感器控制電纜兩端連接器采用防開路型；開關(guān)量硬接點信號控制電纜兩端連接器采用多芯矩形電連接器，電連接器芯數(shù)根據(jù)安裝單位開關(guān)量硬接點數(shù)量不同選擇，并在預(yù)留20%備用芯的條件下選擇標(biāo)準(zhǔn)芯數(shù)產(chǎn)品。采用的電連接器防護(hù)等級根據(jù)電連接器所在戶內(nèi)戶外環(huán)境類型進(jìn)行選擇，戶外采用戶外型電連接器，具有IP68防護(hù)級；戶內(nèi)采用戶內(nèi)型電連接器，具有IP67防護(hù)級。

電流、電壓互感器控制電纜采用的專用六芯圓形電連接器，如圖7所示。電流互感器二次側(cè)開路時，會感應(yīng)很高的開路電壓，造成人身傷亡、設(shè)備損壞等事故，電流互感器控制電纜采用的六芯圓形電連接器還必須具備防開路能力。

圖7 六芯圓形電連接器

防開路電連接器插頭上存在一個防開路板，當(dāng)插頭未插入插座時，該防開路板將插頭中的全部接觸件短接在一起，同時采用絕緣套與外殼絕緣以實現(xiàn)電流防開路及耐壓要求。當(dāng)連接器插合時，在插座上的絕緣體的推壓作用下，壓簧被壓縮，防開路板產(chǎn)生相應(yīng)的位移。當(dāng)插座推進(jìn)一段距離后，防開路板開始與插頭上的插針斷開，同時插孔開始接觸插針。插頭繼續(xù)插入插座，插頭上的防開路板被插座上的絕緣體推到特定位置后，插針與插孔完全接觸，而防開路板與插針解除防開路狀態(tài)從而實現(xiàn)正常的信號傳輸。

防開路電連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，防開路板1-2將插頭中的全部接觸件短接在一起，同時采用絕緣套1-11與插頭外殼1-5絕緣以實現(xiàn)電流防開路及耐壓要求。當(dāng)連接器插合時，在插座2上的絕緣體的推壓作用下，壓簧1-4被壓縮，防開路板1-2產(chǎn)生相應(yīng)的位移。當(dāng)插頭1推進(jìn)一段距離后，防開路板1-2開始與插頭1上的插針1-1斷開，同時插孔開始接觸插針1-1。插頭1繼續(xù)插入插座2，插頭1上的防開路板1-2被插座2上的絕緣體推到特定位置后，插針1-1與插孔完全接觸，而防開路板1-2與插針1-1解除防開路狀態(tài)從而實現(xiàn)正常的信號傳輸。

圖8 防開路電連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)量硬接點信號控制電纜采用的多芯矩形電連接器如圖9所示。額定電流7 A，最大可配置50芯，額定電壓300 V，耐電壓1 000 V。

圖9 硬接點信號矩形電連接器

直流電源控制電纜采用兩芯D型大電流電源專用連接器如圖10所示。端子電鍍：鍍?nèi)?U，額定電壓：300 V，耐電壓：1 000 V，額定電流：30 A。

圖10 直流電源D型大電流連接器

交流電源采用圓形大電流電源專用連接器，單相采用兩芯式，三相采用四芯式，如圖11所示。額定工作電流為7.5~185 A可選，其中4 mm2電纜選用額定電流50 A電源連接器，10 mm2電纜選用額定電流100 A電源連接器。額定電壓500 V，耐壓1 300 V。

圖11 交流電源大電流連接器

2.4 電纜整合方案

針對典型智能變電站，場外GIS設(shè)備與前期加工的智能柜的預(yù)制電纜可區(qū)分為：開關(guān)控制和信號類2根（對應(yīng)雙套保護(hù)）、交流電源2根的電纜；每把刀閘（邊開關(guān)5把，中開關(guān)4把）的控制和信號1根、交流電源2根；電流互感器7根（中開關(guān)9根）；邊斷路器間隔總計18根預(yù)制電纜，中斷路器總計19根預(yù)制電纜。戶外配電裝置對外的電纜連接包括：電壓互感器12根；PT間隔共12根預(yù)制電纜。

場地內(nèi)配電設(shè)備與前期加工的智能柜的預(yù)制電纜可區(qū)分為：開關(guān)控制及信號電纜2根（對應(yīng)雙套保護(hù)）、交流電源2根；每把刀閘控制及信號1根、交流電源電纜2根；電流互感器2根、電壓互感器1根；線路間隔單元共25根預(yù)制電纜。

主變壓器中壓側(cè)有電壓互感器，共36根預(yù)制電纜，母聯(lián)/分段間隔無電壓互感器，4把刀閘，共18根預(yù)制電纜，纜芯定義按照線路間隔單元有關(guān)預(yù)制電纜進(jìn)行定義。

母線設(shè)備間隔戶外配電裝置對外的電纜連接包括：每把隔離開關(guān)（對應(yīng)3把刀閘）控制及信號1根、交流電源電纜2根；電壓互感器12根；PT間隔共21根預(yù)制電纜。

3 結(jié)語

文中對傳統(tǒng)熔接方案及多種預(yù)制型光纜進(jìn)行了分析比較，提出了采用高密度MPO型預(yù)制光纜作為光鏈路的中段主干光纜，光鏈路的首末端采用普通LC口跳纖或預(yù)制纜，中段與首末端的轉(zhuǎn)接采用MPO-LC接口轉(zhuǎn)接模塊的預(yù)制光纜連接方案。該方案所具有的高密度特性能夠極大地減少整個光鏈路上的空間占用，轉(zhuǎn)接模塊、適配器等連接附件的體積都較傳統(tǒng)熔接方案和普通預(yù)制光纜方案小得多。大大減少布線數(shù)量，并且損耗小、可靠性高，在數(shù)據(jù)機房、國防軍事領(lǐng)域已得到廣泛認(rèn)可，較傳統(tǒng)熔接方案和普通預(yù)制光纜方案具有顯著優(yōu)勢。

提出預(yù)制電纜根據(jù)不同信號和用途采用幾種不同類型的電連接器。對智能變電站電纜承載的用途進(jìn)行分析歸類，直流電源預(yù)制電纜采用兩針方形電源連接器；遙信硬接點信號采用矩形信號連接器；CT、PT回路預(yù)制電纜采用6芯圓形連接器，其中CT回路預(yù)制電纜連接器采用防開路型。文中優(yōu)化的預(yù)制電纜方案可通過連接器類型判斷電纜類承載信號類型，并避免了相同針數(shù)不同種類信號的誤插接，進(jìn)一步提高了預(yù)制電纜連接的質(zhì)量，加強了預(yù)制電纜連接的防呆能力。

在滿足系統(tǒng)可靠性的前提下，對光纜、電纜進(jìn)行了整合優(yōu)化，大幅減少了光纜量和光纜長度，節(jié)省了投資，縮短了安裝和調(diào)試周期[11]。在工廠聯(lián)調(diào)階段做好預(yù)制式光纜、電纜，變電站各二次系統(tǒng)分模塊設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試，到現(xiàn)場后通過優(yōu)化的方案可實現(xiàn)二次設(shè)備的光信號、電信號的快速連接，實現(xiàn)設(shè)備的即插即用[12]。