变电站预制光缆及其免熔接光纤配线模块化标准化研究

2019-05-08

计算机测量与控制 2019年4期

(1.重庆理工大学,重庆 400054; 2.上海思方电气技术有限公司，上海 200122；3.国网经济技术研究院有限公司，北京 102209; 4.中国能源建设集团山西电力勘测设计院，太原 030001)

0 引言

国家电网公司自2017年起全面推进110(66)kV智能变电站模块化建设，同时实施220 kV智能变电站模块化建设[1]。按照“标准化设计、工厂化加工、模块化建设”原则[2]，其特征之一是二次回路由SCD文件描述的“虚回路”和由物理光纤连接构成的“实回路”共同组成[3-4]，二次系统物理回路要求采用“即插即用”预制光缆连接，摒弃了传统的光缆与ODF光配箱现场熔接方法在消除繁冗熔接工作量的同时，又降低光路损耗，提高了系统通信可靠性。预制光缆应采用标准化设计，以满足通用性、互换性及“即插即用”要求[5]。

常规多芯预制光缆是基于单芯光纤连接器工作原理，将陶瓷插针与陶瓷套筒多对平行安装于圆形或矩形防护外壳内，分别作多个单芯光纤预制。预制芯数越多时，各通道的陶瓷插针与套筒的对准和光纤端面连接就越难、陶瓷插针折断的风险也就越高、预制防护外壳的外形尺寸相应越大。因此早期户外多芯预制光缆以2芯和4芯(ODC)居多，难以满足智能变电站物理连接达24芯甚至更多芯数的要求。2014年国家电网公司颁布了《智能变电站预制光缆技术规范》，该规范多芯连接器型预制光缆基于《耐环境快速分离高密度小圆形电连接器总规范》[6](GJB599A-1993)，等同于MIL-DTL-38999标准，是将单芯光纤陶瓷插针替代电接插针安装于电连接器内以实现多芯光纤的预制型式。其实质是采用符合军标防护外壳的一种常规多芯预制光缆。如应用到智能变电站物理回路连接时，由于不同芯数的预制光缆防护外壳径向尺寸不同，导致接口无法统一，尤其是12芯以上预制光缆外壳的直径很大，使得匹配的免熔接光配箱在接口外形和尺寸等方面难以实现通用性、互换性和标准化、规范化要求；另外，多芯预制防护外壳的尾夹过长并在屏柜内占用较大纵深空间，也使得常规多芯预制光缆在屏柜内的弯曲半径变得较大、占用较多的柜内空间。与此同时，常规多芯预制光缆光纤连接器的光纤端面易污染、易损伤且难以修复等可靠性问题[7-8]及MIL-38999标准系列多芯预制光缆理论上不支持单模光纤传输[9]的技术问题也使得常规多芯预制光缆难以保证智能变电站采用单模和多模传输及互换性、通用性要求，并影响后期改扩建和日常运行维护。鉴于变电站长期安全稳定运行所具有的重要意义[10-11]，综上所述，提出研究一种基于多芯多排光纤插拔连接器构建高密度预制光缆技术SPM(Standard Prefabricated MPO/MTP)及其免熔接光纤配线标准化模块化MR(Modular)系统，统一智能变电站预制光缆接口标准，以实现二次物理回路高密度、小型化、低损耗、易维护、接口统一、精准定位、可盲插快速连接，匹配具有兼容性的免熔接光纤配线模块系统，达到智能变电站二次物理连接通用性、互换性、模块化、标准化的“即插即用”要求。

1 高密度预制光缆SPM损耗分析

高密度预制光缆SPM由预制防护外壳(分为插头防护外壳和适配器防护外壳)、多芯多排光纤插拔连接器、光缆等组成，预制阴插头和预制阳插头分别盲插连接适配器两端接口即可实现多芯多排光链路“即插即用”。高密度光纤活动连接器是一种多芯多排插拔式连接器(简称MPO或MTP)，其特征是由一个标称直径为6.4 mm×2.5 mm矩形插芯体，利用其端面上左右两个φ0.7 mm直径的导针孔与导针进行定位对接，对接时由一个装在插芯体尾部的弹簧对插芯体施加一轴向压力，直至带导针孔的阴插头和带导针的阳插头的外框套分别跟适配器锁紧形成对接。

影响高密度光纤活动连接器链路损耗的主要因素有输出光纤端面与输入光纤端面之间纤芯直径失配、横向错位、角度倾斜3个方面。下面具体分析这些因素对链路损耗的影响，在分析计算某一因素的影响时，假设不存在其它因素的影响。

1.1 端面纤芯直径失配对连接损耗的影响

单模光纤直径失配时连接损耗Ca[12]如下公式:

求得：

(1)

式中,ω1和ω1分别为输入光纤和输出光纤的高斯束的宽度系数，由式(1)可见，在单模光纤时，只要直径失配，都会产生损耗。

多模光纤连接损耗采用光功率稳态分布条件下的损耗计算公式：

(2)

式中,a1和a2分别为输入光纤芯径和输出光纤芯径，当输入光纤芯径小于输出光纤芯径时损耗则小，反之则大。

在a1-a2<1.5 μm时，无论是单模光纤还是多模光纤，连接损耗的增加均较平缓。

在a1-a2>1.5 μm时，多模光纤连接损耗仍是缓慢增加，但单模光纤连接损耗将会激增。

由此可见，输入光纤和输出光纤选择相同规格的光纤且芯径允差控制在1.5 μm以内时对高密度光纤插拔连接器的连接损耗影响最小。

1.2 端面纤芯错位对连接损耗的影响

高密度光纤插拔连接器链接时，假设输出光纤端面各纤芯与输入光纤端面各纤芯的芯径相同，存在横向错位情形和纵向错位情形如图1所示。

图1 错位情形示意图

单模纤芯错位时的链接损耗Cd可由下列公式计算可得：

(3)

式中,Kd为单模纤芯错位损耗系数，对于已知单模光纤其Kd是定值，d为横向或纵向错位时的偏移量，a为光纤芯径。

多模纤芯错位时的链接损耗采用光功率稳态分布条件下得损耗公式求得：

(4)

当偏移量d变化时，利用基于光束传播法的BPM软件对光纤连接处光场进行仿真分析计算可得到单模光纤连接的传输效率与偏移量d的关系曲线，如图6所示。

在d<0.75 μm时，无论是单模光纤还是多模光纤，连接损耗的增加均较平缓；

在d>0.75 μm时，单模光纤连接损耗将会激增，而多模光纤连接损耗仍缓慢地增加。

1.3 端面纤芯角度倾斜对连接损耗的影响

高密度光纤插拔连接器链接时假设阴插头端面与阳插头端面上的纤芯倾角为α。

单模光纤角度倾斜时的损耗可由下式推导：

(5)

式中,Kα为端面角度倾斜损耗系数，对于已知的单模光纤其Kα、Δ是定值。

多模光纤连接损耗采用光功率稳态分布条件下的损耗公式：

(6)

当纤芯倾角α增加时，单模光纤或多模光纤，连接损耗都将随着α2/(逐渐增加，而且倾角对单模光纤连接损耗的影响比多模光纤连接损耗的影响要大得多。端面倾角控制在α<0.4°以内时，无论单模光纤或多模光纤连接均可获得小于0.1 dB低损耗。

1.4 斜面连接对回波损耗的影响

单模光纤斜面连接时存在轴向间隙和径向偏移，其连接界面处的菲涅尔反射光以2θ角返回，斜面连接的功率反射系数[13]：

(7)

其中:R0为平面连接时菲涅尔反射系数。如图2(ω=5 μm，n2=1.46)所示是不同端面倾角与回波损耗的理论曲线[14]。光纤自身的瑞利散射在65 dB左右，选择端面倾角8°的斜面连接能足以满足系统应用要求。

图2 端面倾角与回波损耗理论曲线

2 高密度预制光缆SPM实现路径

高密度预制光缆SPM“即插即用”是基于阴、阳插头分别与适配器接口快速连接锁紧的同时，实现阴插头导针孔与阳插头PIN导针精准定位，并使得这对阴、阳插头的插芯体端面最终处于弹性接触状态形成光传输链路。因此，阴、阳插头分别与适配器的连接精准度和导针孔与导针的定位精准度，是确保阴、阳插头的插芯体端面接触状态，并最终影响预制光缆传输质量的关键技术。

下面具体分析标准高密度预制光缆SPM的实现路径。

2.1 阴、阳插头与适配器“盲插”连接

为确保阴、阳插头精准对接，采用阴、阳插头防护壳体外圆“主键+辅键”和适配器内孔“T字槽导向芯”相结合的盲插技术来实现。适配器两端的接口内孔各设置一个主键槽且处于同一基准位置，主键槽(槽宽H+A/4)左右两侧各设计若干辅键槽(槽宽h+A/4)并与主键槽形成夹角γ1、γx和β1、βy，适配器两端接口孔内的辅键槽夹角为同方向。

阴、阳插头防护壳体外圆上的主键(键宽HA/4)h和主键左右两侧各设计的若干辅键(键宽hA/4)与主键形成的夹角保持同适配器内键槽数相同、夹角一致且均为γ1、γx和β1、βy但方向相反，x和y可以是零或自然数。

当阴、阳插头防护壳体与适配器匹配连接，只有当主键对准主键槽，相应辅键才能对准辅键槽时，才能实现“盲插”连接。不同的适配器可与其匹配的阴、阳插头防护壳体通过调整任意一个γ1、γx或β1、βy夹角或调整x和y，可在实现“盲插”的同时确保防误插连接。

适配器内部的“T字槽导向芯”底部和阴、阳插头防护壳体的“导向T字槽”底部始终对准主键槽或主键位并处于相同基准中心线，这样可以保证阴、阳插头防护壳体“主键+辅键”对准并插入适配器“主键槽+辅键槽”时自始至终引导高密度光纤活动连接器阴、阳插头矩形插芯体KEY键准确无误地进入适配器“T字槽导向芯”内完成PIN导针与导针孔二次“盲插”连接。