预制式光缆和电缆的选型及整合优化

张 洁，蔡 然

（1.中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司检修分公司，江西 南昌 330096）

0 引言

变电站传统光缆连接采用熔接方式，光缆熔接方案比较成熟，但工艺上比较复杂[1]。室外光缆需要经过处理后在光纤熔接配线架（ODF）中与尾缆熔接，此过程需要专业人员及机器操作，受操作人员技术水平、设备质量及环境粉尘等因素的影响，容易形成隐患。而且施工时如果正值夏季，由于光纤固有的热胀冷缩效应，不利于系统的长期稳定运行[2-3]。并且熔接要求操作精细，费时费力。

变电站传统电缆连接采用屏柜内两侧均设置成端子排接线方式[4]。传统光电缆连接方式存在施工周期长，施工质量管控困难的问题。且传统光电缆连接方式无法适应变电站模块化建设模式，无法实现二次设备即插即用。

为实现智能变电站二次设备即插即用，目前推出采用预制式光缆、预制式电缆代替传统光缆熔接方式、电缆的端子排压接方式，光缆或电缆两端通过标准连接器相互连接实现双端预制，可以避免传统方案的种种缺陷。预制光缆组件无需剥线熔接、预制电缆组件无需剥线压接，现场只需要简单的接插即可连通工作，可以并行施工，缩短施工周期，组网灵活，非常简便[5]。预制光缆、电缆在工厂洁净恒温环境中批量生产并经过严格出厂检验，从生产速度、成品品质上相比较现场作业都会有很好的保证。

预制式光缆、电缆必须预先确定光缆长度，对长度测量精确度要求较高，可以采用三维技术进行光缆、电缆的优化敷设，长度测量十分精确。预制式光缆、电缆连接器费用较高，但可以节约现场光缆熔接、电缆压接费用，总体费用上预制式方案相较传统费用稍高，但可真正实现变电站二次设备的即插即用，且在节约施工作业、方便运行维护上有很大的优越性，故屏柜间光缆、电缆都可以采用双端预制式方案。

1 预制光缆选型及连接方案

1.1 连接器选型

单芯光纤连接器每根跳纤只能承载一路光链路，大量单芯普通跳纤的使用将导致光缆通道拥挤，且每路光链路两端需要插接一次，插接工作量较大。将单芯光纤连接器制成的普通跳纤用于柜内装置间光链路连接，将两端为多个单芯连接器（ST或LC等）的多芯预制束状分支光缆用于同一房间内不同屏柜之间以及同一配电场地不同柜体之间4芯及以下光链路连接，用于配电场地时采用户外型。

MPO连接器在多方面都具有显著优势，1个MPO连接器可传输光链路容量很大，常用有4、8、12、24光链路，目前技术最多已达672光链路，可大大减少布线数量，并且损耗小、可靠性高，在数据机房、国防军事领域得到认可。因此除柜内装置间光链路连接及不同屏柜间4芯及以下光链路连接以外的光链路，都可采用MPO连接器。

1.2 光缆选型

光缆选型需考虑光缆以下性能：

1）机械性能。智能变电站主要装置常位于场地或不同楼层，应采用具备高强度和防护能力，轻量化、小外径、小弯曲半径的非金属加强型光缆，以降低施工、维护强度，缩短工期。

2）环境性能。光缆从场地大量光缆汇集于楼内控制室，应采用满足低烟无卤、阻燃自熄、无毒环保的室内室外通用缆，符合RoHS标准，在灾害情况下降低对人员的危害。耐火性好，着火时能继续工作60 min以上，保障重要数据通信与故障排查。工作温度应满足室外光缆部分-40°C～+70°C，柜内预制分支部分-20°C～+70°C。

光缆还应具备无毒防鼠咬，长工作寿命，阻水能力强等性能。考虑到新建站都存在鼠害问题，户外光缆可采用双层防鼠纤维抗压扁阻燃光缆。双层防鼠玻璃纤维加强元件，具备极高的抗拉伸（短时1 000 N，长时500 N）和防鼠咬性能，中心松管套和双层LSZH护套，具备极强的抗压扁性能（短时2 000 N/100 mm，长时1 000 N/100 mm），特别适合预制户外光缆组件及鼠害严重区域使用。

户内光缆可采用通用的双端MPO连接器预制分支光缆，抗拉伸短时500 N，长时150 N；抗压扁短时1 000 N/100 mm，长时500 N/100 mm。

1.3 连接方案

可采用如图1所示的预制光缆连接方案，柜间光缆使用两端为MPO连接器的预制集束光缆，户内柜内采用普通跳纤，户外柜内采用MPO尾缆，户内柜间4芯及以下的光链路连接采用两端为多个单芯连接器的多芯预制束状分支光缆，工程上习惯多称为尾缆，为区别MPO尾缆，文中称为普通尾缆。

图1 光缆连接方案示意图

户内屏柜内装置根据需求安装若干MPO-LC转接模块，实现MPO与柜内跳纤的转接，图2为24路MPO-LC转接模块，体积较一般光纤熔接配线架小得多。图3为96口转接容量的传统光纤熔接配线架示意图，图4为96口转接容量的MPO-LC转接模块在柜内布置的示意图，96口转接容量的MPO-LC转接模块仅占用2U空间，96口转接容量的传统光纤熔接配线架需占用6U空间，传统配线架占用柜内空间是MPO-LC转接模块的3倍。

图2 免熔接前进前出型光纤MPO转接模块（转24路LC）

图3 传统光纤熔接配线架（96口）

图44 ×24MPO-LC转接模块（96口）

户内各屏柜MPO预制光缆通过户内集中接线柜汇集后与户外光缆连接，户内集中接线柜上只需配置MPO适配器完成户内与户外MPO预制光缆的连接，图5为MPO适配器及支持12路MPO的适配器面板。因不同芯数MPO连接器外形尺寸及连接定位导引针位置相同，不同芯数MPO连接器使用的MPO适配器是一致的，MPO两端一公一母通过通用的MPO适配器连接非常便利。单个适配器外形尺寸仅25×20×9.8 mm，12个MPO适配器构成的MPO适配器面板外形尺寸仅144.8×53.3×70.8 mm，以2 300×700×600 mm标准机架式屏柜为例，如图6所示，柜内14 U高度空间内可安装8个MPO适配器面板，每个面板含12个MPO适配器，共96个MPO适配器，以每个MPO口为24芯为例，则可提供96×24=2 304路光链路连接，MPO高密度特性极大地提高了集中接线柜的容量，集中接线柜内空间十分宽敞。

图5 MPO适配器及面板

图6 集中接线柜MPO适配器安装图

1.4 整合可靠性分析

对光缆按A、B网分别进行整合，确保了A、B网物理上的隔离，保证了双重化互不关联的原则。采用了高密度MPO预制光缆与普通尾缆结合的方式，MPO预制光缆作为光链路的中间主干光链路，在光链路的首端和末端采用MPO转LC模块后，高密度多芯MPO口转换为单芯接口的LC口，首端和末端采用跳纤或普通尾缆与二次设备连接，在某条光链路发生物理断链时可快速选择MPO中的备用芯，通过首末端拔插切换到备用LC口即可切换到备用芯工作，备用芯的快速切换能够在光链路发生物理故障时大幅度缩短故障时间。MPO预制光缆发生小概率极端严重破坏时会导致对应间隔A网或B网所有光链路都中断，但因B网或A网仍正常运行，且MPO预制光缆的更换无需专业人员熔接，普通运行检修人员就可完成拔插更换工作，故障修复时间很短，对整个二次系统的运行可靠性影响很小。因此A、B网在光链路中间段整合为分别采用一根MPO预制光缆不影响网络运行可靠性，与每个设备单元单独配置一根光缆的传统方式在可靠性上差别不大。

2 预制电缆选型及连接方案

2.1 预制电缆基本特点

预制电缆大规模使用在各类电气接线中，作用为对电路进行连接通断，是一种达到装、配件之间电气联络的电力部件，一般由插头和基座构成，经过插头、基座的插合和分离来进行电路的通断。

预制电缆的基本性能可分为三大类：即机械性能、电气性能和环境性能[6]。

在实际应用中，关注最多的机械性能是预制电缆的机械寿命，经调研相关预制电缆厂家，预制电缆最小承诺的使用寿命是500次插拔，完全可以满足使用要求。

预制电缆的主要电气性能包括接触电阻、绝缘电阻和抗电强度。具备阻抗低而稳定的接触电阻是优良的预制电缆插件所需的必要条件。现阶段预制电缆各个产品系列，额定电压从250 V到1 000 V不等。

常见的环境性能包括耐温、耐湿、空调系统耐盐雾、振动和冲击等[7]。目前预制电缆接插件的最高工作温度可为200°C，最低温度为-65°C，抗污染等级可以达到3级。大部分厂家的预制电缆已经通过振动和冲击测试，并且根据安装方式的不同有IP20、IP65、IP66、IP67、IP68、IP69K多种防护等级。在环保方面，已经通过了RoHS认证[8]。

2.2 电连接器类型

电连接器的种类繁多，结构形式各不相同，但一般应具有以下特点：a）高互换性，同一型号、品种、规格的电连接器，其插头与基座能够互相契合，并能够实现要求的电气、物理等性能；b）良好的使用操作感，操控动作舒适便捷；c）防止误插的性能；d）稳定的紧锁防松设施；e）高稳定性：如绝缘电阻和耐受电压要足够高；f）很强的过载能力；g）高可靠性和稳定性；h）优良的适应环境条件影响。

1）圆形电连接器

对于圆形连接器而言，通常有螺纹式连接、直插式连接、卡锁连接三种方式。

（1）螺纹式连接容易接触到，它具有加工工艺简洁、生产成本低、适用范围广等优点，但连接速度较缓慢不利于需多次插拔和高效率连接的场景，耐力学环境性能不佳，为避免螺纹连接在长时间较强抖动条件下的松动，通常需打力矩。

（2）直插式连接是以上连接方式中连接效率最高的一种，它可以不进行旋转运动，只要通过直线运动就能达成连接、分离和锁紧的效果。因为它属于直线推拉式连接方式，所以仅适合于总分离力不强的连接器。直插式连接器，使用的空间较小，可以实现高密度多个连接器的组装[9]。

（3）卡锁式连接具有卡锁和多头螺纹连接结构；具有快速连接和分离、耐力学环境性能较高、抗电磁干扰性能好、盲插等优点；但它具有加工工艺复杂、制造成本高、外形较大，使用范围受限等缺点。

2）矩形电连接器

矩形电连接器的结构组成在很大程度上与军用低频电连接器相类似；同样由接触件、壳体件、绝缘件及附件组成；只是壳体及绝缘安装板的形状为矩形或梯形等类似矩形的形状。几乎所有适用于低频圆形电连接器的接触件形式均适用于矩形电连接器，接触件的端接方式也类同[10]。

矩形电连接器同样由插头和插座组成，通过插头、插座的插合和分离来实现电路的连接和断开，对矩形电连接器来说，主要有机柜式、螺钉锁紧式、中心螺杆式、扣环式、二次挂钩锁紧式等连接方式。机柜式连接为直插式连接，是将电连接器插头、插座分别安装于电气设备的机架（机箱）及单元组件上，连接时，依靠单元组件的运动实现连接和分离。此类电连接器无锁紧机构。中心螺杆式结构是通过分别安装在插头、插座上的螺套和螺杆来实现连接器的插合和分离。其他连接方式都各有其特点，可按照实际插拔的频次、振动强度以及重新连接的方式和速度来选用。

2.3 电缆和连接器选型

预制电缆在使用时，应优先选用连接可靠、使用方便、性能优良的产品，并充分考虑需要传输信号的路数、传输信号的工作电压电流、传输信号需要的导线参数、电缆参数、安装尺寸等因素来完成预制电缆的选型。

可采用双端预制电缆，电流、电压互感器控制电缆两端连接器采用六芯圆形电连接器，其中电流互感器控制电缆两端连接器采用防开路型；开关量硬接点信号控制电缆两端连接器采用多芯矩形电连接器，电连接器芯数根据安装单位开关量硬接点数量不同选择，并在预留20%备用芯的条件下选择标准芯数产品。采用的电连接器防护等级根据电连接器所在户内户外环境类型进行选择，户外采用户外型电连接器，具有IP68防护级；户内采用户内型电连接器，具有IP67防护级。

电流、电压互感器控制电缆采用的专用六芯圆形电连接器，如图7所示。电流互感器二次侧开路时，会感应很高的开路电压，造成人身伤亡、设备损坏等事故，电流互感器控制电缆采用的六芯圆形电连接器还必须具备防开路能力。

图7 六芯圆形电连接器

防开路电连接器插头上存在一个防开路板，当插头未插入插座时，该防开路板将插头中的全部接触件短接在一起，同时采用绝缘套与外壳绝缘以实现电流防开路及耐压要求。当连接器插合时，在插座上的绝缘体的推压作用下，压簧被压缩，防开路板产生相应的位移。当插座推进一段距离后，防开路板开始与插头上的插针断开，同时插孔开始接触插针。插头继续插入插座，插头上的防开路板被插座上的绝缘体推到特定位置后，插针与插孔完全接触，而防开路板与插针解除防开路状态从而实现正常的信号传输。

防开路电连接器内部结构图如图8所示，防开路板1-2将插头中的全部接触件短接在一起，同时采用绝缘套1-11与插头外壳1-5绝缘以实现电流防开路及耐压要求。当连接器插合时，在插座2上的绝缘体的推压作用下，压簧1-4被压缩，防开路板1-2产生相应的位移。当插头1推进一段距离后，防开路板1-2开始与插头1上的插针1-1断开，同时插孔开始接触插针1-1。插头1继续插入插座2，插头1上的防开路板1-2被插座2上的绝缘体推到特定位置后，插针1-1与插孔完全接触，而防开路板1-2与插针1-1解除防开路状态从而实现正常的信号传输。

图8 防开路电连接器内部结构图

开关量硬接点信号控制电缆采用的多芯矩形电连接器如图9所示。额定电流7 A，最大可配置50芯，额定电压300 V，耐电压1 000 V。

图9 硬接点信号矩形电连接器

直流电源控制电缆采用两芯D型大电流电源专用连接器如图10所示。端子电镀：镀全金3U，额定电压：300 V，耐电压：1 000 V，额定电流：30 A。

图10 直流电源D型大电流连接器

交流电源采用圆形大电流电源专用连接器，单相采用两芯式，三相采用四芯式，如图11所示。额定工作电流为7.5~185 A可选，其中4 mm2电缆选用额定电流50 A电源连接器，10 mm2电缆选用额定电流100 A电源连接器。额定电压500 V，耐压1 300 V。

图11 交流电源大电流连接器

2.4 电缆整合方案

针对典型智能变电站，场外GIS设备与前期加工的智能柜的预制电缆可区分为：开关控制和信号类2根（对应双套保护）、交流电源2根的电缆；每把刀闸（边开关5把，中开关4把）的控制和信号1根、交流电源2根；电流互感器7根（中开关9根）；边断路器间隔总计18根预制电缆，中断路器总计19根预制电缆。户外配电装置对外的电缆连接包括：电压互感器12根；PT间隔共12根预制电缆。

场地内配电设备与前期加工的智能柜的预制电缆可区分为：开关控制及信号电缆2根（对应双套保护）、交流电源2根；每把刀闸控制及信号1根、交流电源电缆2根；电流互感器2根、电压互感器1根；线路间隔单元共25根预制电缆。

主变压器中压侧有电压互感器，共36根预制电缆，母联/分段间隔无电压互感器，4把刀闸，共18根预制电缆，缆芯定义按照线路间隔单元有关预制电缆进行定义。

母线设备间隔户外配电装置对外的电缆连接包括：每把隔离开关（对应3把刀闸）控制及信号1根、交流电源电缆2根；电压互感器12根；PT间隔共21根预制电缆。

3 结语

文中对传统熔接方案及多种预制型光缆进行了分析比较，提出了采用高密度MPO型预制光缆作为光链路的中段主干光缆，光链路的首末端采用普通LC口跳纤或预制缆，中段与首末端的转接采用MPO-LC接口转接模块的预制光缆连接方案。该方案所具有的高密度特性能够极大地减少整个光链路上的空间占用，转接模块、适配器等连接附件的体积都较传统熔接方案和普通预制光缆方案小得多。大大减少布线数量，并且损耗小、可靠性高，在数据机房、国防军事领域已得到广泛认可，较传统熔接方案和普通预制光缆方案具有显著优势。

提出预制电缆根据不同信号和用途采用几种不同类型的电连接器。对智能变电站电缆承载的用途进行分析归类，直流电源预制电缆采用两针方形电源连接器；遥信硬接点信号采用矩形信号连接器；CT、PT回路预制电缆采用6芯圆形连接器，其中CT回路预制电缆连接器采用防开路型。文中优化的预制电缆方案可通过连接器类型判断电缆类承载信号类型，并避免了相同针数不同种类信号的误插接，进一步提高了预制电缆连接的质量，加强了预制电缆连接的防呆能力。

在满足系统可靠性的前提下，对光缆、电缆进行了整合优化，大幅减少了光缆量和光缆长度，节省了投资，缩短了安装和调试周期[11]。在工厂联调阶段做好预制式光缆、电缆，变电站各二次系统分模块设计、生产、调试，到现场后通过优化的方案可实现二次设备的光信号、电信号的快速连接，实现设备的即插即用[12]。