应用于VBE系统中的触发光纤以及光纤端部连接器

摘要

本发明公开了一种触发光纤，其包括包层以及嵌入所述包层的纤芯，所述纤芯的直径在30μm～60μm的范围内，该纤芯的最小曲率半径大于30cm，其纵向牵引力小于0.5kg；490个纤芯经过拉丝处理形成直径为1.3mm的光纤束；该触发光纤总直径为2.2±0.1mm，所述触发光纤在长度方向的最大抗张强度为100N，该触发光纤的接头处在其长度方向的抗拉强度不小于20N，触发光纤的弯曲半径不小于其10倍的直径，其数值孔径不小于0.6，且其光功率衰耗小于2dB/km，本发明还公开了与该触发光纤相配合的光纤端部连接器，其与所述触发光纤的拉力负荷不小于1kg，且该光纤端部连接器的轴向插拔力不小于20N，其不中断信号监测时的最大抖动容限为0.1mm。本发明可以达到进口触发光纤的性能，节约了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，尤其是应用于VBE系统中的触发光纤以及 与该触发光纤配合的光纤端部连接器。

背景技术

VBE（Valve Base Electronics 阀基电子设备）系统是高压直流输电工程中重 要的控制系统，其广泛应用的触发回路光纤、可控硅级回检信号的光纤数以千 计，目前我国已运行的±500kV高压直流输电工程、±800kV特高压直流输电工 程中，VBE系统的光缆均依赖国外进口，由于其价格昂贵、供货周期较长等因 素，VBE系统的光缆无法满足现场生产需要的冗余度、备品备件的储备等实际 需求。

以触发光纤为例，在高压直流输电系统中，触发光纤传递着直流控制系统 与可控硅级之间的信号，其信号精度均是在μs级，因此光纤的损耗是考量其运 行工况的最关键参数，同时触发光纤长期运行在直流阀厅强电场、高温的环境 下，其电气性能和阻燃性能、耐热性能均需要满足运行要求，综合以上的情况， 可以归纳其触发回路控制光缆的技术难点：

（1）940nm波长的触发光纤光功率要满足损耗＜2dB/km；

（2）光纤端部连接器匹配VBE系统板卡插口，同时要与触发光纤配合满 足光功率损耗＜2dB/km；

（3）控制光缆包层材料需要提高阻燃性能，但不能降低电气性能的要求。

基于上述技术难点，市场上还没有采用国产光纤，特别是玻璃光纤制作VBE 系统中的触发光纤的应用，也没有相关技术的报道。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种自主化触发光纤设计方案，其可以达到进口 触发光纤的性能，同比节约了大量的成本。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种触发光纤，应用于VBE系统中，其包括：

包层以及

嵌入所述包层的纤芯，所述纤芯的直径在30μm～60μm的范围内，该纤芯的 最小曲率半径大于30cm，其纵向牵引力小于0.5kg；所述纤芯的数量为490个， 该490个纤芯经过拉丝处理形成直径为1.3mm的光纤束；

所述直径为1.3mm的光纤束与包层形成的触发光纤的参数包括：该触发光 纤总直径为2.2±0.1mm，所述触发光纤在长度方向的最大抗张强度为100N，该 触发光纤的接头处在其长度方向的抗拉强度不小于20N，触发光纤的弯曲半径 不小于其10倍的直径，其数值孔径不小于0.6，且其光功率衰耗小于2dB/km。

所述纤芯为G657.A2类玻璃光纤。

所述纤芯的直径为53±4μm。

所述包层为采用阻燃材料，所述阻燃材料按重量份计，由60-80份的聚烯烃、 10-15份的无机阻燃剂和磷系列阻燃剂以及2-5份的表面活性剂共混而成。

所述表面活性剂可用含有极性基团的聚合物替代。

本发明还提供了一种与上述方案中的触发光纤相配合使用的光纤端部连接 器，该技术方案是：

一种光纤端部连接器，其与上述的触发光纤配合使用，所述光纤端部连接 器与所述触发光纤的拉力负荷不小于1kg，且该光纤端部连接器的轴向插拔力不 小于20N，其不中断信号监测时的最大抖动容限为0.1mm。

所述光纤端部连接器的插头表面镀有24K金，所述24K金的厚度为2-3μm。

所述光纤端部连接器的内部设有T形结构，该T形结构设置于光纤端部连 接器的插头的一侧。

本发明所述的触发光纤和光纤端部连接器，与现有技术相比，具有的优点是： 本发明利用国内的光缆生产厂商现有的技术和生产工艺及检测手段，根据触发 光纤的性能指标，自主设计并加工制造了该新型触发光纤，通过在实际工程中 挂网运行试验，达到了进口触发光纤的性能，对VBE系统控制光缆的自主化设 计及生产工作起到了很好的指导作用，同时，节省了大量的成本。

附图说明

图1为本发明触发光纤与光纤端部连接器的连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

需要说明的是：在本发明的说明书中，触发光缆、触发回路光纤、触发回 路控制光缆以及触发控制光缆的意义相同，均指代触发光纤。

一、触发光纤数值孔径的选择

VBE系统的触发光纤和通信领域广泛使用的光纤一样，是有纤芯、包层组成 的圆柱形的介质光波导，纤芯的折射率总是比包层的折射率略大，设纤芯的折 射率为n₁，包层的折射率为n₂，根据斯奈尔（Snell）定律，则触发光纤的数值孔 径为：

$\mathrm{NA}=\sqrt{(n_1^2-n_2^2)}=n_1\sqrt{2\Delta }---\left(1\right)$

Δ=(n₁-n₂)/n₁      (2)

式(2)中的Δ表示触发光纤纤芯与包层之间的相对折射率差，触发光纤的数 值孔径NA表示光纤接收和传输光信号的能力，触发光纤的数值孔径越大，表明 光信号可以更容易地被耦合到该触发光纤中。

在通信领域中普遍使用的单模或者多模光纤的NA均在0.1～0.5的范围，但 VBE系统的触发光纤除了满足光功率损耗的要求外，尽可能增大光信号传输能 力，所以在设计时候，考虑以下情况：

（1）必须增大光学纤维的数值孔径和纤芯直径，改变n₁和n₂的匹配关系，可 取得NA≥0.6的光学纤维，增大入射角，同时在增大其数值孔径的同时还增大了 纤芯直径，直接改善了光纤对接性能。

（2）纤芯外径控制在30μm-60μm，由于不加涂被覆层，容易受外力损坏， 所以在成缆过程中注意不可产生扭距，纤芯的最小曲率半径R始终＞30cm，且 其纵向牵引力＜0.5kg。

根据以上的设计要求，我们选取了以下光学纤维材料，其规格参数表1所 示。

表1触发光纤基本参数

参数 数值 纤芯直径 53±4μm 纤芯数量 490 光纤束直径 1.3mm 触发光纤直径 2.2±0.1mm 触发光纤抗张强度 长度方向最大100N 触发光纤接头抗拉强度 长度方向≥20N 触发光纤弯曲半径 ≥10倍触发光纤直径 纤芯型号 G657.A2类玻璃光纤 触发光纤光功率衰耗 ＜2dB/km 触发光纤数值孔径 ≥0.6

二、触发光纤阻燃材料的选择

由于触发光纤长期工作在高温强电磁环境中，因此我们在设计触发光纤包 层材料时，在满足电气性能的条件下，尽可能提高包层材料的阻燃性。综合国 际通用的多种阻燃材料，我们考虑选用无卤阻燃材料（HFFR），其主要成分为 聚烯烃，在燃烧时分解出二氧化碳和水，不产生明显的烟雾和有害气体。聚烯 烃主要包括聚乙烯（PE）、乙烯—醋酸烯聚物（E-VA），这些成分本身并不具有 阻燃性，需要添加无机阻燃剂和磷系列阻燃剂后，才能加工成实用的无卤阻燃 材料，但由于非极性物质的分子链上缺乏极性基团具有憎水性，与无机阻燃剂 的亲和性能较差，难以牢固的结合，所以还需要在配方中加入表面活性剂，或 者在聚烯烃中混入含有极性基团的聚合物进行共混，从而提高阻燃填充剂的用 量，改善材料的机械性能和加工性能，同时获得较好的阻燃性。在本实施例中， 制作包层所用的无卤阻燃材料按重量份计，由60-80份的聚烯烃、10-15份的无 机阻燃剂和磷系列阻燃剂以及2-5份的表面活性剂共混而成。

三、光纤端部连接器的设计

由于光纤端部连接器需要与VBE系统板卡接口匹配，我们无法利用近年来 普遍采用的UPC插头接触方式来解决接口纵向间隙和轴线倾角问题。为此光纤 端部连接器重点在连接器外形测量和加工精度上，考虑连接器内部采用同心圆 组件设计，运用CAE和CAD技术，提高连接器外部契合度及内径的同心度， 同时光纤端面经多次抛光处理，使触发光纤的功率损耗尽可能降低，达到标准 损耗值。主要包括了以下技术参数，如图1所示，：

（1）光纤端部连接器1与触发光纤2连接的拉力负荷d2要求达1kg，光纤 端部连接器1的轴向插拔力d1≧20N，允许触发光纤2的弯曲半径为触发光纤2 的外径的10倍及以上，光纤端部连接器1的工作温度在-10℃～80℃。

（2）光纤端部连接器不中断信号监测，最大抖动容限0.01mm。

（3）光纤端部连接器内径同心圆要求±0.001mm，为防止连接器插头的表面 氧化而影响插拔力度和配合精度，在光纤端部连接器的插头11表面镀24K金， 厚度d3为2-3μm，光纤端部连接器1的插头外径公差与控制面板的机械尺寸为 滑动配合。光纤端部连接器1的内部设有T形结构12，该T形结构12设置于 光纤端部连接器的插头11的一侧，主要是避免触发光纤在分布结合后相互间的 串光干扰以及微弯曲引起的插入损耗。

（4）光纤端部连接器内部如果触发光纤的折射层有微小裂痕，两根触发光 纤间的光信号也会沿折射层穿透引起损耗，因此在光纤端部连接器的接头内部 的光纤既要保持自由空间又不可以无顺序排列。

四、实验数据

综合了以上的技术参数，加工完成了VBE系统触发光纤的试制，同时与已 运行的直流工程中的触发光缆进行了相应参数的对比测试，其具体的测试结果 如下。

表2机械性能的参数测试结果

表3光纤功率衰耗参数测试结果

表4 电气性能参数测试结果

项目 已运行的触发光纤 试制触发光纤 外部直流电压 1.0kV/cm 1.0kV/cm 最大电压 1.2kV/cm 8KV.AC.1MIN未击穿 击穿电压 4kV/cm >4KV/CM符合 绝缘电阻 10¹²Ω/m 2×10¹²Ω/m

表5光缆包层阻燃性能测试

由表2至表5的测试结果，试制触发光纤（本方案中设计的触发光纤）与 实际直流工程中已运行的触发光纤（进口触发光纤）重要的技术参数相当，满 足了设计规范的要求，同时该试制触发光纤也在某±500kV高压直流输电工程 VBE系统的一回触发回路中挂网运行试验，运行工况良好，在停电检修工作中 对其光功率衰耗的测试结果也满足要求，对VBE系统控制光缆的自主化设计及 生产工作起到了很好的指导作用。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限 制本发明的保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本 案的保护范围中。