CN109521517A - 一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤及制备方法 - Google Patents

一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤及制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤及制备方法，空芯光纤包层包括呈kagome晶格周期性排列的空气孔，空气孔包括正六边形空气孔和正三角形空气孔；纤芯包括位于包层中心的空芯结构，纤芯的截面积大于等于f个正六边形空气孔的面积，f＝1+3(n2+n)，n为自然数。制备方法包括：利用石英材料制作成石英毛细管；将石英毛细管按照kagome结构堆积成kagome结构预制棒；在kagome结构预制棒的中心抽掉7根石英毛细管，集束成空芯预制棒；将空芯预制棒拉伸并熔合成空芯光纤。本申请提供的空芯光纤，传输带宽位于可见光波段，在各个散射波长出能够单模运输，传输损耗小。

Description

一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤及制备方法
技术领域
本申请涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤及制备方法。
背景技术
变压器油是变压器各绕组之间、饶茹与铁芯、箱壳之间用于绝缘和散热的介质。在变压器运行过程中，随着变压器的老化，在变压器油中会逐渐溶解少量的氢、烃类气体和碳的氧化物，而一旦变压器发生故障，随着故障点的变压器油温度升高，变压器油中溶解气体的成分和含量将发生较大变化，因此，对变压器油中溶解气体进行检测是变压器的重要检测方式。
现有技术中，拉曼检测法作为一种新型的变压器油检测方法备受关注，利用空芯光纤对变压器油中溶解气体进行传输后，利用拉曼检测法可以通过同一波长激光实现油中溶解气体多种物质的光谱检测，但是由于变压器油中溶解气体浓度小，气体分子拉曼散射面积小，限制了该方法的有效性，如何使变压器油中溶解气体能够在光纤中单模低损耗运输成为本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
本申请提供了一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤及制备方法，以解决油中溶解气体单模低损耗运输的问题。
第一方面，本申请提供了一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，包括：包层和纤芯，其中，
所述包层包括呈kagome晶格周期性排列的空气孔，所述空气孔包括正六边形空气孔和正三角形空气孔；
所述纤芯包括位于所述包层中心的空芯结构，所述纤芯的截面积大于等于f个所述正六边形空气孔的面积，f＝1+3(n2+n)，n为自然数。
优选地，所述纤芯为十二边形。
优选地，所述包层的第一层空气孔包括交错排列的规则五边形空气孔和所述正三角形空气孔，全部所述第一层空气孔正对所述光纤中心的边围成所述纤芯。
优选地，所述用于变压器油中溶解气体光纤检测的kagome结构空芯光纤关于所述包层的第一层空气孔的中心线对称，所述包层的空气孔数量沿垂直所述第一层空气孔的中心线的方向逐层递减。
优选地，所述包层的空气孔层数大于或等于四层。
优选地，所述包层的空气填充率大于或等于90％。
优选地，所述纤芯的壁厚与所述空气孔的壁厚相同。
第二方面，本申请提供了一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤制备方法，包括：
利用石英材料制作成石英毛细管；
将所述石英毛细管按照kagome结构堆积成kagome结构预制棒；
在所述kagome结构预制棒的中心抽掉7根所述石英毛细管，集束成空芯预制棒；
将所述空芯预制棒拉伸并熔合成用于变压器油中溶解气体光纤检测的kagome结构空芯光纤。
优选地，将所述空芯预制棒拉伸并熔合成用于变压器油中溶解气体光纤检测的kagome结构空芯光纤，包括：在所述空芯预制棒表面涂覆外保护层，所述外保护层包括紫外光固化的弹性涂料。
优选地，将所述空芯预制棒拉伸并熔合成用于变压器油中溶解气体光纤检测的kagome结构空芯光纤，包括：在所述空芯预制棒两端通入气流，所述气流包括氮气流。
本申请提供的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤及制备方法的有益效果包括：
本申请实施例提供的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，包括包层和纤芯，包层包括呈kagome晶格周期性排列的空气孔，空气孔包括正六边形空气孔和正三角形空气孔；纤芯包括位于包层中心的空芯结构，纤芯的截面积大于等于f个正六边形空气孔的面积，f＝1+3(n2+n)，n为自然数。本申请实施例提供的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，传输带宽位于可见光波段，在各个散射波长出能够单模运输，传输损耗小，本申请实施例提供的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤制备方法，制备的光纤传输带宽位于可见光波段，在各个散射波长出能够单模运输，传输损耗小，极大地提高了拉曼散射光信号的收集效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤的结构示意图；
图2为本申请提供的一种kagome晶格单元的结构示意图；
图3为本申请提供的一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤制备方法的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的一种空芯光纤的性能测试示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
参见图1，为本申请实施例提供的一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，包括包层和纤芯。
具体的，包层包括呈kagome晶格周期性排列的空气孔，即由细玻璃支柱交叉镶嵌大卫星纹样，包层覆盖的区域组成一个大型正六边形，其约占整个光纤截面总面积的80％。参见图2，为一种kagome晶格单元的结构示意图，如图2所示，kagome晶格单元包括一个正六边形和六个正三角形，六个正三角形分别与正六边形的六条边重合。
包层的空气孔包括正六边形空气孔和正三角形空气孔和规则五边形空气孔，其中，规则五边形空气孔的形状关于整个光纤的中心点轴对称。
包层最里层为第一层空气孔，包层的空气孔层数大于或等于四层，空气孔层数越多，光信号在包层中的泄露损耗越小。全部第一层空气孔正对光纤中心的边围成纤芯。
紧挨第一层空气孔的空气孔为第二层空气孔，包层的空气孔从第二层空气孔起按照kagome晶格单元周期性排列，整个包层的空气孔截面为一个正六边形，沿Z轴上下堆成，空气孔数量沿Z轴方向逐层递减，其中，Z轴是第一层空气孔的中心线。
包层的介质，即空气孔的壁为石英玻璃，石英玻璃是一种低吸收光、高折射率的材料，折射率为1.45。为保障传输带宽，本申请实施例中包层的空气填充率大于等于90％，空气填充率计算公式为：1-2√3t/d，其中，t为玻璃支柱宽度，即正六边形边长，d为空气孔间距，具体可通过设置包层中正六边形的边长t与空气孔间距d均小于等于0.0288来实现。
包层的折射率大于纤芯的折射率。纤芯的截面积大于等于f个正六边形空气孔的面积，f＝1+3(n2+n)，n为自然数。本实施例中，n＝1，f＝7。纤芯可为包层中心截取7个空气孔制成，截取方式为规则截取，即被截取到的正六边形在截取后为规则五边形。
纤芯壁的厚度与包层孔壁相同，保证了纤芯模式与包层模式的匹配，降低模式之间的损耗。
由于纤芯空气孔内激光波长(532nm)与各故障气体拉曼散射光波长(H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2分别为549.2、629.8、594.4、572.9、631.2、600.5、574.4nm)，通过仿真设计的空芯光纤传输带宽位于可见光波段，在各个散射波长出能够单模运输，传输损耗小，确定最佳结构参数后可对其进行传输性能特性测试。
利用COMSOL软件对上述用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤进行仿真，可探究其处在可见光波段的拉曼散射光在纤芯内的传播模式，具体步骤如下：
(1)建立空芯光纤模型，设置模型参数
具体的，建立的空芯光纤模型如图1所示(不包括Z轴)，对边长，空气孔间距，壁厚，空芯半径，空气孔层数进行设置。
(2)填充光纤制作材料
具体的，将空气填充在完美匹配层、纤芯和空气孔中，折射率为1，将SiO2-glass填充在空芯光纤的玻璃支柱中，折射率为1.45。其中，完美匹配层是指光纤的最外一层空气孔，玻璃支柱是指光纤中除空气孔之外的部分。
(3)设置边界条件
具体的，在不同空气孔洞交界处和sio2-glass填充材料处设置完美电导体和完美磁导体边界条件。
(4)进行网格划分
具体的，对图1中的网格进行物理场网格划分。
(5)求解
具体的，求解不同拉曼散射光在纤芯内传播的电场模式。
经过仿真得知在549.2、629.8、594.4、572.9、631.2、600.5、574.4nm处电场模式都为单模，只是电场方向不同。
参见图3为本申请提供的一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤制备方法的流程示意图，如图3所示，本申请实施例提供改的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S110：利用石英材料制作成石英毛细管。
步骤S120：将石英毛细管按照kagome结构堆积成kagome结构预制棒。
步骤S130：在kagome结构预制棒的中心抽掉7根石英毛细管，集束成空芯预制棒。
步骤S140：将空芯预制棒拉伸并熔合成用于变压器油中溶解气体光纤检测的kagome结构空芯光纤。
具体的，在1900度左右的光纤拉丝塔内将正六棱柱形预制棒拉伸成1mm微细预制棒接着继续进行高温拉制，直至达到最终的尺寸，在拉丝的同时涂覆外保护层，并在拉制的两端过程中通氮气流，保证光纤内外的压力，使纤芯外侧的空气孔在拉制时，由于坍塌被挤压而粘在一起，同时能够对光纤内部进行清洁。其中，外保护层包括紫外光固化的弹性涂料，由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙等组成。
对按照上述方法制得的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤的参数如下：
空气孔间距为32.7um，空气孔洞边长12um，玻璃支柱宽度为0.34um，空气孔层数为6，纤芯区域为规则的十二边形，其直径为110.3um。
对按照上述方法制得的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤进行性能测试，参见图4，为本申请实施例提供的一种空芯光纤的性能测试示意图，如图4所示，首先将单模光纤的一端与宽带光源连接，宽带光源选择激光波长为532nm的单模横模激光器，另一端与接收器连接，接收器包括光谱仪和CCD，得到单模光纤的第一光谱分布图，然后将用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤两端分别于两根传统单模光纤尾端的一端相连，再将两根单模光纤的另外一端分别与接收器相连接得到第二光谱分布图，比较第一光谱图和第二光谱图得出光波损耗曲线和光强分布图，得到损耗≤0.4dB/M，光强在532nm处为单模模式。
通过上述实施例可见，本申请实施例提供的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，包括包层和纤芯，包层包括呈kagome晶格周期性排列的空气孔，包层从中心去掉7个正六边形空气孔构成的十二边形空芯结构为纤芯。本申请实施例提供的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，能够进行单模传输，损耗低。本申请实施例提供的用于SF6气体及其分解组分检测的空芯光纤制备方法，制备的光纤具有优异的单模传输性能。
由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，其特征在于，包括：包层和纤芯，其中，
所述包层包括呈kagome晶格周期性排列的空气孔，所述空气孔包括正六边形空气孔和正三角形空气孔；
所述纤芯包括位于所述包层中心的空芯结构，所述纤芯的截面积大于等于f个所述正六边形空气孔的面积，f＝1+3(n2+n)，n为自然数。
2.如权利要求1所述的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，其特征在于，所述纤芯为十二边形。
3.如权利要求1所述的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，其特征在于，所述包层的第一层空气孔包括交错排列的规则五边形空气孔和所述正三角形空气孔，全部所述第一层空气孔正对所述光纤中心的边围成所述纤芯。
4.如权利要求1所述的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，其特征在于，所述用于变压器油中溶解气体光纤检测的kagome结构空芯光纤关于所述包层的第一层空气孔的中心线对称，所述包层的空气孔数量沿垂直所述第一层空气孔的中心线的方向逐层递减。
5.如权利要求1所述的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，其特征在于，所述包层的空气孔层数大于或等于四层。
6.如权利要求1所述的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，其特征在于，所述包层的空气填充率大于或等于90％。
7.如权利要求1所述的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤，其特征在于，所述纤芯的壁厚与所述空气孔的壁厚相同。
8.一种用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤制备方法，其特征在于，包括：
利用石英材料制作成石英毛细管；
将所述石英毛细管按照kagome结构堆积成kagome结构预制棒；
在所述kagome结构预制棒的中心抽掉7根所述石英毛细管，集束成空芯预制棒；
将所述空芯预制棒拉伸并熔合成用于变压器油中溶解气体光纤检测的kagome结构空芯光纤。
9.如权利要求8所述的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤制备方法，其特征在于，将所述空芯预制棒拉伸并熔合成用于变压器油中溶解气体光纤检测的kagome结构空芯光纤，包括：在所述空芯预制棒表面涂覆外保护层，所述外保护层包括紫外光固化的弹性涂料。
10.如权利要求8所述的用于变压器油中溶解气体检测的空芯光纤制备方法，其特征在于，将所述空芯预制棒拉伸并熔合成用于变压器油中溶解气体光纤检测的kagome结构空芯光纤，包括：在所述空芯预制棒两端通入气流，所述气流包括氮气流。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190326

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