一种用于SF6气体及其分解组分检测的光纤及制备方法与流程

本申请涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种用于sf6气体及其分解组分检测的光纤及制备方法。

背景技术：

在国内外的电力系统中，sf6(六氟化硫)气体作为一种理想的绝缘和灭弧气体被广泛的用于气体绝缘电力设备中，然而，气体绝缘电力设备是一种高压设备，在长期运行过程中，由于一些不可避免的因素会导致sf6气体发生分解，生成h2s、cos、co2、so2、sof2、co、cf4和so2f2等分解组分，这些物质会腐蚀气体绝缘电力设备的绝缘材料，加速气体绝缘电力设备老化。现有技术中，对sf6气体及其分解组分进行检测的方法有气相色谱法、电化学传感法等方法，上述方法可以进行sf6及其分解组分的浓度检测，但是上述方法均易受到环境因素的影响，导致稳定性差，检测灵敏度低。

技术实现要素：

本申请提供了一种用于sf6气体及其分解组分检测的光纤及制备方法，以解决于高压设备sf6气体及其分解组分检测效果差的问题。

第一方面，本申请提供了一种用于sf6气体及其分解组分检测的光纤，包括：包层和纤芯，其中，

所述包层包括沿轴向周期性排列的石英-空气孔结构，所述包层的空气孔包括正六边形空气孔，所述包层的空气孔呈三角结构排列；

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，所述纤芯的边为圆形，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规则六边形空气孔，所述第一层空气孔正对所述光纤中心的边为弧边，全部所述第一层空气孔的弧边围成所述纤芯。

优选地，所述纤芯的壁厚与所述空气孔的壁厚相同。

优选地，所述包层的空气孔层数大于或等于五层。

优选地，所述正六边形空气孔的曲化率大于或等于0.8。

优选地，所述正六边形所述的边长距离与空气孔间距之比大于或等于0.5。

第二方面，本申请提供了一种用于sf6气体及其分解组分检测的光纤制备方法，包括：

利用石英材料制作成正六棱柱形预制棒；

将所述正六棱柱形预制棒拉伸成微细预制棒；

将多个所述微细预制棒堆积成三角结构预制棒；

将所述三角结构预制棒的中心抽掉7根所述微细预制棒，集束成空芯预制棒；

将所述空芯预制棒拉伸并熔合成用于sf6气体及其分解组分检测的光纤。

优选地，所述石英材料包括直径为5mm的石英棒和/或石英管，所述微细预制棒的直径为1mm。

优选地，将所述空芯预制棒拉伸并熔合成用于sf6气体及其分解组分检测的光纤，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sf6气体及其分解组分检测的光纤的有益效果包括：

本申请实施例提供的用于sf6气体及其分解组分检测的光纤，包括包层和纤芯，包层包括沿轴向周期性排列的石英-空气孔结构，包层的空气孔包括正六边形空气孔，包层的空气孔呈三角结构排列；纤芯包括位于所述包层中心的空芯结构，纤芯由包层的中心去掉至少7个正六边形空气孔构成。通过激光与故障性气体分子光学作用产生拉曼散射光后，利用本申请实施例提供的用于sf6气体及其分解组分检测的光纤，能够对sf6及其分解组分气体拉曼散射光进行单模传输，损耗较低，进而提高拉曼散射光的收集效率，有利于提高光谱检测准确性，从而有效发现设备潜伏性故障。本申请实施例提供的用于sf6气体及其分解组分检测的光纤制备方法，制备过程中可允许拉制过程中造成的规则曲化，制备的光纤传输性能高。

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sf6气体及其分解组分检测的光纤的结构示意图；

图2为本申请提供的一种用于sf6气体及其分解组分检测的光纤制备方法的流程示意图。

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sf6气体及其分解组分检测的光纤的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供的用于sf6气体及其分解组分检测的光纤，包括包层和纤芯。

具体的，包层包括沿轴向周期性排列的石英-空气孔结构。石英是一种低吸收光、高折射率的材料，折射率为1.45。包层的空气孔包括正六边形空气孔、规则六边形空气孔和规则五边形空气孔，其中，规则六边形空气孔和规则五边形空气孔的形状关于整个光纤中心点轴对称。

包层为环形结构，最里层为第一层空气孔，包层的空气孔层数大于或等于五层，空气孔层数越多，光信号在包层中的泄露损耗越小，本实施例中，可选为8层空气孔。包层的空气孔呈三角结构排列。

纤芯为位于包层中心的空芯结构，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。具体的，纤芯可通过在包层的中心去掉f个正六边形空气孔来构建，本实施例中，n＝1，f＝7。包层的中心去掉f个正六边形空气孔后，形成的第一层空气孔为由正六边形空气孔损耗后得到的上述规则五边形空气孔和规则六边形空气孔，规则五边形空气孔和规则六边形空气孔交错排列，规则五边形空气孔和规则六边形空气孔正对光纤中心的边为弧边，全部第一层空气孔的弧边围成一个圆形区域，即为纤芯。

除了第一层空气孔，包层的其他层空气孔均为正六边形，由于目前工艺的限制和热力学的原因，空气孔的形状很难达到理想的正六边形，在拉制过程中会进行一定程度的曲化，为了能够保证光纤的正常功能，限定其曲化率大于或等于0.8，即正六边形尖端曲化的半径与边长之比不得小于0.8。

包层中正六边形所述的边长距离与空气孔间距之比大于或等于0.5，能够保证相对较高的空气填充率，空气填充率会直接影响包层的模式折射率和传输带宽。

纤芯区域是在包层中心抽取7个空气孔构成的缺陷，这是光纤能够单模运输的先决条件，其纤芯的半径的选取是具有上下限的，这是由于抽取7个空气孔造成的，其纤芯覆盖区域必须位于七个空气孔之内。根据气体在纤芯的传输波长来选取合适的纤芯半径。其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。

对上述用于sf6气体及其分解组分检测的光纤的传输特性分析可以用软件进行建模分析，利用comsol软件建立上述用于sf6气体及其分解组分检测的光纤的模型，设定结构参数数值，后续步骤如下：

(1)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，将sio2-glass(二氧化硅玻璃)填充在支柱中。其中，完美匹配层是指光纤的最外一层空气孔，支柱是指光纤中除空气孔之外的部分。

(2)设置边界条件

具体的，波导模块采用电磁波-频域物理场设定，并采用模式分析进行稳定研究，对于光纤，希望得到是稳定传播的电磁场形态，而不是光纤截面的瞬态模式，所以模式分析模块便是分析传播一定距离的稳态模式。在频域模块采用默认的边界条件设置，使电磁场在内部边界连续，在模型的最外一层添加完美匹配层。完美匹配层的添加可以有很多方式，或者方形或者圆形，为了设置的方便，采用同心圆形的方式。完美匹配层的添加是为了模拟光纤的限制损耗，当入射波发生泄漏，有一部分光入射到完美匹配层界面，由于完美匹配层的阻抗与光纤介质的阻抗匹配，这部分光会在完美匹配层内耗散掉，不会有能量返回。很好的模拟了现实光纤的泄露损耗。

(3)进行网格划分

具体的，网格区域的划分直接影响理论计算值的精度，服务器计算的时间，对于多边形规则单元的划分采用自由剖析三角形网格，本申请实施例即采用自由剖析三角形网格对图1进行网格划分。

(4)求解

具体的，通过设置纤芯的有效折射率初值为1，并设置寻求的模式个数来计算在该情况下的电场模分布。本申请实施例中，模式个数最大为20。

根据求解结果确定用于sf6气体及其分解组分检测的光纤的最佳结构参数，进而根据上述最佳结构参数实施制备用于sf6气体及其分解组分检测的光纤，制备方法参见图2，为本申请实施例提供改的一种用于sf6气体及其分解组分检测的光纤制备方法的流程示意图，如图2所示，本申请实施例提供改的一种用于sf6气体及其分解组分检测的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正六棱柱形预制棒。

具体的，石英材料可选为直径为5mm的石英棒和/或石英管。将石英管的截面打磨成正六边形，得到正六棱柱形预制棒。

步骤s120：将正六棱柱形预制棒拉伸成微细预制棒。

具体的，在1800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。

步骤s130：将多个微细预制棒堆积成三角结构预制棒。

具体的，将微细预制棒按照光纤需要的长度进行切段，得到多个微细预制棒，将多个微细预制棒堆积成三角结构预制棒。

步骤s140：将三角结构预制棒的中心抽掉f根微细预制棒，集束成空芯预制棒，f＝1+3(n²+n)，n为自然数。

具体的，本申请实施例中，n＝1，f＝7，抽掉7根微细预制棒后，光纤的包层区域包含8层空气孔。

步骤s150：将空芯预制棒拉伸并熔合成用于sf6气体及其分解组分检测的光纤。

具体的，将集束预制棒放入光纤拉丝塔中拉制，使集束预制棒熔合在一起，形成用于sf6气体及其分解组分检测的光纤。

进一步的，在步骤s120、步骤s150中，可将光纤预制棒端口充入氮气流，保证光纤预制棒内外压力平衡，防止光纤结构的坍塌，还能保证清洁。

对按照上述方法制得的用于sf6气体及其分解组分检测的光纤进行测试，得到的各项指标和基本性能参数如下：

空芯光纤六边形孔洞的边长为14um，，纤芯壁为0.57um，空气孔间距为24.3um；纤芯的半径为43.2um，有效折射率为1.111；输出损耗≤0.3db/m；使用温度范围为-50度～100度。

通过上述实施例可见，本申请实施例提供的用于sf6气体及其分解组分检测的光纤，包括包层和纤芯，包层包括沿轴向周期性排列的石英-空气孔结构，包层的空气孔包括正六边形空气孔，包层的空气孔呈三角结构排列；纤芯位于所述包层的中心，纤芯为包层的中心去掉7个正六边形空气孔构成的圆筒形空芯结构。本申请实施例提供的用于sf6气体及其分解组分检测的光纤，能够对sf6及其分解组分气体拉曼散射光进行单模传输，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光纤制备方法，制备过程中可允许拉制过程中造成的规则曲化，制备的光纤传输性能高。

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。