環(huán)保絕緣介質(zhì)C5F10O混合氣體體積分?jǐn)?shù)比定量檢測(cè)

李亞龍 張曉星, 衛(wèi) 卓 王 毅 李 祎 肖 淞

環(huán)保絕緣介質(zhì)C5F10O混合氣體體積分?jǐn)?shù)比定量檢測(cè)

李亞龍1張曉星1,2衛(wèi) 卓1王 毅2李 祎1肖 淞1

（1. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430072 2. 湖北工業(yè)大學(xué)新能源及電網(wǎng)裝備安全監(jiān)測(cè)湖北省工程研究中心 武漢 430068）

C5F10O混合氣體在中低壓電壓等級(jí)電氣設(shè)備中替代SF6氣體作為絕緣介質(zhì)具有很好的應(yīng)用前景。因C5F10O的體積分?jǐn)?shù)比對(duì)其混合氣體的電氣性能起到?jīng)Q定性作用，而已有的研究中，C5F10O混合氣體大多是采用道爾頓分壓法配制，存在配氣誤差無(wú)法確定的問(wèn)題。該文基于紫外差分光譜法提出快速準(zhǔn)確的定量檢測(cè)C5F10O混合氣體體積分?jǐn)?shù)比的方法，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C5F10O氣體在237～350nm波段有紫外吸收峰，峰值位于299nm處，通過(guò)對(duì)C5F10O氣體的吸收峰進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)氣體的體積分?jǐn)?shù)比反演曲線線性確定系數(shù)高達(dá)0.999 98，檢測(cè)絕對(duì)誤差小于0.05%，理論檢測(cè)下限低至200×10-6。該文的研究成果可用于指導(dǎo)配制體積分?jǐn)?shù)比更加精確的C5F10O混合氣體以及在工程應(yīng)用中實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)C5F10O混合氣體的體積分?jǐn)?shù)比變化和監(jiān)測(cè)環(huán)境中C5F10O的泄漏，為運(yùn)維人員制定運(yùn)維計(jì)劃提供參考。

C5F10O混合氣體 紫外吸收光譜法 道爾頓分壓法 定量檢測(cè) SF6替代氣體

0 引言

SF6具有優(yōu)良的絕緣與滅弧特性，在氣體絕緣封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）等高壓電氣設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[1]。然而，SF6的溫室效應(yīng)潛在值（Global Warming Potential, GWP）是CO2的23 500倍，由于SF6分子化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定、很難發(fā)生分解，在大氣中的壽命長(zhǎng)達(dá)3 200年[2-3]，早在1997年的《京都議定書》中明確提出將SF6列為六種需要限制性使用的溫室氣體之一[4-6]。日益嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)促使電力行業(yè)的科研工作者們加快尋找環(huán)保型絕緣介質(zhì)替代SF6氣體[7-8]。

當(dāng)前，替代氣體的研究方向是使用低溫室效應(yīng)、高絕緣強(qiáng)度的環(huán)保絕緣電介質(zhì)（如C3F7CN、C5F10O和C6F12O等）在不同電壓等級(jí)電氣設(shè)備中替代SF6氣體，從源頭上解決SF6氣體使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。但這些新型環(huán)保氣體具有液化溫度較高的缺點(diǎn)，不能像SF6氣體一樣作為純氣單獨(dú)使用，往往要與液化溫度較低的空氣成分（N2、空氣、CO2）混合一起使用。

全氟酮類氣體C5F10O及其混合氣體替代SF6的研究近來(lái)年受到了國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注[9-10]，具有C5F10O的絕緣強(qiáng)度是SF6的1.4倍左右，GWP 100值小于1，臭氧消耗潛在值（Ozone Depletion Potential, ODP）為0，在大氣中壽命僅有15天等一系列優(yōu)點(diǎn)[11]。但是，C5F10O的液化溫度較高（常壓下為26.9℃），因此在應(yīng)用中需要將其與液化溫度較低的緩沖氣體（N2、空氣、CO2）混合使用[12-14]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)C5F10O及其混合氣體的研究已經(jīng)取得了很多研究成果。ABB公司使用分壓法配制了含有29kPa和39kPa C5F10O的C5F10O/空氣混合氣體，對(duì)其絕緣性能進(jìn)行了測(cè)試，研究表明，0.7MPa的C5F10O/空氣（39kPa）混合物具有0.45MPa SF6約95%的絕緣強(qiáng)度和0.6MPa SF6約80%的絕緣強(qiáng)度[15]；王小華等使用分壓法配制了C5F10O分壓分別為20kPa和40kPa、總壓力為0.1～0.5MPa的C5F10O/CO2混合氣體，對(duì)其工頻耐壓和雷電沖擊性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)提高C5F10O的含量能夠有效提高混合氣體的絕緣強(qiáng)度，但是通過(guò)提高C5F10O的含量反而使混合氣體的雷電沖擊放電的電壓值下降，不過(guò)可以通過(guò)提高C5F10O/CO2混合氣體的總氣壓來(lái)提高雷電沖擊放電電壓[16]；李興文等利用文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)計(jì)算了C5F10O/CO2混合氣體的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)含95%CO2的C5F10O/CO2混合氣體在飽和蒸氣壓下所能達(dá)到的絕緣強(qiáng)度約為45kV/mm[17]；本課題組基于密度泛函理論仿真計(jì)算了C5F10O分子的穩(wěn)定性和可能的分解路徑，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)使用分壓法配制的C5F10O混合氣體驗(yàn)證了在放電分解時(shí)會(huì)形成CF4、C2F6、C3F8、C3F6、C4F10、C5F12、C6F14等分解產(chǎn)物[18-19]。

由于環(huán)保絕緣電介質(zhì)C5F10O氣體的絕緣強(qiáng)度較高，混合氣體的絕緣性能主要由C5F10O氣體的體積分?jǐn)?shù)比決定，因此其體積分?jǐn)?shù)比變化將會(huì)對(duì)混合氣體的電氣特性產(chǎn)生重大影響，同時(shí)因這些氣體尚未得到大規(guī)模工程應(yīng)用，體積分?jǐn)?shù)比測(cè)定技術(shù)尚不成熟，相關(guān)研究學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)道爾頓分壓配氣法配制C5F10O混合氣體后并沒(méi)有對(duì)其體積分?jǐn)?shù)比進(jìn)行檢測(cè)，而分壓法配氣的不確定度為2%～10%。由于配制混合氣體過(guò)程中因兩種或以上氣體分子混合以后會(huì)改變氣體分子間距，使混合氣體體積發(fā)生變化，造成混合氣體的體積分?jǐn)?shù)比會(huì)有誤差。此外，混合氣體的種類、氣體的溫度、壓強(qiáng)以及充氣速率等因素均會(huì)影響配氣誤差。C5F10O混合氣體體積分?jǐn)?shù)比的不準(zhǔn)確將對(duì)混合氣體的絕緣性能可靠性帶來(lái)隱患。目前，C5F10O混合氣體研究中對(duì)C5F10O氣體進(jìn)行檢測(cè)的主流方法均是通過(guò)氣相色譜質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行定性檢測(cè)或低體積分?jǐn)?shù)比的定量檢測(cè)，幾乎沒(méi)有其他相關(guān)定量檢測(cè)技術(shù)見(jiàn)諸報(bào)道。

紫外差分吸收光譜法可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)在紫外波段具有吸收峰的氣體。已有的相關(guān)研究成果也證明了該方法檢測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)比具有較高的精度[20-22]。因C5F10O是近年來(lái)3M公司新合成的一種新型環(huán)保型替代氣體，尚沒(méi)有得到大規(guī)模工程應(yīng)用，在對(duì)其定量研究上方法較少，在光譜定量研究上尚屬空白，因此本文基于紫外差分吸收光譜法得到了C5F10O的紫外吸收光譜圖，并獲得了較高精度的C5F10O體積分?jǐn)?shù)比定量檢測(cè)標(biāo)定曲線。相關(guān)研究成果將對(duì)配制體積分?jǐn)?shù)比更加精確的C5F10O混合氣體和在線監(jiān)測(cè)C5F10O混合氣體的體積分?jǐn)?shù)比變化有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法與平臺(tái)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

光譜檢測(cè)方法對(duì)氣體進(jìn)行定量檢測(cè)的核心原理是比爾-朗伯定律，由比爾-朗伯定律[23]可以得到C5F10O氣體體積分?jǐn)?shù)比與C5F10O氣體對(duì)光的吸收程度的關(guān)系為

在實(shí)際的氣體檢測(cè)中，檢測(cè)結(jié)果經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)與比爾-朗伯定律的理論計(jì)算值不一致的情況。原因是當(dāng)光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，導(dǎo)致光強(qiáng)度變化的不僅僅是由于光被待測(cè)氣體等吸光介質(zhì)所吸收，也有瑞利散射和米氏散射等散射以及其他干擾因素的影響，光的實(shí)際吸收模型如圖1所示。對(duì)利散射和米氏散射等散射同樣可以用上述待測(cè)氣體吸收的理論進(jìn)行處理，同理可以得到由瑞利散射和米氏散射等散射以及擾流等干擾因素對(duì)光吸收模型吸光度的影響，用表示。

圖1 光的實(shí)際吸收模型

“這個(gè)男人真怪。是誰(shuí)傷害了他呢？不能說(shuō)這都是他自找的，但他這種受傷的感覺(jué)，是沒(méi)有來(lái)由的。是他先拋棄了曲，之后又拋棄了Y。男人都是這樣的嗎？”

最終，待測(cè)C5F10O氣體的體積分?jǐn)?shù)比與差分光譜滿足

可知，在光源強(qiáng)度和有效吸收光程長(zhǎng)度不變的情況下，C5F10O氣體的吸光度與C5F10O氣體的體積分?jǐn)?shù)比正相關(guān)，因此，獲得兩者的線性關(guān)系以后，可以通過(guò)吸收光譜反演得到未知的C5F10O氣體的體積分?jǐn)?shù)比（本文實(shí)驗(yàn)所指體積分?jǐn)?shù)比為混合氣體的體積分?jǐn)?shù)比）。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

紫外光譜檢測(cè)C5F10O氣體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由紫外光源、單模光纖、氣體吸收池、紫外光譜儀、上位機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體等組成。紫外光源發(fā)出的紫外光經(jīng)光纖和準(zhǔn)直鏡進(jìn)入氣體池內(nèi)部，在氣體池內(nèi)部發(fā)生多次反射被內(nèi)部的氣體吸收后，剩余的紫外光經(jīng)準(zhǔn)直鏡和光纖傳輸至光譜儀中，光譜儀把檢測(cè)到的光譜數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)程序中進(jìn)行分析記錄，得到待測(cè)氣體的紫外吸收光譜圖。紫外光源為美國(guó)海洋光學(xué)生產(chǎn)的深紫外增強(qiáng)型氘燈，輸出光源波長(zhǎng)范圍為190～400nm的連續(xù)光譜，光源每小時(shí)漂移率小于±0.5%，峰-峰穩(wěn)定性小于0.005%；氣體吸收池為定制多次反射氣體池，氣體的有效吸收光程為2.6m，為防止氣體吸附在氣體池內(nèi)壁，在不銹鋼材質(zhì)的氣體池內(nèi)壁鍍了一層特氟龍膜；單模光纖起到傳輸紫外光的作用，為保證光纖在紫外光波段有較好的傳輸特性，選用的海洋光學(xué)生產(chǎn)的抗曝型光纖，該類型光纖在200～400nm波段的傳輸效率超過(guò)80%，特別適合在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中作為紫外光的傳輸介質(zhì)。紫外光譜儀為美國(guó)海洋光學(xué)定制的用于檢測(cè)185～410nm的高精度光譜儀，最高光學(xué)分辨率為0.035nm。標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體用于標(biāo)定體積分?jǐn)?shù)比反演曲線。實(shí)驗(yàn)前后均使用高純N2對(duì)氣體吸收池采用真空負(fù)壓洗氣法清洗氣體池，排除氣體吸收池內(nèi)原有的雜質(zhì)。

圖2 C5F10O氣體紫外檢測(cè)平臺(tái)

2 結(jié)果與分析

2.1 C5F10O/N2混合氣體檢測(cè)結(jié)果

體積分?jǐn)?shù)比分別為0、0.1%、0.5%、1%、2%、5%和7.5%的C5F10O/N2標(biāo)準(zhǔn)混合氣體的紫外透射光譜如圖3所示（背景光譜為純N2檢測(cè)到的光譜，即體積分?jǐn)?shù)比為0的C5F10O/N2標(biāo)準(zhǔn)混合氣體），從圖中可以看出，在實(shí)驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中C5F10O的吸收光譜主要集中在237～350nm波段，峰值在299nm附近。由此確定，可以使用紫外吸收光譜法檢測(cè)C5F10O氣體的體積分?jǐn)?shù)比。

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O/N2混合氣體紫外吸收光譜

瑞利散射、米氏散射、氣體抖動(dòng)等干擾因素會(huì)使光譜產(chǎn)生緩慢的變化，稱為慢變部分；氣體的吸收光譜變化較快，稱為快變部分。為了有效提取包含待測(cè)氣體吸收光譜的快變部分，避免慢變部分帶來(lái)的干擾，在光譜處理中引入了差分技術(shù)。由式（1）～式（3）可以得到不同體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O/N2混合氣體的紫外差分吸收光譜，但通過(guò)差分技術(shù)得到的紫外差分光譜由于一些噪聲、光源穩(wěn)定性和光譜漂移等干擾因素會(huì)使光譜中產(chǎn)生毛刺。為去除光譜中的毛刺，使用Sym6小波函數(shù)對(duì)光譜進(jìn)行局部時(shí)-頻分析，對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分層與重構(gòu)以提高光譜數(shù)據(jù)精度，得到對(duì)應(yīng)的C5F10O氣體的紫外差分吸收光譜，如圖4所示。

從圖4可以看出，在237～350nm波段內(nèi)，C5F10O氣體具有一個(gè)較大的紫外光吸收峰，峰值位于波長(zhǎng)為299nm處，且隨C5F10O體積分?jǐn)?shù)比的升高，吸收峰逐漸增大，具有很高的正相關(guān)性。

為進(jìn)一步研究C5F10O氣體的紫外光吸收峰的峰值和峰面積與對(duì)應(yīng)的C5F10O氣體體積分?jǐn)?shù)比的關(guān)系，分別對(duì)位于波長(zhǎng)為299nm處的峰值和237～350nm波段內(nèi)的峰面積進(jìn)行分析，具體方法如下：對(duì)C5F10O氣體的紫外差分吸收光譜數(shù)據(jù)的最大值進(jìn)行檢索可以得到位于299nm處的吸收峰峰值；對(duì)C5F10O氣體的紫外差分吸收光譜在237～350nm波段內(nèi)數(shù)據(jù)累加后乘以光譜儀采樣間隔0.11nm得到C5F10O氣體的吸收峰面積。標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O/N2混合氣體的特征曲線擬合如圖5所示。

圖4 不同體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O/N2混合氣體紫外差分吸收光譜

經(jīng)線性擬合發(fā)現(xiàn)，以波長(zhǎng)為299nm處的峰值和對(duì)應(yīng)的C5F10O氣體體積分?jǐn)?shù)比進(jìn)行擬合得到線性擬合曲線為

=0.52+0.0018 （5）

式中，為C5F10O氣體的體積分?jǐn)?shù)比；為C5F10O氣體的紫外吸收峰峰值，其線性確定系數(shù)2=0.999 98。

以237～350nm波段內(nèi)的峰面積和對(duì)應(yīng)的C5F10O氣體體積分?jǐn)?shù)比進(jìn)行擬合得到線性擬合曲線為

=30.15-0.19 （6）

圖5 標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O/N2混合氣體的特征曲線擬合

其線性確定系數(shù)2=0.999 96。

可以看出，無(wú)論使用C5F10O氣體在紫外波段吸收峰的峰值和峰面積作為定量因素都得到了較高的線性相關(guān)度，依據(jù)得到的標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比C5F10O氣體線性擬合曲線可以對(duì)未知體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定量檢測(cè)確定其體積分?jǐn)?shù)比。具體方法如下：使用C5F10O/N2標(biāo)準(zhǔn)混合氣體檢測(cè)過(guò)程中相同的方法，對(duì)未知體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體的紫外光譜進(jìn)行檢測(cè)，得到其紫外透射光譜，由比爾-朗伯定律計(jì)算得到未知體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體的紫外差分吸收光譜，然后對(duì)其峰值和峰面積進(jìn)行檢索和計(jì)算，與圖5中標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比C5F10O氣體線性擬合曲線上相同的峰值和峰面積對(duì)應(yīng)的C5F10O氣體體積分?jǐn)?shù)比就是未知體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體的體積分?jǐn)?shù)比。整個(gè)測(cè)量和計(jì)算過(guò)程可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，在提前獲得標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比C5F10O氣體線性擬合曲線的前提下，30s內(nèi)即可檢測(cè)出任意體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體的準(zhǔn)確體積分?jǐn)?shù)比。該方法相對(duì)于GC-MS法（檢測(cè)用時(shí)需要10min以上）具有檢測(cè)成本低、檢測(cè)所需時(shí)間短、檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)比上限高、檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，適合做成便攜式裝置或在線檢測(cè)裝置。

反演公式的線性確定系數(shù)2是評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度的一個(gè)重要指標(biāo)。由于分別以峰值和峰面積作為定量因素獲得的反演曲線的線性確定系數(shù)均在0.999 9以上，且在保證準(zhǔn)確度的前提下，使用峰值作為定量因素具有更加快速簡(jiǎn)捷、計(jì)算量更小的優(yōu)點(diǎn)。因此，選用C5F10O氣體在波長(zhǎng)為299nm處的光譜吸收峰值作為定量因素。

2.2 C5F10O/空氣混合氣體檢測(cè)結(jié)果

本文還對(duì)體積分?jǐn)?shù)比分別為0、0.1%、0.5%、1%、2%、5%和7.5%的C5F10O/空氣標(biāo)準(zhǔn)混合氣體的吸收光譜進(jìn)行檢測(cè)，如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O/空氣混合氣體的吸收光譜和特征曲線擬合

從圖6可以看出，相同體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O/空氣混合氣體與C5F10O/N2混合氣體的吸收光譜峰形及吸光度相同，表明空氣中的O2不會(huì)影響C5F10O混合氣體的紫外吸收光譜。這是因?yàn)檠鯕獾淖贤馕展庾V主要在150～200nm的真空紫外波段，與C5F10O氣體在波長(zhǎng)為299nm處的吸收峰沒(méi)有交叉重疊部分，不會(huì)影響C5F10O/空氣混合氣體中C5F10O的檢測(cè)。CO2氣體的紫外吸收峰主要集中在波長(zhǎng)更短的120～160nm波段，與C5F10O氣體在波長(zhǎng)為299nm處的吸收峰也沒(méi)有交叉重疊部分，其檢測(cè)過(guò)程和方法也與C5F10O/N2和C5F10O/空氣混合氣體一致，此處不再進(jìn)行分析。

2.3 C5F10O體積分?jǐn)?shù)比的檢測(cè)誤差

獲得C5F10O體積分?jǐn)?shù)比特征曲線以后，可以使用特征曲線作為標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)未知體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O混合氣體，為了獲得檢測(cè)誤差使用標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O重新進(jìn)行檢測(cè)，得到的氣體體積分?jǐn)?shù)比反演結(jié)果見(jiàn)表1。由對(duì)已知體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體的反演結(jié)果可知，5次檢測(cè)得到的不同體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體的絕對(duì)誤差平均值均小于體積分?jǐn)?shù)比的0.05%。檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生誤差的主要原因是光源穩(wěn)定性引起的漂移導(dǎo)致不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)度隨時(shí)間會(huì)有細(xì)微變化。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中縮短檢測(cè)時(shí)間可以減小由于光源漂移引起的誤差。

表1 C5F10O氣體體積分?jǐn)?shù)比反演結(jié)果

Tab.1 C5F10O gas concentration inversion results （%）

2.4 本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)檢測(cè)C5F10O混合氣體體積分?jǐn)?shù)比極限

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)在吸收光譜中減去背景和暗噪聲、差分計(jì)算以及小波變換等手段對(duì)吸收光譜信號(hào)進(jìn)行處理，最大程度地減小干擾因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備檢測(cè)和計(jì)算分析過(guò)程中的局限性，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些干擾噪聲信號(hào)，因此應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的噪聲進(jìn)行分析，以便確定本檢測(cè)平臺(tái)檢測(cè)C5F10O的極限。

隨機(jī)采取背景光譜20組，分別用實(shí)驗(yàn)中C5F10O的處理方式對(duì)背景光譜進(jìn)行處理，系統(tǒng)噪聲如圖7所示。定義噪聲的方均根（Root Mean Square, RMS）值來(lái)表征噪聲強(qiáng)弱，即RMS，有檢測(cè)極限，即能夠從系統(tǒng)噪聲信號(hào)中分離出被檢測(cè)物的最低體積分?jǐn)?shù)比，是衡量氣體檢測(cè)平臺(tái)的一項(xiàng)很重要的指標(biāo)?？梢酝ㄟ^(guò)信噪比來(lái)衡量系統(tǒng)的檢測(cè)極限，把待測(cè)氣體的光譜特征信息剛好能從背景噪聲中分辨出來(lái)的最小體積分?jǐn)?shù)比定義為系統(tǒng)的檢測(cè)極限，即把信噪比NR=1時(shí)對(duì)應(yīng)的氣體體積分?jǐn)?shù)比作為系統(tǒng)能夠檢測(cè)出被測(cè)物質(zhì)的檢測(cè)極限。把式（7）所求的方均根代入即可算出系統(tǒng)對(duì)C5F10O的檢測(cè)極限[20]。

式中，min為C5F10O氣體的最低檢測(cè)靈敏度。

通過(guò)式（8）計(jì)算得到本文使用的紫外差分光譜吸收平臺(tái)的C5F10O檢測(cè)下限為0.02%（200×10-6），結(jié)果見(jiàn)表2。3M公司醫(yī)療部門制定的C5F10O的8h時(shí)間加權(quán)平均職業(yè)接觸限值（Time Weighted Average Occupational Exposure Limits, TWA-OEL）為225×10-6[24-25]，該平臺(tái)的檢測(cè)下限已經(jīng)低于該值，基于該平臺(tái)的檢測(cè)裝置也可以用于預(yù)警環(huán)境中C5F10O氣體的泄漏，保障運(yùn)維人員的生命健康安全。

表2 C5F10O檢測(cè)極限

Tab.2 C5F10O detection limit

同時(shí)，注意到C5F10O體積分?jǐn)?shù)比為7.5%時(shí)的紫外透射光譜在299nm處出現(xiàn)接近0的趨勢(shì)，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的檢測(cè)上限接近7.5%，如果需要檢測(cè)更高體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O氣體，就需要更換光程更短的氣體池才能滿足需求。但目前關(guān)于C5F10O的研究中混合氣體的體積分?jǐn)?shù)比大多為5%和7.5%，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以滿足體積分?jǐn)?shù)比檢測(cè)需求。

3 結(jié)論

在C5F10O混合氣體相關(guān)特性實(shí)驗(yàn)研究中配制特定體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O混合氣體是首要步驟。常用的分壓法配氣存在配氣體積分?jǐn)?shù)比誤差無(wú)法確定的問(wèn)題，在一些控制微小變量實(shí)驗(yàn)中因配氣體積分?jǐn)?shù)比誤差的影響甚至可能會(huì)得出相反的結(jié)論。因此，一種快速準(zhǔn)確的C5F10O混合氣體體積分?jǐn)?shù)比檢測(cè)方法將極大地方便科研人員開(kāi)展相關(guān)研究，同時(shí)也可以用于工程中在線監(jiān)測(cè)C5F10O混合氣體體積分?jǐn)?shù)比。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，提出了采用紫外吸收光譜法快速檢測(cè)環(huán)保絕緣氣體C5F10O氣體混合物體積分?jǐn)?shù)比的方法，獲得了以下結(jié)論：

1）C5F10O的紫外吸收光譜主要集中在237～350nm波段，峰值在299nm附近。

2）通過(guò)紫外吸收峰面積和峰值分別對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)比的C5F10O進(jìn)行定量，反演曲線線性確定系數(shù)2均達(dá)到了0.999 9以上，具有較高的線性確定系數(shù)。在保證檢測(cè)精度的前提下，可以通過(guò)C5F10O的紫外吸收峰峰值對(duì)混合氣體中的C5F10O體積分?jǐn)?shù)比進(jìn)行快速準(zhǔn)確的定量檢測(cè)。

3）使用吸收峰峰值對(duì)C5F10O氣體進(jìn)行定量檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)氣體的體積分?jǐn)?shù)比反演曲線線性確定系數(shù)高達(dá)0.999 98，檢測(cè)絕對(duì)誤差小于0.05%，檢測(cè)下限低至200×10-6。

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Quantitative Detection on the Concentration of Eco-Friendly Insulating Medium C5F10O Gas Mixture Concentration

11,21211

（1. School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China 2. Hubei Engineering Research Center for Safety Monitoring of New Energy and Power Grid Equipment Hubei University of Technology Wuhan 430068 China）

C5F10O gas mixture shows a great application prospect as SF6alternative gas in medium-voltage (MV) electrical equipment. The concentration of C5F10O plays an important role in the dielectric characteristics of its gas mixtures. However, most of C5F10O gas mixtures in existing studies are prepared by Dalton's law, and the gas concentration error cannot be determined accurately. This paper proposed a rapid and accurate method for quantitatively detecting the concentration of C5F10O in gas mixtures based on the ultraviolet differential spectroscopy. It is found that C5F10O gas has an ultraviolet absorption peak in the 237～350nm band (with the peak located at 299nm). The absorption peak detection of C5F10O shows that the linear determination coefficient of the standard gas concentration inversion curve reaches 0.999 98, the absolute detection error is less than 0.05%, and the theoretical detection limit is 200ppm. This paper can provide guidance for the preparation of C5F10O gas mixture with accurate concentration and monitoring the concentration change of C5F10O gas mixture in real time in engineering applications, and provide reference for operation and maintenance personnel to formulate operation and maintenance plans.

C5F10O gas mixture, ultraviolet (UV) absorption spectrometry, Dalton's law, quantitative detection, SF6alternative gas

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201160

TM213

李亞龍 男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)闅怏w絕緣電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、SF6環(huán)保替代氣體、氣體放電等離子體等。E-mail: yalongli1122@whu.edu.cn

張曉星 男，1972年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷、絕緣狀態(tài)評(píng)估、新型傳感器技術(shù)以及SF6替代氣體等。E-mail: xiaoxingzhang@whu.edu.cn（通信作者）

2020-09-06

2021-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（51977159）和國(guó)家留學(xué)基金委（202006270108）資助項(xiàng)目。

（編輯 崔文靜）