学术简报｜基于紫外差分吸收光谱法的SF6分解组分CS2定量检测
武汉大学电气工程学院、浙江省绍兴供电公司变电检修室、国家电网重庆市电力公司永川供电分公司的研究人员崔兆仑、孟凡生等，在2018年第18期《电工技术学报》上撰文指出，SF6作为电气绝缘设备中最常用的绝缘气体，对它的分解组分的检测与研究是相关设备故障诊断和在线监测的重要内容。
CS2作为一种常见的固体绝缘缺陷下的SF6特征分解产物，在紫外190～210nm波段具有很强的吸收特性。基于紫外差分吸收光谱技术，搭建针对CS2的紫外光谱检测平台。
首先通过实验获得不同浓度CS2的紫外吸收光谱，再利用基线扣除、小波处理等手段提取吸收光谱中的有效信号，消除了光谱中的高低频噪声，通过快速傅里叶变换（FFT）将光谱信息转换到频域，建立气体浓度与光谱频域特征值之间的线性关系。
研究表明，该方法对CS2检测重复性好，在10～200nL/L范围内的线性拟合度高（R2=0.9996），检出下限为2.584nL/L/m，为SF6绝缘设备分解组分中痕量CS2的在线监测提供了技术支持。
六氟化硫（SF6）具有良好的电气性能和优异的灭弧性能，作为绝缘介质被广泛应用于各种高压电气设备中。此外，由于SF6是一种无色、无味、无毒、不可燃且无腐蚀性的惰性气体，还被广泛应用于金属冶炼、航空航天、化工、大气示踪和电子制造等行业。
在SF6绝缘设备发生局部放电等故障时，可能会造成SF6的分解，产生CS2、SO2、H2S、SOF2、SO2F2等分解组分。这些分解组分一方面会加剧设备的故障；另一方面可能会对人员安全造成危害。因此，对于SF6分解组分的诊断以及局部放电等绝缘故障的监测具有十分重要的意义。
目前用于SF6特征分解组分检测的方法有化学检测方法和光学检测方法两大类。其中化学气体检测方法主要有气敏法、检测管法、气相色谱法等，相较于光学检测方法，化学检测方法有检测时间长、检测精度高的特点，但不适合在线监测；光学法有红外傅里叶变换光谱法、光声光谱法以及紫外吸收光谱法。
红外傅里叶变换光谱法可以实现多种SF6组分的定性定量检测，但是各组分在红外波段吸收峰比较接近，容易出现吸收峰重叠的情况，制约了该方法的检测精度。光声光谱法利用气体分子吸收能量后退激振动的特点，具有较高的灵敏度，但是该方法需要检测微弱声信号或者微弱振动信号，对环境要求较高，容易受到环境压力、温度及噪声的影响。
紫外吸收光谱的产生来源于分子的外部电子受光子的激发而产生的跃迁过程，不同电子所在的电子层与能级的不同，导致不同分子对光的吸收存在差异，总体上体现了气体分子吸收光谱上的差异。从通过分析吸收光谱的峰位置、峰值等信息，可以实现对未知气体的定性、定量研究。
紫外吸收光谱法已经被广泛地应用于气体的检测，并可实现非接触式检测，从而避免破坏待测气体所处的环境，并且由于紫外光吸收法测量时间较短、响应较快，非常适用于气体的实时在线检测。
CS2作为SF6局部放电故障下的一种重要分解组分，在紫外190～210nm波段具有较强的吸收峰，利用紫外吸收光谱法对CS2紫外波段的吸收峰检测并计算得到CS2的浓度。本文基于紫外吸收光谱法，搭建了针对CS2的光学检测平台，通过对不同浓度的CS2进行紫外吸收光谱的检测、有效光谱提取、光谱信号反演等步骤，获得了CS2紫外吸收光谱与气体浓度值之间的线性关系，实现了对CS2的定量检测。
图3 CS2紫外检测平台结构
本文搭建了基于紫外差分吸收光谱法的光学检测平台，利用CS2在紫外190～210nm波段的吸收特性进行光谱检测，并对这一段光谱进行了差分算法和小波处理，最终得到了CS2光谱与浓度的对应关系。
1）通过紫外差分算法和基线扣除可以获得紫外差分吸收光谱，能够有效避免散射以及环境因素对吸收光谱造成的干扰。
2）通过Myer小波函数处理及傅里叶变换建立了CS2吸收光谱与浓度的线性关系，拟合优度高达0.9996，检测限低至3.23nL/L。
3）通过五种浓度下的标准气体对检测方法验证，结果表明了该检测方法的有效性，在误差允许范围内实现了对CS2的高精度定量检测。