一种SF6气体绝缘介质过热分解的Reax FF反应力场的建立方法技术

本发明专利技术涉及一种SF6气体绝缘介质过热分解的Reax FF反应力场的建立方法，首先进行创建SF6受热分解的Reax FF力场的初始力场文件和训练集，然后采用蒙特卡洛法对力场参数进行优化拟合，最后力场可靠性验证。本发明专利技术具有如下优点：1、改善现有Reax FF力场中参数缺失较多的现状。2、考虑微量水分、氧气、气压等因素对SF6气体绝缘介质热解反应的影响，建立一套完整的SF6过热分解仿真体系，可从实际角度评价其合理性及可行性。3、明确SF6气体绝缘介质热解过程初始裂解机理化及主要产物的差异性，厘清主要产物的生成机制，从原子层面研究SF6气体绝缘介质热解的微观动态机理，为故障诊断提供微观的特征参量。

【技术实现步骤摘要】
一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法
本专利技术属于六氟化硫(SF6)气体绝缘电气设备的绝缘在线监测与诊断
，具体涉及一种描述SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场。
技术介绍
气体绝缘组合电器(GasInsulatedSwitchgear,GIS)是指全部或者部分采用六氟化硫(SF6)气体作为绝缘介质的金属封闭式设备，其具有结构紧凑，占用面积较小，可靠性高，维护工作量较小，现场安装方便，电磁辐射小，环境适应能力强等优点，在国内外得到了大量的应用。随着GIS使用越来越广泛，电压等级也越来越高，其在电力系统中的重要性日益突出，GIS发生故障将对电力系统安全构成巨大的威胁，严重影响供电的连续性和稳定性，轻则造成经济损失，重则造成大面积停电，危害社会稳定和安全，因此必须对GIS的运行状况予以高度重视，尽量减少GIS故障发生的几率。SF6气体绝缘装备目前已在高压和超/特高压输变电领域中得到了广泛应用，但由于装备在制造、生产、运输、装配中出现的操作不当现象可能导致内部接触不良、磁路故障、介质电导率过大、放电等从而引发局部过热性故障。美国国家标准局的RJVanBrant等人早在1994年就提出了解释SF6在负极性针板电极PD作用下分解机理的“三区域反应模型”，该模型较为科学的解释了SF6在PD条件下的分解过程，但无法用该模型解释因局部过热导致的SF6气体分解。SF6在局部过热性故障下的分解过程与放电情况下相比完全不同，其分解特性及相应的物理化学机制还鲜为人知，针对SF6分子在过热性故障作用下发生分解的条件还没有显著性的研究成果。SF6气体绝缘介质在局部过热性故障作用下发生分解的物理化学过程及其与局部过热性故障严重程度之间的内在联系亟待解决。目前，针对于SF6分解越来越多的研究工作将重点放在了揭示其反应的微观过程，西安交通大学的王小华教授首次建立了非平衡化学动力学模型描述了处于非热力学平衡条件下的SF6电弧等离子体组分动态特性，还有学者利用量子化学计算手段计算电气设备缺陷或故障条件下SF6分解产物的结构、过渡态结构、能量、能垒信息等，从而推测反应路径，但还没有对SF6在过热情况下连续的反应过程进行分子动力学仿真,模拟过热故障下SF6气体绝缘介质发生分解生成的各种特征分解产物可能经历的过程。ReaxFF反应力场可以模拟介观尺度下的化学反应，以及有关的热力学、动力学性质，目前已广泛应用于研究高能物质的爆炸、实验中难以解析的结构、热解与燃烧以及新材料的开发等领域，且已成功应用于纳秒级别的百万分子体系的模拟中。Bauschlicer等利用ReaxFF、DFTB和DFT三种方法对酪酵树脂体系进行了高温裂解的模拟计算，比较三种方法下得到的产物分布和反应机理，结果说明ReaxFF在高温下的模拟比较合理。ReaxFFMD(ReaxFFMolecularDynamics)在研究复杂的煤热解体系方面极具潜力，也有望应用于其它热解和燃烧反应体系的计算研究。因此，利用ReaxFFMD研究SF6热解的过程，建立一种新的对SF6过热分解机理进行描述的方法有其可行性。
技术实现思路
本专利技术依托的计算软件为荷兰SCM公司研制的AMS跨尺度计算平台，针对现有SF6气体绝缘介质过热分解机理研究中的不足，提供了一种描述SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF应用力场，解决了现有技术中无法准确描述SF6气体绝缘介质在过热性故障作用下的分解特性及相应的物理化学机制的技术问题，该方法可为形成一套完整、系统的SF6气体绝缘介质过热分解理论模型打下基础。本专利技术的技术方案是：一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法，其特征在于，具体建立过程包括：步骤1、创建SF6受热分解的ReaxFF反应力场的初始力场文件；步骤2、创建训练集：对分子体系进行DFT计算；步骤3、采用蒙特卡洛法对力场参数进行优化拟合：获得符合要求的力场，具体是使用蒙特卡洛法对力场参数进行优化。蒙特卡洛法的核心思想是先对在空间中做随机运动的化学分子做合理的抽样，然后通过配分函数计算得到研究对象的热力学性质；这种模拟过程进行的是系综平均，在模拟的过程中粒子会发生随机的位置改变，根据粒子的移动位置修正构型，进而生成新的构型构象；步骤4、力场可靠性验证：基于ReaxFF反应力场的分子动力学模拟是建立在ReaxFF力场上的，力场的可靠性决定了仿真结果的可靠性，对于仿真计算结果的合理性的考量的出发点是对反应力场合理性的考量，针对本专利技术优化的反应力场的可靠性及合理性的考察主要从三个方面进行。在上述的一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法，步骤1中，ReaxFF的力场文件中包含基本参数、原子参数、键参数、键角参数、二面角参数、非对角作用项、氢键参数共7个部分，涵括12项能量值，共100余个参数，并在已有的力场文件中添加了13个参数用于表征范德华作用、键角能量，并将此作为初始力场文件。在上述的一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法，步骤2中，为了较为准确地描述SF6以及各低氟硫化物的成键、断键情况，同时为了扩大训练集，加强力场优化的效果，也需要对SF6分解初始生成的低氟硫化物的成键、断键情况进行探究，为此需选取多个氟硫化物分子进行体系的DFT计算；首先使用DFT方法计算一系列结构的能量，这些结构点的能量是否具有代表性，是否是化学反应中的关键结构，直接影响到力场优化的结果的好坏；首先对多个氟硫化物分子模型构建，对其进行几何结构优化，确定各原子的空间位置，扫描得到红外振动频谱图与振动方式；然后，对应振动方式对分子进行线性扫描，设置键长或键角的变化范围及扫描点数，得到不同情况下体系结构的能量值等信息，组成训练集。在上述的一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法，步骤2中，本专利技术中共对三种分子的26种振动情况进行了势能面扫描，得到了1024个不同结构的分子体系能量值，其中收敛的结构共574个；在对优化后的SF5、SF4进行红外光谱扫描时发现，SF5、SF4的光谱中均存在一个唯一的虚频，红外强度为0，由于虚频不代表真实存在的振动，这两个虚频对应的势能面扫描结果未能加入训练集中，则在本专利技术创建的训练集中共有491个有效的计算结果。在上述的一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法，步骤4中，具体包括步骤4.1、执行能量最小化任务，查看SF6、SF5、SF4、SF3、SF2等分子在ReaxFF力场中的成键情况；在对分子结构进行优化的同时执行算法使整个体系达到能量最小，但AMS软件中使用的L-BFGS算法通常会提前收敛，最终往往会得到不稳定的体系；因此，这一步工作仅仅是为了判断在该力场中关心的产物能否成键，系统优化得到的产物结构并不作为主要的判断依据；步骤4.2、在ReaxFFMD中设置不反应时间，进行平衡模拟，观察该段时间内分子的结构稳定性；假定设置前1000步不发生反应，即前1000步中，ReaxFF试图将体系弛豫，而保持不发生反应；在仿真的第0步，系统得到一个“原子连接关系表”，并通过该表来描述每个原子之间的键级关系，这个键级关系在设定的步数内不发生改变；但是，由于力和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SF6气体绝缘介质过热分解的Reax FF反应力场的建立方法，其特征在于，具体建立过程包括：步骤1、创建SF6受热分解的Reax FF反应力场的初始力场文件；步骤2、创建训练集：对分子体系进行DFT计算；步骤3、采用蒙特卡洛法对力场参数进行优化拟合：获得符合要求的力场，具体是使用蒙特卡洛法对力场参数进行优化；蒙特卡洛法的核心思想是先对在空间中做随机运动的化学分子做合理的抽样，然后通过配分函数计算得到研究对象的热力学性质；这种模拟过程进行的是系综平均，在模拟的过程中粒子会发生随机的位置改变，根据粒子的移动位置修正构型，进而生成新的构型构象；步骤4、力场可靠性验证：基于Reax FF反应力场的分子动力学模拟是建立在Reax FF力场上的，力场的可靠性决定了仿真结果的可靠性，对于仿真计算结果的合理性的考量的出发点是对反应力场合理性的考量，针对本专利技术优化的反应力场的可靠性及合理性的考察主要从三个方面进行。

【技术特征摘要】
1.一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法，其特征在于，具体建立过程包括：步骤1、创建SF6受热分解的ReaxFF反应力场的初始力场文件；步骤2、创建训练集：对分子体系进行DFT计算；步骤3、采用蒙特卡洛法对力场参数进行优化拟合：获得符合要求的力场，具体是使用蒙特卡洛法对力场参数进行优化；蒙特卡洛法的核心思想是先对在空间中做随机运动的化学分子做合理的抽样，然后通过配分函数计算得到研究对象的热力学性质；这种模拟过程进行的是系综平均，在模拟的过程中粒子会发生随机的位置改变，根据粒子的移动位置修正构型，进而生成新的构型构象；步骤4、力场可靠性验证：基于ReaxFF反应力场的分子动力学模拟是建立在ReaxFF力场上的，力场的可靠性决定了仿真结果的可靠性，对于仿真计算结果的合理性的考量的出发点是对反应力场合理性的考量，针对本发明优化的反应力场的可靠性及合理性的考察主要从三个方面进行。2.根据权利要求1所述的一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法，其特征在于，步骤1中，ReaxFF的力场文件中包含基本参数、原子参数、键参数、键角参数、二面角参数、非对角作用项、氢键参数共7个部分，涵括12项能量值，共100余个参数，并在已有的力场文件中添加了13个参数用于表征范德华作用、键角能量，并将此作为初始力场文件。3.根据权利要求1所述的一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法，其特征在于，步骤2中，为了较为准确地描述SF6以及各低氟硫化物的成键、断键情况，同时为了扩大训练集，加强力场优化的效果，也需要对SF6分解初始生成的低氟硫化物的成键、断键情况进行探究，为此需选取多个氟硫化物分子进行体系的DFT计算；首先使用DFT方法计算一系列结构的能量，这些结构点的能量是否具有代表性，是否是化学反应中的关键结构，直接影响到力场优化的结果的好坏；首先对多个氟硫化物分子模型构建，对其进行几何结构优化，确定各原子的空间位置，扫描得到红外振动频谱图与振动方式；然后，对应振动方式对分子进行线性扫描，设置键长或键角的变化范围及扫描点数，得到不同情况下体系结构的能量值等信息，组成训练集。4.根据权利要求1所述的一种SF6气体绝缘介质过热分解的ReaxFF反应力场的建立方法，其特征在于，步骤2中，本...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾福平，张明轩，唐炬，高克利，苗玉龙，姚强，张晓星，雷志城，吴司颖，
申请(专利权)人：武汉大学，中国电力科学研究院有限公司，国网重庆市电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42