一种全氟酮类环保型替代气体热力学仿真方法技术

本发明专利技术属于气体绝缘电气设备内气体绝缘介质过热故障机理分析的领域，具体涉及一种全氟酮类环保型替代气体热力学仿真方法，针对全氟酮类环保型绝缘气体再过热故障情况下的分解产物进行仿真研究，以及进行初步构建分子结构、DFT泛函的选择、基组的选择、分子结构的优化、键能的计算以及反应热的计算。本发明专利技术具有如下优点：1、由于实际实验的条件无法做到绝缘气体的完全纯净，该方法能够通过反应热力学对全氟酮类环保型绝缘气体在过热时发生分解的途径进行机理分析，进而得出全氟酮类CnF2nO气体分子在不同温度下时过热分解的产物。2、能够从微观层面分析全氟酮类CnF2nO气体分子及其分解产物在受热情况下的能量情况。

【技术实现步骤摘要】
一种全氟酮类环保型替代气体热力学仿真方法
本专利技术属于气体绝缘电气设备内气体绝缘介质过热故障机理分析的领域，具体涉及一种全氟酮类环保型替代气体热力学仿真方法。
技术介绍
六氟化硫(SF6)因为其突出的绝缘性能和灭弧特性，目前广泛地运用于金属封闭开关设备(GasInsulatedSwitchgear,GIS)中，其中高压开关设备的用气量约占SF6用气量的80％以上，中压开关设备的用气量约占10％。随着电力行业的不断发展，电网系统中GIS设备的安装量越来越大，SF6的使用量也迅速增加，而SF6气体绝缘设备的调试、检修的过程以及气体的泄露和回收都会使SF6进入大气环境中。根据IPCC提出的诸多温室气体的全球变暖潜能值(GlobalWarmingPotential,GWP)，SF6的GWP值最大，500年的GWP值为32400，且由于SF6化学性质稳定，在大气中存留时间可长达3200年。因此，联合国气候变化框架公约于1997年于日本京都制定的《京都议定书》，明确规定了SF6作为六大温室气体之一，要求作为温室气体排放大户的发达国家采取具体措施限制温室气体的排放。据不完全统计，过去五年，大气中的SF6气体含量增加了约20％，而全球每年生产的SF6近80％应用于电力工业。因此，出于长久的环保考虑，减少甚至杜绝SF6使用是电力系统发展的必然。目前，在电力系统内对环保型替代气体的研究和探索已成为近十几年国内外学者的研究热点。ABB公司提出了CnF2nO类全氟酮类绝缘气体在电气设备中的应用前景，其中C5F10O(C5-perfluoroketone,C5-PFK)和C6F12O(C6-perfluoroketone,C6-PFK)绝缘介质不燃不爆无毒，其GWP值接近于1，臭氧衰减指数(OzoneDepletionPotential,ODP)为0，且绝缘强度为纯SF6气体的2倍和2.5倍左右，特别适用于中低压柜式气体绝缘金属封闭开关设备(CubicleGas-InsulatedSwitchgear,C-GIS)中。虽然全氟酮类绝缘气体具有十分优异的绝缘性能和环保指标，但由于其液化温度高达26.9℃和49.2℃，无法单独使用，需要和低液化温度的缓冲气体如CO2、N2等混合使得液化温度降低以防止其液化。而在C-GIS内部的母线、接头等常常会因为震动、腐蚀等导致有效接触面积减小，造成接头接触不良，或导体发生过载故障时，缺陷部位的热稳定将被破坏，使气体绝缘介质温度不断上升，引起局部过热性故障(PartialOverthermalFault,POF)的发生。全氟酮类环保型替代气体CnF2nO作为气体绝缘介质，在C-GIS内部出现POF时将可能导致全氟酮类混合气体中体积分数较低的CnF2nO发生热解，其中产生的分解产物可能还会对C-GIS内部金属部件的表面造成腐蚀等，对绝缘性能产生危害。然而，目前针对CnF2nO的研究主要在环保指标和电气强度方面具有替代SF6气体的可能性，以及其在在C-GIS内部出现POF时的分解特性和热稳定性暂不明确，而这些内容均是全氟酮类环保型绝缘气体在电力系统领域发展研究的关键问题之一。密度泛函理论(DensityFunctionalTheory,DFT)是量子化学、计算化学中最流行的第一性原理，其理论本身是基于量子力学基本方程——薛定谔方程而来。由于密度泛函理论(DensityFunctionalTheory)在计算量和计算精度上的优越性，因此在计算模拟领域具有实际的应用价值，应用广泛且历史悠久，可用于理论化学方面，如预测热化学数据、计算分子静态参数、优化分子结构、以及探讨过渡态结构和活化能等方面。因此，通过仿真分析的手段对其过热分解的机理进行理论性的研究工作，可以在热力学的基础上初步地掌握全氟酮类环保型绝缘气体过热分解的规律，对今后现场实验具有指导意义。
技术实现思路
本专利技术基于密度泛函理论针对全氟酮类环保型绝缘气体在过热情况下分解机理的热力学研究。在跨尺度计算化学平台(AmsterdamModelingSuite,AMS)中的构建全氟酮类环保型绝缘气体及过热分解产物的分子结构，基于密度泛函理论中的Hybrid:B3LYP方法对其结构进行优化、通过各个分子片段的能量计算CnF2nO分子间键能，然后根据体系内反应物和产物的反应热来分析CnF2nO热分解的反应机理。该分析方法可以对全氟酮类环保型绝缘气体在过热故障发生的情况下，气体分子发生热分解的热力学研究进而分析CnF2nO热分解的规律，为进一步发展全氟酮类环保型绝缘气体在中低压柜式气体绝缘金属封闭开关设备中使用打下理论基础。本专利技术的技术方案是：一种全氟酮类环保型替代气体热力学仿真方法，其特征在于，针对全氟酮类环保型绝缘气体再过热故障情况下的分解产物进行仿真分析，具体包括：步骤1、初步构建分子结构：在AMS(AmsterdamModelingSuite)平台的GUI界面，根据全氟酮类环保型绝缘气体和热分解产物的分子式构建相应的分子结构，先使用半经验分子轨道程序包MOPAC中的非限制Hartree-Fock(UHF)方法，对气体分子的结构进行初步优化；步骤2、DFT泛函的选择：在优化本体系中全氟酮类环保型绝缘气体及其分解产物分子结构和计算反应过程中的反应热时使用M06-2X泛函方法，而在计算全氟酮CnF2nO分子间键能的时候使用B3LYP-D3(BJ)泛函方法；步骤3、基组的选择：基组从SZ到DZ、DZP、TZP、TZ2P到QZ4P，其中D、T、Q表示double、triple、quadruple，(n)P表示n个极化函数，基组逐渐增大；基组增大到一定程度之后，计算量也迅速的增大，但对结果的改变就逐渐趋近于零，称之为基组的收敛；全氟酮类环保型绝缘气体及其分解产物进行密度泛函计算时选择TZP基组；步骤4、分子结构的优化：在DFT方法和基组的选择基础上，对全氟酮类环保型绝缘气体及其分解产物分子进行结构优化时，选择M06-2X方法和TZP基组，对半经验分子轨道程序Mapoc-UHF方法初步优化后的分子结构进行更精确的优化；在优化过程中，软件程序会不断地计算不同的分子结构，其中有五个收敛标准分别为能量变化(energychange)小于0.001、势能面的最大约束梯度(constrainedgradientmax)小于0.001、均方约束梯度(constrainedgradientrms)小于0.0006667、最大步长(cart.stepmax)小于0.01、均方步长(cart.steprms)小于0.006667，其中第二个标准最重要般也是最后一个达到的，对于大量过渡金属参与的化学反应，过渡态搜索，有可能达不到这样严格的标准，到0.003左右认为收敛；结构优化过程默认为30步，若满足五个收敛条件则停止计算，否则将会完成完整的30步过程；步骤5、键能的计算：分子的能量由分子各个片段及连接各个片段之间的键能所构成，其中键能又是由片段间的轨道作用能、Pauli作用能、静电作用能所构成，如式(1)所示；式中，ΔEtotal表示体系中分子的总能量，ΔEdist表示分子片段的能量，ΔEelstat表示两个片段间的静电作用能，ΔEPauli表示两个片段间的Pauli作用能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气体分子内键能和反应途径反应热进行气体过热分解的仿真分析方法，其特征在于，针对全氟酮类环保型绝缘气体再过热故障情况下的分解产物进行仿真分析，具体包括：步骤1、初步构建分子结构：在AMS(Amsterdam Modeling Suite)平台的GUI界面，根据全氟酮类环保型绝缘气体和热分解产物的分子式构建相应的分子结构，先使用半经验分子轨道程序包MOPAC中的非限制Hartree‑Fock(UHF)方法，对气体分子的结构进行初步优化；步骤2、DFT泛函的选择：在优化本体系中全氟酮类环保型绝缘气体及其分解产物分子结构和计算反应过程中的反应热时使用M06‑2X泛函方法，而在计算全氟酮CnF2nO分子间键能的时候使用B3LYP‑D3(BJ)泛函方法；步骤3、基组的选择：基组从SZ到DZ、DZP、TZP、TZ2P到QZ4P，其中D、T、Q表示double、triple、quadruple，(n)P表示n个极化函数，基组逐渐增大；基组增大到一定程度之后，计算量也迅速的增大，但对结果的改变就逐渐趋近于零，称之为基组的收敛；全氟酮类环保型绝缘气体及其分解产物进行密度泛函计算时选择TZP基组；步骤4、分子结构的优化：在DFT方法和基组的选择基础上，对全氟酮类环保型绝缘气体及其分解产物分子进行结构优化时，选择M06‑2X方法和TZP基组，对半经验分子轨道程序Mapoc‑UHF方法初步优化后的分子结构进行更精确的优化；在优化过程中，软件程序会不断地计算不同的分子结构，其中有五个收敛标准分别为能量变化(energy change)小于0.001、势能面的最大约束梯度(constrained gradient max)小于0.001、均方约束梯度(constrained gradient rms)小于0.0006667、最大步长(cart.step max)小于0.01、均方步长(cart.step rms)小于0.006667，其中第二个标准最重要般也是最后一个达到的，对于大量过渡金属参与的化学反应，过渡态搜索，有可能达不到这样严格的标准，到0.003左右认为收敛；结构优化过程默认为30步，若满足五个收敛条件则停止计算，否则将会完成完整的30步过程；步骤5、键能的计算：分子的能量由分子各个片段及连接各个片段之间的键能所构成，其中键能又是由片段间的轨道作用能、Pauli作用能、静电作用能所构成，如式(1)所示；...

【技术特征摘要】
1.一种基于气体分子内键能和反应途径反应热进行气体过热分解的仿真分析方法，其特征在于，针对全氟酮类环保型绝缘气体再过热故障情况下的分解产物进行仿真分析，具体包括：步骤1、初步构建分子结构：在AMS(AmsterdamModelingSuite)平台的GUI界面，根据全氟酮类环保型绝缘气体和热分解产物的分子式构建相应的分子结构，先使用半经验分子轨道程序包MOPAC中的非限制Hartree-Fock(UHF)方法，对气体分子的结构进行初步优化；步骤2、DFT泛函的选择：在优化本体系中全氟酮类环保型绝缘气体及其分解产物分子结构和计算反应过程中的反应热时使用M06-2X泛函方法，而在计算全氟酮CnF2nO分子间键能的时候使用B3LYP-D3(BJ)泛函方法；步骤3、基组的选择：基组从SZ到DZ、DZP、TZP、TZ2P到QZ4P，其中D、T、Q表示double、triple、quadruple，(n)P表示n个极化函数，基组逐渐增大；基组增大到一定程度之后，计算量也迅速的增大，但对结果的改变就逐渐趋近于零，称之为基组的收敛；全氟酮类环保型绝缘气体及其分解产物进行密度泛函计算时选择TZP基组；步骤4、分子结构的优化：在DFT方法和基组的选择基础上，对全氟酮类环保型绝缘气体及其分解产物分子进行结构优化时，选择M06-2X方法和TZP基组，对半经验分子轨道程序Mapoc-UHF方法初步优化后的分子结构进行更精确的优化；在优化过程中，软件程序会不断地计算不同的分子结构，其中有五个收敛标准分别为能量变化(energychange)小于0.001、势能面的最大约束梯度(constrainedgradientmax)小于0.001、均方约束梯度(constrainedgradientrms)小于0.0006667、最大步长(cart.stepmax)小于0.01、均方步长(cart.steprms)小于0.006667，其中第二个标准最重要般也是最后一个达到的，对于大量过渡金属参与的化学反应，过渡态搜索，有可能达不到这样严格的标准，到0.003左右认为收敛；结构优化过程默认为30步，若满足五个收敛条件则停止计算，否则将会完成完整的30步过程；步骤5、键能的计算：分子的能量由分子各个片段及连接各个片段之间的键能所构成，其中键能又是由片段间的轨道作用能、Pauli作用能、静电作用能所构成，如式(1)所示；式中，ΔEtotal表示体系中分子的总能量，ΔEdist表示分子片段的能量，ΔEelstat表示两个片段间的静电作用能，ΔEPauli表示两个片段间的Pauli作用能，ΔEorb表示两个片段间的轨道作用能，ΔEbond表示分子的总键能；计算全...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾福平，唐炬，唐博文，雷志城，高克利，张明轩，苗玉龙，姚强，张晓星，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