[发明专利]一种全氟酮类环保型替代气体热力学仿真方法

摘要

本发明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。

主权项

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；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；计算全氟酮CnF2nO分子内某个键的键能时，首先使用B3LYP‑D3(BJ)泛函方法和TZP基组计算全氟酮CnF2nO分子的能量，再将全氟酮CnF2nO分子内某个键断裂分成两个片段，然后分别对两个片段进行能量计算，最终将全氟酮CnF2nO分子在体系中的能量减去该键两端分子片段在体系中的能量就是该键的能量；步骤6、反应热的计算：化学反应中，物质发生化学变化的同时，还伴随有能量的变化，通常以热能的形式表现出来，称为反应热；如果一个化学反应中，反应物的总能量大于产物的总能量，则该反应就是放热反应，此时的ΔH＜0，反之则为吸热反应，ΔH＞0；在AMS平台中计算反应热有两种方式，第一种是利用键能计算反应热，第二种是利用反应前后分子的能量差进行计算；利用键能计算反应热，是把拆开分子内某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能，计算方法为ΔH＝Ebond(反应物)‑Ebond(生成物)，即反应热等于反应物的键能总和与生成物键能总和之差；由反应物和生成物的总能量计算反应热，计算方法为ΔH＝生成物总能量‑反应物的总能量；针对反应物和生成物均为分子形态的化学反应，采用第二种方法对其反应热进行计算，选择M06‑2X泛函方法和TZP基组，并设置反应体系的温度值T，分别对化学反应前后的反应物和生成物进行分子结构能量计算，得到其在相应体系内的能量，然后计算得到该反应途径的反应热；针对反应物和生成物存在自由基形态的化学反应，采用第一种方法对其反应热进行计算，选择B3LYP‑D3(BJ)泛函方法和TZP基组，并设置反应体系的温度值T和自由基的不成对电子数，计算反应前后体系的总键能差值，该差值即为该反应途径的反应热；最后以反应热作为判据，判断该反应途径吸热或放热的程度来判断其是否会自发进行。