CN105572159B - 一种基于分子动力学和局部放电下sf6分解分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分子动力学和局部放电下SF6分解分析方法，包括：步骤一、构建SF6分子模拟模型；步骤二、计算SF6分子位置更新前后，SF6分子的能量变化△U；步骤三、若△U小于或等于0，则更新SF6分子的位置，并转至步骤五；若△U大于0，则转至步骤四；步骤四、判断是否满足边界条件，若满足件，则更新SF6分子的位置，若不满足，则不进行SF6分子位置更新；步骤五、统计位置更新后SF6分子的热力学性质；步骤六、判断SF6分子的热力学性质是否发生变化，若是，则输出位置更新后SF6的热力学性质。本发明从宏观与微观两方面分析，揭示了SF6气体的放电机理和分解过程，并提高SF6气体分解研究效率。
Description
技术领域
本发明涉及气体分析领域，特别是涉及一种基于分子动力学和局部放电下 SF6分解分析方法。
背景技术
SF6气体已有百年历史，它是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体。六氟化硫具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能。其耐电强度为同一压力下氮气的2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍，灭弧能力是空气的100倍，是一种优于空气和油之间的新一代超高压绝缘介质材料。六氟化硫以其良好的绝缘性能和灭弧性能，如：断路器、高压变压器、气封闭组合电容器、高压传输线、互感器等。
SF6气体在局部放电的作用下，将发生分解产生低氟化物，这些亚稳定物质与设备中的O2或者H2O进一步反应生成SO2F2、SOF4、SOF2、SO2、H2S、 S2F10O、HF、CF4等产物。其中，酸性物质SO2、H2S、HF具有腐蚀作用，破坏材料造成绝缘强度下降，进而引发生产事故。检测气体放电规律通常是采用实验手段来研究，现有的SF6气体实验方法可以测出在一定条件下气体的击穿强度，但无法准确的揭示SF6气体的放电机理，也无法准确地分析SF6气体的分解过程。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于分子动力学和局部放电下SF6分解分析方法，用于揭示SF6气体的放电机理和分解过程，和提高SF6气体分解研究效率。
本发明是这样实现的：
一种基于分子动力学和局部放电下SF6分解分析方法，包括：
步骤一、构建SF6分子模拟模型，设定SF6初始位置和试验初始条件；
步骤二、计算SF6分子模拟模型中SF6分子位置更新前后，SF6分子的能量变化△U；
步骤三、若所述能量变化△U小于或等于0，则更新SF6分子模拟模型中SF6分子的位置，并转至步骤五；若所述能量变化△U大于0，则转至步骤四；
步骤四、判断是否满足预设的边界条件，若满足边界条件，则更新SF6分子模拟模型中SF6分子的位置，若不满足边界条件，则不进行SF6分子位置更新；
步骤五、统计位置更新后SF6分子的热力学性质；
步骤六、判断SF6分子的热力学性质是否发生变化，若是，则输出位置更新后SF6的热力学性质；若否，则跳转至步骤二。
进一步的，所述试验初始条件包括对SF6进行局部放电的参数和O2、H2O 的浓度。
进一步的，所述步骤五中所统计的SF6分子的热力学性质包括：温度、速度、加速度、键力、键能、以及温度、速度、加速度、键力、键能随时间变化的对应关系。
进一步的，在步骤六之后还包括：
步骤七、将步骤一所述的试验初始条件施加于SF6分解测试装置，对SF6气体进行局部放电分解试验，所述SF6分解测试装置包括主控PC机、输出控制器和气体放电反应罐；所述气体放电反应罐为圆柱形密封不锈钢罐体，在罐体上设置有连通于罐体内部的真空泵、真空压力表、高压放电装置、SF6进气口、氧气进气口和加湿口，所述SF6进气口通过第一电磁阀连接于SF6气罐，氧气进气口通过第二电磁阀连接于氧气罐，加湿口通过第三电磁阀连接于加湿器；所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、加湿器、高压放电装置、真空泵和真空压力表连接于所述输出控制器，输出控制器连接于所述主控PC机；
步骤八、分析比对采用SF6分子模拟模型进行模拟所得到的SF6的热力学性质，与步骤七中采用局部放电分解试验所述得到的SF6分解产物，建立SF6的热力学性质与SF6分解产物之间的对应关系。
本发明的有益效果为：本发明基于分子动力学和局部放电下SF6分解分析方法通过构建SF6分子模拟模型，在气体放电的情况下，从分子结构角度考察电场和热场因素，对SF6气体分解过程的影响，从而从微观角度揭示了SF6气体的放电机理和分解过程，并提高SF6气体分解研究效率。
附图说明
图1为本发明实施方式中基于分子动力学模拟SF6分析流程图；
图2为本发明实施方式中所涉及的SF6分解测试装置的结构示意图。
标号说明：
1、主控PC机； 2、输出控制器； 3、气体放电反应罐；
4、真空压力表； 5、第二电磁阀； 6、第一电磁阀；
7、第三电磁阀； 8、真空泵； 9、高压放电装置；
10、加湿器； 11、加热装置； 12、传感器接入口；
13、传感器。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
本发明公开了一种基于分子动力学和局部放电下SF6分解分析方法，包括构建SF6分子模拟模型，和设定SF6初始位置和试验初始条件，其中，所述试验初始条件包括对SF6进行局部放电的参数和O2、H2O的浓度。以及对SF6分子模拟模型进行模拟运行。请参阅图1，SF6分子模拟模型的模拟过程包括：
构建SF6分子模拟模型，和设定SF6初始位置和试验初始条件；以及确定系统初始条件和边界条件，选择计算作用于所有SF6分子上的力，改变所有SF6 分子的速度以确保总动量为零，并标定速度以使平均动能为指定值。其中，本实施方式以SF6分子构建模拟模型，进行模拟计算，SF6势能函数模型为改进的高斯模型构建，动力学模拟采用正则系统(NVT)，采用COMPASS力场，初始温度：150K，解裂温度750K。
随机移动SF6分子模拟模型中SF6分子到新的位置，即更新SF6分子的位置，并计算SF6分子到新的位置前后系统的能量变化△U，能量变化△U通过求解SF6分子牛顿运动方程积分，选择目前合适的算法，假定SF6分子位置、速度和加速度等物理量，进行求解得到。
比较SF6分子移动后的能量变化和边界条件决定是否接受SF6分子移动。
接着统计系统的热力学性质及其它物理量，若统计性质变化，没有达到循环条件，则继续循环程序运行，否则模拟结束。所统计的热力学性质和物理量包括：温度、速度、加速度、键力、键能、以及温度、速度、加速度、键力、键能随时间变化的对应关系。
本实施方式通过构建SF6分子模拟模型，在气体放电的情况下，从分子结构角度考察电场和热场因素，对SF6气体分解过程的影响，从而从微观角度揭示了 SF6气体的放电机理和分解过程，并提高SF6气体分解研究效率。
进一步，本实施方式还结合上述SF6分子模拟模型模拟过程与SF6分解分析试验对SF6分解进行研究。
在上述SF6分子模拟模型模拟中，改变SF6分子模拟模型的试验初始条件，即改变SF6的各种放电条件和O2、H2O的浓度，进行SF6分子模拟模型模拟，分析SF6分解机理及O2和H2O等影响因素的作用下的机理。并在SF6分子模拟模型中的SF6分子的热力学性质发生变化时，将同样的条件(即所述试验初始条件)施加于SF6分解测试装置对SF6进行试验。
请参阅图2，所述SF6分解测试装置包括主控PC机1、输出控制器2和气体放电反应罐3。所述气体放电反应罐3为圆柱形密封不锈钢罐体，在罐体上设置有连通于罐体内部的真空泵8、真空压力表4、高压放电装置9、SF6进气口、氧气进气口和加湿口，所述SF6进气口通过第一电磁阀6连接于SF6气罐，氧气进气口通过第二电磁阀5连接于氧气罐，加湿口通过第三电磁阀7连接于加湿器10。并且所述第一电磁阀6、第二电磁阀5、第三电磁阀7、加湿器10、高压放电装置9、真空泵8和真空压力表4均连接于所述输出控制器2，输出控制器连接于所述主控PC机。
在气体放电反应罐3的侧壁还设置有传感器接入口12，传感器13从所述传感器接入口12接入至气体放电反应罐3内；在在气体放电反应罐3的底部还设置有加热装置11，所述传感器13和加热装置11均连接于输出控制器2。
其中，所述主控PC机1中设置有SF6放电机理测试控制程序，主控PC机通过输出控制器2控制SF6的放电参数，控制的参数包括含氧量、温度、湿度、压力等。
在本实施方式中，所述高压放电装置9包括电极93、高压导电杆92和高压电源91，所述电极93固定于气体放电反应罐3的侧壁并延伸至罐体内，电极 93、高压导电杆92和高压电源91依次连接，在电极93与气体放电反应罐3之间设置有高压绝缘套管94。其中，所述高压电源91为数控可调式高压电柜。
所述试验初始条件通过主控PC机1和输出控制器2施加于气体放电反应罐 3内的SF6。
通过分析比对采用SF6分子模拟模型进行模拟所得到的SF6的热力学性质，与采用SF6分解测试装置进行局部放电分解试验所述得到的SF6分解产物，建立 SF6的热力学性质与SF6分解产物之间的对应关系。本实施方式采用理论结合试验方法研究，其不但可以获得系统参数对SF6气体放电过程的影响以及作用机制，而且所述SF6分解测试装置还能够优化放电系统并实现控制气体放电过程，并将理论实验条件直接施加于试验装置进行实际情况分析。通过对照SF6的热力学性质与SF6分解产物之间的对应关系，来建立SF6在分解变化过程中微观变化 (即热力学性质变化)与宏观变化(即分解时的条件以及对应的产物)之间的对应关系，因此，通过对SF6分子模拟模型进行模拟计算，即可得出SF6分子的实际宏观变化，即实际的分解变化，从微观与宏观双角度相结合揭示SF6气体的放电机理和分解过程，大大提高了SF6气体放电机理的研究效率，为准确掌握 SF6气体的放电机理和分解过程提供了宝贵的数据支持。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于分子动力学和局部放电下SF6分解分析方法，其特征在于，包括：
步骤一、构建SF6分子模拟模型，设定SF6初始位置和试验初始条件；
步骤二、计算SF6分子模拟模型中SF6分子位置更新前后，SF6分子的能量变化△U；
步骤三、若所述能量变化△U小于或等于0，则更新SF6分子模拟模型中SF6分子的位置，并转至步骤五；若所述能量变化△U大于0，则转至步骤四；
步骤四、判断是否满足预设的边界条件，若满足边界条件，则更新SF6分子模拟模型中SF6分子的位置，若不满足边界条件，则不进行SF6分子位置更新；
步骤五、统计位置更新后SF6分子的热力学性质；
步骤六、判断SF6分子的热力学性质是否发生变化，若是，则输出位置更新后SF6的热力学性质；若否，则跳转至步骤二；
步骤七、将步骤一所述的试验初始条件施加于SF6分解测试装置，对SF6气体进行局部放电分解试验，所述SF6分解测试装置包括主控PC机、输出控制器和气体放电反应罐；所述气体放电反应罐为圆柱形密封不锈钢罐体，在罐体上设置有连通于罐体内部的真空泵、真空压力表、高压放电装置、SF6进气口、氧气进气口和加湿口，所述SF6进气口通过第一电磁阀连接于SF6气罐，氧气进气口通过第二电磁阀连接于氧气罐，加湿口通过第三电磁阀连接于加湿器；所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、加湿器、高压放电装置、真空泵和真空压力表连接于所述输出控制器，输出控制器连接于所述主控PC机；
步骤八、分析比对采用SF6分子模拟模型进行模拟所得到的SF6的热力学性质，与步骤七中采用局部放电分解试验所述得到的SF6分解产物，建立SF6的热力学性质与SF6分解产物之间的对应关系。
2.根据权利要求1所述的基于分子动力学和局部放电下SF6分解分析方法，其特征在于，所述试验初始条件包括对SF6进行局部放电的参数和O2、H2O的浓度。
3.根据权利要求1所述的基于分子动力学和局部放电下SF6分解分析方法，其特征在于，所述步骤五中所统计的SF6分子的热力学性质包括：温度、速度、加速度、键力、键能、以及温度、速度、加速度、键力、键能随时间变化的对应关系。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20160511 Assignee: UNICOMPOUND SEMICONDUCTOR Corp. Assignor: PUTIAN University Contract record no.: X2023350000324 Denomination of invention: A Decomposition Analysis Method for SF Based on Molecular Dynamics and Partial Discharge Granted publication date: 20180601 License type: Common License Record date: 20230809 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |