CN110688751A - 铂掺杂改性石墨炔传感器检测sf6的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，包括如下步骤：S1.确定出SF6气体的特征分解组分，包括H2S，S02，SO2F2以及SOF2；S2.确定出石墨炔结构中稳定的掺杂结构；S3.计算稳定的掺杂结构对SF6中的特征分解组分的吸附能、电子转移量，并确定出稳定的掺杂结构吸附特征分解组分后的电阻变化率；S4.根据步骤S3中的吸附能和电阻变化率得出铂掺杂改性石墨炔传感器对各特征分解组分的气敏相应特性，通过上述方法，可以准确、有效的对铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6气体特征分解组分的能力和响应特性仿真，从而利于对铂掺杂改性石墨炔传感器的特性进行准确把握，便于后续对SF6气体进行监测时准确表征GIS设备的动态特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器仿真方法，尤其涉及一种铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法。
背景技术
以六氟化硫气体(SF6)作为绝缘和灭弧介质的SF6气体绝缘设备(如气体绝缘组合电气GIS、气体绝缘变压器GIT、气体绝缘线路GIL等)自投运以来，便以其可靠性高、维护量小、占地面积小、配置灵活等优点迅速发展并广泛应用于电力系统的高压和超/特高压领域，已逐渐成为现代变电站的首选设备和重要标志之一。
GIS内部的局部放电(Partial Discharge,PD)的发生伴随着许多如电磁波、超声波、光波等物理过程。目前主要监测方法有脉冲电流法、光测法、超声波测法、超高频法等。脉冲电流法是检测PD的传统方法，精度较高，能对放点量进行标定，但是在实际中容易受诸多干扰的影响，一般适合在实验室中应用；光测法不容易受复杂电磁环境干扰，同时能对PD源定位，但需要在每个GIS气室安装传感器，成本较高；超声波法能对PD源进行定位，但是测量精度低；以上三种均不易发展成精确PD在线监测手段。而超高频法有许多优点，但是目前难以对PD放电量标定，抗干扰等技术有待提高。这些方法主要针对GIS中的PD监测，对于GIS内的局部温度过高(Partial Overheating,PO)的监测并不适用。
SF6气体在电或热效应的作用下会发生分解，一般情况下分解生成的低氟硫化物会与氟原子复合生成SF6，但是在GIS内部痕量水(H2O)与氧(O2)的作用下，会生成一系列不同气体组分，包括SO2F2、SOF2、SO2、SOF4、H2S等。不同条件PD或PO下生成的分解产物种类与浓度具有一定的特征，能够以此对故障的类型和严重程度进行判断。现有技术中，对于SF6气体的检测通常采用传感器进行检测，比如石墨炔传感器，但是，传感器在检测SF6的分解气体时，需要对石墨炔传感器的特性进行充分了解，目前，还没有一种准确的方法实现上述技术目的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，可以准确、有效的对铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6气体特征分解组分的能力和响应特性仿真，从而利于对铂掺杂改性石墨炔传感器的特性进行准确把握，便于后续对SF6气体进行监测时准确表征GIS设备的动态特性。
本发明提供的一种铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，包括如下步骤：
S1.确定出SF6气体的特征分解组分，包括H2S，S02，SO2F2以及SOF2；
S2.确定出石墨炔结构中稳定的掺杂结构；
S3.计算稳定的掺杂结构对SF6中的特征分解组分的吸附能、电子转移量，并确定出稳定的掺杂结构吸附特征分解组分后的电阻变化率；
S4.根据步骤S3中的吸附能和电阻变化率得出铂掺杂改性石墨炔传感器对各特征分解组分的气敏相应特性。
进一步，步骤S2中，根据如下方法确定石墨炔结构中稳定的掺杂结构:
计算铂掺杂石墨炔模型的掺杂形成能Eform(C→Pt)：
Eform(C→Pt)＝Etot(Pt-doped)-Etot(pristine)+μc-μPt；
Etot(Pt-doped)为铂掺杂后的石墨炔晶胞的总能量，Etot(pristine)为掺杂前石墨炔晶胞的总能量；μc为单个碳原子在石墨炔晶胞中的能量，μPt为单个铂原子在石墨炔晶胞中的能量；
对各石墨炔结构的掺杂形成能进行排序，找出掺杂性能最小的掺杂石墨炔结构作为稳定的掺杂结构。
进一步，步骤S1中，还包括对特征分解组分的分子结构进行优化的步骤：
S1-1.使用Materials Studio软件画出分子结构，并基于Materials Studio软件的DMol3模块构建并执行密度泛函数理论，选择Perdew-Burke-Ernzerhof的广义梯度近似函数GGA对分子结构进行优化得到稳定分子模型；
优化时参数选择如下：
能量收敛精度为1×10-5Ha，最大应力为
最大位移为
DMol3的Calculation中“Setup”自选项页中，优化精度/质量Quality选择最高项：“Fine”，“Task”修改为“Geometry Optimization”。
自洽场公差为1×10-6，将DIIS大小设置为6，加快SCF收敛速度。
DMol3的Calculation中，“Properties”子选项页中，勾选“Density of states”、“Electron density”、“Electrostatics”、“Population analysis”四个选项。
进一步，步骤S3中，具体步骤如下：
将SF6的特征分解组分以不同的姿态靠近稳定的石墨炔掺杂结构的表面，并按照S1-1的步骤对吸附特征分解组分的石墨炔掺杂结构的分子结构进行优化；
采用在Materials Studio软件的DMol3模块进行各能量以及电子转移量的计算，其中，Materials Studio软件的DMol3模块进行如下方式设置：能量收敛精度为1×10-5Ha，最大应力为
最大位移为
DMol3的Calculation中“Setup”自选项页中，优化精度/质量(Quality)选择最高项：“Fine”；“Properties”子选项页中“Task”修改为“Energy”，然后修改“Electronic”子选项页的MP K点为1×1×1，“Properties”子选项页中，只勾选Orbitals，并确保Orbitals的HOMO、LUMO。
进一步，步骤S3中，吸附能根据如下公式计算：
Eab＝Etot(ab)-Etot(molecule)-Etot(Pt_graphdiyne)
Eab为吸附能，Etot(ab)为掺杂结构吸附分子后的总能量，Etot(molecule)为被吸附气体的分子总能量，Etot(Pt_graphdiyne)为掺杂铂原子后的石墨炔晶胞能量。
进一步，步骤S3中，掺杂结构吸附特征分解组分后的电阻变化率R％根据如下方法确定：
Rstable表示传感器在被测气体中的电阻稳定值，R0表示传感器在真空中的初始稳定电阻。
进一步，步骤S3中，根据如下方法确定出铂掺杂改性石墨炔传感器对各特征分解组分的气敏相应特性：
确定出铂掺杂改性石墨炔传感器的响应时间，该时间为被测气体通入到传感器中，传感器的电阻值变化达到稳定电阻值的90％时所需要的时间；
确定出铂掺杂改性石墨炔传感器的恢复时间，该时间为铂掺杂改性石墨炔传感器在被测气体中达到电阻稳定值后，对传感器进行抽真空处理，使被测气体脱离传感器，在脱离过程中，传感器的阻值恢复到初始稳定电阻时所需要的时间；
由响应时间以及恢复时间为坐标横轴，以电阻变化率为纵轴得到传感器的气敏响应特性曲线。
本发明的有益效果：通过本发明，可以准确、有效的对铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6气体特征分解组分的能力和响应特性仿真，从而利于对铂掺杂改性石墨炔传感器的特性进行准确把握，便于后续对SF6气体进行监测时准确表征GIS设备的动态特性，利于对GIS设备内的故障的类型和严重程度进行判断，能够准确的发现GIS内部潜伏性绝缘缺陷，避免发生因潜伏性绝缘缺陷造成的突发性故障。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的以八种不同的铂掺杂石墨炔优化后的晶胞模型。
图3为铂掺杂改性石墨炔从不同方向吸附特征分解组分后的态密度曲线图。
图4为优化后的H2S分子结构模型。
图5为优化后的SO2F2分子结构模型。
图6为优化后的SO2分子结构模型。
图7为优化后的SOF2分子结构模型。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明：
本发明提供的一种铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，包括如下步骤：
S1.确定出SF6气体的特征分解组分，包括H2S，S02，SO2F2以及SOF2；
S2.确定出石墨炔结构中稳定的掺杂结构；
S3.计算稳定的掺杂结构对SF6中的特征分解组分的吸附能、电子转移量，并确定出稳定的掺杂结构吸附特征分解组分后的电阻变化率；
S4.根据步骤S3中的吸附能和电阻变化率得出铂掺杂改性石墨炔传感器对各特征分解组分的气敏相应特性，通过上述方法，可以准确、有效的对铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6气体特征分解组分的能力和响应特性仿真，从而利于对铂掺杂改性石墨炔传感器的特性进行准确把握，便于后续对SF6气体进行监测时准确表征GIS设备的动态特性。
本实施例中，步骤S2中，根据如下方法确定石墨炔结构中稳定的掺杂结构:
计算铂掺杂石墨炔模型的掺杂形成能Eform(C→Pt)：
Eform(C→Pt)＝Etot(Pt-doped)-Etot(pristine)+μc-μPt；
Etot(Pt-doped)为铂掺杂后的石墨炔晶胞的总能量，Etot(pristine)为掺杂前石墨炔晶胞的总能量；μc为单个碳原子在石墨炔晶胞中的能量，μPt为单个铂原子在石墨炔晶胞中的能量；
对各石墨炔结构的掺杂形成能进行排序，找出掺杂性能最小的掺杂石墨炔结构作为稳定的掺杂结构。
本实施例中，步骤S1中，还包括对特征分解组分的分子结构进行优化的步骤：
S1-1.使用Materials Studio软件画出分子结构，并基于Materials Studio软件的DMol3模块构建并执行密度泛函数理论，选择Perdew-Burke-Ernzerhof的广义梯度近似函数GGA对分子结构进行优化得到稳定分子模型；
优化时参数选择如下：
能量收敛精度为1×10-5Ha，最大应力为
最大位移为
DMol3的Calculation中“Setup”自选项页中，优化精度/质量(Quality)选择最高项：“Fine”，“Task”修改为“Geometry Optimization”。
自洽场(self-consistent field(SCF))公差为1×10-6，将DIIS大小设置为6，加快SCF收敛速度。
DMol3的Calculation中，“Properties”子选项页中，勾选“Density of states”、“Electron density”、“Electrostatics”、“Population analysis”四个选项。
本实施例中，步骤S3中，具体步骤如下：
将SF6的特征分解组分以不同的姿态靠近稳定的石墨炔掺杂结构的表面，并按照S1-1的步骤对吸附特征分解组分的石墨炔掺杂结构的分子结构进行优化；
采用在Materials Studio软件的DMol3模块进行各能量以及电子转移量的计算，其中，Materials Studio软件的DMol3模块进行如下方式设置：能量收敛精度为1×10-5Ha，最大应力为
最大位移为
DMol3的Calculation中“Setup”自选项页中，优化精度/质量(Quality)选择最高项：“Fine”；“Properties”子选项页中“Task”修改为“Energy”，然后修改“Electronic”子选项页的MP K点为1×1×1，“Properties”子选项页中，只勾选Orbitals，并确保Orbitals的HOMO、LUMO。
步骤S3中，吸附能根据如下公式计算：
Eab＝Etot(ab)-Etot(molecule)-Etot(Pt_graphdiyne)
Eab为吸附能，Etot(ab)为掺杂结构吸附分子后的总能量，Etot(molecule)为被吸附气体的分子总能量，Etot(Pt_graphdiyne)为掺杂铂原子后的石墨炔晶胞能量。
步骤S3中，掺杂结构吸附特征分解组分后的电阻变化率R％根据如下方法确定：
Rstable表示传感器在被测气体中的电阻稳定值，R0表示传感器在真空中的初始稳定电阻。
步骤S3中，根据如下方法确定出铂掺杂改性石墨炔传感器对各特征分解组分的气敏相应特性：
确定出铂掺杂改性石墨炔传感器的响应时间，该时间为被测气体通入到传感器中，传感器的电阻值变化达到稳定电阻值的90％时所需要的时间；
确定出铂掺杂改性石墨炔传感器的恢复时间，该时间为铂掺杂改性石墨炔传感器在被测气体中达到电阻稳定值后，对传感器进行抽真空处理，使被测气体脱离传感器，在脱离过程中，传感器的阻值恢复到初始稳定电阻时所需要的时间；
由响应时间以及恢复时间为坐标横轴，以电阻变化率为纵轴得到传感器的气敏响应特性曲线。
以下以具体实例对本发明做出进一步详细说明：
构建8中掺杂铂原子的石墨炔晶胞：(1)铂原子取代石墨炔晶胞中碳环中的一个碳原子；(2)铂原子取代石墨炔晶胞中组成碳碳三键的两个碳原子中的其中一个碳原子；(3)铂原子位于石墨炔晶胞的碳环上方；(4)铂原子位于炔键位置上且与碳原子形成一对化学键；(5)铂原子位于炔键位置上且与碳原子形成两对化学键；(6)铂原子位于炔键位置上且与碳原子形成三对化学键；(7)铂原子与碳环相连；(8)铂原子位于多个碳环间的空隙中。
八种不同的铂掺杂石墨炔优化后的晶胞模型如图2所示，其能量如表1所示：
表1
表2 H2S分子不同方式靠近改性石墨炔吸附能
表3 SO2F2分子不同方式靠近改性石墨炔吸附能
表4 SO2分子不同方式靠近改性石墨炔吸附能
表5 SOF2分子不同方式靠近改性石墨炔吸附能
由态密度图和相关吸附能表(表2-表5)可知，铂掺杂石墨炔后，对于H2S、SO2、SOF2的吸附按多种方式接近吸附能均大于化学吸附临界值(0.8eV)，故对三种SF6特征分解气体的吸附为化学吸附，且吸附能力较强，尤其是SO2、H2S两种气体，对于SO2F2气体吸附能小，考虑为物理吸附，吸附能力弱，故本实施过程不对SO2F2气体做气敏性分析。主要对SO2、H2S、SOF2三种吸附能力强的气体分析气敏特性变化。
分析图3可知，对于SO2、H2S、SOF2三种吸附能力很强的气体，铂掺杂改性石墨炔吸附后导电率均有较明显的减小。综上可得，该实施过程的结果为：种铂掺杂改性石墨炔对于SF6的分解产物有较强的吸附能力以及明显的电导率变化，证实了本方法提到的一种铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6特征分解组分的仿真计算方法的可行性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.确定出SF6气体的特征分解组分，包括H2S，SO2，SO2F2以及SOF2；
S2.确定出石墨炔结构中稳定的掺杂结构；
S3.计算稳定的掺杂结构对SF6中的特征分解组分的吸附能、电子转移量，并确定出稳定的掺杂结构吸附特征分解组分后的电阻变化率；
S4.根据步骤S3中的吸附能和电阻变化率得出铂掺杂改性石墨炔传感器对各特征分解组分的气敏相应特性。
2.根据权利要求1所述铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，其特征在于：步骤S2中，根据如下方法确定石墨炔结构中稳定的掺杂结构：
计算铂掺杂石墨炔模型的掺杂形成能Eform(C→Pt)：
Eform(C→Pt)＝Etot(Pt-doped)-Etot(pristine)+μc-μPt；
Etot(Pt-doped)为铂掺杂后的石墨炔晶胞的总能量，Etot(pristine)为掺杂前石墨炔晶胞的总能量；μc为单个碳原子在石墨炔晶胞中的能量，μPt为单个铂原子在石墨炔晶胞中的能量；
对各石墨炔结构的掺杂形成能进行排序，找出掺杂性能最小的掺杂石墨炔结构作为稳定的掺杂结构。
3.根据权利要求2所述铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，其特征在于：步骤S1中，还包括对特征分解组分的分子结构进行优化的步骤：
S1-1.使用Materials Studio软件画出分子结构，并基于Materials Studio软件的DMol3模块构建并执行密度泛函数理论，选择Perdew-Burke-Ernzerhof的广义梯度近似函数GGA对分子结构进行优化得到稳定分子模型；
优化时参数选择如下：
能量收敛精度为1×10-5Ha，最大应力为
最大位移为
DMol3的Calculation中“Setup”自选项页中，优化精度/质量选择最高项：“Fine”，“Task”修改为“Geometry Optimization”；
自洽场公差为1×10-6，将DIIS大小设置为6，加快SCF收敛速度；
DMol3的Calculation中，“Properties”子选项页中，勾选“Density of states”、“Electron density”、“Electrostatics”、“Population analysis”四个选项。
4.根据权利要求3所述铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，其特征在于：步骤S3中，具体步骤如下：
将SF6的特征分解组分以不同的姿态靠近稳定的石墨炔掺杂结构的表面，并按照S1-1的步骤对吸附特征分解组分的石墨炔掺杂结构的分子结构进行优化；
采用在Materials Studio软件的DMol3模块进行各能量以及电子转移量的计算，其中，Materials Studio软件的DMol3模块进行如下方式设置：能量收敛精度为1×10-5Ha，最大应力为
最大位移为DMol3的Calculation中“Setup”自选项页中，优化精度/质量选择最高项：“Fine”；“Properties”子选项页中“Task”修改为“Energy”，然后修改“Electronic”子选项页的MP K点为1×1×1，“Properties”子选项页中，只勾选Orbitals，并确保Orbitals的HOMO、LUMO。
5.根据权利要求4所述铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，其特征在于：步骤S3中，吸附能根据如下公式计算：
Eab＝Etot(ab)-Etot(molecule)-Etot(Pt_graphdiyne)
Eab为吸附能，Etot(ab)为掺杂结构吸附分子后的总能量，Etot(molecule)为被吸附气体的分子总能量，Etot(Pt_graphdiyne)为掺杂铂原子后的石墨炔晶胞能量。
6.根据权利要求5所述铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，其特征在于：步骤S3中，掺杂结构吸附特征分解组分后的电阻变化率R％根据如下方法确定：
Rstable表示传感器在被测气体中的电阻稳定值，R0表示传感器在真空中的初始稳定电阻。
7.根据权利要求6所述铂掺杂改性石墨炔传感器检测SF6的仿真方法，其特征在于：步骤S3中，根据如下方法确定出铂掺杂改性石墨炔传感器对各特征分解组分的气敏相应特性：
确定出铂掺杂改性石墨炔传感器的响应时间，该时间为被测气体通入到传感器中，传感器的电阻值变化达到稳定电阻值的90％时所需要的时间；
确定出铂掺杂改性石墨炔传感器的恢复时间，该时间为铂掺杂改性石墨炔传感器在被测气体中达到电阻稳定值后，对传感器进行抽真空处理，使被测气体脱离传感器，在脱离过程中，传感器的阻值恢复到初始稳定电阻时所需要的时间；
由响应时间以及恢复时间为坐标横轴，以电阻变化率为纵轴得到传感器的气敏响应特性曲线。
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