CN110705069A - Ti2N传感器检测油中溶解气体的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ti₂N传感器检测油中溶解气体特征组分的仿真计算方法，包括如下步骤：S1.确定几种主要的油中溶解气体特征组分，包括H₂，CH₄以及C₂H₂并建立对应分子模型；S2.确定Ti₂N最稳定的电子构型；S3.计算该Ti₂N构型对油中溶解气体的吸附能力、电子转移量，并获取吸附后的电导率变化；S4.利用S3中的吸附能力和电导率数据得到Ti₂N单层对不同特征气体的气敏响应特征。通过上述方法，可以准确、有效的对Ti₂N传感器检测油中溶解气体特征组分的能力和响应特性仿真，从而利于对Ti₂N传感器的特性进行准确把握，便于后续对油中溶解气体进行监测时准确表征变压器设备的动态特性。

Description

Ti2N传感器检测油中溶解气体的仿真方法

技术领域

本发明涉及一种传感器仿真方法，尤其涉及一种Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真方法。

背景技术

变压器油是石油类的液体，有燃烧的可能性，环保方面有缺点。但由于变压器油具有性能优良和价格低廉的特点，绝大多数的电力变压器仍使用变压器油作为绝缘和冷却介质。19世纪末，变压器开始使用变压器油作为绝缘和冷却介质，出现了油浸式变压器，变压器油除天然存储量丰富、价格低廉外，由于变压器油具有下列特点，因而得到广泛的应用。油浸式电力变压器占全部变压器的90％以上，被认为是高压电力系统中最重要，最有价值的设备。

然而，长期运行的变压器中不可避免的绝缘缺陷。因电场、水分、温度和机械力等诸多作用会使绝缘老化。如过热，局部放电和高能放电，可能会使变压器的工作状态恶化导致严重的电力事故，如漏油，火灾和大规模停电。同时，这些故障会将内部填充的绝缘油分解成氢气(H₂)和其他几种烃类气体，如甲烷(CH₄)，乙烷(C₂H₆)，乙烯(C₂H₄)和乙炔(C₂H₂)，相应地溶解到油中。不同的故障条件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。因此，监测变压器油中的溶解气体，称为溶解气体分析(DGA)，已被认为是一种方便的方法，能可靠地估算变压器的运行状态，保证电力系统的稳定运行，同时减少对国民经济的损害。根据不同特征气体的组成成分对变压器中的故障进行判断时，应该能确定故障时变压器油中气体组成成分与故障类型的对应关系，这种规律可以依据经验来总结。因此，一些专家们，在总结实际研究现象的基础上，得出变压器油中特征气体法。而IEC(国际电工委员会)组织在此方法的基础上，推出了一系列标准方法。而在我国的DL/T722-2000变压器油中溶解气体分析和判断导则中，对变压器油中溶解气体的分析方法推荐的是三比值法。在众多可能的方法中，电阻式传感器由于其结构简单，灵敏度高，响应速度快，成本低，功耗低等优点，可以通过理想的电阻率型传感器在线检测油中的溶解气体产物。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真计算方法，可以准确、有效的对Ti₂N单层传感器检测油中溶解气体特征组分的能力和响应特性仿真计算，用于准确表征变压器的动态特性。

本发明提供的一种Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真计算方法，包括如下步骤：

S1.确定几种主要的油中溶解气体特征组分，包括H₂，CH₄以及C₂H₂并建立对应分子模型；

S2.确定Ti₂N最稳定的电子构型；

S3.计算该Ti₂N构型对油中溶解气体的吸附能力、电子转移量，并获取吸附后的电导率变化；

S4.利用S3中的吸附能力和电导率数据得到Ti₂N单层对不同特征气体的气敏响应特征。进一步，步骤S2中，根据如下方法确定Ti₂N最稳定的电子结构:

S2-1：使用Modify-Electronic Configuration-Spin对Ti₂N单层上下表面的Ti原子指定自旋方向和数量，包括两种配置方式：指定两层Ti原子为铁磁型构型或者指定为反铁磁型，通过比较最终的能量高低判断Ti₂N的磁性构型，并基于此模型展开后续工作；

S2-2：使用Materials Studio软件构建2×2的超晶胞模型，并基于软件的DMol³模块执行密度泛函理论(Density functional theory，DFT)；选择Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)的广义梯度近似(GGA)来计算几何优化；同时并用Grimme方法做修正；为了保证模型层与层之间无相互干扰，设置层与层之间的真空距离为

S2-3：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，为确保精度，更改“Electronic”子选项页的Monkhorst-Pack(MP)网络K点设置为密集的13×13×1；

DMol³的Calculation中，“Properties”子选项页中，勾选“Band structure”、“Density of states”、“Electron density”、“Electrostatics”、“Population analysis”五个选项，并将“Density of states”态密度(DOS)的MP K点设置为更密集的19×19×2，几何结构优化计算后，比较铁磁型和反铁磁型构型的总能量，确定最稳定掺杂构型。

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(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。

进一步，步骤S3中，具体步骤如下：

将油中溶解气体的特征组分以不同的姿态靠近稳定的Ti₂N结构的表面，并按照S1-1的步骤对吸附特征分解组分的Ti₂N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：

E_ab＝E_tot(ab)-E_tot(molecule)-E_tot(Ti₂N)

E_ab为吸附能，E_tot(ab)为掺杂结构吸附分子后的总能量，E_tot(molecule)为被吸附气体的分子总能量，E_tot(Ti₂N)为Ti₂N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：

R_stable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Ti₂N传感器对油中溶解气体的特征组分的气敏响应特性：

确定出Ti₂N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Ti₂N传感器的恢复时间，该时间为Ti₂N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Ti₂N传感器检测有种溶解气体特征组分的能力和响应特性仿真，从而利于对Ti₂N传感器的特性进行准确把握，便于后续对有种溶解气体进行监测时准确表征变压器设备的动态特性，利于对变压器设备内的故障的类型和严重程度进行判断，能够准确的发现变压器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为稳定的Ti₂N晶胞模型，(a)为铁磁构型，(b)为反铁磁构型。

图3为Ti₂N对吸附不同油中溶解气体特征组分后的态密度曲线图。

图4为优化后的H₂分子结构模型。

图5为优化后的CH₄分子结构模型。

图6为优化后的C₂H₂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Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真计算方法，包括如下步骤：

S1.确定几种主要的油中溶解气体特征组分，包括H₂，CH₄以及C₂H₂并建立对应分子模型；

S2.确定Ti₂N最稳定的电子构型；

S3.计算该Ti₂N构型对油中溶解气体的吸附能力、电子转移量，并获取吸附后的电导率变化；

S4.利用S3中的吸附能力和电导率数据得到Ti₂N单层对不同特征气体的气敏响应特征。

本实施例中，步骤S2中，根据如下方法确定Ti₂N最稳定的电子结构:

S2-1：使用“Modify-Electronic Configuration-Spin”对Ti₂N单层上下表面的Ti原子指定自旋方向和数量。一种配置是指定两层Ti原子为铁磁型构型，另一种则指定为反铁磁型。通过比较最终的能量高低判断Ti₂N的磁性构型，并基于此模型展开后续工作。

S2-2：使用Materials Studio(MS)软件构建2×2的超晶胞模型，并基于软件的DMol³模块执行密度泛函理论(Density functional theory，DFT)。选择Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)的广义梯度近似(GGA)来计算几何优化。同时并用Grimme方法做修正。为了保证模型层与层之间无相互干扰，设置层与层之间的真空距离为

S2-3：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，为确保精度，更改“Electronic”子选项页的Monkhorst-Pack(MP)网络K点设置为密集的13×13×1。

DMol³的Calculation中，“Properties”子选项页中，勾选“Band structure”、“Density of states”、“Electron density”、“Electrostatics”、“Population analysis”五个选项，并将“Density of states”态密度(DOS)的MP K点设置为更密集的19×19×2，几何结构优化计算后，比较铁磁型和反铁磁型构型的总能量，确定最稳定掺杂构型。

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：

将油中溶解气体的特征组分以不同的姿态靠近稳定的Ti₂N结构的表面，并按照S1-1的步骤对吸附特征分解组分的Ti₂N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。

本实施例中，步骤S3中，吸附能根据如下公式计算：

E_ab＝E_tot(ab)-E_tot(molecule)-E_tot(Ti₂N)

E_ab为吸附能，E_tot(ab)为掺杂结构吸附分子后的总能量，E_tot(molecule)为被吸附气体的分子总能量，E_tot(Ti₂N)为Ti₂N晶胞能量。

本实施例中，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：

R_stable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。

本实施例中，步骤S3中，根据如下方法确定出Ti₂N传感器对油中溶解气体的特征组分的气敏响应特性：

确定出Ti₂N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Ti₂N传感器的恢复时间，该时间为Ti₂N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Ti₂N的铁磁和反铁磁构型模型，其优化后的两种晶胞模型如图2所示，其能量和优化好的气体分子能量如表1所示：

表1各分子和Ti₂N两种电子构型的总能量

由关吸附能数据表(表2)可知，，Ti2N单层对于H₂、C₂H₂的吸附能均大于化学吸附临界值(0.8eV)，且吸附能力较强，而对于CH₄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CH₄气体进行气敏性分析。主要对H₂、C₂H₂两种吸附能力强的气体分析气敏特性变化。

表2 Ti₂N对三种特征气体的吸附数据

利用S3中的吸附能力和电导率数据得到Ti₂N单层对不同特征气体的气敏响应特性。

分析图3可知，对于H₂、C₂H₂两种吸附能力很强的气体，Ti₂N吸附它们后电导率均有较明显的减小。在态密度图上体现为费米能级(虚线处)的值减少。电子从价带往导带跃迁的可能性减小。综上可得，该实施过程的结果为：Ti₂N对于油中溶解特征气体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种Ti₂N传感器检测油中溶解气体特征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Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.确定几种主要的油中溶解气体特征组分，包括H₂，CH₄以及C₂H₂并建立对应分子模型；

S2.确定Ti₂N最稳定的电子构型；

S3.计算该Ti₂N构型对油中溶解气体的吸附能力、电子转移量，并获取吸附后的电导率变化；

S4.利用S3中的吸附能力和电导率数据得到Ti₂N单层对不同特征气体的气敏响应特征。

2.根据权利要求1所述Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真方法，其特征在于：步骤S2中，根据如下方法确定Ti₂N最稳定的电子结构:

S2-1：使用Modify-Electronic Configuration-Spin对Ti₂N单层上下表面的Ti原子指定自旋方向和数量，包括两种配置方式：指定两层Ti原子为铁磁型构型或者指定为反铁磁型，通过比较最终的能量高低判断Ti₂N的磁性构型，并基于此模型展开后续工作；

S2-2：使用Materials Studio软件构建2×2的超晶胞模型，并基于软件的DMol³模块执行密度泛函理论，选择Perdew-Burke-Ernzerhof的广义梯度近似函数来计算几何优化，同时并用Grimme方法做修正，且设置层与层之间的真空距离为

S2-3：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，为确保精度，更改“Electronic”子选项页的Monkhorst-Pack网络K点设置为密集的13×13×1；

DMol³的Calculation中，“Properties”子选项页中，勾选“Band structure”、“Densityof states”、“Electron density”、“Electrostatics”、“Population analysis”五个选项，并将“Density of states”态密度的MP K点设置为更密集的19×19×2，几何结构优化计算后，比较铁磁型和反铁磁型构型的总能量，确定最稳定掺杂构型。

3.根据权利要求2所述Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真方法，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Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真方法，其特征在于：步骤S3中，具体步骤如下：

将油中溶解气体的特征组分以不同的姿态靠近稳定的Ti₂N结构的表面，并按照S1-1的步骤对吸附特征分解组分的Ti₂N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。

5.根据权利要求4所述Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真方法，其特征在于：步骤S3中，吸附能根据如下公式计算：

E_ab＝E_tot(ab)-E_tot(molecule)-E_tot(Ti₂N)

E_ab为吸附能，E_tot(ab)为掺杂结构吸附分子后的总能量，E_tot(molecule)为被吸附气体的分子总能量，E_tot(Ti₂N)为Ti₂N晶胞能量。

6.根据权利要求5所述Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真方法，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：

R_stable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Ti₂N传感器检测油中溶解气体的仿真方法，其特征在于：步骤S3中，根据如下方法确定出Ti₂N传感器对油中溶解气体的特征组分的气敏响应特性：

确定出Ti₂N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Ti₂N传感器的恢复时间，该时间为Ti₂N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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