CN110909304B - 一种环保gis中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，首先读取环保气体绝缘组合电器GIS的铭牌参数，确定其内所充绝缘气体的种类G、配比C、压力P；然后确定所述气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E；进而确定气体分解反应中过渡态结构TS的能量
及分解反应系数k(T)；最后计算所述气体过热分解产物演化特性ni(t)。本发明解决了现有技术中存在的由于环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性未知导致环保GIS无法广泛应用的问题。
Description
技术领域
本发明属于高压电气设备故障诊断和运行状态监测技术领域，具体涉及一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法。
背景技术
寻找SF6替代气体作为高压电气设备的绝缘和灭弧介质以应对全球气候变暖问题、保证电力从业者的健康，受到国内外学者的广泛关注。值得注意的是，C5F10O、C6F12O和C4F7N等新型人工合成气体具有很好的绝缘性能，全球变暖潜势很低且无毒，通过与CO2、空气或N2等背景气体混合来降低液化温度，替代SF6作为绝缘介质的潜力远超其余气体。ABB公司和阿尔斯通公司分别采用C5F10O+Air和C4F7N+CO2混合气体开发了145kV新型环保GIS样机，可以在实现较高绝缘能力的基础上满足一定程度的环保要求。武汉大学采用C6F12O研制出国内首台新型环保中压c-GIS，在南方电网所属地区率先挂网示范运行。
但是高压电气设备常常因为触头镀银层脱落、闭合不到位等因素引起触头接触不良，从而导致接触电阻增大，在大电流下出现局部温度升高，进一步促进接触电阻增大并造成绝缘气体分解。因此，以C5F10O、C6F12O和C4F7N等新型人工合成气体作为绝缘介质的新型环保GIS在运行过程中也将面临着局部过热威胁，而绝缘介质过热分解产物演化特性可以用于新型环保GIS故障诊断和运行状态监测，为设备及其所在电力系统的安全可靠运行提供保障。但是，新型环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性仍然未知，导致新型环保GIS无法广泛应用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，解决了由于新型环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性未知导致新型环保GIS无法广泛应用的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，解决了现有技术中存在的由于环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性未知导致环保GIS无法广泛应用的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、读取环保气体绝缘组合电器GIS的铭牌参数，确定其内所充绝缘气体的种类G、配比C、压力P；
步骤2、根据所述气体的种类G，确定所述气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E；
步骤3、根据所述步骤3中气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E，确定气体分解反应中过渡态结构TS的能量
及分解反应系数k(T)；
步骤4、根据所述气体的种类G、配比C、压力P、分解反应及其反应系数k(T)，以及所述环保气体绝缘组合电器GIS过热故障的温度T，计算所述气体过热分解产物演化特性ni(t)。
本发明的特点还在于，
步骤1中绝缘气体为人工合成气体C5F10O、C4F7N、C6F12O中的其中一种与背景气体CO2、N2、空气中的其中一种的混合气体。
人工合成气体与背景气体的比例为5％～30％：95％～70％。
步骤2中具体如下：
在定核近似公式(1)、绝热近似公式(2)和单电子近似公式(3)的条件下，利用简化为齐次线性代数方程组的
方程对分子轨道能级和展开系数进行迭代计算，分别根据式(4)-(6)获得所述分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E：
式中：
表示外势能；V(r)表示固定原子核时的电子势能；φi(r)表示第i个单电子轨道；
表示动能；
表示所有无相互作用的单电子轨道的动能总和；
表示电子间的相互作用；
表示电子间的经典库伦相互作用；ρ表示电子密度；r表示原子核间距；ρ(r)表示r处的电子密度；r1表示第1个原子核的位置；r2表示第2个原子核的位置；ρ(r1)表示r1处的电子密度；ρ(r2)表示r2处的电子密度；rβ表示第β个原子核的位置；ρ(rβ)表示rβ处的电子密度；
表示rβ处的平均电子密度；Zβ表示第β个原子核的电荷；δα表示第α个化学键的振动频率；fα表示第α个化学键的力常数；μα表示第α个化学键两端原子的折合质量；
表示约化普朗克常数；m表示约化质量。
步骤3具体如下：
根据所述气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E，确定该气体分解化学反应的正向反应的化学计量数υix和逆向反应的化学计量数υi′x，其中，x表示第x个化学反应，i表示第i个产物。过渡态结构TS的能量
通过求解方程组(7)获得：
式中：s表示反应坐标，E(s)表示反应坐标s上的反应势能，根据式(7)求解得到的E(s)即为过渡态结构TS的能量
所述反应系数k(T)根据过渡态理论表示为式(8)：
式中：κ(T)表示穿透因子，kB为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，R为理想气体常数，T为温度，P0＝0.1MPa，θ为化学反应中反应物的个数与产物的个数之差。
步骤4具体如下：
气体过热分解产物演化特性ni(t)根据质量作用定律表示为式(9)：
式中：ni(t)表示第i个产物的含量；t表示时间；i表示第i个产物；kx(T)表示第x个化学反应的速率系数；M表示化学反应的总数；R表示理想气体常数；T表示温度；nl表示第l个产物的含量；N表示产物的总数；υlx表示第x个化学反应中第l个产物前面的化学计量数。
最终获得气体过热分解产物含量随着时间的变化特性ni(t)。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一套计算流程，首先计算新型环保GIS内所充绝缘气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E，填补相关微观数据缺失的空白；其次计算绝缘气体分解反应及其反应系数k(T)，解决相关数据难以获取的难题，为计算过热分解产物演化特性提供基础参数；最后计算气体过热分解产物演化特性ni(t)，为新型环保GIS故障诊断和运行状态监测奠定基础。(2)本发明采用的绝缘气体可以是但不限于新型人工合成气体C5F10O分别与空气、CO2、N2等背景气体按照一定配比混合而成的气体，或者新型人工合成气体C4F7N等分别与空气、CO2、N2等背景气体按照一定配比混合而成的气体，或者新型人工合成气体C6F12O等分别与空气、CO2、N2等背景气体按照一定配比混合而成的气体，避免了SF6气体的使用，满足环保要求，具有显著社会效益。(3)本发明方法可以快速获得新型环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性，节省计算和试验成本，缩短设计周期。
附图说明
图1是本发明所述的新型环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性计算方法的流程图。
图2是应用本发明所述的新型环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性计算方法计算得到的C4F7N气体过热分解物演化特性。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，设计原理为：在定核近似、绝热近似和单电子近似等条件下，利用简化为齐次线性代数方程组的
方程对分子轨道能级和展开系数进行迭代计算，获得所述分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E，根据化学反应的能量路径确定反应势能E上的一阶鞍点TS和气体分解反应，利用过渡理论获得反应系数k(T)，进而根据质量定律计算气体过热分解产物演化特性ni(t)。
本发明一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、读取环保气体绝缘组合电器GIS的铭牌参数，确定其内所充绝缘气体的种类G、配比C、压力P；
步骤1中绝缘气体为人工合成气体C5F10O、C4F7N、C6F12O中的其中一种与背景气体CO2、N2、空气中的其中一种的混合气体。
人工合成气体与背景气体的比例为5％～30％：95％～70％。
步骤2、根据所述气体的种类G，确定所述气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E；
步骤2中具体如下：
在定核近似公式(1)、绝热近似公式(2)和单电子近似公式(3)的条件下，利用简化为齐次线性代数方程组的
方程对分子轨道能级和展开系数进行迭代计算，分别根据式(4)-(6)获得所述分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E：
式中：
表示外势能；V(r)表示固定原子核时的电子势能；φi(r)表示第i个单电子轨道；
表示动能；
表示所有无相互作用的单电子轨道的动能总和；
表示电子间的相互作用；
表示电子间的经典库伦相互作用；ρ表示电子密度；r表示原子核间距；ρ(r)表示r处的电子密度；r1表示第1个原子核的位置；r2表示第2个原子核的位置；ρ(r1)表示r1处的电子密度；ρ(r2)表示r2处的电子密度；rβ表示第β个原子核的位置；ρ(rβ)表示rβ处的电子密度；
表示rβ处的平均电子密度；Zβ表示第β个原子核的电荷；δα表示第α个化学键的振动频率；fα表示第α个化学键的力常数；μα表示第α个化学键两端原子的折合质量；
表示约化普朗克常数；m表示约化质量。
步骤3、根据所述步骤3中气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E，确定气体分解反应中过渡态结构TS的能量
及分解反应系数k(T)；
步骤3具体如下：
根据所述气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E，确定该气体分解化学反应的正向反应的化学计量数υix和逆向反应的化学计量数υi′x，其中，x表示第x个化学反应，i表示第i个产物。过渡态结构TS的能量
通过求解方程组(7)获得：
式中：s表示反应坐标，E(s)表示反应坐标s上的反应势能，根据式(7)求解得到的E(s)即为过渡态结构TS的能量
所述反应系数k(T)根据过渡态理论表示为式(8)：
式中：κ(T)表示穿透因子，kB为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，R为理想气体常数，T为温度，P0＝0.1MPa，θ为化学反应中反应物的个数与产物的个数之差。
步骤4、根据所述气体的种类G、配比C、压力P、分解反应及其反应系数k(T)，以及所述环保气体绝缘组合电器GIS过热故障的温度T，计算所述气体过热分解产物演化特性ni(t)。
步骤4具体如下：
气体过热分解产物演化特性ni(t)根据质量作用定律表示为式(9)：
式中：ni(t)表示第i个产物的含量；t表示时间；i表示第i个产物；kx(T)表示第x个化学反应的速率系数；M表示化学反应的总数；R表示理想气体常数；T表示温度；nl表示第l个产物的含量；N表示产物的总数；υlx表示第x个化学反应中第l个产物前面的化学计量数。
最终获得气体过热分解产物含量随着时间的变化特性ni(t)。
图2是应用本发明所述的新型环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性计算方法计算得到的C4F7N气体过热分解物演化特性。C4F7N气体在1000K开始分解，其摩尔分数随着温度的降低逐渐恢复至1，表明大多数C4F7N气体的过热分解物能够恢复为C4F7N气体分子；但是，仍有少量分解物，如CN、CF4、C3F7、CF2CF2、CF3CF2CF2、C2F4CN等，无法复合为C4F7N气体分子并存在于常温下。这些分解的类型和含量可以用于新型环保GIS故障诊断和运行状态监测。
Claims (5)
1.一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、读取环保气体绝缘组合电器GIS的铭牌参数，确定其内所充绝缘气体的种类G、配比C、压力P；
步骤2、根据所述气体的种类G，确定所述气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E；
所述步骤2中具体如下：
在定核近似公式(1)、绝热近似公式(2)和单电子近似公式(3)的条件下，利用简化为齐次线性代数方程组的
方程对分子轨道能级和展开系数进行迭代计算，分别根据式(4)-(6)获得所述分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E：
式中：
表示外势能；V(r)表示固定原子核时的电子势能；φi(r)表示第i个单电子轨道；
表示动能；
表示所有无相互作用的单电子轨道的动能总和；
表示电子间的相互作用；
表示电子间的经典库伦相互作用；ρ表示电子密度；r表示原子核间距；ρ(r)表示r处的电子密度；r1表示第1个原子核的位置；r2表示第2个原子核的位置；ρ(r1)表示r1处的电子密度；ρ(r2)表示r2处的电子密度；rβ表示第β个原子核的位置；ρ(rβ)表示rβ处的电子密度；
表示rβ处的平均电子密度；Zβ表示第β个原子核的电荷；δα表示第α个化学键的振动频率；fα表示第α个化学键的力常数；μα表示第α个化学键两端原子的折合质量；
表示约化普朗克常数；m表示约化质量；
步骤3、根据所述步骤3中气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E，确定气体分解反应中过渡态结构TS的能量
及分解反应系数k(T)；
步骤4、根据所述气体的种类G、配比C、压力P、分解反应及其反应系数k(T)，以及所述环保气体绝缘组合电器GIS过热故障的温度T，计算所述气体过热分解产物演化特性ni(t)。
2.根据权利要求1所述的一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，其特征在于，所述步骤1中绝缘气体为人工合成气体C5F10O、C4F7N、C6F12O中的其中一种与背景气体CO2、N2、空气中的其中一种的混合气体。
3.根据权利要求2所述的一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，其特征在于，所述人工合成气体与背景气体的比例为5％～30％：95％～70％。
4.根据权利要求1所述的一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：
根据所述气体的分子平衡结构S、谐振频率F和反应势能E，确定该气体分解化学反应的正向反应的化学计量数υix和逆向反应的化学计量数υ′ix，其中，x表示第x个化学反应，i表示第i个产物，过渡态结构TS的能量
通过求解方程组(7)获得：
式中：s表示反应坐标，E(s)表示反应坐标s上的反应势能，根据式(7)求解得到的E(s)即为过渡态结构TS的能量
所述反应系数k(T)根据过渡态理论表示为式(8)：
式中：κ(T)表示穿透因子，kB为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，R为理想气体常数，T为温度，P0＝0.1MPa，θ为化学反应中反应物的个数与产物的个数之差。
5.根据权利要求4所述的一种环保GIS中绝缘气体过热分解产物演化特性的计算方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：
气体过热分解产物演化特性ni(t)根据质量作用定律表示为式(9)：
式中：ni(t)表示第i个产物的含量；t表示时间；i表示第i个产物；kx(T)表示第x个化学反应的速率系数；M表示化学反应的总数；R表示理想气体常数；T表示温度；nl表示第l个产物的含量；N表示产物的总数；υlx表示第x个化学反应中第l个产物前面的化学计量数；
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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