CN112147473A - 一种高绝缘强度气体的筛选方法 - Google Patents

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陈庆国
王新宇
聂洪岩
贾宗凯
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Abstract

本申请涉及一种高绝缘强度气体的筛选方法，包括：计算气体分子微观电参数；气体分子微观电参数计算准确性验证；数学方法分析气体介电强度与气体分子微观电参数间的关系，获得气体介电强度表达式；验证介电强度预测准确性；高绝缘强度气体筛选。采用前述的方法，可以通过计算的方式对气体介电强度进行预测，可对大批量气体进行绝缘强度筛选，有利于SF6可替代气体的寻找，节省人力物力。

Description

一种高绝缘强度气体的筛选方法
技术领域
本发明涉及电气绝缘介质技术领域，尤其涉及一种高绝缘强度气体的筛选方法。
背景技术
SF6气体具有高绝缘强度和强灭弧性能，是目前应用最广泛的气体绝缘介质。被应用于金属封闭式组合电器、金属封闭输电线路、气体绝缘管道和变压器等电力传输和配电设备中。然而，SF6是一种强温室效应气体，其全球变暖潜能值约是CO2的23900倍，在大气中寿命长达3200年，造成严重的温室效应。在1997年12月日本通过的《京都议定书》中，SF6已被列为需全球限制使用的六种气体之一。因此，亟需寻找绿色环保型气体来代替SF6。
气体绝缘强度是衡量气体绝缘性能的重要指标，SF6可替代气体首先需具有较高的绝缘强度。在新型绝缘气体的寻找过程中，由于绝大部分气体碰撞截面未知，气体的绝缘强度主要是通过击穿试验获得。而采用试验的手段进行绝缘强度测试将耗费大量的材料、人力和时间。同时，采用试验的方法不能用于大批量气体绝缘强度的筛选，不利于SF6可替代气体的寻找。可见，实现高绝缘强度气体的筛选是十分必要的。
发明内容
本申请的目的是提出一种高绝缘强度气体的筛选方法，以解决现有技术中，需通过实验测得气体绝缘强度，无法对气体绝缘强度进行批量筛选，不利于SF6可替代气体寻找的问题。该方法基于密度泛函理论，经数学分析得到气体的介电强度表达式，操作简单方便快捷。
本申请提出一种高绝缘强度气体的筛选方法，气体的介电强度由内部电子崩发展决定，而电子崩的发展取决于内部电子的产生和消失，因此，可计算电子崩发展的相关参数，对气体介电强度进行预测，进而对高绝缘强度气体进行筛选，所述方法包括以下步骤：
步骤一、计算气体分子微观电参数；
根据分子结构建立分子模型，基于密度泛函理论对气体分子电离能和极化率进行计算，计算采用GAUSSIAN软件，计算基组为M62Xdef2TZVP基组。
步骤二、气体分子微观电参数准确性验证；
为验证微观电参数计算的准确性，选取微观电参数实验值已知的气体，将微观电参数计算值与实验值对比，验证微观电参数的准确性。
步骤三、数学方法分析气体介电强度与气体分子微观电参数间的关系，获得气体介电强度表达式；
选取气体相对介电强度(相对于SF6)已知的气体，对已选气体的电离能、极化率和亲和能进行计算，借助于1stopt软件，利用回归分析的方法建立气体介电强度与微观电参数间的关系，采用非线性回归的方法，具体为下式：
y(x1,x2,x3)＝b0×(x1+x2)b1×x3 b2；
式中，y(x1,x2,x3)为气体介电强度；x1为分子电离能；x2为亲和能；x3为极化率；b0、b1和b2为未知参数。
步骤四、验证气体的介电强度表达式预测的准确性；
选用不同构型的气体分子，利用得到的气体介电强度表达式对气体介电强度进行预测，验证其可用性。
步骤五、高绝缘强度气体筛选；
根据得到的气体介电强度表达式进行大批量气体筛选，获得高绝缘强度的气体。
本发明的有益效果是：基于密度泛函理论可计算任意一种气体的微观电参数，可根据已得到的气体介电强度表达式，对气体的介电强度进行预测，进行大批量气体绝缘强度筛选，利于SF6可替代气体的寻找。该方法施行简单，效率高，大大缩短了人工和材料成本。
附图说明
图1为气体介电强度预测流程图；
图2为电离能计算值与实验值对比图；
图3为亲和能计算值与实验值对比图；
图4为极化率计算值与实验值对比图；
图5为相对介电强度的实验值与预测值的对比图；
具体实施方式
气体介电强度的预测流程如图1所示。现结合附图和实例对本申请的技术方案进行进一步的说明：
步骤一，计算气体分子微观电参数；
根据分子结构在GaussView中建立分子模型，计算中采用M62Xdef2TZVP基组，采用Gaussian软件进行分子优化和能量计算。分子电离能的计算公式如下：
x1＝E+(M)-E(M)；
x2＝E(M)-E-(M)；
式中，E+(M)、E(M)、E-(M)分别为阳离子、中性粒子及阴离子在能量最低构型下对应的能量值。
将中性粒子在最低能量下的构型进行保存，采用关键词polar对分子极化率进行计算。
步骤二、气体微观电参数准确性验证；
为确保微观电参数计算的准确性，选取微观电参数已知的气体，将微观电参数计算值与实验值对比。电离能、亲和能及极化率的计算值与实验值对比结果分别如图2、图3和图4所示。
对比显示电离能计算值与实验值接近相等，M62Xdef2TZVP基组对于含F、Cl和Br的气体电离能计算更为准确；极化率计算值与实验值具有较高相关性，相关系数高达0.96，可用于表征实验值；亲和能实验值与计算值存在一定偏差，但亲和能计算值一定程度上能反应亲和能的实验值。通过对比认为各微观电参数能表征实验值，可用于介电强度分析。
步骤三、数学方法分析气体介电强度与气体分子微观电参数间的关系，获得气体介电强度表达式；
选取30种介电强度已知的气体，重复步骤一计算各气体的各微观电参数，结合气体的相对介电强度实验值进行介电强度数学分析。分析借助于1stopt软件，采用非线性回归分析的方法，具体的非线性回归分析方程如下式：
y(x1,x2,x3)＝b0×(x1+x2)b1×x3 b2；
式中，y(x1,x2,x3)为气体介电强度；x1为分子电离能；x2亲和能；x3为分子极化率；b0、b1和b2为未知参数。
经分析得到气体绝缘的介电强度表达式为：
y(x1,x2,x3)＝0.006287×(x1+x2)1.2286×x3 1.1506
所选气体介电强度的预测值与实验值的对比结果如图5所示，其相关系数R2为0.84。可见，所得介电强度表达式可对介电强度进行较好预测。
步骤四、气体介电强度预测准确性验证；
为验证其预测准确度，选用不同构型的气体分子，气体介电强度的预测结果如表1所示。从表中预测结果来看，相对介电强度预测值与实验值相差较小，以分析得到的表达式进行气体介电强度预测具有较高的准确性。
表1气体介电强度预测结果
Figure BDA0002705414100000041
步骤五、高绝缘强度气体筛选；
根据表达式结果对大量气体进行筛选，获得高绝缘强度的气体。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围的。

Claims (5)

1.一种高绝缘强度气体的筛选方法，其特征在于包括：
计算气体分子微观电参数；
气体微观电参数准确性验证；
数学方法分析气体介电强度与气体微观电参数间的关系，获得气体介电强度表达式；
气体介电强度预测准确性验证；
高绝缘强度气体筛选。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算的分子微观电参数包括分子电离能、极化率和亲和能。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得气体介电强度的数学分析方法为非线性回归曲线分析。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，微观电参数的计算基于密度泛函理论，选用GAUSSIAN软件，计算基组为M62Xdef2TZVP。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非线性回归方程为下式：
y(x 1,x 2,x 3)=b 0×(x 1-x 2) b1×x 3 b2
式中，y(x 1,x 2,x 3)为气体相对介电强度；x 1为分子电离能；x 2为亲和能；x 3为极化率；b 0、b 1和b 2为未知参数。
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