一种绝缘气体大气寿命预测方法与流程

本发明涉及电气绝缘介质，具体为一种绝缘气体大气寿命预测方法。

背景技术：

1、随着科学技术的不断发展，人类生活水平的不断提升，全球变暖问题是目前人类面临的最艰巨挑战之一。科学研究表明，由于温室气体排放的不断增加，使全球变暖的现象越演愈烈。近年来，各国政府和组织已经采取了一系列措施来应对气候变暖，包括减少温室气体的排放，提高能源效率，推广新能源和技术等方面。虽然目前全球变暖情况得到了很大程度的改善，但对于电力行业来说，sf6作为最佳的气体绝缘介质仍具有较高的全球变暖潜能值(global warming potential,gwp)，已经被《京都议定书》明确规定限制使用和排放。因此，当前寻找sf6替代气体是电力行业的热门课题。

2、大气寿命是物种从产生排放进入大气到被去除这一过程的停留时间，计算绝缘气体的大气寿命有助于人们更好的理解绝缘气体在环境中的分布特征，对研究绝缘气体的环境行为具有重要意义，是计算绝缘气体gwp的重要步骤。而绝缘气体的大气寿命主要与气体和大气中成分的化学反应速率有关。由于大气成分复杂，若在计算大气寿命时对绝缘气体与大气中成分的化学反应速率的影响因素进行全面的考虑显然是不可行的，而羟基自由基(-oh)是大气中与绝缘气体相互作用的主要成分。因此，在计算绝缘气体与大气中成分的化学反应速率时只考虑气体与大气中的-oh的反应速率。

3、对于当前绝缘气体的大气寿命的计算主要采取基团贡献法，建立在分子性质具有加和性的基础上，按照所选的结构单元把分子分解成若干部分并据此加和起来，以此来估算物质的性质，计算其反应速率。虽然这种方法计算大气寿命所用的时间较短，但其只考虑了分子的整体性，并没有考虑分子中电子效应的复杂应，采用该方法计算大气寿命误差较大。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：现有技术的问题在于计算大气寿命值所用方法中基团贡献法过度依赖经验，精度较差。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种绝缘气体大气寿命预测方法，包括以下步骤：

4、s100，确定优化基组，基于所述优化基组同时对绝缘气体分子和水分子进行结构优化，获取能量最低，最稳定的绝缘气体分子-水分子优化结构；

5、s200，将所述绝缘气体分子-水分子优化结构中的绝缘气体分子和水分子进行比例混合，构建初始绝缘气体-水共晶结构；

6、s300，根据第一性原理对最低总能量空间群下的初始绝缘气体-水共晶结构进行优化，获取最佳绝缘气体-水共晶结构；

7、s400，根据分子动力学及密度泛函方法，对所述最佳绝缘气体-水共晶结构进行反应路模拟，获取所述最佳绝缘气体-水共晶结构的全部分解路径；

8、s500，获取所有分解路径的速率常数并对比，选取速率常数最小的为所述最佳绝缘气体-水共晶结构反应的决速步；

9、s600，获取所述最佳绝缘气体-水共晶结构反应的决速步的反应速率常数；以及根据所述反应速率常数获取绝缘气体的大气寿命。

10、优点：采用计算化学的方法，从分子的结构出发，考虑每个原子的特性，计算绝缘气体与大气成分反应决速步的反应速率，进而得到了大气寿命值。获取的绝缘气体的大气寿命更接近于文献值，避免了过度依赖经验且可靠性强、计算效率高且重复性好。

11、在本发明的一实施例中，所述构建初始绝缘气体-水共晶结构包括：在全局力场下，获取所述绝缘气体分子优化结构和所述水分子之间的作用力；并基于蒙特卡洛的算法，预测作用力分别在c2/c空间群、p1空间群、p21空间群、p2/c空间群和p212121空间群下所有作用之间的组合堆叠，获取多个初始绝缘气体-水共晶结构，并对每个空间群下初始绝缘气体-水共晶结构的总能量进行排序，获取最低总能量空间群下的初始绝缘气体-水共晶结构。

12、在本发明的一实施例中，采用超软赝势使最低总能量空间群下的初始绝缘气体-水共晶结构受力平衡，获取最低总能量空间群下能量最低的初始绝缘气体-水共晶结构，作为最佳绝缘气体-水共晶结构。

13、在本发明的一实施例中，取所述最佳绝缘气体-水共晶结构的所有分解路径包括：

14、s410，将所述最佳绝缘气体-水共晶结构的能量初始化，确保所述最佳绝缘气体-水共晶结构所在的环境在升温前的平衡；

15、s420，在正则系综下，设置初始温度、模拟步数和温度间隔，以初始温度作为第一个温度进行动力学模拟，随后以确定的温度间隔对所述最佳绝缘气体-水共晶结构所在的环境进行逐步升温，直至获得绝缘气体与水分子中羟基自由基的全部分解路径。

16、在本发明的一实施例中，水作为羟基自由基的产生源。

17、在本发明的一实施例中，根据绝缘气体在不同基组下的键距比较，获取键距精度高的方法基组，作为优化基组。

18、在本发明的一实施例中，所述优化基组为m062x/def2tzvp。

19、在本发明的一实施例中，水作为羟基自由基的产生源。

20、在本发明的一实施例中，所述速率常数通过以下公式获取：

21、

22、式中，k表示为速率常数，a表示为阿伦尼乌斯常数，ea表示为分解活化能，r表示为摩尔气体常量，t表示为热力学温度，e表示为自然对数的底数。

23、在本发明的一实施例中，所述反应速率常数通过以下公式获取：

24、

25、式子，koh为反应速率常数，kb为boltzmann常数，h为普朗克常数，c'为标准气体浓度，r表示为摩尔气体常量，t表示为热力学温度，δr≠gθ为标准摩尔活化gibbs自由能，exp为指数函数。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：分子动力学(car-parrinello moleculardynamics,cpmd)是基于第一性原理的分子动力学方法，从基本的物理学定律出发，不依赖假设与经验拟合的推导与计算。直接对分子的结构进行分析得到分子运动的行为规律，模拟体系的动力学演化过程，能够更简洁地实现化学反应的从头计算，真实模拟出化学反应的所有路径。密度泛函理论(density functional theory,dft)是以电子密度为基本的变量来描述体系状态的方法。通过任意区域的电子密度分布函数就能得到反应体系的总能量和基态性质。本发明首次采用cpmd及dft的方法，从绝缘气体分子的结构出发，模拟出其在大气中的真实反应路径，并计算每条路径的速率常数，进而确定反应的决速步。本方法降低了实验方法带来的危险性和时间成本，避免了传统过渡态方法不确定性强的缺点，具有成本稳定、简单易行、精确度高的特点。

27、传统过渡态理论通过直接猜测设计化学反应可能发生的路径，根据猜测得到的路径再计算活化能，确定反应决速步。此方法人为主观性较强、结果不确定性过大。本发明直接从分子结构出发，更简洁地实现化学反应的从头计算，真实模拟出化学反应的所有路径。相比较于实验方法和传统过渡态理论，本发明能够更精确模拟出化学反应的所有路径，具有成本稳定、简单易行、精确度高的特点。

28、绝缘气体与大气成分发生化学反应时，其反应最慢的基元反应作为决速步控制着整体反应速率，因此在计算绝缘气体与大气成分反应速率时只要计算决速步的反应速率就可以计算大气寿命。针对基团贡献法的局限性，本发明提供一种基于决速步的可靠性强、计算效率高且重复性好的计算方法计算了绝缘气体的大气寿命。主要采用计算化学的方法，从分子的结构出发，考虑每个原子的特性，计算绝缘气体与大气成分反应决速步的反应速率，进而得到了大气寿命值。

29、本发明获取的绝缘气体的大气寿命更接近于文献值，避免了过度依赖经验且可靠性强、计算效率高且重复性好。