SF6替代绝缘气体的理化特性计算研究

摘要

SF6气体具有良好的绝缘强度和灭弧性能，已经被广泛应用于高电压输变电系统中。但是，由于SF6气体会产生严重的温室效应，它已经被确定为受管制的温室气体。寻找一种环境友好性气体作为电气设备的新介质已经成为了电力系统发展亟待解决的问题，但是，开发替代 SF6的环保型气体绝缘介质异常困难。本论文基于分子设计思想，采用量子化学计算与分子动力学模拟方法，系统考察潜在替代绝缘气体的环境效应、理化特性以及放电引发的化学反应机理，为开发寻找新型气体提供理论依据。其中，重点研究了两类潜在替代气体单质：一是含有不饱和氮-硫键的全氟绝缘气体分子（CF3NSF2）；另一种是三氟碘甲烷（CF3I）。
　　CF3NSF2是一种电负性气体且具有较高的绝缘强度，但电子结构仍不明确。作为一种新型替代绝缘气体，评价CF3NSF2的环境特性（包括大气寿命、全球变暖系数等）需要明确其降解机理，但是针对含NS结构分子的化学反应机理研究尚有不足。本论文采用密度泛函理论等量子化学理论方法，对CF3NSF2电子结构与OH反应机理进行了理论计算。研究发现，在单个水分子存在的条件下，CF3NSF2被OH降解的反应机制可以通过环状连续质子转移途径而加速，降解半衰期从40年缩短为约2年，最终产物为CF3NH和SF2O，验证了CF3NSF2是一种环境友好的替代气体，为进一步测试并改造其绝缘特性提供了理论依据。
　　CF3I作为一种性能稳定的典型电负性气体受到绝缘介质研究领域的广泛关注。然而，高压电器中放电过程中碘析出问题仍未得到根治。另一方面，在电弧放电条件下CF3I的绝缘特性大大降低，需要微观机理解释。本论文采用密度泛函理论和赝势基组研究了 CF3I与 O原子反应的单重态和分叉的三重态（3A'和3A

目录

声明

索引

1 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 六氟化硫（SF6）

1.3 SF6引发的环境问题

1.4 SF6替代气体研究

1.5 本文研究内容

2 计算方法简介

2.1 量子化学计算方法

2.2 密度泛函理论

2.3 限制性开壳层完备基组模型化学

2.4 外推完备基CBS模型方法

2.5 耦合簇方法

2.6 基组

2.7 分子动力学模拟

2.8 本章小结

3 CF3NSF2的电子结构和OH诱导的大气降解机理研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 CF3NSF2的电子结构

3.4 CF3NSF2与OH的反应机理研究

3.5 水催化CF3NSF2与OH的反应机理研究

3.6 CF3NSF2的水解反应机理

3.7 本章小结

4 CF3I与O原子的反应机理及动力学研究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 O+CF3I的反应机理

4.4 CF3I和F、F- 的反应机理

4.5 本章小结

5 混合绝缘气体的分子间相互作用研究

5.1 SF6与替代气体分子间的相互作用

5.2 CF3I/CO2混合绝缘气体的配方设计

5.3 本章小结

6 混合绝缘气体的分子动力学模拟研究

6.1 引言

6.2 计算方法简介

6.3 CF3I+CO2混合绝缘气体的原位分子动力学模拟

6.4 CF3NSF2+N2混合绝缘气体的原位模拟

6.5 本章小结

7 全文总结与工作展望

7.1 本文工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 博士生期间参与的课题研究情况

附录3 博士生期间曾获奖励情况

附录4 CF3NSF2+OH反应中各驻点的直角坐标

附录5. CF3NSF2+OH+H2O反应中各驻点的直角坐标

附录6. CF3NSF2+H2O反应中各驻点的直角坐标

附录7. CF3I+O反应中各驻点的直角坐标

附录8. CF3I+F/F-反应中各驻点的直角坐标

附录9. 图表