Hoge energie boogfouten zijn elektrische ontladingen met hoog vermogen tussen twee of meer geleiders die tienduizenden ampère stroom kunnen afgeven. Ze kunnen explosies veroorzaken die oplopen tot ongeveer 35, 000 graden Celsius - ongeveer de temperatuur van blikseminslagen - en staal verdampen en hete metaaldeeltjes de lucht in spuwen.

In een elektriciteitscentrale, zo'n fout kan zich snel verspreiden, dat is precies wat de onderzoekers van Sandia National Laboratories proberen te voorkomen door een nieuwe manier te vinden om in de vlammen te kijken. Die vlammen zijn gevuld met nuttige informatie die kan helpen elektriciteitscentrales veilig te laten werken.

De brandbeveiligings- en optische ingenieurs van Sandia gebruiken hogesnelheidscamera's en geavanceerde algoritmen, beeldvormings- en analysemethoden om deze gevaarlijke boogfouten tussen twee geleiders te begrijpen, zoals de hoogspanningsrails in een schakelinstallatie bij een elektriciteitscentrale.

Energiecentrales evalueren de risico's van boogstoringen door hun invloedsgebied te kennen - de afstand waarop aangrenzende kabels en apparatuur buiten functionaliteit zouden worden beschadigd. In een kerncentrale, dit helpt ingenieurs bij het evalueren van het potentieel van beschadiging van de reactorkern als de naburige apparatuur een rol speelt bij het veilig stilleggen van de reactor.

Maar nauwkeurige gegevens over een snelle boogfout zijn moeilijk te verzamelen. Felle vlammen en rook verduisteren het zicht, en de hoge hitte vernietigt veel diagnostische instrumenten. De elektromagnetische interferentie die met de flitser gepaard gaat, belemmert ook het vermogen om gegevens te verzamelen.

Optische ingenieurs van Sandia hebben een manier om die uitdagingen te omzeilen. Ze trainen vaak hogesnelheidscamera's op vurige tests op Sandia's straalbuis en raketsleebaan. Nu hebben ze hun lenzen gericht op boogfouten bij energiecentrales.

Werken met Sandia brandbeveiligingsingenieurs en collega's van het National Institute of Standards and Technology, de groep nam onlangs deel aan grootschalige tests in een onafhankelijk laboratorium in Pennsylvania. Het project wordt gefinancierd door de Nuclear Regulatory Commission.

Met de gegevens van de tests kan een computermodel worden ontwikkeld dat de invloedszone van een boogfout kan voorspellen. De resultaten kunnen worden toegepast op laag- of middenspanningskasten in elke faciliteit, zei Chris LaFleur, een brandbeveiligingsingenieur die de Sandia-inspanning leidde.

Beeldmateriaal onthult de kracht en intensiteit van boogfouten

Geleiders die door deze elektrische kasten liepen, waren traditioneel gemaakt van koper, het metaal waarop in de afgelopen 50 jaar invloedszones zijn bepaald. Maar onlangs, er is vastgesteld dat veel busbar-systemen aluminium geleiders of een combinatie van koper en aluminium hebben gebruikt. Aluminium, terwijl minder duur en lichter dan koper, is veel reactiever tijdens een boogfout met hoge energie. Dit verschil kan van invloed zijn op hoeveel energie en materiaal een boogfout uitzendt.

Om meer te weten te komen over de impact van een boogfout in een volledige reeks elektrische apparatuur met zowel koperen als aluminium geleiders, namen de onderzoekers hun commerciële hogesnelheids- en infraroodcamera's mee naar KEMA Laboratories in Chalfont, Pennsylvania, een onafhankelijk testlaboratorium met unieke elektrische apparatuur die hoogenergetische boogstoringen kan genereren.

Optisch ingenieur Anthony Tanbakuchi en hoofdtechnoloog Byron Demosthenous plaatsten de camera's achter een muur van sintelblokken om ze dicht bij de boogfout te krijgen en ze tegelijkertijd te beschermen tegen de hitte. Ze richtten de camera's op hoogwaardige spiegels en registreerden de reflectie van de explosie op meer dan 1 000 beelden per seconde.

Het team registreerde een boogfout die vier seconden duurde met 26, 000 ampère stroom. Het bekijken van de high-speed beelden, de onderzoekers zagen hoe het stalen paneel dat de schakelapparatuur omhulde binnen een halve seconde na het begin van de boog verdampte.

"In seconden, een perfect goed kabinet werd vernietigd, ' zei LaFleur.

een filmpje, verschillende perspectieven

De optische ingenieurs van Sandia hebben geavanceerde beeldvormings- en analysemethoden ontwikkeld om verschillende soorten gegevens in één video weer te geven. Na het verzamelen van video tijdens een test, de groep gebruikt algoritmen om beelden van meerdere camera's te stabiliseren en samen te voegen.

Voor de boogfouttests, de brandbeveiligingsingenieurs wilden door de rook heen kijken en de temperatuur van de vlammen bewaken. Dus, Tanbakuchi en Demosthenous filmden de explosie ook met behulp van warmtebeeldcamera's. Vervolgens, ze combineerden die beelden met een beeld van een hogesnelheidscamera die zichtbaar licht van de explosie vastlegde. De resultaten toonden het temperatuurprofiel van de explosie ten opzichte van de fysieke apparatuur zonder dat rook het zicht vertroebelde. Dankzij deze inspanningen kunnen de onderzoekers video gebruiken als testgegevens.

Een andere uitdaging was het opvangen van felle vlammen en trillende camera's. Tanbakuchi en Demosthenous zetten drie hogesnelheidscamera's op om de explosie vast te leggen. Elk was ingesteld op een andere belichting, zodat het combineren van de weergaven beelden met een hoog dynamisch bereik produceerde met meer details in de lichte en donkere delen van het beeld. Daarna stabiliseerden ze de beelden met een gespecialiseerd computerprogramma. Het resultaat was een video met voldoende visueel contrast om te zien waar de uitgeworpen deeltjes aan de rand van de explosie reisden. De beweging van de deeltjes helpt LaFleur te volgen hoe de explosie energie omzet in snelheid, momentum, chemische reacties en elektrische energie.

Sandia-onderzoekers monteerden ook kleine rechthoeken van koolstoftape en silica-aerogel op verschillende afstanden voor de explosie. Uitgeworpen deeltjes kleven aan deze materialen, die ze meenamen naar hun lab voor verdere analyse. De grootte, vorm en chemische samenstelling van de deeltjes geeft aanwijzingen voor reacties die tijdens de explosie hebben plaatsgevonden.

LaFleur en haar collega's hopen de gegevens van deze tests te gebruiken om een ​​computermodel te maken dat rekening houdt met de energie, massa- en momentumbalansen tijdens een boogfout. Vervolgens kunnen de onderzoekers een tabel maken met de invloedszones voor een hoogenergetische boogfout van bepaalde spanningen en stromen in een kast met specifieke metalen geleiders. Deze informatie kan exploitanten van kerncentrales helpen bij het uitvoeren van risicoanalyses, ze zei.