Högenergiljusbågsfel är elektriska urladdningar med hög effekt mellan två eller flera ledare som kan släppa ut tiotusentals ampere ström. De kan resultera i explosioner som når cirka 35, 000 grader Celsius—ungefär temperaturen för blixtnedslag—och förångar stål och spyr ut varma metallpartiklar i luften.

I ett kraftverk, ett sådant fel kan snabbt sprida sig, vilket är precis det som Sandia National Laboratories forskare försöker förhindra genom att hitta ett nytt sätt att titta in i lågorna. Dessa lågor är fyllda med användbar information som kan hjälpa till att hålla kraftverken i drift säkert.

Sandias brandskydds- och optiska ingenjörer använder höghastighetskameror och avancerade algoritmer, bild- och analysmetoder för att förstå dessa farliga bågfel mellan två ledare, såsom högspänningsskenorna i ett ställverk på ett kraftverk.

Kraftverk utvärderar risker från ljusbågsfel genom att känna till deras influenszon – det avstånd som närliggande kablar och utrustning skulle skadas utöver funktionalitet. I ett kärnkraftverk, detta hjälper ingenjörer att utvärdera potentialen för att skada reaktorhärden om den intilliggande utrustningen spelar en roll för att säkert stänga av reaktorn.

Men exakta data om ett snabbt bågfel är svårt att samla in. Ljusa lågor och rök döljer utsikten, och den höga värmen förstör många diagnostiska instrument. Den elektromagnetiska störningen som är förknippad med blixten försämrar också förmågan att samla in data.

Sandias optiska ingenjörer har en väg runt dessa utmaningar. De tränar ofta höghastighetskameror på eldprov vid Sandias sprängrör och raketspår. Nu har de vänt sina linser mot ljusbågsfel vid kraftverk.

Arbetar med Sandias brandskyddsingenjörer och kollegor vid National Institute of Standards and Technology, gruppen deltog nyligen i storskaliga tester på ett oberoende labb i Pennsylvania. Projektet finansieras av Nuclear Regulatory Commission.

Data från testerna kommer att göra det möjligt att utveckla en datormodell som kommer att förutsäga ett bågfels påverkanszon. Resultaten kan appliceras på låg- eller mellanspänningsskåp på vilken anläggning som helst, sa Chris LaFleur, en brandskyddsingenjör som ledde Sandia -insatsen.

Filmer avslöjar bågfels kraft och intensitet

Ledare som kördes genom dessa elskåp var traditionellt gjorda av koppar, metallen på vilken inflytandezoner har bestämts under de senaste 50 åren. Men nyligen, det har identifierats att många samlingsskenor har använt aluminiumledare eller en kombination av koppar och aluminium. Aluminium, medan billigare och lättare än koppar, är mycket mer reaktiv under ett högenergiljusbågsfel. Denna skillnad kan påverka hur mycket energi och material ett ljusbågsfel avger.

För att lära dig om effekten av ett ljusbågsfel i ett komplett sortiment av elektrisk utrustning med både koppar- och aluminiumledare, forskarna tog sina kommersiella höghastighets- och infraröda kameror till KEMA Laboratories i Chalfont, Pennsylvania, ett oberoende testlabb med unik elektrisk utrustning som kan generera högenergiljusbågsfel.

Optikingenjören Anthony Tanbakuchi och den ledande teknologen Byron Demosthenous placerade kamerorna bakom en vägg med askeblock för att få dem nära bågfelet samtidigt som de skyddade dem från värmen. De riktade kamerorna mot högkvalitativa speglar och registrerade reflektionen av explosionen vid mer än 1, 000 bilder per sekund.

Teamet registrerade ett bågfel som varade fyra sekunder med 26, 000 ampere ström. Granska höghastighetsfilmerna, forskarna såg hur stålpanelen som omsluter ställverket förångades inom en halv sekund efter bågens initiering.

"Inom sekunder, ett perfekt skåp förstördes, " sa LaFleur.

En video, flera perspektiv

Sandias optiska ingenjörer har utvecklat avancerade bildbehandlings- och analysmetoder för att visa flera typer av data i en video. Efter att ha samlat in video under ett test, gruppen använder algoritmer för att stabilisera och slå samman filmer från flera kameror.

För bågfelstester, brandskyddsingenjörerna ville se igenom röken och övervaka lågornas temperatur. Så, Tanbakuchi och Demosthenous filmade också explosionen med hjälp av värmebilder. Sedan, de kombinerade den filmen med en vy från en höghastighetskamera som registrerade synligt ljus från explosionen. Resultaten visade explosionens temperaturprofil i förhållande till den fysiska utrustningen utan att rök skymmer sikten. Dessa ansträngningar gör det möjligt för forskarna att kunna använda video som testdata.

En annan utmaning var att ta hänsyn till ljusa lågor och skakande kameror. Tanbakuchi och Demosthenous satte upp tre höghastighetskameror för att spela in explosionen. Var och en var inställd på en annan exponering, så att kombinationen av vyerna gav bilder med hög dynamik och mer detaljer i bildens ljusa och mörka områden. Sedan stabiliserade de bilderna med ett specialiserat datorprogram. Resultatet blev en video med tillräckligt med visuell kontrast för att se vart de utstötta partiklarna vid explosionskanten färdades. Partiklarnas rörelse hjälper LaFleur att spåra hur explosionen förvandlar energi till hastighet, Momentum, kemiska reaktioner och elektrisk energi.

Sandia-forskare monterade också små rektanglar av koltejp och kiseldioxidaerogel på olika avstånd framför explosionen. Utstötade partiklar har fastnat på dessa material, som de tog tillbaka till sitt labb för vidare analys. Storleken, partiklarnas form och kemiska sammansättning ger ledtrådar till reaktioner som inträffade under explosionen.

LaFleur och hennes kollegor hoppas kunna använda data från dessa tester för att skapa en datormodell som står för energin, massa och momentumbalanser under ett bågfel. Sedan kan forskarna skapa en tabell som ger influenszonerna för ett högenergiljusbågfel av givna spänningar och strömmar i ett skåp med specifika metallledare. This information can help nuclear power plant operators do risk analysis, Hon sa.