Eftersom klimatförändringar leder till större och mer frekventa skogsbränder, använder forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory sensorer, drönare och maskininlärning för att både förhindra bränder och minska deras skador på elnätet. Ingenjörer finslipar teknik för att på distans känna av elektriska ljusbågar och felaktig utrustning, såväl som riktningen för spridning av bränder.

Behovet är akut. De största registrerade skogsbränderna har inträffat sedan 2004, vilket sammanfaller med många av de varmaste åren någonsin, enligt data från National Interagency Fire Center. Elektriska företag har en stor andel i att hantera krisen, med tanke på att många skogsbränder utlöses av kraftledningar och skogsbränder kan orsaka omfattande elavbrott.

Förra brandsäsongen riktade DOE finansiering till en handfull skogsbrandprojekt, inklusive två på ORNL. "Vi valde att den här forskningen skulle påskyndas eftersom vi inser hur kritiska och farliga skogsbränder har blivit på grund av klimatförändringar och andra faktorer", säger Stewart Cedres, en senior DOE teknisk ledare och strateg. Skorbrandskador på överföringsledningar kan orsaka blackouts och blackouts flera stater bort, noterade han.

"Arbetet som ORNL gör med sensorteknik på drönare som kan gå utanför siktlinjen är unikt och mycket kritiskt eftersom det tillåter oss att vara flera steg före problem som kan utsätta nätet för risker, vilket gör det opålitligt och mindre motståndskraftigt." sa Cedres.

Cedres sa att DOE har ett dubbelt intresse:att förhindra att bränder startas av elnätet och att skydda nätet från bränder. Ett ORNL-team under ledning av Peter Fuhr, chef för ORNL:s Grid Communications and Security Group, arbetar med båda dessa problem. Det finslipar också branddetekteringsavkänning för U.S. Forest Service, den primära myndigheten för att bekämpa skogsbränder.

Vita huset i juli pekade på forskningen om skogsbränder som utförs av Fuhrs team för att förklara hur Biden-administrationen hanterar hotet om skogsbrand.

Förebyggande

Sensorer placerade nära kraftledningar eller i kraftelektronikutrustning kan registrera variationer i effektflödet som leder till överhettade gnistor. ORNL-forskaren Ali Ekti utvecklar en algoritm för att snabbt känna igen och klassificera dessa elektriska ljusbågar, som inträffar när elektricitet hoppar genom luften mellan två ledare.

Ekti använder ett bibliotek med "signaturer" i vågform, bidragit från verktyg och universitet, som visar toppar i spänning eller ström orsakade av anomalier som bågbildning. Hans algoritm upptäcker dessa anomaliregioner. Nästa steg kommer att involvera att träna ett program för att känna igen liknande signaturer och lokalisera var bågbildningen sker. Algoritmen, som skulle kunna användas inom kraftelektronikutrustning, skulle varna ledningscentralen så att personalen kan kontrollera platsen – om den är tillgänglig.

Det är här drönare kommer in:Ofta sker ljusbågsbildning i oländiga områden som är svåra att nå. Flygplan och helikoptrar kan ibland inte komma lågt eller nära nog för att hitta små bågar. De är också mycket dyrare att flyga och svåra att schemalägga snabbt, sa Fuhr.

Ett lovande alternativ är att använda drönare utrustade med sensorer som spelar in video och upptäcker ljud-, värme- och radiofrekvensemissioner från små bågar. Dessa kombinerade sensoriska förmågor kan bekräfta upptäckta problem och övervinna störningar.

Drönare hjälper till att identifiera underhållsbehov innan bränder startar. ORNL:s erfarenhet av att driva drönare bortom visuell synlinje gör det möjligt att inspektera transmissionsledningar över långa avstånd. Federal Aviation Administration beviljade nyligen Fuhrs team ovanligt tillstånd att flyga drönare i hela USA och upp till 1 500 fot med särskilt tillstånd.

"Drönare är redan där ute och sköter vegetationshantering. Så varför använder vi inte ytterligare en teknik på samma plattform för att kontrollera om det finns bågbildning samtidigt?" sa Fuhr. "Vi etablerar demonstrationer under det kommande året vid stora och små företag över hela landet."

Drönarmonterade ljudsensorer står inför en utmaning när det gäller att skilja det sprakande ljudet från bågbildning från surret från drönarpropellern. Men Ekti har utvecklat en ny teknik som använder matematik för att extrahera ljudsignaturen för bågbildning från bakgrundsljud.

Regler för brandbekämpning

Fuhrs team kan fälttesta detta vid en annan demonstration i oktober för skogsvården. Runt Kootenai National Forest i Montana kommer ORNL-forskare att visa hur de kan använda drönare för att termiskt upptäcka gnistor inför en stor eldsvåda.

Teamet testade tekniken i somras på en närliggande gård genom att tända en innesluten brasa bland utspridda små burkar med brinnande gelbränsle. De experimenterade för att lära sig på vilken höjd en drönarmonterad sensor kunde identifiera de små lågorna nedanför.

Den här förmågan kan vara en förändring av spelet när det gäller att bekämpa vildmarksbrand, säger Marva Willey, en bränslespecialist från U.S. Forest Service som ingår i byråns verktyg och teknikteam. "Värmedetekterande sensorer har så många applikationer som kan öka vår situationsmedvetenhet och kunskap om var värme och eld finns", sa hon. "Det handlar om att veta vad som händer innan du sätter ut folk där."

Drönarmonterade sensorer kan hjälpa till att hitta nya bränder orsakade av glöd som kan blåsa så långt som en mil från huvudbränningen, sa Willey. Ingenting annat kan känna av värme under ett tak av träd där rök inte är synlig. Drönarna kan också användas för att lokalisera varma punkter som finns kvar i ett överbränt område – en uppgift som nu utförs för hand när brandmän sållar genom aska.

ORNL-forskare tillhandahåller sensorer för ett annat Forest Service-experiment, relaterat till att detektera värme från extremt höga höjder. Sensorer kan bäras antingen av en ballong eller ett soldrivet fordon med lång uthållighet som flyger över åskväder och kontrollerar om det finns bränder som antänds av blixtnedslag. Den tekniken är planerad att testas senare i år. Willey sa att det skulle kunna minska behovet av piloterade brandflygningar, eliminera mänskliga risker samtidigt som begränsade resurser används på ett klokt sätt.

Fuhrs team har börjat undersöka andra sätt att förhindra elektrisk brand med hjälp av drönarmonterade sensorer, som att upptäcka om skarvar eller transformatorer genererar överskottsvärme.

År 2021, när en skogsbrand orsakad av nedskjutna kraftledningar brann i närliggande Wears Valley, Tennessee, fick Fuhr och hans team tillstånd från brandmän att använda drönare för att övervaka värmen i transmissionsledningar och transformatorer mitt i branden. Även om de överlever branden kan transformatorer äventyras av exponering för temperaturer som är varmare än deras driftsgränser, sa Fuhr. Detta kan hjälpa till att identifiera var utrustningen ska bytas ut.

"New Mexico brann tidigare i år, och när du ser förödelsen som hände med (2018) Camp Fire och den resulterande konkursen för verktyget - om våra aktiviteter kan minska den typen av resultat, är det bra för alla," Fuhr sa. + Utforska vidare

Detektering av skogsbrand:Drönare parade med markbaserade sensorer