Højhastighedsbrandoptagelser afslører nøgleindsigter for kraftværkssikkerhed

Højenergilysbuefejl er elektriske udladninger med høj effekt mellem to eller flere ledere, der kan frigive titusindvis af ampere strøm. De kan resultere i eksplosioner, der når omkring 35, 000 grader Celsius - omkring temperaturen ved lynnedslag - og fordamper stål og spyr varme metalpartikler op i luften.

I et kraftværk, sådan en fejl kan hurtigt sprede sig, hvilket er lige det, Sandia National Laboratories forskere forsøger at forhindre ved at finde en ny måde at kigge ind i flammerne på. Disse flammer er fyldt med nyttig information, der kan hjælpe med at holde kraftværker i drift sikkert.

Sandia brandbeskyttelse og optiske ingeniører bruger højhastighedskameraer og avancerede algoritmer, billeddannelse og analysemetoder til at forstå disse farlige lysbuefejl mellem to ledere, såsom højspændingsskinnerne i et koblingsanlæg på et kraftværk.

Kraftværker vurderer risici ved lysbuefejl ved at kende deres indflydelseszone - afstanden, hvor nabokabler og udstyr ville blive beskadiget ud over funktionalitet. I et atomkraftværk, dette hjælper ingeniører med at vurdere potentialet for at beskadige reaktorkernen, hvis det tilstødende udstyr spiller en rolle i sikker lukning af reaktoren.

Men præcise data om en hurtig lysbuefejl er svære at indsamle. Klare flammer og røg skjuler udsynet, og den høje varme ødelægger mange diagnostiske instrumenter. Den elektromagnetiske interferens, der er forbundet med blitzen, forringer også evnen til at indsamle data.

Sandia optiske ingeniører har en vej uden om disse udfordringer. De træner ofte højhastighedskameraer i ildprøver på Sandias sprængrør og raketslædebane. Nu har de vendt deres linser mod buefejl på kraftværker.

Arbejder med Sandia brandbeskyttelsesingeniører og kolleger ved National Institute of Standards and Technology, gruppen deltog for nylig i store tests på et uafhængigt laboratorium i Pennsylvania. Projektet er finansieret af Nuclear Regulatory Commission.

Data fra testene vil gøre det muligt at udvikle en computermodel, der vil forudsige en lysbuefejls indflydelseszone. Resultaterne kan anvendes på lav- eller mellemspændingsskabe på ethvert anlæg, sagde Chris LaFleur, en brandbeskyttelsesingeniør, der ledede Sandia-indsatsen.

Optagelser afslører lysbuefejls kraft og intensitet

Ledere kører selvom disse elskabe traditionelt var lavet af kobber, det metal, hvorpå indflydelseszoner er blevet bestemt i løbet af de sidste 50 år. Men for nylig, det er blevet identificeret, at mange samlesystemer har brugt aluminiumsledere eller en kombination af kobber og aluminium. Aluminium, mens billigere og lettere end kobber, er meget mere reaktiv under en lysbuefejl med høj energi. Denne forskel kan påvirke, hvor meget energi og materiale en lysbuefejl udsender.

For at lære om indvirkningen af ​​en lysbue fejl i en komplet serie af elektrisk udstyr med både kobber og aluminium ledere, forskerne tog deres kommercielle højhastigheds- og infrarøde kameraer til KEMA Laboratories i Chalfont, Pennsylvania, et uafhængigt testlaboratorium med unikt elektrisk udstyr, der er i stand til at generere lysbuefejltilstande med høj energi.

Optisk ingeniør Anthony Tanbakuchi og ledende teknolog Byron Demosthenous sætter kameraerne bag en væg af slagteblokke for at få dem tæt på lysbuefejlen og samtidig beskytte dem mod varmen. De pegede kameraerne mod spejle af høj kvalitet og registrerede spejlingen af ​​eksplosionen på mere end 1, 000 billeder i sekundet.

Holdet registrerede en buefejl, der varede fire sekunder med 26, 000 ampere strøm. Gennemgang af højhastighedsoptagelser, forskerne så, hvordan stålpanelet, der omslutter koblingsudstyret, fordampede inden for et halvt sekund efter lysbuens begyndelse.

"På få sekunder, et perfekt godt skab blev ødelagt, " sagde LaFleur.

En video, flere perspektiver

Sandias optiske ingeniører har udviklet avancerede billeddannelses- og analysemetoder til at vise flere slags data i én video. Efter at have indsamlet video under en test, gruppen bruger algoritmer til at stabilisere og flette optagelser fra flere kameraer.

Til lysbuefejltestene, brandbeskyttelsesingeniørerne ville gennemskue røgen og overvåge flammens temperatur. Så, Tanbakuchi og Demosthenous filmede også eksplosionen ved hjælp af termisk billeddannelse. Derefter, de kombinerede denne optagelse med udsigt fra et højhastighedskamera, der optog synligt lys fra eksplosionen. Resultaterne viste eksplosionens temperaturprofil i forhold til det fysiske udstyr uden røg, der skjulte udsynet. Disse bestræbelser giver forskerne mulighed for at kunne bruge video som testdata.

En anden udfordring involverede regnskab for lyse flammer og rystende kameraer. Tanbakuchi og Demosthenous oprettede tre højhastighedskameraer til at registrere eksplosionen. Hver blev indstillet til en anden eksponering, så kombinationen af ​​visningerne producerede optagelser med højt dynamisk område med flere detaljer i de lyse og mørke områder af billedet. Derefter stabiliserede de optagelserne med et specialiseret computerprogram. Resultatet var en video med tilstrækkelig visuel kontrast til at se, hvor de udstødte partikler ved kanten af ​​eksplosionen rejste. Partiklernes bevægelse hjælper LaFleur med at spore, hvordan eksplosionen forvandler energi til hastighed, momentum, kemiske reaktioner og elektrisk energi.

Sandia -forskere monterede også små rektangler af carbon tape og silicagelgel på forskellige afstande foran eksplosionen. Udstødte partikler klæber til disse materialer, som de tog tilbage til deres laboratorium for yderligere analyse. Størrelsen, form og kemisk sammensætning af partiklerne giver fingerpeg om reaktioner, der opstod under eksplosionen.

LaFleur og hendes kolleger håber at kunne bruge data fra disse test til at skabe en computermodel, der tager højde for energien, masse og momentum balancerer under en lysbuefejl. Then the researchers can create a table that provides the zones of influence for a high energy arc fault of given voltages and currents in a cabinet with specific metal conductors. This information can help nuclear power plant operators do risk analysis, hun sagde.