Sensorforskning hjælper med at bekæmpe skovbrande

Da klimaændringer fører til større og hyppigere naturbrande, bruger forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory sensorer, droner og maskinlæring til både at forhindre brande og reducere deres skader på elnettet. Ingeniører finpudser teknologi til at fjernføle elektrisk lysbue og defekt udstyr, såvel som retningen for spredning af brande.

Behovet er akut. De største registrerede naturbrandår har fundet sted siden 2004, hvilket falder sammen med mange af de varmeste år nogensinde, ifølge National Interagency Fire Center-data. Elektriske selskaber har en stor andel i at tackle krisen, da mange naturbrande udløses af elledninger, og skovbrande kan forårsage omfattende elektriske afbrydelser.

Sidste brandsæson målrettede DOE finansiering til en håndfuld naturbrandprojekter, herunder to på ORNL. "Vi valgte, at denne forskning skulle fremskyndes, fordi vi anerkender, hvor kritisk og farlig naturbrand er blevet på grund af klimaændringer og andre faktorer," sagde Stewart Cedres, en senior DOE teknisk leder og strateg. Wildbrandskader på transmissionsledninger kan forårsage brownouts og blackouts flere stater væk, bemærkede han.

"Arbejdet ORNL udfører med sensorteknologi på droner, der kan gå ud over synsvidde, er unikt og meget kritisk, fordi det giver os mulighed for at være flere skridt foran problemer, der kan bringe nettet i fare, hvilket gør det upålideligt og mindre modstandsdygtigt." sagde Cedres.

Cedres sagde, at DOE har en dobbelt interesse:at forhindre brande i at blive startet af det elektriske net og at beskytte nettet mod brande. Et ORNL-team ledet af Peter Fuhr, leder af ORNL's Grid Communications and Security Group, arbejder på begge disse problemer. Det forbedrer også branddetektion for U.S. Forest Service, det primære agentur til bekæmpelse af naturbrande.

Det Hvide Hus i juli pegede på forskningen i skovbrande, der udføres af Fuhrs team for at forklare, hvordan Biden-administrationen tackler naturbrandtruslen.

Forebyggelse

Sensorer placeret i nærheden af ​​elledninger eller i kraftelektronikudstyr kan registrere variationer i strømflowet, der fører til overophedede gnister. ORNL-forsker Ali Ekti er ved at udvikle en algoritme til hurtigt at genkende og klassificere disse elektriske lysbuer, som opstår, når elektricitet springer gennem luften mellem to ledere.

Ekti bruger et bibliotek med "signaturer" i bølgeform, der er bidraget fra forsyningsselskaber og universiteter, som viser spidser i spænding eller strøm forårsaget af uregelmæssigheder såsom buedannelse. Hans algoritme detekterer disse anomaliområder. De næste trin vil involvere træning af et softwareprogram til at genkende lignende signaturer og lokalisere, hvor lysbuen sker. Algoritmen, som kunne implementeres i kraftelektronikudstyr, ville advare forsyningskommandocentret, så personalet kunne tjekke placeringen – hvis den er tilgængelig.

Det er her, droner kommer ind:Ofte sker buedannelse i barske områder, som er svære at nå. Flyvemaskiner og helikoptere kan nogle gange ikke komme lavt eller tæt nok på til at finde små buer. De er også meget dyrere at flyve og svære at planlægge hurtigt, sagde Fuhr.

Et lovende alternativ er at bruge droner udstyret med sensorer, der optager video og registrerer lyd-, varme- og radiofrekvensemissioner fra små buer. Disse kombinerede sensoriske evner kan bekræfte opdagede problemer og overvinde interferens.

Droner hjælper med at identificere vedligeholdelsesbehov, før brande starter. ORNLs erfaring med at betjene droner ud over den visuelle synslinje giver mulighed for at inspicere transmissionslinjer over lange afstande. Federal Aviation Administration har for nylig givet Fuhrs team usædvanlig tilladelse til at flyve droner i hele USA og op til 1.500 fod med særlig tilladelse.

"Droner er allerede derude og laver vegetationsforvaltning. Så hvorfor bruger vi ikke en ekstra teknologi på den samme platform til at tjekke for buedannelse på samme tid?" sagde Fuhr. "Vi etablerer demonstrationer i det kommende år ved store og små forsyningsselskaber over hele landet."

Dronemonterede lydsensorer står over for en udfordring med at skelne den knitrende støj fra bue fra dronepropellens summen. Men Ekti har udviklet en ny teknik, der bruger matematik til at udtrække lydsignaturen af ​​lysbuer fra baggrundsstøj.

Instruktion af brandslukning

Fuhrs hold kan prøve dette ved en anden demonstration i oktober for Skovvæsenet. Omkring Kootenai National Forest i Montana vil ORNL-forskere vise, hvordan de kan bruge droner til termisk at detektere gnister forud for en stor ildebrand.

Holdet testede teknikken i sommer på en nærliggende gård ved at tænde et indesluttet bål blandt spredte små dåser med brændende gelbrændstof. De eksperimenterede for at finde ud af, i hvilken højde en dronemonteret sensor kunne identificere de små flammer nedenfor.

Denne evne kunne være en game-changer i bekæmpelsen af ​​vildmarksbrande, sagde Marva Willey, en brændstofspecialist fra US Forest Service, som tjener i agenturets værktøjer og teknologiteam. "Varmedetekterende sensorer har så mange applikationer, der kan øge vores situationsbevidsthed og viden om, hvor varme og ild er," sagde hun. "Det handler om at vide, hvad der foregår, før du sætter folk derude."

Drone-monterede sensorer kan hjælpe med at finde nye brande forårsaget af gløder, der kan blæse så langt som en kilometer fra hovedbranden, sagde Willey. Intet andet kan mærke varme under et baldakin af træer, hvor røgen ikke er synlig. Dronerne kunne også bruges til at lokalisere hot spots, der er tilbage i et overbrændt område - en opgave, der nu udføres i hånden, mens brandmændene sigter gennem aske.

ORNL-forskere leverer sensorer til et andet Forest Service-eksperiment, relateret til detektering af varme fra ekstremt høje højder. Sensorer kunne bæres enten af ​​en ballon eller et solcelledrevet, langtidsholdbart køretøj, der flyver over tordenvejr og tjekker for brande antændt af lynnedslag. Denne teknologi er planlagt til test senere i år. Willey sagde, at det kunne reducere behovet for piloterede brand-spotting-flyvninger og eliminere menneskelig risiko, mens begrænsede ressourcer bruges fornuftigt.

Fuhrs team er begyndt at undersøge andre måder at forhindre elektrisk brand ved hjælp af drone-monterede sensorer, såsom at detektere, om splejsninger eller transformere genererer overskydende varme.

I 2021, da en naturbrand forårsaget af nedskudte elledninger brændte i det nærliggende Wears Valley, Tennessee, fik Fuhr og hans team tilladelse fra brandmænd til at bruge droner til at overvåge varme i transmissionsledninger og transformere midt i flammen. Selv hvis de overlever branden, kan transformere blive kompromitteret ved udsættelse for temperaturer, der er varmere end deres driftsgrænser, sagde Fuhr. Dette kunne hjælpe med at identificere, hvor udstyr skal udskiftes.

"New Mexico var i brand tidligere i år, og når du ser ødelæggelserne, der skete med (2018) Camp Fire og den resulterende konkurs for forsyningsvirksomheden - hvis vores aktiviteter kan reducere den slags resultater, er det godt for alle," Fuhr sagde. + Udforsk yderligere

Detektion af naturbrand:Droner parret med jordbaserede sensorer