I guasti da arco ad alta energia sono scariche elettriche ad alta potenza tra due o più conduttori che possono rilasciare decine di migliaia di ampere di corrente. Possono provocare esplosioni che raggiungono circa 35, 000 gradi Celsius, circa la temperatura dei fulmini, e vaporizzano l'acciaio e emettono particelle di metallo caldo nell'aria.

In una centrale elettrica, un tale difetto può diffondersi rapidamente, che è proprio la cosa che i ricercatori dei Sandia National Laboratories stanno cercando di prevenire trovando un nuovo modo per scrutare le fiamme. Quelle fiamme sono piene di informazioni utili che possono aiutare a mantenere le centrali elettriche in funzione in sicurezza.

Gli ingegneri ottici e antincendio di Sandia utilizzano telecamere ad alta velocità e algoritmi avanzati, metodi di imaging e analitici per comprendere questi guasti d'arco pericolosi tra due conduttori, come le sbarre collettrici ad alta tensione in un quadro di una centrale elettrica.

Le centrali elettriche valutano i rischi di guasti ad arco conoscendo la loro zona di influenza, la distanza alla quale i cavi e le apparecchiature adiacenti verrebbero danneggiati oltre la funzionalità. In una centrale nucleare, questo aiuta gli ingegneri a valutare il potenziale di danneggiare il nocciolo del reattore se l'attrezzatura vicina svolge un ruolo nello spegnimento sicuro del reattore.

Ma è difficile raccogliere dati precisi su una faglia ad arco rapido. Fiamme luminose e fumo oscurano la vista, e il calore elevato distrugge molti strumenti diagnostici. L'interferenza elettromagnetica associata al flash compromette anche la capacità di raccogliere dati.

Gli ingegneri ottici Sandia hanno un modo per aggirare queste sfide. Spesso addestrano telecamere ad alta velocità su test infuocati al tubo di scoppio di Sandia e alla pista per razzi. Ora hanno rivolto le loro lenti verso i guasti d'arco nelle centrali elettriche.

Lavorando con gli ingegneri della protezione antincendio di Sandia e i colleghi del National Institute of Standards and Technology, il gruppo ha recentemente partecipato a test su larga scala presso un laboratorio indipendente in Pennsylvania. Il progetto è finanziato dalla Nuclear Regulatory Commission.

I dati dei test consentiranno di sviluppare un modello al computer in grado di prevedere la zona di influenza di un arco elettrico. I risultati possono essere applicati ad armadi a bassa o media tensione in qualsiasi struttura, ha detto Chris LaFleur, un ingegnere antincendio che ha guidato lo sforzo di Sandia.

Il filmato rivela la potenza e l'intensità dei guasti d'arco

I conduttori che corrono attraverso questi armadi elettrici erano tradizionalmente realizzati in rame, il metallo su cui sono state determinate le zone di influenza negli ultimi 50 anni. Ma recentemente, è stato identificato che molti sistemi di sbarre hanno utilizzato conduttori in alluminio o una combinazione di rame e alluminio. Alluminio, mentre meno costoso e più leggero del rame, è molto più reattivo durante un guasto d'arco ad alta energia. Questa differenza può influenzare la quantità di energia e materiale emessa da un guasto d'arco.

Per conoscere l'impatto di un guasto ad arco in una gamma completa di apparecchiature elettriche con conduttori sia in rame che in alluminio, i ricercatori hanno portato le loro telecamere commerciali ad alta velocità e a infrarossi ai laboratori KEMA di Chalfont, Pennsylvania, un laboratorio di prova indipendente con apparecchiature elettriche uniche in grado di generare condizioni di guasto dell'arco ad alta energia.

L'ingegnere ottico Anthony Tanbakuchi e il capo tecnologo Byron Demosthenous hanno posizionato le telecamere dietro un muro di blocchi di cemento per avvicinarle alla faglia dell'arco proteggendole anche dal calore. Hanno puntato le telecamere verso specchi di alta qualità e hanno registrato il riflesso dell'esplosione a più di 1, 000 fotogrammi al secondo.

La squadra ha registrato un errore d'arco che è durato quattro secondi con 26, 000 ampere di corrente. Rivedere le riprese ad alta velocità, i ricercatori hanno visto come il pannello di acciaio che racchiude il quadro si è vaporizzato entro mezzo secondo dall'inizio dell'arco.

"In secondi, un armadio perfettamente funzionante è stato distrutto, " ha detto LaFleur.

Un video, diverse prospettive

Gli ingegneri ottici di Sandia hanno sviluppato metodi di imaging e analisi avanzati per mostrare diversi tipi di dati in un video. Dopo aver raccolto video durante un test, il gruppo utilizza algoritmi per stabilizzare e unire filmati provenienti da più telecamere.

Per i test di guasto dell'arco, gli ingegneri della protezione antincendio volevano vedere attraverso il fumo e monitorare la temperatura delle fiamme. Così, Tanbakuchi e Demosthenous hanno anche filmato l'esplosione utilizzando la termografia. Quindi, hanno combinato quel filmato con una vista da una telecamera ad alta velocità che registrava la luce visibile dell'esplosione. I risultati hanno mostrato il profilo della temperatura dell'esplosione rispetto all'attrezzatura fisica senza che il fumo oscurasse la vista. Questi sforzi consentono ai ricercatori di utilizzare i video come dati di test.

Un'altra sfida riguardava la contabilizzazione delle fiamme luminose e delle telecamere che tremavano. Tanbakuchi e Demosthenous hanno installato tre telecamere ad alta velocità per registrare l'esplosione. Ciascuno era impostato su una diversa esposizione, in modo che la combinazione delle viste producesse filmati ad alta gamma dinamica con maggiori dettagli nelle aree luminose e scure dell'immagine. Quindi hanno stabilizzato il filmato con un programma informatico specializzato. Il risultato è stato un video con un contrasto visivo sufficiente per vedere dove viaggiavano le particelle espulse ai margini dell'esplosione. Il movimento delle particelle aiuta LaFleur a monitorare come l'esplosione trasforma l'energia in velocità, quantità di moto, reazioni chimiche ed energia elettrica.

I ricercatori di Sandia hanno anche montato piccoli rettangoli di nastro di carbonio e aerogel di silice a varie distanze davanti all'esplosione. Particelle espulse attaccate a questi materiali, che hanno riportato al loro laboratorio per ulteriori analisi. La dimensione, la forma e la composizione chimica delle particelle fornisce indizi sulle reazioni avvenute durante l'esplosione.

LaFleur e i suoi colleghi sperano di utilizzare i dati di questi test per creare un modello computerizzato che tenga conto dell'energia, bilanci di massa e quantità di moto durante una faglia d'arco. Quindi i ricercatori possono creare una tabella che fornisce le zone di influenza per un guasto ad arco ad alta energia di determinate tensioni e correnti in un armadio con conduttori metallici specifici. Queste informazioni possono aiutare gli operatori delle centrali nucleari a fare analisi dei rischi, lei disse.