Las fallas de arco eléctrico de alta energía son descargas eléctricas de alta potencia entre dos o más conductores que pueden liberar decenas de miles de amperios de corriente. Pueden resultar en explosiones que alcanzan alrededor de 35, 000 grados Celsius, aproximadamente la temperatura de los rayos, y vaporizan el acero y arrojan partículas de metal calientes al aire.

En una planta de energía tal falla puede extenderse rápidamente, que es justo lo que los investigadores de Sandia National Laboratories están tratando de prevenir al encontrar una nueva forma de mirar dentro de las llamas. Esas llamas están llenas de información útil que puede ayudar a que las plantas de energía sigan funcionando de manera segura.

Los ingenieros ópticos y de protección contra incendios de Sandia están utilizando cámaras de alta velocidad y algoritmos avanzados, métodos analíticos y de imágenes para comprender estas peligrosas fallas de arco entre dos conductores, como las barras colectoras de alto voltaje en un tablero de distribución en una planta de energía.

Las plantas de energía evalúan los riesgos de las fallas de arco conociendo su zona de influencia:la distancia a la que los cables y equipos vecinos se dañarían más allá de la funcionalidad. En una planta de energía nuclear, esto ayuda a los ingenieros a evaluar el potencial de dañar el núcleo del reactor si el equipo vecino juega un papel en el apagado seguro del reactor.

Pero es difícil recopilar datos precisos sobre una falla de arco rápido. Las llamas brillantes y el humo oscurecen la vista, y el calor intenso destruye muchos instrumentos de diagnóstico. La interferencia electromagnética asociada con el flash también afecta la capacidad de recopilar datos.

Los ingenieros ópticos de Sandia tienen una forma de sortear esos desafíos. A menudo entrenan cámaras de alta velocidad en pruebas de fuego en el tubo explosivo y la pista de trineo cohete de Sandia. Ahora han orientado sus lentes hacia fallas de arco en plantas de energía.

Trabajando con los ingenieros y colegas de protección contra incendios de Sandia en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, el grupo participó recientemente en pruebas a gran escala en un laboratorio independiente en Pensilvania. El proyecto está financiado por la Comisión Reguladora Nuclear.

Los datos de las pruebas permitirán desarrollar un modelo informático que predecirá la zona de influencia de una falla de arco. Los resultados podrían aplicarse a armarios de baja o media tensión en cualquier instalación, dijo Chris LaFleur, un ingeniero de protección contra incendios que dirigió el esfuerzo de Sandia.

Las imágenes revelan la potencia y la intensidad de las fallas de arco

Los conductores que pasaban por estos gabinetes eléctricos estaban hechos tradicionalmente de cobre, el metal sobre el que se han determinado las zonas de influencia durante los últimos 50 años. Pero recientemente, Se ha identificado que muchos sistemas de barras colectoras han utilizado conductores de aluminio o una combinación de cobre y aluminio. Aluminio, aunque menos costoso y más ligero que el cobre, es mucho más reactivo durante una falla de arco de alta energía. Esta diferencia puede afectar la cantidad de energía y material que emite una falla de arco.

Para conocer el impacto de una falla de arco en una gama completa de equipos eléctricos con conductores de cobre y aluminio, los investigadores llevaron sus cámaras comerciales de alta velocidad e infrarrojos a los laboratorios KEMA en Chalfont, Pensilvania, un laboratorio de pruebas independiente con equipo eléctrico único capaz de generar condiciones de falla de arco de alta energía.

El ingeniero óptico Anthony Tanbakuchi y el tecnólogo principal Byron Demosthenous colocaron las cámaras detrás de una pared de bloques de cemento para acercarlas a la falla del arco y al mismo tiempo protegerlas del calor. Apuntaron las cámaras hacia espejos de alta calidad y registraron el reflejo de la explosión en más de 1, 000 cuadros por segundo.

El equipo registró una falla de arco que duró cuatro segundos con 26, 000 amperios de corriente. Revisando el metraje de alta velocidad, los investigadores vieron cómo el panel de acero que encierra la aparamenta se vaporizaba dentro de medio segundo del inicio del arco.

"En segundos, un gabinete en perfecto estado fue destruido, "Dijo LaFleur.

Un video, varias perspectivas

Los ingenieros ópticos de Sandia han desarrollado métodos avanzados de imágenes y análisis para mostrar varios tipos de datos en un solo video. Después de recopilar videos durante una prueba, el grupo utiliza algoritmos para estabilizar y fusionar imágenes de varias cámaras.

Para las pruebas de falla de arco, los ingenieros de protección contra incendios querían ver a través del humo y controlar la temperatura de las llamas. Entonces, Tanbakuchi y Demosthenous también filmaron la explosión utilizando imágenes térmicas. Luego, combinaron ese metraje con una vista de una cámara de alta velocidad que graba la luz visible de la explosión. Los resultados mostraron el perfil de temperatura de la explosión en relación con el equipo físico sin que el humo oscureciera la vista. Estos esfuerzos permiten a los investigadores utilizar videos como datos de prueba.

Otro desafío involucró tener en cuenta las llamas brillantes y las cámaras temblorosas. Tanbakuchi y Demosthenous instalaron tres cámaras de alta velocidad para registrar la explosión. Cada uno fue puesto a una exposición diferente, de modo que la combinación de las vistas produjo metraje de alto rango dinámico con más detalles en las áreas brillantes y oscuras de la imagen. Luego estabilizaron el metraje con un programa informático especializado. El resultado fue un video con suficiente contraste visual para ver dónde viajaban las partículas expulsadas en el borde de la explosión. El movimiento de las partículas ayuda a LaFleur a rastrear cómo la explosión convierte la energía en velocidad, impulso, reacciones químicas y energía eléctrica.

Los investigadores de Sandia también montaron pequeños rectángulos de cinta de carbono y aerogel de sílice a varias distancias frente a la explosión. Partículas expulsadas adheridas a estos materiales, que llevaron a su laboratorio para un análisis más detallado. El tamaño, La forma y composición química de las partículas proporciona pistas sobre las reacciones que ocurrieron durante la explosión.

LaFleur y sus colegas esperan usar los datos de estas pruebas para crear un modelo de computadora que represente la energía, Balance de masa y momento durante una falla de arco. Luego, los investigadores pueden crear una tabla que proporcione las zonas de influencia para una falla de arco de alta energía de voltajes y corrientes dados en un gabinete con conductores metálicos específicos. Esta información puede ayudar a los operadores de centrales nucleares a realizar análisis de riesgos, ella dijo.