As falhas de arco elétrico de alta energia são descargas elétricas de alta potência entre dois ou mais condutores que podem liberar dezenas de milhares de amperes de corrente. Eles podem resultar em explosões que atingem cerca de 35, 000 graus Celsius - mais ou menos a temperatura de quedas de raios - vaporizam o aço e expelem partículas de metal quente no ar.

Em uma usina de energia, tal falha pode se espalhar rapidamente, que é exatamente o que os pesquisadores do Sandia National Laboratories estão tentando evitar, encontrando uma nova maneira de perscrutar as chamas. Essas chamas estão repletas de informações úteis que podem ajudar a manter as usinas operando com segurança.

Os engenheiros ópticos e de proteção contra incêndio Sandia estão usando câmeras de alta velocidade e algoritmos avançados, métodos de imagem e analíticos para entender essas falhas de arco perigoso entre dois condutores, como os barramentos de alta tensão em um quadro de distribuição em uma usina de energia.

As usinas de energia avaliam os riscos de falhas de arco conhecendo sua zona de influência - a distância que cabos e equipamentos vizinhos seriam danificados além da funcionalidade. Em uma usina nuclear, isso ajuda os engenheiros a avaliar o potencial de danificar o núcleo do reator se o equipamento vizinho desempenhar um papel no desligamento seguro do reator.

Mas dados precisos sobre uma falha de arco rápido são difíceis de coletar. Chamas brilhantes e fumaça obscurecem a visão, e o alto calor destrói muitos instrumentos de diagnóstico. A interferência eletromagnética associada ao flash também prejudica a capacidade de coletar dados.

Os engenheiros ópticos da Sandia têm uma maneira de contornar esses desafios. Eles costumam treinar câmeras de alta velocidade em testes de fogo no tubo de explosão e pista de trenó-foguete de Sandia. Agora eles voltaram suas lentes para falhas de arco em usinas de energia.

Trabalhando com os engenheiros de proteção contra incêndio Sandia e colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, o grupo participou recentemente de testes em grande escala em um laboratório independente na Pensilvânia. O projeto é financiado pela Comissão Reguladora Nuclear.

Os dados dos testes permitirão o desenvolvimento de um modelo de computador que irá prever a zona de influência de uma falha de arco. Os resultados podem ser aplicados a gabinetes de baixa ou média tensão em qualquer instalação, disse Chris LaFleur, um engenheiro de proteção contra incêndio que liderou o esforço Sandia.

A filmagem revela o poder e a intensidade das falhas de arco

Os condutores que passam por esses gabinetes elétricos eram tradicionalmente feitos de cobre, o metal no qual as zonas de influência foram determinadas nos últimos 50 anos. Mas recentemente, foi identificado que muitos sistemas de barramento de barramento usaram condutores de alumínio ou uma combinação de cobre e alumínio. Alumínio, embora menos caro e mais leve que o cobre, é muito mais reativo durante uma falha de arco de alta energia. Essa diferença pode afetar a quantidade de energia e material que uma falha com arco emite.

Para aprender sobre o impacto de uma falha de arco em uma gama completa de equipamentos elétricos com condutores de cobre e alumínio, os pesquisadores levaram suas câmeras infravermelhas e de alta velocidade para os Laboratórios KEMA em Chalfont, Pensilvânia, um laboratório de testes independente com equipamento elétrico exclusivo capaz de gerar condições de falha de arco de alta energia.

O engenheiro óptico Anthony Tanbakuchi e o tecnólogo-chefe Byron Demosthenous colocaram as câmeras atrás de uma parede de blocos de concreto para aproximá-las da falha de arco e, ao mesmo tempo, protegê-las do calor. Eles apontaram as câmeras para espelhos de alto nível e registraram o reflexo da explosão em mais de 1, 000 quadros por segundo.

A equipe registrou uma falha de arco que durou quatro segundos com 26, 000 amperes de corrente. Revendo as filmagens de alta velocidade, os pesquisadores viram como o painel de aço envolvendo o quadro de distribuição vaporizou dentro de meio segundo após o início do arco.

"Em segundos, um armário perfeitamente bom foi destruído, "LaFleur disse.

Um vídeo, várias perspectivas

Os engenheiros ópticos da Sandia desenvolveram métodos avançados de imagem e análise para mostrar vários tipos de dados em um vídeo. Depois de coletar o vídeo durante um teste, o grupo usa algoritmos para estabilizar e mesclar filmagens de várias câmeras.

Para os testes de falha de arco, os engenheiros de proteção contra incêndio queriam ver através da fumaça e monitorar a temperatura das chamas. Então, Tanbakuchi e Demosthenous também filmaram a explosão usando imagens térmicas. Então, eles combinaram essa filmagem com uma visão de uma câmera de alta velocidade que registra a luz visível da explosão. Os resultados mostraram o perfil de temperatura da explosão em relação ao equipamento físico sem fumaça obscurecendo a visão. Esses esforços permitem que os pesquisadores sejam capazes de usar o vídeo como dados de teste.

Outro desafio envolveu a contabilização de chamas brilhantes e câmeras trêmulas. Tanbakuchi e Demosthenous instalaram três câmeras de alta velocidade para registrar a explosão. Cada um foi definido para uma exposição diferente, de modo que a combinação das visualizações produziu uma metragem de alta faixa dinâmica com mais detalhes nas áreas claras e escuras da imagem. Em seguida, eles estabilizaram a filmagem com um programa de computador especializado. O resultado foi um vídeo com contraste visual suficiente para ver para onde as partículas ejetadas na borda da explosão viajaram. O movimento das partículas ajuda LaFleur a rastrear como a explosão transforma energia em velocidade, impulso, reações químicas e energia elétrica.

Os pesquisadores da Sandia também montaram pequenos retângulos de fita de carbono e aerogel de sílica a várias distâncias antes da explosão. Partículas ejetadas presas a esses materiais, que eles levaram de volta para seu laboratório para análise posterior. O tamanho, a forma e a composição química das partículas fornecem pistas para as reações que ocorreram durante a explosão.

LaFleur e seus colegas esperam usar os dados desses testes para criar um modelo de computador que contabilize a energia, balanços de massa e momento durante uma falha de arco. Em seguida, os pesquisadores podem criar uma tabela que fornece as zonas de influência para uma falha de arco de alta energia de determinadas tensões e correntes em um gabinete com condutores de metal específicos. Essas informações podem ajudar os operadores de usinas nucleares a fazer análises de risco, ela disse.