1

W13 – Advancing the State of the Art in Fire PRA through Research

High Energy Arcing Faults – Insights from the OECD/NEA FIRE Project and the Resulting Experimental Project

Dr. Marina Roewekamp

Gesellschaft fuer Anlagen‐ und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH, GERMANY

Discussion Topics – Current Status of International HEAF Project 

• Project initiation

• Project purpose and goals 

• Test methodology 

• Test results to date 

OECD/NEA  FIRE Database Project (1)• Topical Report No. 1 “Analysis of 

High Energy Arcing Faults, HEAF”, NEA/CSNI/R(2013)6http://www.oecd‐nea.org/nsd/docs/2013/csni‐r2013‐6.pdf

– Non‐negligible contribution of HEAF fire events

• 48 out of 415 fire events collected in the International NPP database up to mid‐2012 represent  HEAF induced fire events (over 10 %)

– Need for future testing realized

2

OECD/NEA  FIRE Database Project (2)• Topical Report  No.3  “Event 

Combinations of Fires and Other Events”, NEA/CSNI/R(2016)7http://www.oecd‐nea.org/nsd/docs/2016/csni‐r2015‐7.pdf

– More than 10 % of the events in the Database are event combinations

• Approx. 6 % are combinations involving HEAF

• ¼ of these are event chains

– Underpins risk significance 

– Need for improvements recognized

OECD/NEA  Task HEAFCSNI WGIAGE Task on High Energy Arcing Faults (2009 – 2013)

• Task Report “A Review of  Current Calculation Methods Used to Predict Damage from High Energy Arcing Fault (HEAF) Events”, NEA/CSNI/R(2015)10http://www.oecd‐nea.org/nsd/docs/2013/csni‐r2015‐10.pdf

– Insights from operating experience with partly significant HEAF events

– Literature study on methods for predicting HEAF consequences

HEAF Project – Testing 2014 – 2016Purpose and Objectives

• Experimental program to investigate the HEAF phenomena 

• Primary objective 

– Perform experiments to obtain scientific fire data on HEAF phenomena known to occur in  nuclear power plants (NPP) through carefully designed experiments

3

HEAF Project – Test Methodology

• 26 full scale experiments conducted

• HEAF events exhibit two damage phases:

1. Short, rapid release of electrical energy 

• Catastrophic failure of the electrical enclosure

• Ejection of hot projectiles and/or fire(s) 

• Damage to overhead cable trays or nearby panels2. Ensuing fire• Ignition of combustible material within the HEAF 

zone of influence (ZOI)

HEAF Test Parameters • Experimentally controlled parameters – Nominal Voltage 

– Nominal Current 

– Nominal Event Duration 

– Arc Location 

• Measured Parameters – Heat Release Rate (HRR)

– Temperature 

– Heat Flux

– Pressure 

– Damage Zone • Blast Damage vs. Enduring Fire Damage

– Furthest extent of damage• Thermal (i.e. ensuing fire damage / smoke damage)

• Physical ( i.e. thrown cabinet door, shrapnel)

Test conditions:

• 10 kV

• 15 kA

• 3 s

• Oil was removed before the test due to safety concerns 

Test Results Enclosure 15 – Oil Filled Breaker (Oil Removed; Copper Bus)

4

Test Results Enclosure 23 – Breaker(Aluminum Bus)

Test conditions:

• 480 V

• 40 kA

• 7 s

Test conditions:

• 4160 V

• 26 kA

• 3.5 s

Test Results Enclosure 26 – Bus Duct(Copper Bus; Aluminum Enclosure)

Main Test Results – Significance of Arc Duration • Increased duration arcing 

events were more likely to create an ensuing fire

• Experiments with arc durations less than 2 s did not result in ensuing fires

• All medium voltage enclosures, 4.16 kV and above, maintained the arc for more than 2 s

5

Main Test Results – Material Impact of Aluminum• Potentially much 

larger ZOI

• Potentially greater likelihood of maintaining arcing at low voltage levels

• Higher risk of fire propagation 

• Conductive Aluminum byproducts coated facility after testing

• Shorting out equipment and causing damage to electrical circuits 

• Operating experience also shows these phenomena 

Main Test Results – Potentially New Failure Mode: Conductive Byproducts 

Test 23 Test 26

HEAF Project – Key Observations

• Significantly more severe physical damage to equipment if experiments involve aluminum components 

• Most severe damage to electrical enclosure observed in an enclosure with aluminum bus bars  as a result of a low voltage(480 V) HEAF 

• Dependency between arc duration and likelihood of ensuing fire(s)

• New, previously unidentified failure mechanism: Conductive Al byproduct coating enclosure environment caused short circuits and unintended current paths in electrical systems 

6

HEAF Project – Documentation

CSNI Report “Experimental Results from the International High Energy Arcing Fault (HEAF) Research Program Testing Phase 2014 to 2016”, NEA/CSNI/R(2017)7in preparation, can be downloaded soon under:https://www.oecd‐nea.org/nsd/docs/indexcsni.html