W jaki sposób energia o niskim napięciu i wysokim prądzie (kA) może być niebezpieczna?

Rafinerie aluminium wykorzystują energię elektryczną do oddzielania aluminium od minerałów, w których naturalnie występuje. Elektryczność ta zwykle przyjmuje postać niskonapięciowego prądu stałego („niski” oznacza 4 do 6 woltów) przy bardzo wysokim prądzie (rzędu dziesiątek kiloamperów). Tak duża moc stanowi zagrożenie porażeniem prądem, ale nie rozumiem, jak to zrobić. Jeśli cały układ elektryczny działa z, powiedzmy, 5 woltów, a ciało ludzkie zachowuje się jak opornik, to w jaki sposób wystarczająca ilość prądu może rzeczywiście przedostać się przez ludzkie ciało, aby być niebezpiecznym? Podobnie, w jaki sposób może zajść łuk elektryczny w powietrzu, jeśli zajmie to setki woltów w łuk na bardzo małej odległości?

Napięcie w procesie Halla – Héroulta jest niewygodnie niskie (a prąd zbyt wysoki) dla wydajnej pracy równoległej, dlatego wykorzystują szereg wiązek ogniw w szeregu.

Z tego źródła („Badania nad procesem elektrolitycznego powlekania aluminium Hall-Heroult”):

Optymalna gęstość prądu wynosi około 1 A cm-2 przy całkowitym prądzie ogniwa wynoszącym 150–300 kA i napięciu ogniwa od -4,0 do -4,5 V. Typowy dom ogniw będzie zawierał około 200 ogniw rozmieszczonych szeregowo na dwóch liniach.

Napięcie w dowolnym ogniwie względem ziemi może być dość wysokie, a napięcie w ogniwie, jeśli się otworzy, będzie wynosić prawie 1 kV. Prądy takie łatwo odparowują metal, dzięki czemu mogą wytrzymać bardzo długi łuk, jeśli otwiera się stosunkowo wolno i nie ma mechanizmu wydmuchiwania (prąd stały jest gorszy niż prąd przemienny).

Aby zrozumieć kwestię wydajności, rozważ prosty prostownik pełnofalowy wykonany z 6 prostowników silikonowych. Będzie miał spadek (powiedzmy) 2 V przy pełnym prądzie, więc stratą będzie prąd wyjściowy x 2 V. Przy 150kA to 300kW utracone. Jeśli uruchomisz równolegle 200 komórek, zmarnujesz 60 MW. Nawet przy niskich cenach energii elektrycznej płaconych przez huty, które sumują zamówienie, być może 25-50 milionów dolarów rocznie. Szeregowo strata wynosi „tylko” 300 kW. Koszt inwestycyjny jest również znacznie niższy, aby wytworzyć 150 kA przy 800 V w porównaniu do 30MA przy 4,5 V, ponieważ wymagałoby to znacznie więcej prostowników i radiatora.

$\frac{1}{2}LI^2$

Jeśli nastąpi przerwa w obwodzie, indukcyjność podniesie napięcie na przerwy, aby utrzymać przepływ prądu, podczas gdy nadal jest zgromadzona energia, która jest w stanie go napędzać. To wystarczy, aby utrzymać łuk, a jeśli łuk stanie się wystarczająco długi, więc potrzebne jest wysokie napięcie, aby je podtrzymać, wystarczające do porażenia prądem.

Bardziej codziennym przykładem niebezpiecznego niskonapięciowego, wysokoprądowego źródła jest skromna bateria samochodowa. Dlaczego? Chociaż napięcie (12 V daje lub pobiera) nie wystarcza do porażenia prądem, a nawet znacznego porażenia prądem w normalnych okolicznościach, możliwe prądy zwarciowe są wystarczająco wysokie, aby spowodować znaczne nagrzanie dowolnego metalowego przedmiotu zaangażowanego w awarię, co prowadzi do poważnych poparzeń.

Jak wskazuje Sphero - 10 kA jest zbyt niewygodne do obsługi (wyobraź sobie rozmiar potrzebnych szyn!), Więc praktyczne aplikacje Hall-Heroult łączą szereg komórek. Oznacza to, że niebezpieczne napięcia są obecne w całej komórce-string jako całość (i do ziemi!), Nawet jeśli każda komórka działa tylko na kilku woltów. Pomyśl o tym jak o różnicy między RC LiPo a pakietem Li-Ion w Tesli - oba mogą wydzielać niebezpieczne prądy zwarciowe, ale to drugie może również wstrząsnąć.