Làm thế nào có thể nguy hiểm điện áp thấp, dòng điện cao (kA)?

Các nhà máy lọc nhôm sử dụng điện để tách nhôm ra khỏi các khoáng chất mà nó tự nhiên xuất hiện. Điện này thường có dạng điện áp thấp DC ("thấp" có nghĩa là 4 đến 6 volt), ở dòng điện rất cao (theo thứ tự hàng chục kiloamp). Sức mạnh này tạo ra một mối nguy hiểm điện giật, nhưng tôi không hiểu làm thế nào. Nếu toàn bộ hệ thống điện chạy ở mức 5 volt và cơ thể con người hoạt động như một điện trở, thì làm thế nào đủ dòng điện thực sự khiến nó đi qua cơ thể con người trở nên nguy hiểm? Tương tự như vậy, làm thế nào một hồ quang điện trong không khí có thể xảy ra, nếu phải mất hàng trăm volt để hồ quang trong một khoảng cách rất ngắn?

Điện áp cho quy trình Hall H Hrouroult thấp một cách bất tiện (và dòng điện quá cao) để hoạt động song song hiệu quả nên họ sử dụng cả đống tế bào theo chuỗi.

Từ nguồn này ("Các nghiên cứu về quá trình điện hóa nhôm Hall-Heroult"):

Mật độ dòng tối ưu là khoảng 1 A cm - 2 với tổng dòng tế bào là 150-300 kA và điện áp tế bào -4.0 đến -4.5 V. Một nhà tế bào điển hình sẽ chứa khoảng 200 ô được sắp xếp nối tiếp trên hai dòng.

Vì vậy, điện áp tại bất kỳ tế bào nào có liên quan đến trái đất có thể khá cao và điện áp trên một tế bào nếu nó mở ra sẽ gần 1kV. Các dòng điện như vậy sẽ dễ dàng làm bay hơi kim loại để chúng có thể duy trì một vòng cung rất dài nếu nó mở ra tương đối chậm và không có cơ chế thổi ra (DC kém hơn AC).

Để hiểu vấn đề hiệu quả - hãy xem xét một bộ chỉnh lưu toàn sóng đơn giản được chế tạo với 6 bộ chỉnh lưu silicon. Nó sẽ có một giọt (giả sử) 2V ở dòng điện đầy đủ vì vậy tổn thất sẽ là dòng điện đầu ra x 2V. Ở 150kA, mất 300kW. Nếu bạn chạy song song 200 ô, bạn sẽ lãng phí 60MW. Ngay cả với giá điện rẻ mà các nhà máy luyện kim phải trả sẽ tăng thêm - đơn đặt hàng có lẽ 25-50 triệu đô la một năm. Trong loạt, tổn thất là 'chỉ' 300kW. Chi phí vốn cũng ít hơn nhiều để tạo ra 150kA ở 800V so với 30MA ở 4.5V vì sẽ cần nhiều bộ chỉnh lưu và tản nhiệt hơn.

Vòng dây dẫn mang dòng điện 10 kA có độ tự cảm khác không. Điều đó có nghĩa là một lượng lớn năng lượng được lưu trữ trong vòng lặp đó dưới dạng .$\frac{1}{2}LI^2$

Nếu có sự cố trong mạch, cuộn cảm sẽ tăng điện áp khi đứt để giữ cho dòng điện chạy trong khi vẫn còn năng lượng dự trữ để điều khiển nó. Điều này sẽ đủ để duy trì một vòng cung, và nếu vòng cung trở nên đủ dài nên cần một điện áp cao để duy trì nó, đủ để điện giật một người.

Một ví dụ hàng ngày hơn về nguồn điện áp thấp, nguy hiểm là pin xe hơi khiêm tốn. Tại sao? Mặc dù điện áp (cho hoặc nhận) không đủ để gây ra điện giật hoặc thậm chí gây sốc đáng kể cho bạn trong các trường hợp thông thường, dòng điện sự cố có thể đủ cao để gây ra sự nóng lên đáng kể của bất kỳ vật kim loại nào liên quan đến lỗi, dẫn đến bỏng nặng.

Như Sphero chỉ ra - 10kA quá bất tiện để xử lý (hãy tưởng tượng kích thước của thanh cái bạn cần!) Vì vậy các ứng dụng Hall-Heroult thực tế kết nối một loạt các ô. Điều này có nghĩa là toàn bộ điện áp nguy hiểm có mặt trên toàn bộ chuỗi tế bào (và dưới đất!) Ngay cả khi mỗi tế bào chỉ hoạt động ở một vài volt. Hãy nghĩ về điều này giống như sự khác biệt giữa RC LiPo và gói Li-Ion trong Tesla - cả hai đều có thể tạo ra dòng điện lỗi nguy hiểm, nhưng sau này cũng có thể gây sốc cho bạn.