Wie kann Niederspannung, Hochstrom (kA) gefährlich sein?

Aluminiumraffinerien verwenden Elektrizität, um Aluminium von Mineralien zu trennen, in denen es natürlich vorkommt. Diese Elektrizität hat typischerweise die Form von Gleichspannung mit niedriger Spannung ("niedrig" bedeutet 4 bis 6 Volt) bei sehr hohem Strom (in der Größenordnung von zehn Kiloampere). So viel Strom birgt die Gefahr eines Stromschlags, aber ich verstehe nicht, wie. Wenn das gesamte elektrische System beispielsweise mit 5 Volt betrieben wird und der menschliche Körper wie ein Widerstand wirkt, wie kann dann genügend Strom den menschlichen Körper tatsächlich gefährden? Wie kann ein elektrischer Lichtbogen durch die Luft entstehen, wenn es Hunderte von Volt dauert, bis er über eine sehr kurze Distanz gebogen ist?

Die Spannung für den Hall-Héroult-Prozess ist für einen effizienten Parallelbetrieb ungünstig niedrig (und der Strom zu hoch), sodass eine ganze Reihe von Zellen in Reihe verwendet wird.

Aus dieser Quelle ("Untersuchungen zum Hall-Heroult-Aluminium-Elektrogewinnungsprozess"):

Die optimale Stromdichte liegt bei etwa 1 A cm –2 bei einem Gesamtzellenstrom von 150–300 kA und einer Zellenspannung von -4,0 bis -4,5 V. Ein typisches Zellenhaus enthält etwa 200 Zellen, die in Reihe auf zwei Leitungen angeordnet sind.

Daher kann die Spannung an einer bestimmten Zelle in Bezug auf die Erde ziemlich hoch sein, und die Spannung an einer Zelle, wenn sie sich öffnet, beträgt fast 1 kV. Solche Ströme verdampfen leicht Metall, sodass sie einen sehr langen Lichtbogen aushalten können, wenn er sich relativ langsam öffnet und keinen Ausblasmechanismus hat (Gleichstrom ist schlechter als Wechselstrom).

Um den Wirkungsgrad zu verstehen, betrachten Sie einen einfachen Vollweggleichrichter mit 6 Siliziumgleichrichtern. Es wird einen Abfall von (sagen wir) 2 V bei vollem Strom haben, so dass der Verlust der Ausgangsstrom x 2 V ist. Bei 150kA sind das 300kW Verlust. Wenn Sie 200 Zellen parallel betreiben, würden Sie 60 MW verschwenden. Selbst bei den billigen Strompreisen, die die Hütten zahlen, summiert sich das auf vielleicht 25-50 Millionen Dollar pro Jahr. Serienmäßig beträgt der Verlust "nur" 300 kW. Die Kapitalkosten sind auch viel geringer, um 150 kA bei 800 V gegenüber 30 mA bei 4,5 V zu erzeugen, da weitaus mehr Gleichrichter und Wärmeableitung erforderlich wären.

Die Leiterschleife, die den Strom von 10 kA führt, weist eine Induktivität ungleich Null auf. Das bedeutet, dass in dieser Schleife eine große Energiemenge als gespeichert wird$\frac{1}{2}LI^2$

Bei einer Unterbrechung des Stromkreises erhöht die Induktivität die Spannung an der Unterbrechung, um den Strom fließen zu lassen, während noch gespeicherte Energie zur Verfügung steht, um ihn anzutreiben. Dies reicht aus, um einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Sollte der Lichtbogen lang genug werden, benötigen Sie eine hohe Spannung, um ihn aufrechtzuerhalten. Dies reicht aus, um eine Person mit Strom zu versorgen.

Ein alltäglicheres Beispiel für eine gefährliche Niederspannungs- und Hochstromquelle ist eine bescheidene Autobatterie. Warum? Auch wenn die Spannung (12 V geben oder nehmen) unter normalen Umständen nicht ausreicht, um einen Stromschlag oder sogar einen erheblichen Stromschlag zu verursachen, sind die möglichen Fehlerströme hoch genug, um eine erhebliche Erwärmung aller am Fehler beteiligten Metallobjekte zu verursachen, was zu schweren Verbrennungen führt.

Sphero weist darauf hin, dass 10 kA zu unpraktisch ist (stellen Sie sich die Größe der benötigten Sammelschienen vor!). Daher verbinden praktische Hall-Heroult-Apps eine Reihe von Zellen in Reihe. Dies bedeutet, dass gefährliche Spannungen am gesamten Zellenstrang (und an Masse!) Anliegen, auch wenn jede Zelle nur mit wenigen Volt arbeitet. Stellen Sie sich das wie den Unterschied zwischen einem RC LiPo und dem Li-Ion-Pack in einem Tesla vor - beide können gefährliche Fehlerströme auslösen, aber letztere können Sie auch schockieren.