Wie kann Niederspannung, Hochstrom (kA) gefährlich sein?

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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?

ItsTimmy
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Die Magnetfelder sind sehr stark. Die Fehlerströme sind sehr hoch.
Autistic
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Eine Unterbrechung der Isolierung ist kein großes Problem, aber ein vorübergehender Kurzschluss lässt Metall schmelzen. Oder verdampfe es.
Pfingsten
Mir gefällt, dass eine der wichtigsten Antworten auf diese Frage eine theoretische (basierend auf der Induktivität) und eine praktische (basierend auf der Implementierung dieses Prozesses) ist!
Cort Ammon - Reinstate Monica

Antworten:

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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.

Spehro Pefhany
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Wow +1. Mir war nicht klar, dass sie so viele Zellen in Serie hatten.
Autistic
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(+1) Beeindruckende Daten! PS: Warum sagst du "Vollweggleichrichter mit 6 Siliziumgleichrichtern"? Beziehen Sie sich vielleicht auf 3-Phasen-Vollweggleichrichter? Oder gibt es einen Tippfehler (6 anstelle von 4)?
Lorenzo Donati unterstützt Monica am
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@LorenzoDonati ja bei 150kA (!) Und 800V würdest du definitiv einen 3 Phasen Gleichrichter verwenden!
Level River St
Die verbleibende Wechselspannung des Gleichrichters ist bei einem Dreiphasen-Vollweggleichrichter viel niedriger als bei einem Einphasen-Gleichrichter. Bei solchen Leistungen ist eine symmetrische Belastung aller drei Phasen unabdingbar. Bei asymmetrischen Lasten wäre die Stromrechnung höher.
Uwe
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Das flüssige Aluminium aller in Reihe geschalteten Zellen ist nicht potentialfrei. Wird dies beim Abziehen der Aluminiumschmelze nicht beachtet, können große gefährliche Lichtbögen entstehen.
Uwe
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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 wird12Lich2

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.

Neil_UK
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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.

Dreiphasenaal
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"10kA sind zu unpraktisch, um damit umzugehen (stellen Sie sich die Größe der Stromschienen vor, die Sie benötigen würden!)" - Ich dachte, sie haben 10kA und mehr verwendet? Stellen Sie sich die Größe einer großen Aluminiumschmelze vor und stellen Sie sich vor, wie klein die Stromschienen im Vergleich zu allem anderen sind ...
user253751
@immibis - Ich vermute, es gibt Pflanzen, die groß genug sind, um 10 kA durch eine Reihe von Zellen in Serie
ThreePhaseEel
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FWIW - Aluminiumwerke verwenden in der Regel Stromschienen aus Aluminium. Sie haben normalerweise eine bequeme Quelle in der Nähe.
Bryan Boettcher