Bagaimana daya tegangan rendah, arus tinggi (kA) berbahaya?

18

Kilang aluminium menggunakan listrik untuk memisahkan aluminium dari mineral yang secara alami terjadi. Listrik ini biasanya berbentuk DC tegangan rendah ("rendah" yang berarti 4 hingga 6 volt), pada arus yang sangat tinggi (pada urutan puluhan kiloamp). Kekuatan sebanyak ini menimbulkan bahaya sengatan listrik, tapi saya tidak mengerti caranya. Jika seluruh sistem kelistrikan beroperasi pada, katakanlah, 5 volt, dan tubuh manusia bertindak seperti resistor, lalu bagaimana arus yang cukup dapat membuat melalui tubuh manusia menjadi berbahaya? Demikian pula, bagaimana busur listrik melalui udara dapat terjadi, jika dibutuhkan ratusan volt untuk melengkung pada jarak yang sangat pendek?

Ini waktunya
sumber
4
Medan magnet sangat kuat. Arus gangguan sangat tinggi.
Autistik
1
Terobosan pada isolasi bukanlah masalah besar, tetapi kekurangan sesaat akan melelehkan logam. Atau, menguapkannya.
Whit3rd
Saya suka bagaimana salah satu jawaban teratas untuk pertanyaan ini adalah yang teoretis (berdasarkan induktansi), dan satu adalah yang praktis (berdasarkan bagaimana kami menerapkan proses itu)!
Cort Ammon - Pasang kembali Monica

Jawaban:

30

Tegangan untuk proses Hall-Héroult tidak nyaman rendah (dan arus terlalu tinggi) untuk operasi paralel yang efisien sehingga mereka menggunakan sejumlah sel secara seri.

Dari sumber ini ("Studi tentang Proses Peleburan Aluminium Hall-Heroult"):

Kepadatan arus optimal adalah sekitar 1 A cm-2 dengan total arus sel 150-300 kA dan tegangan sel -4,0 hingga -4,5 V. Rumah sel yang khas akan berisi sekitar 200 sel yang tersusun secara seri pada dua garis.

Jadi tegangan pada sel mana pun yang terkait dengan bumi bisa sangat tinggi, dan tegangan melintasi sel jika terbuka akan hampir 1kV. Arus seperti itu akan dengan mudah menguapkan logam sehingga mereka dapat mempertahankan lengkungan yang sangat panjang jika terbuka relatif lambat dan tidak memiliki mekanisme blow-out (DC lebih buruk daripada AC).

Untuk memahami masalah efisiensi - pertimbangkan penyearah gelombang penuh sederhana yang dibuat dengan 6 penyearah silikon. Ini akan memiliki setetes (katakanlah) 2V pada arus penuh sehingga kerugian akan menjadi arus keluaran x 2V. Pada 150kA, 300kW hilang. Jika Anda menjalankan 200 sel secara paralel, Anda akan menghabiskan 60MW. Bahkan dengan harga listrik murah yang dibayar pabrik peleburan yang akan menambah pesanan mungkin 25-50 juta dolar setahun. Secara seri, kerugiannya adalah 'hanya' 300kW. Biaya modal juga jauh lebih sedikit untuk membuat 150kA pada 800V vs 30MA pada 4.5V karena jauh lebih banyak penyearah dan heat sink akan diperlukan.

Spehro Pefhany
sumber
Wow +1. Saya tidak menyadari bahwa mereka memiliki begitu banyak sel secara seri.
Autistik
1
(+1) Data yang mengesankan! PS: Mengapa Anda mengatakan "penyearah gelombang penuh dengan 6 penyearah silikon"? Apakah Anda mengacu pada penyearah gelombang penuh 3-fase mungkin? Atau apakah ada kesalahan ketik (6 di tempat 4)?
Lorenzo Donati mendukung Monica
4
@LorenzoDonati ya pada 150kA (!) Dan 800V Anda pasti akan menggunakan penyearah 3 fase!
Level River St
Tegangan AC yang tersisa dari penyearah jauh lebih rendah untuk penyearah gelombang penuh tiga fase daripada untuk satu fase. Pada tingkat daya seperti itu, pemuatan simetris dari ketiga fase sangat penting. Tagihan listrik akan lebih tinggi untuk beban asimetris.
Uwe
1
Aluminium cair dari semua sel dalam seri tidak bebas-potensial, jika ini diabaikan pada penarikan aluminium cair, busur berbahaya besar dapat terjadi.
Uwe
24

12L.saya2

Jika ada gangguan dalam rangkaian, induktansi akan menaikkan tegangan saat putus agar arus tetap mengalir, sementara masih ada energi tersimpan yang tersedia untuk menggerakkannya. Ini akan cukup untuk mempertahankan busur, dan jika busur menjadi cukup panjang maka perlu tegangan tinggi untuk menopangnya, cukup untuk menyetrum seseorang.

Neil_UK
sumber
7

Contoh yang lebih sehari-hari dari sumber tegangan rendah dan berbahaya yang berbahaya adalah aki mobil sederhana. Mengapa? Meskipun tegangan (12V memberi atau menerima) tidak cukup untuk menyetrum atau bahkan mengejutkan Anda secara signifikan dalam kondisi normal, arus gangguan mungkin cukup tinggi untuk menyebabkan pemanasan signifikan pada benda logam yang terlibat dalam masalah, yang menyebabkan luka bakar serius.

Seperti yang ditunjukkan Sphero - 10kA terlalu tidak nyaman untuk ditangani (bayangkan ukuran busbar yang Anda butuhkan!) Sehingga aplikasi Hall-Heroult yang praktis menghubungkan sejumlah sel secara seri. Ini berarti bahwa tegangan berbahaya yang hadir di sel-string secara keseluruhan (dan ke tanah!) Bahkan jika setiap sel hanya beroperasi di beberapa volt. Pikirkan ini seperti perbedaan antara RC LiPo dan paket Li-Ion dalam Tesla - keduanya dapat memadamkan arus gangguan berbahaya, tetapi yang terakhir juga dapat mengejutkan Anda.

ThreePhaseEel
sumber
1
"10kA terlalu nyaman untuk pegangan (bayangkan ukuran busbar Anda akan perlu!)" - saya pikir mereka lakukan penggunaan 10kA dan lebih? Bayangkan ukuran smelter aluminium besar dan bayangkan betapa kecilnya busbar dibandingkan dengan yang lain ...
user253751
@immibis - Saya menduga ada tanaman yang cukup besar untuk menjalankan 10kA melalui sekelompok sel secara seri, ya ...
ThreePhaseEel
1
FWIW - pabrik aluminium biasanya menggunakan busbar yang terbuat dari aluminium. Mereka biasanya memiliki sumber yang nyaman di dekatnya.
Bryan Boettcher