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

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?

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.

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

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.

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.