低电压、高电流 (kA) 电源怎么会有危险?

电器工程 力量 直流 低电压
2022-01-11 10:35:41

铝精炼厂使用电力将铝从天然存在的矿物中分离出来。这种电力通常采用低压直流电(“低”表示 4 到 6 伏)的形式,电流非常高(大约几十千安)。这么大的功率会造成触电危险,但我不明白怎么做。如果整个电气系统以 5 伏特的电压运行,而人体就像一个电阻器,那么足够的电流实际上如何使它通过人体成为危险的呢?同样,如果在很短的距离内产生数百伏的电弧,那么如何通过空气产生电弧呢?

3个回答

Hall-Héroult 工艺的电压非常低(而且电流太高),无法实现高效的并行操作,因此它们使用一整串串联的电池。

来自来源(“Hall-Heroult 铝电解沉积工艺研究”):

最佳电流密度约为 1 A cm-2,总电池电流为 150-300 kA,电池电压为 -4.0 至 -4.5 V。典型的电池房将包含约 200 个串联排列在两条线上的电池。

因此,任何给定电池相对于大地的电压都可能非常高,如果电池打开,其两端的电压将接近 1kV。像这样的电流很容易使金属蒸发,因此如果它相对缓慢地打开并且没有熔断机制(直流比交流差),它们可以维持很长的电弧。

要了解效率问题,请考虑使用 6 个硅整流器制成的简单全波整流器。它会在全电流下下降(比如说)2V,因此损耗将是输出电流 x 2V。在 150kA 时损失了 300kW。如果您并行运行 200 个电池,您将浪费 60MW。即使以冶炼厂支付的廉价电价计算,每年也将增加约 25-5000 万美元的订单。串联时,损耗“仅”300kW。在 800V 时制造 150kA 的资本成本也比在 4.5V 时制造 30mA 的成本要低得多,因为需要更多的整流器和散热器。

承载 10 kA 电流的导体回路具有非零电感。这意味着大量能量以 \$\frac{1}{2}LI^2\$ 的形式存储在该循环中。

如果电路出现断路,电感会提高断路处的电压以保持电流流动,同时仍有存储的能量可用于驱动它。这足以维持电弧,并且如果电弧变得足够长,则需要高电压来维持它,足以使人触电。

一个更常见的危险低电压、大电流源的例子是不起眼的汽车电池。为什么?即使在正常情况下,电压(12V 给或取)不足以使您触电甚至严重电击您,但可能的故障电流高到足以导致与故障有关的任何金属物体显着发热,从而导致严重烧伤。

正如 Spehro 指出的那样——10kA 太不方便处理(想象一下你需要的母线的大小!)所以实用的 Hall-Heroult 应用程序将一堆电池串联起来。这意味着即使每个电池仅在几伏电压下工作,整个电池串(以及接地!)也会存在危险电压。这就像特斯拉中的 RC LiPo 和锂离子电池组之间的区别——两者都可以释放危险的故障电流,但后者也会让你感到震惊。