Ртутно -дуговой клапан или ртутный выпрямитель или (Великобритания) ртутно-дуговой выпрямитель [1] [2] представляет собой тип электрического выпрямителя , используемый для преобразования переменного тока высокого напряжения или сильного тока (AC) в постоянный ток (DC). ). Это разновидность газонаполненной трубки с холодным катодом , но она необычна тем, что катод не твердый, а сделан из резервуара жидкой ртути и, следовательно, самовосстанавливается. В результате ртутно-дуговые клапаны при использовании по назначению гораздо более прочные и долговечные и могут выдерживать гораздо более высокие токи, чем большинство других типов газоразрядных трубок. Некоторые экземпляры находятся в непрерывной эксплуатации, выпрямляя ток силой 50 ампер в течение десятилетий.
Изобретенные в 1902 году Питером Купером Хьюиттом ртутно-дуговые выпрямители использовались для обеспечения электропитанием промышленных двигателей, электрических железных дорог , трамваев и электровозов , а также для радиопередатчиков и для передачи энергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Они были основным методом выпрямления большой мощности до появления полупроводниковых выпрямителей, таких как диоды , тиристоры и тиристоры с затвором (GTO) в 1970-х годах. Эти твердотельные выпрямители почти полностью заменили ртутно-дуговые выпрямители благодаря их более высокой надежности, более низкой стоимости обслуживания и меньшему экологическому риску. [3]
В 1882 Ж. Жамен и Ж. Маневрье наблюдали выпрямляющие свойства ртутной дуги. [4] [5] Ртутный дуговой выпрямитель был изобретен Питером Купером Хьюиттом в 1902 году и далее развивался на протяжении 1920-х и 1930-х годов исследователями в Европе и Северной Америке. До его изобретения единственным способом преобразования переменного тока, обеспечиваемого коммунальными предприятиями, в постоянный было использование дорогих, неэффективных и требующих особого обслуживания ротационных преобразователей или мотор-генераторных установок. Ртутно-дуговые выпрямители или «преобразователи» применялись для зарядки аккумуляторных батарей, систем дугового освещения , [6] тяговых двигателей постоянного тока троллейбусов , трамваев и метрополитенов, гальванического оборудования. Ртутный выпрямитель использовался вплоть до 1970-х годов, когда его наконец заменили полупроводниковые выпрямители .
Работа выпрямителя основана на электрическом дуговом разряде между электродами в герметичной оболочке, содержащей пары ртути при очень низком давлении. Бассейн жидкой ртути действует как самообновляющийся катод , который не портится со временем. Ртуть свободно излучает электроны , тогда как углеродные аноды излучают очень мало электронов даже при нагревании, поэтому ток электронов может проходить через трубку только в одном направлении, от катода к аноду, что позволяет трубке выпрямлять переменный ток.
При образовании дуги электроны вылетают с поверхности ванны, вызывая ионизацию паров ртути на пути к анодам. Ионы ртути притягиваются к катоду, и возникающая в результате ионная бомбардировка ванны поддерживает температуру пятна эмиссии до тех пор, пока продолжается ток силой в несколько ампер.
В то время как ток переносится электронами, положительные ионы, возвращающиеся к катоду, позволяют пути проводимости практически не подвергаться влиянию эффектов объемного заряда , которые ограничивают производительность электронных ламп . Следовательно, клапан может проводить большие токи при низком напряжении дуги (обычно 20–30 В) и поэтому является эффективным выпрямителем. Газоразрядные трубки с горячим катодом, такие как тиратрон, также могут достигать аналогичного уровня эффективности, но нити накала с нагретым катодом хрупкие и имеют короткий срок службы при использовании при высоком токе.
Температуру оболочки необходимо тщательно контролировать, поскольку поведение дуги во многом определяется давлением паров ртути, которое, в свою очередь, задается самым холодным местом на стенке оболочки. Типичная конструкция поддерживает температуру 40 °C (104 °F) и давление паров ртути 7 миллипаскалей .
Ионы ртути излучают свет характерных длин волн, относительная интенсивность которого определяется давлением паров. При низком давлении внутри выпрямителя свет кажется бледно-сине-фиолетовым и содержит много ультрафиолета .
Конструкция ртутного дугового клапана имеет одну из двух основных форм — тип со стеклянной колбой и тип со стальным резервуаром. Клапаны стальных резервуаров использовались для более высоких номинальных токов, превышающих примерно 500 А.
Самый ранний тип электрического выпрямителя на парах ртути состоит из вакуумированной стеклянной колбы с лужицей жидкой ртути, находящейся внизу в качестве катода . [7] Над ним изогнута стеклянная колба, в которой конденсируется ртуть, испаряющаяся во время работы устройства. Стеклянная оболочка имеет одно или несколько плеч с графитовыми стержнями в качестве анодов . Их количество зависит от применения, обычно на каждую фазу устанавливается один анод. Форма анодных рычагов гарантирует, что любая ртуть, которая конденсируется на стеклянных стенках, быстро стекает обратно в основной бассейн, чтобы избежать образования проводящего пути между катодом и соответствующим анодом.
Выпрямители со стеклянной колбой могут обрабатывать сотни киловатт мощности постоянного тока в одном устройстве. Шестифазный выпрямитель на ток 150 ампер имеет стеклянную колбу высотой примерно 600 мм (24 дюйма) и внешним диаметром 300 мм (12 дюймов). Эти выпрямители будут содержать несколько килограммов жидкой ртути. Большой размер конверта необходим из-за низкой теплопроводности стекла. Пары ртути в верхней части оболочки должны рассеивать тепло через стеклянную колбу, чтобы конденсироваться и возвращаться в катодную ванну. Некоторые стеклянные трубки были погружены в масляную баню, чтобы лучше контролировать температуру.
Допустимая нагрузка по току стеклянного лампового выпрямителя ограничена частично хрупкостью стеклянной оболочки (размеры которой увеличиваются с увеличением номинальной мощности), а частично размерами вплавленных в стеклянную колбу проводов для подключения анодов и катод. Для разработки сильноточных выпрямителей потребовались материалы выводных проводов и стекло с очень близкими коэффициентами теплового расширения, чтобы предотвратить утечку воздуха в оболочку. К середине 1930-х годов были достигнуты номинальные токи до 500 А, но большинство выпрямителей для номинальных токов выше этого были реализованы с использованием более прочной конструкции стального резервуара.
Для клапанов большего размера используется стальной резервуар с керамическими изоляторами электродов и системой вакуумного насоса для предотвращения небольшой утечки воздуха в резервуар вокруг несовершенных уплотнений. Стальные баковые клапаны с водяным охлаждением бака были разработаны на номинальный ток в несколько тысяч ампер.
Как и клапаны со стеклянной колбой, ртутные дуговые клапаны для стальных резервуаров были построены только с одним анодом на резервуар (тип, также известный как экситрон ) или с несколькими анодами на резервуар. Клапаны с несколькими анодами обычно использовались для цепей многофазных выпрямителей (с 2, 3, 6 или 12 анодами на резервуар), но в приложениях HVDC несколько анодов часто просто подключались параллельно, чтобы увеличить номинальный ток.
Обычный ртутно-дуговой выпрямитель запускается короткой дугой высокого напряжения внутри выпрямителя между катодной ванной и пусковым электродом. Пусковой электрод приводится в контакт с ванной и позволяет пропускать ток через индуктивную цепь. При этом контакт с ванной нарушается, что приводит к возникновению высокой ЭДС и дуговому разряду.
Мгновенный контакт между пусковым электродом и ванной может быть достигнут рядом методов, в том числе:
Поскольку кратковременные прерывания или снижение выходного тока могут привести к гашению катодного пятна, многие выпрямители имеют дополнительный электрод для поддержания дуги во время использования установки. Обычно двух- или трехфазный источник питания силой в несколько ампер проходит через небольшие аноды возбуждения . Для обеспечения такого питания обычно используется магнитошунтирующий трансформатор мощностью в несколько сотен ВА.
Эта схема возбуждения или поддержания активности была необходима для однофазных выпрямителей, таких как экситрон, и для ртутно-дуговых выпрямителей, используемых в высоковольтном питании радиотелеграфных передатчиков, поскольку поток тока регулярно прерывался каждый раз, когда отпускалась клавиша Морзе . [8]
Выпрямители как со стеклянной, так и с металлической колбой могут иметь управляющие сетки, вставленные между анодом и катодом.
Установка управляющей сетки между анодом и катодом ванны позволяет контролировать проводимость клапана, тем самым обеспечивая контроль среднего выходного напряжения, создаваемого выпрямителем. Начало прохождения тока может быть отложено после момента образования дуги в неуправляемом клапане. Это позволяет регулировать выходное напряжение группы клапанов путем задержки точки воспламенения, а также позволяет управляемым ртутно-дуговым клапанам формировать активные переключающие элементы в инверторе , преобразующие постоянный ток в переменный.
Для поддержания клапана в непроводящем состоянии к сетке прикладывают отрицательное смещение в несколько вольт или десятков вольт. В результате электроны, испускаемые катодом, отталкиваются от сетки обратно к катоду и, таким образом, не могут достичь анода. При небольшом положительном смещении, приложенном к сетке, электроны проходят через сетку к аноду, и может начаться процесс установления дугового разряда. Однако после того, как дуга возникла, ее невозможно остановить действием сетки, поскольку положительные ионы ртути, образующиеся в результате ионизации, притягиваются к отрицательно заряженной сетке и эффективно нейтрализуют ее. Единственный способ остановить проводимость — заставить внешнюю цепь снизить ток ниже (низкого) критического значения.
Хотя ртутно-дуговые лампы с сеточным управлением внешне напоминают триодные лампы, ртутно-дуговые лампы нельзя использовать в качестве усилителей, за исключением чрезвычайно низких значений тока, значительно ниже критического тока, необходимого для поддержания дуги.
Ртутно-дуговые клапаны склонны к эффекту, называемому обратной дугой (или обратному вспышке ), при котором клапан проводит ток в обратном направлении, когда напряжение на нем отрицательное. Обратная дуга может повредить клапан, а также создать высокие токи короткого замыкания во внешней цепи и более распространена при более высоких напряжениях. Один из примеров проблем, вызванных обратным огнем, произошел в 1960 году после электрификации Северной пригородной железной дороги Глазго, где после нескольких аварий пришлось вновь вводить паровое сообщение. [9] В течение многих лет этот эффект ограничивал практическое рабочее напряжение ртутно-дуговых ламп до нескольких киловольт.
Было найдено решение включить выравнивающие электроды между анодом и управляющей сеткой, подключенные к цепи внешнего резистора - конденсаторного делителя. [10] Доктор Уно Ламм проводил новаторскую работу по этой проблеме в ASEA в Швеции на протяжении 1930-х и 1940-х годов, что привело к созданию первого по-настоящему практичного ртутно-дугового клапана для передачи постоянного тока высокого напряжения, который был введен в эксплуатацию на линии высокого напряжения постоянного тока мощностью 20 МВт, 100 кВ. сообщение из материковой Швеции на остров Готланд в 1954 году.
Работа Уно Ламма над высоковольтными ртутно-дуговыми клапанами принесла ему прозвище «Отец передачи энергии HVDC» [11] и вдохновила IEEE учредить награду, названную его именем, за выдающийся вклад в область HVDC.
Ртутные дуговые вентили с выравнивающими электродами этого типа были разработаны до номинального напряжения 150 кВ. Однако высокую фарфоровую колонну, необходимую для размещения выравнивающих электродов, охлаждать труднее, чем стальной резервуар при катодном потенциале, поэтому полезный номинальный ток был ограничен примерно 200–300 А на анод. Поэтому дуговые клапаны Mercury для HVDC часто конструировались с четырьмя или шестью параллельно соединенными анодными колоннами. Анодные колонны всегда охлаждались воздухом, а катодные емкости – либо водяным, либо воздушным.
Однофазные ртутно-дуговые выпрямители применялись редко, так как ток падал и дуга могла погаснуть при изменении полярности переменного напряжения. Таким образом, постоянный ток, вырабатываемый однофазным выпрямителем, содержал переменную составляющую (пульсации) с частотой, вдвое превышающей частоту источника питания , что было нежелательно во многих приложениях постоянного тока. Решением было использование двух-, трех- или даже шестифазных источников переменного тока, чтобы выпрямленный ток поддерживал более постоянный уровень напряжения. Многофазные выпрямители также сбалансировали нагрузку на систему питания, что желательно по соображениям производительности и экономичности системы.
В большинстве применений ртутно-дуговых ламп для выпрямителей использовалось двухполупериодное выпрямление с отдельными парами анодов для каждой фазы.
При двухполупериодном выпрямлении используются обе половины сигнала переменного тока. Катод подключен к + стороне нагрузки постоянного тока, а другая сторона подключена к центральному отводу вторичной обмотки трансформатора , который всегда остается под нулевым потенциалом по отношению к земле. Для каждой фазы переменного тока провод от каждого конца этой фазной обмотки подключен к отдельному анодному «плечу» ртутного дугового выпрямителя. Когда напряжение на каждом аноде станет положительным, оно начнет проводить пары ртути через катод. Поскольку аноды каждой фазы переменного тока питаются от противоположных концов обмотки трансформатора с центральным отводом, один из них всегда будет положительным по отношению к центральному отводу, и обе половины формы волны переменного тока заставят ток течь в одном направлении только через нагрузку. Таким образом, такое выпрямление всего сигнала переменного тока называется полноволновым выпрямлением .
При трехфазном переменном токе и двухполупериодном выпрямлении использовались шесть анодов для обеспечения более плавного постоянного тока. Трехфазная работа может повысить эффективность трансформатора, а также обеспечить более плавный постоянный ток, позволяя двум анодам проводить ток одновременно. Во время работы дуга переходит на аноды при максимальном положительном потенциале (по отношению к катоду).
В приложениях HVDC обычно использовался двухполупериодный трехфазный мостовой выпрямитель или мостовая схема Греца , при этом каждый клапан размещался в одном резервуаре.
Когда в 1920-х годах стали доступны твердотельные металлические выпрямители для выпрямления низкого напряжения, ртутно-дуговые трубки стали ограничиваться приложениями с более высоким напряжением и особенно большой мощностью.
Ртутно-дуговые клапаны широко использовались до 1960-х годов для преобразования переменного тока в постоянный в крупных промышленных целях. Область применения включала источники питания для трамваев, электрических железных дорог, а также источники питания переменного напряжения для крупных радиопередатчиков . Станции с ртутной дугой использовались для обеспечения постоянным током устаревших электросетей постоянного тока Эдисона в городских центрах до 1950-х годов. В 1960-х годах полупроводниковые кремниевые устройства, сначала диоды , а затем тиристоры , заменили все выпрямительные устройства меньшей мощности и низкого напряжения с ртутными дуговыми трубками.
Несколько электровозов, в том числе New Haven EP5 и Virginian EL-C , имели на борту зажигатели для преобразования входящего переменного тока в постоянный ток тягового двигателя.
Одним из последних крупных применений ртутных дуговых клапанов была передача электроэнергии высокого напряжения постоянного тока, где они использовались во многих проектах до начала 1970-х годов, включая линию связи высокого напряжения постоянного тока между Северными и Южными островами Новой Зеландии и линию связи высокого напряжения постоянного тока в Кингснорте из Электростанция Кингснорт в Лондон . [12] Однако, начиная примерно с 1975 года, кремниевые устройства сделали ртутно-дуговые выпрямители в значительной степени устаревшими, даже в приложениях высокого напряжения постоянного тока. Самые большие в истории ртутно-дуговые выпрямители, построенные компанией English Electric , имели номинальное напряжение 150 кВ , 1800 А и использовались до 2004 года в проекте передачи высокого напряжения постоянного тока в системе передачи постоянного тока Нельсон-Ривер . В клапанах проектов Inter-Island и Kingsnorth использовались четыре анодных колонны параллельно, а в проекте Nelson River использовались шесть анодных колонн параллельно, чтобы получить необходимый номинальный ток. [13] Межостровная линия связи была последней действующей схемой передачи постоянного тока высокого напряжения с использованием ртутно-дуговых клапанов. Официально она была выведена из эксплуатации 1 августа 2012 года. Ртутно-дуговые преобразовательные станции новозеландской схемы были заменены новыми тиристорными преобразовательными станциями. Похожая схема ртутно-дугового клапана, линия HVDC на острове Ванкувер была заменена трехфазной линией переменного тока.
Ртутные дуговые клапаны по-прежнему используются на некоторых шахтах Южной Африки и в Кении (в Политехническом институте Момбасы - факультет электротехники и электроники).
Ртутные дуговые клапаны широко использовались в энергосистемах постоянного тока в лондонском метро , [14] и два из них все еще работали в 2000 году в заброшенном бомбоубежище на глубоком уровне в парке Белсайз . [15] После того, как они больше не были нужны в качестве убежищ, парк Белсайз и несколько других глубоких убежищ использовались в качестве безопасного хранилища, особенно для музыкальных и телевизионных архивов. Это привело к тому, что ртутно-дуговой выпрямитель в приюте на Гудж-стрит был показан в раннем эпизоде Доктора Кто как инопланетный мозг, выбранный из-за его «жутковатого свечения». [16]
Оклендский музей транспорта и технологий (MOTAT) до сих пор использует дуговой клапан Mercury для обеспечения питания трамвая, который перевозит посетителей между двумя объектами. [17]
Особыми типами однофазных ртутных выпрямителей являются Ignitron иЭкситрон . Экситрон похож на другие типы ламп, описанных выше, но в решающей степени зависит от наличия анода возбуждения для поддержания дугового разряда в течение полупериода, когда клапан не проводит ток. Игнитрон не требует использования анодов возбуждения, зажигая дугу каждый раз, когда требуется проводимость. Таким образом, игнитроны также устраняют необходимость в управляющих сетках.
В 1919 г. в книге «Циклопедия телефонии и телеграфии, том 1» [ 18] был описан усилитель телефонных сигналов, использовавший магнитное поле для модуляции дуги в ртутной выпрямительной трубке. Это никогда не имело коммерческого значения.
_(14756303342).jpg/1280px-Bell_telephone_magazine_(1922)_(14756303342).jpg)
Соединения ртути токсичны, обладают высокой стойкостью в окружающей среде и представляют опасность для человека и окружающей среды. Использование больших количеств ртути в хрупких стеклянных колбах представляет опасность потенциального выброса ртути в окружающую среду в случае разбития стеклянной колбы. Некоторым преобразовательным станциям HVDC потребовалась обширная очистка для устранения следов ртути, выбрасываемых станцией в течение срока ее службы. Для выпрямителей со стальными резервуарами часто требовались вакуумные насосы, которые постоянно выделяли небольшое количество паров ртути.
