Ртутно -дуговой клапан или ртутный выпрямитель или (Великобритания) ртутно-дуговой выпрямитель [1] [2] — это тип электрического выпрямителя, используемого для преобразования переменного тока высокого напряжения или сильного тока (AC) в постоянный ток (DC). Это тип газонаполненной трубки с холодным катодом , но необычен тем, что катод, вместо того чтобы быть твердым, сделан из жидкой ртути и, следовательно, является самовосстанавливающимся. В результате ртутно-дуговые клапаны, если они используются по назначению, гораздо более прочны и долговечны и могут выдерживать гораздо более высокие токи, чем большинство других типов газоразрядных трубок. Некоторые образцы находились в непрерывной эксплуатации, выпрямляя токи силой 50 ампер , в течение десятилетий.
Изобретенные в 1902 году Питером Купером Хьюиттом , ртутно-дуговые выпрямители использовались для питания промышленных двигателей, электрических железных дорог , трамваев и электровозов , а также радиопередатчиков и передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения (HVDC). Они были основным методом выпрямления высокой мощности до появления полупроводниковых выпрямителей, таких как диоды , тиристоры и запираемые тиристоры (GTO) в 1970-х годах. Эти твердотельные выпрямители почти полностью заменили ртутно-дуговые выпрямители благодаря своей более высокой надежности, более низкой стоимости и обслуживанию, а также более низкому риску для окружающей среды. [3]
В 1882 году Жюль Жамен и Ж. Маневрие наблюдали выпрямляющие свойства ртутной дуги. [4] [5] Ртутный дуговой выпрямитель был изобретен Питером Купером Хьюиттом в 1902 году и далее совершенствовался в течение 1920-х и 1930-х годов исследователями как в Европе, так и в Северной Америке. До его изобретения единственным способом преобразования переменного тока, поставляемого коммунальными службами, в постоянный было использование дорогих, неэффективных и требующих большого обслуживания роторных преобразователей или установок мотор-генератор. Ртутно-дуговые выпрямители или «преобразователи» использовались для зарядки аккумуляторных батарей, систем дугового освещения , [6] тяговых двигателей постоянного тока для троллейбусов , трамваев и метрополитенов, а также 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 испускает электроны , тогда как угольные аноды испускают 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 испускаются с поверхности ванны, вызывая ионизацию паров ртути по пути к анодам. Ионы ртути притягиваются к катоду, и результирующая ионная бомбардировка ванны поддерживает температуру пятна эмиссии , пока продолжается ток в несколько ампер.
В то время как ток переносится электронами, положительные ионы, возвращающиеся к катоду, позволяют пути проводимости в значительной степени не зависеть от эффектов пространственного заряда , которые ограничивают производительность вакуумных ламп . Следовательно, клапан может переносить высокие токи при низких напряжениях дуги (обычно 20–30 В) и поэтому является эффективным выпрямителем. Газоразрядные трубки с горячим катодом, такие как тиратрон, также могут достигать схожих уровней эффективности, но нити накала нагретого катода являются хрупкими и имеют короткий срок службы при использовании при высоком токе.
Температура оболочки должна тщательно контролироваться, поскольку поведение дуги в значительной степени определяется давлением паров ртути, которое, в свою очередь, устанавливается самой холодной точкой на стенке оболочки. Типичная конструкция поддерживает температуру на уровне 40 °C (104 °F) и давление паров ртути 7 миллипаскалей .
Ионы ртути излучают свет на характерных длинах волн, относительная интенсивность которых определяется давлением паров. При низком давлении внутри выпрямителя свет кажется бледно-голубо-фиолетовым и содержит много ультрафиолетового света.
Конструкция ртутного дугового клапана имеет одну из двух основных форм — стеклянный тип колбы и тип стального резервуара. Клапаны со стальным резервуаром использовались для более высоких значений тока, свыше примерно 500 А.
Самый ранний тип ртутного электрического выпрямителя состоит из вакуумированной стеклянной колбы с бассейном жидкой ртути, находящейся на дне в качестве катода . [7] Над ней изгибается стеклянная колба, которая конденсирует ртуть, испаряющуюся во время работы устройства. Стеклянная колба имеет одно или несколько плеч с графитовыми стержнями в качестве анодов . Их количество зависит от области применения, при этом обычно предоставляется один анод на фазу. Форма анодных плеч гарантирует, что любая ртуть, которая конденсируется на стеклянных стенках, быстро стекает обратно в основной бассейн, чтобы избежать создания токопроводящего пути между катодом и соответствующим анодом.
Выпрямители со стеклянной оболочкой могут обрабатывать сотни киловатт мощности постоянного тока в одном блоке. Шестифазный выпрямитель с номиналом 150 ампер имеет стеклянную оболочку высотой приблизительно 600 мм (24 дюйма) и внешним диаметром 300 мм (12 дюймов). Эти выпрямители будут содержать несколько килограммов жидкой ртути. Большой размер оболочки необходим из-за низкой теплопроводности стекла. Пары ртути в верхней части оболочки должны рассеивать тепло через стеклянную оболочку, чтобы конденсироваться и возвращаться в катодный бассейн. Некоторые стеклянные трубки были погружены в масляную ванну для лучшего контроля температуры.
Пропускная способность стеклянной колбы выпрямителя ограничена частично хрупкостью стеклянной оболочки (размер которой увеличивается с номинальной мощностью) и частично размером проводов, вплавленных в стеклянную оболочку для соединения анодов и катода. Разработка сильноточных выпрямителей потребовала материалов для проводов и стекла с очень близкими коэффициентами теплового расширения, чтобы предотвратить утечку воздуха в оболочку. Номинальные токи до 500 А были достигнуты к середине 1930-х годов, но большинство выпрямителей для номинальных токов выше этого были реализованы с использованием более прочной конструкции стального бака.
Для более крупных клапанов используется стальной бак с керамическими изоляторами для электродов, с системой вакуумного насоса для противодействия небольшой утечке воздуха в бак вокруг несовершенных уплотнений. Клапаны со стальным баком, с водяным охлаждением для бака, были разработаны с номинальным током в несколько тысяч ампер.
Подобно вентилям со стеклянными колбами, ртутные дуговые вентили со стальным баком были построены только с одним анодом на бак (тип также известный как экситрон ) или с несколькими анодами на бак. Многоанодные вентили обычно использовались для многофазных выпрямительных цепей (с 2, 3, 6 или 12 анодами на бак), но в приложениях HVDC несколько анодов часто просто соединялись параллельно, чтобы увеличить номинальный ток.
Обычный ртутно-дуговой выпрямитель запускается короткой высоковольтной дугой внутри выпрямителя, между катодной ванной и пусковым электродом. Пусковой электрод приводится в контакт с ванной и пропускает ток через индуктивную цепь. Затем контакт с ванной разрывается, что приводит к высокой ЭДС и дуговому разряду.
Мгновенный контакт между стартовым электродом и ванной может быть достигнут несколькими способами, включая:
Поскольку кратковременные прерывания или снижения выходного тока могут привести к гашению катодного пятна, многие выпрямители включают дополнительный электрод для поддержания дуги, когда установка находится в эксплуатации. Обычно двух- или трехфазное питание в несколько ампер проходит через небольшие возбуждающие аноды . Для обеспечения этого питания обычно используется магнитно-шунтированный трансформатор с номинальной мощностью в несколько сотен ВА.
Эта возбуждающая или поддерживающая цепь 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 отпускался ключ Морзе . [8]
Как стеклянные, так и металлические выпрямители могут иметь управляющие сетки, вставленные между анодом и катодом.
Установка управляющей сетки между анодом и катодом бассейна позволяет контролировать проводимость клапана, тем самым давая возможность контролировать среднее выходное напряжение, вырабатываемое выпрямителем. Начало протекания тока может быть задержано после точки, в которой дуга образовалась бы в неуправляемом клапане. Это позволяет регулировать выходное напряжение группы клапанов путем задержки точки зажигания и позволяет управляемым ртутно-дуговым клапанам образовывать активные коммутационные элементы в инверторе, преобразующем постоянный ток в переменный ток.
Чтобы поддерживать клапан в непроводящем состоянии, к сетке прикладывается 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 установлена, ее нельзя остановить действием сетки, поскольку положительные ионы ртути, полученные в результате ионизации, притягиваются к отрицательно заряженной сетке и эффективно нейтрализуют ее. Единственный способ остановить проводимость — заставить внешнюю цепь упасть ниже (низкого) критического тока.
Хотя ртутные дуговые вентили с сетевым управлением имеют поверхностное сходство с триодными вентилями, ртутные дуговые вентили не могут использоваться в качестве усилителей, за исключением случаев крайне низких значений тока, значительно ниже критического тока, необходимого для поддержания дуги.
Ртутно-дуговые вентили подвержены эффекту, называемому обратной дугой (или обратным огнем ), при котором клапан проводит ток в обратном направлении, когда напряжение на нем отрицательное. Обратная дуга может быть повреждающей или разрушительной для клапана, а также создавать 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 пригородной железной дороги Глазго-Норт, где паровое сообщение пришлось возобновить после нескольких неудач. [9] В течение многих лет этот эффект ограничивал практическое рабочее напряжение ртутно-дуговых вентилей несколькими киловольтами.
Решение было найдено путем включения градуировочных электродов между анодом и управляющей сеткой, подключенных к внешней цепи делителя резистора и конденсатора . [10] Доктор Уно Ламм проводил новаторскую работу по этой проблеме в ASEA в Швеции в 1930-х и 1940-х годах, что привело к созданию первого по-настоящему практичного ртутного дугового вентиля для передачи HVDC, который был введен в эксплуатацию на линии HVDC мощностью 20 МВт и напряжением 100 кВ от материковой части Швеции до острова Готланд в 1954 году.
Работа Уно Ламма над высоковольтными ртутно-дуговыми вентилями принесла ему известность как «отцу передачи электроэнергии HVDC» [11] и вдохновила IEEE на учреждение премии его имени за выдающийся вклад в область HVDC.
Ртутные дуговые вентили с градуировочными электродами этого типа были разработаны для номинальных напряжений до 150 кВ. Однако высокую фарфоровую колонну, необходимую для размещения градуировочных электродов, было сложнее охлаждать, чем стальной бак при катодном потенциале, поэтому полезный номинальный ток был ограничен примерно 200–300 А на анод. Поэтому ртутные дуговые вентили для HVDC часто конструировались с четырьмя или шестью анодными колоннами параллельно. Анодные колонны всегда охлаждались воздухом, а катодные баки охлаждались либо водой, либо воздухом.
Однофазные ртутно-дуговые выпрямители использовались редко, поскольку ток падал, и дуга могла быть погашена, когда переменное напряжение меняло полярность. Таким образом, постоянный ток, вырабатываемый однофазным выпрямителем, содержал переменную составляющую (пульсацию) с частотой, вдвое превышающей частоту источника питания , что было нежелательно во многих приложениях для постоянного тока. Решением было использование двух-, трех- или даже шестифазных источников питания переменного тока, чтобы выпрямленный ток поддерживал более постоянный уровень напряжения. Многофазные выпрямители также балансировали нагрузку на систему питания, что желательно по причинам производительности системы и экономии.
В большинстве случаев применения ртутно-дуговых вентилей для выпрямителей использовалось двухполупериодное выпрямление с отдельными парами анодов для каждой фазы.
При двухполупериодном выпрямлении используются обе половины формы волны переменного тока. Катод подключен к положительной стороне нагрузки постоянного тока, другая сторона подключена к центральному отводу вторичной обмотки трансформатора , которая всегда остается под нулевым потенциалом по отношению к земле или заземлению. Для каждой фазы переменного тока провод с каждого конца этой фазной обмотки подключен к отдельному анодному «плечу» на ртутно-дуговом выпрямителе. Когда напряжение на каждом аноде становится положительным, оно начнет проводить через пары ртути с катода. Поскольку аноды каждой фазы переменного тока питаются с 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. Такое выпрямление всей формы волны переменного тока называется двухполупериодным 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 одновременно. Во время работы дуга переходит на аноды при самом высоком положительном потенциале (относительно катода).
В системах HVDC обычно использовался двухполупериодный трехфазный мостовой выпрямитель или схема моста Греца , при этом каждый вентиль размещался в отдельном баке.
С появлением в 1920-х годах твердотельных металлических выпрямителей для выпрямления низкого напряжения применение ртутных дуговых трубок стало ограничиваться более высокими напряжениями и особенно мощными устройствами.
Ртутно-дуговые вентили широко использовались до 1960-х годов для преобразования переменного тока в постоянный для крупных промышленных целей. Применения включали электропитание трамваев, электрических железных дорог и источники питания переменного напряжения для больших радиопередатчиков . Ртутно-дуговые станции использовались для обеспечения постоянного тока для устаревших сетей постоянного тока в стиле Эдисона в городских центрах до 1950-х годов. В 1960-х годах твердотельные кремниевые устройства, сначала диоды , а затем тиристоры , заменили все маломощные и низковольтные выпрямительные приложения ртутных дуговых трубок.
Несколько электровозов, включая New Haven EP5 и Virginian EL-C , имели на борту игнитроны для преобразования входящего переменного тока в постоянный ток тягового двигателя.
Одним из последних крупных применений ртутных дуговых вентилей была передача электроэнергии HVDC, где они использовались во многих проектах до начала 1970-х годов, включая межостровную линию HVDC между Северным и Южным островами Новой Зеландии и линию HVDC Kingsnorth от электростанции Kingsnorth до Лондона . [12] Однако, начиная примерно с 1975 года, кремниевые устройства сделали ртутные дуговые выпрямители в значительной степени устаревшими, даже в приложениях HVDC. Самые большие из когда-либо созданных ртутных дуговых выпрямителей, построенные English Electric , имели номинальные значения 150 кВ , 1800 А и использовались до 2004 года в проекте высоковольтной передачи электроэнергии постоянного тока Nelson River DC Transmission System . Вентили для проектов Inter-Island и Kingsnorth использовали четыре анодных колонны параллельно, в то время как в проекте Nelson River использовали шесть анодных колонн параллельно, чтобы получить необходимый номинальный ток. [13] Межостровная линия была последней действующей схемой передачи HVDC с использованием ртутных дуговых вентилей. Она была официально выведена из эксплуатации 1 августа 2012 года. Преобразовательные станции с ртутными дуговыми вентилями новозеландской схемы были заменены новыми тиристорными преобразовательными станциями. Похожая схема с ртутными дуговыми вентилями, линия HVDC острова Ванкувер была заменена трехфазной линией переменного тока.
Ртутные дуговые вентили по-прежнему используются на некоторых шахтах Южной Африки и в Кении (в Политехническом институте Момбасы — на кафедре электротехники и электроники).
Ртутные дуговые вентили широко использовались в системах постоянного тока в лондонском метро , [14] и два из них все еще были в работе в 2000 году в заброшенном глубоком бомбоубежище в Белсайз-парке . [15] После того, как они больше не были нужны как убежища, Белсайз-парк и несколько других глубоких убежищ использовались в качестве безопасного хранилища, в частности, для музыкальных и телевизионных архивов. Это привело к тому, что ртутно-дуговой выпрямитель в убежище на Гудж-стрит появился в раннем эпизоде « Доктора Кто» в качестве инопланетного мозга, выбранного за его «жуткое свечение». [16]
Музей транспорта и технологий Окленда (MOTAT) до сих пор использует дуговой ртутный клапан для подачи электроэнергии на трамвай, который перевозит посетителей между двумя его объектами. [17]
Специальные типы однофазных ртутно-дуговых выпрямителей — это Игнитрон иExcitron . Excitron похож на другие типы клапанов, описанные выше, но критически зависит от наличия возбуждающего анода для поддержания дугового разряда в течение полупериода, когда клапан не проводит ток. Ignitron обходится без возбуждающих анодов, зажигая дугу каждый раз, когда требуется начать проводимость. Таким образом, игнитроны также избегают необходимости в управляющих сетках.
В 1919 году в книге «Энциклопедия телефонии и телеграфии. Том 1» [18] был описан усилитель телефонных сигналов , который использовал 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, очень устойчивы 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, если стеклянная колба будет разбита. Некоторые преобразовательные станции HVDC потребовали масштабной очистки для устранения следов ртути, выделяемой станцией в течение срока ее службы. Выпрямители со стальным баком часто требовали вакуумных насосов, которые постоянно выделяли небольшие количества паров ртути.
