Ртутный выпрямитель с жидким катодом

Введение

Тип электрического выпрямителя с жидким катодом

Ртутный дуговой клапан, или выпрямитель ртутного пара, или (в Великобритании) ртутный дуговой выпрямитель – это тип электрического выпрямителя, используемый для преобразования высокого напряжения или высокого тока переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Это тип газонаполненной трубки с холодным катодом, но он необычен тем, что катод, вместо того чтобы быть твердым, состоит из бассейна жидкой ртути и, следовательно, самовосстанавливается. В результате ртутные дуговые клапаны, при правильном использовании, значительно более надежны и долговечны и способны пропускать гораздо более высокие токи, чем большинство других типов газоразрядных ламп. Некоторые экземпляры непрерывно использовались для выпрямления тока в 50 ампер на протяжении десятилетий. Изобретенные в 1902 году Питером Купером Хьюитом, ртутные дуговые выпрямители применялись для питания промышленных двигателей, электрических железных дорог, трамваев и электровозов, а также радиопередатчиков и для передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Они были основным методом выпрямления больших мощностей до появления полупроводниковых выпрямителей, таких как диоды, тиристоры и тиристоры с управляемым выключением (GTO) в 1970-х годах. Эти твердотельные выпрямители практически полностью заменили ртутные дуговые выпрямители благодаря их более высокой надежности, низкой стоимости и простоте обслуживания, а также меньшему воздействию на окружающую среду.

История

В 1882 году Жюль Жамин и Г. Маневрье наблюдали выпрямляющие свойства ртутной дуги. Ртутный дуговой выпрямитель был изобретен Питером Купером Хьюитом в 1902 году и в дальнейшем развивался в 1920-х и 1930-х годах исследователями в Европе и Северной Америке. До его изобретения единственным способом преобразования переменного тока, поставляемого энергосетями, в постоянный ток было использование дорогих, неэффективных и требующих частого обслуживания роторных преобразователей или мотор-генераторных установок. Ртутные дуговые выпрямители, или "конвертеры", использовались для зарядки аккумуляторных батарей, систем дугового освещения, тяговых двигателей постоянного тока для троллейбусов, трамваев и метрополитена, а также оборудования для гальванической обработки. Ртутные выпрямители использовались вплоть до 1970-х годов, когда их окончательно заменили полупроводниковые выпрямители.

Принципы работы

Работа выпрямителя основана на электрическом дуговом разряде между электродами в герметичной оболочке, содержащей ртутный пар при очень низком давлении. Бассейн из жидкой ртути действует как самовосстанавливающийся катод, который не подвержен износу со временем. Ртуть свободно испускает электроны, в то время как углеродные аноды испускают очень мало электронов даже при нагреве, поэтому ток электронов может проходить через трубку только в одном направлении – от катода к аноду, что позволяет трубке выпрямлять переменный ток. При формировании дуги электроны испускаются с поверхности бассейна, вызывая ионизацию ртутного пара на пути к анодам. Ионы ртути притягиваются к катоду, а последующая ионная бомбардировка бассейна поддерживает температуру точки эмиссии, пока протекает ток в несколько ампер. Хотя ток переносится электронами, возвращающиеся к катоду положительные ионы позволяют путям проводимости в значительной степени оставаться невосприимчивыми к эффектам объемного заряда, которые ограничивают характеристики вакуумных ламп. Следовательно, клапан может пропускать высокие токи при низких напряжениях дуги (обычно 20–30 В) и, таким образом, является эффективным выпрямителем. Газоразрядные лампы с горячим катодом, такие как тиратроны, также могут достигать сопоставимых уровней эффективности, но нагревательные катодные нити хрупкие и имеют ограниченный срок службы при использовании при высоких токах. Температуру оболочки необходимо тщательно контролировать, поскольку поведение дуги в значительной степени определяется давлением ртутного пара, которое, в свою очередь, определяется самой холодной точкой на стенке корпуса. Типичная конструкция поддерживает температуру и давление ртутного пара в 7 миллипаскалей. Ионы ртути излучают свет с характерной длиной волны, относительная интенсивность которой определяется давлением пара. При низком давлении внутри выпрямителя свет выглядит бледно-голубовато-фиолетовым и содержит значительное количество ультрафиолетового излучения.

Строительство

Конструкция ртутного дугового клапана выполняется в одной из двух основных форм: с использованием стеклянной колбы и стального резервуара. Стальные клапаны применялись для более высоких токов, превышающих примерно 500 А.

Клапаны с стеклянными колбасами

Самый ранний тип электрического выпрямителя на основе ртутных паров состоит из откачанной стеклянной колбы с резервуаром жидкой ртути на дне, служащим катодом. Над ним изогнута стеклянная колба, которая конденсирует ртуть, испаряющуюся в процессе работы устройства. Стеклянная оболочка имеет один или несколько отводов с графитовыми стержнями в качестве анодов. Их количество зависит от области применения, обычно по одному аноду на фазу. Форма анодных отводов обеспечивает быстрый отвод любой конденсирующейся на стеклянных стенках ртути обратно в основной резервуар, чтобы избежать создания проводящего пути между катодом и соответствующим анодом. Стеклянные выпрямители способны обрабатывать сотни киловатт постоянного тока в одном устройстве. Шестифазный выпрямитель номиналом 150 ампер имеет стеклянную оболочку высотой около 600 мм (24 дюйма) и внешним диаметром 300 мм (12 дюймов). Эти выпрямители содержат несколько килограммов жидкой ртути. Большой размер оболочки обусловлен низкой теплопроводностью стекла. Ртутные пары в верхней части оболочки должны рассеивать тепло через стеклянную оболочку для конденсации и возврата в катодный резервуар. Некоторые стеклянные трубки погружали в масляную ванну для лучшего контроля температуры. Токонесущая способность стеклянного выпрямителя ограничена, с одной стороны, хрупкостью стеклянной оболочки (размер которой увеличивается с ростом номинальной мощности), а с другой – размером проводов, вплавленных в стеклянную оболочку для подключения анодов и катода. Разработка выпрямителей с высоким током требовала использования материалов для выводов и стекла 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 с током выше этого значения были реализованы с использованием более прочной конструкции со стальным резервуаром.

Стены для цистерн из стали

Для больших клапанов используется стальной резервуар с керамическими изоляторами для электродов и вакуумная насосная система для компенсации незначительной утечки воздуха в резервуар через негерметичные уплотнения. Стальные клапаны с водяным охлаждением резервуара были разработаны с номинальным током в несколько тысяч ампер. Как и ртутные дуговые клапаны в стеклянных колбах, стальные резервуарные ртутные дуговые клапаны изготавливались как с одним анодом на резервуар (тип, также известный как экситрон), так и с несколькими анодами на резервуар. Многоанодные клапаны обычно использовались в многофазных выпрямительных схемах (с 2, 3, 6 или 12 анодами на резервуар), но в приложениях HVDC несколько анодов часто просто соединялись параллельно для увеличения номинального тока.

Возбуждение

Поскольку кратковременные перебои или уменьшение выходного тока могут привести к гашению дуги, многие выпрямители оснащаются дополнительным электродом для поддержания дуги во время работы установки. Обычно через небольшие аноды возбуждения пропускается двух- или трехфазное питание в несколько ампер. Для обеспечения этого питания часто используется магнитно-шунтированный трансформатор мощностью в несколько сотен ВА. Такая схема возбуждения или поддержания горения была необходима для однофазных выпрямителей, таких как экситрон, и для ртутных дуговых выпрямителей, используемых в высоковольтных источниках питания радиотелеграфных передатчиков, так как ток регулярно прерывался при каждом отпускании ключа Морзе.

Контроль сети

Как стеклянные, так и металлические выпрямители могут иметь управляющие сетки, установленные между анодом и катодом. Установка управляющей сетки между анодом и катодом пула позволяет управлять проводимостью клапана, тем самым обеспечивая контроль среднего выходного напряжения, создаваемого выпрямителем. Начало протекания тока может быть задержано относительно момента, когда в нерегулируемом клапане образовалась бы дуга. Это позволяет регулировать выходное напряжение группы клапанов путем задержки момента зажигания и позволяет управляемым ртутным дуговым клапанам формировать активные коммутирующие элементы в инверторе, преобразующем постоянный ток в переменный. Для поддержания клапана в непроводящем состоянии на сетку подается отрицательное смещение в несколько или десятки вольт. В результате электроны, испускаемые катодом, отталкиваются от сетки обратно к катоду и, таким образом, не достигают анода. При небольшом положительном смещении, подаваемом на сетку, электроны проходят через сетку к аноду, и может начаться процесс установления дугового разряда. Однако, как только дуга установлена, ее нельзя остановить действием сетки, поскольку положительные ионы ртути, образующиеся при ионизации, притягиваются к отрицательно заряженной сетке и эффективно ее нейтрализуют. Единственный способ остановить проводимость – заставить внешнюю цепь снизить ток ниже (низкого) критического значения. Хотя управляемые ртутные дуговые клапаны имеют внешнее сходство с триодами, ртутные дуговые клапаны не могут использоваться в качестве усилителей, за исключением крайне низких значений тока, значительно ниже критического тока, необходимого для поддержания дуги.

Электроды для классификации анодов

Вентили с ртутным дуговым разрядом подвержены эффекту, называемому обратным дуговым пробоем (или пробоем в обратном направлении), при котором вентиль проводит ток в обратном направлении, когда напряжение на нем отрицательное. Обратные дуговые пробои могут приводить к повреждению или разрушению вентиля, а также создавать высокие токи короткого замыкания во внешней цепи и чаще возникают при более высоких напряжениях. Одним из примеров проблем, вызванных пробоем в обратном направлении, стал случай в 1960 году после электрификации Глазго Северной Пригородной Железной Дороги, где после нескольких аварий пришлось вновь ввести в эксплуатацию паровые поезда. На протяжении многих лет этот эффект ограничивал практическое рабочее напряжение ртутных дуговых вентилей несколькими киловольтами. Решением стало включение выравнивающих электродов между анодом и управляющей сеткой, подключенных к внешней резистивно-емкостной цепи делителя напряжения. Доктор Уно Ламм проводил новаторские исследования в ASEA (Швеция) по этой проблеме в 1930-х и 1940-х годах, что привело к созданию первого практически пригодного ртутного дугового вентиля для передачи энергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC), который был введен в эксплуатацию на линии HVDC мощностью 20 МВт и напряжением 100 кВ, соединяющей материковую часть Швеции с островом Готланд в 1954 году. Работа Уно Ламма над высоковольтными ртутными дуговыми вентилями принесла ему звание "Отца HVDC", а также вдохновила IEEE учредить премию его имени за выдающийся вклад в область HVDC. Ртутные дуговые вентили с выравнивающими электродами такого типа разрабатывались с номинальным напряжением до 150 кВ. Однако высокую фарфоровую колонну, необходимую для размещения выравнивающих электродов, было сложнее охлаждать, чем стальной бак с катодным потенциалом, поэтому допустимый ток был ограничен примерно 200–300 А на анод. Поэтому ртутные дуговые вентили для HVDC часто изготавливались с четырьмя или шестью параллельными анодными колоннами. Анодные колонны всегда охлаждались воздухом, а катодные баки – водой или воздухом.

Схемы

Однофазные ртутные дуговые выпрямители использовались редко, поскольку ток уменьшался, и дуга могла погаснуть при изменении полярности напряжения переменного тока. Постоянный ток, вырабатываемый однофазным выпрямителем, таким образом, содержал переменную составляющую (пульсации) с частотой в два раза выше частоты 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 стабильный уровень напряжения. Полифазные выпрямители также балансировали нагрузку на питающую систему, что выгодно с точки зрения производительности и экономичности системы. В большинстве применений ртутных дуговых клапанов для выпрямителей использовалась полноволновая выпрямление с отдельными парами анодов для каждой фазы. При полноволновой выпрямлении используется обе полуволны переменного тока. Катод подключается к положительной стороне нагрузки постоянного тока, а другая сторона подключается к средней точке вторичной обмотки трансформатора, которая всегда остается на нулевом потенциале относительно земли. Для каждой фазы переменного тока провод от каждого конца обмотки этой фазы подключается к отдельному "плечу" анода на ртутном дуговом выпрямителе. Когда напряжение на каждом аноде становится положительным, он начинает проводить ток через ртутный пар от катода. Поскольку аноды каждой фазы переменного тока питаются с противоположных концов средней точки обмотки трансформатора, один из них всегда будет положительным относительно средней точки, и обе полуволны переменного тока будут вызывать протекание тока только в одном направлении через нагрузку. Такая выпрямление всей формы волны переменного тока называется полноволновой выпрямлением. При трехфазном переменном токе и полноволновой выпрямлении использовалось шесть анодов для обеспечения более плавного постоянного тока. Трехфазная работа может повысить эффективность трансформатора, а также обеспечить более плавный ток постоянного тока, позволяя двум анодам проводить одновременно. В процессе работы дуга переходит на аноды с наивысшим положительным потенциалом (относительно катода). В приложениях высоковольтного постоянного тока обычно использовался полноволновой трехфазный мостовой выпрямитель или мостовая схема Греца, при этом каждый клапан размещался в отдельном баке.

Single phase mercury arc rectifiers were rarely used because the current dropped and the arc could be extinguished when the AC voltage changed polarity. The direct current produced by a single phase rectifier thus contained a varying component (ripple) at twice the power supply frequency, which was undesirable in many applications for DC. The solution was to use two , three , or even six phase AC power supplies so that the rectified current would maintain a more constant voltage level. Polyphase rectifiers also balanced the load on the supply system, which is desirable for reasons of system performance and economy. Most applications of mercury arc valves for rectifiers used full wave rectification with separate pairs of anodes for each phase. In full wave rectification both halves of the AC waveform are utilised. The cathode is connected to the + side of the DC load, the other side being connected to the center tap of the transformer secondary winding, which always remains at zero potential with respect to ground or earth. For each AC phase, a wire from each end of that phase winding is connected to a separate anode "arm" on the mercury arc rectifier. When the voltage at each anode becomes positive, it will begin to conduct through the mercury vapor from the cathode. As the anodes of each AC phase are fed from opposite ends of the centre tapped transformer winding, one will always be positive with respect to the center tap and both halves of the AC Waveform will cause current to flow in one direction only through the load. This rectification of the whole AC waveform is thus called full wave rectification. With three phase alternating current and full wave rectification, six anodes were used to provide a smoother direct current. Three phase operation can improve the efficiency of the transformer as well as providing smoother DC current by enabling two anodes to conduct simultaneously. During operation, the arc transfers to the anodes at the highest positive potential (with respect to the cathode). In HVDC applications, a full wave three phase bridge rectifier or Graetz bridge circuit was usually used, each valve accommodated in a single tank.

Приложения

По мере того как в 1920-х годах стали доступны твердотельные металлические выпрямители для выпрямления низкого напряжения, ртутные дуговые трубки стали применяться преимущественно для более высокого напряжения и, особенно, для применений большой мощности. Ртутные дуговые клапаны широко использовались до 1960-х годов для преобразования переменного тока в постоянный ток в крупных промышленных целях. Области применения включали питание трамваев, электрических железных дорог и источники питания с регулируемым напряжением для мощных радиопередатчиков. Ртутные дуговые станции использовались для обеспечения постоянным током устаревших сетей постоянного тока в стиле Эдисона в городских центрах до 1950-х годов. В 1960-х годах твердотельные кремниевые приборы, сначала диоды, а затем тиристоры, заменили все выпрямители с меньшей мощностью и напряжением на основе ртутных дуговых трубок. Несколько электрических локомотивов, включая New Haven EP5 и Virginian EL C, были оснащены игнитронами для выпрямления поступающего переменного тока в постоянный ток для тяговых двигателей. Одним из последних крупных применений ртутных дуговых клапанов была передача электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC), где они использовались во многих проектах до начала 1970-х годов, включая меж-островную линию связи HVDC между Северным и Южным островами Новой Зеландии и линию связи HVDC Kingsnorth от электростанции Kingsnorth до Лондона. Однако, начиная примерно с 1975 года, кремниевые приборы сделали ртутные дуговые выпрямители в значительной степени устаревшими, даже в приложениях HVDC. Самые большие когда-либо построенные ртутные дуговые выпрямители, изготовленные компанией English Electric, имели номинальные параметры 150 кВ, 1800 А и использовались до 2004 года в проекте передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения Nelson River DC Transmission System. Клапаны для проектов Inter Island и Kingsnorth использовали четыре параллельных анодных столба, в то время как клапаны проекта Nelson River использовали шесть параллельных анодных столбов для достижения необходимой силы тока. Линия связи Inter Island была последней действующей линией передачи HVDC, использующей ртутные дуговые клапаны. Она была официально выведена из эксплуатации 1 августа 2012 года. Преобразовательные станции с ртутными дуговыми клапанами новозеландской схемы были заменены новыми тиристорными преобразовательными станциями. Аналогичная схема с ртутными дуговыми клапанами, HVDC Vancouver Island, была заменена трехфазной линией переменного тока. Ртутные дуговые клапаны до сих пор используются на некоторых шахтах в Южной Африке и в Кении (на факультете электротехники и электроники Политехнического института в Момбасе). Ртутные дуговые клапаны широко использовались в системах постоянного тока в лондонском метро, и в 2000 году два из них все еще работали в заброшенном глубоком убежище от воздушных налетов в Белсайз-парке. После того, как они перестали быть нужны в качестве убежищ, Белсайз-парк и несколько других глубоких убежищ использовались для безопасного хранения, особенно для музыкальных и телевизионных архивов. Это привело к тому, что ртутный дуговой выпрямитель в убежище на Гудж-стрит появился в раннем эпизоде сериала «Доктор Кто» в роли инопланетного мозга, выбранного из-за его «жуткого свечения». Музей транспорта и технологий Окленда (MOTAT) до сих пор использует ртутный дуговой клапан для питания трамвая, который перевозит посетителей между своими двумя площадками.

As solid state metal rectifiers became available for low voltage rectification in the 1920s, mercury arc tubes became limited to higher voltage and especially high power applications. Mercury arc valves were widely used until the 1960s for the conversion of alternating current into direct current for large industrial uses. Applications included power supply for streetcars, electric railways, and variable voltage power supplies for large radio transmitters. Mercury arc stations were used to provide DC power to legacy Edison style DC power grids in urban centers until the 1950s. In the 1960s, solid state silicon devices, first diodes and then thyristors, replaced all lower power and lower voltage rectifier applications of mercury arc tubes. Several electric locomotives, including the New Haven EP5 and the Virginian EL C, carried ignitrons on board to rectify incoming AC to traction motor DC. One of the last major uses of mercury arc valves was in HVDC power transmission, where they were used in many projects until the early 1970s, including the HVDC Inter Island link between the North and South Islands of New Zealand and the HVDC Kingsnorth link from Kingsnorth power station to London. However, starting about 1975, silicon devices have made mercury arc rectifiers largely obsolete, even in HVDC applications. The largest ever mercury arc rectifiers, built by English Electric, were rated at 150 kV, 1800 A and were used until 2004 at the Nelson River DC Transmission System high voltage DC power transmission project. The valves for the Inter Island and Kingsnorth projects used four anode columns in parallel, while those of the Nelson River project used six anode columns in parallel in order to obtain the necessary current rating. The Inter Island link was the last HVDC transmission scheme in operation using mercury arc valves. It was formally decommissioned on 1 August 2012. The mercury arc valve converter stations of the New Zealand scheme were replaced by new thyristor converter stations. A similar mercury arc valve scheme, the HVDC Vancouver Island link was replaced by a three phase AC link. Mercury arc valves remain in use in some South African mines and Kenya (at Mombasa Polytechnic Electrical & Electronic department). Mercury arc valves were used extensively in DC power systems on London Underground, and two were still observed to be in operation in 2000 at the disused deep level air raid shelter at Belsize Park. After they were no longer needed as shelters, Belsize Park and several other deep shelters were used as secure storage, particularly for music and television archives. This led to the mercury arc rectifier at the Goodge Street shelter featuring in an early episode of Doctor Who as an alien brain, cast for its "eerie glow". Auckland's Museum Of Transport And Technology (MOTAT) still employs a Mercury arc valve to provide power to the tram which carries visitors between its two sites.

Другие

Специальные типы однофазных ртутных дуговых выпрямителей – игнитрон и экзитрон. Экзитрон аналогичен другим типам клапанов, описанным выше, но критически зависит от наличия возбуждающего анода для поддержания дугового разряда в течение полуцикла, когда клапан не проводит ток. Игнитрон обходится без возбуждающих анодов, зажигая дугу каждый раз, когда требуется начало проведения. Таким образом, игнитроны также не нуждаются в управляющих сетках. В 1919 году в книге "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1" был описан усилитель для телефонных сигналов, использующий магнитное поле для модуляции дуги в ртутной выпрямительной лампе. Это никогда не получило коммерческого значения.

Опасность для окружающей среды

Соединения ртути токсичны, обладают высокой устойчивостью в окружающей среде и представляют опасность для человека и окружающей среды. Использование больших количеств ртути в хрупких стеклянных колбах создает риск ее попадания в окружающую среду при повреждении стеклянной лампы. Для очистки некоторых высоковольтных станций постоянного тока (HVDC) потребовались масштабные работы по устранению следов ртути, выделявшейся в течение всего срока их службы. В стальных резервуарных выпрямителях часто использовались вакуумные насосы, которые постоянно испускали небольшое количество паров ртути.