Kvikksølv-bueventil - Mercury-arc valve

Kvikksølv likeretter utstilt i Beromünster AM-senderen i Sveits , før den ble avviklet. Tre-faset fullbølge-likeretter med seks anoder.

En kvikksølv-lysbue-ventil eller kvikksølv-damp likeretter eller (UK) kvikksølv-lysbue likeretter er en type elektrisk likeretter som brukes til å konvertere høyspenning eller høy strøm vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC). Det er en type kaldt katodegassfylt rør , men er uvanlig ved at katoden, i stedet for å være fast, er laget av et basseng med flytende kvikksølv og derfor er selvgjenopprettende. Som et resultat var kvikksølv-bueventiler mye mer robuste og langvarige, og kunne bære mye høyere strøm enn de fleste andre typer gassutslippsrør.

Oppfunnet i 1902 av Peter Cooper Hewitt , ble kvikksølv buede likerettere som brukes til å gi strøm til industrielle motorer, elektriske jernbaner , trikker og elektriske lokomotiver , så vel som for radiosendere og for høyspent likestrøm (HVDC) kraftoverføring. De var den primære metoden for høy effektretting før adventen av halvlederlikrettere , som dioder , tyristorer og gate-off-tyristorer (GTO) på 1970-tallet. Disse solid state-likeretterne har siden helt erstattet kvikksølvbue-likerettere takket være høyere pålitelighet, lavere kostnader og vedlikehold og lavere miljørisiko.

Historie

En av de første kvikksølvbuepærene bygget av Cooper Hewitt

I 1882 observerte Jemin og Meneuvrier de korrigerende egenskapene til en kvikksølvbue. Kvikksølvbue likeretter ble oppfunnet av Peter Cooper Hewitt i 1902 og videreutviklet gjennom 1920- og 1930-årene av forskere i både Europa og Nord-Amerika. Før oppfinnelsen var den eneste måten å konvertere vekselstrøm som leveres av verktøy til DC, ved å bruke dyre, ineffektive og høyt vedlikeholdende rotasjonsomformere eller motorgeneratorsett. Kvikksølvbue-likerettere eller "omformere" ble brukt til lading av lagringsbatterier, lysbuesystemer , DC-trekkmotorer for trolleybusser , trikker og undergrunnsbaner og galvaniseringsutstyr. Kvikksølv likeretter ble brukt langt ut på 1970-tallet, da den endelig ble erstattet av halvleder likerettere .

Driftsprinsipper

Glasspære kvikksølvbue-likeretter fra 1940-tallet

Driften av likeretteren er avhengig av en elektrisk lysbueutladning mellom elektrodene i en forseglet konvolutt som inneholder kvikksølvdamp ved veldig lavt trykk. Et basseng med flytende kvikksølv fungerer som en selvfornyende katode som ikke forringes med tiden. Kvikksølv avgir elektroner fritt, mens karbonanodene avgir svært få elektroner selv når de blir oppvarmet, slik at strømmen til elektroner bare kan passere gjennom røret i en retning, fra katode til anode, som gjør at røret kan rette vekselstrøm.

Når en bue dannes, sendes elektroner fra bassengets overflate, noe som forårsaker ionisering av kvikksølvdamp langs banen mot anodene. Kvikksølvioner er tiltrukket mot katoden, og den resulterende ionebombardement av bassenget opprettholder temperaturen i den utslipps sted , så lenge som en strøm på noen få ampere fortsetter.

Mens strømmen bæres av elektroner, tillater de positive ionene som går tilbake til katoden, at ledningsveien stort sett ikke blir påvirket av romladningseffektene som begrenser ytelsen til vakuumrør . Derfor kan ventilen bære høye strømmer ved lave lysbuespenninger (vanligvis 20–30 V), og det er også en effektiv likeretter. Varmkatode, gassutladningsrør som tyratron kan også oppnå lignende effektivitetsnivåer, men oppvarmede katodefilamenter er delikate og har kort levetid når de brukes ved høy strøm.

Temperaturen på konvolutten må kontrolleres nøye, siden buens oppførsel i stor grad bestemmes av kvikksølvets damptrykk , som igjen blir satt av det kuleste stedet på innkapslingsveggen. En typisk design holder temperaturen på 40 ° C (104 ° F) og et kvikksølvdamptrykk på 7 millipascal .

Kvikksølvionene avgir lys ved karakteristiske bølgelengder, hvis relative intensitet bestemmes av dampens trykk. Ved lavt trykk i en likeretter ser lyset ut som lyseblå-fiolett og inneholder mye ultrafiolett lys.

Konstruksjon

Konstruksjonen av en kvikksølvbueventil har en av to grunnleggende former - glasspæretypen og typen ståltank. Ståltankventiler ble brukt til høyere strømverdier over ca. 500 A.

Glass-pære ventiler

En glasskonvolutt kvikksølvbue-likeretterventil

Den tidligste typen kvikksølvdamp likeretter består av en evakuert glasspære med et basseng med flytende kvikksølv som sitter i bunnen som katoden . Over den kurver glasspæren, som kondenserer kvikksølv som fordampes når enheten fungerer. Glasskonvolutten har en eller flere armer med grafittstenger som anoder . Antallet deres avhenger av applikasjonen, med vanligvis en anode per fase. Formen på anodearmene sørger for at eventuelt kvikksølv som kondenserer på glassveggene drenerer seg raskt inn i hovedbassenget for å unngå å gi en ledende bane mellom katoden og den respektive anoden.

Glasskonvolutt likerettere kan håndtere hundrevis av kilowatt med likestrøm i en enkelt enhet. En seksfaset likeretter med en effekt på 150 ampere har en glasskonvolutt som er omtrent 600 mm (24 tommer) høy og 300 mm (12 tommer) utvendig diameter. Disse likeretterne vil inneholde flere kilo flytende kvikksølv. Den store størrelsen på konvolutten er nødvendig på grunn av glassets lave varmeledningsevne. Kvikksølvdamp i den øvre delen av konvolutten må avgi varme gjennom glasskonvolutten for å kondensere og komme tilbake til katodebassenget. Noen glassrør ble senket i et oljebad for bedre å kontrollere temperaturen.

Den nåværende bæreevnen til en glasspære likeretter er begrenset dels av skjørheten i glasskonvolutten (hvis størrelse øker med nominell effekt) og delvis av størrelsen på ledningene smeltet inn i glasskonvolutten for tilkobling av anodene og katode. Utvikling av likestrømningsapparater med høy strøm krever ledningstrådmaterialer og glass med veldig lignende koeffisienter for termisk ekspansjon for å forhindre lekkasje av luft inn i konvolutten. Nåværende rangeringer på opptil 500 A hadde blitt oppnådd på midten av 1930-tallet, men de fleste likerettere for gjeldende klassifisering over dette ble realisert ved hjelp av den mer robuste ståltankdesignen.

Ventiler av ståltank

For større ventiler brukes en ståltank med keramiske isolatorer for elektrodene, med et vakuumpumpesystem for å motvirke lett lekkasje av luft i tanken rundt ufullkomne tetninger. Ventiler av ståltank, med vannkjøling for tanken, ble utviklet med en nåværende vurdering på flere tusen ampere.

Som glasspæreventiler ble kvikksølvbueventiler av ståltank bygget med bare en enkelt anode per tank (en type også kjent som excitron ) eller med flere anoder per tank. Flere anodeventiler ble vanligvis brukt til flerfaset likeretterkretser (med 2, 3, 6 eller 12 anoder per tank), men i HVDC-applikasjoner ble flere anoder ofte bare koblet parallelt for å øke strømverdien.

Cut-away modell av tidlig høyspentet stål-tank likeretter nominell til 50 kV, 30 A
Cut-away modell av tidlig høyspentet stål-tank likeretter nominell til 50 kV, 30 A

Start (tenning)

En konvensjonell kvikksølvbue-likeretter startes av en kort høyspenningsbue i likeretteren, mellom katodebassenget og en startelektrode. Startelektroden bringes i kontakt med bassenget og får passere strøm gjennom en induktiv krets. Kontakten med bassenget brytes deretter, noe som resulterer i en høy emk og en lysbueutslipp.

Den øyeblikkelige kontakten mellom startelektroden og bassenget kan oppnås ved en rekke metoder, inkludert:

  • la en ekstern elektromagnet trekke elektroden i kontakt med bassenget; elektromagneten kan også tjene som startinduktans,
  • å ordne elektromagneten til å tippe pæren til en liten likeretter, akkurat nok til at kvikksølv fra bassenget når startelektroden,
  • å tilveiebringe en smal kvikksølvhals mellom to bassenger, og ved å føre en veldig høy strøm med ubetydelig spenning gjennom nakken, og forskyve kvikksølv ved magnetostriksjon , og dermed åpne kretsen,
  • Passerer strøm inn i kvikksølvbassenget gjennom en bimetallstrimmel , som varmes opp under strømens oppvarmingshandling og bøyes på en slik måte at kontakten med bassenget brytes.

Spenning

Siden øyeblikkelige avbrudd eller reduksjoner av utgangsstrømmen kan føre til at katodepunktet slukkes, har mange likerettere en ekstra elektrode for å opprettholde en lysbue når anlegget er i bruk. Vanligvis passerer en to- eller trefasetilførsel på noen få ampere gjennom små eksitasjonsanoder . En magnetisk shunted transformator med noen få hundre VA-klassifisering brukes ofte til å levere denne forsyningen.

Denne eksitasjonen eller holde-i-liv- kretsen var nødvendig for enfaset likerettere som excitronen og for kvikksølvbue-likerettere som ble brukt i høyspentforsyningen til radiotelegrafisendere , da strømmen regelmessig ble avbrutt hver gang Morse-tasten ble sluppet.

Rutenettkontroll

Både glass- og metallkonvolutteringsrettere kan ha kontrollrist innført mellom anoden og katoden.

Installasjon av et kontrollgitter mellom anoden og bassengkatoden tillater kontroll av ledning av ventilen, og gir dermed kontroll over den gjennomsnittlige utgangsspenningen som produseres av likeretteren. Starten av strømmen kan bli forsinket forbi det punktet hvor buen ville dannes i en ukontrollert ventil. Dette gjør at utgangsspenningen til en ventilgruppe kan justeres ved å forsinke avfyringspunktet, og tillater kontrollerte kvikksølvbue-ventiler å danne de aktive koblingselementene i en inverter som omdanner likestrøm til vekselstrøm.

For å opprettholde ventilen i ikke-ledende tilstand påføres en negativ forspenning på noen få volt eller titalls volt på nettet. Som et resultat avstøtes elektroner som sendes ut fra katoden bort fra rutenettet, tilbake mot katoden, og forhindres så fra å nå anoden. Med en liten positiv forspenning på rutenettet, passerer elektroner gjennom rutenettet, mot anoden, og prosessen med å etablere en lysbueutladning kan starte. Når lysbuen er etablert, kan den imidlertid ikke stoppes av gittervirkning, fordi de positive kvikksølvionene produsert av ionisering tiltrekkes av det negativt ladede rutenettet og nøytraliserer det effektivt. Den eneste måten å stoppe ledningen er å få den eksterne kretsen til å tvinge strømmen til å synke under en (lav) kritisk strøm.

Selv om gitterkontrollerte kvikksølv-bueventiler har en overfladisk likhet med triode- ventiler, kan kvikksølv-bueventiler ikke brukes som forsterkere bortsett fra ekstremt lave strømverdier, godt under den kritiske strømmen som er nødvendig for å opprettholde buen.

Elektroder for anodeklassifisering

Kvikksølvbueventiler av ASEA-design, med fire anodesøyler parallelt, i HVDC Inter-Island- ordningen på New Zealand .

Kvikksølv-arc ventiler er utsatt for en effekt som kalles lysbue-tilbake (eller tilbakeslag ), hvorved ventil dirigerer i den motsatte retning når spenningen over den er negativ. Bue-rygg kan være skadelig eller ødeleggende for ventilen, samt skape høye kortslutningsstrømmer i den eksterne kretsen, og er mer utbredt ved høyere spenninger. Et eksempel på problemene forårsaket av tilbakeslag skjedde i 1960 etter elektrifiseringen av Glasgow North Suburban Railway, hvor damptjenester måtte innføres på nytt etter flere uhell. I mange år begrenset denne effekten den praktiske driftsspenningen til kvikksølv-bueventiler til noen få kilovolt.

Løsningen ble funnet å være å inkludere graderingselektroder mellom anoden og kontrollnettet, koblet til en ekstern motstand - kondensatordelerkrets . Dr. Uno Lamm utførte banebrytende arbeid ved ASEA i Sverige med dette problemet gjennom 1930- og 1940-tallet, og førte til den første virkelig praktiske kvikksølvbue-ventilen for HVDC-overføring, som ble tatt i bruk på 20 MW, 100 kV HVDC-koblingen fra fastlandet. Sverige til øya Gotland i 1954.

Uno Lamms arbeid med høyspennings kvikksølvbueventiler førte til at han ble kjent som "Father of HVDC" kraftoverføring og inspirerte IEEE til å tildele en pris oppkalt etter ham, for fremragende bidrag innen HVDC.

Kvikksølvbueventiler med sorteringselektroder av denne typen ble utviklet opp til spenningsverdier på 150 kV. Imidlertid var den høye porselenssøylen som var nødvendig for å huse sorteringselektrodene vanskeligere å avkjøle enn ståltanken ved katodepotensial, så bruksstrømmen var begrenset til ca. 200–300 A per anode. Derfor ble Mercury-bueventiler for HVDC ofte konstruert med fire eller seks anodesøyler parallelt. Anodesøylene var alltid luftkjølte, med katodetankene enten vannkjølte eller luftkjølte.

Kretser

Enfasede kvikksølv-buelyktere ble sjelden brukt fordi strømmen falt og lysbuen kunne slukkes når vekselstrømmen endret polaritet. Den likestrøm som produseres av en enfaset likerinneholdt således en varierende komponent (rippel) på det dobbelte av strømforsyningsfrekvensen , som var uønsket i mange anvendelser for DC. Løsningen var å bruke to-, tre- eller til og med seksfasede vekselstrømforsyninger, slik at den utbedrede strømmen ville opprettholde et mer konstant spenningsnivå. Polyfase-likerettere balanserte også belastningen på forsyningssystemet, noe som er ønskelig av hensyn til systemets ytelse og økonomi.

De fleste anvendelser av kvikksølv buede ventiler for likerettere som brukes helbølge- likeretting med separate par av anoder for hver fase.

I fullbølgeretting blir begge halvdeler av AC-bølgeformen benyttet. Den katode er koblet til + siden av likespenningslast, idet den andre siden er koblet til midtuttakettransformatorens sekundærvikling, som alltid forblir på nullpotensial i forhold til jord eller jord. For hver vekselstrømsfase er en ledning fra hver ende av den faseviklingen koblet til en separat anode "arm" på kvikksølvbue-likeretteren. Når spenningen ved hver anode blir positiv, vil den begynne å lede gjennom kvikksølvdampen fra katoden. Ettersom anodene i hver vekselstrømsfase blir matet fra motsatte ender av den sentrertappede transformatorviklingen, vil man alltid være positiv i forhold til midtkranen, og begge halvdeler av vekselstrømsbølgeformen vil få strøm til å strømme i en retning bare gjennom belastningen. Denne utbedringen av hele AC-bølgeformen kalles altså fullbølgeretting .

Med trefaset vekselstrøm og fullbølgeretting, ble seks anoder brukt til å gi en jevnere likestrøm. Trefasedrift kan forbedre transformatorens effektivitet, samt gi jevnere likestrøm ved å gjøre det mulig for to anoder å lede samtidig. Under drift overføres buen til anodene med det høyeste positive potensialet (med hensyn til katoden).

Tre-fase halvbølge likeretter med tre anoder og ekstern transformator
Tre-fase halvbølge likeretter med tre anoder og ekstern transformator
Trefaset fullbølge-likeretter med seks anoder og trefaset ekstern transformator med senterkran på sekundærsiden
Trefaset fullbølge-likeretter med seks anoder og trefaset ekstern transformator med senterkran på sekundærsiden

I HVDC-applikasjoner ble det vanligvis brukt en fullbølge trefaset bro likeretter eller Graetz-bro krets, hver ventil innkvartert i en enkelt tank.

applikasjoner

Da solid-state metall likerettere ble tilgjengelig for lavspenningsløsning på 1920-tallet, ble kvikksølvbuerør begrenset til applikasjoner med høyere spenning og spesielt høy effekt.

Kvikksølv-bueventiler ble mye brukt til 1960-tallet for konvertering av vekselstrøm til likestrøm for store industrielle bruksområder. Applikasjonene inkluderte strømforsyning for gatebiler, elektriske jernbaner og strømforsyninger med variabel spenning for store radiosendere . Mercury-arc stasjonene ble brukt til å gi likestrøm til arven Edison -stil DC strøm nett i urbane sentre før 1950. På 1960-tallet erstattet solid-state silisiumenheter, først dioder og deretter tyristorer , alle applikasjoner med likestrøm med lavere strøm og lavere spenning av kvikksølvbuerør.

Flere elektriske lokomotiver, inkludert New Haven EP5 og Virginian EL-C , hadde antennekroner om bord for å rette på innkommende vekselstrøm til trekkmotor DC.

En kvikksølvbueventil på 150 kilovolt , 1800 amp, ved Manitoba Hydros Radisson-omformerstasjon, august 2003

En av de siste store bruksområdene med kvikksølvbueventiler var i HVDC-kraftoverføring, der de ble brukt i mange prosjekter frem til begynnelsen av 1970-tallet, inkludert HVDC Inter-Island- koblingen mellom Nord- og Sørøyene i New Zealand og HVDC Kingsnorth- koblingen fra Kingsnorth kraftstasjon til London . Imidlertid, fra og med 1975, har silisiumenheter gjort kvikksølvbue-likerettere stort sett foreldet, selv i HVDC-applikasjoner. De største kvikksølvbue-likeretterne noensinne, bygget av English Electric , ble vurdert til 150  kV , 1800 A, og ble brukt til 2004 i Nelson River DC Transmission System høyspent DC-kraftoverføringsprosjekt. Ventilene for Inter-Island og Kingsnorth-prosjektene brukte fire anodesøyler parallelt, mens de i Nelson River-prosjektet brukte seks anodesøyler parallelt for å oppnå den nødvendige strømverdien. Inter-Island-koblingen var den siste HVDC-overføringsplanen som var i drift ved bruk av kvikksølvbueventiler. Den ble formelt avviklet 1. august 2012. Kvikksølvbueventilomformerstasjonene i New Zealand-ordningen ble erstattet av nye tyristoromformerstasjoner. En lignende kvikksølvbueventilordning, HVDC Vancouver Island- koblingen ble erstattet av en trefaset AC-kobling.

Kvikksølvbueventiler er fortsatt i bruk i noen sørafrikanske gruver og Kenya (ved Mombasa Polytechnic - Electrical & Electronic department).

Kvikksølvbueventiler ble brukt mye i DC-kraftsystemer på London Underground , og to ble fremdeles observert å være i drift i 2000 på det nedlagte dypnivå-air-raid-lyetBelsize Park . Etter at de ikke lenger var behov for tilfluktsrom, ble Belsize Park og flere andre dype tilfluktsrom brukt som sikker lagring, spesielt for musikk- og TV-arkiver. Dette førte til at kvikksølvbue-likeretteren på Goodge Street- skjulet presenterte en tidlig episode av Doctor Who som en fremmed hjerne, kastet for sin "uhyggelige glød".

Andre

Spesielle typer enfasede kvikksølvbue likerettere er Ignitron ogExcitron . Excitron ligner på andre typer ventiler beskrevet ovenfor, men avhenger kritisk av eksistensen av en eksitasjonsanode for å opprettholde en lysbueutslipp i løpet av halvsyklusen når ventilen ikke leder strøm. Ignitron dispenserer med eksitasjonsanoder ved å tenne lysbuen hver gang ledning er nødvendig for å starte. På denne måten unngår ignitrons også behovet for kontrollnett.

I 1919 beskrev boken "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1" en forsterker for telefonsignaler som brukte et magnetfelt for å modulere en lysbue i et kvikksølvliketterrør. Dette var aldri kommersielt viktig.

En eksperimentell kvikksølvbueforsterker for bruk på langdistansekretser. Det ble aldri brukt kommersielt etter utviklingen av audion- røret.

Miljøfare

Kvikksølvforbindelser er giftige, svært persistente i miljøet og utgjør en fare for mennesker og miljø. Bruk av store mengder kvikksølv i skjøre glasskonvolutter utgjør en fare for potensiell frigjøring av kvikksølv i miljøet hvis glasspæren skulle bli ødelagt. Noen HVDC-omformerstasjoner har krevd omfattende opprydding for å eliminere spor av kvikksølv som slippes ut fra stasjonen i løpet av dens levetid. Ståltank likerettere krever ofte vakuumpumper, som kontinuerlig slipper ut små mengder kvikksølvdamp.

Referanser

Videre lesning