Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Перед выводом из эксплуатации ртутный выпрямитель демонстрируется в передатчике Beromünster AM в Швейцарии . Трехфазный двухполупериодный выпрямитель с шестью анодами.

Ртутно-дуговой клапан или ртутные выпрямители или (Великобритания) ртутно-дуговой выпрямитель [1] [2] представляет собой тип электрического выпрямителя , используемый для преобразования высоко- напряжения или высокого ток переменного тока (AC) в постоянный ток (DC ). Это тип трубки с холодным катодом, заполненной газом , но он необычен тем, что катод, вместо того, чтобы быть твердым, сделан из резервуара жидкой ртути и, следовательно, самовосстанавливается. В результате ртутно-дуговые клапаны были намного более прочными и долговечными и могли пропускать гораздо более высокие токи, чем большинство других типов газоразрядных трубок.

Изобретенный в 1902 году Peter Cooper Hewitt , ртутно-дуговые выпрямители были использованы для обеспечения питания для промышленных двигателей, электрических железных дорог , трамваи и электровозов , а также для радио передатчиков и высокого напряжения постоянного тока (HVDC) передачи мощности. Они были основным методом выпрямления большой мощности до появления полупроводниковых выпрямителей, таких как диоды , тиристоры и запирающие тиристоры.(GTOs) в 1970-е годы. Эти твердотельные выпрямители с тех пор полностью заменили ртутно-дуговые выпрямители благодаря их более высокой надежности, более низкой стоимости и меньшему техническому обслуживанию, а также меньшему риску для окружающей среды. [3]

История [ править ]

Одна из первых ртутных дуговых ламп, построенных Купером Хьюиттом.

В 1882 году Жемин и Меневрие наблюдали выпрямляющие свойства ртутной дуги. [4] Ртутный дуговый выпрямитель был изобретен Питером Купером Хьюиттом в 1902 году и в течение 1920-х и 1930-х годов развивался исследователями как в Европе, так и в Северной Америке. До его изобретения единственный способ преобразовать переменный ток, обеспечиваемый коммунальными предприятиями, в постоянный, заключался в использовании дорогих, неэффективных и требующих большого технического обслуживания вращающихся преобразователей или мотор-генераторных установок. Ртутно-дуговые выпрямители или «преобразователи» использовались для зарядки аккумуляторных батарей, систем дугового освещения , [5] тяговых двигателей постоянного тока для троллейбусов., трамваи и метро, ​​и гальваническое оборудование. Ртутный выпрямитель использовался до 1970-х годов, когда его наконец заменили полупроводниковые выпрямители .

Принципы работы [ править ]

Ртутно-дуговый выпрямитель со стеклянной колбой 1940-х годов

Работа выпрямителя основана на электрическом дуговом разряде между электродами в герметичной оболочке, содержащей пары ртути при очень низком давлении. Резервуар 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.

Когда образуется дуга, электроны испускаются с поверхности ванны, вызывая ионизацию паров ртути на пути к анодам. Ионы ртути притягиваются к катоду, и в результате ионной бомбардировки ванны поддерживается температура пятна излучения , пока продолжается ток в несколько ампер.

В то время как ток переносится электронами, положительные ионы, возвращающиеся к катоду, позволяют в значительной степени не влиять на путь проводимости из- за эффектов пространственного заряда, которые ограничивают характеристики электронных ламп . Следовательно, клапан может выдерживать большие 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 аналогичного уровня эффективности, но нити накала с нагретым катодом являются хрупкими и имеют короткий срок службы при использовании высокого тока.

Температуру оболочки необходимо тщательно контролировать, поскольку поведение дуги в значительной степени определяется давлением паров ртути, которое, в свою очередь, задается самым холодным местом на стенке корпуса. Типичная конструкция поддерживает температуру 40 ° C (104 ° F) и давление паров ртути 7 мПа .

Ионы ртути излучают свет с характерными длинами волн, относительная интенсивность которых определяется давлением пара. При низком давлении внутри выпрямителя свет выглядит бледно-сине-фиолетовым и содержит много ультрафиолетового света.

Строительство [ править ]

Конструкция ртутно-дугового клапана может иметь одну из двух основных форм - тип со стеклянной колбой и тип со стальным резервуаром. Клапаны со стальным резервуаром использовались для более высоких значений тока, превышающих примерно 500 А.

Клапаны со стеклянной колбой [ править ]

Ртутно-дуговый выпрямительный клапан со стеклянной оболочкой

Самый ранний тип электрического выпрямителя на парах ртути состоял из вакуумированной стеклянной колбы с резервуаром жидкой ртути, сидящей на дне в качестве катода . [6] Над ним изгибается 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 области применения, обычно на каждую фазу предоставляется один анод. Форма анодных плечей 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 постоянного тока в одном устройстве. Шестифазный выпрямитель на 150 ампер имеет стеклянную оболочку высотой примерно 600 мм (24 дюйма) и внешним диаметром 300 мм (12 дюймов). Эти выпрямители будут содержать несколько килограммов жидкой ртути. Большой размер оболочки требуется из-за низкой теплопроводности стекла. Пары ртути в верхней части оболочки должны рассеивать тепло через стеклянную оболочку, чтобы конденсироваться и возвращаться в катодную ванну. Некоторые стеклянные пробирки погружали в масляную баню для лучшего контроля температуры.

Токонесущая способность выпрямителя со стеклянной колбой частично ограничена хрупкостью стеклянной оболочки (размер которой увеличивается с увеличением номинальной мощности) и частично размером проводов, вплавленных в стеклянную оболочку для соединения анодов и катод. Для разработки сильноточных выпрямителей потребовались материалы для выводов и стекла с очень похожими коэффициентами теплового расширения, чтобы предотвратить утечку воздуха в оболочку. К середине 1930-х годов были достигнуты номинальные значения тока до 500 А, но большинство выпрямителей с номинальными токами выше этого были реализованы с использованием более прочной конструкции стального резервуара.

Клапаны стальных баков [ править ]

Для клапанов большего размера используется стальной резервуар с керамическими изоляторами для электродов с системой вакуумного насоса для противодействия небольшой утечке воздуха в резервуар вокруг несовершенных уплотнений. Клапаны стального бака с водяным охлаждением бака были разработаны с номинальным током в несколько тысяч ампер.

Как и клапаны со стеклянными колбами, ртутные дуговые клапаны со стальным резервуаром 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 схем многофазного выпрямителя (с 2, 3, 6 или 12 анодами на резервуар), но в приложениях HVDC часто просто соединяли несколько анодов параллельно, чтобы увеличить номинальный ток.

Запуск (зажигание) [ править ]

Обычный ртутный выпрямитель запускается короткой высоковольтной дугой внутри выпрямителя между катодной ванной и пусковым электродом. Пусковой электрод приводится в контакт с резервуаром и пропускает ток через индуктивную цепь. При этом контакт с ванной прерывается, что приводит к высокой ЭДС и дуговому разряду.

Мгновенный контакт между стартовым электродом и резервуаром может быть достигнут несколькими способами, в том числе:

  • обеспечение контакта электрода с бассейном с помощью внешнего электромагнита ; электромагнит также может служить пусковой индуктивностью,
  • расположив электромагнит так, чтобы он наклонял лампочку небольшого выпрямителя, ровно столько, чтобы ртуть из бассейна могла достигнуть пускового электрода,
  • образуя узкую шейку из ртути между двумя бассейнами и пропуская через шейку очень высокий ток при ничтожно малом напряжении , вытесняя ртуть за счет магнитострикции , тем самым размыкая цепь,
  • Пропускание тока в ванну с ртутью через биметаллическую полосу , которая нагревается под действием нагревающего тока и изгибается таким образом, чтобы нарушить контакт с бассейном.

Возбуждение [ править ]

Поскольку кратковременные прерывания или уменьшение выходного тока могут вызвать гашение катодного пятна, многие выпрямители включают дополнительный электрод для поддержания дуги всякий раз, когда установка используется. Обычно двух- или трехфазный источник питания в несколько ампер проходит через небольшие аноды возбуждения . Для обеспечения этого питания обычно используется трансформатор с магнитным шунтированием мощностью несколько сотен ВА.

Эта схема возбуждения или поддержания активности была необходима для однофазных выпрямителей, таких как экситрон, и для ртутно-дуговых выпрямителей, используемых в высоковольтных источниках питания радиотелеграфных передатчиков, поскольку ток регулярно прерывался каждый раз при отпускании клавиши Морзе . [7]

Управление сеткой [ править ]

Как в выпрямителях со стеклянной, так и с металлической оболочкой, между анодом и катодом могут быть вставлены управляющие сетки.

Установка управляющей сетки между анодом и катодом ванны позволяет контролировать проводимость клапана, тем самым обеспечивая управление средним выходным напряжением, создаваемым выпрямителем. Начало протекания тока может быть отложено до точки, в которой возникнет дуга в неуправляемом клапане. Это позволяет регулировать выходное напряжение группы клапанов путем задержки точки зажигания и позволяет управляемым ртутно-дуговым клапанам формировать активные переключающие элементы в инверторе, преобразующем постоянный ток в переменный ток.

Чтобы поддерживать клапан в непроводящем состоянии, к сети прикладывают отрицательное смещение в несколько или десятки вольт. В результате электроны, испускаемые катодом, отталкиваются от сетки обратно к катоду и, таким образом, не могут достигнуть анода. При небольшом положительном смещении, приложенном к сетке, электроны проходят через сетку к аноду, и может начаться процесс установления дугового разряда. Однако, как только возникла дуга, ее нельзя остановить действием сетки, потому что положительные ионы ртути, образующиеся в результате ионизации, притягиваются к отрицательно заряженной сетке и эффективно нейтрализуют ее. Единственный способ остановить проводимость - заставить внешнюю цепь заставить ток упасть ниже (низкого) критического значения.

Хотя ртутно-дуговые клапаны с сеточным управлением внешне похожи на триодные клапаны, ртутно-дуговые клапаны нельзя использовать в качестве усилителей, кроме как при чрезвычайно низких значениях тока, значительно ниже критического тока, необходимого для поддержания дуги.

Электроды для калибровки анодов [ править ]

Ртутные дуговые клапаны конструкции ASEA с четырьмя параллельными анодными колоннами в схеме HVDC Inter-Island в Новой Зеландии .

Ртутно-дуговые клапаны подвержены эффекту, называемому обратным дуговым разрядом (или обратным зажиганием ), в результате чего клапан ведет себя в обратном направлении, когда напряжение на нем отрицательное. Обратные дуги могут повредить клапан или разрушить его, а также создать высокие токи короткого замыкания во внешней цепи и более распространены при более высоких напряжениях. Один из примеров проблем, вызванных возгоранием, произошел в 1960 году после электрификации северной пригородной железной дороги Глазго, где после нескольких неудач пришлось вновь ввести паровые перевозки. [8] В течение многих лет этот эффект ограничивал практическое рабочее напряжение ртутно-дуговых вентилей до нескольких киловольт.

Решением стало включение между анодом и управляющей сеткой регулирующих электродов, подключенных к цепи внешнего резистора - конденсаторного делителя. [9] Доктор Уно Ламм проводил новаторскую работу в ASEA в Швеции по этой проблеме на протяжении 1930-х и 1940-х годов, что привело к созданию первого действительно практичного ртутно-дугового клапана для передачи постоянного тока высокого напряжения, который был введен в эксплуатацию на 20 МВт, 100 кВ HVDC. соединение из континентальной Швеции на остров Готланд в 1954 году.

Работа Уно Ламма над высоковольтными ртутно-дуговыми клапанами привела к тому, что он был известен как «отец высоковольтного постоянного тока» [10], и вдохновил IEEE на учреждение награды, названной в его честь, за выдающийся вклад в области высоковольтного постоянного тока.

Ртутные дуговые клапаны с градуировочными электродами этого типа разработаны на номинальное напряжение 150 кВ. Однако высокую фарфоровую колонну, необходимую для размещения калибровочных электродов, было труднее охладить, чем стальной резервуар при катодном потенциале, поэтому допустимый ток был ограничен примерно 200–300 А на анод. Поэтому дуговые клапаны Mercury для HVDC часто конструировались с четырьмя или шестью параллельными анодными колоннами. Анодные колонны всегда охлаждались воздухом, а катодные баки охлаждались водой или воздухом.

Схемы [ править ]

Однофазные ртутно-дуговые выпрямители использовались редко, потому что ток падал, и дуга могла погаснуть при изменении полярности переменного напряжения. Таким образом, постоянный ток, создаваемый однофазным выпрямителем, содержал изменяющуюся составляющую (пульсации) на удвоенной частоте источника питания , что было нежелательно во многих приложениях для постоянного тока. Решение заключалось в использовании двух-, трех- или даже шестифазных источников питания переменного тока, чтобы выпрямленный ток поддерживал более постоянный уровень напряжения. Многофазные выпрямители также уравновешивают нагрузку на систему питания, что желательно по соображениям производительности системы и экономии.

В большинстве случаев применения ртутно-дуговых клапанов для выпрямителей использовалось двухполупериодное выпрямление с отдельными парами анодов для каждой фазы.

При двухполупериодном выпрямлении используются обе половины формы волны переменного тока. Катод соединен с + стороны нагрузки постоянного тока, с другой стороны соединена с центром крана от трансформатора вторичной обмотки, которая всегда остается под нулевым потенциалом по отношению к земле или на земле. Для каждой фазы переменного тока провод от каждого конца этой фазной обмотки подключается к отдельному аноду.«рука» на ртутно-дуговом выпрямителе. Когда напряжение на каждом аноде станет положительным, он начнет проходить через пары ртути от катода. Поскольку аноды каждой фазы переменного тока питаются от противоположных концов обмотки трансформатора с центральным ответвлением, один всегда будет положительным по отношению к центральному отводу, и обе половины формы волны переменного тока будут вызывать протекание тока в одном направлении только через нагрузку. Это выпрямление всей формы волны переменного тока называется двухполупериодным выпрямлением .

При трехфазном переменном токе и двухполупериодном выпрямлении использовались шесть анодов, чтобы обеспечить более плавный постоянный ток. Трехфазный режим работы может повысить эффективность трансформатора, а также обеспечить более плавный постоянный ток за счет одновременного проведения двух анодов. Во время работы дуга переходит на аноды с наивысшим положительным потенциалом (по отношению к катоду).

Трехфазный однополупериодный выпрямитель с тремя анодами и внешним трансформатором
Трехфазный двухполупериодный выпрямитель с шестью анодами и трехфазным внешним трансформатором с центральным отводом на вторичной стороне

В приложениях HVDC обычно использовался двухполупериодный трехфазный мостовой выпрямитель или мостовая схема Гретца , каждый клапан размещался в одном резервуаре.

Приложения [ править ]

Когда в 1920-х годах стали доступны твердотельные металлические выпрямители для выпрямления низкого напряжения, ртутные дуговые трубки стали ограничиваться приложениями с более высоким напряжением и особенно большой мощностью.

До 1960-х годов ртутно-дуговые клапаны широко использовались для преобразования переменного тока в постоянный в крупных промышленных целях. Применения включали источники питания для трамваев, электрических железных дорог и источники питания переменного напряжения для больших радиопередатчиков . Ртутно-дуговые станции использовались для подачи постоянного тока в устаревшие электрические сети 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 устройства ртутных дуговых трубок.

Несколько электровозов, в том числе New Haven EP5 и Virginian EL-C , несли на борту игнитроны для исправления поступающего переменного тока на постоянный ток тягового двигателя.

Ртутно-дуговый клапан на 150 кВ , 1800 А на преобразовательной станции Radisson Manitoba Hydro , август 2003 г.

Одним из последних основных применений ртутных дуговых клапанов была передача электроэнергии постоянного тока высокого напряжения, где они использовались во многих проектах до начала 1970-х годов, включая межостровную связь HVDC между Северными и Южными островами Новой Зеландии и линию HVDC Kingsnorth от Электростанция Кингснорт в Лондон . [11] Однако, начиная примерно с 1975 года, кремниевые устройства сделали ртутно-дуговые выпрямители в значительной степени устаревшими, даже в приложениях HVDC. Самые большие из когда-либо существовавших ртутно-дуговых выпрямителей, построенные English Electric , были рассчитаны на 150 кВ , 1800 А и использовались до 2004 года в системе электропередачи постоянного тока Нельсон-Ривер.проект высоковольтной передачи электроэнергии постоянного тока. Клапаны проектов Inter-Island и Kingsnorth использовали четыре анодных колонны параллельно, в то время как клапаны проекта Nelson River использовали шесть анодных колонн параллельно, чтобы получить необходимый номинальный ток. [12] Линия между островами была последней схемой передачи постоянного тока высокого напряжения, в которой использовались ртутные дуговые клапаны. Он был официально выведен из эксплуатации 1 августа 2012 года. Преобразовательные подстанции с ртутно-дуговыми вентилями новозеландской схемы были заменены новыми тиристорными преобразовательными подстанциями. Аналогичная схема с ртутным дуговым клапаном, звено HVDC на острове Ванкувер было заменено звеном трехфазного переменного тока.

Ртутные дуговые клапаны по-прежнему используются на некоторых шахтах Южной Африки и в Кении (в Политехническом институте Момбасы - отдел электротехники и электроники).

Ртутные клапаны широко используются в системах питания постоянного тока на лондонском метро , [13] и две по - прежнему наблюдаются ввести в эксплуатации в 2000 году на заброшенном глубоких уровни бомбоубежища на Belsize Park . [14] 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 появлению ртутно-дугового выпрямителя в приюте на Гудж-стрит, который в раннем эпизоде ​​« Доктора Кто» изображен как инопланетный мозг, отлитый из-за его «жуткого свечения». [15]

Другое [ править ]

Специальными типами однофазных ртутно-дуговых выпрямителей являются Ignitron и Excitron . Excitron похож на другие типы клапанов, описанных выше, но критически зависит от наличия возбуждающего анода для поддержания дугового разряда в течение полупериода, когда клапан не проводит ток. В Ignitron не используются возбуждающие аноды, зажигая дугу каждый раз, когда требуется электрическая проводимость. Таким образом, игнитроны также избавляются от необходимости в управляющих сетках.

В 1919 году в книге «Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1» [16] описан усилитель для телефонных сигналов, который использовал магнитное поле для модуляции дуги в лампе ртутного выпрямителя. Это никогда не было коммерчески важным.

Экспериментальный усилитель ртутной дуги для использования в сетях дальней телефонной связи. После разработки звуковой трубки он никогда не использовался в коммерческих целях .

Опасность для окружающей среды [ править ]

Соединения ртути токсичны, очень стойкие в окружающей среде и представляют опасность для человека и окружающей среды. Использование большого количества ртути в хрупких стеклянных оболочках представляет опасность потенциального выброса ртути в окружающую среду в случае разрушения стеклянной колбы. Некоторые преобразовательные подстанции HVDC потребовали обширной очистки, чтобы удалить следы ртути, выбрасываемой станцией в течение срока ее службы. Выпрямители со стальным резервуаром часто требовали вакуумных насосов, которые постоянно выбрасывали небольшие количества паров ртути.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Электрический ежегодник 1937 , Эммотт и компания, Манчестер, Англия, стр 180-185
  2. ^ Риссик, Х., Преобразователи тока ртутной дуги, Pitman. 1941 г.
  3. ^ "История | IEEE Power & Energy Magazine" . magazine.ieee-pes.org . Проверено 17 января 2017 года .
  4. ^ Силовая электроника . Январь 2004 г. ISBN. 9788120323964.
  5. ^ Справочная библиотека ICS, том 4B, International Textbook Company , Scranton PA 1908, раздел 53, стр.
  6. ^ Howatson АН (1965). «8». Введение в газовые разряды . Оксфорд: Pergamon Press . ISBN 0-08-020575-5.
  7. ^ Фрэнсис Эдвард Хэнди (1926). Справочник радиолюбителя (1-е изд.). Хартфорд, Коннектикут: Американская радиорелейная лига . С. 78–81.
  8. ^ "Сбои MoT" (PDF) . www.railwaysarchive.co.uk . Проверено 29 декабря 2019 .
  9. ^ Кори, BJ; Adamson, C .; Эйнсворт, JD; Freris, LL; Funke, B .; Харрис, Луизиана; Сайкс, JHM (1965). "Глава 2". Преобразователи и системы постоянного тока высокого напряжения . Macdonald & Co. Ltd.
  10. ^ Гулд, Уильям Р. (1992). «Август Уно Ламм» . Памятные дани . 5 . Национальная инженерная академия. DOI : 10.17226 / 1966 . ISBN 978-0-309-04689-3. Проверено 24 августа 2005 года .
  11. ^ Калверли TE, Гаврилович, А. Последний FH, Mott CW, The Кингснорт-Beddington-Willesden DC Link, СИГРЭ сессия, Париж, 1968.
  12. ^ Cogle, TCJ, река Нельсон Проект - Манитоба Hydro эксплуатирует Предарктический гидро энергетических ресурсов, Electrical Review, 23 ноября 1973.
  13. ^ Лондонский транспорт в 1955 году , стр. 43, Управление транспорта Лондона, 1956 OCLC 867841889 
  14. ^ Catford, Ник (27 января 2000). «Белсайз Парк Deep Shelter-SB» . Subterranea Britannica . Архивировано из оригинала 9 мая 2020 года . Дата обращения 9 мая 2020 .
  15. ↑ Энтони Клейтон, Подземный город: Под улицами Лондона , стр. 146, Исторические публикации, 2000 ISBN 0948667699 . 
  16. ^ Проект Гутенберг EBook из энциклопедией телефонии и телеграфии Vol. 1

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Страница АББ об истории передачи постоянного тока высокого напряжения
  • Виртуальный музей коллекционера трубок. Описание ртутных дуговых выпрямителей и дальнейшие ссылки, включая фотографии
  • Иллюстрированная статья 1903 года - Великое электрическое открытие