Higanyíves szelep - Mercury-arc valve
A higany-ív szelep vagy higanygőz egyenirányító vagy (UK) higany-ív egyenirányító egy olyan típusú elektromos egyenirányító alakításához használt nagy feszültség vagy nagy áram váltakozó áram (AC) való egyenáramú (DC). Ez egyfajta hidegkatódos gázzal töltött cső , de szokatlan abban az értelemben, hogy a katód szilárd helyett folyékony higanymennyiségből készül, és ezért magától helyreáll. Ennek eredményeként a higanyíves szelepek sokkal masszívabbak és tartósabbak voltak, és sokkal nagyobb áramot tudtak szállítani, mint a legtöbb más típusú gázkisülési cső.
Peter Cooper Hewitt által 1902-ben feltalált higany ívű egyenirányítókat használtak áramellátáshoz ipari motorokhoz, elektromos vasutakhoz , villamosokhoz és villamos mozdonyokhoz , valamint rádióadókhoz és nagyfeszültségű egyenáramú (HVDC) áramátvitelhez. Ők voltak a nagy teljesítményű egyenirányítás elsődleges módszerei a félvezető egyenirányítók, például a diódák , tirisztorok és a kaput kikapcsoló tirisztorok (GTO) megjelenése előtt az 1970-es években. Ezek a szilárdtest-egyenirányítók azóta a teljes megbízhatóságuknak, alacsonyabb költségüknek és karbantartásuknak, valamint alacsonyabb környezeti kockázatuknak köszönhetően teljesen felváltották a higany ívű egyenirányítókat.
Történelem
1882-ben Jemin és Meneuvrier megfigyelte a higany ív egyenirányító tulajdonságait. A higanyíves egyenirányítót Peter Cooper Hewitt találta ki 1902-ben, és az 1920-as és 1930-as évek során tovább fejlesztették kutatók Európában és Észak-Amerikában. Megtalálása előtt a közművek által biztosított váltakozó áram DC- vé alakításának egyetlen módja drága, nem hatékony és nagy karbantartást igénylő rotációs konverterek vagy motor-generátor-készletek használata volt. A higany ívű egyenirányítókat vagy "átalakítókat" használták akkumulátorok, ívvilágítási rendszerek, trolibuszok , villamosok és metrók egyenáramú vontató motorjainak és galvanizáló berendezések töltésére . A higany-egyenirányítót jóval az 1970-es években használták, amikor végül félvezető-egyenirányítókkal helyettesítették .
Működési elvek
Az egyenirányító működése az elektródák közötti elektromos ív kisülésen alapszik, zárt burkolatban, amely higanygőzt tartalmaz nagyon alacsony nyomáson. A folyékony higanykészlet önmegújuló katódként működik, amely idővel nem romlik. A higany szabadon bocsát ki elektronokat , míg a szénanódok melegítéskor is nagyon kevés elektronot bocsátanak ki, így az elektronáram a csövön csak egy irányban haladhat át a katódtól az anódig, ami lehetővé teszi a cső számára a váltakozó áram egyenirányítását.
Ív kialakulásakor elektronok bocsátódnak ki a medence felszínéről, ami a higanygőz ionizációját idézi elő az anódok felé vezető úton. A higany -ionok vonzódnak a katód felé, és a kapott ionos bombázását a medence fenntartja a hőmérséklet a kibocsátási helyszínen , mindaddig, amíg a jelenlegi néhány amper folytatódik.
Míg az áramot elektronok szállítják, a katódba visszatérő pozitív ionok lehetővé teszik, hogy a vezetési utat nagyban ne befolyásolják a vákuumcsövek teljesítményét korlátozó űrtöltési hatások . Következésképpen a szelep alacsony áramfeszültség mellett (általában 20–30 V) nagy áramokat képes szállítani , így hatékony egyenirányító. A forró katódos gázkisüléses csövek, mint például a tiratron , szintén hasonló hatékonyságot érhetnek el, de a fűtött katódszálak kényesek és nagy élettartammal rövidek az élettartamuk.
A burkolat hőmérsékletét gondosan ellenőrizni kell, mivel az ív viselkedését nagyrészt a higany gőznyomása határozza meg , amelyet viszont a szekrény falának leghűvösebb pontja állít be. Egy tipikus kialakítás fenntartja a hőmérsékletet 40 ° C (104 ° F) hőmérsékleten és a higanygőz nyomását 7 millipascal .
A higanyionok jellegzetes hullámhosszakon bocsátanak ki fényt, amelyek relatív intenzitását a gőz nyomása határozza meg. Az egyenirányítón belüli alacsony nyomáson a fény halványkék-ibolya színűnek tűnik, és sok ultraibolya fényt tartalmaz .
Építkezés
A higany ívszelep felépítése két alapforma egyikét öleli fel - az üveggömbös és az acéltartályos. Acéltartályos szelepeket használtak nagyobb áramértékekhez, körülbelül 500 A felett.
Üveggömb szelepek
A legkorábbi típusú higanygőz-elektromos egyenirányító egy kiürített üveggumiból áll, amelynek alján folyékony higany-medence található katódként . Átgörbíti az üveg izzót, amely kondenzálja a készülék működése közben elpárologtató higanyt. Az üveg burkolat egy vagy több karral rendelkezik , anódként grafit rudakkal . Számuk az alkalmazástól függ, fázisonként általában egy anódot biztosítanak. Az anódkarok alakja biztosítja, hogy az üvegfalakra kondenzálódó higany gyorsan visszahajtson a fő medencébe, hogy elkerüljék a vezető út kialakulását a katód és a megfelelő anód között.
Az üveg burkolatú egyenirányítók több száz kilowatt egyenáramot képesek egyetlen egységben kezelni. A 150 amperes névleges hatfázisú egyenirányító üvegburkolata körülbelül 600 mm (24 hüvelyk) magas és 300 mm (12 hüvelyk) külső átmérőjű. Ezek az egyenirányítók több kilogramm folyékony higanyt tartalmaznak. A boríték nagy méretére az üveg alacsony hővezető képessége miatt van szükség. A burkolat felső részén lévő higanygőznek el kell engednie a hőt az üvegburkolaton, hogy az kondenzálódjon és visszatérjen a katódtartályba. Néhány üvegcsövet olajfürdőbe merítettek a hőmérséklet jobb szabályozása érdekében.
Az üvegbuborék-egyenirányító áramátviteli kapacitását részben az üvegburkolat törékenysége (amelynek mérete a névleges teljesítmény mellett növekszik), részben pedig az anódok és az üvegburkolathoz beolvasztott vezetékek mérete és katód. A nagyáramú egyenirányítók fejlesztéséhez nagyon hasonló hőtágulási együtthatójú ólomhuzal-anyagok és üveg szükséges, hogy megakadályozzák a levegő szivárgását a burkolatba. Az 1930-as évek közepére elérte az 500 A-ig terjedő névleges értékeket, de az e feletti jelenlegi névleges egyenirányítók többségét a robusztusabb acéltartály-konstrukcióval valósították meg.
Acéltartályos szelepek
Nagyobb szelepek esetén acéltartályt használnak az elektródák kerámiaszigetelőivel, vákuumszivattyús rendszerrel, hogy ellensúlyozzák a tartályba kerülő levegő szivárgását a tökéletlen tömítések körül. Acéltartály-szelepeket fejlesztettek ki a tartály vízhűtésével, több ezer amperes áramerősséggel.
Az üveggömb szelepekhez hasonlóan az acéltartályos higany ívszelepeket is csak anódonként (anélkül is ismert, hogy excitron ) vagy anódonként több anóddal építették . A többfázisú egyenirányító áramkörökhöz általában több anódos szelepeket használtak (tartályonként 2, 3, 6 vagy 12 anóddal), de a HVDC alkalmazásokban gyakran több anódot egyszerűen párhuzamosan csatlakoztattak az áramerősség növelése érdekében.
Indítás (gyújtás)
A hagyományos higany ívű egyenirányítót egy rövid nagyfeszültségű ív indítja el az egyenirányítóban, a katódkészlet és az indító elektróda között. A kiinduló elektródát érintkezésbe hozzák a medencével, és hagyják, hogy az induktív áramkörön keresztül áramot engedjen. Ezután a medencével való érintkezés megszakad, ami magas emf-t és ívkisülést eredményez.
A kiindulási elektróda és a medence közötti pillanatnyi érintkezés számos módszerrel érhető el, beleértve:
- lehetővé teszik egy külső elektromágnes számára, hogy az elektródát érintkezésbe hozza a medencével; az elektromágnes kiindulási induktivitásként is szolgálhat,
- az elektromágnes elrendezése egy kis egyenirányító izzójának megdöntésére, éppen annyi, hogy a medencéből származó higany elérje a kiindulási elektródot,
- keskeny higanynyak biztosítása két medence között, és egy nagyon nagy áram elhanyagolható feszültségen való áthaladásával a nyakon, a higany magnetostrikcióval történő kiszorításával , így nyitva az áramkört,
- Az áram áthaladása a higany-medencébe egy bimetall szalagon keresztül , amely az áram fűtési hatása alatt felmelegszik, és úgy hajlik, hogy megszakítja a medencével való érintkezést.
Gerjesztés
Mivel a kimeneti áram pillanatnyi megszakítása vagy csökkenése a katódfolt kialudását okozhatja, sok egyenirányító beépít egy további elektródot az ív fenntartásához, amikor az üzemet használják. Jellemzően néhány amper két vagy három fázisú tápellátása kis gerjesztő anódokon halad át . Ennek az ellátásnak a biztosítására általában mágneses tolatású, néhány száz VA névleges transzformátort használnak.
Erre a gerjesztő vagy életben tartó áramkörre volt szükség egyfázisú egyenirányítókhoz, például az excitronhoz, és a higany ívű egyenirányítókhoz, amelyeket a rádiótelegráfiai távadók nagyfeszültségű ellátásában használnak , mivel az áram áramlása rendszeresen megszakadt minden egyes Morse-kulcs felengedésekor.
Rácsvezérlés
Az üveg és a fém burkolat-egyenirányítók egyaránt tartalmazhatnak vezérlő rácsokat az anód és a katód között.
Az anód és a medence katód közötti vezérlő rács felszerelése lehetővé teszi a szelep vezetésének vezérlését, ezáltal biztosítva az egyenirányító által előállított átlagos kimeneti feszültség vezérlését. Az áramlás kezdete késleltethető azon a ponton túl, amelyen az ív egy szabályozatlan szelepben képződik. Ez lehetővé teszi egy szelepcsoport kimeneti feszültségének beállítását az égetési pont késleltetésével, és lehetővé teszi a vezérelt higany-íves szelepek számára az inverter aktív kapcsolóelemeinek kialakítását, amelyek egyenáramot váltakozó árammá alakítanak.
A szelep nem vezető állapotában való fenntartása érdekében a rács néhány vagy tíz voltos negatív előfeszítést alkalmaz. Ennek eredményeként a katódból kibocsájtott elektronok a rácstól távol, a katód felé visszaszorulnak, és így megakadályozzák az anód elérését. A rácsra alkalmazott kis pozitív torzítással az elektronok áthaladnak a rácson, az anód felé, és megkezdődhet az ívkisülés létrehozásának folyamata. Az ív megalkotása után azonban rácshatással nem lehet megállítani, mert az ionizáció során keletkező pozitív higanyionok vonzódnak a negatív töltésű rácshoz és hatékonyan semlegesítik azt. A vezetés leállításának egyetlen módja az, hogy a külső áramkört arra kényszerítse, hogy az áram (alacsony) kritikus áram alá csökkenjen.
Bár a rács által vezérelt higany ívszelepek felületesen hasonlítanak a triódszelepekre , a higany íves szelepek nem használhatók erősítőként, kivéve, ha az áram rendkívül alacsony értéke, jóval az ív fenntartásához szükséges kritikus áram alatt van.
Anód osztályozó elektródák
A higany-íves szelepek hajlamosak az úgynevezett ív-vissza (vagy visszacsapás ) hatásra , ahol a szelep fordított irányban vezet, ha a keresztfeszültség negatív. Az ívhátvédek károsak vagy romboló hatásúak lehetnek a szelepre nézve, emellett nagy rövidzárlati áramokat hozhatnak létre a külső áramkörben, és nagyobb feszültségeknél gyakoribbak. A visszaesés okozta problémák egyik példája 1960-ban fordult elő a glasgowi északi elővárosi vasút villamosítása után, ahol a gőzszolgáltatásokat több baleset után újra be kellett vezetni. Ez a hatás hosszú évekig néhány kilovoltra korlátozta a higany ívszelepek gyakorlati üzemi feszültségét.
Megállapítást nyert, hogy az anód és a vezérlőrács között osztályozó elektródákat tartalmaznak, amelyek külső ellenállás - kondenzátor elválasztó áramkörhöz vannak csatlakoztatva. Dr. Uno Lamm úttörő munkát végzett a svédországi ASEA -nál ezen a problémán az 1930-as és 1940-es években, és ez vezetett az első igazán praktikus higany ívszelephez a HVDC átvitelhez, amelyet a szárazföldről érkező 20 MW-os, 100 kV-os HVDC-kapcsolaton állítottak üzembe. Svédországból Gotland szigetére 1954-ben.
Uno Lamm nagyfeszültségű higany-íves szelepeken végzett munkája arra késztette őt, hogy "a HVDC atomerőművének atyja" néven ismerje meg, és arra ösztönözte az IEEE-t, hogy a HVDC területén végzett kiemelkedő hozzájárulásért elnevezze a róla elnevezett díjat.
Az ilyen típusú osztályozó elektródákkal rendelkező higany ívszelepeket 150 kV feszültségig fejlesztették ki. Az osztályozó elektródák elhelyezéséhez szükséges magas porcelán oszlopot azonban nehezebb volt lehűteni, mint a katódpotenciálnál lévő acéltartályt, ezért a használható áramerősség anódonként kb. 200–300 A volt. Ezért a nagyfeszültségű egyenáramú higany ívszelepeket gyakran négy vagy hat anódoszloppal építették párhuzamosan. Az anódoszlopokat mindig léghűtéssel látták el, a katódtartályok pedig vízzel vagy levegővel voltak hűtve.
Áramkörök
Az egyfázisú higany ívű egyenirányítókat ritkán használták, mert az áram lecsökkent, és az ív kialudhatott, amikor a váltakozó feszültség polaritása megváltozott. A egyenáram által termelt egyfázisú egyenirányító így tartalmazott változtatjuk komponens (hullámosság) kétszeresével a tápegység gyakorisága , ami nem kívánatos a sok alkalmazás számára DC. A megoldás két-, három- vagy akár hatfázisú váltakozó áramú tápegységek használata volt, hogy az egyenirányított áram állandóbb feszültségszintet tartson fenn. A többfázisú egyenirányítók kiegyenlítették az ellátórendszer terhelését is, ami a rendszer teljesítménye és gazdaságossága miatt kívánatos.
Az egyenirányítók higany-íves szelepeinek legtöbb alkalmazásában teljes hullámú egyenirányítást alkalmaztak , minden fázishoz külön-külön anódpárral.
A teljes hullámú egyenirányításban az AC hullámforma mindkét felét hasznosítják. A katód az egyenáramú terhelés + oldalához van csatlakoztatva, a másik oldal pedig a transzformátor szekunder tekercsének középső csapjához van csatlakoztatva , amely a talajhoz vagy a földhöz képest mindig nulla potenciálban marad. Az egyes váltakozó áramú fázisokhoz a fázis tekercsének mindkét végéből egy huzal csatlakozik a higany ívű egyenirányító külön anód "karjához". Amikor az egyes anódok feszültsége pozitívvá válik, a katódból származó higanygőzön keresztül kezd vezetni. Mivel az egyes váltakozó áramú fázisok anódjait a középcsapolt transzformátor tekercselésének ellentétes végei táplálják, az egyik mindig pozitív lesz a középső csaphoz képest, és az AC hullámforma mindkét fele az áramot egyetlen irányban áramolja csak a terhelésen keresztül. A teljes AC hullámforma ezen korrekcióját tehát teljes hullámú egyenirányításnak nevezzük .
Háromfázisú váltakozó áramú és teljes hullámú egyenirányítással hat anódot használtak a simább egyenáram biztosításához. A háromfázisú működés javíthatja a transzformátor hatékonyságát, és egyenletesebb egyenáramot biztosít azáltal, hogy két anód egyidejűleg vezet. Működés közben az ív a legnagyobb pozitív potenciálban (a katód tekintetében) átkerül az anódokra.
A HVDC alkalmazások, a teljes hullámú háromfázisú egyenirányító híd vagy Graetz-híd áramkör rendszerint használnak, minden egyes szelep elhelyezésére egy tartályban.
Alkalmazások
Amint az 1920-as években a szilárdtestfém egyenirányítók alacsony feszültségű egyenirányításra váltak elérhetővé, a higany ívcsövek nagyobb feszültségű és különösen nagy teljesítményű alkalmazásokra korlátozódtak.
A higanyíves szelepeket az 1960-as évekig széles körben alkalmazták a váltakozó áram egyenárammá történő átalakítására nagy ipari felhasználásra. Az alkalmazások magukban foglalták a villamosok, az elektromos vasutak tápellátását és a változó feszültségű tápegységeket a nagy rádióadókhoz . A higany ívű állomásokat egyenáramú energia biztosítására használták a régi városokban található Edison stílusú egyenáramú hálózatok számára az 1950-es évekig. Az 1960 - as években szilárdtest szilícium készülékek, először diódák , majd tirisztorok váltották fel a higany ívcsövek összes alacsonyabb teljesítményű és alacsonyabb feszültségű egyenirányító alkalmazását.
Számos elektromos mozdony, köztük a New Haven EP5 és a virginiai EL-C , a fedélzeten ignitronokat szállított, hogy kijavítsa a vontató motor egyenáramát.
A higany ívszelepek egyik legfőbb felhasználása a HVDC erőátvitelben volt, ahol az 1970-es évek elejéig számos projektben alkalmazták őket, ideértve az Új-Zéland északi és déli szigetei közötti HVDC-szigetek közötti kapcsolatot és a HVDC Kingsnorth- összeköttetést. Kingsnorth erőmű a London . Körülbelül 1975-től a szilíciumberendezések a higany ívű egyenirányítókat nagyrészt elavulttá tették, még a HVDC alkalmazásokban is. A valaha volt legnagyobb higany ívű egyenirányítókat, amelyeket az English Electric épített , 150 kV , 1800 A névleges értékre állítottak , és 2004-ig a Nelson River DC átviteli rendszer nagyfeszültségű egyenáramú áramátviteli projektjében használták. Az Inter-Island és a Kingsnorth projekt szelepei négy anódoszlopot használtak párhuzamosan, míg a Nelson folyó projektjei hat anódoszlopot használtak párhuzamosan a szükséges áramérték elérése érdekében. A szigetek közötti kapcsolat volt az utolsó HVDC átviteli séma, amely higany ívszelepeket használt. Hivatalosan 2012. augusztus 1-jén bontották le. Az új-zélandi rendszer higany ívszelep-átalakító állomásait új tirisztor-átalakító állomások váltották fel. Hasonló higany ívszelepes sémát, a HVDC Vancouver-szigetet háromfázisú váltóárammal helyettesítették.
A higany ívszelepek továbbra is használatban vannak néhány dél-afrikai bányában és Kenyában (a Mombasa Polytechnic - Elektromos és elektronikus részlegnél).
A higany ívszelepeket széles körben alkalmazták a londoni metró egyenáramú áramellátó rendszerében , és 2000-ben még mindig megfigyelték, hogy kettő működött a Belsize Parkban lévő használaton kívüli mélyrepülőhelyen . Miután már nem volt szükségük menedékhelyekre, a Belsize Parkot és számos más mélyszállót használtak biztonságos tárolónak, különösen a zene és a televízió archívumai számára. Ez a Goodge utcai menedékház higanyíves egyenirányítójához vezetett, amely a Doctor Who mint idegen agy egyik korai epizódjában szerepelt a "kísérteties ragyogása" miatt.
Mások
Az egyfázisú higanyíves egyenirányítók speciális típusai az Ignitron és azExcitron . Az Excitron hasonló a fent leírt más típusú szelepekhez, de kritikusan függ egy gerjesztő anód létezésétől, amely fenntartja az ív kisülését a fél ciklus alatt, amikor a szelep nem vezet áramot. Az Ignitron gerjesztő anódokat ad ki azáltal, hogy minden esetben meggyújtja az ívet, amikor a vezetés megkezdődik. Ily módon a ignitronok elkerülik az ellenőrző rácsok szükségességét is.
1919-ben, a könyv „Cyclopedia telefónia & távírásról Vol. 1” leírt egy erősítő számára telefon jelek, hogy a használt mágneses mezőt, hogy modulálják egy ív egy higanyt egyenirányító cső. Ez soha nem volt kereskedelmi szempontból fontos.
Környezeti veszély
A higanyvegyületek mérgezőek, nagyon perzisztensek a környezetben, és veszélyt jelentenek az emberre és a környezetre. Nagy mennyiségű higany törékeny üvegburkolatokban történő felhasználása veszélyezteti a higany környezetbe történő esetleges kibocsátását, ha az üveg izzótörés megtörténik. Néhány HVDC átalakító állomás átfogó tisztítást igényelt az állomás élettartama alatt kibocsátott higanynyomok megszüntetésére. Az acéltartály-egyenirányítókhoz gyakran vákuumszivattyúkra volt szükség, amelyek folyamatosan kis mennyiségű higanygőzt bocsátottak ki.
Hivatkozások
További irodalom
- ABB oldal a nagyfeszültségű egyenáram-átvitel történetéről
- A Csőgyűjtő Virtuális Múzeum. A higanyív-egyenirányítók és további kapcsolatok leírása, fényképekkel együtt
- 1903-as illusztrált cikk - Nagy elektromos felfedezés
- Az 50 éves higanyív-egyenirányító tesztelése - videó kapcsolási rajzokkal, közeli nézetekkel, a működés magyarázatával