Higanyíves szelep - Mercury-arc valve

A higany-egyenirányító a svájci Beromünster AM adóban látható , leszerelés előtt. Háromfázisú teljes hullámú egyenirányító hat anóddal.

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

Az egyik első higany ív, amelyet Cooper Hewitt épített

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- 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

Üveg-izzó higany-íves egyenirányító az 1940-es évekből

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

Üveg burkolatú higany ívű egyenirányító szelep

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.

50 kV, 30 A névleges korai nagyfeszültségű acéltartályú egyenirányító levágott modellje
50 kV, 30 A névleges korai nagyfeszültségű acéltartályú egyenirányító levágott modellje

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

Higany ívszelepek ASEA kivitelben, négy anódoszloppal párhuzamosan, az új-zélandi HVDC-szigetek közötti rendszerben .

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.

Háromfázisú félhullámú egyenirányító három anóddal és külső transzformátorral
Háromfázisú félhullámú egyenirányító három anóddal és külső transzformátorral
Háromfázisú teljes hullámú egyenirányító hat anóddal és háromfázisú külső transzformátor, középső csapolással a szekunder oldalon
Háromfázisú teljes hullámú egyenirányító hat anóddal és háromfázisú külső transzformátor, középső csapolással a szekunder oldalon

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.

150 kilovoltos , 1800 amperes higanyíves szelep a Manitoba Hydro Radisson átalakító állomásán, 2003. augusztus

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.

Kísérleti higany íverősítő nagy távolságú telefon áramkörökhöz. Az audion cső kifejlesztése után soha nem használták kereskedelmi forgalomban .

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