Válvula de arco de mercurio - Mercury-arc valve

Rectificador de mercurio en exhibición en el transmisor Beromünster AM en Suiza , antes de ser dado de baja. Rectificador trifásico de onda completa con seis ánodos.

Una válvula de arco de mercurio o un rectificador de vapor de mercurio o un rectificador de arco de mercurio (Reino Unido) es un tipo de rectificador eléctrico que se utiliza para convertir corriente alterna (CA) de alto voltaje o alta corriente en corriente continua (CC). Es un tipo de tubo lleno de gas de cátodo frío , pero es inusual porque el cátodo, en lugar de ser sólido, está hecho de una piscina de mercurio líquido y, por lo tanto, se restaura automáticamente. Como resultado, las válvulas de arco de mercurio eran mucho más resistentes y duraderas, y podían transportar corrientes mucho más altas que la mayoría de los otros tipos de tubos de descarga de gas.

Inventado en 1902 por Peter Cooper Hewitt , los rectificadores de arco de mercurio se utilizaron para proporcionar energía a motores industriales, ferrocarriles eléctricos , tranvías y locomotoras eléctricas , así como para transmisores de radio y para transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC). Fueron el método principal de rectificación de alta potencia antes de la llegada de los rectificadores de semiconductores , como diodos , tiristores y tiristores de apagado de compuerta (GTO) en la década de 1970. Desde entonces, estos rectificadores de estado sólido han reemplazado por completo a los rectificadores de arco de mercurio gracias a su mayor confiabilidad, menor costo y mantenimiento y menor riesgo ambiental.

Historia

Una de las primeras bombillas de arco de mercurio construidas por Cooper Hewitt

En 1882 Jemin y Meneuvrier observaron las propiedades rectificadoras de un arco de mercurio. El rectificador de arco de mercurio fue inventado por Peter Cooper Hewitt en 1902 y desarrollado durante las décadas de 1920 y 1930 por investigadores de Europa y América del Norte. Antes de su invención, la única forma de convertir la corriente CA proporcionada por las empresas de servicios públicos en CC era mediante el uso de convertidores rotativos o conjuntos motor-generador costosos, ineficientes y de alto mantenimiento . Los rectificadores o "convertidores" de arco de mercurio se utilizaron para cargar baterías de almacenamiento, sistemas de iluminación de arco , motores de tracción de CC para trolebuses , tranvías y subterráneos, y equipos de galvanoplastia. El rectificador de mercurio se utilizó hasta bien entrada la década de 1970, cuando finalmente fue reemplazado por rectificadores semiconductores .

Principios de operacion

Rectificador de arco de mercurio con bombilla de vidrio de la década de 1940

El funcionamiento del rectificador se basa en una descarga de arco eléctrico entre electrodos en un sobre sellado que contiene vapor de mercurio a muy baja presión. Un charco de mercurio líquido actúa como un cátodo autorrenovable que no se deteriora con el tiempo. El mercurio emite electrones libremente, mientras que los ánodos de carbono emiten muy pocos electrones incluso cuando se calienta, por lo que la corriente de electrones solo puede pasar a través del tubo en una dirección, del cátodo al ánodo, lo que permite que el tubo rectifique la corriente alterna.

Cuando se forma un arco, se emiten electrones desde la superficie de la piscina, lo que provoca la ionización del vapor de mercurio a lo largo del camino hacia los ánodos. Los iones de mercurio son atraídos hacia el cátodo y el bombardeo iónico resultante de la piscina mantiene la temperatura del punto de emisión , siempre que continúe una corriente de unos pocos amperios.

Si bien la corriente es transportada por electrones, los iones positivos que regresan al cátodo permiten que la ruta de conducción no se vea afectada en gran medida por los efectos de carga espacial que limitan el rendimiento de los tubos de vacío . En consecuencia, la válvula puede transportar altas corrientes a bajos voltajes de arco (típicamente 20–30 V) y, por lo tanto, es un rectificador eficiente. Los tubos de descarga de gas de cátodo caliente, como el tiratrón , también pueden alcanzar niveles similares de eficiencia, pero los filamentos de cátodo calentado son delicados y tienen una vida útil corta cuando se utilizan a alta corriente.

La temperatura de la envolvente debe controlarse cuidadosamente, ya que el comportamiento del arco está determinado en gran medida por la presión de vapor del mercurio, que a su vez se establece en el punto más frío de la pared de la envolvente. Un diseño típico mantiene la temperatura a 40 ° C (104 ° F) y una presión de vapor de mercurio de 7 milipascales .

Los iones de mercurio emiten luz en longitudes de onda características, cuyas intensidades relativas están determinadas por la presión del vapor. A baja presión dentro de un rectificador, la luz parece azul violeta pálido y contiene mucha luz ultravioleta .

Construcción

La construcción de una válvula de arco de mercurio toma una de dos formas básicas: el tipo de bulbo de vidrio y el tipo de tanque de acero. Se utilizaron válvulas de tanque de acero para valores nominales de corriente superiores a aproximadamente 500 A.

Válvulas de bulbo de vidrio

Una válvula rectificadora de arco de mercurio con envoltura de vidrio

El primer tipo de rectificador eléctrico de vapor de mercurio consiste en un bulbo de vidrio al vacío con un charco de mercurio líquido en el fondo como cátodo . Sobre ella se curva el bulbo de vidrio, que condensa el mercurio que se evapora mientras funciona el dispositivo. La envoltura de vidrio tiene uno o más brazos con varillas de grafito como ánodos . Su número depende de la aplicación, normalmente se proporciona un ánodo por fase. La forma de los brazos del ánodo asegura que cualquier mercurio que se condense en las paredes de vidrio drene hacia la piscina principal rápidamente para evitar proporcionar una ruta conductora entre el cátodo y el ánodo respectivo.

Los rectificadores de envolvente de vidrio pueden manejar cientos de kilovatios de corriente continua en una sola unidad. Un rectificador de seis fases con clasificación de 150 amperios tiene una envoltura de vidrio de aproximadamente 600 mm (24 pulgadas) de alto por 300 mm (12 pulgadas) de diámetro exterior. Estos rectificadores contendrán varios kilogramos de mercurio líquido. Se requiere el gran tamaño del sobre debido a la baja conductividad térmica del vidrio. El vapor de mercurio en la parte superior de la envoltura debe disipar el calor a través de la envoltura de vidrio para condensarse y regresar a la piscina de cátodos. Algunos tubos de vidrio se sumergieron en un baño de aceite para controlar mejor la temperatura.

La capacidad de transporte de corriente de un rectificador de bulbo de vidrio está limitada en parte por la fragilidad de la envoltura de vidrio (cuyo tamaño aumenta con la potencia nominal) y en parte por el tamaño de los cables fundidos en la envoltura de vidrio para la conexión de los ánodos y cátodo. El desarrollo de rectificadores de alta corriente requirió materiales de alambre de plomo y vidrio con coeficientes de expansión térmica muy similares para evitar fugas de aire en la envolvente. A mediados de la década de 1930 se lograron valores nominales de corriente de hasta 500 A, pero la mayoría de los rectificadores para valores nominales de corriente superiores a este se realizaron utilizando el diseño de tanque de acero más robusto.

Válvulas de tanque de acero

Para válvulas más grandes, se utiliza un tanque de acero con aisladores cerámicos para los electrodos, con un sistema de bomba de vacío para contrarrestar una pequeña fuga de aire hacia el tanque alrededor de los sellos imperfectos. Las válvulas de tanque de acero, con refrigeración por agua para el tanque, se desarrollaron con valores de corriente de varios miles de amperios.

Al igual que las válvulas de bulbo de vidrio, las válvulas de arco de mercurio de tanque de acero se construyeron con un solo ánodo por tanque (un tipo también conocido como excitrón ) o con múltiples ánodos por tanque. Las válvulas de ánodos múltiples se usaban generalmente para circuitos rectificadores multifásicos (con 2, 3, 6 o 12 ánodos por tanque) pero en aplicaciones HVDC, los ánodos múltiples a menudo se conectaban simplemente en paralelo para aumentar la corriente nominal.

Modelo recortado de un rectificador de tanque de acero de alto voltaje con clasificación de 50 kV, 30 A
Modelo recortado de un rectificador de tanque de acero de alto voltaje con clasificación de 50 kV, 30 A

Arranque (encendido)

Un rectificador de arco de mercurio convencional se pone en marcha mediante un breve arco de alto voltaje dentro del rectificador, entre el grupo de cátodos y un electrodo de arranque. El electrodo de arranque se pone en contacto con la piscina y se deja pasar la corriente a través de un circuito inductivo. Luego se rompe el contacto con la piscina, lo que resulta en una alta fem y una descarga de arco.

El contacto momentáneo entre el electrodo de inicio y la piscina se puede lograr mediante varios métodos, que incluyen:

  • permitir que un electroimán externo tire del electrodo para que entre en contacto con la piscina; el electroimán también puede servir como inductancia de arranque,
  • disponer el electroimán para inclinar la bombilla de un pequeño rectificador, lo suficiente para permitir que el mercurio de la piscina llegue al electrodo de arranque,
  • proporcionando un estrecho cuello de mercurio entre dos piscinas, y haciendo pasar una corriente muy alta a un voltaje insignificante a través del cuello, desplazando el mercurio por magnetostricción , abriendo así el circuito,
  • Pasar la corriente al charco de mercurio a través de una tira bimetálica , que se calienta bajo la acción calefactora de la corriente y se dobla de tal forma que rompe el contacto con el charco.

Excitación

Dado que las interrupciones o reducciones momentáneas de la corriente de salida pueden hacer que la mancha del cátodo se extinga, muchos rectificadores incorporan un electrodo adicional para mantener un arco siempre que la planta esté en uso. Normalmente, un suministro de dos o tres fases de unos pocos amperios pasa a través de pequeños ánodos de excitación . Un transformador derivado magnéticamente de unos pocos cientos de VA se usa comúnmente para proporcionar este suministro.

Este circuito de excitación o mantenimiento era necesario para los rectificadores monofásicos como el excitrón y para los rectificadores de arco de mercurio utilizados en el suministro de alto voltaje de los transmisores de radiotelegrafía , ya que el flujo de corriente se interrumpía regularmente cada vez que se soltaba la tecla Morse .

Control de cuadrícula

Tanto los rectificadores de envolvente de vidrio como los de metal pueden tener rejillas de control insertadas entre el ánodo y el cátodo.

La instalación de una rejilla de control entre el ánodo y el cátodo de la piscina permite controlar la conducción de la válvula, dando control de la tensión de salida media producida por el rectificador. El inicio del flujo de corriente se puede retrasar más allá del punto en el que se formaría el arco en una válvula no controlada. Esto permite que la tensión de salida de un grupo de válvulas se ajuste retrasando el punto de disparo, y permite que las válvulas de arco de mercurio controladas formen los elementos de conmutación activos en un inversor que convierte la corriente continua en corriente alterna.

Para mantener la válvula en el estado no conductor, se aplica a la red una polarización negativa de unos pocos voltios o decenas de voltios. Como resultado, los electrones emitidos por el cátodo son repelidos fuera de la rejilla, de vuelta hacia el cátodo, y así se evita que lleguen al ánodo. Con una pequeña polarización positiva aplicada a la rejilla, los electrones pasan a través de la rejilla, hacia el ánodo, y puede comenzar el proceso de establecer una descarga de arco. Sin embargo, una vez que se ha establecido el arco, no se puede detener mediante la acción de la rejilla, porque los iones de mercurio positivos producidos por la ionización son atraídos hacia la rejilla cargada negativamente y la neutralizan efectivamente. La única forma de detener la conducción es hacer que el circuito externo fuerce la corriente a caer por debajo de una corriente crítica (baja).

Aunque las válvulas de arco de mercurio controladas por rejilla tienen un parecido superficial con las válvulas de triodo , las válvulas de arco de mercurio no pueden usarse como amplificadores excepto a valores de corriente extremadamente bajos, muy por debajo de la corriente crítica necesaria para mantener el arco.

Electrodos de clasificación de ánodos

Válvulas de arco de mercurio de diseño ASEA, con cuatro columnas de ánodo en paralelo, en el esquema HVDC Interinsular en Nueva Zelanda .

Válvulas de arco de mercurio son propensos a un efecto llamado de arco hacia atrás (o retorno de llama ), con lo que las conductas de válvula en la dirección inversa cuando el voltaje a través de ella es negativo. Los retrocesos de arco pueden ser dañinos o destructivos para la válvula, además de crear altas corrientes de cortocircuito en el circuito externo y son más frecuentes en voltajes más altos. Un ejemplo de los problemas causados ​​por el retroceso ocurrió en 1960 después de la electrificación del ferrocarril suburbano del norte de Glasgow, donde los servicios de vapor tuvieron que reintroducirse después de varios contratiempos. Durante muchos años, este efecto limitó el voltaje operativo práctico de las válvulas de arco de mercurio a unos pocos kilovoltios.

Se descubrió que la solución consistía en incluir electrodos de clasificación entre el ánodo y la rejilla de control, conectados a un circuito divisor de condensador y resistor externo . El Dr. Uno Lamm realizó un trabajo pionero en ASEA en Suecia sobre este problema durante las décadas de 1930 y 1940, lo que dio lugar a la primera válvula de arco de mercurio verdaderamente práctica para la transmisión HVDC, que se puso en servicio en el enlace HVDC de 20 MW y 100 kV desde el continente. Suecia a la isla de Gotland en 1954.

El trabajo de Uno Lamm en válvulas de arco de mercurio de alto voltaje lo llevó a ser conocido como el "Padre de la transmisión de potencia HVDC" e inspiró al IEEE a dedicar un premio que lleva su nombre, por sus destacadas contribuciones en el campo de HVDC.

Las válvulas de arco de mercurio con electrodos de clasificación de este tipo se desarrollaron hasta valores nominales de voltaje de 150 kV. Sin embargo, la columna de porcelana alta requerida para albergar los electrodos de clasificación era más difícil de enfriar que el tanque de acero al potencial de cátodo, por lo que la corriente nominal utilizable se limitó a aproximadamente 200-300 A por ánodo. Por lo tanto, las válvulas de arco de mercurio para HVDC a menudo se construían con cuatro o seis columnas de ánodo en paralelo. Las columnas de ánodo siempre se enfriaron por aire, y los tanques de cátodos se enfriaron por agua o por aire.

Circuitos

Los rectificadores de arco de mercurio monofásicos rara vez se usaban porque la corriente caía y el arco podía extinguirse cuando el voltaje de CA cambiaba de polaridad. Por tanto, la corriente continua producida por un rectificador monofásico contenía un componente variable (ondulación) al doble de la frecuencia de la fuente de alimentación , lo que no era deseable en muchas aplicaciones de CC. La solución fue utilizar fuentes de alimentación de CA de dos, tres o incluso seis fases para que la corriente rectificada mantuviera un nivel de voltaje más constante. Los rectificadores polifásicos también equilibran la carga en el sistema de suministro, lo cual es deseable por razones de rendimiento y economía del sistema.

La mayoría de las aplicaciones de válvulas de arco de mercurio para rectificadores utilizaban rectificación de onda completa con pares de ánodos separados para cada fase.

En la rectificación de onda completa se utilizan ambas mitades de la forma de onda de CA. El cátodo está conectado al lado + de la carga de CC, el otro lado está conectado a la toma central del devanado secundario del transformador , que siempre permanece a potencial cero con respecto a tierra o tierra. Para cada fase de CA, un cable de cada extremo de ese devanado de fase se conecta a un "brazo" de ánodo separado en el rectificador de arco de mercurio. Cuando el voltaje en cada ánodo se vuelve positivo, comenzará a conducir a través del vapor de mercurio del cátodo. Como los ánodos de cada fase de CA se alimentan desde los extremos opuestos del devanado del transformador con toma central, uno siempre será positivo con respecto a la toma central y ambas mitades de la forma de onda de CA harán que la corriente fluya en una dirección solo a través de la carga. Esta rectificación de toda la forma de onda de CA se denomina rectificación de onda completa .

Con corriente alterna trifásica y rectificación de onda completa, se utilizaron seis ánodos para proporcionar una corriente continua más suave. El funcionamiento trifásico puede mejorar la eficiencia del transformador y proporcionar una corriente CC más uniforme al permitir que dos ánodos conduzcan simultáneamente. Durante la operación, el arco se transfiere a los ánodos en el potencial positivo más alto (con respecto al cátodo).

Rectificador trifásico de media onda con tres ánodos y transformador externo
Rectificador trifásico de media onda con tres ánodos y transformador externo
Rectificador trifásico de onda completa con seis ánodos y transformador externo trifásico con toma central en el lado secundario
Rectificador trifásico de onda completa con seis ánodos y transformador externo trifásico con toma central en el lado secundario

En aplicaciones de HVDC, generalmente se usaba un puente rectificador trifásico de onda completa o un circuito puente Graetz , cada válvula alojada en un solo tanque.

Aplicaciones

A medida que los rectificadores de metal de estado sólido estuvieron disponibles para la rectificación de bajo voltaje en la década de 1920, los tubos de arco de mercurio se limitaron a aplicaciones de voltaje más alto y especialmente de alta potencia.

Las válvulas de arco de mercurio se utilizaron ampliamente hasta la década de 1960 para la conversión de corriente alterna en corriente continua para grandes usos industriales. Las aplicaciones incluyeron suministro de energía para tranvías, ferrocarriles eléctricos y suministros de energía de voltaje variable para transmisores de radio grandes . Las estaciones de arco de mercurio se utilizaron para proporcionar energía de CC a las redes eléctricas de CC de estilo Edison heredadas en los centros urbanos hasta la década de 1950. En la década de 1960, los dispositivos de silicio de estado sólido , primero diodos y luego tiristores , reemplazaron todas las aplicaciones rectificadoras de menor potencia y menor voltaje de los tubos de arco de mercurio.

Varias locomotoras eléctricas, incluidas la New Haven EP5 y la Virginian EL-C , llevaban encendedores a bordo para rectificar la CA entrante a la CC del motor de tracción.

Una válvula de arco de mercurio de 150 kilovoltios y 1800 amperios en la estación convertidora Radisson de Manitoba Hydro , agosto de 2003

Uno de los últimos usos importantes de las válvulas de arco de mercurio fue en la transmisión de energía HVDC, donde se utilizaron en muchos proyectos hasta principios de la década de 1970, incluido el enlace entre islas HVDC entre las islas del norte y sur de Nueva Zelanda y el enlace HVDC Kingsnorth de Central eléctrica de Kingsnorth a Londres . Sin embargo, a partir de 1975, los dispositivos de silicio han hecho que los rectificadores de arco de mercurio sean en gran parte obsoletos, incluso en aplicaciones HVDC. Los rectificadores de arco de mercurio más grandes de la historia, construidos por English Electric , tenían una potencia de 150  kV , 1800 A y se utilizaron hasta 2004 en el proyecto de transmisión de energía de CC de alto voltaje del sistema de transmisión de CC de Nelson River . Las válvulas de los proyectos Inter-Island y Kingsnorth utilizaron cuatro columnas de ánodo en paralelo, mientras que las del proyecto del río Nelson utilizaron seis columnas de ánodo en paralelo para obtener la corriente nominal necesaria. El enlace entre islas fue el último esquema de transmisión HVDC en funcionamiento que utiliza válvulas de arco de mercurio. Se dio de baja oficialmente el 1 de agosto de 2012. Las estaciones convertidoras de válvulas de arco de mercurio del esquema de Nueva Zelanda fueron reemplazadas por nuevas estaciones convertidoras de tiristores. Un esquema similar de válvula de arco de mercurio, el enlace HVDC de la isla de Vancouver fue reemplazado por un enlace de CA trifásico.

Las válvulas de arco de mercurio siguen utilizándose en algunas minas de Sudáfrica y Kenia (en el Departamento de Electricidad y Electrónica del Politécnico de Mombasa ).

Las válvulas de arco de mercurio se utilizaron ampliamente en los sistemas de energía de CC en el metro de Londres , y se observó que dos todavía estaban en funcionamiento en 2000 en el refugio antiaéreo de nivel profundo en desuso en Belsize Park . Después de que ya no fueran necesarios como refugios, Belsize Park y varios otros refugios profundos se utilizaron como almacenamiento seguro, en particular para archivos de música y televisión. Esto llevó al rectificador de arco de mercurio en el refugio de Goodge Street que aparece en un episodio temprano de Doctor Who como un cerebro extraterrestre, elegido por su "brillo espeluznante".

Otros

Los tipos especiales de rectificadores de arco de mercurio monofásicos son el Ignitron y elExcitron . El Excitron es similar a otros tipos de válvula descritos anteriormente, pero depende fundamentalmente de la existencia de un ánodo de excitación para mantener una descarga de arco durante el semiciclo cuando la válvula no conduce corriente. El Ignitron prescinde de los ánodos de excitación encendiendo el arco cada vez que se requiere que comience la conducción. De esta forma, los ignitrones también evitan la necesidad de rejillas de control.

En 1919, el libro "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1" describió un amplificador para señales telefónicas que usaba un campo magnético para modular un arco en un tubo rectificador de mercurio. Esto nunca fue comercialmente importante.

Un amplificador de arco de mercurio experimental para su uso en circuitos telefónicos de larga distancia. Nunca se utilizó comercialmente después del desarrollo del tubo de audio .

Riesgo ambiental

Los compuestos de mercurio son tóxicos, muy persistentes en el medio ambiente y representan un peligro para los seres humanos y el medio ambiente. El uso de grandes cantidades de mercurio en frágiles sobres de vidrio presenta un riesgo de posible liberación de mercurio al medio ambiente en caso de que se rompa la ampolla de vidrio. Algunas estaciones convertidoras de HVDC han requerido una limpieza exhaustiva para eliminar los rastros de mercurio emitidos por la estación durante su vida útil. Los rectificadores de tanque de acero requerían con frecuencia bombas de vacío, que continuamente emitían pequeñas cantidades de vapor de mercurio.

Referencias

Otras lecturas