Válvula de arco de mercúrio - Mercury-arc valve

Retificador de mercúrio em exibição no transmissor Beromünster AM na Suíça , antes de ser desativado. Retificador trifásico de onda completa com seis ânodos.

Uma válvula de arco de mercúrio ou retificador de vapor de mercúrio ou retificador de arco de mercúrio (Reino Unido) é um tipo de retificador elétrico usado para converter alta tensão ou corrente alternada de alta corrente (CA) em corrente contínua (CC). É um tipo de tubo cheio de gás catódico frio , mas é incomum porque o catodo, em vez de ser sólido, é feito de uma poça de mercúrio líquido e, portanto, é auto-restaurador. Como resultado, as válvulas de arco de mercúrio eram muito mais resistentes e duráveis ​​e podiam carregar correntes muito mais altas do que a maioria dos outros tipos de tubos de descarga de gás.

Inventados em 1902 por Peter Cooper Hewitt , os retificadores de arco de mercúrio foram usados ​​para fornecer energia para motores industriais, ferrovias elétricas , bondes e locomotivas elétricas , bem como para transmissores de rádio e para transmissão de energia de corrente contínua de alta tensão (HVDC). Eles eram o principal método de retificação de alta potência antes do advento dos retificadores de semicondutores , como diodos , tiristores e tiristores de desligamento de porta (GTOs) na década de 1970. Desde então, esses retificadores de estado sólido substituíram completamente os retificadores a arco de mercúrio, graças à sua maior confiabilidade, menor custo e manutenção e menor risco ambiental.

História

Uma das primeiras lâmpadas de arco de mercúrio construídas por Cooper Hewitt

Em 1882, Jemin e Meneuvrier observaram as propriedades retificadoras de um arco de mercúrio. O retificador de arco de mercúrio foi inventado por Peter Cooper Hewitt em 1902 e posteriormente desenvolvido ao longo das décadas de 1920 e 1930 por pesquisadores na Europa e na América do Norte. Antes de sua invenção, a única maneira de converter a corrente CA fornecida pelas concessionárias em CC era usando conversores rotativos ou conjuntos motor-gerador caros, ineficientes e de alta manutenção . Retificadores de arco de mercúrio ou "conversores" foram usados ​​para carregar baterias de armazenamento, sistemas de iluminação de arco , motores de tração DC para trólebus , bondes e metrôs e equipamentos de galvanoplastia. O retificador de mercúrio foi usado até a década de 1970, quando foi finalmente substituído por retificadores semicondutores .

Princípios operacionais

Retificador de arco de mercúrio com bulbo de vidro da década de 1940

A operação do retificador depende de uma descarga de arco elétrico entre os eletrodos em um envelope lacrado contendo vapor de mercúrio a uma pressão muito baixa. Uma poça de mercúrio líquido atua como um cátodo de auto-renovação que não se deteriora com o tempo. O mercúrio emite elétrons livremente, enquanto os ânodos de carbono emitem poucos elétrons mesmo quando aquecidos, de modo que a corrente de elétrons só pode passar pelo tubo em uma direção, do cátodo para o ânodo, o que permite que o tubo retifique a corrente alternada.

Quando um arco é formado, elétrons são emitidos da superfície da poça, causando ionização do vapor de mercúrio ao longo do caminho em direção aos ânodos. Os íons de mercúrio são atraídos para o cátodo, e o bombardeio iônico resultante da piscina mantém a temperatura do ponto de emissão , enquanto uma corrente de alguns amperes continuar.

Enquanto a corrente é transportada por elétrons, os íons positivos que retornam ao cátodo permitem que o caminho de condução não seja afetado pelos efeitos da carga espacial que limitam o desempenho dos tubos a vácuo . Consequentemente, a válvula pode transportar altas correntes em baixas tensões de arco (normalmente 20–30 V) e, portanto, é um retificador eficiente. Cátodo quente, tubos de descarga de gás como o tiratron também podem atingir níveis semelhantes de eficiência, mas os filamentos de cátodo aquecidos são delicados e têm uma vida útil curta quando usados ​​em alta corrente.

A temperatura do envelope deve ser controlada cuidadosamente, uma vez que o comportamento do arco é determinado em grande parte pela pressão de vapor do mercúrio, que por sua vez é definido pelo ponto mais frio na parede do invólucro. Um projeto típico mantém a temperatura em 40 ° C (104 ° F) e uma pressão de vapor de mercúrio de 7 milipascais .

Os íons de mercúrio emitem luz em comprimentos de onda característicos, cujas intensidades relativas são determinadas pela pressão do vapor. Na baixa pressão dentro de um retificador, a luz parece azul-violeta pálido e contém muita luz ultravioleta .

Construção

A construção de uma válvula de arco de mercúrio assume uma de duas formas básicas - o tipo de bulbo de vidro e o tipo de tanque de aço. Válvulas de tanque de aço foram usadas para classificações de corrente mais altas acima de aproximadamente 500 A.

Válvulas de bulbo de vidro

Uma válvula retificadora de arco de mercúrio com envelope de vidro

O tipo mais antigo de retificador elétrico a vapor de mercúrio consiste em um bulbo de vidro evacuado com uma poça de mercúrio líquido no fundo como cátodo . Sobre ele se curva o bulbo de vidro, que condensa o mercúrio que se evapora durante o funcionamento do aparelho. O envelope de vidro tem um ou mais braços com hastes de grafite como ânodos . Seu número depende da aplicação, com um ânodo normalmente fornecido por fase. A forma dos braços do ânodo garante que qualquer mercúrio que se condense nas paredes de vidro drene de volta para a piscina principal rapidamente para evitar fornecer um caminho condutor entre o cátodo e o respectivo ânodo.

Os retificadores de envelope de vidro podem lidar com centenas de quilowatts de energia de corrente contínua em uma única unidade. Um retificador de seis fases com 150 amperes tem um envelope de vidro de aproximadamente 600 mm (24 polegadas) de altura por 300 mm (12 polegadas) de diâmetro externo. Esses retificadores conterão vários quilos de mercúrio líquido. O tamanho grande do envelope é necessário devido à baixa condutividade térmica do vidro. O vapor de mercúrio na parte superior do envelope deve dissipar o calor através do envelope de vidro para condensar e retornar à poça catódica. Alguns tubos de vidro foram imersos em banho de óleo para melhor controle de temperatura.

A capacidade de condução de corrente de um retificador de lâmpada de vidro é limitada em parte pela fragilidade do envelope de vidro (o tamanho do qual aumenta com a potência nominal) e em parte pelo tamanho dos fios fundidos no envelope de vidro para conexão dos ânodos e cátodo. O desenvolvimento de retificadores de alta corrente exigiu materiais de fio condutor e vidro com coeficientes de expansão térmica muito semelhantes para evitar vazamento de ar no envelope. As classificações de corrente de até 500 A foram alcançadas em meados da década de 1930, mas a maioria dos retificadores para classificações de corrente acima disso foram realizados usando um projeto de tanque de aço mais robusto.

Válvulas de tanque de aço

Para válvulas maiores, um tanque de aço com isoladores de cerâmica para os eletrodos é usado, com um sistema de bomba de vácuo para neutralizar um leve vazamento de ar no tanque em torno das vedações imperfeitas. As válvulas para tanques de aço, com resfriamento de água para o tanque, foram desenvolvidas com classificações de corrente de vários milhares de amperes.

Como as válvulas de bulbo de vidro, as válvulas de arco de mercúrio para tanques de aço foram construídas com apenas um único ânodo por tanque (um tipo também conhecido como excitron ) ou com vários ânodos por tanque. Válvulas de ânodo múltiplo eram geralmente usadas para circuitos retificadores multifásicos (com 2, 3, 6 ou 12 ânodos por tanque), mas em aplicações HVDC, vários ânodos eram frequentemente simplesmente conectados em paralelo para aumentar a corrente nominal.

Modelo de corte do retificador de tanque de aço de alta tensão classificado em 50 kV, 30 A
Modelo de corte do retificador de tanque de aço de alta tensão classificado em 50 kV, 30 A

Partida (ignição)

Um retificador de arco de mercúrio convencional é iniciado por um breve arco de alta tensão dentro do retificador, entre a poça catódica e um eletrodo inicial. O eletrodo de partida é colocado em contato com a piscina e pode passar a corrente por um circuito indutivo. O contato com a piscina é então interrompido, resultando em alta fem e descarga de arco.

O contato momentâneo entre o eletrodo de partida e a piscina pode ser alcançado por uma série de métodos, incluindo:

  • permitir que um eletroímã externo puxe o eletrodo em contato com a piscina; o eletroímã também pode servir como indutância inicial,
  • organizar o eletroímã para inclinar a lâmpada de um pequeno retificador, apenas o suficiente para permitir que o mercúrio da poça alcance o eletrodo inicial,
  • fornecer um pescoço estreito de mercúrio entre duas piscinas e, ao passar uma corrente muito alta em voltagem desprezível, através do pescoço, deslocando o mercúrio por magnetostrição , abrindo assim o circuito,
  • Passagem da corrente para a piscina de mercúrio através de uma faixa bimetálica , que aquece sob a ação de aquecimento da corrente e se curva de forma a interromper o contato com a piscina.

Excitação

Visto que interrupções momentâneas ou reduções da corrente de saída podem causar a extinção do ponto catódico, muitos retificadores incorporam um eletrodo adicional para manter um arco sempre que a planta estiver em uso. Normalmente, uma alimentação de duas ou três fases de alguns amperes passa por pequenos ânodos de excitação . Um transformador desviado magneticamente de algumas centenas de VA é comumente usado para fornecer esta fonte.

Esta excitação ou circuito keep-alive era necessário para retificadores monofásicos como o excitron e para retificadores de arco de mercúrio usados ​​no fornecimento de alta tensão de transmissores de radiotelegrafia , já que o fluxo de corrente era regularmente interrompido toda vez que a chave de Morse era liberada.

Controle de grade

Os retificadores de envelope de vidro e metal podem ter grades de controle inseridas entre o ânodo e o cátodo.

A instalação de uma grade de controle entre o ânodo e o cátodo da piscina permite o controle da condução da válvula, dando assim o controle da tensão média de saída produzida pelo retificador. O início do fluxo de corrente pode ser atrasado além do ponto em que o arco se formaria em uma válvula não controlada. Isso permite que a tensão de saída de um grupo de válvulas seja ajustada atrasando o ponto de disparo e permite que as válvulas de arco de mercúrio controladas formem os elementos de comutação ativos em um inversor, convertendo a corrente contínua em corrente alternada.

Para manter a válvula no estado não condutor, uma polarização negativa de alguns volts ou dezenas de volts é aplicada à grade. Como resultado, os elétrons emitidos pelo cátodo são repelidos para longe da grade, de volta para o cátodo, e assim são impedidos de atingir o ânodo. Com uma pequena polarização positiva aplicada à grade, os elétrons passam através da grade, em direção ao ânodo, e o processo de estabelecer uma descarga de arco pode começar. No entanto, uma vez que o arco tenha sido estabelecido, ele não pode ser interrompido pela ação da grade, porque os íons de mercúrio positivos produzidos pela ionização são atraídos para a grade carregada negativamente e efetivamente a neutralizam. A única maneira de parar a condução é fazer com que o circuito externo force a corrente a cair abaixo de uma corrente crítica (baixa).

Embora as válvulas de arco de mercúrio controladas por grade tenham uma semelhança superficial com as válvulas triodo , as válvulas de arco de mercúrio não podem ser usadas como amplificadores, exceto em valores de corrente extremamente baixos, bem abaixo da corrente crítica necessária para manter o arco.

Eletrodos de classificação de ânodo

Válvulas de arco de mercúrio de design ASEA, com quatro colunas anódicas em paralelo, no esquema HVDC Inter-Island na Nova Zelândia .

Válvulas de arco de mercúrio são propensas a um efeito chamado arco voltaico (ou contra - explosão ), pelo qual a válvula conduz na direção reversa quando a tensão através dela é negativa. Arcbacks podem ser prejudiciais ou destrutivos para a válvula, bem como criar altas correntes de curto-circuito no circuito externo e são mais prevalentes em tensões mais altas. Um exemplo dos problemas causados ​​pelo tiro pela culatra ocorreu em 1960, após a eletrificação da Ferrovia Suburbana do Norte de Glasgow, onde os serviços a vapor tiveram que ser reintroduzidos após vários acidentes. Por muitos anos, esse efeito limitou a tensão operacional prática das válvulas de arco de mercúrio a alguns quilovolts.

A solução encontrada foi incluir eletrodos de classificação entre o ânodo e a grade de controle, conectados a um resistor externo - circuito divisor de capacitor . Dr. Uno Lamm conduziu um trabalho pioneiro na ASEA na Suécia sobre este problema ao longo das décadas de 1930 e 1940, levando à primeira válvula de arco de mercúrio verdadeiramente prática para transmissão HVDC, que foi colocada em serviço no link HVDC de 20 MW, 100 kV do continente Suécia para a ilha de Gotland em 1954.

O trabalho de Uno Lamm em válvulas de arco de mercúrio de alta tensão o levou a ser conhecido como o "Pai da transmissão de energia HVDC" e inspirou o IEEE a dedicar um prêmio com seu nome, por contribuições notáveis ​​no campo de HVDC.

As válvulas de arco de mercúrio com eletrodos de classificação deste tipo foram desenvolvidas para classificações de tensão de 150 kV. No entanto, a coluna de porcelana alta necessária para alojar os eletrodos de classificação era mais difícil de resfriar do que o tanque de aço no potencial do cátodo, então a corrente nominal utilizável foi limitada a cerca de 200–300 A por ânodo. Portanto, as válvulas de arco de mercúrio para HVDC eram frequentemente construídas com quatro ou seis colunas de ânodo em paralelo. As colunas anódicas eram sempre resfriadas a ar, com os tanques catódicos resfriados a água ou a ar.

Circuitos

Os retificadores de arco de mercúrio monofásico raramente eram usados ​​porque a corrente caía e o arco podia ser extinto quando a tensão CA mudava de polaridade. A corrente contínua produzida por um retificador monofásico, portanto, continha um componente variável (ondulação) com o dobro da frequência da fonte de alimentação , o que era indesejável em muitas aplicações para CC. A solução foi usar fontes de alimentação CA de duas, três ou mesmo seis fases , para que a corrente retificada mantivesse um nível de tensão mais constante. Os retificadores polifásicos também equilibraram a carga no sistema de alimentação, o que é desejável por razões de desempenho e economia do sistema.

A maioria das aplicações de válvulas de arco de mercúrio para retificadores usa retificação de onda completa com pares separados de ânodos para cada fase.

Na retificação de onda completa, ambas as metades da forma de onda CA são utilizadas. O cátodo é conectado ao lado + da carga DC, sendo o outro lado conectado à derivação central do enrolamento secundário do transformador , que sempre permanece com potencial zero em relação ao terra ou terra. Para cada fase CA, um fio de cada extremidade desse enrolamento de fase é conectado a um "braço" anódico separado no retificador de arco de mercúrio. Quando a voltagem em cada ânodo se torna positiva, ele começa a conduzir através do vapor de mercúrio do cátodo. Como os ânodos de cada fase CA são alimentados de extremidades opostas do enrolamento do transformador com derivação central, um será sempre positivo em relação à derivação central e ambas as metades da forma de onda CA farão com que a corrente flua em uma direção apenas através da carga. Essa retificação de toda a forma de onda CA é, portanto, chamada de retificação de onda completa .

Com corrente alternada trifásica e retificação de onda completa, seis ânodos foram usados ​​para fornecer uma corrente contínua mais suave. A operação trifásica pode melhorar a eficiência do transformador, bem como fornecer corrente CC mais suave, permitindo que dois ânodos conduzam simultaneamente. Durante a operação, o arco é transferido para os ânodos no maior potencial positivo (em relação ao cátodo).

Retificador trifásico de meia onda com três ânodos e transformador externo
Retificador trifásico de meia onda com três ânodos e transformador externo
Retificador de onda completa trifásico com seis ânodos e transformador externo trifásico com derivação central no lado secundário
Retificador de onda completa trifásico com seis ânodos e transformador externo trifásico com derivação central no lado secundário

Em aplicações HVDC, um retificador de ponte trifásico de onda completa ou circuito de ponte de Graetz era normalmente usado, cada válvula acomodada em um único tanque.

Formulários

Conforme os retificadores de metal de estado sólido se tornaram disponíveis para retificação de baixa tensão na década de 1920, os tubos de arco de mercúrio tornaram-se limitados a aplicações de alta tensão e especialmente de alta potência.

As válvulas de arco de mercúrio foram amplamente utilizadas até a década de 1960 para a conversão de corrente alternada em corrente contínua para grandes usos industriais. As aplicações incluíram fonte de alimentação para bondes, ferrovias elétricas e fontes de alimentação de tensão variável para grandes transmissores de rádio . As estações de arco de mercúrio foram usadas para fornecer energia CC para redes de energia CC no estilo Edison em centros urbanos até os anos 1950. Na década de 1960, os dispositivos de silício de estado sólido , primeiro diodos e depois tiristores , substituíram todas as aplicações de retificadores de baixa potência e baixa tensão de tubos de arco de mercúrio.

Várias locomotivas elétricas, incluindo a New Haven EP5 e a Virginian EL-C , carregavam ignitrons a bordo para retificar a CA de entrada para o motor de tração CC.

Uma válvula de arco de mercúrio de 150 quilovolts e 1800 A na estação conversora de Manitoba Hydro Radisson, agosto de 2003

Um dos últimos grandes usos das válvulas de arco de mercúrio foi na transmissão de energia HVDC, onde foram usadas em muitos projetos até o início dos anos 1970, incluindo a ligação HVDC entre as ilhas entre as Ilhas do Norte e Sul da Nova Zelândia e a ligação HVDC Kingsnorth de Estação de energia de Kingsnorth para Londres . No entanto, a partir de cerca de 1975, os dispositivos de silício tornaram os retificadores de arco de mercúrio amplamente obsoletos, mesmo em aplicações HVDC. Os maiores retificadores de arco de mercúrio de todos os tempos, construídos pela English Electric , foram classificados em 150  kV , 1800 A e foram usados ​​até 2004 no projeto de transmissão de energia CC de alta tensão do Nelson River DC Transmission System . As válvulas para os projetos Inter-Island e Kingsnorth usaram quatro colunas anódicas em paralelo, enquanto as do projeto Nelson River usaram seis colunas anódicas em paralelo para obter a classificação de corrente necessária. A ligação entre as ilhas foi o último esquema de transmissão HVDC em operação usando válvulas de arco de mercúrio. Foi formalmente desativado em 1 de agosto de 2012. As estações conversoras de válvula de arco de mercúrio do esquema da Nova Zelândia foram substituídas por novas estações conversoras de tiristor. Um esquema de válvula de arco de mercúrio semelhante, o link HVDC Vancouver Island foi substituído por um link CA trifásico.

As válvulas de arco de mercúrio permanecem em uso em algumas minas da África do Sul e no Quênia (no Departamento Politécnico de Mombasa - Departamento de Elétrica e Eletrônica).

Válvulas de arco de mercúrio foram usadas extensivamente em sistemas de energia DC no metrô de Londres , e duas ainda estavam em operação em 2000 no abrigo antiaéreo de nível profundo desativado em Belsize Park . Depois de não serem mais necessários como abrigos, o Belsize Park e vários outros abrigos profundos foram usados ​​como armazenamento seguro, especialmente para arquivos de música e televisão. Isso levou ao retificador de arco de mercúrio no abrigo da Goodge Street em um episódio inicial de Doctor Who como um cérebro alienígena, lançado para seu "brilho assustador".

Outras

Tipos especiais de retificadores de arco de mercúrio monofásico são o Ignitron e oExcitron . O Excitron é semelhante a outros tipos de válvula descritos acima, mas depende criticamente da existência de um ânodo de excitação para manter uma descarga de arco durante o meio-ciclo quando a válvula não está conduzindo corrente. O Ignitron dispensa ânodos de excitação acendendo o arco cada vez que a condução é necessária para iniciar. Dessa forma, os ignitrons também evitam a necessidade de grades de controle.

Em 1919, o livro "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1" descreveu um amplificador para sinais telefônicos que usava um campo magnético para modular um arco em um tubo retificador de mercúrio. Isso nunca foi comercialmente importante.

Um amplificador experimental de arco de mercúrio para uso em circuitos telefônicos de longa distância. Ele nunca foi usado comercialmente após o desenvolvimento do tubo de áudio .

Nocivo ao meio ambiente

Os compostos de mercúrio são tóxicos, altamente persistentes no meio ambiente e representam um perigo para os seres humanos e o meio ambiente. O uso de grandes quantidades de mercúrio em envelopes de vidro frágeis apresenta um risco de liberação potencial de mercúrio para o meio ambiente, caso o bulbo de vidro seja quebrado. Algumas estações conversoras HVDC exigiram limpeza extensiva para eliminar vestígios de mercúrio emitido pela estação durante sua vida útil. Os retificadores de tanque de aço freqüentemente exigiam bombas de vácuo, que emitiam continuamente pequenas quantidades de vapor de mercúrio.

Referências

Leitura adicional