수은 아크 밸브

Mercury-arc valve
수은 정류기는 해체되기 전 스위스의 베로문스터 AM 송신기에 전시되어 있다.6개의 양극이 있는 3상 전파 정류기.

수은 아크 밸브 또는 수은 증기 정류기 또는 (영국) 수은 아크 정류기는[1][2] 고전압 또는 고전류 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 데 사용되는 전기 정류기의 일종입니다.냉음극 가스 충전 튜브의 한 종류이지만, 음극이 고체 대신 액체 수은 풀로 만들어졌기 때문에 자가 복구가 가능하다는 점에서 특이합니다.그 결과, 수은 아크 밸브는 훨씬 더 견고하고 오래 지속되었으며 대부분의 다른 유형의 가스 방전관보다 훨씬 높은 전류를 전달할 수 있었습니다.

1902년 Peter Cooper Hewitt에 의해 발명된 수은 아크 정류기는 산업용 모터, 전기 철도, 노면 전차 및 전기 기관차에 전력을 공급하고 무선 송신기와 고전압 직류(HVDC) 동력 전송을 위해 사용되었습니다.1970년대 다이오드, 사이리스터 및 게이트 오프 사이리스터(GTO)와 같은 반도체 정류기가 등장하기 전에는 고출력 정류의 주요 방법이었다.이러한 고체 정류기는 높은 신뢰성, 낮은 비용 및 유지 보수 및 낮은 환경 [3]위험 덕분에 수은 아크 정류기를 완전히 대체했습니다.

역사

쿠퍼 휴이트가 만든 최초의 수은 아크 전구 중 하나

1882년 Jemin과 Menuvrier는 수은 아크의 [4]정류 특성을 관찰했다.수은 아크 정류기는 1902년 피터 쿠퍼 휴이트에 의해 발명되었고 유럽과 북미의 연구자들에 의해 1920년대와 1930년대에 걸쳐 더욱 개발되었다.발명 이전에는 전력회사가 제공하는 AC전류를 DC로 변환하는 유일한 방법은 고가의 비효율적이고 유지보수가 많은 로터리 컨버터 또는 모터-발전기 세트를 사용하는 것이었습니다.수은-아크 정류기 또는 "컨버터"는 축전지 충전, 아크 조명 시스템,[5] 트롤리버스, 전차 및 지하철용 DC 견인 모터, 전기 도금 장비에 사용되었습니다.수은 정류기는 1970년대 반도체 정류기로 대체될 때까지 잘 사용되었다.

동작 원리

1940년대 유리구 수은 아크 정류기

정류기의 작동은 매우 낮은 압력에서 수은 증기를 포함하는 밀폐된 엔벨로프 내의 전극 사이의 전기 아크 방전에 의존합니다.액체 수은 풀은 시간이 지나도 변질되지 않는 자기 재생 음극 역할을 합니다.수은은 자유롭게 전자를 방출하는 반면 탄소 양극은 가열되어도 매우 적은 전자를 방출하기 때문에 전자의 전류는 음극에서 양극으로 한 방향으로만 튜브를 통과할 수 있으며, 이는 튜브가 교류 전류를 교정할 수 있게 해줍니다.

아크가 형성되면 풀의 표면에서 전자가 방출되어 양극으로 향하는 경로를 따라 수은 증기가 이온화됩니다.수은 이온은 음극 쪽으로 끌어당기고, 그 결과 풀의 이온 충격은 몇 암페어의 전류가 지속되는 한 방출 지점의 온도를 유지합니다.

전류가 전자에 의해 전달되는 동안 음극으로 돌아오는 양이온은 진공관의 성능을 제한하는 공간 전하 효과의 영향을 크게 받지 않도록 합니다.따라서 밸브는 낮은 아크 전압(일반적으로 20~30V)에서 높은 전류를 전달할 수 있으며 효율적인 정류기도 됩니다.티라트론과 같은 열음극 가스 방전 튜브도 비슷한 수준의 효율을 달성할 수 있지만 가열된 음극 필라멘트는 섬세하고 고전류에서 사용할 경우 작동 수명이 짧습니다.

아크의 거동은 주로 수은의 증기 압력에 의해 결정되며, 수은은은 인클로저 벽의 가장 차가운 지점에 의해 설정되기 때문에 엔벨로프의 온도를 신중하게 제어해야 합니다.일반적인 설계에서는 온도를 40°C(104°F)로 유지하고 수은 증기 압력을 7밀리파스칼로 유지합니다.

수은 이온은 특유의 파장에서 빛을 방출하며, 상대적인 강도는 증기의 압력에 의해 결정됩니다.정류기 내의 저압에서는 빛이 옅은 청자색으로 보이며 자외선을 많이 포함합니다.

건설

수은 아크 밸브의 구조는 유리 벌브 타입과 강철 탱크 타입의 두 가지 기본 형태 중 하나를 취합니다.강철 탱크 밸브는 약 500A 이상의 높은 전류 정격을 위해 사용되었습니다.

유리 밸브

유리봉투형 수은정류 밸브

가장 초기의 수은 증기 정류기는 진공 유리 전구로 구성되어 있으며 액체 수은 풀이 [6]음극으로 바닥에 있습니다.그 위로 유리 전구가 휘어지며, 이 전구는 장치가 작동하면서 증발되는 수은을 응축됩니다.유리 봉투에는 양극으로 흑연 막대가 있는 하나 이상의 암이 있습니다.그 수는 애플리케이션에 따라 다르며, 보통 위상당 1개의 양극이 제공됩니다.양극 암의 모양은 유리벽에 응축된 수은이 메인 풀로 빠르게 배출되도록 하여 음극과 각 양극 사이에 전도 경로를 제공하지 않도록 합니다.

유리 엔벨로프 정류기는 단일 장치에서 수백 킬로와트의 직류 전력을 처리할 수 있습니다.6상 정류기 정격 150암페어에는 높이 약 600mm(24인치)x 외경 약 300mm(12인치)의 유리 엔벨로프가 있습니다.이 정류기들은 수 킬로그램의 액체 수은을 포함할 것이다.유리의 열전도율이 낮기 때문에 봉투의 크기가 커야 합니다.엔벨로프 상부의 수은 증기는 응축되어 음극 풀로 돌아가려면 유리 엔벨로프를 통해 열을 방출해야 합니다.일부 유리관은 온도를 더 잘 조절하기 위해 오일 욕조에 담갔다.

유리 밸브 정류기의 통전 용량은 부분적으로 유리 엔벨로프의 취약성(정격 전력에 따라 크기가 증가함)과 부분적으로 양극과 음극 연결을 위해 유리 엔벨로프에 융합된 와이어의 크기에 의해 제한됩니다.고전류 정류기의 개발에는 외피로의 공기 누출을 방지하기 위해 열팽창 계수가 매우 유사한 리드선 재료와 유리가 필요했습니다.1930년대 중반까지 최대 500A의 전류 정격을 달성했지만, 이를 초과하는 전류 정격을 위한 대부분의 정류기는 보다 견고한 강철-탱크 설계를 사용하여 실현되었습니다.

강철 탱크 밸브

대형 밸브의 경우 전극용 세라믹 절연체가 있는 강철 탱크가 사용되며, 진공 펌프 시스템은 불완전한 씰 주위의 탱크 내부 공기 누출에 대응합니다.수냉 장치가 있는 강철 탱크 밸브는 수천 암페어의 전류 정격으로 개발되었습니다.

유리 벌브 밸브와 마찬가지로 강철 탱크 수은 아크 밸브는 탱크당 하나의 양극(excitron이라고도 하는 유형) 또는 탱크당 여러 개의 양극으로 제작되었습니다.다상 정류 회로(탱크당 2, 3, 6, 또는 12개의 양극 포함)에는 다상 양극 밸브가 일반적으로 사용되었지만, HVDC 애플리케이션에서는 전류 정격을 높이기 위해 여러 양극을 단순하게 병렬로 연결하는 경우가 많았다.

Cut-away model of early high-voltage steel-tank rectifier rated at 50 kV, 30 A
정격 50kV, 30A의 초기 고압강-탱크 정류기 컷어웨이

시작(점화)

기존의 수은아크 정류기는 정류기 내의 짧은 고전압 아크로 음극 풀과 시동 전극 사이에서 기동된다.시동 전극이 풀과 접촉하여 유도 회로를 통해 전류를 흐르게 합니다.풀장과의 접점이 끊어지고, 그 결과 높은 전류와 아크 방전이 발생합니다.

시동 전극과 풀 사이의 순간 접촉은 다음을 포함한 여러 가지 방법으로 달성할 수 있습니다.

  • 외부 전자석이 전극을 풀과 접촉시킬 수 있습니다. 전자석은 시동 인덕턴스 역할도 할 수 있습니다.
  • 풀의 수은이 시동 전극에 도달할 수 있을 정도로만 소형 정류기의 전구를 기울이도록 전자석을 배치한다.
  • 두 풀 사이에 좁은 수은의 목 부분을 형성하고, 목 부분에 무시해도 될 정도의 전압으로 매우 높은 전류를 흘려 자기저항으로 수은을 대체함으로써 회로를 개방한다.
  • 전류가 바이메탈 스트립을 통해 수은 풀로 흐르면 전류가 가열되어 풀과의 접촉이 끊어지도록 구부러집니다.

들뜨다

순간적인 출력 전류 중단 또는 감소로 인해 음극 스팟이 꺼질 수 있으므로, 많은 정류기에는 발전소가 사용될 때마다 아크를 유지하기 위한 추가 전극이 포함되어 있습니다.일반적으로 몇 암페어의 2상 또는 3상 공급은 작은 여자 양극을 통과합니다.이 전원 공급에는 일반적으로 수백 VA 정격의 자기 셔드 변압기가 사용됩니다.

이 들뜸 또는 keep-alive 회로는 들뜸과 같은 단상 정류기와 무선전파 송신기의 고전압 공급에 사용되는 수은-아크 정류기에 필요했습니다.이는 모르스 키를 [7]놓을 때마다 전류가 정기적으로 중단되었기 때문입니다.

그리드 제어

유리 및 금속 엔벨로프 정류기는 양극과 음극 사이에 삽입된 제어 그리드를 가질 수 있다.

양극과 풀캐소드 사이에 제어 그리드를 설치하면 밸브의 전도를 제어할 수 있으며, 이에 따라 정류기에 의해 생성되는 평균출력전압을 제어할 수 있다.전류 흐름의 시작은 제어되지 않은 밸브에서 아크가 형성되는 지점을 지나 지연될 수 있습니다.이를 통해 발화점을 지연시켜 밸브 그룹의 출력 전압을 조정할 수 있으며 제어된 수은 아크 밸브가 직류를 교류로 변환하는 인버터에 능동 스위칭 소자를 형성할 수 있습니다.

밸브를 비전도 상태로 유지하기 위해 그리드에 몇 볼트 또는 수십 볼트의 음의 바이어스가 적용됩니다.그 결과 음극에서 방출되는 전자는 그리드로부터 멀리 떨어져 음극으로 역류하여 양극에 도달하는 것을 방지할 수 있다.그리드에 작은 양의 바이어스가 적용되면 전자는 그리드를 통과하여 양극을 향해 흐르며 아크 방전을 확립하는 프로세스를 시작할 수 있습니다.그러나 아크가 확립되면 그리드 작용으로 막을 수 없다. 왜냐하면 이온화에 의해 생성된 양의 수은 이온화가 음전하를 띤 그리드에 끌어당겨 효과적으로 중화시키기 때문이다.전도를 정지하는 유일한 방법은 외부 회로가 전류를 (낮은) 임계 전류 아래로 강제적으로 떨어뜨리는 것입니다.

그리드 제어 수은 아크 밸브는 표면적으로는 3극 밸브와 유사하지만 수은 아크 밸브는 아크를 유지하는 데 필요한 임계 전류보다 훨씬 낮은 전류 값을 제외하고는 증폭기로 사용할 수 없습니다.

양극 정지 전극

뉴질랜드의 HVDC 섬 간 체계에서 4개의 양극 기둥이 병렬로 있는 ASEA 설계의 수은 아크 밸브.

수은 아크 밸브는 아크 백(또는 백파이어)이라고 불리는 영향을 받기 쉬우며, 아크 백(또는 백파이어) 밸브의 전압이 음의 경우 밸브가 역방향으로 전도합니다.아크백은 밸브를 손상시키거나 파괴할 수 있을 뿐만 아니라 외부 회로에 높은 단락 전류를 발생시킬 수 있으며 높은 전압에서 더 많이 발생합니다.역화에 의해 야기된 문제의 한 예는 1960년 글래스고 노스 교외 철도의 전철화 이후에 발생하였으며, 이 철도는 여러 가지 [8]사고 후에 증기 서비스를 다시 도입해야 했습니다.수년간 이러한 효과는 수은 아크 밸브의 실제 작동 전압을 몇 킬로볼트로 제한했다.

해결책은 외부 저항 캐패시터 [9]분배 회로에 연결된 양극과 제어 그리드 사이의 정격 전극을 포함하는 것으로 밝혀졌다.Uno Lamm 박사는 1930년대와 1940년대에 걸쳐 스웨덴 ASEA에서 이 문제에 대한 선구적인 연구를 수행하였고, 1954년 스웨덴 본토에서 고틀란드 섬으로 연결되는 20MW, 100kV HVDC에서 실제로 실용적인 HVDC 송전용 수은 아크 밸브를 처음으로 가동하게 되었습니다.

고전압 수은 아크 밸브에 대한 Uno Lamm의 연구는 그를 "HVDC의 아버지"로[10] 알려지게 했고 IEEE가 HVDC 분야에서 탁월한 공헌을 한 그의 이름을 딴 상을 수여하도록 영감을 주었습니다.

이 유형의 등급 전극을 가진 수은 아크 밸브가 최대 150 kV 정격 전압까지 개발되었습니다.그러나 등급 전극을 수용하는 데 필요한 높은 자기 기둥은 음극 전위의 강철 탱크보다 냉각이 어려웠기 때문에 사용 가능한 전류 정격은 양극당 약 200~300A로 제한되었습니다.따라서 HVDC를 위한 수성 아크 밸브는 종종 4개 또는 6개의 양극 기둥을 병렬로 구성되었다.양극 기둥은 항상 공랭식이었고 음극 탱크는 수냉식 또는 공랭식이었다.

회선

단상 수은 아크 정류기는 AC 전압이 극성을 바꾸면 전류가 떨어지고 아크가 꺼질 수 있기 때문에 거의 사용되지 않았습니다.따라서 단상 정류기에 의해 생성되는 직류에는 전원 공급기의 2배의 주파수로 다양한 성분(파급)이 포함되어 있어 DC의 많은 어플리케이션에서는 바람직하지 않았습니다.해결책은 2상, 3상 또는 6상 AC 전원장치를 사용하여 정류된 전류가 보다 일정한 전압 레벨을 유지하는 것이었습니다.다상 정류기는 또한 공급 시스템의 부하를 균형 있게 조정했으며, 이는 시스템 성능 및 경제성을 위해 바람직합니다.

정류기용 수은-아크 밸브의 대부분의 적용은 각 상마다 별도의 양극 쌍이 있는 전파 정류를 사용했다.

전파 정류에서는 AC 파형의 양쪽 반이 사용됩니다.음극은 DC 부하의 + 측에 연결되고 다른 쪽은 변압기 2차 권선의 중앙 탭에 연결되며, 이는 접지 또는 접지에 대해 항상 0 전위를 유지합니다.각 AC상에서는, 그 상 권선의 양단으로부터의 와이어가 수은-아크 정류기의 별개의 양극 「암」에 접속됩니다.각 양극의 전압이 양수가 되면 음극에서 나오는 수은 증기를 통해 전도되기 시작합니다.각 AC 상 양극은 중앙 탭 변압기 권선의 반대쪽 끝에서 공급되므로 중앙 탭과 관련하여 항상 양극이 되고 AC 파형의 양쪽 절반은 부하를 통해서만 전류가 한 방향으로 흐르게 됩니다.따라서 전체 AC 파형의 정류를 전파 정류라고 합니다.

3상 교류 및 전파 정류에서는 6개의 양극을 사용하여 보다 부드러운 직류를 제공했습니다.3상 작동은 2개의 양극이 동시에 전도되도록 함으로써 변압기의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 보다 부드러운 직류 전류를 제공할 수 있습니다.작동 중에는 아크가 양극으로 가장 높은 양의 전위(음극에 대하여)로 전달됩니다.

Three-phase half-wave rectifier with three anodes and external transformer
3개의 양극과 외부 변압기가 있는 3상 반파 정류기
Three-phase full-wave rectifier with six anodes and three-phase external transformer with centre-tap on secondary side
6개의 양극이 있는 3상 전파 정류기 및 2차 측 센터 탭이 있는 3상 외부 변압기

HVDC 어플리케이션에서는 보통 전파 3상 브리지 정류기 또는 Graetz-bridge 회로가 사용되었으며, 각 밸브는 단일 탱크에 수용되었습니다.

적용들

1920년대에 솔리드 스테이트 금속 정류기가 저전압 정류에 사용 가능하게 되면서 수은 아크 튜브는 더 높은 전압, 특히 고출력 용도로 제한되었습니다.

수은 아크 밸브는 1960년대까지 대규모 산업용 교류 전류를 직류 전류로 변환하기 위해 널리 사용되었다.적용 분야에는 노면 전차, 전기 철도, 대형 무선 송신기용 가변 전압 전원 공급 장치가 포함되었습니다.수은 아크 발전소는 1950년대까지 도심에 있는 레거시 에디슨식 DC 전력망에 DC 전력을 공급하기 위해 사용되었다.1960년대에는 처음에는 다이오드, 다음에는 사이리스터 등 고체 실리콘 소자가 수은 아크 튜브의 저전력 및 저전압 정류기 응용 프로그램을 대체했습니다.

뉴헤이븐 EP5와 버진리언 EL-C를 포함한 몇몇 전기 기관차는 들어오는 AC를 트랙션 모터 DC에 고정하기 위해 점화기를 탑재했다.

Manitoba Hydro's Radson 컨버터 스테이션의 150킬로볼트, 1800암페어 수은 아크 밸브, 2003년 8월

수은 아크 밸브의 마지막 주요 용도 중 하나는 HVDC 송전이었고, 1970년대 초까지 수은 아크 밸브는 뉴질랜드의 북섬과 남섬 사이의 HVDC 인터아일랜드 링크와 킹스북스 발전소에서 [11]런던으로 연결되는 HVDC 킹스 링크 등 많은 프로젝트에 사용되었다.그러나 1975년경부터 실리콘 소자로 인해 수은 아크 정류기는 HVDC 용도에서도 거의 사용되지 않게 되었습니다.잉글리시 일렉트릭사가 제작한 역대 최대 수은아크 정류기는 150kV, 1800A로 2004년까지 넬슨 리버 DC 송전 시스템 고압 DC 송전 프로젝트에서 사용되었습니다.Inter-Island 및 Kingsnorth 프로젝트의 밸브는 4개의 양극 기둥을 병렬로 사용했고, Nelson River 프로젝트의 밸브는 필요한 전류 [12]정격을 얻기 위해 6개의 양극 기둥을 병렬로 사용했습니다.섬 간 링크는 수은 아크 밸브를 사용하여 작동 중인 마지막 HVDC 전송 방식이었다.2012년 8월 1일 공식적으로 해체되었다.뉴질랜드 계획의 수은 아크 밸브 컨버터 스테이션은 새로운 사이리스터 컨버터 스테이션으로 대체되었다.비슷한 수은 아크 밸브 방식인 HVDC 밴쿠버 아일랜드 링크는 3상 AC 링크로 대체되었습니다.

수은 아크 밸브는 일부 남아프리카 광산 및 케냐(Mombasa Polytechnical - Electric & Electronic Department)에서 계속 사용되고 있습니다.

수은 아크 밸브는 런던 [13]지하의 DC 전원 시스템에서 광범위하게 사용되었으며, 2000년 벨사이즈 [14]파크의 사용되지 않는 심층 방공호에서 두 개가 여전히 작동 중인 것으로 관측되었다.그들이 더 이상 대피소로 필요하지 않게 된 후, 벨사이즈 공원과 몇몇 다른 깊은 대피소는 특히 음악과 텔레비전 기록 보관소를 위한 안전한 저장고로 사용되었다.이로 인해 굿지 스트리트 대피소의 수은아크 정류기는 닥터후가 외계인 뇌로 등장해 "괴상한 빛"[15]을 내는 것으로 이어졌다.

다른이들

단상 수은 아크 정류기의 특수 유형은 이그니트론과 이그니트론입니다.엑시트론Excitron은 위에서 설명한 다른 유형의 밸브와 유사하지만 밸브가 전류를 통하지 않을 때 반주기 동안 아크 방전을 유지하는 여자 양극의 존재에 매우 의존합니다.이그니트론은 전도를 시작해야 할 때마다 아크를 점화하여 여자 양극을 방출합니다.이러한 방식으로 점화기는 제어 그리드의 필요성을 피할 수 있습니다.

1919년, "Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1"[16]은 수은 정류관의 아크를 변조하기 위해 자기장을 사용하는 전화 신호 증폭기를 묘사했다.이것은 결코 상업적으로 중요하지 않았다.

장거리 전화 회선에 사용되는 실험용 수은 아크 앰프입니다.오디오 튜브 개발 이후 상업적으로 사용되지 않았습니다.

환경 유해성

수은 화합물은 독성이 있고, 환경에 매우 오래 지속되며, 인간과 환경에 위험을 준다.깨지기 쉬운 유리 봉투에 대량의 수은을 사용하면 유리 전구가 파손될 경우 환경에 수은이 방출될 수 있습니다.일부 HVDC 컨버터 스테이션은 사용 수명 동안 스테이션에서 배출되는 수은의 흔적을 제거하기 위해 광범위한 청소가 필요했습니다.강철 탱크 정류기는 소량의 수은 증기를 지속적으로 방출하는 진공 펌프가 자주 필요했습니다.

레퍼런스

  1. ^ 영국 맨체스터, Emmott and Company, 전기 연감 1937, 페이지 180-185
  2. ^ 리식, H. 수성-아크 전류 변환기, 피트만 1941년
  3. ^ "History IEEE Power & Energy Magazine". magazine.ieee-pes.org. Retrieved 17 January 2017.
  4. ^ Power Electronics. January 2004. ISBN 9788120323964.
  5. ^ I.C.S. 참조 도서관 제4B권, 국제 교과서 회사, Scranton PA 1908, 섹션 53, 34페이지.
  6. ^ Howatson A H (1965). "8". An Introduction to Gas Discharges. Oxford: Pergamon Press. ISBN 0-08-020575-5.
  7. ^ Francis Edward Handy (1926). The Radio Amateur's Handbook (1st ed.). Hartford, CT: American Radio Relay League. pp. 78–81.
  8. ^ "MoT Failures" (PDF). www.railwaysarchive.co.uk. Retrieved 2019-12-29.
  9. ^ Cory, B.J.; Adamson, C.; Ainsworth, J.D.; Freris, L.L.; Funke, B.; Harris, L.A.; Sykes, J.H.M. (1965). "Chapter 2". High voltage direct current converters and systems. Macdonald & Co. Ltd.
  10. ^ Gould, William R. (1992). "August Uno Lamm". Memorial Tributes. Vol. 5. National Academy of Engineering. doi:10.17226/1966. ISBN 978-0-309-04689-3. Retrieved August 24, 2005.
  11. ^ Calverley T.E., Gavrilovic, A., Last F.H., Mott C.W., The Kingsnorth-Beddington-Willesden DC Link, CIGRE 세션, 파리, 1968.
  12. ^ 코글, T.C.J, 넬슨 강 프로젝트 - 매니토바 수력 개발, 아북극 수력 자원 개발, Electric Review, 1973년 11월 23일.
  13. ^ 1955년 London Transport, 43페이지, London Transport Executive, 1956년 OCLC 867841889
  14. ^ Catford, Nick (27 January 2000). "Belsize Park Deep Shelter-sb". Subterranea Britannica. Archived from the original on 9 May 2020. Retrieved 9 May 2020.
  15. ^ 안토니 클레이튼, 지하도시: 런던 거리 아래, 146쪽, 역사 출판물, 2000 ISBN 0948667699.
  16. ^ Cyclopedia of Telephony & Telegraphy 1권 프로젝트 구텐베르크 EBook

추가 정보

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