Válvula de arco de mercurio

Una válvula de arco de mercurio o rectificador de vapor de mercurio o (en el Reino Unido) rectificador de arco de mercurio ^{[ 1 ] [ 2 ]} 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 de cátodo frío lleno de gas , pero es inusual porque el cátodo, en lugar de ser sólido, está hecho de una piscina de mercurio líquido y, por lo tanto, es autorregenerativo. Como resultado, las válvulas de arco de mercurio, cuando se utilizan según lo previsto, son mucho más robustas y duraderas y pueden conducir corrientes mucho mayores que la mayoría de los otros tipos de tubos de descarga de gas. Algunos ejemplos han estado en servicio continuo, rectificando corrientes de 50 amperios , durante décadas.

Inventados en 1902 por Peter Cooper Hewitt , los rectificadores de arco de mercurio se utilizaban para suministrar energía a motores industriales, ferrocarriles eléctricos , tranvías y locomotoras eléctricas , así como a transmisores de radio y a la transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC). Eran el método principal de rectificación de alta potencia antes de la llegada de los rectificadores semiconductores , como los diodos , los tiristores y los tiristores de desconexión por puerta (GTO). Estos rectificadores de estado sólido han sustituido casi por completo a los rectificadores de arco de mercurio gracias a su menor coste, mantenimiento y riesgo ambiental, y a su mayor fiabilidad. ^{[ 3 ]}

En 1882, Jules Jamin y G. Maneuvrier observaron las propiedades rectificadoras de un arco de mercurio. ^{[ 4 ] [ 5 ]} El rectificador de arco de mercurio fue inventado por Peter Cooper Hewitt en 1902 y desarrollado posteriormente durante las décadas de 1920 y 1930 por investigadores tanto en Europa como en Norteamérica. Antes de su invención, la única forma de convertir la corriente alterna (CA) suministrada por las compañías eléctricas a corriente continua (CC) era mediante el uso de convertidores rotativos o grupos electrógenos costosos, ineficientes y que requerían mucho mantenimiento. Los rectificadores o "convertidores" de arco de mercurio se utilizaban para cargar baterías de almacenamiento, sistemas de iluminación de arco , ^{[ 6 ]} los motores de tracción de CC para trolebuses , tranvías y metros, y equipos de galvanoplastia. El rectificador de mercurio se utilizó hasta bien entrada la década de 1970, cuando finalmente fue reemplazado por rectificadores semiconductores .

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

Cuando se forma un arco eléctrico, se emiten electrones desde la superficie del depósito, 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 del depósito mantiene la temperatura del punto de emisión , siempre que se mantenga una corriente de unos pocos amperios.

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

La temperatura de la envoltura 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 viene determinada por el punto más frío de la pared del recinto. 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 aparece de color azul violeta pálido y contiene mucha luz ultravioleta .

La construcción de una válvula de arco de mercurio adopta una de dos formas básicas  : el tipo de bulbo de vidrio y el tipo de tanque de acero. Las válvulas de tanque de acero se utilizaban para corrientes nominales superiores a aproximadamente 500  A.

Válvulas de bulbo de vidrio

El primer tipo de rectificador eléctrico de vapor de mercurio consiste en un bulbo de vidrio al vacío con un depósito de mercurio líquido en el fondo que actúa como cátodo . ^{[ 7 ]} Sobre este bulbo se curva el vidrio, que condensa el mercurio que se evapora durante el funcionamiento del dispositivo. La envoltura de vidrio tiene uno o más brazos con varillas de grafito como ánodos . Su número depende de la aplicación, generalmente con un ánodo por fase. La forma de los brazos del ánodo asegura que cualquier mercurio que se condense en las paredes de vidrio drene rápidamente de vuelta al depósito principal para evitar la formación de una vía conductora entre el cátodo y el ánodo correspondiente.

Los rectificadores de envoltura de vidrio pueden manejar cientos de kilovatios de potencia de corriente continua en una sola unidad. Un rectificador de seis fases con una capacidad nominal 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 contienen varios kilogramos de mercurio líquido. El gran tamaño de la envoltura es necesario 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 del vidrio para condensarse y regresar al cátodo. Algunos tubos de vidrio se sumergieron en un baño de aceite para un mejor control de la temperatura.

La capacidad de conducción 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 fusionados a la envoltura para la conexión de los ánodos y el cátodo. El desarrollo de rectificadores de alta corriente requirió materiales para los cables conductores y vidrio con coeficientes de dilatación térmica muy similares para evitar la entrada de aire en la envoltura. A  mediados de la década de 1930 se lograron corrientes nominales de hasta 500 A, pero la mayoría de los rectificadores para corrientes superiores a esta se fabricaron utilizando el diseño más robusto de tanque de acero.

Válvulas para tanques de acero

Para válvulas de mayor tamaño, se utiliza un tanque de acero con aislantes cerámicos para los electrodos, junto con un sistema de bomba de vacío para contrarrestar las pequeñas fugas de aire que puedan producirse en el tanque debido a sellos imperfectos. Se desarrollaron válvulas con tanque de acero y refrigeración por agua para el tanque, con capacidades de corriente de varios miles de amperios.

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

Modelo seccionado de un rectificador antiguo de tanque de acero de alta tensión con una capacidad nominal de 50  kV y 30  A.

Electrodos de clasificación de ánodos

Las válvulas de arco de mercurio son propensas a un efecto llamado retroceso de arco (o contracorriente ), por el cual la válvula conduce en sentido inverso cuando la tensión aplicada es negativa. Los retrocesos de arco pueden dañar o destruir la válvula, además de generar altas corrientes de cortocircuito en el circuito externo, y son más frecuentes a tensiones elevadas. Un ejemplo de los problemas causados ​​por el retroceso de arco ocurrió en 1960 tras la electrificación del ferrocarril suburbano norte de Glasgow, donde se tuvieron que reintroducir los servicios de vapor después de varios percances. ^{[ 9 ]} Durante muchos años, este efecto limitó la tensión de funcionamiento práctica de las válvulas de arco de mercurio a unos pocos kilovoltios.

Se encontró que la solución era incluir electrodos de gradación entre el ánodo y la rejilla de control, conectados a un circuito divisor externo de resistencia - capacitancia . ^{[ 10 ]} El Dr. Uno Lamm llevó a cabo un trabajo pionero en ASEA en Suecia sobre este problema durante las décadas de 1930 y 1940, lo que condujo 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 la Suecia continental hasta la isla de Gotland en 1954. 

El trabajo de Uno Lamm sobre válvulas de arco de mercurio de alto voltaje lo llevó a ser conocido como el "Padre de la transmisión de energía HVDC" ^{[ 11 ]} e inspiró al IEEE a dedicarle un premio que lleva su nombre, por contribuciones destacadas en el campo de HVDC.

Las válvulas de arco de mercurio con electrodos de calibración de este tipo se desarrollaron para tensiones nominales de hasta 150  kV. Sin embargo, la alta columna de porcelana necesaria para alojar los electrodos de calibración era más difícil de enfriar que el tanque de acero a potencial catódico, por lo que la corriente nominal útil se limitaba a unos 200-300 A por ánodo. Por consiguiente, las válvulas de arco de  mercurio para HVDC se construían a menudo con cuatro o seis columnas de ánodos en paralelo. Las columnas de ánodos siempre se enfriaban por aire, mientras que los tanques de cátodos se enfriaban por agua o por aire.

Los rectificadores monofásicos de arco de mercurio se usaban raramente porque la corriente disminuía y el arco podía extinguirse al cambiar la polaridad de la tensión alterna. La corriente continua producida por un rectificador monofásico contenía, por lo tanto, un componente variable (ondulación) al doble de la frecuencia de la fuente de alimentación , lo cual resultaba indeseable en muchas aplicaciones de CC. La solución consistía en utilizar fuentes de alimentación de CA de dos, tres o incluso seis fases para que la corriente rectificada mantuviera un nivel de tensión más constante. Los rectificadores polifásicos también equilibraban la carga del sistema de alimentación, 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 se conecta al lado positivo de la carga de CC, mientras que el otro lado se conecta a la toma central del devanado secundario del transformador , que siempre permanece a potencial cero con respecto a tierra. Para cada fase de CA, un cable de cada extremo del devanado de esa fase se conecta a un ánodo independiente en el rectificador de arco de mercurio. Cuando la tensión en cada ánodo se vuelve positiva, comienza a conducir a través del vapor de mercurio del cátodo. Como los ánodos de cada fase de CA se alimentan desde 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 sola dirección 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 uniforme. El funcionamiento trifásico mejora la eficiencia del transformador y, al mismo tiempo, proporciona una corriente continua más uniforme, ya que permite que dos ánodos conduzcan simultáneamente. Durante el funcionamiento, el arco se transfiere a los ánodos con el potencial positivo más alto (con respecto al cátodo).

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.

En las aplicaciones de HVDC, se solía utilizar un rectificador de puente trifásico de onda completa o un circuito de puente de Graetz , con cada válvula alojada en un único tanque.

A medida que los rectificadores metálicos 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 mayor voltaje 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 aplicaciones industriales. Entre sus usos se incluían el suministro eléctrico para tranvías, ferrocarriles eléctricos y fuentes de alimentación de voltaje variable para grandes transmisores de radio . Las subestaciones de arco de mercurio se utilizaron para suministrar corriente continua a las antiguas redes eléctricas de tipo Edison 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 baja potencia y bajo voltaje que utilizaban tubos de arco de mercurio.

Varias locomotoras eléctricas, entre ellas la New Haven EP5 y la Virginian EL-C , llevaban a bordo encendedores para rectificar la corriente alterna entrante y convertirla en corriente continua para los motores de tracción.

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, incluyendo el enlace HVDC Inter-Island entre las islas Norte y Sur de Nueva Zelanda y el enlace HVDC Kingsnorth desde la central eléctrica de Kingsnorth hasta Londres . ^{[ 12 ]} Sin embargo, a partir de 1975, los dispositivos de silicio han vuelto obsoletos a los rectificadores de arco de mercurio, incluso en aplicaciones HVDC. Los rectificadores de arco de mercurio más grandes jamás construidos, fabricados por English Electric , tenían una capacidad nominal de 150 kV , 1800 A y se utilizaron hasta 2004 en el proyecto de transmisión de energía de CC de alta tensión del Sistema de Transmisión de CC del Río Nelson . Las válvulas para los proyectos Inter-Island y Kingsnorth utilizaban cuatro columnas de ánodos en paralelo, mientras que las del proyecto del Río Nelson utilizaban seis columnas de ánodos en paralelo para obtener la capacidad de corriente necesaria. ^{[ 13 ]} El enlace interinsular fue el último esquema de transmisión HVDC en funcionamiento que utilizaba válvulas de arco de mercurio. Fue formalmente desmantelado el 1 de agosto de 2012. ^{[ 14 ]} 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 válvulas de arco de mercurio, el enlace HVDC de la isla de Vancouver, fue reemplazado por un enlace de CA trifásico en 2014.  

Las válvulas de arco de mercurio todavía se utilizan en algunas minas de Sudáfrica y en Kenia (en el departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica del Politécnico de Mombasa ).

Las válvulas de arco de mercurio se utilizaron ampliamente en los sistemas de alimentación de CC del metro de Londres , ^{[ 15 ]} y se observó que dos seguían en funcionamiento en el año 2000 en el refugio antiaéreo subterráneo en desuso de Belsize Park . ^{[ 16 ]} Una vez que dejaron de ser necesarios como refugios, Belsize Park y otros refugios subterráneos se utilizaron como almacenes seguros, especialmente para archivos de música y televisión. Esto llevó a que el rectificador de arco de mercurio del refugio de Goodge Street apareciera en un episodio antiguo de Doctor Who como un cerebro alienígena, elegido por su "brillo inquietante". ^{[ 17 ]}

El Museo de Transporte y Tecnología de Auckland (MOTAT) todavía utiliza una válvula de arco de mercurio para suministrar energía al tranvía que transporta a los visitantes entre sus dos sedes. ^{[ 18 ]}

El ascensor de Durie Hill en Whanganui , Nueva Zelanda, utiliza una válvula de arco de mercurio para convertir la corriente alterna en corriente continua y alimentar su motor eléctrico. El ascensor forma parte de la red de transporte público de la ciudad y transporta pasajeros diariamente. ^{[ 19 ]}

Los tipos especiales de rectificadores monofásicos de arco de mercurio son el Ignitron y elExcitron . El excitron es similar a otros tipos de válvulas descritas anteriormente, pero depende fundamentalmente de la existencia de un ánodo de excitación para mantener una descarga de arco durante el semiciclo en el que la válvula no conduce corriente. El ignitron prescinde de los ánodos de excitación al encender el arco cada vez que se requiere iniciar 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" ^{[ 20 ]} describió un amplificador para señales telefónicas que utilizaba un campo magnético para modular un arco en un tubo rectificador de mercurio. Esto nunca tuvo importancia comercial.

Los compuestos de mercurio son tóxicos, altamente persistentes en el medio ambiente y representan un peligro para los seres humanos y el entorno. El uso de grandes cantidades de mercurio en frágiles cápsulas de vidrio conlleva el riesgo de una posible liberación de mercurio al medio ambiente en caso de rotura de la cápsula. Algunas subestaciones convertidoras de HVDC han requerido una limpieza exhaustiva para eliminar los restos de mercurio emitidos durante su vida útil. Los rectificadores de tanque de acero frecuentemente requerían bombas de vacío, que emitían continuamente pequeñas cantidades de vapor de mercurio.