수은 아크 밸브

수은 아크 밸브(mercury-arc valve) 또는 수은 증기 정류기(mercury-vapor rectifier)Electrical Year Book 1937, Emmott and Company, Manchester, England, pp 180-185Rissik, H., Mercury-Arc Current Converters, Pitman. 1941.는 전기 설비에서 교류를 직류로 변환하는 데 사용되는 진공관 형태의 정류기이다. 고전압과 고전류를 취급할 수 있는 냉음극 방전관이며, 음극이 고체가 아닌 액체 수은으로 만들어져 자체 복원된다는 점이 특이하다. 결과적으로 정상적으로 사용될 시 대부분의 방전관보다 훨씬 견고하고 내구성이 뛰어나며 훨씬 높은 전류를 흘릴 수 있다. 수십 년 동안 50암페어 전류를 정류하며 지속적으로 사용된 예가 있다.

1902년 피터 쿠퍼 휴잇이 발명하였으며 산업용 모터, 전기 철도, 노면전차, 전기 기관차에 전력을 공급하였고, 무선 송신기 및 초고압직류송전 (HVDC)에도 사용되었다. 이는 반도체 정류기, 예를 들어 다이오드, 사이리스터 및 게이트 턴 오프 사이리스터 (GTO)가 등장하기 전까지 고전력 정류의 주요 방법이었다. 이러한 솔리드 스테이트 정류기는 더 낮은 비용, 유지보수, 환경 위험, 그리고 더 높은 신뢰성 덕분에 수은 아크 정류기를 거의 완전히 대체했다.

 역사 

1882년 쥘 자민과 G. Maneuvrier는 수은 아크의 정류 특성을 관찰했다.Reaction Current of the Electric Arc, Comptes rendus de l'Académie des Sciences, vol. 94, p. 1615, June 19, 1882, English translation in The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Volume 14, 1882 - Issue 86, p. 154 - 157. 수은 아크 정류기는 1902년 피터 쿠퍼 휴잇에 의해 발명되었으며, 1920년대와 1930년대에 걸쳐 유럽과 북미의 연구자들에 의해 더욱 발전되었다. 발명되기 전에는 전력 회사가 제공하는 AC 전류를 DC로 변환하는 유일한 방법은 값비싸고 비효율적이며 유지보수가 많이 드는 회전 변환기 또는 모터-발전기 세트를 사용하는 것이었다. 수은 아크 정류기 또는 "변환기"는 축전지 충전, 호광등 시스템,I.C.S. Reference Library volume 4B, International Textbook Company, Scranton PA 1908, section 53, page 34. 트롤리버스, 노면전차, 지하철의 DC 견인 모터, 그리고 전기 도금 장비에 사용되었다. 수은 정류기는 1970년대까지 사용되었고, 마침내 반도체 정류기로 대체되었다.

 작동 원리 

정류기의 작동은 매우 낮은 압력의 수은 증기를 포함하는 밀봉된 엔벨로프 내부의 전극들 사이에서 발생하는 아크 방전에 의존한다. 액체 수은 풀은 시간 경과에 따라 성능이 저하되지 않는 자체 재생 캐소드 역할을 한다. 수은은 전자를 자유롭게 방출하는 반면, 탄소 애노드는 가열될 때도 전자를 거의 방출하지 않으므로, 전자의 전류는 캐소드에서 애노드 방향으로만 튜브를 통과할 수 있어 튜브가 교류를 정류할 수 있다.

아크가 형성되면 풀 표면에서 전자가 방출되어 애노드 방향으로 수은 증기의 이온화를 유발한다. 수은 이온은 캐소드 쪽으로 끌어당겨지고, 이로 인한 풀에 대한 이온 충격은 몇 암페어의 전류가 계속 흐르는 한 방출 지점의 온도를 유지한다.

전류는 전자에 의해 전달되지만, 캐소드로 돌아오는 양이온은 진공관의 성능을 제한하는 공간 전하 효과에 의해 전도 경로가 크게 영향을 받지 않도록 한다. 결과적으로 밸브는 낮은 아크 전압(일반적으로 20–30 V)에서 높은 전류를 전달할 수 있으므로 효율적인 정류기이다. 사이리스터와 같은 열음극, 가스 방전관도 비슷한 효율 수준을 달성할 수 있지만, 가열된 캐소드 필라멘트는 섬세하고 고전류에서 사용될 때 작동 수명이 짧다.

아크의 거동은 주로 수은의 증기 압력에 의해 결정되며, 이는 다시 인클로저 벽의 가장 차가운 지점에 의해 설정되므로 엔벨로프의 온도를 신중하게 제어해야 한다. 일반적인 설계에서는 온도를 로 유지하고 수은 증기 압력을 7 밀리파스칼로 유지한다.

수은 이온은 특성 파장에서 빛을 방출하며, 그 상대적인 강도는 증기 압력에 의해 결정된다. 정류기 내부의 낮은 압력에서는 빛이 옅은 청자색으로 보이며 많은 자외선을 포함한다.

 구조 
수은 아크 밸브의 구조는 두 가지 기본 형태, 즉 유리 전구형과 강철 탱크형 중 하나를 따른다. 강철 탱크형 밸브는 대략 500 A 이상의 더 높은 전류 정격에 사용되었다.

 유리 전구 밸브 

초기 형태의 수은 증기 정류기는 바닥에 액체 수은 풀이 캐소드로 앉아 있는 진공 유리 전구로 구성된다. 그 위로 유리 전구가 구부러져 장치가 작동하면서 증발하는 수은을 응축시킨다. 유리 엔벨로프에는 애노드로 흑연 막대가 있는 하나 이상의 암이 있다. 그 수는 응용 분야에 따라 다르며, 일반적으로 위상당 하나의 애노드가 제공된다. 애노드 암의 모양은 유리 벽에 응축되는 모든 수은이 주 풀로 신속하게 다시 배수되어 캐소드와 해당 애노드 사이에 전도성 경로를 제공하는 것을 방지한다.

유리 엔벨로프 정류기는 단일 장치에서 수백 킬로와트의 직류 전력을 처리할 수 있다. 정격 150암페어의 6상 정류기는 높이 약 600 mm (24 인치), 외경 300 mm (12 인치)의 유리 엔벨로프를 가지고 있다. 이 정류기에는 몇 킬로그램의 액체 수은이 포함되어 있다. 엔벨로프의 큰 크기는 유리의 낮은 열전도율 때문에 필요하다. 엔벨로프 상부의 수은 증기는 응축되어 캐소드 풀로 돌아가기 위해 유리 엔벨로프를 통해 열을 방출해야 한다. 일부 유리관은 온도를 더 잘 제어하기 위해 오일 욕조에 담겨 있었다.

유리 전구 정류기의 전류 용량은 부분적으로 유리 엔벨로프의 취약성(정격 전력에 따라 크기가 증가)과 애노드 및 캐소드 연결을 위해 유리 엔벨로프에 융합된 철사의 크기에 의해 제한된다. 고전류 정류기 개발에는 엔벨로프 내부로 공기가 누출되는 것을 방지하기 위해 매우 유사한 열팽창 계수를 가진 리드선 재료와 유리가 필요했다. 1930년대 중반까지 최대 500 A의 전류 정격이 달성되었지만, 이보다 높은 전류 정격의 대부분의 정류기는 더 견고한 강철 탱크 설계로 실현되었다.

 강철 탱크 밸브 
더 큰 밸브의 경우, 전극용 세라믹 절연체가 있는 강철 탱크가 사용되며, 불완전한 밀봉 주위의 탱크로의 미세한 공기 누출을 방지하기 위한 진공 펌프 시스템이 함께 사용된다. 탱크에 물 냉각이 적용된 강철 탱크 밸브는 수천 암페어의 전류 정격으로 개발되었다.

유리 전구 밸브와 마찬가지로 강철 탱크 수은 아크 밸브는 탱크당 단일 애노드(엑시트론으로도 알려짐) 또는 탱크당 여러 애노드를 사용하여 제작되었다. 여러 애노드 밸브는 일반적으로 다상 정류기 회로(탱크당 2, 3, 6 또는 12개의 애노드)에 사용되었지만, HVDC 애플리케이션에서는 전류 정격을 높이기 위해 여러 애노드가 단순히 병렬로 연결되는 경우가 많았다.

 시작 (점화) 
일반적인 수은 아크 정류기는 정류기 내부의 캐소드 풀과 시작 전극 사이에서 발생하는 짧은 고전압 아크에 의해 시작된다. 시작 전극은 풀과 접촉하여 유도 회로를 통해 전류를 통과시킨다. 그런 다음 풀과의 접촉이 끊어지면서 높은 기전력과 아크 방전이 발생한다.

시작 전극과 풀 사이의 순간적인 접촉은 다음과 같은 여러 방법으로 달성될 수 있다.
 외부 전자석이 전극을 풀과 접촉하도록 당기도록 허용한다. 전자석은 시작 유도자로도 사용될 수 있다.
 전자석을 배열하여 작은 정류기 전구를 기울여 풀의 수은이 시작 전극에 닿도록 한다.
 두 풀 사이에 좁은 수은 목을 제공하고, 목을 통해 무시할 수 있는 전압으로 매우 높은 전류를 통과시켜 자기변형에 의해 수은을 변위시켜 회로를 개방한다.
 전류의 가열 작용으로 가열되고 풀과의 접촉을 끊도록 구부러지는 바이메탈 스트립을 통해 수은 풀로 전류를 통과시킨다.

 여자 
출력 전류의 순간적인 중단 또는 감소로 인해 캐소드 스폿이 소멸될 수 있으므로, 많은 정류기에는 발전소가 사용 중일 때마다 아크를 유지하기 위한 추가 전극이 포함된다. 일반적으로 몇 암페어의 2상 또는 3상 공급 장치가 작은 여자 애노드를 통해 통과한다. 몇 백 VA 정격의 자기 차폐 변압기가 이 공급을 제공하는 데 일반적으로 사용된다.

이러한 여자 또는 유지 회로는 엑시트론과 같은 단상 정류기와 무선 전신 송신기의 고전압 공급에 사용되는 수은 아크 정류기에 필요했는데, 모스 키가 해제될 때마다 전류 흐름이 정기적으로 중단되었기 때문이다.

 그리드 제어 
유리 및 금속 엔벨로프 정류기 모두 애노드와 캐소드 사이에 제어 그리드를 삽입할 수 있다.

애노드와 풀 캐소드 사이에 제어 그리드를 설치하면 밸브의 전도를 제어할 수 있어, 정류기가 생성하는 평균 출력 전압을 제어할 수 있다. 전류 흐름의 시작은 제어되지 않은 밸브에서 아크가 형성될 지점을 지나 지연될 수 있다. 이를 통해 밸브 그룹의 출력 전압을 점화 지점을 지연시켜 조정할 수 있으며, 제어된 수은 아크 밸브가 인버터에서 활성 스위칭 요소를 형성하여 직류를 교류로 변환할 수 있다.

밸브를 비전도 상태로 유지하기 위해 그리드에 몇 볼트 또는 수십 볼트의 음의 바이어스가 인가된다. 결과적으로 캐소드에서 방출된 전자는 그리드에서 캐소드 쪽으로 반발되어 애노드에 도달하는 것을 방지된다. 그리드에 작은 양의 바이어스가 인가되면 전자는 그리드를 통과하여 애노드 쪽으로 이동하며 아크 방전을 시작하는 과정이 시작될 수 있다. 그러나 아크가 일단 설정되면 그리드 작용으로 멈출 수 없는데, 이는 이온화에 의해 생성된 양의 수은 이온이 음전하를 띤 그리드로 끌어당겨져 효과적으로 중화되기 때문이다. 전도를 멈추는 유일한 방법은 외부 회로가 전류를 (낮은) 임계 전류 미만으로 떨어뜨리도록 강제하는 것이다.

그리드 제어 수은 아크 밸브는 3극 진공관 밸브와 표면적으로 유사하지만, 수은 아크 밸브는 아크를 유지하는 데 필요한 임계 전류보다 훨씬 낮은 극히 낮은 전류 값에서는 앰프로 사용할 수 없다.

 애노드 등급 전극 
수은 아크 밸브는 전압이 음극일 때 밸브가 역방향으로 전도되는 아크 백(또는 백파이어)이라는 현상에 취약하다. 아크 백은 밸브에 손상을 주거나 파괴할 수 있으며, 외부 회로에 높은 단락 전류를 발생시키고, 고전압에서 더 많이 발생한다. 백파이어로 인한 문제의 한 예는 1960년 글래스고 북부 교외 철도 전철화 이후 여러 사고로 인해 증기 서비스가 다시 도입되어야 했던 경우이다. 수년 동안 이 효과는 수은 아크 밸브의 실용적인 작동 전압을 몇 킬로볼트로 제한했다.

해결책은 애노드와 제어 그리드 사이에 등급 전극을 포함하고 외부 저항기-축전기 분배기 회로에 연결하는 것이었다. 우노 람 박사는 1930년대와 1940년대에 걸쳐 스웨덴 ASEA에서 이 문제에 대한 선구적인 연구를 수행했으며, 이는 1954년 본토 스웨덴에서 고틀란드섬으로 연결되는 20 MW, 100 kV HVDC 링크에 처음으로 실용적인 수은 아크 밸브를 적용하는 결과로 이어졌다.

우노 람의 고전압 수은 아크 밸브 연구로 그는 "HVDC의 아버지"로 불리게 되었으며 IEEE는 HVDC 분야의 뛰어난 공헌을 기리기 위해 그의 이름을 딴 상을 제정했다.

이러한 유형의 등급 전극을 가진 수은 아크 밸브는 150 kV의 전압 정격까지 개발되었다. 그러나 등급 전극을 수용하는 데 필요한 키가 큰 자기 기둥은 캐소드 전위의 강철 탱크보다 냉각하기가 더 어려웠으므로 사용 가능한 전류 정격은 애노드당 약 200–300 A로 제한되었다. 따라서 HVDC용 수은 아크 밸브는 종종 4개 또는 6개의 애노드 컬럼이 병렬로 연결되어 구성되었다. 애노드 컬럼은 항상 공랭식이었고, 캐소드 탱크는 수냉식 또는 공랭식이었다.

 회로 
단상 수은 아크 정류기는 AC 전압이 극성을 바꿀 때 전류가 떨어지고 아크가 소멸될 수 있었기 때문에 거의 사용되지 않았다. 단상 정류기에 의해 생성된 직류는 따라서 전력 공급 상용 주파수의 두 배인 주파수에서 변동하는 구성 요소(리플)를 포함했는데, 이는 DC의 많은 응용 분야에서 바람직하지 않았다. 해결책은 2상, 3상 또는 6상 AC 전원 공급 장치를 사용하여 정류된 전류가 더 일정한 전압 수준을 유지하도록 하는 것이었다. 다상 정류기는 또한 공급 시스템의 부하를 균형 있게 분배하여 시스템 성능 및 경제성 측면에서 바람직하다.

정류기용 수은 아크 밸브의 대부분의 응용 분야는 각 상에 대해 별도의 애노드 쌍을 가진 전파 정류를 사용했다.

전파 정류에서는 AC 파형의 양쪽 절반이 활용된다. 캐소드는 DC 부하의 + 측에 연결되고, 다른 측은 접지 또는 대지에 대해 항상 0 전위를 유지하는 변압기 2차 권선의 중간 탭에 연결된다. 각 AC 상에 대해 해당 상 권선의 각 끝에서 나온 전선은 수은 아크 정류기의 별도 애노드 "암"에 연결된다. 각 애노드의 전압이 양이 되면 캐소드에서 수은 증기를 통해 전도되기 시작한다. 각 AC 상의 애노드는 중앙 탭 변압기 권선의 반대쪽 끝에서 공급되므로, 하나는 항상 중앙 탭에 대해 양의 전위를 가지며 AC 파형의 양쪽 절반이 부하를 통해 한 방향으로만 전류를 흐르게 한다. 전체 AC 파형의 이러한 정류를 전파 정류라고 한다.

삼상 교류와 전파 정류를 사용하면 6개의 애노드를 사용하여 더 부드러운 직류를 제공한다. 삼상 작동은 두 애노드가 동시에 전도될 수 있게 하여 변압기의 효율을 향상시키고 더 부드러운 DC 전류를 제공할 수 있다. 작동 중에 아크는 가장 높은 양의 전위(캐소드에 대해)를 가진 애노드로 이동한다.

HVDC 애플리케이션에서는 일반적으로 완전파 삼상 브리지 정류기 또는 그레츠 브리지 회로가 사용되었으며, 각 밸브는 단일 탱크에 수용되었다.

 응용 분야 
1920년대에 저전압 정류용 금속 정류기가 보급되면서 수은 아크 튜브는 고전압, 특히 고전력 응용 분야에 국한되었다.

수은 아크 밸브는 대규모 산업용 교류를 직류로 변환하는 데 1960년대까지 널리 사용되었다. 응용 분야에는 노면전차, 전기 철도용 전원 공급 장치, 대형 라디오 송신기용 가변 전압 전원 공급 장치가 포함되었다. 수은 아크 변환소는 1950년대까지 도시 중심부의 기존 토머스 에디슨식 DC 전력망에 DC 전력을 공급하는 데 사용되었다. 1960년대에는 고체 실리콘 장치, 즉 처음에는 다이오드와 그 다음에는 사이리스터가 수은 아크 튜브의 모든 저전력 및 저전압 정류 응용 분야를 대체했다.

뉴 헤이븐 EP5와 버지니안 EL-C를 포함한 여러 전기 기관차는 입력을 AC에서 견인 모터 DC로 정류하기 위해 이그니트론을 탑재했다.

수은 아크 밸브의 마지막 주요 사용처 중 하나는 HVDC 전력 전송이었는데, 1970년대 초까지 많은 프로젝트에 사용되었다. 여기에는 뉴질랜드 북섬과 남섬 사이의 HVDC 인터아일랜드 링크와 킹스노스 발전소에서 런던으로 연결되는 HVDC 킹스노스 링크가 포함된다.Calverley T.E., Gavrilovic, A., Last F.H., Mott C.W., The Kingsnorth-Beddington-Willesden DC Link, CIGRE session, Paris, 1968. 그러나 약 1975년부터 실리콘 장치가 HVDC 응용 분야에서도 수은 아크 정류기를 거의 쓸모없게 만들었다. 잉글리시 일렉트릭이 제작한 역대 최대 수은 아크 정류기는 150 kV, 1800 A 정격이었으며, 2004년까지 넬슨 강 DC 송전 시스템 고전압 DC 전력 전송 프로젝트에 사용되었다. 인터아일랜드 및 킹스노스 프로젝트의 밸브는 4개의 애노드 컬럼을 병렬로 사용했고, 넬슨 강 프로젝트의 밸브는 필요한 전류 정격을 얻기 위해 6개의 애노드 컬럼을 병렬로 사용했다.Cogle, T.C.J, The Nelson River Project - Manitoba Hydro exploits sub-arctic hydro power resources, Electrical Review, 23 November 1973. 인터아일랜드 링크는 수은 아크 밸브를 사용한 마지막 HVDC 전송 시스템이었다. 2012년 8월 1일에 공식적으로 폐기되었다. 뉴질랜드 시스템의 수은 아크 밸브 변환소는 새로운 사이리스터 변환소로 대체되었다. 유사한 수은 아크 밸브 시스템인 HVDC 밴쿠버 아일랜드 링크는 2014년에 3상 AC 링크로 대체되었다.

수은 아크 밸브는 일부 남아프리카 공화국 광산과 케냐(기술 몸바사 폴리테크닉 – 전기 및 전자 부서)에서 여전히 사용되고 있다.

수은 아크 밸브는 런던 지하철의 DC 전력 시스템에 광범위하게 사용되었으며,London Transport in 1955, p. 43, London Transport Executive, 1956  2000년에도 벨사이즈 파크역의 폐쇄된 심층 방공호에서 두 개가 작동하는 것이 관찰되었다. 더 이상 대피소로 필요하지 않게 된 후, 벨사이즈 파크와 다른 여러 심층 대피소는 특히 음악 및 텔레비전 아카이브를 위한 안전한 저장소로 사용되었다. 이로 인해 굿지 스트리트역 대피소의 수은 아크 정류기는 "으스스한 빛" 때문에 외계인 뇌로 등장하는 닥터 후의 초기 에피소드에 등장하게 되었다.Antony Clayton, Subterranean City: Beneath the Streets of London, p. 146, Historical Publications, 2000 .

오클랜드의 교통 기술 박물관(MOTAT)은 여전히 수은 아크 밸브를 사용하여 방문객을 두 지점 사이로 태우는 노면전차에 전력을 공급한다.Drayton, Phoebe. 2021. Meet MOTAT's Mercury Arc Rectifier. New Zealand: The Museum of Transport and Technology (MOTAT). First published: 08 December 2021. URL https://www.motat.nz/collections-and-stories/stories/meet-motats-mercury-arc-rectifier

뉴질랜드 왕거누이의 더리 힐 엘리베이터는 수은 아크 밸브를 사용하여 AC 전력을 DC로 변환하고 전기 모터에 전력을 공급하며, 이 엘리베이터는 도시 대중교통 네트워크의 일부이며 매일 승객을 운송한다.

 기타 
특수 유형의 단상 수은 아크 정류기에는 이그니트론과 이 있다. 엑시트론은 위에 설명된 다른 유형의 밸브와 유사하지만 밸브가 전류를 전도하지 않는 반주기 동안 아크 방전을 유지하기 위해 여자 애노드의 존재에 결정적으로 의존한다. 이그니트론은 전도가 시작될 때마다 아크를 점화하여 여자 애노드를 사용하지 않는다. 이런 방식으로 이그니트론은 제어 그리드의 필요성도 피한다.

1919년, "전화 및 전신 백과사전 1권"The 프로젝트 구텐베르크 EBook of Cyclopedia of Telephony & Telegraphy Vol. 1이라는 책은 수은 정류관에서 자기장을 사용하여 아크를 변조하는 전화 신호용 앰프를 설명했다. 이는 상업적으로 중요하지 않았다.

 환경 위험 
수은 화합물은 독성이 강하고 환경에 오래 남아 있으며 인간과 환경에 위험을 초래한다. 깨지기 쉬운 유리 엔벨로프에 많은 양의 수은을 사용하는 것은 유리 전구가 깨질 경우 수은이 환경으로 방출될 잠재적 위험을 야기한다. 일부 HVDC 변환소는 서비스 수명 동안 방출된 수은 흔적을 제거하기 위해 광범위한 청소가 필요했다. 강철 탱크 정류기는 종종 진공 펌프를 필요로 했으며, 이는 지속적으로 소량의 수은 증기를 방출했다.

 각주 

 더 읽어보기 

 ABB의 HVDC 송전 역사 페이지
 튜브 컬렉터 가상 박물관. 수은 아크 정류기에 대한 설명 및 사진을 포함한 추가 링크
 1903년 삽화 기사 – 위대한 전기 발견
 50년 된 수은 아크 정류기 테스트 — 회로도, 근접 촬영, 작동 설명이 포함된 비디오

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