صمام قوس الزئبق

صمام قوس الزئبق، أو مقوم بخار الزئبق، أو (في المملكة المتحدة) مقوم قوس الزئبق ^{[ 1 ] [ 2 ]،} هو نوع من مقومات التيار الكهربائي يُستخدم لتحويل التيار المتردد (AC) عالي الجهد أو عالي التيار إلى تيار مستمر (DC). وهو نوع من الأنابيب المملوءة بالغاز ذات المهبط البارد ، ولكنه يتميز بأن المهبط فيه مصنوع من الزئبق السائل بدلاً من أن يكون صلبًا، مما يجعله ذاتي الاستعادة. ونتيجة لذلك، فإن صمامات قوس الزئبق، عند استخدامها بالشكل الصحيح، تكون أكثر متانة وقوة، ويمكنها تحمل تيارات أعلى بكثير من معظم أنواع أنابيب التفريغ الغازي الأخرى. وقد ظلت بعض هذه الصمامات تعمل بشكل مستمر لعقود، حيث تقوم بتقويم تيارات تصل إلى 50 أمبير .

اخترع بيتر كوبر هيويت مقومات القوس الزئبقي عام 1902، واستُخدمت لتزويد المحركات الصناعية والسكك الحديدية الكهربائية والترام والقاطرات الكهربائية بالطاقة ، بالإضافة إلى أجهزة الإرسال اللاسلكي ونقل التيار المستمر عالي الجهد . وكانت هذه المقومات الطريقة الأساسية لتقويم الطاقة العالية قبل ظهور مقومات أشباه الموصلات ، مثل الثنائيات والثايرستورات والثايرستورات ذات إيقاف البوابة . وقد حلت هذه المقومات ذات الحالة الصلبة محل مقومات القوس الزئبقي بشكل شبه كامل بفضل انخفاض تكلفتها وصيانتها ومخاطرها البيئية، فضلاً عن موثوقيتها العالية. ^{[ 3 ]}

في عام 1882، لاحظ جول جامين وجي. مانوفريه خصائص تقويم التيار لقوس الزئبق. ^{[ 4 ] [ 5 ]} اخترع بيتر كوبر هيويت مقوم قوس الزئبق عام 1902، وطُوِّر لاحقًا خلال عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين على يد باحثين في أوروبا وأمريكا الشمالية. قبل اختراعه، كانت الطريقة الوحيدة لتحويل التيار المتردد المُزوَّد من شركات الكهرباء إلى تيار مستمر هي استخدام محولات دوارة باهظة الثمن وغير فعالة وتتطلب صيانة دورية مكثفة، أو مجموعات مولدات كهربائية. استُخدمت مقومات قوس الزئبق، أو "المحولات"، لشحن بطاريات التخزين، وأنظمة إضاءة القوس الكهربائي ، ^{[ 6 ]} ومحركات جر التيار المستمر لحافلات الترولي والترام ومترو الأنفاق، ومعدات الطلاء الكهربائي. استمر استخدام مقوم الزئبق حتى سبعينيات القرن العشرين، حين استُبدل أخيرًا بمقومات أشباه الموصلات .

يعتمد تشغيل المقوم على تفريغ قوس كهربائي بين قطبين كهربائيين داخل غلاف محكم الإغلاق يحتوي على بخار الزئبق تحت ضغط منخفض للغاية. يعمل حوض من الزئبق السائل ككاثود متجدد ذاتيًا لا يتلف بمرور الوقت. ينبعث الزئبق الإلكترونات بحرية، بينما تنبعث من الأنودات الكربونية الإلكترونات بشكل ضئيل جدًا حتى عند تسخينها، لذا لا يمكن لتيار الإلكترونات أن يمر عبر الأنبوب إلا في اتجاه واحد، من الكاثود إلى الأنود، مما يسمح للأنبوب بتقويم التيار المتردد.

عند تشكل القوس الكهربائي، تنبعث الإلكترونات من سطح حوض الزئبق، مما يؤدي إلى تأين بخار الزئبق على طول مساره نحو المصعد. تنجذب أيونات الزئبق نحو المهبط، ويحافظ القصف الأيوني الناتج لحوض الزئبق على درجة حرارة بقعة الانبعاث ، طالما استمر تيار كهربائي بقوة بضعة أمبيرات.

بينما تحمل الإلكترونات التيار، تسمح الأيونات الموجبة العائدة إلى المهبط بأن مسار التوصيل لا يتأثر إلى حد كبير بتأثيرات الشحنة الفضائية التي تحد من أداء الصمامات المفرغة . ونتيجة لذلك، يمكن للصمام أن يحمل تيارات عالية عند جهد قوس منخفض (عادةً 20-30  فولت)، مما يجعله مقومًا فعالًا. قد تحقق أنابيب التفريغ الغازي ذات المهبط الساخن، مثل الثايراترون ، مستويات كفاءة مماثلة، لكن خيوط المهبط المسخن حساسة ولها عمر تشغيلي قصير عند استخدامها بتيارات عالية.

يجب التحكم بدقة في درجة حرارة الغلاف، لأن سلوك القوس الكهربائي يتحدد إلى حد كبير بضغط بخار الزئبق، والذي بدوره يتحدد بأبرد نقطة على جدار الغلاف. يحافظ التصميم النموذجي على درجة حرارة 40 درجة مئوية (104 درجة فهرنهايت) وضغط بخار زئبق يبلغ 7 ملي باسكال .  

تُصدر أيونات الزئبق ضوءًا بأطوال موجية مميزة، وتتحدد شدتها النسبية بضغط البخار. عند الضغط المنخفض داخل المقوم، يظهر الضوء بلون أزرق بنفسجي باهت ويحتوي على الكثير من الأشعة فوق البنفسجية .

يتخذ تصميم صمام قوس الزئبق أحد شكلين أساسيين  : النوع ذو المصباح الزجاجي والنوع ذو الخزان الفولاذي. وقد استُخدمت صمامات الخزان الفولاذي لتيارات كهربائية أعلى من 500  أمبير تقريبًا.

صمامات زجاجية

يتكون أقدم أنواع مقومات بخار الزئبق الكهربائية من غلاف زجاجي مفرغ يحتوي على حوض من الزئبق السائل في قاعه، يعمل ككاثود . ^{[ 7 ]} ينحني الغلاف الزجاجي فوقه، مما يؤدي إلى تكثيف الزئبق المتبخر أثناء تشغيل الجهاز. يحتوي الغلاف الزجاجي على ذراع واحد أو أكثر مزودة بقضبان من الجرافيت تعمل كأنودات . يعتمد عددها على التطبيق، حيث يُستخدم عادةً أنود واحد لكل طور. يضمن شكل أذرع الأنود تصريف أي زئبق يتكثف على الجدران الزجاجية بسرعة إلى الحوض الرئيسي، لتجنب تكوين مسار موصل بين الكاثود والأنود المقابل.

تستطيع مقومات التيار ذات الغلاف الزجاجي التعامل مع مئات الكيلوواط من طاقة التيار المستمر في وحدة واحدة. يحتوي مقوم سداسي الأطوار بقدرة 150 أمبير على غلاف زجاجي يبلغ ارتفاعه حوالي 600  ملم (24 بوصة) وقطره الخارجي 300 ملم (12 بوصة). تحتوي هذه المقومات على عدة كيلوغرامات من الزئبق السائل. يُعزى الحجم الكبير للغلاف إلى انخفاض الموصلية الحرارية للزجاج. يجب أن يُبدد بخار الزئبق الموجود في الجزء العلوي من الغلاف الحرارة عبر الغلاف الزجاجي ليتكثف ويعود إلى حوض الكاثود. تم غمر بعض الأنابيب الزجاجية في حمام زيتي لتحسين التحكم في درجة الحرارة.   

تُحدَّد قدرة مقوم التيار ذي المصباح الزجاجي جزئيًا بهشاشة الغلاف الزجاجي (الذي يزداد حجمه مع القدرة المقدرة)، وجزئيًا بحجم الأسلاك المدمجة في الغلاف الزجاجي لتوصيل المصعد والمهبط. تطلّب تطوير مقومات التيار العالي استخدام مواد أسلاك رصاص وزجاج ذات معاملات تمدد حراري متقاربة جدًا لمنع تسرب الهواء إلى الغلاف.  وقد تم تحقيق تصنيفات تيار تصل إلى 500 أمبير بحلول منتصف ثلاثينيات القرن العشرين، ولكن معظم المقومات ذات تصنيفات التيار الأعلى من ذلك صُممت باستخدام تصميم الخزان الفولاذي الأكثر متانة.

صمامات الخزانات الفولاذية

بالنسبة للصمامات الكبيرة، يُستخدم خزان فولاذي مزود بعوازل خزفية للأقطاب الكهربائية، مع نظام مضخة تفريغ لمعالجة التسرب الطفيف للهواء إلى الخزان حول موانع التسرب غير المحكمة. وقد طُوّرت صمامات الخزان الفولاذي، المزودة بنظام تبريد مائي للخزان، بقدرات تيار تصل إلى عدة آلاف من الأمبيرات.

على غرار صمامات المصباح الزجاجي، صُممت صمامات قوس الزئبق ذات الخزانات الفولاذية إما بقطب موجب واحد لكل خزان (وهو نوع يُعرف أيضًا باسم الإكسيترون ) أو بعدة أقطاب موجبة لكل خزان. كانت الصمامات متعددة الأقطاب تُستخدم عادةً في دوائر التقويم متعددة الأطوار (مع 2 أو 3 أو 6 أو 12 قطبًا موجبًا لكل خزان)، ولكن في تطبيقات نقل التيار المستمر عالي الجهد، غالبًا ما كانت الأقطاب الموجبة المتعددة تُوصل على التوازي لزيادة التيار المقنن.

نموذج مقطعي لمقوم خزان فولاذي عالي الجهد من الطراز القديم، مصنف عند 50  كيلو فولت، 30  أمبير

أقطاب تصنيف الأنود

تُعدّ صمامات قوس الزئبق عرضةً لظاهرة تُعرف باسم ارتداد القوس الكهربائي (أو الانفجار العكسي )، حيث يُصبح الصمام موصلاً للتيار في الاتجاه المعاكس عندما يكون الجهد الكهربائي المطبق عليه سالباً. يُمكن أن يُلحق ارتداد القوس الكهربائي ضرراً بالغاً بالصمام، فضلاً عن توليد تيارات قصر عالية في الدائرة الخارجية، وهو أكثر شيوعاً عند الجهود الكهربائية العالية. ومن الأمثلة على المشاكل التي يُسببها الانفجار العكسي ما حدث عام 1960 بعد كهربة خط سكة حديد غلاسكو الشمالية، حيث اضطرت السلطات إلى إعادة تشغيل القطارات البخارية بعد عدة حوادث. ^{[ 9 ]} لسنوات عديدة، حدّت هذه الظاهرة من جهد التشغيل العملي لصمامات قوس الزئبق إلى بضعة كيلوفولتات.

تم التوصل إلى الحل بتضمين أقطاب كهربائية متدرجة بين المصعد وشبكة التحكم، متصلة بدائرة مقسم جهد خارجي مكون من مقاوم ومكثف . ^{[ 10 ]} أجرى الدكتور أونو لام أعمالاً رائدة في شركة ASEA في السويد حول هذه المشكلة طوال ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين، مما أدى إلى ابتكار أول صمام قوس زئبقي عملي لنقل التيار المستمر عالي الجهد، والذي تم تشغيله على خط نقل التيار المستمر عالي الجهد بقدرة 20 ميجاوات وجهد 100 كيلوفولت من البر الرئيسي للسويد إلى جزيرة جوتلاند في عام 1954.  

أدى عمل أونو لام على صمامات قوس الزئبق ذات الجهد العالي إلى أن يُعرف باسم "أبو نقل الطاقة HVDC" ^{[ 11 ]} وألهم معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) لتخصيص جائزة باسمه، تقديراً للمساهمات البارزة في مجال HVDC.

طُوِّرت صمامات قوس الزئبق المزودة بأقطاب تدرج من هذا النوع حتى جهد 150  كيلوفولت. إلا أن تبريد العمود الخزفي الطويل اللازم لاحتواء أقطاب التدرج كان أصعب من تبريد الخزان الفولاذي عند جهد الكاثود، لذا اقتصر التيار المستخدم على حوالي 200-300 أمبير لكل  مصعد. ولهذا السبب، غالبًا ما كانت صمامات قوس الزئبق لأنظمة نقل التيار المستمر عالي الجهد تُصنع بأربعة أو ستة أعمدة أنود متوازية. وكانت أعمدة الأنود تُبرَّد دائمًا بالهواء، بينما تُبرَّد خزانات الكاثود إما بالماء أو بالهواء.

نادرًا ما استُخدمت مقومات القوس الزئبقي أحادية الطور نظرًا لانخفاض التيار وانطفاء القوس عند تغير قطبية جهد التيار المتردد. وبالتالي، احتوى التيار المستمر الناتج عن مقوم أحادي الطور على مُكوِّن مُتغير (تموج) بتردد يُعادل ضعف تردد مصدر الطاقة ، وهو أمر غير مرغوب فيه في العديد من تطبيقات التيار المستمر. وكان الحل هو استخدام مصادر طاقة تيار متردد ثنائية أو ثلاثية أو حتى سداسية الأطوار، بحيث يحافظ التيار المُقوَّم على مستوى جهد أكثر ثباتًا. كما تُوازن المقومات متعددة الأطوار الحمل على نظام التغذية، وهو أمر مرغوب فيه لأسباب تتعلق بأداء النظام وكفاءته الاقتصادية.

معظم تطبيقات صمامات قوس الزئبق للمقومات تستخدم تقويم الموجة الكاملة مع أزواج منفصلة من الأنودات لكل طور.

في عملية تقويم الموجة الكاملة، يُستغل نصفي موجة التيار المتردد. يُوصل المهبط بالطرف الموجب لحمل التيار المستمر، بينما يُوصل الطرف الآخر بالنقطة المركزية للملف الثانوي للمحول ، والتي تبقى دائمًا عند جهد صفري بالنسبة للأرض. لكل طور من أطوار التيار المتردد، يُوصل سلك من كل طرف من أطراف ملف ذلك الطور بذراع أنود منفصل في مقوم قوس الزئبق. عندما يصبح الجهد عند كل أنود موجبًا، يبدأ التيار بالمرور عبر بخار الزئبق من المهبط. ولأن أنودات كل طور من أطوار التيار المتردد تُغذى من طرفي ملف المحول ذي النقطة المركزية، فسيكون أحدهما دائمًا موجبًا بالنسبة للنقطة المركزية، وسيؤدي نصفي موجة التيار المتردد إلى تدفق التيار في اتجاه واحد فقط عبر الحمل. يُسمى هذا التقويم لموجة التيار المتردد بأكملها بتقويم الموجة الكاملة .

باستخدام التيار المتردد ثلاثي الأطوار وتقويم الموجة الكاملة، استُخدمت ستة مصاعد لتوفير تيار مستمر أكثر سلاسة. يُحسّن التشغيل ثلاثي الأطوار كفاءة المحول، كما يُوفر تيارًا مستمرًا أكثر سلاسة من خلال تمكين مصعدين من التوصيل في آنٍ واحد. أثناء التشغيل، ينتقل القوس الكهربائي إلى المصاعد ذات أعلى جهد موجب (بالنسبة للمهبط).

مقوم نصف موجة ثلاثي الأطوار بثلاثة مصاعد ومحول خارجي

مقوم موجة كاملة ثلاثي الأطوار بستة مصاعد ومحول خارجي ثلاثي الأطوار بنقطة مركزية على الجانب الثانوي

في تطبيقات HVDC، كان يتم استخدام مقوم جسر ثلاثي الأطوار كامل الموجة أو دائرة جسر غريتز ، حيث يتم وضع كل صمام في خزان واحد.

مع توفر مقومات المعادن ذات الحالة الصلبة لتقويم الجهد المنخفض في عشرينيات القرن الماضي، أصبحت أنابيب قوس الزئبق محدودة بالجهد العالي وخاصة تطبيقات الطاقة العالية.

استُخدمت صمامات قوس الزئبق على نطاق واسع حتى ستينيات القرن العشرين لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر في التطبيقات الصناعية الكبيرة. وشملت هذه التطبيقات تزويد الترام والسكك الحديدية الكهربائية بالطاقة، بالإضافة إلى توفير مصادر طاقة متغيرة الجهد لأجهزة الإرسال اللاسلكية الكبيرة . كما استُخدمت محطات قوس الزئبق لتزويد شبكات الطاقة القديمة من طراز إديسون في المراكز الحضرية بالطاقة المستمرة حتى خمسينيات القرن العشرين. وفي ستينيات القرن العشرين، حلت أجهزة السيليكون الصلبة ، بدءًا بالثنائيات ثم الثايرستورات ، محل جميع تطبيقات مقومات الطاقة والجهد المنخفض لأنابيب قوس الزئبق.

حملت العديد من القاطرات الكهربائية، بما في ذلك قاطرة نيو هيفن EP5 وقاطرة فيرجينيان EL-C ، أجهزة إشعال على متنها لتقويم التيار المتردد الداخل إلى تيار مستمر لمحرك الجر.

كان أحد آخر الاستخدامات الرئيسية لصمامات قوس الزئبق في نقل الطاقة الكهربائية عالية الجهد بالتيار المستمر، حيث استُخدمت في العديد من المشاريع حتى أوائل سبعينيات القرن الماضي، بما في ذلك خط الربط بين جزيرتي نيوزيلندا الشمالية والجنوبية ، وخط كينغسنورث الذي يربط محطة كينغسنورث لتوليد الطاقة بلندن . ^{[ 12 ]} مع ذلك، بدءًا من عام 1975 تقريبًا، جعلت أجهزة السيليكون مقومات قوس الزئبق قديمة الطراز إلى حد كبير، حتى في تطبيقات نقل الطاقة عالية الجهد بالتيار المستمر. كانت أكبر مقومات قوس الزئبق على الإطلاق، والتي صنعتها شركة إنجلش إلكتريك ، مصنفة بقدرة 150 كيلوفولت و1800 أمبير، واستُخدمت حتى عام 2004 في مشروع نقل الطاقة الكهربائية عالية الجهد بالتيار المستمر في نهر نيلسون . استخدمت الصمامات في مشروعي الربط بين الجزيرتين وكينغسنورث أربعة أعمدة أنودية متوازية، بينما استخدمت صمامات مشروع نهر نيلسون ستة أعمدة أنودية متوازية للحصول على تصنيف التيار المطلوب. ^{[ 13 ]} كان خط الربط بين الجزر آخر نظام نقل تيار مستمر عالي الجهد يعمل باستخدام صمامات قوس الزئبق. وقد تم إيقاف تشغيله رسميًا في 1 أغسطس 2012. ^{[ 14 ]} تم استبدال محطات تحويل صمامات قوس الزئبق في نظام نيوزيلندا بمحطات تحويل جديدة تعمل بالثايرستور. وفي عام 2014، تم استبدال نظام مماثل لصمامات قوس الزئبق، وهو خط نقل التيار المستمر عالي الجهد بين جزيرة فانكوفر، بخط تيار متردد ثلاثي الأطوار.  

لا تزال صمامات قوس الزئبق مستخدمة في بعض مناجم جنوب إفريقيا وكينيا (في كلية مومباسا التقنية - قسم الكهرباء والإلكترونيات).

استُخدمت صمامات قوس الزئبق على نطاق واسع في أنظمة الطاقة الكهربائية للتيار المستمر في مترو أنفاق لندن ، ^{[ 15 ]} ولوحظ أن اثنين منها لا يزالان يعملان في عام 2000 في ملجأ الغارات الجوية المهجور ذي المستوى العميق في بيلسايز بارك . ^{[ 16 ]} بعد أن لم تعد هناك حاجة إليها كملاجئ، استُخدمت بيلسايز بارك والعديد من الملاجئ العميقة الأخرى كمخازن آمنة، لا سيما لأرشيفات الموسيقى والتلفزيون. وقد أدى ذلك إلى ظهور مقوم قوس الزئبق في ملجأ شارع غودج في إحدى الحلقات الأولى من مسلسل دكتور هو على هيئة دماغ فضائي، وذلك بسبب "توهجه الغريب". ^{[ 17 ]}

لا يزال متحف النقل والتكنولوجيا في أوكلاند (MOTAT) يستخدم صمام قوس الزئبق لتزويد الترام بالطاقة الذي ينقل الزوار بين موقعيه. ^{[ 18 ]}

يستخدم مصعد دوري هيل في وانجانوي ، نيوزيلندا، صمام قوس الزئبق لتحويل الطاقة المترددة إلى تيار مستمر لتشغيل محركه الكهربائي، ويُعد المصعد جزءًا من شبكة النقل العام في المدينة وينقل الركاب يوميًا. ^{[ 19 ]}

من الأنواع الخاصة لمقومات القوس الزئبقي أحادية الطور: الإغنيترون وصمام الإكسيترون . يشبه صمام الإكسيترون أنواع الصمامات الأخرى المذكورة أعلاه، ولكنه يعتمد بشكل أساسي على وجود مصعد إثارة للحفاظ على تفريغ القوس الكهربائي خلال نصف الدورة عندما لا يمرر الصمام التيار. أما صمام الإغنيترون، فيستغني عن مصاعد الإثارة بإشعال القوس الكهربائي في كل مرة يلزم فيها بدء التوصيل. وبهذه الطريقة، يتجنب صمام الإغنيترون أيضًا الحاجة إلى شبكات التحكم.

في عام 1919، وصف كتاب "موسوعة الاتصالات الهاتفية والتلغرافية، المجلد الأول" ^{[ 20 ]} مضخمًا لإشارات الهاتف يستخدم مجالًا مغناطيسيًا لتعديل قوس كهربائي في أنبوب مقوم زئبقي. لم يكن لهذا الأمر أي أهمية تجارية.

تُعدّ مركبات الزئبق سامة، وتظلّ لفترة طويلة في البيئة، وتشكل خطرًا على الإنسان والبيئة. ويُشكّل استخدام كميات كبيرة من الزئبق في أغلفة زجاجية هشة خطرًا محتملاً لتسرب الزئبق إلى البيئة في حال انكسار الغلاف الزجاجي. وقد تطلّبت بعض محطات تحويل التيار المستمر عالي الجهد عمليات تنظيف واسعة النطاق لإزالة آثار الزئبق المنبعثة منها طوال فترة تشغيلها. كما كانت مُقوّمات الخزانات الفولاذية تتطلب في كثير من الأحيان مضخات تفريغ، والتي كانت تُصدر باستمرار كميات صغيرة من بخار الزئبق.