Электрическая дуга в вакуумных дугогасительных камерах представляет собой дугу, в которой пары металла, необходимые для образования положительных ионов, генерируются с поверхности электродов непосредственно в процессе ее горения.
После погасания дуги плотность паров металла между электродами и вокруг них вновь спадает практически до нуля, поддерживая в дугогасительной камере достаточно высокий вакуум.
Согласно проведенным исследованиям дуга в вакууме может существовать в виде двух разновидностей: рассеянной, «диффузионной» дуги, возникающей в случае протекания небольшого (менее нескольких килоампер) тока, и в виде концентрированной, «сжатой» дуги, - в случае протекания тока, превышающего несколько килоампер и при определенных формах, размерах и материалах электродов, а также при определенных скоростях изменения отключаемого тока.
Диффузная дуга в вакууме обладает довольно высокой отключающей способностью. Однако, если под действием внешнего направленного магнитного поля произойдет ее сжатие в одноствольный канал разряда, то при этом на поверхности электродов могут образоваться обширные, сильно нагретые зоны, продолжающие эмитировать и в момент перехода тока через нуль, и даже некоторое время спустя, что приводит к падению практически до нуля отключающей способности дуги в вакууме. При этом простые торцевые контакты, имеющие хорошую отключающую способность вплоть до токов 8... 15 кА (в зависимости от геометрических размеров и материала контактов), не могут быть использованы в выключателях для отключения токов, превышающих 20 кА. Они используются только в вакуумных выключателях, предназначенных для коммутации токов нагрузки, не превышающих 4...8 кА.
Резкое уменьшение отключающей способности вакуумной дугогасительной камеры при увеличении тока отключения Iq из-за сжатия магнитным полем дуги, горящей в промежутке между простыми торцевыми контактами, показано на рис.2. При увеличении тока отключения Iq быстро уменьшается переходное восстанавливающееся напряжение UB, при котором происходит успешное гашение дуги. Зона 1 является зоной успешного гашения дуги, а зона 2 - зоной отказов в гашении.
Чтобы преодолеть ограничение, накладываемое на коммутационную способность выключателя с простыми торцевыми контактами, в свое время были предложены различные модификации этих контактов с целью «заставить» образовавшуюся дугу все время перемещаться с большой скоростью по поверхности торцевых контактов. К числу таких модификаций контактов относятся контакты, «заставляющие» дугу непрерывно вращаться вследствие взаимодействия тока дуги с внешним магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами, катушками, расположенными снаружи камеры, и др.
Однако наибольшее распространение получили две разновидности торцевых контактов: контактная система типа «спиральный лепесток», «вынуждающая» сжатую дугу безостановочно вращаться по поверхности электродов (рис.3), и контактная система чашеобразного типа (рис.4), которая вообще препятствует образованию сжатой локализованной дуги, «вынужденной» благодаря этому оставаться в диффузном состоянии в течение всего процесса дугогашения.
Рассмотрим типичные осциллограммы отключения переменного тока lg в вакуумной камере выключателей серии BB/TEL, серийно выпускаемых фирмой «Таврида Электрик» (рис.5) . На этом рис.5 обозначено: х - ход контактов;
п - концентрация ионизированных паров металла в межконтактном промежутке;
U, Un Ug - напряжения на промежутке, на дуге и восстанавливающееся напряжение соответственно;
Iq, t1 и t2 _ моменты времени: подачи команды на отключение, начала расхождения контактов и перехода тока через нуль соответственно.
Гашение дуги в дугогасительной камере выключателя происходит в глубоком вакууме (при остаточном давлении порядка 1 0~6 мм рт. ст.) при разведении контактов. После подачи команды на отключение (момент времени tg) по прошествии небольшого промежутка времени наступает момент начала расхождения контактов t1 (рис.5). При этом в межконтактном промежутке зажигается электрическая дуга, падение напряжения Un на которой очень мало (меньше 30 В). В момент перехода тока через нуль t2 межконтактный промежуток заполняется ионизированными парами металла, образовавшимися за время горения дуги. Однако, в силу отсутствия среды, препятствующей распространению этих паров, их уход из межконтактного промежутка происходит в течение очень малого промежутка времени (порядка 10~5 с), после чего вакуумный выключатель готов выдержать восстанавливающееся напряжение. Поскольку электрическая прочность вакуумного промежутка чрезвычайно высока, отключение тока гарантированно происходит при зазорах более 1 мм.