При малых давлениях газа электрическая прочность оказывается очень высокой, так как вероятность ионизации молекул газа путем соударения с ними электронов чрезвычайно мала.
Разогрев поверхности катода, вследствие протекания тока автоэлектронной эмиссии, приводит к пробою межконтакного промежутка в парах металла катода. Зависимости разрядных напряжений Uр в однородном поле между контактами из бескислородной меди от давления p при длине разрядного промежутка l = 2 мм (кривая 1) и 3 мм (кривая 2) (рис. 6.1) показывают, что при давлениях газа меньше 0,01 Па разрядные напряжения практически не зависят от давления. При давлениях, превышающих 0,1–1 Па, разрядные напряжения быстро уменьшаются (рис. 6.1) [5].
Рис. 6.1. Зависимости разрядных напряжений от давления
Для электрической прочности вакуумных промежутков наблюдается эффект «тренировки электродов», когда при повторных пробоях промежутка разрядное напряжение возрастает.
В случае вакуумной дуги источником поставки частиц в промежуток является катод. Поэтому своеобразие дугового разряда обусловлено процессами на катоде, где выделяют небольшую светящуюся область над поверхностью катода, через которую происходит перенос тока между катодом и столбом дуги: «катодное пятно» [9].
В области пятна поверхность катода нагрета до высокой температуры, превышающей температуру кипения металла. Для дуги в вакууме характерны низкое падение напряжения, большая плотность тока в области катодного падения напряжения, высокая концентрация плазмы в прикатодной области, испускание высокоскоростных плазменных струй из катодного пятна, а также капель жидкого металла, наличие мелких (~10-4 мкм) кратеров внутри значительно больших, наличие порогового тока, ниже которого дуга гаснет и т. д. [9].
В настоящее время имеются две теории пробоя межконтактного промежутка в вакууме. Первая основывается на присутствии испарении металла катода (в катодном пятне происходит испарение металла) с утверждением, что плотность тока в пятне не выше 105–106 А/см2. Критерии вакуумного пробоя выводят из условия достижения некоторой критической температуры на поверхности катода или анода.
Вторая основывается на фундаментальной роли микровзрывов участков катода, которые приводят к взрывной эмиссии электронов (ВЭЭ), испусканию электронов в течение ВЭЭ отдельными порциями (эктонами), и плотности тока в пятне порядка 108 А/см2. Дальнейший процесс разряда связан с появлением кратеров на катоде (вследствие его разрушения), а также жидкого металла в виде струй и капель, струй плазмы и т. д. [9].
Одной из главных причин возникновения микровзрывов является джоулев разогрев микроучастков катода током большой плотности, взрыв микроострий на поверхности катода током автоэлектронной эмиссии.
Явление автоэлектронной эмиссии заключается в туннелировании электронов в сильном электрическом поле сквозь потенциальный барьер на границе металл–вакуум. В частности, для электродов из вольфрама требуется поле 5×107 В/см. Однако пробой имеет место при значительно меньших напряженностях электрического поля, так как возле острия электрическое поле усиливается в bЕ раз (bЕ — коэффициент неоднородности поля). Поэтому одной из основных причин инициирования вакуумного пробоя являются микровыступы на поверхности катода. Электрическое поле на их окончании увеличивается в bЕ раз по сравнению со средним полем, это приводит к усилению тока автоэлектронной эмиссии. Коэффициент bЕ представляет собой отношение реальной напряженности электрического поля на вершине выступа к ее среднему значению Е = bЕЕср,где Еср = U/d, U — напряжение на промежутке, d — расстояние между электродами. Форма выступа может быть различной (эллипсоид с коэффициентом bЕ =7-100, цилиндр со сферической вершиной с bЕ =10-1000, конус со сферической вершиной с bЕ =20-3000 и т. д.), то есть на неоднородностях электрическое поле может усиливаться в тысячи раз. Поэтому необходима искровая тренировка контактов перед вводом вакуумных камер в эксплуатацию, приводящая к значительному снижению коэффициента bЕ.
Поверхность контактов обладает геометрической микронеоднородностью (острия, металлические частицы, кратеры, канавки, трещины) и электрофизической микронеоднородностью (контакты типа металл-диэлектрик, металл-полупроводник, диэлектрические пленки и т. д.), связанной с наличием инородных включений.
На поверхности контактов после дуговых разрядов присутствует большое количество микрочастиц (застывшие металлические капли диаметром от долей микрометра до нескольких миллиметров) и микровыступов. Наличие частиц различных размеров и состава отрицательно влияет на качество вакуумной электроизоляции. Контактирование токов от номинальных до номинальных отключения (токов коротких замыканий), без разделения главных и дугогасительных контактов в ВАВ, приводит к значительному влиянию механических нагрузок (статических и динамических) на состояние контактных поверхностей.
Поэтому параметры, определяющие дуговую эрозию контактов (амплитуда отключаемого тока, длительность дуги, количество отключений предельных токов), должны контролироваться при эксплуатации ВАВ.
Напряжение на дуге в ВАВ.Одной их важных характеристик вакуумной дуги в ВАВ является напряжение на дуге, которую принято считать величиной постоянной. При отключении номинальных токах такое утверждение справедливо.
а) б)
Рис. 6.2. Напряжение на дуге при отключении токов перегрузки
Однако при увеличении номинального тока отключения появляется пульсационная составляющая на кривой напряжения на дуге. На рис. 6.2 (масштаб для напряжения на дуге — 20В/дел, для тока дуги — 1,5 кА/дел, для времени – 0,5 мсек/дел) представлены экспериментальные данные по измерению напряжения на дуге при отключении токов с амплитудой 12 кА (а) и 6 кА (б) при частоте 135 Гц в ВАВ.
Отсюда следует, что напряжение на дуге непостоянно, и с увеличением номинального тока отключения пульсационная составляющая значительно увеличивается, так как возрастает интенсивность выноса частиц с поверхности катода.
Особенностью для ВАВ является отсутствие на кривой напряжения на дуге пиков гашения и зажигания, характерных для подобных кривых в воздушных, элегазовых, маломаслянных ДУ.
Дуговой разряд в межконтактном промежутке ВАВ. В межконтактном промежутке ВАВ в зависимости от тока и принятых конструктивных особенностей ДУ дуга может поддерживаться в диффузной (плазма столба диффузной дуги заполняет весь промежуток между контактами) или сжатой форме (близкую к форме дуги в сжатых газах). Граничный ток, при котором дуга переходит из одной формы в другую, зависит от конструкции, размеров межконтактного промежутка, материала контактов, а также от тока отключения. Предельная величина номинального тока отключения, при которой нет повторного зажигания дуги после нуля тока, определяется температурой поверхности контактов (в первую очередь, анода), а концентрация частиц в промежутке на стадии восстановления напряжения не превышают допустимых значений.
Рис. 6.3. Различные конструкции контактов ВАВ
Если анод нагревается до температуры, при которой концентрация пара в промежутке в момент нуля тока велика, то повторный пробой промежутка неизбежен, так как постоянная времени охлаждения поверхности анода намного больше времени восстановления напряжения.
Чтобы уменьшить температуру нагрева анода и снизить давление пара в промежутке, а за счет этого увеличить отключаемый ток, нужно осуществить быстрое движение сжатой дуги. Это создается с помощью магнитного поля, имеющего поперечное либо продольное направление по отношению к дуге (за счет конструкции контактов, см. рис. 6.3, где приведены конструкции контактов ВАВ с радиальным (a, b) и аксиальным (с) магнитным полем) [10].
Результаты испытаний показывают [10], что использование аксиального магнитного поля (AMF системы, см. рис. 6.3,с) обеспечивает удержание дуги равномерно распределенной по поверхности контакта при любой величине отключаемого тока (диффузионная дуга). При этом оптимальное соотношение аксиальной составляющей магнитной индукции току отключения (Вz /I) составляет от 3,5 µT/А до 5 µТ/А.
Рис. 6.4. Восстановление электрической прочности межконтактного промежутка для различных ВАВ от номинального тока отключения
Влияние конструкции ДУ ВАВ на отключающую способность можно проанализировать по зависимости восстановления прочности Uw после нуля тока от номинального тока отключения I для вакуумных ДУ с параметрами: расстояние между контактами в нуле тока 1 см, пик ПВН 160 кВ, с частотой ПВН 20 кГц, материал контактов CuCr 75/25, диаметр контактов 60мм (см. рис. 6.4, где кривая 1 — конструкция контактов ДУ по рис. 6.3, а; кривая 2 — конструкция по рис. 6.3, b; кривая 3 — конструкция по рис. 6.3, c).
Диапазон максимального тока отключения для ДУ с AMF–контактами зависит от диаметра контакта и определяется так: Im = 0,07 , где Im — максимальный ток отключения, кА, D — диаметр контакта, мм.
Отсюда следует, что при контакте диаметром 100 мм возможно отключение тока до 72 кА.
5×107 В/см. Однако пробой имеет место при значительно меньших напряженностях электрического поля, так как возле острия электрическое поле усиливается в bЕ раз (bЕ — коэффициент неоднородности поля). Поэтому одной из основных причин инициирования вакуумного пробоя являются микровыступы на поверхности катода. Электрическое поле на их окончании увеличивается в bЕ раз по сравнению со средним полем, это приводит к усилению тока автоэлектронной эмиссии. Коэффициент bЕ представляет собой отношение реальной напряженности электрического поля на вершине выступа к ее среднему значению Е = bЕЕср,где 
160 кВ, с частотой ПВН 
20 кГц, материал контактов CuCr 75/25, диаметр контактов 60мм (см. рис. 6.4, где кривая 1 — конструкция контактов ДУ по рис. 6.3, а; кривая 2 — конструкция по рис. 6.3, b; кривая 3 — конструкция по рис. 6.3, c).
, где Im — максимальный ток отключения, кА, D — диаметр контакта, мм.