2.4. Электрическое разрушение

Разрушение твердых диэлектриков и полупроводников под действием электрического тока может быть двух ви­дов: пробой толщи материала и разряд по его поверхности. Наибольшие разрушения вызывает электрический пробой материалов.

Диэлектрики и полупроводники обладают определенной электрической прочностью, характеризуемой критической напряженностью электрическо­го поля (пробивной напряженностью Е_пр), при которой начинается резкий рост электропроводимости. При эксплуатации оборудования разрушение изоляции и полупроводников происходит в результате комбинированного действия ряда факторов: напряжения, температуры, влаги, загрязнений на поверхности; таких дефектов материалов, как поры, трещины, воздушные и другие посторонние включения; старения материалов и т. д. Соответст­венно различают различные формы пробоя.

В зависимости от величин пробивного напряжения и критической тем­пературы Т_к пробой может иметь две формы: чисто электрический пробой в области низких температур и тепловой пробой в области повышенных температур. Длительность действия напряжения до пробоя для электричес­кого пробоя составляет для разных материалов 10^-8 - 10 с, пробивная нап­ряженность — 10⁶ - 10⁷ В/см, соответственно для теплового пробоя дли­тельность 0,10 - 10⁴ с, напряженность 10⁴ - 10⁵ В/см.

Наиболее вероятным механизмом электрического пробоя твердых диэ­лектриков является ударная ионизация электронами или ионами. При дви­жении в решетке материала электроны проводимости отдают энергию, по­лученную от электрического поля, атомам или ионам кристалла, вызывая ионизацию. Концентрация носителей в зоне проводимости увеличивается. В парах, воздушных и газовых включениях возникают микроразряды, соз­дающие условия для пробоя. Пробой проходит в три стадии: стадия форми­рования разряда, завершения разряда и стадия послепробойная.

На первой стадии между электродами в диэлектрике создается разветв­ленный древовидный токопроводящий путь в виде электронной лавины с числом электронов ≥ п_пр, необходимым для пробоя. Вероятность ее обра­зования определяется по формуле:

р =п₀ ехр (- n_кр / ň), где п₀ - число на­чальных свободных электронов; ň = exp(d/λ_i) - средний размер электронной лавины; λ_i - средний свободный пробег электрона между ионизацион­ными столкновениями; d — толщина диэлектрика. Подготавливается путь току, по которому и происходит конечный пробой — вторая стадия — ста­дия разрушения диэлектрика. На третьей стадии ток определяется, в основ­ном, параметрами разрядного контура.

Электрический разряд в виде электрической дуги по поверхности диэ­лектрика начинается и происходит в газе над поверхностью изоляционного материала. Под влиянием дуговых разрядов и искрения происходит прог­рессирующее поверхностное эрозионное разрушение в виде проводящего следа или проводящей дорожки, имеющих древовидную форму. Срок службы изоляционных материалов, например, фенольной смолы в усло­виях проводящего следа, может быть порядка нескольких месяцев, а в условиях проводящей дуги — нескольких секунд. Общим для обоих явлений является то, что дуга и токопроводящий слой вызывают высокотемпера­турные реакции разложения и горения диэлектрика.

Электрический разряд по поверхности диэлектрика зависит от большо­го числа факторов: площади; состояния диэлектрика; расположения по­верхности диэлектрика относительно электродов; относительных значений диэлектрической проницаемости двух сред (газа и диэлектрика); элект­рической прочности газа; контакта между изоляционным материалом и электродом; толщины изоляции; формы приложенного напряжения и про­должительности его действия и т. д. При переменном токе разрядное напря­жение ниже чем при постоянном. Напряжение зажигания короны зависит от диэлектрической проницаемости. Наибольший срок службы у полимеров с низкой диэлектрической проницаемостью, например, полиэтилена, по­листирола и др.

В тех случаях, когда приложенное напряжение недостаточно для элект­рического пробоя при начальной температуре, под влиянием электрическо­го поля происходит нагрев диэлектрика. Это снижает его электрическую прочность (аналогично механической) и электрическое сопротивление до величины, соответствующей приложенному напряжению. Возможность теп­лового пробоя возрастает с повышением температуры по экспоненте. Объемная проводимость y_w с достаточной для практических расчетов точ­ностью может быть определена по уравнению: y_{w =}-y_ov ехр [а (Т_т - T_о)], где y_ov — удельная объемная проводимость; а — коэффициент, зависящий от материала диэлектрика; Т_т и Т_о — соответственно температура в сере­дине диэлектрика и окружающей среды.

Тепловой пробой чаще всего наблюдается в кабелях высокого напря­жения, в конденсаторах, обмотках электрических машин и трансформато­ров. Повреждение, так же, как и при электрическом пробое, имеет форму канала, проходящего от одного электрода до другого.

Электрический пробой полупроводников может быть вызван электрос­татической ионизацией (вырывание сильным электрическим полем элект­ронов из валентной зоны в свободную), ударной ионизацией или в результате совместного действия ударной (лавинной) и электростатической иониза­ции. Аналогично диэлектрикам возможен пробой по объему и поверх­ности полупроводников. Подвижность свободных электронов при ударной ионизации, т. е. средняя добавочная скорость, которую приобретают элект­роны в поле единичной напряженности, в кристаллах полупроводников намного выше, чем в ионных кристаллах диэлектриков. В кристаллах гер­мания, кремния, алмаза подвижность достигает 100 - 4000 см²/Вс, тогда как в ионных кристаллах диэлектриков она составляет 1 - 10 см² /Вс.

Наиболее типичными видами разрушения для оборудования, машин и приборов являются износ, механическое разрушение и коррозия. Эти виды разрушения охватывают 80 — 95 % всех видов разрушения механических элементов. Поэтому эти виды разрушения будут рассмотрены наиболее полно.