В начальные периоды развития электротехники оценка качества изолирующего устройства производилась по сопротивлению и электрической прочности изоляции. В процессе поисков неразрушающих способов испытания изоляции обнаруженная зависимость значения tgδ от напряжения создала дополнительную возможность контроля изоляции. Однако измерение tgδ не всегда обнаруживает локальные слабые места в виде газовых включений или трещин. Уже при сравнительно небольших напряжениях в этих пустотах происходят внутренние разряды, называемые теперь частичными, которые с течением времени уменьшают поверхностное сопротивление пустот [Л. 362]. В конечном итоге полость становится проводящей, сокращая изоляционное расстояние, вследствие чего снижается срок службы аппарата. В действительности механизм старения и развития перекрытия при рабочей напряжении значительно сложнее и в настоящее время является предметом многочисленных научно-исследовательских работ.
Если внутри высоковольтного аппарата обнаруживаются частичные разряды, то это является сигналом для конструктора о том, что внутри изоляции имеются слабые места. Путем соответствующих конструктивных мероприятии и местного усиления изоляции можно частично снять электрическую нагрузку с точек с ослабленной изоляцией и тем самым заметно увеличить срок службы аппарата.
Кабели с пластмассовой оболочкой или аппараты, изолированные литой смолой, могут иметь многочисленные пустоты, обусловленные технологией изготовления, разрушающее действие разрядов в которых проявляется даже при воздействии рабочего напряжения [Л. 392,427]. Их наличие обнаруживается при измерении значения tgδ в виде ионизационного колена. Однако измерение tgδ может дать одинаковый результат как в случае редких сильных разрядов, так и в случае большого числа слабых безопасных разрядов [Л. 363]. Незначительные производственные дефекты часто не удается обнаружить по ионизационному колену. Поэтому для правильной оценки качества изоляции, помимо измерения значения tgδ, дополнительно применяют различные способы измерения частичных разрядов. Разработка техники измерений частичных разрядов еще не завершена. В настоящее время проводят многочисленные исследования по определению таких параметров частичных разрядов, которые могли бы служить критерием их фактической опасности для испытуемого объекта и могли бы быть воспроизведены при любых условиях с достаточной точностью [Л. 378, 379, 395] — задача достаточно сложная, так как значения, измеренные определенным прибором, зависят от многих параметров испытательной установки и испытуемого объекта.
Ниже описано несколько способов измерения частичных разрядов, хорошо зарекомендовавших себя в различных схемах [Л. 420]. Чтобы можно было сопоставлять получаемые результаты, рекомендуется соблюдать указания норм NEMA (National Electrical Manufacturers Association — США) [382, 403], ASTM (American Society for Testing and Materials — США) [404] и VDE — ФРГ[Л. 380, 384, 385, 420]*.
Частичные разряды в пустотах сопровождаются другими электрическими и физическими явлениями, которые могут быть использованы для количественной оценки, а также определения местонахождения пустот. Помимо визуальных наблюдений (при возникновении тлеющего разряда) и акустических явлений (коронирования, шипения) для обнаружения внутренних частичных разрядов используют в первую очередь токи во внешней токовой цепи и связанные с ними электромагнитные поля.
Изоляционный материал с внутренними частичными разрядами может быть показан в виде упрощенной схемы замещения, изображенной на рис. 170. Емкость С2 соответствует емкостям воздушных включений, которые время от времени шунтируются электрическими разрядами (выключатель F); C1 представляет собой емкость остающегося изоляционного расстояния при шунтированных разрядом пустотах, С3 —остающаяся, свободная от частичных разрядов емкость испытуемого объекта. В самом общем случае C1<C2<C3.
1 В СССР при измерении частичных разрядов до введения соответствующего ГОСТ следует руководствоваться рекомендациями РТМ «Трансформаторы силовые. Измерение частичных разрядов при испытаниях напряжением промышленной частоты», 1971. Прим. ред.
Возникающие во время разрядов импульсные смещения зарядов ∆Q2 на обкладках емкости С2 создают явно выраженный ток который в схеме замещения испытуемого объекта может быть учтен путем добавления источника постоянного тока с очень большим внутренним сопротивлением Ri (рис. 171). Такая схема замещения правильно передает качественную картину физических явлений, наблюдаемых при исследованиях частичных разрядов.
Рис. 170. Упрощенная схема замещения конденсатора с воздушными включениями.
Рис. 171. Схема замещения с генератором импульсов тока.
Однако при количественном рассмотрении иногда возникают трудности, так что некоторыми авторами были предложены более сложные схемы замещения [Л. 362, 424, 425, 426]. Импульс тока i(t) может быть измерен способами, описанными ниже.
а) Четырехполюсник связи в заземляющем проводе испытуемого объекта
Четырехполюсник связи Rm включают в заземляющий провод испытуемого объекта (рис. 172). Возникающий на Rm импульс напряжения подается по коаксиальному кабелю на измерительный прибор. На практике параллельно сопротивлению Rm подключают разрядник для защиты от перенапряжений измерительного прибора; кроме того, между отпайкой от Rm и одним из выходных зажимов включают еще последовательно конденсатор Ck, чтобы на измерительный прибор не попадали зарядные токи низкой частоты. Сопротивление Rm вместе с разрядником и развязывающим конденсатором Ck часто монтируют в одном корпусе, имеющем два входных (токовых) и два выходных зажима (отбор напряжения для подключения соединительного кабеля к измерительному прибору). Такой прибор получил название «четырехполюсник связи».
Когда емкости испытуемых объектов невелики, сопротивление RM может быть активным [Л. 378]. Целесообразно согласовать его с волновым сопротивлением соединительного кабеля к измерительному прибору.
Рис. 172, Четырехполюсник связи Rm в заземляющем проводе испытуемого объекта.
Если выбрать RM>Z с целью получения большой амплитуды напряжения, то импульс вследствие значительных емкостей у применяемых кабелей получается сглаженным [Л. 364]. Амплитуда импульса тока, протекающего по сопротивлению Rm, не может быть вычислена в этом случае по закону Ома из максимального значения импульса напряжения [Л. 364, 365, 371].
Если для измерения применить рассматриваемые далее селективные измерительные приборы, то в качестве четырехполюсника связи можно использовать настроенный в резонанс колебательный контур. Это особенно целесообразно для испытуемых объектов большой емкости, так как в такой схеме исключаются падение напряжения на Rm и тепловые потери от зарядного тока низкой частоты. Одновременно существенно повышается чувствительность схемы. Протекающий по сопротивлению Rm импульс тока не идентичен току частичного разряда. В зависимости от постоянной времени измерительного контура получаются приведенные в табл. 2 зависимости между величинами, измеренными на сопротивлении Rm, токами, отнесенными к ΔQ2(t).
Таблица 2
При высоких частотах цепь тока частичного разряда замыкается через паразитные емкости со стороны высоковольтной обмотки трансформатора и через дополнительно подключенную замыкающую емкость С4. Легко видеть, что напряжение uM(t) на сопротивлении Rм с увеличением емкости С4 повышается, а с увеличением частичной емкости С3 испытуемого объекта понижается.
При измерении короны па высоковольтных экранах замыкающую емкость С4 отключают и принимают меры к тому, чтобы паразитная емкость Сз была по возможности малой, так как при таком измерении четырехполюсник связи шунтируется емкостями С4+ С3 [Л. 366].
Постоянная времени измерительного контура схемы по рис. 172, если пренебречь индуктивностью подводящих проводов и элементов схемы, для согласованного случая (Rm = Z) равна:
б) Четырехполюсник связи соединен последовательно с измерительным конденсатором
Если четырехполюсник связи Rm включен последовательно с замыкающим конденсатором С4 (рис. 173), то паразитная емкость С3 уменьшает амплитуду импульса напряжения на Rm. 
Рис. 173. Четырехполюсник связи Rм в заземляющем проводе замыкающего конденсатора С4.
С3 — паразитная емкость высоковольтного трансформатора: Z — волновое сопротивление коаксиального соединительного кабеля к показывающему прибору; Ск—емкость кабеля.
Если пренебречь индуктивностью, то постоянная времени измерительного контура для случая Rm = Z равна:
Часто не удается пренебречь общей индуктивностью подводящих проводов и элементов схемы (L). На экране электроннолучевого осциллографа в этом случае видно наложение колебаний на импульс напряжения возникающий на сопротивлении Rm. Частота f этих колебаний при небольших габаритах испытуемого объекта соответствует собственной частоте измерительного контура, которая может быть определена (если известны собственная частота ω0= 1/√LСм и относительное затухание κ= Rм/2Lω0) как
Поправочные коэффициенты для пересчета амплитудного значения им при колебательном процессе изменения заряда ∆Q2 приведены в [Л. 371].
При протяженном измерительном контуре колебания, наложенные на импульс, обусловлены волновыми процессами на ошиновке, так как для импульсов частичных разрядов с очень крутым фронтом проводник длиной в несколько сантиметров уже должен рассматриваться как линия с распределенными параметрами. Эти линии почти всегда рассогласованы, что приводит к явно выраженным колебаниям [Л, 83]. Явления колебаний могут быть ликвидированы, если соединительные провода замкнуты на активное сопротивление порядка 300—500 Ом.
