基于S參數的電纜半導電層復介電常數測量

劉文飛+張周勝

摘 要：高頻脈沖在電纜中傳播，半導電層占主要影響因素。針對半導電層頻變參數復介電常數不易測取的難題，提出了一種基于二端口網絡S參數測算方法，并研究了復介電常數的頻變曲線。結果表明，二端S參數傳輸測量法可以精確穩定地測量半導電層的復介電常數，并表征高頻脈沖傳播的頻變損耗特性。

關鍵詞：電力電纜；局部放電；半導電層；復介電常數；矢量網絡分析儀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.037

電力電纜在電力系統輸配電中有著廣泛的應用，電纜內部缺陷時會產生高頻信號，局部放電的測量[1]及信號分析[2]是評估電纜缺陷的重要手段。在高頻段的脈沖傳播特性中，電纜半導電層占主要地位，但國內外在研究脈沖信號在電纜電路中傳播時均沒有深入考慮半導電層復介電常數頻變特性的影響[3]。國外一些學者總結出了復介電常數的經驗模型，然而無論電纜模型中的復介電常數采用何種形式表示都是頻域的復雜函數，所獲得的復介電常數難以在時域進行求解[4]。

電力電纜可被描述為一個二端口網絡，S參數的引入規避了高頻段理想短路開路終端有附加電感和雜散電容的困難[5]。通過利用矢量網絡分析儀測得的電力電纜S參數，提出了一種測量半導電層頻變參數復介電常數的方法，并在實際電纜進行了實驗驗證。

1 等效二端口網絡測量原理

電纜傳輸線模型最早由STONE和BOGGS[6]提出，之后研究者在此基礎上不斷發展和改進，電纜幾何模型如圖1所示。其中，半導電層包括內半導電層、外半導電層和金屬屏蔽層。本文只關注半導電層，電纜經剝層處理得到半導電層樣品。

3 實驗測量與仿真驗證

3.1 復介電常數測量

實驗基于以上分析的測量方法及實驗平臺，選取兩條不同長度（長度為7.3m，5.5m）、相同規格的電纜樣品，經剝層處理后利用矢量網絡分析儀及LCR測試儀測量電纜半導電層的復介電常數。為保證測量精度，每條電纜測試三次后取平均。樣品電纜參數如表1所示，測量后經計算分別得到內、外半導電層及金屬屏蔽層的復介電常數實、虛部隨頻率曲線如圖5。

從圖5可以看出，半導電層復介電常數的實、虛部均隨頻率變化，具有頻變特性，且均隨頻率增加而減小并逐漸達到最小。隨著頻率增加，在高頻段，復介電常數的實、虛部減小到幾十至幾百。在低頻段，內、外半導電層及金屬屏蔽層的實部數值相差不大；而虛部數值相差較大，達到102數量級，金屬屏蔽層的虛部數值最大，內半導電層次之，外半導電層最小。低頻范圍內，半導電層復介電常數的虛部值曲線在雙log坐標下斜率約為-1。

3.2 高頻脈沖仿真

為進一步驗證測量方法的正確性，將測量計算得到的復介電常數值代入電力電纜的并聯等效模型，進而計算高頻脈沖傳播的衰減因子γ與相位因子β，高頻脈沖的實驗測量與仿真曲線對比如圖6所示。

從圖6可以看出，高頻脈沖在電纜中的傳播特性，半導電層占主要影響因素。經S參數測量的復介電常數計算得到的高頻脈沖傳播特性，幅頻特性與相頻特性大體與仿真保持一致，描述了脈沖在電纜中傳播引起的高頻損耗。

4 結論

根據雙端口網絡S參數傳輸法的原理，搭建實驗平臺，提出了一種高頻脈沖在電力電纜傳播過程中占主要影響因素的半導電層復介電常數的測量方法，并通過實驗及仿真驗證了該方法的正確性。該方法考慮復介電常數的頻變因素，并解決了電介質經驗模型時域難以求解的問題，為高頻脈沖在電纜中的傳播特性研究提供參考。

參考文獻：

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作者簡介：劉文飛（1991-），女，安徽人，碩士研究生，研究方向：電力設備電氣絕緣在線監測技術研究。