基于S参数的电缆半导电层复介电常数测量

摘 要：高频脉冲在电缆中传播，半导电层占主要影响因素。针对半导电层频变参数复介电常数不易测取的难}，提出了一种基于二端口网络S参数测算方法，并研究了复介电常数的频变曲线。结果表明，二端S参数传输测量法可以精确稳定地测量半导电层的复介电常数，并表征高频脉冲传播的频变损耗特性。

关键词：电力电缆；局部放电；半导电层；复介电常数；矢量网络分析仪

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.037

电力电缆在电力系统输配电中有着广泛的应用，电缆内部缺陷时会产生高频信号，局部放电的测量[1]及信号分析[2]是评估电缆缺陷的重要手段。在高频段的脉冲传播特性中，电缆半导电层占主要地位，但国内外在研究脉冲信号在电缆电路中传播时均没有深入考虑半导电层复介电常数频变特性的影响[3]。国外一些学者总结出了复介电常数的经验模型，然而无论电缆模型中的复介电常数采用何种形式表示都是频域的复杂函数，所获得的复介电常数难以在时域进行求解[4]。

电力电缆可被描述为一个二端口网络，S参数的引入规避了高频段理想短路开路终端有附加电感和杂散电容的困难[5]。通过利用矢量网络分析仪测得的电力电缆S参数，提出了一种测量半导电层频变参数复介电常数的方法，并在实际电缆进行了实验验证。

1 等效二端口网络测量原理

电缆传输线模型最早由STONE和BOGGS[6]提出，之后研究者在此基础上不断发展和改进，电缆几何模型如图1所示。其中，半导电层包括内半导电层、外半导电层和金属屏蔽层。本文只关注半导电层，电缆经剥层处理得到半导电层样品。

3 实验测量与仿真验证

3.1 复介电常数测量

实验基于以上分析的测量方法及实验平台，选取两条不同长度（长度为7.3m，5.5m）、相同规格的电缆样品，经剥层处理后利用矢量网络分析仪及LCR测试仪测量电缆半导电层的复介电常数。为保证测量精度，每条电缆测试三次后取平均。样品电缆参数如表1所示，测量后经计算分别得到内、外半导电层及金属屏蔽层的复介电常数实、虚部随频率曲线如图5。

从图5可以看出，半导电层复介电常数的实、虚部均随频率变化，具有频变特性，且均随频率增加而减小并逐渐达到最小。随着频率增加，在高频段，复介电常数的实、虚部减小到几十至几百。在低频段，内、外半导电层及金属屏蔽层的实部数值相差不大；而虚部数值相差较大，达到102数量级，金属屏蔽层的虚部数值最大，内半导电层次之，外半导电层最小。低频范围内，半导电层复介电常数的虚部值曲线在双log坐标下斜率约为-1。

3.2 高频脉冲仿真

为进一步验证测量方法的正确性，将测量计算得到的复介电常数值代入电力电缆的并联等效模型，进而计算高频脉冲传播的衰减因子γ与相位因子β，高频脉冲的实验测量与仿真曲线对比如图6所示。

从图6可以看出，高频脉冲在电缆中的传播特性，半导电层占主要影响因素。经S参数测量的复介电常数计算得到的高频脉冲传播特性，幅频特性与相频特性大体与仿真保持一致，描述了脉冲在电缆中传播引起的高频损耗。

4 结论

根据双端口网络S参数传输法的原理，搭建实验平台，提出了一种高频脉冲在电力电缆传播过程中占主要影响因素的半导电层复介电常数的测量方法，并通过实验及仿真验证了该方法的正确性。该方法考虑复介电常数的频变因素，并解决了电介质经验模型时域难以求解的问题，为高频脉冲在电缆中的传播特性研究提供参考。

参考文献：

[1]潘荣超，刘念，周凯等.振荡电压下局部放电的仿真分析[J]. 电测与仪表，2013，8（50）：10-13.

[2] 张义龙，李立学，郑益慧等.电缆局部放电电磁仿真与多传感器联合检测[J].电测与仪表，2016，9（53）：34-39.

[3]魏钢.高压交联聚乙烯电力电缆接头绝缘缺陷检测及识别研究[D].重庆：重庆大学博士学位论文，2013.

[4]张伟，张龙，黄志伟等.考虑频变参数的交联聚乙烯电缆中局部放电传播特性的时域分析[J].高电压技术，2014，11（40）：3461-3467.

[5]K.Steinbrich.Influence of semiconducting layers on the attenuation behaviour of single-core power cables[J].IEE Transm. Distrib，2005，2（152）：271-276.

[6]Stone， Boggs. Wide band measurements of partial discharge in epoxy[C].IEEE International Conference on Electrical Insulation，1982：137-140.

[7]R.Papazyan， P.Pettersson，H.Edin，et al.Extraction of high frequency power cable characteristics from S-parameter measurements[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulatin，2004，3（11）：461-470.

作者简介：刘文飞（1991-），女，安徽人，硕士研究生，研究方向：电力设备电气绝缘在线监测技术研究。