基于S參數(shù)的電纜半導(dǎo)電層復(fù)介電常數(shù)測(cè)量

劉文飛+張周勝

摘 要：高頻脈沖在電纜中傳播，半導(dǎo)電層占主要影響因素。針對(duì)半導(dǎo)電層頻變參數(shù)復(fù)介電常數(shù)不易測(cè)取的難題，提出了一種基于二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)測(cè)算方法，并研究了復(fù)介電常數(shù)的頻變曲線。結(jié)果表明，二端S參數(shù)傳輸測(cè)量法可以精確穩(wěn)定地測(cè)量半導(dǎo)電層的復(fù)介電常數(shù)，并表征高頻脈沖傳播的頻變損耗特性。

關(guān)鍵詞：電力電纜；局部放電；半導(dǎo)電層；復(fù)介電常數(shù)；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

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

電力電纜在電力系統(tǒng)輸配電中有著廣泛的應(yīng)用，電纜內(nèi)部缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻信號(hào)，局部放電的測(cè)量[1]及信號(hào)分析[2]是評(píng)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(dǎo)電層占主要地位，但國(guó)內(nèi)外在研究脈沖信號(hào)在電纜電路中傳播時(shí)均沒有深入考慮半導(dǎo)電層復(fù)介電常數(shù)頻變特性的影響[3]。國(guó)外一些學(xué)者總結(jié)出了復(fù)介電常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停欢鵁o論電纜模型中的復(fù)介電常數(shù)采用何種形式表示都是頻域的復(fù)雜函數(shù)，所獲得的復(fù)介電常數(shù)難以在時(shí)域進(jìn)行求解[4]。

電力電纜可被描述為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，S參數(shù)的引入規(guī)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(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的電力電纜S參數(shù)，提出了一種測(cè)量半導(dǎo)電層頻變參數(shù)復(fù)介電常數(shù)的方法，并在實(shí)際電纜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 等效二端口網(wǎng)絡(luò)測(cè)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(chǔ)上不斷發(fā)展和改進(jìn)，電纜幾何模型如圖1所示。其中，半導(dǎo)電層包括內(nèi)半導(dǎo)電層、外半導(dǎo)電層和金屬屏蔽層。本文只關(guān)注半導(dǎo)電層，電纜經(jīng)剝層處理得到半導(dǎo)電層樣品。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與仿真驗(yàn)證

3.1 復(fù)介電常數(shù)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)基于以上分析的測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選取兩條不同長(zhǎng)度（長(zhǎng)度為7.3m，5.5m）、相同規(guī)格的電纜樣品，經(jīng)剝層處理后利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及LCR測(cè)試儀測(cè)量電纜半導(dǎo)電層的復(fù)介電常數(shù)。為保證測(cè)量精度，每條電纜測(cè)試三次后取平均。樣品電纜參數(shù)如表1所示，測(cè)量后經(jīng)計(jì)算分別得到內(nèi)、外半導(dǎo)電層及金屬屏蔽層的復(fù)介電常數(shù)實(shí)、虛部隨頻率曲線如圖5。

從圖5可以看出，半導(dǎo)電層復(fù)介電常數(shù)的實(shí)、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(dá)到最小。隨著頻率增加，在高頻段，復(fù)介電常數(shù)的實(shí)、虛部減小到幾十至幾百。在低頻段，內(nèi)、外半導(dǎo)電層及金屬屏蔽層的實(shí)部數(shù)值相差不大；而虛部數(shù)值相差較大，達(dá)到102數(shù)量級(jí)，金屬屏蔽層的虛部數(shù)值最大，內(nèi)半導(dǎo)電層次之，外半導(dǎo)電層最小。低頻范圍內(nèi)，半導(dǎo)電層復(fù)介電常數(shù)的虛部值曲線在雙log坐標(biāo)下斜率約為-1。

3.2 高頻脈沖仿真

為進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)量方法的正確性，將測(cè)量計(jì)算得到的復(fù)介電常數(shù)值代入電力電纜的并聯(lián)等效模型，進(jìn)而計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)量與仿真曲線對(duì)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(dǎo)電層占主要影響因素。經(jīng)S參數(shù)測(cè)量的復(fù)介電常數(shù)計(jì)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(jié)論

根據(jù)雙端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)傳輸法的原理，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(dǎo)電層復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量方法，并通過實(shí)驗(yàn)及仿真驗(yàn)證了該方法的正確性。該方法考慮復(fù)介電常數(shù)的頻變因素，并解決了電介質(zhì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)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(xiàn)：

[1]潘榮超，劉念，周凱等.振蕩電壓下局部放電的仿真分析[J]. 電測(cè)與儀表，2013，8（50）：10-13.

[2] 張義龍，李立學(xué)，鄭益慧等.電纜局部放電電磁仿真與多傳感器聯(lián)合檢測(cè)[J].電測(cè)與儀表，2016，9（53）：34-39.

[3]魏鋼.高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜接頭絕緣缺陷檢測(cè)及識(shí)別研究[D].重慶：重慶大學(xué)博士學(xué)位論文，2013.

[4]張偉，張龍，黃志偉等.考慮頻變參數(shù)的交聯(lián)聚乙烯電纜中局部放電傳播特性的時(shí)域分析[J].高電壓技術(shù)，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.

作者簡(jiǎn)介：劉文飛（1991-），女，安徽人，碩士研究生，研究方向：電力設(shè)備電氣絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。