本申请示出一种不均匀温度下套管油纸绝缘频域介电谱实验系统与方法，系统包括，实验箱、油纸绝缘温度控制系统、带加热装置的绝缘油箱、12V直流电源、实验箱与带加热装置的绝缘油箱的连接装置、采集与控制系统、介电响应测试仪、开关控制系统、计算机；开启采集与控制系统，使绝缘油进行油路循环，使实验箱中的绝缘油保持恒定油温；接通12V直流电源进行加热到达至居里温度；开启介电响应测试仪，使用开关控制系统对不均匀温度下套管油纸绝缘进行频域介电谱实验，计算机接收介电响应测试仪上传的数据，并做相应的存储与分析。本发明能够在不均匀温度下对套管油纸绝缘进行频域介电谱实验，从而可以研究实际工况温度下套管油纸绝缘的介电特性。