交聯聚乙烯電纜絕緣打磨程度對擊穿場強的影響

劉金龍，冀 然，吳建旺，焦玉濤

（1.北京卓越電力建設有限公司，北京 100020； 2.國網北京市電力公司電纜分公司，北京 100020）

交聯聚乙烯電纜是一種常見的電力傳輸介質，其絕緣材料性能對電纜的安全運行至關重要。擊穿場強是衡量電纜絕緣材料性能的重要參數之一，它代表了電纜在一定電壓作用下不發生電擊穿的最大場強。許多因素會影響電纜絕緣的擊穿場強，其中包括電纜絕緣材料的種類、制造工藝、表面處理等因素。本文將重點研究交聯聚乙烯電纜絕緣打磨程度對擊穿場強的影響。

1 交聯聚乙烯電纜研究現狀

1.1 交聯聚乙烯電纜的特點和應用

交聯聚乙烯（XLPE）電纜是一種廣泛應用于電力系統的電纜類型[1]。其特點包括優異的電氣性能、耐高溫性能、耐化學腐蝕、低介電常數等。此外，XLPE電纜的制造工藝簡單，成本較低，且易于安裝和維護。因此，XLPE 電纜在電力系統中的應用非常廣泛，包括輸電、配電等各個領域。

1.2 電纜絕緣材料的研究現狀

電纜絕緣材料是保證電纜安全運行的關鍵因素之一。隨著電力系統的不斷發展，對電纜絕緣材料的要求也越來越高。目前，電纜絕緣材料的研究主要集中在以下幾個方面：電氣性能、耐高溫性能、耐化學腐蝕性能以及機械性能等。其中，電氣性能是最基本也是最重要的性能指標之一，包括絕緣電阻、介質損耗因數、介電常數等。耐高溫性能是指電纜絕緣材料在高溫下能夠保持穩定的性能，耐化學腐蝕性能是指電纜絕緣材料能夠抵抗化學物質的侵蝕。機械性能是指電纜絕緣材料在受到外力作用時能夠保持穩定的性能。

1.3 打磨程度對電纜絕緣性能的影響及研究現狀

在電纜生產和安裝過程中，需要對電纜絕緣材料進行打磨處理，以去除表面的雜質和毛刺等。然而，打磨程度對電纜絕緣性能的影響一直是一個備受關注的問題[2]。適度的打磨可以改善電纜絕緣材料的表面狀態，提高其電氣性能和耐高溫性能，從而提高電纜的擊穿場強。但是，過度打磨可能會破壞絕緣材料的表面結構，導致其耐壓強度和擊穿場強下降[3]。

目前，國內外研究者對打磨程度對電纜絕緣性能的影響進行了廣泛的研究。一些研究表明，適度的打磨可以減小電流在絕緣材料表面的分布不均勻性，改善電場分布[4]，從而提高電纜的擊穿場強。但也有一些研究表明，過度打磨可能會破壞絕緣材料的表面結構，導致其耐壓強度和擊穿場強下降。此外，打磨還可能影響電纜絕緣材料的表面粗糙度和微觀結構等，這些因素也可能對電纜的電氣性能和擊穿場強產生影響。

在研究打磨程度對電纜絕緣性能的影響時，還需要考慮其他影響因素的作用。例如，電纜絕緣材料的種類、制造工藝、老化過程等都可能對其電氣性能和擊穿場強產生影響。此外，電纜的電壓等級、運行環境等也會對其電氣性能和擊穿場強產生影響。因此，在研究打磨程度對電纜絕緣性能的影響時，需要綜合考慮這些因素，以得出更準確和全面的結論。

2 實驗

2.1 實驗材料與方法

實驗所選的交聯聚乙烯電纜和打磨工具（砂紙）的介紹：

本實驗選用市面上常見的規格為Φ10mm×100m 的交聯聚乙烯電纜，其絕緣材料為XLPE。所選用的打磨工具為不同目數的砂紙（400 目、600 目、800 目、1000目和1200目），以便實現對電纜絕緣材料不同程度打磨。

實驗方法的詳細說明：

1.樣品制備：選取長度為1m 的電纜絕緣材料，分別使用不同目數的砂紙對其進行打磨，每種目數的砂紙打磨后的樣品數量為5 個，共計25 個。打磨過程中保證室溫、干燥環境，避免水、油等雜質影響實驗結果。

2.實驗設備：準備高壓電源、電壓表、電流表、電纜夾具、表面形貌儀等設備，以確保實驗過程的安全性和準確性。

3.實驗步驟：

（1）將打磨好的電纜絕緣樣品放置在電纜夾具中，注意確保樣品固定穩定。

（2）通過高壓電源逐漸增加電壓，記錄每個樣品在擊穿時的電壓值，即擊穿場強。

（3）對擊穿的樣品使用表面形貌儀進行表面形貌觀察，以分析打磨程度對擊穿場強的影響。

（4）對每個目數的砂紙打磨的樣品進行相同步驟的實驗操作，以獲得完整的實驗數據。

4.數據處理與分析：對比不同打磨程度下的電纜絕緣擊穿場強數據，分析打磨程度對電纜絕緣擊穿場強的影響。利用表格和圖表展示實驗結果，并進行討論。

5.注意事項：

（1）在實驗過程中要保證電壓的逐漸增加，避免瞬間高壓導致電纜絕緣擊穿。

（2）控制好打磨時間，避免過度打磨導致電纜絕緣材料受損。

（3）確保實驗過程中環境條件的穩定，以避免外界因素影響實驗結果。

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 不同打磨程度下電纜絕緣的表面形貌觀察

通過使用表面形貌儀對不同打磨程度下的電纜絕緣樣品進行觀察，得到的結果見表1。

表1 不同打磨程度下電纜絕緣表面形貌觀察結果

從表1 中的數據可以看出，隨著砂紙目數的增加，電纜絕緣表面的粗糙度逐漸減小，說明表面打磨程度逐漸增加。

2.2.2 打磨程度對電纜絕緣擊穿場強的具體影響

通過實驗我們得到了不同打磨程度下電纜絕緣的擊穿場強數據（見表2）。

表2 不同打磨程度下電纜絕緣擊穿場強結果

通過觀察不同打磨程度下電纜絕緣的表面形貌和測量其擊穿場強，我們發現：

1.隨著砂紙目數的增加，電纜絕緣表面的粗糙度逐漸減小，表面打磨程度逐漸增加。這有助于減小電流在絕緣材料表面的分布不均勻性，提高電纜的安全性能。

2.隨著砂紙目數的增加，電纜絕緣的擊穿場強逐漸增加。其中，400 目和600 目砂紙打磨后的電纜絕緣擊穿場強差別不大，而800 目、1000 目和1200 目砂紙打磨后的電纜絕緣擊穿場強逐漸增加，且增加幅度逐漸減小。這表明過度打磨會破壞電纜絕緣材料的表面結構，導致表面出現裂紋、凹槽等缺陷，從而影響其耐壓強度和擊穿場強。

3 機理研究

打磨程度影響電纜絕緣擊穿場強的可能機理主要包括表面物理效應、電場分布變化化學成分及分子結構。

1.表面物理效應：適度的打磨可以減小電纜絕緣材料表面的粗糙度，增加表面的光滑度和平整度。這可以減小電流在絕緣材料表面的分布不均勻性，降低絕緣材料內部的熱量積累，從而降低其熱老化速度，提高電纜的安全性能。同時，打磨還可以去除電纜絕緣材料表面的雜質和毛刺，減少因雜質和毛刺引起的局部電場集中現象，進一步提高電纜的擊穿場強。

2.電場分布變化：電纜絕緣材料表面打磨后，表面光滑度的增加可以使得電場分布更加均勻，降低電場集中程度，從而降低電纜的電場應力。此外，適度打磨還可以使電纜絕緣材料表面產生一定的微觀結構變化，如微小凹槽和裂紋等，這些結構可以作為電場畸變的緩沖區，進一步改善電場分布，提高電纜的擊穿場強。

3.化學成分及分子結構：打磨程度還可能影響電纜絕緣材料的化學成分和分子結構。在某些情況下，打磨可能會去除絕緣材料表面的污染層或氧化層，暴露出新鮮的化學成分和分子結構，從而影響其擊穿場強。此外，打磨還可能改變絕緣材料表面的化學成分和分子結構，進而影響其電氣性能和擊穿場強。

綜上所述，打磨程度對電纜絕緣擊穿場強的影響涉及多個復雜的機理[5]，包括表面物理效應、電場分布變化以及化學成分和分子結構等。這些機理相互關聯、相互影響，共同決定了打磨程度對電纜絕緣性能的影響。因此，在未來的研究中，需要綜合考慮這些因素，深入研究各個因素之間的相互作用，以更全面地理解打磨程度對電纜絕緣性能的影響。

4 結論與展望

本文研究了打磨程度對交聯聚乙烯電纜絕緣擊穿場強的影響。通過觀察不同打磨程度下的電纜絕緣表面形貌和測量其擊穿場強，發現適度的打磨可以減小電流在絕緣材料表面的分布不均勻性，改善電場分布，從而提高電纜的擊穿場強。然而，過度打磨可能會破壞絕緣材料的表面結構，導致其耐壓強度和擊穿場強下降。

對于未來的研究，本文建議進一步關注以下方面：

1.實驗研究：可以嘗試使用不同類型和規格的電纜絕緣材料，以及不同類型和粒度的砂紙進行實驗。這有助于更全面地研究打磨程度對電纜絕緣性能的影響，并有可能發現其他影響機理。

2.表面處理技術：可以引入其他表面處理技術，如拋光、研磨等，以對比研究其對電纜絕緣性能的影響。這有助于了解各種表面處理技術的優缺點，為實際應用提供更多選擇。

3.在實際應用中的考量：應考慮如何合理選擇和使用打磨處理技術，以提高電纜的整體性能和安全性。例如，在電纜設計和制造過程中，可以根據實際應用場景選擇合適的打磨程度和表面處理技術，以達到最佳的擊穿場強和電氣性能。

4.長期性能和老化效應：未來的研究可以關注打磨處理對電纜絕緣長期性能和老化效應的影響。通過觀察不同打磨程度下電纜絕緣在長期運行過程中的性能變化，以及其在不同環境條件下的老化過程，可以更全面地了解打磨處理對電纜絕緣性能的影響，為實際應用提供更多參考。

5.系統性和綜合研究：未來的研究可以關注不同因素之間相互作用對電纜絕緣性能的影響，并進行系統性和綜合研究。例如，可以研究打磨處理與其他表面處理技術、不同材料和添加劑等因素之間的相互作用，以及這些因素對電纜絕緣性能的綜合影響。這有助于更全面地了解電纜絕緣材料的性能，并為電纜設計和制造提供更多有益的參考。

總之，本文研究了打磨程度對交聯聚乙烯電纜絕緣擊穿場強的影響。未來研究應進一步關注更深入的實驗研究以及在實際應用中的考量，以期為電纜設計和制造提供更多有益的參考。同時，還應注意長期性能和老化效應、系統性和綜合研究以及應用領域的拓展等方面的研究，以更全面地了解打磨處理對電纜絕緣性能的影響。