交联聚乙烯电缆绝缘打磨程度对击穿场强的影响

刘金龙，冀 然，吴建旺，焦玉涛

（1.北京卓越电力建设有限公司，北京 100020； 2.国网北京市电力公司电缆分公司，北京 100020）

交联聚乙烯电缆是一种常见的电力传输介质，其绝缘材料性能对电缆的安全运行至关重要。击穿场强是衡量电缆绝缘材料性能的重要参数之一，它代表了电缆在一定电压作用下不发生电击穿的最大场强。许多因素会影响电缆绝缘的击穿场强，其中包括电缆绝缘材料的种类、制造工艺、表面处理等因素。本文将重点研究交联聚乙烯电缆绝缘打磨程度对击穿场强的影响。

1 交联聚乙烯电缆研究现状

1.1 交联聚乙烯电缆的特点和应用

交联聚乙烯（XLPE）电缆是一种广泛应用于电力系统的电缆类型[1]。其特点包括优异的电气性能、耐高温性能、耐化学腐蚀、低介电常数等。此外，XLPE电缆的制造工艺简单，成本较低，且易于安装和维护。因此，XLPE 电缆在电力系统中的应用非常广泛，包括输电、配电等各个领域。

1.2 电缆绝缘材料的研究现状

电缆绝缘材料是保证电缆安全运行的关键因素之一。随着电力系统的不断发展，对电缆绝缘材料的要求也越来越高。目前，电缆绝缘材料的研究主要集中在以下几个方面：电气性能、耐高温性能、耐化学腐蚀性能以及机械性能等。其中，电气性能是最基本也是最重要的性能指标之一，包括绝缘电阻、介质损耗因数、介电常数等。耐高温性能是指电缆绝缘材料在高温下能够保持稳定的性能，耐化学腐蚀性能是指电缆绝缘材料能够抵抗化学物质的侵蚀。机械性能是指电缆绝缘材料在受到外力作用时能够保持稳定的性能。

1.3 打磨程度对电缆绝缘性能的影响及研究现状

在电缆生产和安装过程中，需要对电缆绝缘材料进行打磨处理，以去除表面的杂质和毛刺等。然而，打磨程度对电缆绝缘性能的影响一直是一个备受关注的问题[2]。适度的打磨可以改善电缆绝缘材料的表面状态，提高其电气性能和耐高温性能，从而提高电缆的击穿场强。但是，过度打磨可能会破坏绝缘材料的表面结构，导致其耐压强度和击穿场强下降[3]。

目前，国内外研究者对打磨程度对电缆绝缘性能的影响进行了广泛的研究。一些研究表明，适度的打磨可以减小电流在绝缘材料表面的分布不均匀性，改善电场分布[4]，从而提高电缆的击穿场强。但也有一些研究表明，过度打磨可能会破坏绝缘材料的表面结构，导致其耐压强度和击穿场强下降。此外，打磨还可能影响电缆绝缘材料的表面粗糙度和微观结构等，这些因素也可能对电缆的电气性能和击穿场强产生影响。

在研究打磨程度对电缆绝缘性能的影响时，还需要考虑其他影响因素的作用。例如，电缆绝缘材料的种类、制造工艺、老化过程等都可能对其电气性能和击穿场强产生影响。此外，电缆的电压等级、运行环境等也会对其电气性能和击穿场强产生影响。因此，在研究打磨程度对电缆绝缘性能的影响时，需要综合考虑这些因素，以得出更准确和全面的结论。

2 实验

2.1 实验材料与方法

实验所选的交联聚乙烯电缆和打磨工具（砂纸）的介绍：

本实验选用市面上常见的规格为Φ10mm×100m 的交联聚乙烯电缆，其绝缘材料为XLPE。所选用的打磨工具为不同目数的砂纸（400 目、600 目、800 目、1000目和1200目），以便实现对电缆绝缘材料不同程度打磨。

实验方法的详细说明：

1.样品制备：选取长度为1m 的电缆绝缘材料，分别使用不同目数的砂纸对其进行打磨，每种目数的砂纸打磨后的样品数量为5 个，共计25 个。打磨过程中保证室温、干燥环境，避免水、油等杂质影响实验结果。

2.实验设备：准备高压电源、电压表、电流表、电缆夹具、表面形貌仪等设备，以确保实验过程的安全性和准确性。

3.实验步骤：

（1）将打磨好的电缆绝缘样品放置在电缆夹具中，注意确保样品固定稳定。

（2）通过高压电源逐渐增加电压，记录每个样品在击穿时的电压值，即击穿场强。

（3）对击穿的样品使用表面形貌仪进行表面形貌观察，以分析打磨程度对击穿场强的影响。

（4）对每个目数的砂纸打磨的样品进行相同步骤的实验操作，以获得完整的实验数据。

4.数据处理与分析：对比不同打磨程度下的电缆绝缘击穿场强数据，分析打磨程度对电缆绝缘击穿场强的影响。利用表格和图表展示实验结果，并进行讨论。

5.注意事项：

（1）在实验过程中要保证电压的逐渐增加，避免瞬间高压导致电缆绝缘击穿。

（2）控制好打磨时间，避免过度打磨导致电缆绝缘材料受损。

（3）确保实验过程中环境条件的稳定，以避免外界因素影响实验结果。

2.2 实验结果与分析

2.2.1 不同打磨程度下电缆绝缘的表面形貌观察

通过使用表面形貌仪对不同打磨程度下的电缆绝缘样品进行观察，得到的结果见表1。

表1 不同打磨程度下电缆绝缘表面形貌观察结果

从表1 中的数据可以看出，随着砂纸目数的增加，电缆绝缘表面的粗糙度逐渐减小，说明表面打磨程度逐渐增加。

2.2.2 打磨程度对电缆绝缘击穿场强的具体影响

通过实验我们得到了不同打磨程度下电缆绝缘的击穿场强数据（见表2）。

表2 不同打磨程度下电缆绝缘击穿场强结果

通过观察不同打磨程度下电缆绝缘的表面形貌和测量其击穿场强，我们发现：

1.随着砂纸目数的增加，电缆绝缘表面的粗糙度逐渐减小，表面打磨程度逐渐增加。这有助于减小电流在绝缘材料表面的分布不均匀性，提高电缆的安全性能。

2.随着砂纸目数的增加，电缆绝缘的击穿场强逐渐增加。其中，400 目和600 目砂纸打磨后的电缆绝缘击穿场强差别不大，而800 目、1000 目和1200 目砂纸打磨后的电缆绝缘击穿场强逐渐增加，且增加幅度逐渐减小。这表明过度打磨会破坏电缆绝缘材料的表面结构，导致表面出现裂纹、凹槽等缺陷，从而影响其耐压强度和击穿场强。

3 机理研究

打磨程度影响电缆绝缘击穿场强的可能机理主要包括表面物理效应、电场分布变化化学成分及分子结构。

1.表面物理效应：适度的打磨可以减小电缆绝缘材料表面的粗糙度，增加表面的光滑度和平整度。这可以减小电流在绝缘材料表面的分布不均匀性，降低绝缘材料内部的热量积累，从而降低其热老化速度，提高电缆的安全性能。同时，打磨还可以去除电缆绝缘材料表面的杂质和毛刺，减少因杂质和毛刺引起的局部电场集中现象，进一步提高电缆的击穿场强。

2.电场分布变化：电缆绝缘材料表面打磨后，表面光滑度的增加可以使得电场分布更加均匀，降低电场集中程度，从而降低电缆的电场应力。此外，适度打磨还可以使电缆绝缘材料表面产生一定的微观结构变化，如微小凹槽和裂纹等，这些结构可以作为电场畸变的缓冲区，进一步改善电场分布，提高电缆的击穿场强。

3.化学成分及分子结构：打磨程度还可能影响电缆绝缘材料的化学成分和分子结构。在某些情况下，打磨可能会去除绝缘材料表面的污染层或氧化层，暴露出新鲜的化学成分和分子结构，从而影响其击穿场强。此外，打磨还可能改变绝缘材料表面的化学成分和分子结构，进而影响其电气性能和击穿场强。

综上所述，打磨程度对电缆绝缘击穿场强的影响涉及多个复杂的机理[5]，包括表面物理效应、电场分布变化以及化学成分和分子结构等。这些机理相互关联、相互影响，共同决定了打磨程度对电缆绝缘性能的影响。因此，在未来的研究中，需要综合考虑这些因素，深入研究各个因素之间的相互作用，以更全面地理解打磨程度对电缆绝缘性能的影响。

4 结论与展望

本文研究了打磨程度对交联聚乙烯电缆绝缘击穿场强的影响。通过观察不同打磨程度下的电缆绝缘表面形貌和测量其击穿场强，发现适度的打磨可以减小电流在绝缘材料表面的分布不均匀性，改善电场分布，从而提高电缆的击穿场强。然而，过度打磨可能会破坏绝缘材料的表面结构，导致其耐压强度和击穿场强下降。

对于未来的研究，本文建议进一步关注以下方面：

1.实验研究：可以尝试使用不同类型和规格的电缆绝缘材料，以及不同类型和粒度的砂纸进行实验。这有助于更全面地研究打磨程度对电缆绝缘性能的影响，并有可能发现其他影响机理。

2.表面处理技术：可以引入其他表面处理技术，如抛光、研磨等，以对比研究其对电缆绝缘性能的影响。这有助于了解各种表面处理技术的优缺点，为实际应用提供更多选择。

3.在实际应用中的考量：应考虑如何合理选择和使用打磨处理技术，以提高电缆的整体性能和安全性。例如，在电缆设计和制造过程中，可以根据实际应用场景选择合适的打磨程度和表面处理技术，以达到最佳的击穿场强和电气性能。

4.长期性能和老化效应：未来的研究可以关注打磨处理对电缆绝缘长期性能和老化效应的影响。通过观察不同打磨程度下电缆绝缘在长期运行过程中的性能变化，以及其在不同环境条件下的老化过程，可以更全面地了解打磨处理对电缆绝缘性能的影响，为实际应用提供更多参考。

5.系统性和综合研究：未来的研究可以关注不同因素之间相互作用对电缆绝缘性能的影响，并进行系统性和综合研究。例如，可以研究打磨处理与其他表面处理技术、不同材料和添加剂等因素之间的相互作用，以及这些因素对电缆绝缘性能的综合影响。这有助于更全面地了解电缆绝缘材料的性能，并为电缆设计和制造提供更多有益的参考。

总之，本文研究了打磨程度对交联聚乙烯电缆绝缘击穿场强的影响。未来研究应进一步关注更深入的实验研究以及在实际应用中的考量，以期为电缆设计和制造提供更多有益的参考。同时，还应注意长期性能和老化效应、系统性和综合研究以及应用领域的拓展等方面的研究，以更全面地了解打磨处理对电缆绝缘性能的影响。