高壓電纜輸電具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗的特點(diǎn)，是城市輸電、跨江跨河、海上輸電的核心電氣設(shè)備，被譽(yù)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“血管”。高壓電纜電壓等級(jí)與輸送容量不斷提高，截至2019年，66kV及以上高壓交流電纜在運(yùn)里程已達(dá)到8.6萬km，并以每年7%的增長(zhǎng)率快速發(fā)展；根據(jù)國(guó)家能源規(guī)劃預(yù)測(cè)，到2050年我國(guó)全社會(huì)用電量將翻一番，高壓交流電纜運(yùn)行里程將超過20萬km。
基于直流電纜的柔性直流輸電是新能源發(fā)電規(guī)�；�、跨海互聯(lián)的重要手段。近年來，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了高壓直流電纜在電壓等級(jí)上從±160kV至±500kV的跨越發(fā)展，直流電纜輸電工程建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期。
半導(dǎo)電屏蔽層作為高壓電纜必不可少的組成部分，通過三層共擠技術(shù)緊密包圍在絕緣層內(nèi)外。內(nèi)、外半導(dǎo)電層分別與電纜導(dǎo)體、金屬屏蔽層形成等電位，使得絕緣與高壓電位、地電位之間形成光滑界面，起到消除金屬導(dǎo)體表面毛刺或凸起、均勻界面電場(chǎng)分布、抑制局部場(chǎng)強(qiáng)過高、防止局部放電的作用。
半導(dǎo)電屏蔽材料一般由基體樹脂、導(dǎo)電填料、交聯(lián)劑、抗氧劑及其他加工助劑組成，通過擠壓成型制成半導(dǎo)電層。目前，我國(guó)高壓交直流電纜用半導(dǎo)電屏蔽復(fù)合材料長(zhǎng)期依賴國(guó)外進(jìn)口（陶氏化學(xué)和北歐化工等），受制于人，每年進(jìn)口高壓電纜半導(dǎo)電屏蔽料超1.2萬t，花費(fèi)3~4億元，成為電工材料領(lǐng)域“卡脖子”的關(guān)鍵問題，對(duì)我國(guó)高壓電纜發(fā)展和輸電安全構(gòu)成極大威脅。
半導(dǎo)電屏蔽層主要指標(biāo)包括表面光滑度、體積電阻率、溫度-電阻系數(shù)以及力學(xué)性能（如抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、熱延伸、熱變形）等。相關(guān)國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范對(duì)半導(dǎo)電屏蔽層表面光滑度、體積電阻率提出明確要求，見表1。
①表面光滑度：GB/T 18890.1—2015等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)110~500kV高壓電力電纜半導(dǎo)電屏蔽層界面提出要求，半導(dǎo)電屏蔽層與絕緣層的界面上應(yīng)無大于0.05mm的微孔和大于0.08mm的突起。
②半導(dǎo)電特性：根據(jù)IEC—62067標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力電纜用半導(dǎo)電屏蔽層的要求，在導(dǎo)體溫度時(shí)，老化前后內(nèi)屏蔽層的電阻不得超過1000Ωm，外屏蔽層不得超過500Ωm。JB/T 10738—2007對(duì)35kV及以下電纜半導(dǎo)電屏蔽料在20℃及90℃時(shí)的體積電阻率進(jìn)行了規(guī)定，在20℃時(shí)體積電阻率不高于1Ωm，90℃時(shí)的體積電阻率不高于100Ωm或50Ωm。
半導(dǎo)電屏蔽復(fù)合材料通過在聚合物基體中添加導(dǎo)電炭黑、碳納米管、其他金屬導(dǎo)電填料等獲得半導(dǎo)電特性，其導(dǎo)電性能與導(dǎo)電填料的類型和填充量、聚合物基體類型以及填料在聚合物基體中的分散情況等密切相關(guān)。其導(dǎo)電機(jī)理可分為以下幾種。
1.1 隧穿理論
聚合物基體中的導(dǎo)電填料隨機(jī)分散形成分布導(dǎo)電區(qū)域，載流子（包括電子和空穴）在庫(kù)侖力作用下發(fā)生局部遷移。
當(dāng)導(dǎo)電填料含量較少時(shí)，導(dǎo)電填料之間的平均距離較大，載流子難以在填料間發(fā)生連續(xù)定向遷移，導(dǎo)電性能主要受聚合物基體中隧穿效應(yīng)的影響。此時(shí)，復(fù)合材料中的載流子通過熱振動(dòng)越過填料間隙的勢(shì)壘躍遷至鄰近導(dǎo)電粒子，從而形成的隧道電流導(dǎo)電。當(dāng)微粒的德布羅意波長(zhǎng)接近量子勢(shì)壘時(shí)，載流子將以波動(dòng)行為穿過勢(shì)壘。一般認(rèn)為，當(dāng)局域電場(chǎng)強(qiáng)度大于100MV/m時(shí)，且導(dǎo)電粒子（如炭黑）聚集體間距小于等于100(1=10-10m)，即會(huì)產(chǎn)生隧穿效應(yīng)。
1.2 場(chǎng)致發(fā)射理論
粒子間存在數(shù)納米寬的界面勢(shì)壘，當(dāng)聚合物基體中的導(dǎo)電填料表面場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到107V/cm時(shí)，填料中的電子有很大的概率通過界面勢(shì)壘，發(fā)射到與之臨近的導(dǎo)電粒子上，產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射電流實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，即出現(xiàn)所謂場(chǎng)致發(fā)射現(xiàn)象。場(chǎng)致發(fā)射理論可認(rèn)為是隧道效應(yīng)的一種特殊形式，局限性較大。
1.3 逾滲理論
當(dāng)導(dǎo)電炭黑填充含量達(dá)到一定閾值時(shí)，局部的導(dǎo)電填料直接接觸或間距非常小（＜1nm)時(shí)，可以相互連接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，電子在外電場(chǎng)作用下通過導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在復(fù)合材料內(nèi)部移動(dòng)形成通道電流。導(dǎo)電填料含量和形貌對(duì)體積電阻率的影響如圖1所示。
由圖1可知，體積電阻率隨導(dǎo)電填料含量的增加呈指數(shù)型減小，此時(shí)，導(dǎo)電填料之間相互接觸，載流子沿逾滲路徑傳輸。而當(dāng)填料為高長(zhǎng)徑比的碳納米管時(shí)，導(dǎo)電填料更容易形成逾滲路徑，從而使得逾滲閾值大幅降低。
