高壓電纜輸電具有遠距離、大容量、低損耗的特點，是城市輸電、跨江跨河、海上輸電的核心電氣設備，被譽為國民經(jīng)濟的“血管”。高壓電纜電壓等級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里程已達到8.6萬km，并以每年7%的增長率快速發(fā)展；根據(jù)國家能源規(guī)劃預測，到2050年我國全社會用電量將翻一番，高壓交流電纜運行里程將超過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)模化利用、跨�；ヂ�(lián)的重要手段。近年來，我國實現(xiàn)了高壓直流電纜在電壓等級上從±160kV至±500kV的跨越發(fā)展，直流電纜輸電工程建設進入快速發(fā)展期。
半導電屏蔽層作為高壓電纜必不可少的組成部分，通過三層共擠技術緊密包圍在絕緣層內外。內、外半導電層分別與電纜導體、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，起到消除金屬導體表面毛刺或凸起、均勻界面電場分布、抑制局部場強過高、防止局部放電的作用。
半導電屏蔽材料一般由基體樹脂、導電填料、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電層。目前，我國高壓交直流電纜用半導電屏蔽復合材料長期依賴國外進口（陶氏化學和北歐化工等），受制于人，每年進口高壓電纜半導電屏蔽料超1.2萬t，花費3~4億元，成為電工材料領域“卡脖子”的關鍵問題，對我國高壓電纜發(fā)展和輸電安全構成極大威脅。
半導電屏蔽層主要指標包括表面光滑度、體積電阻率、溫度-電阻系數(shù)以及力學性能（如抗拉強度、斷裂伸長率、熱延伸、熱變形）等。相關國際、國家標準與技術規(guī)范對半導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等標準對110~500kV高壓電力電纜半導電屏蔽層界面提出要求，半導電屏蔽層與絕緣層的界面上應無大于0.05mm的微孔和大于0.08mm的突起。
②半導電特性：根據(jù)IEC—62067標準對電力電纜用半導電屏蔽層的要求，在導體溫度時，老化前后內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35kV及以下電纜半導電屏蔽料在20℃及90℃時的體積電阻率進行了規(guī)定，在20℃時體積電阻率不高于1Ωm，90℃時的體積電阻率不高于100Ωm或50Ωm。
半導電屏蔽復合材料通過在聚合物基體中添加導電炭黑、碳納米管、其他金屬導電填料等獲得半導電特性，其導電性能與導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。其導電機理可分為以下幾種。
1.1 隧穿理論
聚合物基體中的導電填料隨機分散形成分布導電區(qū)域，載流子（包括電子和空穴）在庫侖力作用下發(fā)生局部遷移。
當導電填料含量較少時，導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，導電性能主要受聚合物基體中隧穿效應的影響。此時，復合材料中的載流子通過熱振動越過填料間隙的勢壘躍遷至鄰近導電粒子，從而形成的隧道電流導電。當微粒的德布羅意波長接近量子勢壘時，載流子將以波動行為穿過勢壘。一般認為，當局域電場強度大于100MV/m時，且導電粒子（如炭黑）聚集體間距小于等于100(1=10-10m)，即會產生隧穿效應。
1.2 場致發(fā)射理論
粒子間存在數(shù)納米寬的界面勢壘，當聚合物基體中的導電填料表面場強達到107V/cm時，填料中的電子有很大的概率通過界面勢壘，發(fā)射到與之臨近的導電粒子上，產生場致發(fā)射電流實現(xiàn)導電，即出現(xiàn)所謂場致發(fā)射現(xiàn)象。場致發(fā)射理論可認為是隧道效應的一種特殊形式，局限性較大。
1.3 逾滲理論
當導電炭黑填充含量達到一定閾值時，局部的導電填料直接接觸或間距非常�。ǎ�1nm)時，可以相互連接形成導電網(wǎng)絡，電子在外電場作用下通過導電網(wǎng)絡在復合材料內部移動形成通道電流。導電填料含量和形貌對體積電阻率的影響如圖1所示。
由圖1可知，體積電阻率隨導電填料含量的增加呈指數(shù)型減小，此時，導電填料之間相互接觸，載流子沿逾滲路徑傳輸。而當填料為高長徑比的碳納米管時，導電填料更容易形成逾滲路徑，從而使得逾滲閾值大幅降低。
