高压电缆输电具有远距离、大容量、低损耗的特点，是城市输电、跨江跨河、海上输电的核心电气设备，被誉为国民经济的“血管”。高压电缆电压等级与输送容量不断提高，截至2019年，66kV及以上高压交流电缆在运里程已达到8.6万km，并以每年7%的增长率快速发展；根据国家能源规划预测，到2050年我国全社会用电量将翻一番，高压交流电缆运行里程将超过20万km。

基于直流电缆的柔性直流输电是新能源发电规模化利用、跨海互联的重要手段。近年来，我国实现了高压直流电缆在电压等级上从±160kV至±500kV的跨越发展，直流电缆输电工程建设进入快速发展期。

半导电屏蔽层作为高压电缆必不可少的组成部分，通过三层共挤技术紧密包围在绝缘层内外。内、外半导电层分别与电缆导体、金属屏蔽层形成等电位，使得绝缘与高压电位、地电位之间形成光滑界面，起到消除金属导体表面毛刺或凸起、均匀界面电场分布、抑制局部场强过高、防止局部放电的作用。

半导电屏蔽材料一般由基体树脂、导电填料、交联剂、抗氧剂及其他加工助剂组成，通过挤压成型制成半导电层。目前，我国高压交直流电缆用半导电屏蔽复合材料长期依赖国外进口（陶氏化学和北欧化工等），受制于人，每年进口高压电缆半导电屏蔽料超1.2万t，花费3~4亿元，成为电工材料领域“卡脖子”的关键问题，对我国高压电缆发展和输电安全构成极大威胁。

半导电屏蔽层主要指标包括表面光滑度、体积电阻率、温度-电阻系数以及力学性能（如抗拉强度、断裂伸长率、热延伸、热变形）等。相关国际、国家标准与技术规范对半导电屏蔽层表面光滑度、体积电阻率提出明确要求，见表1。

①表面光滑度：GB/T 18890.1—2015等标准对110~500kV高压电力电缆半导电屏蔽层界面提出要求，半导电屏蔽层与绝缘层的界面上应无大于0.05mm的微孔和大于0.08mm的突起。

②半导电特性：根据IEC—62067标准对电力电缆用半导电屏蔽层的要求，在导体温度时，老化前后内屏蔽层的电阻不得超过1000Ωm，外屏蔽层不得超过500Ωm。JB/T 10738—2007对35kV及以下电缆半导电屏蔽料在20℃及90℃时的体积电阻率进行了规定，在20℃时体积电阻率不高于1Ωm，90℃时的体积电阻率不高于100Ωm或50Ωm。

1 导电机理与PTC效应

半导电屏蔽复合材料通过在聚合物基体中添加导电炭黑、碳纳米管、其他金属导电填料等获得半导电特性，其导电性能与导电填料的类型和填充量、聚合物基体类型以及填料在聚合物基体中的分散情况等密切相关。其导电机理可分为以下几种。

1.1 隧穿理论

聚合物基体中的导电填料随机分散形成分布导电区域，载流子（包括电子和空穴）在库仑力作用下发生局部迁移。

当导电填料含量较少时，导电填料之间的平均距离较大，载流子难以在填料间发生连续定向迁移，导电性能主要受聚合物基体中隧穿效应的影响。此时，复合材料中的载流子通过热振动越过填料间隙的势垒跃迁至邻近导电粒子，从而形成的隧道电流导电。当微粒的德布罗意波长接近量子势垒时，载流子将以波动行为穿过势垒。一般认为，当局域电场强度大于100MV/m时，且导电粒子（如炭黑）聚集体间距小于等于100(1=10-10m)，即会产生隧穿效应。

1.2 场致发射理论

粒子间存在数纳米宽的界面势垒，当聚合物基体中的导电填料表面场强达到107V/cm时，填料中的电子有很大的概率通过界面势垒，发射到与之临近的导电粒子上，产生场致发射电流实现导电，即出现所谓场致发射现象。场致发射理论可认为是隧道效应的一种特殊形式，局限性较大。

1.3 逾渗理论

当导电炭黑填充含量达到一定阈值时，局部的导电填料直接接触或间距非常小（＜1nm)时，可以相互连接形成导电网络，电子在外电场作用下通过导电网络在复合材料内部移动形成通道电流。导电填料含量和形貌对体积电阻率的影响如图1所示。

由图1可知，体积电阻率随导电填料含量的增加呈指数型减小，此时，导电填料之间相互接触，载流子沿逾渗路径传输。而当填料为高长径比的碳纳米管时，导电填料更容易形成逾渗路径，从而使得逾渗阈值大幅降低。