高压电缆半导电屏蔽材料研究进展与展望

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。

相关国际、国家标准与技术规范中高压电缆半导电屏蔽层表面光滑度与体积电阻率相关要求

注：IEC—62067标准中半导电屏蔽层老化条件为正常工作导体最高温度±2℃老化7天，其他标准中老化条件为（100±2）℃老化7天。

本文阐述了半导电屏蔽复合材料的导电机理及正温度系数与负温度系数效应，分析了炭黑填料对表面光滑度的影响，综述了不同类型屏蔽层和聚合物基体和导电填料对半导电屏蔽复合材料体积电阻率及PTC效应的影响规律和机理。针对高压直流电缆屏蔽复合材料，讨论了其对绝缘空间电荷注入的影响。最后，剖析了国产屏蔽料的现有局限与不足，展望了高压电缆半导电屏蔽复合材料的发展趋势与方向。

一、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。

通常，半导电复合材料在20~90℃的温度区间内，体积电阻率随温度升高而逐渐增大，即呈现正温度电阻系数（PTC）特性。目前普遍认为PTC效应取决于导电填料的类型和聚合物基体的特征，包括化学结构、结晶、加工条件和热历史。当温度超过熔点时，基体发生熔融从而具有流动性，使得导电填料能够在电场作用下重新排列形成新的导电网络，即电泳效应，从而加速载流子的输运，导致宏观体积电阻率减小。高压交、直流电缆额定运行温度为90℃或70℃，处于半导电复合材料的PTC区域，因此高压电缆用半导电复合材料的额定运行温度、体积电阻率与PTC系数调控是研究关键之一。

二、半导电屏蔽层表面光滑度

表面光滑度是评价半导电屏蔽层性能的重要指标。表面光滑度越高，半导电屏蔽层均匀电场的能力越强。

炉法炭黑和乙炔炭黑是电力电缆半导电屏蔽层中常用的导电填料。炉法炭黑是由烃类石油或天然气的氧化物制备的，是传统的半导电屏蔽料填料。乙炔炭黑是由乙炔气体连续热分解制备而成，其与炉法炭黑相比纯度更高，杂质更少，是超光滑半导电屏蔽料的主要填料。

采用白光干涉三维表面轮廓扫描技术对比了进口和国产220kV高压电缆半导电屏蔽层表面形态，扫描面积为1.22×0.95mm²。可见，进口半导电屏蔽料最大突起高度为1.28 μm；相比于进口半导电屏蔽料样品，国产半导电屏蔽料样品表面可观察到大量“针状”突起，即曲率半径很小的尖峰状表面突起，且最大突起高度达到11.62μm，表明国产半导电屏蔽料样品表面光滑度仍明显差于进口半导电屏蔽料。

基于白光干涉三维表面轮廓仪的220kV高压交流电缆半导电屏蔽层表面形貌表征

三、基体对半导电特性的影响

高压电缆挤包绝缘可分为热固性绝缘（如交联聚乙烯）和热塑性绝缘（如聚丙烯）两类，因此半导电屏蔽料的聚合物基体也分为热固性和热塑性两类，以适用于绝缘、内、外半导电屏蔽层的三层共挤。基体聚合物的类型以及聚合物的分子结构对半导电复合材料的电学、力学等性能具有显著影响。

（一）热固性基体

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）和乙烯-丙烯酸丁酯共聚物（EBA）是目前常用的热固性基体树脂。EEA共聚物与XLPE绝缘结合良好，通常用于导体屏蔽和黏合型绝缘屏蔽。EVA共聚物通常用作可剥离绝缘屏蔽和一些导体屏蔽的基体。与EVA和EEA相比，EBA共聚物在填料含量高、熔融指数低的情况下具有更好的韧性。

下图为不同基体种类和炭黑含量的半导电屏蔽料在25℃和90℃时体积电阻率随基体种类的变化情况。可见，CB/EEA样品的体积电阻率与PTC系数均较低，表明炭黑在EEA基体树脂中分散性较好。此外，EBA和EEA基体树脂熔点高于EVA基体树脂，更适用于高压电缆屏蔽料基体。

EVA、EBA、EEA均为共聚物，其基体由两个或两个以上单体通过连续本体聚合或乳液过程制成。以EVA为例，EVA共聚物中的醋酸乙烯酯（VA）质量分数一般为1%~50%，具体含量取决于所需要的机械和物理性能。较高的VA含量降低了EVA共聚物的平均分子量，从而改变了共聚物的性能。

（二）热塑性基体

以热塑性聚合物为基体的半导电复合材料，在温度接近熔点时，体积电阻率随温度升高而逐渐增大，会产生显著的PTC效应；当温度继续升高时，体积电阻率随温度升高而降低，呈现NTC特性，如聚丙烯（PP）或高密度聚乙烯（HDPE）。

高压电力电缆的正常运行温度为90℃（部分高压直流电缆为70℃），但在紧急状态下导体温度将升至135℃。在这种情况下，电缆的半导电屏蔽层，特别是内屏蔽层，要经历升温和缓慢冷却的退火过程。当退火温度达到熔点以上时，导电填料会在基体中发生再分散，进而影响复合材料的PTC和NTC特性。

体积电阻率的显著增加主要与炭黑的高度团聚和HDPE中非晶区体积分数增加所产生的体积稀释效应有关。因此，对于热塑性基体，退火过程是影响其电阻率与PTC系数的关键因素之一，影响半导电屏蔽层的运行服役特性。

（三）共混物基体

半导电复合材料中导电填料具有较高的逾渗阈值。因此，需要极高浓度的导电填料才能保持导电性能。采用共混物基体树脂可引入双阈渗结构，是降低导电填料浓度的一种可行方法，如图8所示。这一概念首先被引入到炭黑共混物中，随后被证明也适用于其他碳基填料，包括碳纳米管、石墨烯等。纳米颗粒在混合基体中的分布取决于混合体系的热力学特性，而热力学特性与颗粒的尺寸、形状和化学成分有关。因此不同的聚合物会引起不同的纳米粒子界面迁移现象。当共混物基体中的某一相与碳基填料之间存在较大的结合能时，碳基填料会在该相中形成导电逾渗网络。

此外，共混体系会对半导电复合材料的力学与热学性能产生影响。因此，采用共混树脂基体时需综合考虑电气、力学与热学多性能因素。

四、导电填料对半导电特性的影响

导电填料的含量、形状、尺寸和分布情况对半导电屏蔽材料的性能有着显著影响。目前常用的导电填料为炭黑，此外，石墨、单壁/多壁碳纳米管、石墨烯纳米薄片等作为新型导电填料被广泛关注。

五、半导电复合材料对空间电荷注入的影响

高压和超高压直流交联聚乙烯电力电缆中空间电荷注入和积聚是引发电场畸变，导致绝缘老化和劣化的关键问题之一。研究人员通过在电缆绝缘材料表面涂覆石墨烯涂层，研究了石墨烯半导电屏蔽层对电极-绝缘空间电荷注入的影响。石墨烯具有带隙为零的独特物理性质，多层石墨烯带隙仅0.25eV。因此，石墨烯涂层与绝缘层之间可形成较高的界面势垒，从而影响空间电荷的注入与积累。

下图所示为XLPE样品及电极结构，高压电极侧均覆盖电缆半导电屏蔽层，样品A不对试样做任何处理，样品B在试样的半导电层侧涂覆石墨烯，相当于涂覆石墨烯的半导电屏蔽层，样品C在试样的半导电层和绝缘层侧均涂覆石墨烯。

采用电声脉冲法测量了在室温环境、电场强度+40 kV/mm下交联聚乙烯绝缘空间电荷动态特性，如下图所示。

实验结果表明，石墨烯界面涂层可提高电极—绝缘界面电荷注入势垒，有效抑制同极性空间电荷注入。上述研究仍处于实验探索阶段，对于采用三层共挤技术的高压直流电缆绝缘与半导电屏蔽层，其界面处理与调控仍难以实现，但该研究为半导电屏蔽层—绝缘层界面势垒调控提供了新的思路。

六、现有局限与不足

基于上述对半导电屏蔽料的导电填料和基体树脂的分析，国产半导电屏蔽料与进口产品相比仍具有较大差距，主要体现在：

（一）聚合物基体树脂生产工艺落后。

EBA基体树脂是高压电缆屏蔽料的发展方向，应具有较好的支链结构和炭黑填料相容性以提升半导电屏蔽层的表面光滑度。然而，目前国内不具备EBA树脂生产能力，高压电缆屏蔽料所用的EBA基体树脂全部依赖进口。目前国外北欧化工和陶氏化学生产的EBA均采用高压釜式法生产，而国内对EBA基体树脂的特性掌握尚不清楚、无完备的生产线，严重制约了我国高压电缆屏蔽料的发展和技术体系的完善。

（二）国产导电炭黑杂质含量较高。

国产半导电屏蔽料所用的炭黑性能标准不统一，乙炔炭黑的加工工艺尚不完善，所生产的屏蔽料的体积电阻率也有很大差异。目前，相比于进口炭黑填料，国产炭黑含有较多的硫、硅等杂质，且有较多的含氧官能团，在纯洁度、分散性等性能上仍差于进口材料，导致所生产的半导电屏蔽料表面光滑度、体积电阻率等参数与进口产品仍存在较大差距。

（三）热塑性电缆屏蔽料研究不足。

与传统的交联聚乙烯电力电缆相比，采用热塑性聚丙烯作为绝缘材料的高压直流电缆，具有较好的可回收性、环境友好性、更高的额定电压和运行温度等优势。因此，亟待研究并开发聚丙烯绝缘高压直流电缆用热塑性、不可剥离半导电屏蔽料，掌握屏蔽料配方体系，探究半导电屏蔽层-绝缘层空间电荷注入机制及其抑制方法。

七、结论

（一）聚合物基体和导电填料影响半导电屏蔽复合材料电学性能的因素主要包括聚合物基体与填料的相容性、聚合物基体的结晶以及共混物基体中连续相的逾渗网络改性。采用高长径比填料与炭黑填料复配是调控半导电复合材料电学性能显著且有效的方法，可以大大降低逾渗阈值并抑制PTC效果。

（二）对于高压直流电缆用半导电屏蔽材料，屏蔽-绝缘界面处的空间电荷注入和抽出特性受绝缘及半导电材料的能带结构的影响，但是半导电层与绝缘层界面处的电荷发射机理需要进一步研究，这对改进高压直流电缆的半导电屏蔽材料具有重要意义。

（三）目前我国高压半导电屏蔽料存在性能问题的主要原因是导电炭黑和聚合物基体方面均与国外有着较大差距。突破高压电缆用半导电屏蔽复合材料关键技术，是我国高压电缆领域迫切需要解决的问题之一。