引言
高压电缆作为能源传输的重要方式在智能电网和特高压工程中发挥着极其重要的作用。诺贝尔物理学奖获得者费恩曼在他的物理讲义第二卷中写道：这些小小的铜棒(电缆)，把一条大河的动力都载上了。近些年，我国高压电缆快速发展，张北柔直输电示范工程中投入使用的535kV直流电缆是世界上电压等级最高且输送能力最大的交联聚乙烯(crosslinkedpolyethylene，XLPE)直流电缆。我国高压电缆输电工程和电缆制造技术快速发展的同时，高端电缆绝缘料和半导电屏蔽料却长期被国外垄断，存在较多技术壁垒。目前，国内110kV及以上直流电缆绝缘料和半导电屏蔽料研发取得了较大突破，但仍然严重依赖国外进口，高端电缆料已成为制约我国现代电网发展的卡脖子问题。
1导电机理与PTC效应
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100Å(1Å=10-10m)，即会产生隧穿效应。
1.2PTC与NTC效应
通常，绝缘材料的体积电阻率随着温度的升高而减小，即表现为负温度电阻系数（NTC）效应。而半导电复合材料在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，特别是接近熔点Tm时。常以90℃下电阻率（或最大电阻率）与20℃下电阻率比值作为PTC系数。当温度继续升高并高于熔点时，体积电阻率开始随温度升高而降低，呈现NTC特性。体积电阻率最大值所对应的温度称为临界温度Tc，其与聚合物基体熔点Tm接近。图1为半导电复合材料体积电阻率与温度关系的示意图。
图1温度对半导电复合材料体积电阻率的影响
温度升高导致聚合物基体体积膨胀，增大了导电填料相邻聚集体的间隙；且这种现象在温度接近熔点时尤为明显，导致导电填料聚集体之间距离急剧增加，打破了原有的导电网络，从而抑制逾渗和隧道导电过程，是导致PTC效应的主要原因。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。
2高压电缆半导电屏蔽料的关键问题
1）如何实现半导电屏蔽料的超光滑性。由于半导电屏蔽层中含有很微小的炭黑，容易在半导电屏蔽层表面形成凸起，尤其是在高温下半导电屏蔽层中的炭黑容易向绝缘层渗入，影响半导电屏蔽层–绝缘层界面状态。在高压电缆标准中对半导电屏蔽层与绝缘层界面微孔和凸起有专门的规定。2）如何在半导电屏蔽层内部构建稳定的导电网络，降低正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)效应。电缆用半导电屏蔽料要求室温下电阻率低于100Ω·cm，但当超过一定温度时，电阻率呈增长趋势，出现正温度系数效应。高压电缆要求半导电屏蔽层在工作温度70℃或90℃下电阻率低于1000Ω·cm。3）针对直流电缆背景，内半导电屏蔽层如何影响绝缘层电荷注入和积聚特性。内半导电屏蔽层位于导体和金属线芯之间，实验研究表明，其性能会影响绝缘层内部电荷积聚，但半导电层对绝缘层空间电荷的注入影响机理有待深入研究。
3半导电垫层设计
方案1:本设计选用半导电阻水带+半导电缓冲阻水带作为金属套下的缓冲垫层，双面半导电阻水带作为内层垫层，可以避免电缆反复热循环后缆芯与阻水垫层产生间隙。分别在2，4，6kg不同压力下，测量半导电缓冲阻水带和双面半导电阻水带的体积电阻率。经过受压后缓冲阻水带的体积电阻率随压力增大而减小，双面半导电阻水带挤压后体积电阻率变化甚微。因此，将双面半导电阻水带放于内层，外层为缓冲阻水带，阻水带绕包方式采用重叠绕包到达一定的垫层厚度，既能满足吸收绝缘的热膨胀量，又能保证与铝套圆周方向保持面接触。方案2:对于平滑铝套结构电缆是否采用半导电铜丝编织布带，利用COMSOL仿真分析软件分别对垫层结构为半导电阻水带+半导电缓冲阻水带和半导电阻水带+半导电铜丝编织布的220kV平滑铝套模型电缆进行电场分析。半导电阻水带垫层、铜丝编织布垫层与平铝套界面的最大电场度基本一致，考虑到阻水的半导电铜丝编织带的阻水粉涂覆在表面，表面的阻水粉吸潮后会与铝套发生电化学反应，因此采用非阻水的半导电铜丝编织带。
4半导电屏蔽层关键性能参数
4.1体积电阻率
依据我国标准GB/T18890.2—2015，高压电缆用半导电屏蔽料室温下电阻率低于100Ω·cm。经分析可知，25~30℃区间内，半导电屏蔽层电阻率约为40Ω·cm，电阻率随着温度的升高而增大。半导电复合材料中导电物质主要是CB粒子，在低温时CB粒子能够形成稳定的导电网络。但当超过某一温度时，基体发生膨胀，导电网络逐渐被破坏，导致电阻率急剧增大。
4.2皱纹铝套结构
国家标准GB/T18890—2015中规定“缓冲层是半导电的，以使绝缘半导电屏蔽层与金属屏蔽层保持电气上的良好接触”，没有明确接触的状态，各个公司在制定电缆工艺时，铝套波谷与缓冲层设计基本是点接触、线接触为主，而AEICCS9-15标准对缓冲层与金属层接触要求为金属屏蔽层/金属护套应与其下面的半导电层连续地或频繁地(对于皱纹护套)电气接触，为绝缘充电和泄漏电流、中性线电流、相不平衡电流、故障电流和浪涌电流提供一个同一中心的导电路径。只有保证铝套四周都与缓冲层面接触，才能保证径向电流是在各个方面都有路径，除铅套电缆外，平滑铝套结构比皱纹铝套结构更能满足并保证给6种电流提供1个同一中心的导电路径。
5相关注意事项
在高压电缆施工过程中，需要把握好以下事宜。第一，在敷设电缆前，需要充分勘查路径，制定施工措施，尤其是存在顶管的电缆通道。如果现场条件满足要求，可以将电缆在顶管入口按照两边的方式开展敷设。该情况下，输送机能够顺利将电缆送入管道的两端，之后启动牵引机，有效避免牵引绳损坏顶管管道对电缆造成损伤。第二，在工程施工中，没有在规定时间内进行交流耐压试验，而是以工频系统直接对电缆充电。对于该种情况，在实际操作中存在一定的风险，需要能够积极做好试验设备的改进处理，以保证能够满足试验需求，并在确保完成交流耐压试验后再进行送电处理。第三，在电缆施工中，环境的清洁与否将直接关系到接头安装质量。实际工程安装中经常会存在防护棚搭设过于简单、防尘效果不佳以及操作不便等情况。可以做好成型安装支架的制作，制作具有高质量、多次使用且可拆装的防护棚，以有效解决清洁问题。
结束语
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。
参考文献
[1] 李忠磊,赵宇彤,韩涛,杜伯学.高压电缆半导电屏蔽材料研究进展与展望[J].电工技术学报,2022,37(09):2341-2354.
[2] 夏云海,侯虹剑,张建民,付长琦,谢书鸿,黄秋香.一种新型金属屏蔽形式的平滑铝套高压电缆研制[J].电线电缆,2022(01):10-15+18.
[3] 李国倡,魏艳慧,雷清泉,郝春成.高压电缆半导电屏蔽料关键问题及研究进展[J].中国电机工程学报,2022,42(04):1271-1285.
[4]谢坤,张伟,张杰,李鸿泽,柏仓,张传升,任成燕,邵涛.高压电缆附件绝缘理化性能与电气特性研究[J].电工电能新技术,2022,41(01):8-16.
[5]潘薇.110kV高压电缆施工难点及技术改进[J].中国高新科技,2021(24):19-20.
