尹克宁

前言

众所周知，H级干式变压器较之F级干式变压器，平均温升可以高出25%，所以设计时电流密度可以取得较高，从而可以相应缩小变压器的尺寸。此外，它还适用于温升较高的场所。

浸渍式H级干式变压器的出现已经差不多是半个世纪前的事了，但是，由于在早年生产这种干式变压器的绝缘的绝缘材料价格贵、防潮性能差，因此没有得到很大的发展。1964年，德国研制出环氧浇注干式变压器后，由于它所具有的一系列优点而在除美国外的世界干式变压器市场上迅速占据了主导地位。

此后，随着NOMEX纸被应用于H级干式变压器以及绝缘工艺的进步，大大提升了这种干式变压器的技术经济性能。在美国的干式变压器市场中，用NOMEX纸的H级OVDT类干式变压器却一直占据着主导地位。也就是说，迄今为止在世界干式变压器市场中，一直存在着两大体系，即以欧洲为代表的环氧浇注式以及以美国为代表的H级OVDT类干式变压器^[1]。

近年来，随着对外开放的日益发展，国外的新型H级OVDT干式变压器开始进入我国，再加上一些外资及合资企业也要求配套这类产品，使得在我国干式变压器市场中不断涌现出H级OVDT类产品。可以预见，今后随着我国加入WTO带来的国际交往的日益增加，H级干式变压器在我国干式变压器市场中所占的比重还将有所增加。下面首先就H级干式变压器的分类情况介绍如下：

（1）环氧浇注式（180℃绝缘系统）。

（2）以NOMEX纸为原料的产品（220℃绝缘系统）。

1. 浸渍式①真空压力浸渍（VPI）开敞通风式（OVDT）；②真空压力浸渍包封式（VPE，又称VDT）。

2. 非浸渍式。

（3）不用NOMEX纸的OVDT式H级干式变压器（180℃绝缘系统）。

下面将分别针对上述各种类型做进一步介绍。

1 NOMEX纸的技术性能

NOMEX纸是美国杜邦公司的专利产品，它是一芳香聚酰胺聚合物，发明于20世纪60年代。由于它具有优越的化学、机械、电气以及物理等性能，目前已被广泛应用于电气设备制造、宇航设备、劳动保护设备以及消防、环保等设备上，它的应用范围已经遍及全世界，对其技术性能简单介绍如下：

1.1 优越的电气性能

首先，NOMEX纸无论在工频或冲击下均具有较高的抗电强度，例如它的工频击穿场强为20～40kV/mm，明显高于环氧树脂；其次，从表1中几种绝缘材料的相对介电常数ε值的比较来看，NOMEX纸的ε值较低，更接近于空气，因而，当干式变压器的绝缘采用NOMEX纸时，将使绝缘体与周围空气介质间的电场分布更为均匀，从而可以紧缩其绝缘尺寸，也避免了电场的过分集中，并相应使整个绝缘结构体系更加合理，降低了局部放电量，提高了运行可靠性；另外，NOMEX纸的沿面放电起始电压与局部放电起始电压均较高，当用于干式变压器时，可使绕组与铁轭间的距离缩小，从而降低铁心柱的高度并减少铁心的重量。

表1几种绝缘材料的相对介电常数ε值

绝缘材料	空气	NOMEX	变压器油	油浸纸版	环氧树脂	玻璃纤维	普通纸纤维	聚脂类树脂、漆	聚脂薄膜	硅油
相对介电常数ε值	1	1.5～2.5	2.2	3.8～4.4	3.2～4.6	5～6	4.5	3.1～3.2	3.1	2.7

1.2 耐热温度高

这是NOMEX纸所固有的、最为突出的优点之一，它属于C级绝缘材料，在220℃的温度下，可以保持长期稳定运行。国际上公认它是属于220℃的绝缘系统（不用NOMEX纸的H级干式变压器均只能达到180℃的绝缘系统）；另外，即使温度达到250℃也不会熔融、流动和助燃，其电气性能仍可达到额定值的95%；甚至，当温度达到350℃时，仍可承受短期运行。

另外，NOMEX纸板还可承受较大的温度梯度，过载能力较强，除了适合制造H级干式变压器外，它还适合于散热条件较差的SF₆气体绝缘变压器以及要求过载能力很强的电气机车牵引变压器等。几种绝缘材料的耐热温度见表2。

表2几种可用于干式变压器绝缘材料的耐热温度

绝缘材料	NOMEX	环氧树脂	硅树脂	云母	无机复合纸	玻璃增强聚脂	聚脂类树脂
耐热温度/℃	220	130～200	180～220	220～240	130～180	130～200	105～155

1.3 牢固的机械性能

首先NOMEX纸具有很高的抗张强度与抗撕裂强度，且具有很高的抗摩擦和抗割穿性能，所以它既可以防止制造过程中出现问题，又可以保证长期运行过程中足够的机械强度；此外，它还具有很好的抗压强度，在压力作用下的变形很小且挠性很好，从而保证了在短路和其它机械应力作用下，整个线圈结构的稳定和牢固。

1.4 优良的防潮性能

NOMEX纸不吸水，具有很好的防潮性能，即使在相对湿度为95%的状态下，仍可保持90%的完全干燥时的介质强度。用它来制造的干式变压器在潮湿的环境中仍能安全地工作。

1.5 阻燃性能好 图1为3种可用于干式变压器的固体绝缘材料的限氧指数（LOI）与温度的关系，从图中可以看出NOMEX纸的限氧指数最高，在220℃时，其LOI＞20.8%，因此，其阻燃性能要优越于环氧树脂与PET薄膜。迄今，它已取得国际上许多权威机构对其耐燃性能的认证。 1.6 安全与环保性能极为突出 从NOMEX纸的化学分子结构来看，由于没有弱C-H键的存在，因而具有很好的化学稳定性。它与各种油、树脂、浸渍漆、氟碳化合物的相容性极好；它耐受电离辐射；可以经受酸、碱等的腐蚀，不受大部分化学溶剂的影响；也不会受到真菌或霉菌的侵袭。长年的实
践表明，NOMEX制品对人与动物不会产生有毒反应。即使在750℃温度下，它也不会释放有毒或腐蚀性的气体，所以当由于建筑物等起火而引发干式变压器燃烧时，它所产生的烟雾浓度也很低且无有害气体产生。

最后，从总的环保性能来看，由于用NOMEX纸为绝缘材料制造的干式变压器不仅不易燃烧，且燃烧时所释放的能量也较环氧树脂干式变压器要小得多，所以它容易满足国际上公认的燃烧试验^[2]要求。再就是在干式变压器的运行寿命终结而报废后，其绝缘材料降解物质的处理回收也要较环氧树脂更能满足环保方面的要求。因而，可以认为较之环氧树脂而言，NOMEX纸的环保性能要优越得多。

但是，应当指出的是，由于NOMEX纸的价格较高，因而用它来制造H级干式变压器时，无疑将使变压器的成本增加。

2 各类H级干式变压器的结构与技术特点

2.1环氧树脂浇注式

环氧树脂浇注式H级干式变压器与F级环氧浇注式干式变压器相比，二者在外形上很难区分，基本结构也极其相近。所不同之处，主要是要采用H级的环氧树脂，再就是导线匝绝缘要用NOMEX纸包绕，部分线圈的绝缘件要采用NOMEX纸板制造。国外早已有不少厂家制作过这类产品，我国的顺德特种变压器厂早在5年前就已生产了H级浇注式干式变压器，近年来还根据用户需要陆续生产过这类产品。

图2为美国DYNAPOWER公司的H级环氧浇注式干式变压器的剖面图，其技术特点为： （1）采用Ciba公司的H级树脂，为180℃的绝缘系统； （2）导线的匝绝缘以及线圈的有关绝缘件均采用NOMEX纸的制品； （3）低压线圈为箔式，层间绝缘为0.25mm的NOMEX纸； （4）高压线圈可以是层式，也可以是饼式，当采用层式时层间可设置风道； （5）高、低压线圈均采用模具真空浇注成型； （6）这种树脂与铜导体的热膨胀系数的相容性在这类变压器中是最好的。 总的来说，由于环氧树脂最高只能到H级，尽管导线绝缘用了属于C级的NOMEX纸，但整个变压器仍只能属于H级，即180℃的绝缘系统，因而过载能力势必受到影响，可以认为，采用环氧浇注式来制造H级干式变压器，并非最好的选择。

2.2 用NOMEX纸作原料的H级干式变压器

2.2.1 真空压力浸渍式(VPI)

真空压力浸渍式H级干式变压器是在原有的浸渍式干式变压器的基础上发展起来的，由于采用了全新的真空压力浸渍工艺，大大增加了产品的防潮性能与耐电强度，使原有浸渍式干式变压器防潮性能差这一缺点得以克服。这种变压器一般做成开敞通风式(OVDT)结构，通风散热情况较好，它采用了C级（220℃绝缘系统）的NOMEX纸来制造H级（180℃绝缘系统）的干式变压器，因而一开始这种变压器就有20%左右的过载热裕度，所以过载能力很强，再加上NOMEX纸在防火、防潮、环保、安全方面所具有的诸多优点，大大提高了它的技术性能。目前，VPI的OVDT式H级干式变压器在世界上已得到了广泛应用，其中尤其是在美国的应用最广。目前，在国内生产这种产品的主要有采用杜邦公司注册商标Reliatra-N的云南变压器厂以及江苏扬中变压器厂。图3为ABB公司的VPIOVDT式H级干式变压器的外形；图4为云南变压器厂的VPIOVDT式H级地铁用干式整流变压器的外形。这种变压器的技术特点为：

（1）高压线圈可以是饼式、层式等多种结构；

（2）线圈为开敞通风式，散热情况良好，热点温升与平均温升间的差值小，有助于长期过载能力的提高与耐受热冲击负荷；

（3）依靠良好的真空压力浸渍工艺，可保证优质的防潮性能以及低的局放值；

（4）变压器为220℃的绝缘系统，过载能力强；

（5）线圈参数可设计为低X/R结构，从而可降低突发短路时的冲击短路电流；

（6）这种结构可适用于制造多种用途的干式变压器，如配电、整流、励磁变等。

还应该指出的是，美国的国民经济与人民生活对电的依赖性极大，往往要求变压器具有很强的过载能力，因此美国的VPI及VPE类H级干式变压器，除了按IEC规定H级采用150K的温升标准外，为了增大过载能力及降低正常运行时的损耗，还规定有115K及80K 2种温升标准。当把这种H级干式变压器的温升标准订为115K时，其长期连续过负荷能力为115%（加风扇后可达153%），当其温升标准订为80K时，其长期连续过负荷能力为135%（加风扇后可达180%），具体可参见表3。

表3美国VIP及VPE类H级干式变压器的温升标准

温升标准/K	基准额定容量/kVA	150K温升的容量/kVA	加风扇冷却的容量/kVA
150 115 80	1000 1000 1000	1000 1150 1350	1333 1530 1830

2.2.2真空压力浸渍包封式（VPE或称VDT）

为了提高VPI类变压器的环保与防潮性能，在真空压力浸渍之后，再用涂有硅树脂漆（或聚脂漆）的NOMEX纸加以包封，这就形成了新的VPE类H级干式变压器，其基本结构与VPI OVDT式基本相同，绝缘材料也都是220℃的绝缘系统，据介绍美国所研制的VPE类H级干式变压器是在美国海军舰船变压器技术上发展而成的，因此防潮性能极好，且最高可容许到250℃温度下运行。图5为ABB公司的VPE类H级干式变压器外形。图6为保定天威变压器有限公司的VPE类H级干式变压器的外形。

2.2.3非浸渍式

采用NOMEX纸的非浸渍式H级干式变压器，在我国是以云南变压器厂所引进的法国塞格迈（SECURAMID）型变压器为代表，其外形如图7所示。

这种变压器目前在我国仅有云南变压器厂生产，它的结构特点为^[3]：高压线圈采用分段层式结构，可有效降低层间电压，并用NOMEX纸和一种特殊的绝缘胶缠绕、包封、固化；而低压绕圈则采用铜箔绕制，并用0.25mm的NOMEX纸作为层间绝缘，然后用同一种绝缘胶包封；高、低压绕组经高温烘熔固化后形成了一个整体，再加上绝缘胶和NOMEX纸都具有一定的弹性，这样就可以保证这种产品具有较好的机械性能和较强的抗短路能力。另外，本产品在欧洲已通过了F1级耐火能力、C2级承受热冲击能力以及E2级环境适应能力的试验，因而，可以认为本产品完全可以适应未来干式变压器发展的需要。

目前，本产品的最大容量已可制作到2500kVA。另外，云南变压器厂的产品是在昆明（海拔1890m）进行试验的，所以它能满足高原地区运行的需要。应当指出这种不浸渍的H级干式变压器之所以能够在不采用VPI技术的前提下保证具有较高的技术性能（例如局放一般在5pC左右），除了使用NOMEX纸外，如前所述主要依靠一种特殊的绝缘胶等涂层、密封材料，而这种材料目前还都必须依靠进口。

2.3 不用NOMEX纸的OVDT式H级干式变压器

以往人们曾使用过玻璃纤维、云母、电瓷以及硅漆等材料来制造H级干式变压器^[4]，后来由于NOMEX纸的出现，这种浸渍式干式变压器逐渐减少，而代之以用NOMEX纸制造H级干式变压器。但是，随着绝缘材料和工艺的进步，这种类型的浸渍式干式变压器仍在不断发展中，下面以德国迈弛公司的MORA H级干式变压器技术为代表来介绍一下这类H级干式变压器的概况，其线圈结构见图8。

这种变压器用玻璃丝布作为绕组导线的匝绝缘，采用真空浸渍漆（VI）工艺，而不是真空压力浸渍（VPI），因而工艺相对简单一些。整个绝缘系统的质量与漆有很大关系。线圈结构的另一个最大特点是线饼之间用陶瓷片来绝缘，以增加爬电距离。但是，这种陶瓷片的质量与强度对产品的可靠性影响很大，在端部与夹件之间采用绝缘纸来支撑。从绝缘材料体系来看，整个变压器属于180℃绝缘系统。

这种变压器也是开敞通风式，加以导线的绝缘层较薄，因而过载能力较强^[5]，它可以在原有70%负荷的情况下，具有连续3h的140%的过负荷能力。

此外，这种变压器还具有下列技术特点：

（1）所用绝缘材料较环氧浇注式的可燃物质含量要少得多，且环保性能较好； （2）由于绝缘层较薄且均匀，线圈的最高温升与平均温升的差值小，故短时过负荷能力较强，同时抗热冲击性能也较好；

（3）由于无需浇注设备以及模具，因而整个生产设备的投资较低；

（4）在设计时匝间电压限制得较低，另外饼间绝缘靠电瓷件形成空气间隙以增长层间爬电距离，因而局放较低，电气性能很稳定；

（5）这类产品主要原材料的国产化仍是人们所关注的问题。

3 H级干式变压器与环氧浇注式干式变压器的比较

（1）H级OVDT类干式变压器的最突出优点是过载能力强。这是由于其绝缘层较薄，通风散热好，最高温升与平均温升差值小。对于用NOMEX纸制造的产品，还由于它利用了C级材料（220℃）到H级（180℃）产品之间的绝缘裕度。

（2）H级OVDT类干式变压器承受热冲击的性能较好，可以很好的防止开裂。

（3）H级OVDT类干式变压器无需浇注设备与模具，因而可以节省初期投资，且产品的设计也不受模具尺寸的限制，具有一定的灵活性。

（4）OVDT类产品线圈的修理比较容易。

（5）从抗短路能力看，环氧浇注式较好。

（6）从雷电冲击过电压波的分布来看，环氧浇注式也要优越于H级OVDT类干式变压器。

（7）环氧浇注式的基准冲击绝缘水平（BIL）可达225～250kV，而H级OVDT类的BIL最高仅能达150kV。

（8）环氧浇注式的最大容量可达20MVA，而H级OVDT类仅能达8～10MVA。

（9）从燃烧时所释放的能量看，环氧浇注式要大得多。

（10）从环保性能看，环氧浇注式不如H级OVDT类，尤其是在寿命终结后废弃物的降解处理回收等方面所存在的问题较大。

（11）采用VPI工艺的H级产品的防潮性，在制造工艺完备的条件下，完全可以达到优质水平。但鉴于老式浸渍式干式变压器防潮性能差的教训，目前仍有一部分用户对此并不放心。

（12）在材料工艺质量有所保证的条件下，H级OVDT类干式变压器的局放水平与环氧浇注式大体相当。

（13）从原理上来说，H级类产品的尺寸和质量（重量）较F级可以小一些，但目前的实际情况并非完全如此，H级干式变压器与环氧浇注式薄绝缘F级干式变压器的性能参数、外形尺寸如质量（重量）的对比情况见表4。

（14）从干式变压器技术的发展要求来看，在新的IEC标准修订初稿中^[2]，提出今后必须进行耐火能力（F）、适应环境能力（E）以及承受热冲击能力（C）3项试验，而从满足这3项试验出发，H级OVDT类干式变压器要较环氧浇注式更为有利。

表4 H级干式变压器与环氧浇注式薄绝缘F级干式变压器的参数对比（均为1000kVA, 10kV）

产品型号	空载损耗 /W	负载损耗 /W	短路阻抗 /%	质量 /kg	外形尺寸 （长×宽×高）/mm	生产厂家	绝缘等级
SCB9-1000/10 SCB10-1000/10 SC9-1000/10 SCR-1000/10 SCB9-1000/10 SCR-1000/10[5] TH-1000/10[5]	1550 1550 2000 1500 2210 1800 1750	7600（75℃） 7090（75℃） 8800 9200（145℃） 10300（145℃） 9700 8500	6 6 6 6 6 6 6	3275 3570 3200 2640 2640 2850 2810	1600×1070×1860 1770×960×1527 1560×980×1970 1540×1170×1540 1680×700×1555 1830×945×1900 1540×900×1740	顺特电气 顺特电气 带填料的薄绝缘 云变 赛格迈 保定天威变压器 德国MORA	F F F H（220℃） H（220℃） H（180℃） H（180℃）

4 H级干式变压器在我国发展前景 （1）H级干式变压器目前主要以美国采用最多，约占其整个干式变压器市场的2/3~3/4，而在欧洲、日本等国，仍以环氧浇注式为主。

（2）迄今为止，H级干式变压器在我国干式变压器市场中所占份额很小，其中仅有少数有影响的生产厂家。由于我国绝大多数干式变压器的制造厂家都是引进的环氧浇注式结构，且这类产品早已为广大用户所接受，成本与售价正不断降低。所以，在我国，环氧浇注式厂家占据干式变压器市场主导地位的局面，预期在相当一段时间内不太可能改变。

（3）近年来，仍有部分原生产油浸式变压器的厂家打算制造干式变压器产品，基于减少初期投资以及创新等的考虑，一些厂家正打算向H级类产品发展。

（4）H级类产品在我国未来的发展前景仍然主要决定于产品的质量与价格。不容否认的是用户对过载能力的需求，用户对这类产品的接受与认同程度，都将影响其发展前景。

（5）在新的世纪中，随着国家对防火安全性、变压器运行寿命终结后废弃物质的降解处理等环保要求的提高，以及未来国家具体的环保政策的走向等，都将影响到H级OVDT类干式变压器在我国未来的发展前景。