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摘要：本文从雷击导致变压器损坏的原因入手，介绍防雷变压器原理，浅谈提升铁路信号装备中防雷变压器转移系数的设计方案和增强防雷变压器可靠性的工艺措施。
关键词：防雷变压器、原理、转移系数、设计方案、可靠性、工艺措施
随着高速铁路的快速发展，对铁路信号设备的安全性要求也逐步提高。雷电对铁路信号装备的破坏将导致严重的交通安全事故。变压器是铁路信号装备的重要组成部分，应用广泛。而运行中的变压器在雷击过程中被雷击损坏的事时有发生。为了保证行车安全，减少雷电对铁路信号装备的损坏，可以采用既能有效防止雷电干扰，又能实现正常信号传输功能的防雷型变压器。
1理论依据
雷分为直击雷和感应雷，直击雷直接作用于设备或线路上，它危害大但几率小；雷害事故主要是由感应雷造成。雷电对变压器造成损坏的原因主要有两个方面，一是雷电波的冲击电压很高，能达到相电压的十几倍。二是雷电波造成电场的高度集中，破坏变压器的绝缘。
雷电波的频率很高，波头很陡，当雷电波作用于变压器的一次侧绕组时，相当于加上了一个频率极高的高电压，由于变压器的一、二次侧绕组之间存在着电磁耦合，也导致了变压器二次侧过电压。在某些条件下，这种感应过电压可能超过二次绕组及所带设备的绝缘水平，造成绝缘击穿事故。作用在二次绕组上的电压存在静电分量和电磁分量，电磁分量主要受变压器的变比影响。
根据对变压器二次侧绕组过电压静电分量的分析，变压器的一、二次侧绕组及一、二次侧绕组对地之间存在着分布电容，当冲击电压加在一次侧绕组与地之间时，二次侧产生的静电电压取决于各绕组与地之间分布电容的相对关系而不取决于匝数比。二次侧绕组与地的冲击电压U2=U1×
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=η×U1（η即为冲击电压转移系数），见图1。
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图1雷电干扰电压传输原理图
2防雷变压器原理
防雷变压器就是在变压器的一、二次绕组间增加静电屏蔽并接地。一次侧绕组对地分布电容C1＇直接入地，一、二次侧绕组间静电电容C12＇沿着屏蔽层泄漏，其值变得非常小。二次侧绕组被接地屏蔽层覆盖，C2＇与C2并联，增加了二次侧绕组对地的分布电容。C2＂=C2+C2＇，其值比一般变压器大很多。η＇=C12＇/（C12＇+C2＂），因C2＂远大于C2，C12＇远小于C12，所以η＇＜＜η，致使二次侧过电压非常小，起到了防雷的效果。在一、二次侧间加屏蔽层就像在变压器的一、二次侧绕组与地间接入了一个旁路电容一样，将纵向干扰电流旁路入地，使其不进入变压器的二次侧，因此防干扰效果良好。
雷电干扰电压传递原理如图2所示。
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图2雷电干扰电压传输原理图
3提升防雷变压器转移系数的设计方案
3.1降低C12值。
3.1.1采用CD型或R型铁心，可将变压器的一、二次侧绕组分别绕制在线包的两个骨架上；或采用ED型铁心但使用王字型骨架，将变压器的一、二次侧绕组绕制在王字型骨架的两个绕线槽中，这种方法主要是通过加大一、二次侧绕组之间的距离，减少一、二次侧绕组之间的耦合电容C12。采用这种方法所带来问题是导致变压器漏磁增加，使一、二次侧绕组的耦合性变差，影响变压器的电压转换和传输性能，因此不适用于对变压器的传输性能要求较高的场合。
3.1.2采用ED型铁心，但骨架是工字型。线圈绕制时，在一、二次侧绕组之间缠绕多层高耐压绝缘胶带以增加一、二次侧绕组之间的距离，减少一、二次侧绕组之间的耦合电容C12，根据对变压器转移系数的大小要求可以适当调整绝缘胶带的总厚度。此方法对变压器的传输性能影响不大，但因绝缘胶带占用一定的绕线空间，会对线圈的饱满度有一定影响。
3.2增加C2值。
增加C2值一般采用在被保护侧绕组增加铜箔的层数、增加铜箔长度和宽度做法。在绕制连接被保护设备侧的绕组时，可在绕组绕制过程中的不同层间包裹1～3层铜箔。另外，根据平板电容公式C=
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可知，当两铜箔之间的距离d固定时，两铜箔的正对面积S越大，电容值越大，因此可增加铜箔的长度和宽度。经过试验验证，增加铜箔的层数、屏蔽层的宽度大于绕组在骨架上的绕线宽度、屏蔽层的长度超过绕组一周约30mm时，防雷变压器的转移系数有很大提升。
4增强防雷变压器可靠性的工艺措施
4.1线圈绕制前，首先在骨架的两侧缠绕绝缘挡墙，增加绕组层间、组间的安全距离，防止变压器一（二）次侧电压过高时，高电压直接通过绕组边沿或绕组与骨架间的缝隙爬电到二（一）次侧，跳过磁感应，引起二（一）次侧产生高电压，危害设备。
4.2为防止在高压情况下引出线与绕组之间距离太近而引起高压击穿的可能性，线圈的引出线要使用耐高压引出线或引出线穿套高耐压的绝缘套管，例如聚四氟乙烯套管、硅树脂玻纤套管等。
4.3为防止变压器引出线之间的线间磁场耦合，线圈一、二次侧绕组的引出线要分在线圈的两侧引出，防雷地线与绕组引出线之间尽量远离。
4.4对制作屏蔽层的铜箔进行包边处理或采用背胶铜箔，防止铜箔的边沿放电现象。
4.5可根据产品的应用环境，必要时线圈层间进行层层绝缘，减小线圈受机械应力、电磁力及溶剂等影响，提高线圈的工作稳定性和使用寿命。
5应用举例
应用于脉冲模拟网络盘中的模拟网络防雷变压器使用ED型铁芯、工字型骨架，在一次侧绕组绕完后，缠绕8层耐高压绝缘胶带增加一、二侧绕组之间的距离，降低C12值。同时，在绕组二次侧包裹两层铜箔，增加C2值。模拟网络防雷变压器的冲击电压转移系数达到＜1/200，超过了TB/T 1869.8-2017信号设备雷电防护用变压器标准的要求。此外，变压器的耐压值、电压变动率、效率、温升等要求都能很好的满足标准要求。此防雷型变压器已广泛推广应用于铁路各线路，体现出良好的防雷和防干扰效果。
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