基于工作过程的牵引变电所运营与维护

学习任务书

小组编号：____________ 成员名单：____________

学习任务描述

通过本情境的学习，要求能够做到：认识牵引变电所防雷设施及接地装置，熟悉牵引变电所防雷设施的结构、工作原理，熟悉牵引变电所接地网，熟悉牵引变电所防雷设施的正常巡视内容和运行要求。

学习任务：防雷设施的运行与维护。

学习对象：避雷器、避雷针、接地装置。

工 具：生产文件、工作工具、量具等。

学习步骤：

（1）认识牵引变电所的避雷器、避雷针和接地装置。

（2）熟悉牵引变电所避雷器、避雷针和接地装置的结构。

（3）熟悉牵引变电所避雷器、避雷针的避雷原理。

（4）了解牵引变电所避雷器、避雷针的铭牌内容。

（5）了解牵引变电所的接地网。

（6）熟悉牵引变电所避雷器、避雷针的正常巡视内容。

（7）熟悉牵引变电所避雷器、避雷针和接地装置的运行要求。

学习方法

资讯：接受学习任务，根据引导问题，通过学习查找资料、网络信息等，建立总体印象。

计划：与小组成员、老师、师傅讨论避雷器、避雷针及接地装置在变电所中的影响和意义。

决策：与老师或师傅进行专业交流，确定本项目的工作步骤和涉及的工具，拟定检查、评价标准。

实施：按确定的工作步骤完成行动化学习任务，发现问题，共同分析，遇到无法解决的问题时请老师或师傅帮助解决。

检查：（1）生产文件准备好了吗？

（2）工具准备好了吗？

（3）安全事项有哪些？

评价：与同学、老师、师傅进行专业交流，有改进的建议吗？

学习目标

（1）明确避雷器、避雷针和接地装置的作用、结构及工作原理。

（2）明确避雷器、避雷针和接地装置运行中的要求。

（3）对避雷器、避雷针的日常巡视做出规划，选择所要涉及的内容、仪表、工具等。

（4）了解避雷器、避雷针和接地装置运行中和检修时的注意事项。

行动化学习任务

第一部分：进行避雷器、避雷针和接地装置知识的学习

任务1：查阅《牵引变电所运行检修规程》有关避雷器、避雷针和接地装置的要求。

任务2：查阅各种资料熟悉避雷器、避雷针和接地装置的结构。

任务3：查阅各种资料熟悉避雷器、避雷针和接地装置的工作原理。

任务4：列出避雷器的结构表。

任务5：列出避雷器的巡视表。

任务6：列出避雷针的巡视表。

第二部分：进行避雷器、避雷针的日常巡视

任务7：完成避雷器结构表的填写。

任务8：完成避雷器的巡视。

任务9：完成避雷针的巡视。

任务10：总结安全注意事项。

学习信息

一、避雷器的运行与维护

（一）避雷器的基本知识

避雷器是一种能释放过电压能量、限制过电压幅值的设备。避雷器通常接在带电导线与地之间，与被保护设备并联。当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备的绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。避雷器能释放雷电和电力系统操作产生的过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电压危害，同时又能截断续流，不致引起系统接地短路。

避雷器按发展先后可分为保护间隙、管式避雷器、阀式避雷器和氧化锌避雷器。

（二）常用避雷器

1. 保护间隙

保护间隙是最简单的避雷器，如图 1.5.1 所示。当雷电侵入波要危及它所保护的电气设备的绝缘时，间隙首先击穿，工作母线接地，避免了被保护设备上的电压升高，从而保护了设备。这种避雷器的优点是结构简单、制造方便；缺点是伏-秒特性曲线比较陡，绝缘配合不理想，间隙动作后会形成截波，熄弧能力低。

图1.5.1 角形保护间隙的结构

1—主间隙；2—辅助间隙；3—绝缘子

2. 管式避雷器

管式避雷器又称为排气式避雷器，也是一个保护间隙，但它在放电后能自动灭弧，如图1.5.2所示。当排气式避雷器受到雷电波入侵时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地；过电压消失后，在工作电压作用下，流经间隙的工频续流电弧的高温使管内产气材料分解出大量气体，管内压力升高，气体从开口处喷出，从而使工频续流在第一次经过零值时就熄灭。

图1.5.2 排气式避雷器的结构

1—产气管；2—棒形电极；3—环形电极；4—导线；S1—内间隙；S2—外间隙

该避雷器的特点是熄弧能力与工频续流大小有关，续流太大，产气过多，易使管子炸裂；续流太小，产气太少又不足以熄弧，故对工频续流有上下限的规定。

3. 阀式避雷器

阀式避雷器是为了进一步改善避雷器的放电特性和保护效果，将原来的单个放电间隙分成许多短的串联间隙，同时增加了非线性电阻发展而来的。

当系统中出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地，从而使设备得到保护。由于阀片的非线性特性，其电阻在流过大的冲击电流时变得很小，因此阀片上产生的残压将得到限制，使其低于被保护设备的冲击耐压，设备得到保护；当过电压消失后，间隙能在工频续流第一次过零时就将电弧切断，从而保护了设备。

阀式避雷器可分为普通型阀式避雷器和磁吹阀式避雷器。

（1）普通型阀式避雷器的结构如图1.5.3所示。

图1.5.3 普通型阀式避雷器的结构

1—上接线端；2—火花间隙；3—云母片垫圈；4—瓷套管；5—阀片；6—下接线端

（2）磁吹阀式避雷器的结构如图1.5.4所示。

图1.5.4 磁吹阀式避雷器的结构

1—主间隙；2—辅助间隙；3—磁吹线圈；4—分路电阻；5—间隙电极；6—灭弧盒；7—并联电阻；8—灭弧栅

磁吹阀式避雷器因利用了磁吹式火花间隙，间隙的去游离作用增强，提高了灭弧能力，从而改进了其保护作用。

4. 氧化锌避雷器

氧化锌避雷器由具有较好非线性伏-安特性的氧化锌电阻片组装而成，在正常工作电压下，具有极高的电阻而呈绝缘状态；在雷电过电压的作用下，则呈现低电阻状态，泄放雷电流，使与避雷器并联的电气设备的残压被抑制在设备绝缘安全值以下，待有害的过电压消失后，迅速恢复高电阻而呈绝缘状态，从而有效地保护了电气设备的绝缘免受过电压的损害。

被保护设备在正常电压运行时，避雷器对地不通；出现过电压时，避雷器对地导通，从而限制设备过电压，在释放过电压能量后，避雷器恢复到原状态。目前，氧化锌避雷器已经取代了阀式避雷器，在电力系统中已得到广泛应用。

（三）避雷器的巡视内容

（1）瓷套表面应无污秽。

（2）瓷套、法兰应无裂纹、破损、放电现象。

（3）水泥接合缝及其上面的油漆应完好。

（4）避雷器内部应无声音。

（5）避雷器连接导线及接地线应完好牢固。

（6）检查避雷器动作记录器的指示数是否有改变，记录器本体应完好。

（7）在线监视仪指示的泄漏电流应在正常范围之内。

（8）每年进行一次特性试验。

（9）避雷器根据当地季节投入、退出运行。

（10）低布置的遮拦内应无杂草，以防避雷器表面的电压分布不均或引起瓷套短接。

（11）雷雨天气时运行人员严禁接近防雷装置。

（四）避雷器故障处理

1. 避雷器故障应急措施

无论避雷器引线烧伤还是瓷体闪络、击穿，值班员能向调度申请改变运行方式的则改变运行方式，并进行更换处理。若不能改变运行方式则应立即撤除避雷器，在断开其电源后拆除其引线并使其安全距离符合规定，在停电后再进行更换处理。

2. 氧化锌避雷器泄漏电流超过规定值后的处理

正常情况下，避雷器下端的计数器有交流在线泄漏电流指示值，受温度、湿度、电压波动因素影响。运行中，值班人员若发现交流泄漏电流超过说明书规定值，应停运，将避雷器脱落电网。

二、避雷针的运行与维护

（一）避雷针的基本知识

1. 避雷针的作用

避雷针是由截闪器、引下线和接地装置组成的防雷保护装置。截闪器安装在构架上并高于被保护物，用于拦截没有落在避雷针保护范围内的物体上的雷击，通过引下线和接地装置将雷电流释放到大地中。避雷针能使雷云电场发生突变，使雷电先导的发展沿着避雷针的方向发展并直击于其上，雷电流通过避雷针（线）及接地装置泄入大地，防止避雷针周围的设备受到雷击。

避雷针按安装地点可分为独立式避雷针、组合式避雷针。

2. 避雷针的工作原理

在雷云先导发展的初始阶段，因其离地面较高，其发展方向会受一些偶然因素的影响而不“固定”；但当它离地面达到一定高度时，地面上高耸的避雷针因静电感应聚集了雷云先导性的大量电荷，使雷电场畸变，因而将雷云放电的通路由原来可能向其他物体发展的方向，吸引到避雷针本身，通过引下线和接地装置将雷电流放入大地，从而使被保护物体免受直接雷击。因此，避雷针实质上是引雷针，它把雷电波引入大地，有效地防止了直击雷。

3. 避雷针的结构

避雷针由避雷针针头、引流体和接地体三部分组成，如图1.5.5所示。

图1.5.5 避雷针的结构

避雷针一般明显高于被保护物，当雷云放电临近地面时首先击中避雷针，避雷针的引流体将雷电流安全引入地中，从而保护了这一范围内的设备。

（二）避雷针的巡视内容

（1）避雷针针尖应无熔化现象。

（2）避雷针的设备安装应牢固、无倾斜、无弯曲。

（3）避雷针的基础应牢固。

（4）避雷针的接地装置应良好。

三、牵引变电所的接地装置

（一）接地装置的基本概念

1. 接地的概念

将电力系统或建筑物电气装置、设施过电压保护装置用接地线与接地体连接，称为接地。埋入地中并直接与大地接触的金属导体称为接地体，或称接地极，接地体分为水平接地体和垂直接地体。可以兼作接地体的直接与大地接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建筑的基础、金属管道和设备等称为自然接地体。专门为接地而装设的接地体，称为人工接地体。(www.xing528.com)

凡从接地体流入地下的电流即属于接地电流。接地电流有正常接地电流和故障接地电流之分。正常接地电流指正常工作时，通过接地装置流入地下，借大地形成回路的电流；故障接地电流指系统发生故障时出现的接地电流。

接地电流流入地下之后，就通过接地体向大地呈半球状散开，如图 1.5.6 所示，这一接地电流叫流散电流。流散电流在土壤中遇到的全部电阻称流散电阻。流散电阻与接地线的电阻之和称为接地电阻。由于接地线的电阻一般很小，故可以认为接地电阻就是流散电阻。

图1.5.6 流散电流

2. 接触电压和跨步电压

接地电流通过接地体向大地作半球状流散，距接地体愈远，地导体的横截面即半球面愈大，故电阻就愈小，一般认为距接地体 20 m 处土壤电阻就小至可忽略不计。也就是说在距接地体20 m及以上接地电流不会产生电压降了，即认为20 m及远处电位为零。

当工作人员进入如图 1.5.7 所示的接地电流扩散区域时，两足会在不同的电位点上，两足之间会产生电位差。为了表征地表面电位分布梯度的大小，满足安全的要求，常以跨步电压来表征该电位差。所谓跨步电压是指在地面上沿电流方向水平距离为 0.8 m（人的跨距）的两足间的电位差，如图中的Ub1、Ub2。显而易见，接地体处跨步电压Ub2最大。

图1.5.7 跨步电压

在如图1.5.8所示的电位分布区域内，当工作人员足距设备边缘0.8 m，手摸至设备外壳高度 1.8 m 处时，手足之间的电位差称为接触电压。图中 Uc1为电气设备就近接地时产生的接触电压，而 Uc2是电气设备在较远处接地时产生的接触电压，很显然，为了减少接触电压，电气设备应就近接地。

图1.5.8 接触电压

3. 接地的分类

（1）工作接地。

为了保证电力系统及电气设备正常且可靠运行，将电力系统中某点与地作金属性连接，称为工作接地。如110 kV电网中将变压器中性点或发电机中性点接地即为工作接地，又如牵引供电系统中，将牵引变压器牵引侧W相端子接地也属于工作接地。

（2）保护接地。

各种电气设备的外壳、线路的金属管、电缆的金属保护层、安装电气设备的金属支架等在正常运行时不带电，但当导体的绝缘损坏时可能带电，人们一旦接触到这种外壳时，就有触电的危险。为了防止这些正常时不带电的金属部分发生过大的对地电压危及人身安全而设置的接地称为保护接地。

（3）防雷接地。

为了使雷电流安全地向大地泄放，以保护建筑物或电气设备免受雷击而采取的接地，称为防雷接地。牵引变电所中的防雷接地装置（指避雷针）设单独的接地体组，此接地体组泄放时不对其他设备产生影响。

（二）牵引变电所屋内、外配电装置的接地

为了保证牵引变电所工作人员的安全和牵引供电设备的正常运行，牵引变电所中必须设置可靠的接地装置。牵引变电所中电源侧110 kV为中性点直接接地系统，其接地装置的接地电阻应小于0.5 Ω。

1. 屋外配电装置的接地装置

牵引变电所接地网要求较高，采用垂直接地体和水平接地体组成的复合接地网。表1.5.1所示为接地装置导体的最小尺寸。

表1.5.1 接地装置导体的最小尺寸

垂直接地体采用钢管或角钢垂直打入地中，长度为2～3 m，钢管外径为48～60 mm，管壁厚度不小于3.5 m，角钢采用 50×50×5。在实际敷设中，是在挖出的0.6～0.8 m深的水平接地体埋设沟中垂直打入，目的在于打入地下深一些，接地良好些。

水平接地体是在距地面0.6～0.8 m深处敷设的扁钢 [50×5 (m)] 或圆钢（φ10 mm），水平接地体与垂直接地体通过焊接连成一体构成复合接地网。接地线与接地体之间的焊接点，应涂防腐材料。

垂直接地体间距不小于其长度的2倍，一般为4～5 m。水平接地体的间距一般为4～5 m。水平接地体距地面一般为 0.6 m，这样可以使接地电阻不会因冬季土壤表面的冰冻和夏季水分的蒸发而引起较大的变动。

复合接地网一般布置成封闭环状，外缘各角应做成圆弧形，圆弧的半径不宜小于均压带间距的一半，牵引变电所一般取2～3 m。

在接地线引入建筑物的入口处或在检修用临时接地点处，均应刷白色底漆并标以黑色标识。同一接地体不应出现两种不同的标识。

2. 屋内配电装置的接地装置

牵引变电所内配电装置，高压室、主控制室、电容器室等本身不设接地体，而是将屋外复合接地网多点连接引入接地干线。高压室是用扁钢或圆钢固定在屋内四周墙壁下方组成接地干线，楼上、楼下的接地干线多处连接构成一体，再与屋外复合接地网多处连接；主控室利用电缆沟中的固定电缆支架扁钢作接地干线；需接地的每台电气设备应用接地支线单独与接地干线连接，严禁几台电气设备的接地支线串联后再接入接地干线。接地干线和接地支线均应涂为黑色，作为接地线的标识。

（三）降低接地装置接地电阻的措施

当接地体附近土壤电阻率过高，或接地体附近为崖石、沙石，因施工条件限制，在一般条件下不能满足接地装置对接地电阻的要求时，采用以下一些措施来降低接地电阻。

1. 填充电阻率低的物质

用低电阻率的材料转换接地体附近小范围内的高电阻率的土壤，以降低接地电阻值。最简单的是用电阻率低的好土回填水平接地体埋设沟。一般常用的转换材料有：钙镁盐、电石渣。用此方法必须注意不能用对接地体有强烈腐蚀作用和污染当地水源的物质，这种方法不受地质条件限制，施工中应用广泛。

2. 浸渍降阻剂

用高压泵将低电阻率的化学溶剂（降阻剂）压入高电阻率的地层中，用以大面积减小土壤电阻率，它特别适用于砂层和砾石地区。浸渍降阻剂法应用效果较明显，方法简单。

3. 接地装置外引法

若电气装置附近 1 000 m 以内有电阻率较低的场地时，可在变电所场地内适当布置接地装置的同时，将一部分接地装置外引布置在电阻率低的场地。采用此法时的外引接地装置与牵引变电所内接地装置的连接干线不得少于2条。

4. 接地装置深埋法

若地下较深处的土壤电阻率较低时，可采用井式或深钻式接地体。

采用降低接地电阻的任一方法，施工完毕均应进行实际测量，检查接地电阻是否满足要求，若未达到要求，必须继续采取措施，直至达到要求为止。

四、牵引负荷电流回输牵引变电所方式

在牵引供电系统中，牵引负荷电流一般是经接触网送给电力机车，通过电力机车经钢轨、回流线（与钢轨并联）流回牵引变电所的。由于钢轨对地存在泄漏，因此由电力机车所在位置起，牵引负荷电流大部分经钢轨流回牵引变电所，简称轨回流。小部分由钢轨入地，经大地流回牵引变电所，简称地回流。地回流在单线区段约占牵引负荷电流的50%，复线段约占35%，如图1.5.9所示。

目前，绝大部分电力牵引区段其钢轨的接头处一般都有良好的电连接，以保证牵引负荷电流沿轨道回输牵引变电所。轨回流一般是沿两条钢轨回输的。为了能绕过信号轨道电路的轨端绝缘，在钢轨接头处装有扼流变压器，如图1.5.10所示。

图1.5.9 牵引负荷电流钢轨回输方式原理图

图1.5.10 牵引负荷电流钢轨回输方式原理图

扼流变压器是绕在铁芯上的匝数相等的两个线圈，两线圈串联后，其两端分别接至两侧钢轨上，串联接头作为扼流变压器的中心抽头与相邻扼流变压器的中心抽头相连接。扼流变压器的作用是隔断轨道中的信号电流而仅让轨道中的牵引负荷电流顺利通过，在两轨端绝缘处为牵引负荷电流提供通路，保证轨道的导电性能。

在AT供电区段，牵引负荷电流由电力机车所在位置经钢轨、保护线用连接线（CPW线）、保护线（PW线）流向AT（自耦变压器）的中心抽头，通过AT的作用，牵引负荷电流将沿正馈线（AF线）回输到牵引变电所，如图1.5.11所示。在牵引变电所处，接触线、正馈线经架空线（供电线）接至牵引变压器55 kV母线上（T座或M座），PW线经供电线（N线）接至牵引变电所内AT的中间抽头上，并经接地保护放电装置与接地网相连。相邻两AT的间距通常在15～20 km。

图1.5.11 AT供电方式的牵引负荷电流回输方式原理图

AT—自耦变压器；PW—保护线；AF—正馈线；T—接触网；R—钢轨；CPW—保护线用连接线；G—接地保护放电装置

资讯单

计划和决策单

计划和决策单见附录附表1.5.1。

实 施

一、理论知识问答

1. 牵引变电所的防雷设施有______________，分别分布在______________。

2. 在中性点直接接地的电力网中，对于_______不接地的变压器应在中性点装设_______。

3. 避雷器的带电部分，若距离地面少于_______应装设_______。

4. 电力系统的过电压有两种，一种是_______过电压，另一种是_______过电压。

5. _______避雷器一般用于线路，变电所一般采用_______避雷器。

6. 避雷器的_______位置距被保护物的_______一般不应大于 米。

7. 测量绝缘电阻时，影响准确性的因素有_______、_______和_______。

8. 电气设备的预防性试验分为两类：一类是_______试验，如耐压试验；另一类是_______试验，如绝缘电阻和介质损耗试验。应首先做_______试验，然后做_______试验。

9. 雷雨天气需要巡视室外高压设备时，应穿_______，并不许靠近_______。

10. 接地装置是_______与_______的总称。

11. 当使用绝缘棒进行操作时（ ）。

A. 只穿绝缘鞋就可以操作 B. 只戴绝缘手套即可操作

C. 因绝缘棒是绝缘的，可不戴手套 D. 应戴绝缘手套，穿绝缘鞋

12. 雷电引起的过电压称为（ ）。

A. 内部过电压 B. 工频过电压

C. 大气过电压 D. 操作过电压

13. 由直接雷击或雷电感应而引起的过电压叫作（ ）过电压。

A. 大气 B. 操作 C. 谐振 D. 工频

14. 电力系统在运行中，突然短路引起的过电压叫做（ ）过电压。

A. 大气 B. 操作 C. 谐振 D. 短路

15. 在输配电设备中，最易遭受雷击的设备是（ ）。

A. 变压器 B. 断路器 C. 隔离开关 D. 输电线路

16. 兆欧表上的接线端子有L、E和G三个，当测量电气设备绝缘电阻时（ ）接地。

A. L端子 B. E端子 C. G端子 D. E、G端子

17. 变电站的母线上安装避雷器是为了防止（ ）过电压。

A. 直击雷 B. 雷电进行波 C. 反击 D. 都对

18. 变电站接地网的接地电阻对大电流系统不应大于（ ）。

A. 10 Ω B. 5 Ω C. 1 Ω D. 0.5 Ω

19. 中性点不直接接地系统中，35 kV的避雷器最大允许电压是（ ）。

A. 38.5 kV B. 35 kV C. 40 kV D. 41 kV

20. 雷电流是指直接雷击时，通过被击物体而进入大地的电流。（ ）

21. 电气设备的外壳接地是工作接地。（ ）

22. 阀型避雷器实际上是一个普通的保护间隙。（ ）

23. FZ型避雷器在非雷雨季节可以退出运行。（ ）

24. 装设避雷器可以防止变压器绕组的主绝缘因直击雷过电压而损坏。（ ）

25. 氧化锌避雷器没有间隙。（ ）

26. 什么叫内部过电压？

答：______________________________________________________________

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27. 为什么要在电力电容器与其断路器之间装设一组氧化锌避雷器？

答：______________________________________________________________

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二、实施操作过程（实施操作单）

1. 小组成员共同探讨避雷器的结构和作用。

2. 小组成员共同探讨避雷针的结构和作用。

3. 填写避雷器和避雷针的日常巡视内容。

4. 每组选派2人完成避雷器的日常巡视对话及汇报安全注意事项。

检查单

检查单见附录附表1.5.2。

评价单

评价单见附录附表1.5.3。

备忘录

备 注

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