架空輸電線路在長期循環(huán)荷載的作用下會(huì)發(fā)生累積性的損傷，這種損傷的過程往往十分漫長，少則幾月，多則數(shù)年，過程不易察覺?？梢坏p傷累計(jì)到一定程度便會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線金具的失效，誘發(fā)嚴(yán)重的線路故障，影響線路的安全運(yùn)行。因此，鑒于疲勞破壞過程的隱蔽性，可以把這種基于累計(jì)效應(yīng)的疲勞現(xiàn)象稱為輸電線路的“隱形殺手”。中國電科院分析了輸電線路疲勞產(chǎn)生的原因和危害，對疲勞的防治措施提出了建議，供線路設(shè)計(jì)及運(yùn)行人員參考。

什么是疲勞？疲勞是怎么產(chǎn)生的？

我們?nèi)祟愒陂L時(shí)間運(yùn)動(dòng)或工作后，會(huì)產(chǎn)生身體的疲乏無力感，這種狀態(tài)就是疲勞，它可能使人們失去從事的正?；顒?dòng)或工作的能力。架空輸電線路的鋼筋鐵骨也會(huì)疲勞么？答案是肯定的。輸電線路的各組成部分在循環(huán)荷載作用下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋，進(jìn)而使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象就是輸電線路的疲勞。

那么，輸電線路的疲勞從何而來？輸電線路在運(yùn)行過程中會(huì)受到各種動(dòng)、靜荷載的作用，交變的動(dòng)荷載是導(dǎo)致線路疲勞的直接原因。架空輸電線路在運(yùn)行過程中不可避免地受到自然界冰、風(fēng)、雨、雪等多種類型的荷載作用，以最典型的風(fēng)荷載為例，持續(xù)穩(wěn)定風(fēng)吹過輸電導(dǎo)線并在其背后形成的交替變化的氣流旋渦，從而對導(dǎo)線產(chǎn)生周期性升力和阻力的作用，分裂導(dǎo)線中處于同一水平面上的兩子導(dǎo)線還存在氣流的尾流效應(yīng)，這些氣動(dòng)力使得導(dǎo)線產(chǎn)生微風(fēng)振動(dòng)、次檔距振蕩、舞動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式。這些運(yùn)動(dòng)有的頻率高、幅度小、持續(xù)時(shí)間長、應(yīng)力水平低，如微風(fēng)振動(dòng)；有的頻率低、幅度大、破壞力大，如舞動(dòng)。無論導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的頻率高或低、振幅大或小，只要作用時(shí)間足夠長，就都會(huì)使得導(dǎo)線、金具等出現(xiàn)疲勞損傷甚至失效的情況，這對輸電線路的安全運(yùn)行構(gòu)成了很大的威脅。

疲勞的分類及危害

根據(jù)導(dǎo)致疲勞產(chǎn)生的載荷循環(huán)次數(shù)的高低，可將疲勞分為低周疲勞和高周疲勞。

低周疲勞是指作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，破壞循環(huán)次數(shù)一般低于104～105的疲勞，導(dǎo)線的舞動(dòng)、周期性擺動(dòng)等屬于此類。

導(dǎo)線舞動(dòng)多發(fā)于覆冰狀態(tài)下。2009-2010年冬季，受7次大范圍大風(fēng)降溫、雨雪冰凍等惡劣天氣影響，公司系統(tǒng)河南、山西、湖南等13個(gè)網(wǎng)省公司共634條66 kV及以上輸電線路發(fā)生舞動(dòng)現(xiàn)象，造成337條66 kV及以上電壓等級線路發(fā)生閃絡(luò)跳閘619次，還同時(shí)造成了螺栓松動(dòng)、脫落，金具、、跳線損壞，導(dǎo)線斷股、斷線等嚴(yán)重的機(jī)械損傷。金具的疲勞損傷在西北大風(fēng)地區(qū)容易出現(xiàn)，例如，新疆某750kV線路在投入使用僅一年有余，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)間隔棒線夾與本體連接處以及懸垂金具（直角掛環(huán)、U型環(huán)等）出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象；某500 kV線路于2002年底投入運(yùn)行，2019年綜合性檢修全線排查時(shí)發(fā)現(xiàn)子導(dǎo)線耐張線夾鋁管斷裂。

高周疲勞是指作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較低，破壞循環(huán)次數(shù)一般高于104～105的疲勞，導(dǎo)地線微風(fēng)振動(dòng)、分裂導(dǎo)線次檔距振蕩等屬于此類。

導(dǎo)線因微風(fēng)振動(dòng)引起的疲勞斷股現(xiàn)象屢有發(fā)生，例如，我國西北地區(qū)因地勢平坦、風(fēng)速均勻，架空線路導(dǎo)、地線的微風(fēng)振動(dòng)十分顯著，甘肅、陜西、寧夏等地區(qū)多條110kV～330kV線路投運(yùn)時(shí)間不長就在防振錘線夾等處發(fā)生了較多的地線斷股現(xiàn)象，導(dǎo)致部分線路必須對地線進(jìn)行更換；內(nèi)蒙古自治區(qū)的某地區(qū)也具有地勢平坦、風(fēng)力持續(xù)穩(wěn)定的特點(diǎn)，致使該地區(qū)部分110kV架空輸電線路地線安裝不足半年就發(fā)生斷股；500kV中山口、金口大跨越也多次發(fā)生導(dǎo)地線振動(dòng)引起的防振錘脫落、導(dǎo)地線斷股以及金具損壞等故障。

疲勞的防治措施

在“新基建”的大背景下，“大云物移智鏈”等現(xiàn)代信息技術(shù)將更為廣泛深入地應(yīng)用于以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)體系，但不斷提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性仍是中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的首要任務(wù)。因此，必須采取有效措施來降低疲勞對輸電線路的危害。

一是采取行之有效的線路防振措施。通過加裝防振裝置，將導(dǎo)地線的振動(dòng)水平控制在疲勞極限以下。對于一般線路導(dǎo)地線，應(yīng)注重防振錘選型的科學(xué)性，因地制宜地開展防振錘、防振鞭等防振金具的綜合應(yīng)用，基于智能算法精細(xì)化布置分裂導(dǎo)線間隔棒次檔距。對于大跨越工程導(dǎo)地線，應(yīng)合理配置β阻尼線、圣誕樹阻尼線等強(qiáng)化防振措施，通過微風(fēng)振動(dòng)模擬試驗(yàn)精確優(yōu)化防振方案，并通過現(xiàn)場測振檢驗(yàn)防振方案的性能。

二是從結(jié)構(gòu)和材質(zhì)兩方面優(yōu)化金具設(shè)計(jì)。一方面可以通過改變金具材料增強(qiáng)金具接觸部位的硬度及耐磨性能，另一方面可以優(yōu)化金具結(jié)構(gòu)型式，改變連接金具間的接觸方式，增大相互接觸的面積，減小接觸應(yīng)力，從而達(dá)到降低金具磨損、延長金具使用壽命的目的。

三是強(qiáng)化運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。對于導(dǎo)地線微風(fēng)振動(dòng)易發(fā)區(qū)域，特別是大跨越工程，有必要?jiǎng)?chuàng)建導(dǎo)地線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)時(shí)獲取導(dǎo)地線微風(fēng)振動(dòng)強(qiáng)度信息，智能化判別導(dǎo)地線的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)采取措施解決振動(dòng)超標(biāo)問題，確保線路安全。對于舞動(dòng)易發(fā)區(qū)域，有必要采用舞動(dòng)監(jiān)測裝置開展導(dǎo)線舞動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過氣象信息的監(jiān)測和分析，提供舞動(dòng)預(yù)警服務(wù)，為舞動(dòng)治理提供數(shù)據(jù)支撐。

四是開展導(dǎo)線疲勞壽命評估。對于常態(tài)化存在的導(dǎo)地線微風(fēng)振動(dòng)，可根據(jù)振動(dòng)測試數(shù)據(jù)，基于線性疲勞累積損傷理論或斷裂力學(xué)方法等開展導(dǎo)線疲勞壽命預(yù)測分析，為運(yùn)行策略的制定提供依據(jù)。