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疲劳,架空输电线路的隐形杀手

日期:2020-11-13    来源:消费日报网

国际电力网

2020
11/13
10:48
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关键词: 输电线路 中国电科院 低周疲劳 高周疲劳

架空输电线路在长期循环荷载的作用下会发生累积性的损伤,这种损伤的过程往往十分漫长,少则几月,多则数年,过程不易察觉。可一旦损伤累计到一定程度便会导致导线金具的失效,诱发严重的线路故障,影响线路的安全运行。因此,鉴于疲劳破坏过程的隐蔽性,可以把这种基于累计效应的疲劳现象称为输电线路的“隐形杀手”。中国电科院分析了输电线路疲劳产生的原因和危害,对疲劳的防治措施提出了建议,供线路设计及运行人员参考。

什么是疲劳?疲劳是怎么产生的?

我们人类在长时间运动或工作后,会产生身体的疲乏无力感,这种状态就是疲劳,它可能使人们失去从事的正常活动或工作的能力。架空输电线路的钢筋铁骨也会疲劳么?答案是肯定的。输电线路的各组成部分在循环荷载作用下,在某点或某些点产生局部的永久性损伤,并在一定循环次数后形成裂纹,进而使裂纹进一步扩展直到发生完全断裂的现象就是输电线路的疲劳。

那么,输电线路的疲劳从何而来?输电线路在运行过程中会受到各种动、静荷载的作用,交变的动荷载是导致线路疲劳的直接原因。架空输电线路在运行过程中不可避免地受到自然界冰、风、雨、雪等多种类型的荷载作用,以最典型的风荷载为例,持续稳定风吹过输电导线并在其背后形成的交替变化的气流旋涡,从而对导线产生周期性升力和阻力的作用,分裂导线中处于同一水平面上的两子导线还存在气流的尾流效应,这些气动力使得导线产生微风振动、次档距振荡、舞动等运动形式。这些运动有的频率高、幅度小、持续时间长、应力水平低,如微风振动;有的频率低、幅度大、破坏力大,如舞动。无论导线运动的频率高或低、振幅大或小,只要作用时间足够长,就都会使得导线、金具等出现疲劳损伤甚至失效的情况,这对输电线路的安全运行构成了很大的威胁。

疲劳的分类及危害

根据导致疲劳产生的载荷循环次数的高低,可将疲劳分为低周疲劳高周疲劳

低周疲劳是指作用于零件、构件的应力水平较高,破坏循环次数一般低于104~105的疲劳,导线的舞动、周期性摆动等属于此类。

导线舞动多发于覆冰状态下。2009-2010年冬季,受7次大范围大风降温、雨雪冰冻等恶劣天气影响,公司系统河南、山西、湖南等13个网省公司共634条66 kV及以上输电线路发生舞动现象,造成337条66 kV及以上电压等级线路发生闪络跳闸619次,还同时造成了螺栓松动、脱落,金具、绝缘子、跳线损坏,导线断股、断线等严重的机械损伤。金具的疲劳损伤在西北大风地区容易出现,例如,新疆某750kV线路在投入使用仅一年有余,就已经发现间隔棒线夹与本体连接处以及悬垂金具(直角挂环、U型环等)出现了严重的磨损现象;某500 kV线路于2002年底投入运行,2019年综合性检修全线排查时发现子导线耐张线夹铝管断裂。

高周疲劳是指作用于零件、构件的应力水平较低,破坏循环次数一般高于104~105的疲劳,导地线微风振动、分裂导线次档距振荡等属于此类。

导线因微风振动引起的疲劳断股现象屡有发生,例如,我国西北地区因地势平坦、风速均匀,架空线路导、地线的微风振动十分显著,甘肃、陕西、宁夏等地区多条110kV~330kV线路投运时间不长就在防振锤线夹等处发生了较多的地线断股现象,导致部分线路必须对地线进行更换;内蒙古自治区的某地区也具有地势平坦、风力持续稳定的特点,致使该地区部分110kV架空输电线路地线安装不足半年就发生断股;500kV中山口、金口大跨越也多次发生导地线振动引起的防振锤脱落、导地线断股以及金具损坏等故障。

疲劳的防治措施

在“新基建”的大背景下,“大云物移智链”等现代信息技术将更为广泛深入地应用于以特高压电网为骨干网架的坚强智能电网体系,但不断提高电网运行的安全性和可靠性仍是中国特色国际领先的能源互联网建设的首要任务。因此,必须采取有效措施来降低疲劳对输电线路的危害。

一是采取行之有效的线路防振措施。通过加装防振装置,将导地线的振动水平控制在疲劳极限以下。对于一般线路导地线,应注重防振锤选型的科学性,因地制宜地开展防振锤、防振鞭等防振金具的综合应用,基于智能算法精细化布置分裂导线间隔棒次档距。对于大跨越工程导地线,应合理配置β阻尼线、圣诞树阻尼线等强化防振措施,通过微风振动模拟试验精确优化防振方案,并通过现场测振检验防振方案的性能。

二是从结构和材质两方面优化金具设计。一方面可以通过改变金具材料增强金具接触部位的硬度及耐磨性能,另一方面可以优化金具结构型式,改变连接金具间的接触方式,增大相互接触的面积,减小接触应力,从而达到降低金具磨损、延长金具使用寿命的目的。

三是强化运行状态监测。对于导地线微风振动易发区域,特别是大跨越工程,有必要建立导地线振动状态监测平台,实时获取导地线微风振动强度信息,智能化判别导地线的运行状态,及时采取措施解决振动超标问题,确保线路安全。对于舞动易发区域,有必要采用舞动监测装置开展导线舞动实时监测,并通过气象信息的监测和分析,提供舞动预警服务,为舞动治理提供数据支撑。

四是开展导线疲劳寿命评估。对于常态化存在的导地线微风振动,可根据振动测试数据,基于线性疲劳累积损伤理论或断裂力学方法等开展导线疲劳寿命预测分析,为运行策略的制定提供依据。

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