架空輸電線壓縮型耐張線夾接續故障分析及無損檢測方法

摘要：耐張線夾是架空輸電線路中承載張力、承受電流的重要電力金具，對其進行失效性能分析及無損檢測非常重要。首先，從行業標準規范入手，詳述壓縮型耐張線夾的典型缺陷及壓接質量評定項；然后，從理論計算與實驗、計算數值模擬等方面闡述耐張線夾接續故障分析的研究進展，并指出耐張線夾的機械性能、電氣性能分析主要集中于單一失效機理分析，較少涉及多物理場下的耐張線夾特征分析；接著，匯總耐張線夾4種無損檢測方法；最后，提出耐張線夾無損檢測值得進一步關注的研究方向。

關鍵詞：壓縮型耐張線夾；壓接缺陷；接續故障；無損檢測

中圖分類號：TM206 """""""""""文獻標志碼：A """""""""文章編號：1674-2605（2024）06-0001-11

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.06.001""""""""""""""""""""開放獲取

Joint Failure Analysis and Non-destructive Testing Method for """"""Compressed Strain Clamps of Overhead Transmission Lines

ZHONG Fei "KANG Yixiao ZHANG Guocai LIU Guixiong

（1.Guangdong Yuedian Science and Testing Technology Co.， Ltd.， Guangzhou"510006，"China

2.China Southern Power Grid Technology Co.， Ltd.， Guangzhou"510006，"China

3.South China University of Technology， Guangzhou 510641，"China）

Abstract："Strain clamps are important electrical fittings for carrying tension and current in overhead transmission lines， and it is crucial to conduct failure performance analysis and non-destructive testing on them. Firstly， starting from industry standards and specifications， describe the typical defects and crimping quality evaluation items of compressed strain clamps in detail; Then， the research progress of fault analysis of strain clamps connection is elaborated from the aspects of theoretical calculation， experiment， and numerical simulation. It is pointed out that the mechanical and electrical performance analysis of strain clamps mainly focuses on the analysis of a single failure mechanism， and rarely involves the analysis of the characteristics of strain clamps under multiple physical fields; Next， summarize four non-destructive testing methods for strain clamps; Finally， research directions worth further attention for non-destructive testing of strain clamps are proposed.

Keywords："compressed strain clamps; compression defects; joint failure; non-destructive testing

0 引言

耐張線夾作為架空輸電線路的重要電力金具，按其結構及安裝方法可分為壓縮型、螺栓型、楔型和預

絞式等類型。其中，壓縮型耐張線夾主要由鋁管和鋼錨組成，通過施加壓力使鋁管和鋼錨產生塑性變形，從而確保耐張線夾與導線合為一體，使大截面鋼芯鋁

絞線達到較大握力。耐張線夾在服役過程中不僅要承受張力、承載電流^[1-2]，還處于交替載荷、腐蝕等環境下，導致其易發生失效斷線事故^[3-5]。為提升電力系統運行的安全性，國內外對耐張線夾的技術要求及壓接工藝規范均有明確規定，如ANSI/ASME PTC70—2009《接線夾額定值的性能試驗代碼》、GB/T 2314—2008《電力金具通用技術條件》、GB/T 2317.4—2023《電力金具試驗方法 第4部分：驗收規則》、DL/T 757—2009《耐張線夾》、DL/T 5285—2018《輸變電工程架空導線（800 mm²以下）及地線液壓壓接工藝規程》等^[6]。

1 耐張線夾典型缺陷

架空輸電線路通常采用鋼芯鋁絞線輸送電能。鋼芯鋁絞線綜合了鋁的輕質、高導電性^[7-8]及鋼芯的高強度等特點，能夠提供更大的張力、更小的垂度和更長的跨度。將鋼芯鋁絞線安裝在輸電塔上需使用耐張線夾進行壓接^[9-12]。耐張線夾的壓接結構如圖1所示。

耐張線夾壓接缺陷依據T/CEC"526—2021《架空輸電線路線夾X射線檢測技術導則》^[16]進行評定，壓接質量評定項主要包括鋼芯與鋼錨壓接、鋁管壓接、鋼芯插入鋼錨深度等12個（如表1所示）；壓接典型缺陷主要包括漏壓、欠壓及少壓等類型，如圖2所示^[17]，其中（a）～（e）為未按壓接標準，人為導致的壓接缺陷；（f）～（h）為在自然環境下，耐張線夾由于長時間、大負荷工作引起的變形現象，以上缺陷均會導致輸電線路故障。

2""耐張線夾接續故障分析的研究進展

耐張線夾接續故障分析包括機械性能、電氣性能分析，主要采用理論計算與實驗^[18-24]、計算數值模擬^[25]等方法。

2.1 "接續故障機械性能分析

2.1.1""理論計算與實驗方法

GB/T 2314—2008《電力金具通用技術條件》規定，壓縮型耐張線夾試驗握力F_S、導線（地線）的額定拉斷力T_R應滿足F_S ≥"95%T_R，且計算握力F_J"="T_R。設導線的鋁股拉斷力、鋼芯拉斷力分別為T_L、T_G，鋁線

2.1.1.1 "鋼錨凹槽壓接剪切握力T₁分析

實驗結果表明，隨著防滑槽漏壓程度的增加，耐張線夾的斷裂位置從導線側鋁管端口附近的鋁股轉移到鋼錨出口處的鋼芯上。

2.1.1.2 "鋼錨鋁管壓接握力T₂分析

由圖4可知，當鋁管壓接孔深L_g不足時，會導致鋼芯與鋼錨穿管的接觸面積減小，握力降低，致使鋼芯從鋼錨穿管抽出，增大了鋁管的承受載荷^[35-37]。

2.1.1.3""鋁管壓接鋁絞線握力T₃分析

2.1.2 計算數值模擬方法

計算數值模擬方法是耐張線夾壓接過程的力學性能及缺陷影響研究的有效方法。文獻[42]開展了壓接力、壓接有效寬度等參數對模鍛壓接力學性能影響的仿真研究，仿真結果表明：當壓接力較小時，失效形式為鋁絞線從耐張線夾中滑脫；當壓接力逐漸增大時，失效形式轉變為鋁管斷裂。文獻[43]采用ABQUS軟件對大截面導線鋁絞線壓接過程中可能出現的缺陷進行拉斷應力仿真，得到了加載0"～"1"300"MPa壓接壓強時，鋁絞線的拉斷應力曲線。文獻[44]結合理論力學、數值仿真、智能優化以及多學科軟件協同仿真技術，研發了對多種連接工藝普適性較好的優化方法及自適應優化系統。文獻[44]利用Minitab 18程序，優化064系列終端在壓接過程中的拉伸機械性能。文獻[45]建立了壓縮拼接位置電纜的耐張線夾有限元模型，研究彈塑性和收縮問題，并對可壓縮位置的整個壓縮過程進行了模擬。文獻[46]考慮了輻射、空氣自然對流對散熱的影響，采用三維多物理場力-電-熱耦合的方法對J型線夾的應力分布、電流密度以及溫度分布進行分析。文獻[47]對電壓、集磁器及放置位置等工藝參數進行仿真，研究電磁壓接工藝參數的優化組合。文獻[25]采用Forge?軟件模擬壓接操作，評估壓接連接的機械強度、預測應力及應變分布，識別分析因壓接不當而導致的缺陷。

2.2 "接續故障電氣性能分析

DL/T 757—2009《耐張線夾》規定，承受電氣負荷的耐張線夾不應降低導線的導電性能，且壓縮型耐張線夾的電阻≤相同長度導線的電阻；耐張線夾導線接續處的溫升≤被接續導線的溫升；耐張線夾的載流量≥被安裝導線的載流量。

由圖5、6可以看出，導流板處接觸電阻增大，對耐張線夾整體溫度升高影響最大。

此外，文獻[48]深入研究不同的壓接力、壓接點數、壓接位置對壓接電阻的影響。文獻[31]采用一次、兩次壓接的方式分析壓接質量，得出壓力分布不平衡時，功效損失常發生在壓接質量較好的一側。

綜上所述，目前對耐張線夾的機械性能、電氣性能分析主要集中于單一失效機理分析，較少涉及多物理場下的耐張線夾特征分析，包括在各種缺陷下的應力分布、溫度分布及服役過程中應力松弛、熱應力對耐張線夾的性能影響等。同時，在評估耐張線夾的使用壽命時，還應考慮耐張線夾的時間維度應力變化對其性能的影響。

3""耐張線夾無損檢測方法研究進展

耐張線夾無損檢測的常用方法主要包括滲透、熱紅外成像、超聲、X射線等。

3.1 "滲透檢測

首先，在被檢耐張線夾表面施涂含有熒光或著色染料的滲透液，在毛細作用下，滲透液滲入耐張線夾表面開口的缺陷中；然后，去除耐張線夾表面多余的滲透液；最后，在干燥后的耐張線夾表面施涂顯像劑，放大缺陷，在一定光源下可檢測出缺陷形態與分布狀態^[51]。

滲透檢測方法雖然技術成熟，但僅限于表面開口的缺陷檢測，無法用于深層的內部缺陷檢測，且要求耐張線夾表面清潔。

3.2 "熱紅外成像檢測

3.3 "超聲檢測

超聲檢測是利用不同材料的聲阻抗差異，以及聲波在材料邊界處產生的反射、透射，或超聲在空氣界面產生近似全反射的特性，對壓接缺陷進行檢測。通過檢測壓接區與未壓接區的回波時間、幅值差^[58]及壓接區內相控陣超聲成像圖中空氣的大小與分布來檢測漏壓、欠壓等缺陷^[27]。

文獻[59-60]利用超聲檢測沿鋼錨側面壓接鋁外殼厚度的變化，定位鋼錨凹槽數量，反映鋼芯鋁絞線的壓接質量。文獻[61]基于壓接后NY-630/45型耐張線夾的內部結構，根據超聲脈沖反射原理，通過理論分析、有限元仿真實驗，探究超聲檢測耐張線夾壓接缺陷的有效性。超聲在鋁管鋁線間空氣界面的反射圖、壓接缺陷時域波形圖分別如圖9、10所示。

超聲檢測方法對漏壓、欠壓缺陷具有較高的檢測精度，但對探頭頻率、操作技能等要求較高。

3.4 "X射線檢測

X射線檢測基于材料對X射線的不同吸收特性，通過X射線穿透物體的影像來探測材料或工件的內部缺陷^[63]。文獻[64]采用X射線檢測方法，通過改變鋼錨與外鋁套的壓接部位、芯線與錨管（或芯線連接管）的壓接尺寸、外管與導線（或中間套管）的壓接尺寸，分析典型缺陷對輸電線路配件壓接質量的影響。

通常X射線檢測在役耐張線夾的缺陷時需停電，并由人工將X射線成像板及射線機搬至耐張線夾位置處，耗時耗力，且存在作業危險及輻射危害^[65-66]。近年來，我國開展了無人機+X射線檢測設備的研究^[67-68]，有望在不停電作業下，實現耐張線夾的無損檢測^{[66，69-70]}。目前，X射線檢測主要依賴專業技術人員的經驗，存在漏判、誤判甚至傳輸圖像造假的現象。利用人工智能技術，在復雜環境下開展無人機+X射線耐張線夾的檢測點精確定位與自動路徑規劃^[71-72]、缺陷智能識別與評價^[70，73]、圖像傳輸可信增強^[74-75]等研究是未來的發展趨勢。

4種耐張線夾無損檢測方法的原理、特點和應用場景匯總如表2所示。

滲透檢測方法對表面開口裂紋較敏感，適用于離線檢測耐張線夾導流板與鋁管焊接處的開口裂紋。熱紅外成像檢測方法適用于遠距離耐張線夾在役帶電接觸不良檢測。超聲、X射線檢測方法均通過直觀的圖像來反映耐張線夾的內部壓接質量，但超聲檢測需依賴聲傳遞耦合劑，不適合耐張線夾在役帶電檢測。耐張線夾在役帶電X射線檢測，需提高抗干擾能力及自動化水平（如無人機檢測點的精確定位、拍照等）。

4""結束語

耐張線夾是架空輸電線路中承載張力、承受電流的重要電力金具，對其進行失效性能分析及無損檢測非常重要。目前，對耐張線夾的機械性能、電氣性能分析主要集中于單一失效機理分析；且體積小、質量輕的便攜式X射線數字成像系統已成為耐張線夾在役檢測的主要設備。以下研究方向值得關注：

1）"基于力-熱-電多物理場分析的架空輸電線耐張線夾特性研究，需考慮應力松弛、熱應力、接觸電阻等因素對耐張線夾機械性能、電氣性能的影響，以及耐張線夾在時間維度上的應力變化對性能的影響，尋求建立更接近真實的數值分析模型；研究基于力-熱-電多物理場分析的耐張線夾在各種缺陷下的應力分布、溫度場分布，可進一步為耐張線夾的健康評估提供理論支撐；

2）"無人機+人工智能的X射線耐張線夾在役帶電檢測是重要的發展方向，且需增強無人機系統的抗電磁干擾能力，并適應架空輸電線復雜的布線環境，在檢測過程中，結合人工智能技術實現自主識別導航、懸掛控制以及智能缺陷檢測與分級；

3） 研究含可見光、熱紅外、X射線檢測特征的多模態人工智能算法，是提高耐張線夾缺陷檢測準確性的有效途徑。

?The author（s） 2024. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 License （https：//creativecommons.org/licenses/ by-nc-nd/4.0/）

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作者簡介：

鐘飛，男，1979年生，博士研究生，教授級高級工程師，主要研究方向：電力設備及材料檢測。E-mail："1882083721@139.com

劉桂雄（通信作者），男，1968年生，博士研究生，教授，主要研究方向：先進傳感與網絡化控制研究。E-mail："megxliu@scut.edu.cn