国网上海市电力公司王浩洋、余快等：输电线路耐张导线金具压接质量检测方法现状与展望

随着我国特高压输变电工程的不断建设与发展，特高压输电线路对安全性、稳定性、可靠性的要求不断提升。压缩型耐张线夹作为特（超）高压输电线路中的关键设备，广泛应用于导线与地线等的连接。耐张线夹不仅要承受所通过的电荷载，还承担导线或地线的张力，是电力线路上重要的受力与导电设备，在保证线路安全运行方面起着至关重要的作用。与此同时，耐张线夹的施工属于隐蔽工程，一旦安装完成就难以拆卸。因此，耐张线夹的安装质量对保证线路可靠运行、确保安全供电具有非常重要的意义。

近年，国内已发生多起因耐张线夹压接质量问题引发的线路运行事故。根据事后处理分析，大多事故由导、地线在压接管中未穿到位或压接位置不符合相关规程等压接质量问题引发。当线路处于大负荷运行情况下时，压接不符合要求的耐张线夹易引发局部发热温度过高而损伤导线，导致连接强度降低，或因压接握力不足导致掉线，尤其是在导线覆冰或舞动的情况下，极可能因压接质量问题引起掉线事故。因此，需要对耐张线夹的压接质量进行准确、高效的检测，并及时对相应缺陷进行处理。

鉴于输电线路耐张线夹压接质量检测评估的重要性，工程界及学术界先后提出诸多检测方法及评价规则，比如外形参数测量法、X射线检测方法、超声波成像检测、表面缺陷探查、温升分布检测等。本文在梳理耐张线夹典型压接缺陷的基础上，综述耐张线夹压接质量检测方法的研究现状，针对耐张线夹外形尺寸检测的直观性和易实施性，讨论耐张线夹外观尺寸测量中引入三维激光雷达扫描技术的可行性及面临的挑战。

1 耐张线夹典型缺陷分析

压缩性耐张线夹主要由钢锚、铝管、引流板三部分构成，其中钢锚与铝管是承受耐张力的主要结构部件。耐张线夹的钢锚、耐张线夹的铝管、钢芯铝绞线两两之间通过压接的方式产生塑性变形及摩擦力，进而使耐张线夹与钢芯铝绞线结合为一个整体。耐张线夹压接操作执行Q/GDW 1571—2014《大截面导线压接工艺导则》和DL/T 5285—2013《输变电工程架空导线及地线液压压接工艺规程》相关标准。

耐张线夹压接完成后的典型结构如图1所示，可以被细分为三个主要的检测区域：①检测区域a，对应钢锚与铝管的压接部位；②检测区域b，对应铝管的非压接部位；③检测区域c，对应铝线与铝管的压接部位。

图1 耐张线夹典型结构

1.1 典型缺陷类型

工程实践表明，受压接操作人员的经验水平、施工现场的环境等主客观因素影响，耐张线夹压接缺陷的产生往往难以避免。耐张线夹的压接缺陷类型主要可以分为多压、漏压、欠压、铝管弯曲及工艺性压接缺陷。有文献对三跨输电线路的耐张线夹缺陷进行了统计分析，其中多压、漏压、欠压是耐张线夹最为常见的压接缺陷类型，约占总缺陷数量的83%。耐张线夹典型压接缺陷类型如图2所示。

图2 耐张线夹典型压接缺陷类型

多压是指铝管形变区域超出预定的压接范围，达到非压接区，如图2（a）所示。多压主要发生于检测区域a、检测区域c与检测区域b的交界处。多压产生的原因主要有压接模数过多、压接叠模长度过小、压接操作失误等。

漏压是指铝管形变区域小于预定的压接范围，部分压接区域未实施压接操作，如图2（b）所示。漏压主要发生于检测区域a或检测区域c。漏压产生的原因主要有压接起始位置标记错误、压接模数过多、压接叠模长度过大、压接操作失误等。

欠压是指铝管的形变量小于规定的形变程度，铝管与钢锚凹槽之间存在较大间隙，或铝管与铝线之间界限清晰、不贴合，如图2（c）所示。欠压主要发生于检测区域a或检测区域c。欠压产生的原因主要有液压机压力不足、压接持续时间不够、压接操作不规范等。

铝管弯曲是指铝管出现非理想的弯曲形变，导致耐张线夹整体弯曲度大于规定值，如图2（d）所示。铝管弯曲主要发生于检测区域b或检测区域c。铝管弯曲的原因主要有未按操作规范对铝管或导线进行矫直、压模两侧受力不均衡等。

工艺性压接缺陷包括铝管存在裂纹、铝管鼓张变形等，主要发生于检测区域b。工艺性压接缺陷主要是由压接操作失误或不规范导致。

1.2 缺陷影响机理

实际工程中，耐张线夹的钢芯和铝管同时承受导线张力，且耐张线夹在承担载荷过程中有两条路径进行力的传递：一条路径是钢锚—铝管—铝线；另一条路径是钢锚—钢芯。保证这两条张力传递路径的完整性与有效性是耐张线夹正常运行的重要前提条件。耐张线夹典型压接缺陷会在一定程度上降低甚至破坏张力传递路径的有效性，进而导致耐张线夹失效造成严重事故。因此，分析耐张线夹典型压接缺陷的影响机理至关重要。

多压会导致非压区的铝管产生不必要的变形，严重时可能会造成钢锚钢管部或钢芯铝绞线损伤。特别是对于钢芯铝绞线而言，在其受张力而伸长变形期间，铝管的多压形变会对其施加沿轴向的挤压力及沿垂直方向的剪切力，进而导致钢芯断裂，这会对耐张线夹的整体力学性能产生不利影响。

漏压会导致铝管与钢锚、铝管与铝线的压接接触面积减小，压接产生的摩擦力降低，进而制约“钢锚—铝管—铝线”张力传递路径所能提供的最大张力，造成耐张线夹握力减少。而且，随着漏压程度的增加，耐张线夹的握力实验值呈现出快速降低的趋势，无法满足规定的握力要求。相应地，漏压会增加钢锚断裂、钢芯滑移、线夹脱落等事故的发生概率。

欠压会导致铝管塑性形变量减小，降低铝管与钢锚、铝管与铝线的压接紧密程度，同样会造成压接摩擦力不足，进而制约“钢锚—铝管—铝线”张力传递路径所能提供的最大张力，造成耐张线夹握力减少。相应地，欠压会增加钢锚断裂、钢芯滑移、线夹脱落等事故的发生概率。

铝管弯曲会导致耐张线夹所受张力不均，使铝管与导线在弯曲形变点处产生较大的应力集中及挤压摩擦损伤。耐张线夹在这种弯曲应力的长时间作用下，出现疲劳裂纹、机械强度降低的风险会大大增加，并最终产生线夹断裂的结果。

工艺性压接缺陷多由耐张线夹的材质性损伤造成，材质性损伤会导致铝管非压区的内部集聚酸性雨水，进而使耐张线夹腐蚀产生理化特性改变。这不仅会降低耐张线夹的整体机械强度，而且会产生腐蚀产物、增大耐张线夹电阻及运行温度。此外，铝管内积水遇冷会产生体积膨胀，进一步造成铝管鼓张，最终工艺性压接缺陷会使耐张线夹断裂失效。

2 耐张线夹质量检测方法

2.1 外观尺寸测量

外观尺寸测量通过人工使用游标卡尺对压接前后的耐张线夹进行外观尺寸的获取与记录，主要依靠人为测量、肉眼识别及主观判断。根据DL/T 5285—2013《输变电工程架空导线及地线液压压接工艺规程》，耐张线夹外观尺寸检测的表征参数见表1。

表1 外观尺寸检测的表征参数

耐张线夹外观尺寸检查的具体内容包括：

式（1）~（3）

传统的人工外观尺寸检测存在较为明显的不足。人工尺寸测量受人为操作误差、主观估算判断等因素影响，其测量结果的精确度较低，难以满足耐张线夹质量检测的高精度需求。人工外观尺寸测量以“单点观测”的方式进行，通过获取标定点处几何尺寸的变化量来表征被测物体的形变情况，其所测形变无法准确描述大范围、连续性的尺寸偏差情况。

此外，人工外观尺寸测量需手动抄写尺寸参数，记录繁琐，格式不规范，难以实现数字化保存，测量结果难以可视化展示，交互性水平较低。由此可见，传统的人工外观尺寸检测难以满足高精度、高描述性、数字化的耐张线夹质量检测需求。

2.2 内部缺陷检测

考虑到人工外观尺寸检测的局限性，如何在不破坏、不解体耐张线夹的前提下，对耐张线夹的内部结构进行“可视化”探测，已经成为学术界与工业界所关注的话题。目前，X射线数字成像检测技术是实现耐张线夹内部缺陷检测的常用方法，主要包括X射线机、数字成像系统、图像处理系统、检测工装等。基于X射线法的耐张线夹无损检测执行Q/GDW 11793—2017《输电线路金具压接质量X射线检测技术导则》相关标准。

耐张线夹X射线无损检测的具体步骤如下：首先，按照图3所示X射线检测布置示意图对X射线源、待测金具、成像板进行布设，使X射线束对准检测区域并垂直指向透照区中心；随后，X射线透过被测金具后被数字成像系统接收，并被转换为数字信号由计算机处理后生成相应的数字图像，且按规定格式存储在计算机中；最后，操作人员根据压接缺陷的特征描述文字和压接缺陷的图像特征，进行检测结果的判断，从而实现金具缺陷状态的评定。

图3 X射线检测布置示意图

尽管X射线数字成像检测技术具有方便、快捷、准确地捕捉金具内部压接状态的显著优点，但也存在检测结果无法量化、操作过程复杂、具有射线危害、易受电磁干扰等问题。针对这些问题，众多学者进行了大量研究工作。

针对耐张线夹X射线图像无法量化分析的问题，有文献首先利用X射线检测系统拍摄了不同压接缺陷情况下的耐张线夹检测图像，然后利用握力试验测试各种缺陷条件下耐张线夹的耐张力，据此建立压接缺陷、压接缺陷图像、所受耐张力之间的对应关系，为基于X射线的耐张线夹质量检测提供量化指标。

另外一些专家学者将耐张线夹X射线图像量化分析问题转换为图像识别分类问题，避免了复杂的量化分析操作，更有工程实践价值。有文献提出一种基于神经网络架构的耐张线夹压接质量检测方法，首先利用CenterNet算法定位耐张线夹的压接缺陷部位，再利用RetinaNet算法识别压接缺陷类型，实现了耐张线夹压接缺陷类型的智能化识别。有文献利用更为先进的卷积神经网络来处理耐张线夹X射线图像，提出全新的SEPreDenseNet模型架构，进一步提升了耐张线夹缺陷识别的准确率。

上述文献验证了基于神经网络的耐张线夹缺陷识别检测是可行的；但是，耐张线夹X射线图像存在采集困难、格式难以统一、缺陷分布偏倚、噪声干扰较多等问题，这些都是耐张线夹X射线图像识别检测过程中亟需解决的问题。

针对耐张线夹X射线图像获取困难的问题，有文献将X射线拍摄仪与无人机有机结合，在保证拍摄结果精度的前提下，降低了耐张线夹X射线图像获取的操作难度，有效提升了作业人员的操作安全性。针对X射线拍摄过程中的辐射危害问题，有文献开发了轻量化、低辐射的数字射线检测仪HNDR，切实提升了耐张线夹X射线检测的安全性。针对X射线图像获取过程中易受电磁干扰的问题，有文献提出线路抗干扰与屏蔽体接地的方式，实现了X射线检测线路的电磁屏蔽，提高了耐张线夹X射线图像的拍摄精度。

除X射线成像技术之外，超声成像技术也是工业中进行内部结构检测的重要手段，其在耐张线夹内部结构检测领域的应用逐渐受到学者们的关注。

有文献从理论分析、实验验证的角度证实了相控阵超声成像技术能高效直观地探查耐张线夹的内部情况，可应用于耐张线夹的压接缺陷检测中。有文献研究探头与耐张线夹之间距离对检测结果的影响，解决了相控探头与被测耐张线夹之间的适配性问题，提高了检测效率。有文献分析了不同频率的探头所产生的回波信号差异与成像效果，探讨了超声相控阵探头检测耐张线夹的适用频率。有文献验证了超声脉冲反射法在耐张线夹压接质量检测方面的可行性，并研究了超声波在不同压接缺陷中的传播规律、反射特性及成像结果。有文献提出基于B型显示超声波的耐张线夹压接质量检测方法，并通过试验验证了该方法的有效性。

上述研究均表明超声成像技术应用于耐张线夹质量检测是可行的；但是，相比于X射线图像，超声成像技术所呈现的图谱信号不够直观，需要操作人员具有一定的图谱信号分析能力，亦对操作人员的经验水平提出了更高的要求。

2.3 握力试验

握力试验是一种在试验室进行的破坏性检测方法。针对耐张线夹的握力试验执行GB/T 2317.1— 2008《电力金具试验方法第1部分：机械试验》的相关标准。耐张线夹握力试验的具体内容如下。

1）试验布置

握力试验应该选用与被试金具相匹配的导线。被试金具与导线连接时不得使导线起灯笼。试件中金具与金具之间或金具与夹具之间的导线长度应不小于导线外径的100倍，且不小于2.5m。当试验两个耐张线夹和一个接续管时，耐张线夹及接续金具握力试验典型布置如图4所示。

图4 耐张线夹及接续金具握力试验典型布置

2）试验步骤

（1）将被试金具安装在拉力试验机上，施加载荷达到导线计算拉断力的20%，在金具出口端的导线上作一个参考标记，以测量导线相对于金具的滑移量。

（2）在不少于30s的时间内，将张力逐步增加到导线计算拉断力的50%，并且保持120s，测量导线相对于金具的滑移量。

（3）在不少于30s的时间内，将张力逐步增加到规定的握力值，并且保持60s，测量导线相对于金具的滑移量。

3）判定标准

在试验过程中导线相对金具没有出现滑移现象，并且导线没有出现断股或者破坏，则试验通过。试件握着强度试验结果应符合以下要求：液压握着强度不得小于导线设计使用拉断力的95%。

握力试验能直观地检测出被试金具的外部和内部压接状态，是分析耐张线夹-导线系统整体性能的重要依据，也是进行耐张线夹压接质量理论研究的关键技术手段。

有文献针对NY440/35型耐张线夹，通过握力试验明确了耐张线夹的失效过程与传力特性。有文献对比分析了不同工况条件下耐张线夹的握力试验结果，进一步验证了耐张线夹的铝管结构相比于钢芯结构发挥了更大的作用，也研究了任意一种压接工艺下的耐张线夹强度与薄弱环节。有文献建立了耐张线夹-导线系统的三维有限元模型，通过握力试验验证了该模型的有效性，并进一步探讨了不同压接缺陷情况下耐张线夹的抗拉承载能力。

但是，握力试验作为一种抽查试验，其局限性也非常突出：试验结果只能体现所测金具的压接状态，不具备泛化性能；此外，握力试验还会带来金具和导线的损耗，不适用于现场检测。

2.4 其他检测方法

对于耐张线夹而言，除了外观尺寸参数、内部情况图像、握力试验结果这些能直接反映耐张线夹压接质量的参数之外，表面材料属性、温升分布情况等也能间接体现耐张线夹的压接质量及运行情况。因此，不少专家对此进行了有针对性的研究。

针对耐张线夹的表面材料，有文献利用渗透检测方法对耐张线夹的表面材料属性进行有针对性的探查，能够对耐张线夹焊接部位所存在的裂纹、气孔、咬边等缺陷进行直观检测。但是，这种检测方法存在步骤繁琐、实时性不高等缺陷，难以满足实际工程的需要。有文献从耐张线夹的图像入手，通过融合Canny算子、形态学运算、保留最大连通域等方法，构建了可用于识别耐张线夹裂纹的算法。但是，该算法无法实现裂纹区域的自动定位，只能监测易产生裂纹的局部区域。

针对耐张线夹的温升分布，有文献通过构建耐张线夹有限元模型，实现耐张线夹的电磁-热耦合分析，既明确了耐张线夹在不同运行工况下的内部温度场变化情况，也揭示了耐张线夹压接处接触电阻对耐张线夹整体温升的影响情况，为耐张线夹的温升监测评估提供理论指导。有文献通过仿真计算分析耐张线夹在不同缺陷条件下的稳态温度场分布情况，进一步明确了不同类型的耐张线夹缺陷对应不同的温度分布对数曲线，据此提出了基于温升的耐张线夹诊断方法。但是，此方法只将耐张线夹缺陷粗略地划分为接触不良、形变缺陷两大类，无法实现精细化的缺陷类型识别，其效果有待进一步提升。

综上所述，基于表面材料属性或温升分布的耐张线夹检测方法只能当作一种辅助性的技术手段来帮助判别耐张线夹的压接质量，难以单独、全面地反映耐张线夹的真实压接情况。耐张线夹检测方法的测试效果比对见表2。

表2 耐张线夹检测方法的测试效果比对

3 趋势与挑战

第2节的分析结果已经表明，耐张线夹压接质量的检测方法主要包括外观尺寸测量、内部缺陷检测、握力试验这三种。目前，专家学者大都着力于研究耐张线夹的内部缺陷检测方法。然而，相关试验研究发现，在严格按照压接工艺进行压接的前提下，外观尺寸参数足以作为耐张线夹压接质量是否合格的判别依据，只有当压接质量判断存在较大争议的情况下，X射线作为一种补充式的检查手段来进行进一步的质量判断。

此外，工程实践也表明了外观尺寸测量的重要性，因为压接后的外观尺寸测量是检验压接质量是否合格的第一步，也是最为关键的一步。若耐张线夹的外观尺寸不达标，则需立刻采取重新压接等补救措施；若耐张线夹的外观尺寸达标，才考虑进行内部缺陷检测或握力试验。

由此可见，开发一种方便、快捷的智能检测手段，实现耐张线夹压接前后尺寸的高效性、高精度与数字化检测，使检测结果可视化，方便工作人员快速判断耐张线夹的压接质量，具有重要的工程价值。

随着三维激光扫描技术的发展，其已成为获取三维空间信息的一种全新技术手段。基于激光雷达点云的数字模型能够体现三维实景特性，具备精度高、直观性强的特点，对设备细节特性具有非常真实的表现效果。在输变电场景中，三维激光扫描技术已经得到广泛应用，例如计算线路弧垂、分析杆塔倾斜度、评估线路雷击风险等。此外，三维激光扫描技术具有扫描速度快、操作简单、精度高等优点，非常适用于各类物体的建模量测。

基于三维激光建模的耐张线夹压接质量检测技术的基本概念如图5所示。其基本处理过程为：首先，利用多时相点云配准算法处理待测耐张线夹的点云模型与标准的耐张线夹点云模型，统一参考坐标系；其次，进行点云模型间的比对，定位形变产生的具体区域；然后，量化计算结构部件的形变；最后，综合判断耐张线夹的压接质量。

图5 基于三维激光建模的耐张线夹压接质量检测概念

基于三维激光建模的耐张线夹压接质量检测技术不仅能实现微小形变的准确量化，具有准确度高、效率高的优点，更重要的是能描述大范围、连续性形变的分布特性，解决“单点测量”的局限性，并能对形变测量结果进行三维可视化展示，可有效解决人工检测精确度低、数据记录繁琐、数字化水平低、耗时长等问题。

该技术有助于耐张线夹压接质量检测从人工机械测量向自动化、数字化方向发展，把好耐张线夹压接质量的第一道关卡。但根据图5及对其工作流程的分析，要实现上述目标，基于三维激光建模的耐张线夹压接质量检测技术尚需解决以下问题：

1）点云数据的高精度采集

目前，基于人工的耐张线夹尺寸检测采用0.2mm精度的游标卡尺。为了保证基于激光雷达的耐张线夹尺寸测量精度能维持甚至超过这个精度，耐张线夹点云数据的空间分辨率应不小于0.2mm。考虑到点云数据处理过程中所存在的系统误差，采集耐张线夹点云数据的激光雷达扫描仪应具有0.1mm及以上的测量精度。此外，针对耐张线夹布设场所的复杂性、危险性等因素，选用的激光雷达扫描仪还应该具有良好的便携性及可操作性。

2）点云数据模型的建立

用于耐张线夹质量检测的点云数据对质量有更严苛的要求。但受人工操作、外界环境等主客观因素的影响，耐张线夹初始点云不可避免地存在噪声点干扰、密度分布不均匀等质量问题。针对这一问题，需要构建规范化、标准化的点云数据采集处理流程，最大限度地优化点云数据质量，为后续处理提供理想的点云模型。

3）外观尺寸参数的自动、高效提取算法

对于耐张线夹而言，其可以划分为三个不同的结构区域，每个结构区域的点云模型都有差异化的几何外观特征。因此，需要构建尺寸参数智能提取方法，能够识别不同区域的模型特征并自动提取相对应的几何参数。此外，考虑到耐张线夹点云模型具有颗粒度小、数据量大的显著特点，如何兼顾尺寸参数智能提取方法的处理精度与处理效率也是需要妥善处理的问题。

4）点云模型的高精度配准

针对耐张线夹的三维点云模型，通过采用模型比对的思想，能够实现大范围结构偏差的连续性空间分布描述，相应地需要解决耐张线夹点云模型高精度配准的难题，妥善解决耐张线夹几何对称性、结构形变对于配准精度的影响，实现耐张线夹基准区域的高精度重合。

5）数据融合与三维可视化

耐张线夹的三维点云模型在数据精度、实景特性、细节表现力上具有显著的优势，是理想的三维可视化载体。实现多源数据与点云模型的融合可视化有利于多源数据的集中管理与展示，可提升耐张线夹质量检测的交互水平。为此，需要设计合理的数据融合可视化方案，充分挖掘多源数据的可视化价值。

4 结论

1）耐张线夹的压接质量检测是保障输电线路安全、可靠运行的重要工作之一。通过利用外观尺寸测量、内部缺陷检测、握力试验等检测手段，从多个维度综合评估耐张线夹的压接质量及运行状态，有助于发现耐张线夹存在的安全隐患并及时采取对应的补救措施，有效避免掉线等安全事故的发生。

2）压接件外观形态量测作为耐张线夹质量检测的重要判断方法，既有技术手段落后，仅能实现“单点观测”，不具备准确描述大范围、连续性尺寸偏差的能力，亟需开发先进的高效率、高精度与数字化测量技术。

3）基于三维激光扫描的耐张线夹压接质量检测技术可有效实现耐张线夹外观形态的高精度、数字化描述，具备实现耐张线夹外观形态尺寸参数的高精度、可视化连续面体测量的潜力，值得关注，相关研究亟待开展。

本文编自2023年第4期《电气技术》，论文标题为“输电线路耐张导线金具压接质量检测方法现状与展望”，作者为王浩洋、余快 等。

本文编自2023年第4期《电气技术》，论文标题为“输电线路耐张导线金具压接质量检测方法现状与展望”，作者为王浩洋、余快等。