1、第 39 卷第 1 期2023 年2 月结构工程师Structural EngineersVol.39，No.1Feb.2023基于自适应最稀疏时频分析的电力线线夹段缺陷检测研究杨昌群*（中国石化销售股份有限公司华南分公司，广州 510180）摘 要 电力钢绞线是电能输送的载体，电塔上的悬垂线夹是提拉电力钢绞线的关键部件。悬垂线夹结构具有半封闭特点，导致线夹内的钢绞线在受到风载、雨水侵蚀或雷击等外部作用后，更易产生较为隐蔽的缺陷。为有效检测线夹段架空线缆的状态，根据线缆的常见缺陷特征及导波特性，提出了一种基于ASTFA和信号时频熵的损伤识别方法。首先，对GJ100型钢绞线中的导波传播特性进行分
2、析；其次，引入自适应最稀疏时频分析算法和时频熵构建损伤评估指标，并对有限元仿真信号进行指标计算，初步验证该指标的有效性；最后，实验室及现场的实验证明了该方法具有可行性。结果表明：（1）低频低阶纵向导波更适用于钢绞线检测，本文选取64 kHz的L（0，1）模态；（2）随着损伤程度的增加，损伤评估指标的值上升，且导波频率对指标值的影响有限；（3）根据实验划分了损伤程度评价范围，现场试验证明该指标较为可靠。关键词 钢绞线，悬垂线夹，超声导波，损伤评估指标Research on Overhead Wires in Clips Defect Detection Based on Adaptive Spa
3、rse Time-Frequency AnalysisYANG Changqun*（South China Branch of Sinopec Sales Co.，Ltd.，Guangzhou 510180，China）Abstract The transmission of electric energy relies on the power steel strand，and the suspension clamp on the electrical tower is the key component of the power steel strand.The structure of
4、 the suspension clamp has a semi-closed feature，which makes the steel strands in the clamp more likely to have more hidden defects after being exposed to external actions such as wind load，rain erosion or lightning strikes.In order to effectively detect the status of overhead cables in the clamp sec
5、tion，a damage identification method based on ASTFA and the time-frequency entropy of the signal is proposed according to the common defect characteristics and guided wave characteristics of the cable.First，analyze the propagation characteristics of the guided wave in the steel strand；secondly，introd
6、uce the self-adaptive sparsest time-frequency analysis algorithm and time-frequency entropy to construct the damage assessment index，and calculate the finite element simulation signal to initially verify the index Effectiveness；Finally，laboratory and field experiments have proved the feasibility of
7、this method.The results show that：（1）low-frequency longitudinal guided waves are more suitable for steel strand detection and the L（0，1）mode of 64 kHz is selected in this paper；（2）as the degree of damage increases，the value of the damage assessment index increases，and the frequency of guided waves h
8、as a limited influence on the index value；（3）according to the experiment，the damage degree evaluation range is divided，and the field test proves that the index is more reliable.收稿日期：2021-09-02*联系作者：杨昌群（1967-）男，汉族，高级工程师，研究方向为无损检测。E-mail：DOI:10.15935/ki.jggcs.2023.01.020 结构分析 结构工程师第 39 卷 第 1 期Keywords
9、 steel strand，suspension clamp，ultrasonic guided wave，damage evaluation index0 引 言 在当前经济社会发展的背景下，各行业对电能的需求逐年激增，我国电网规模正快速扩大1。输电线路是现代国家有序健康发展的基础保障，巨大体量的输电线路健康状态需要引起重视。输电线路的架空线缆包括架空导线和架空地线，其安全隐患2中，腐蚀和断股是最容易引发重大事故的缺陷。近年来，电网因线路断裂而产生的重大安全事故时有发生，有效地进行线路损伤评估是保障电网线路完善与安全的关键措施之一。引发架空线缆腐蚀或断股的原因较多，比如雨水形成的电化学腐蚀、
10、雷击、风载造成线路晃荡而引起的磨损等。架空地线在输电线路中起到承受雷击而保护整个线路的作用，而且地线中不通电流更易在冬季出现覆冰而增重。目前，常用的架空地线规格为GJ100型钢绞线，相比导线的线径更细，因此更容易产生缺陷。架空线缆的架设依赖于电塔上悬垂线夹的提拉，由于悬垂线夹结构具有半封闭性，线缆从其内部穿过，不但容易积水且线路摇晃带来的磨损也较别处更严重，故悬垂线夹段线缆的缺陷发生率较悬空段高出不少，综合来看，悬垂线夹段的架空地线是整个线路最为薄弱的地方，本文将以此处作为研究对象。图1为位于悬垂线夹段的架空线缆出现严重损伤。目前，可用于架空线缆的检测手段主要有人工排查法、飞行器巡检法3、漏磁
11、法4、X射线检测法5等，这些方法在实施中存在效率低、成本高等问题，且对线夹内线缆检测存在一定的局限性和缺陷漏检的风险。与传统超声检测使用的体波不同，导波具备的单点激励、长距传播及全截面检测使得其在长径比较大的结构检测上具有独特优势。近年来，超声导波应用于钢绞线的缺陷检测得到了许多学者和机构的关注。Moustafa A等6人为地在多股钢绞线中设置带有缺陷的钢丝并利用超声导波进行传播检测，最终证明导波在钢绞线缺陷识别中的有效性。Farhidzadeh A等7通过分形理论，对腐蚀程度不同的钢绞线所对应的超声导波分形特征进行状态评估。Treyssde F8在研究钢绞线中的高阶L模态导波的传播特性时，发
12、现高阶L模态导波适合于钢绞线中的拉力检测。何存富等9、Liu等10采用小波变换和多通道时间反转聚焦增强检测信号信噪比，有效提高了超声导波在钢绞线缺陷检测中的精度。熊红芬11在七芯钢绞线上研究断丝对导波传播的作用，用经验模态分解的方法对小缺陷信号做了识别。钱骥等12在进行钢绞线腐蚀损伤研究时通过对不同的超声导波信号进行小波包变换获得其能量谱，并以对应的谱构建腐蚀评估指标，有效地检测出缺陷。众多研究成果表明，利用导波对钢绞线进行缺陷检测具有良好的前景。然而，以往的研究多针对桥梁斜拉索等，对于悬垂线夹段的架空线缆研究非常有限。2018年，孟晓波等13针对悬垂线夹段钢绞线损伤识别进行了仿真分析，结果显
13、示低阶纵向模态导波更适合检测线夹段钢绞线缺陷。本文采用低频纵向导波对线夹段架空线缆进行损伤识别研究。首先，建立了GJ100型钢绞线及悬垂线夹的有限元模型，分析了导波传播特性；其次，通过自适应最稀疏时频分析对导波信号进行分解，结合时频熵构建损伤评估指标进行损伤识别；最后，结合仿真和实验开展测试，并进行了现场试用验证。1 柱波导理论及检测原理 1.1柱波导理论高强钢丝是架空地线的基本组成单元，设置不同边界可以求得不同模态导波频率特征方程的解析解。考虑材料衰减特性，自由边界无限长高强钢丝中纵向导波的Pochhammer频散方程14如图1悬垂线夹内钢绞线损伤Fig.1Damage of steel s
14、trands in suspension clamps47Structural Engineers Vol.39，No.1 Structural Analysis式（1）所示：(2pa)(q2+k*2)J1(pa)J1(qa)-(q2-k*2)J0(pa)J1(qa)（1）-4k*2pqJ1(pa)J0(qa)=0其中，p2=2c*L-k*2，q2=2c*T-k*2，c*L=cL1+i()L2，c*T=cT1+i()T2；a 为 钢 丝 直径；cL、cT分别为不考虑材料阻尼时的纵波波速和横波波速，k*=kr+iki为复波数；为角频率；J0、J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数。式（1）为超越方程，由
15、 MATLAB 数值求解可得到纵向导波的f-k*曲线，根据式（2）、式（3），可以得到高强钢丝中纵向导波的群速度频散曲线和衰减频散曲线。群速度：cg=d dkr（2）衰减值：=ki（3）高强钢丝参数如表1所示，导波群速度频散曲线和波结构分别如图2、图3所示。图3中箭头表示平行于截面的面内位移矢量，箭头的大小和方向分别表示位移的相对大小和方向，云图的颜色深度表示垂直于截面的离面位移大小，具体数值参看右侧标尺。由图2可知，随着频率的增加，导波在钢绞线中的传播模态变得更多，同一频率下存在多种模态且波速接近，为导波的识别带来困难。低频段的一阶纵向导波L（0，1）波速明显高于其他模态，易于识别，且频散较
16、小，适合用于检测。由图3可知，L（0，1）模态导波可对19芯钢绞线实现全截面检测。由于钢丝的螺旋几何特征和丝间接触对低频纵向导波影响较小15-16，因此，在后续研究中选择低频的低阶纵向模态导波来进行检测。1.2检测原理常见的悬垂线夹由挂架、U形螺栓扣件、材质为铸铁的船体及线夹内压条组成，是输电线路中电塔附近提拉输电线缆必不可少的构件之一 （图4）。悬垂线夹与钢绞线紧贴合的界面处的导波传播可从声阻抗17着手来分析。声阻抗的作用类似于阻尼，简言之是指声波在传播过程中受到的阻力。声波传播所需的声压越大则声阻抗越大，相反则声阻抗越小。表2是钢绞线和悬垂线夹各自的一些属性参数。由表2可知，钢绞线的声阻抗大于悬垂线夹，因此导波将会扩散到线夹中。悬垂线夹造成的回波可能会导致钢绞线表面的腐蚀或者裂纹等信号与悬垂线夹造成的回波发生混叠，从而无法直观地从时域上来判断是否有损伤的发生。在后续的表1 高强钢丝参数Table 1Parameters of high strength steel wires钢丝直径a/mm2.6纵波波速cL/(ms-1)5 250弹性模量E/GPa210横波波速cT/(ms-1)
