垂直接地極施工機方案優化研究

林宇龍 付金琪 黃珣 郭良 喬平

摘 要：垂直接地極是連接電網與大地的關鍵結構，可將配電網的雷電電流安全送入大地，有效減少電網雷擊跳閘事故。由于缺乏專用的垂直接地極施工機，我國目前主要采用人工錘擊安裝或與大型挖機配合施工的方法安裝垂直接地極。該方法存在施工效率低、接地極損壞率高和安裝深度難以達標等施工質量問題，因此，急需開展垂直接地極自動施工機械的研制。本文針對錘擊式、靜壓式和振動式三種接地極施工機械的工作原理進行分析，綜合對比三種類型施工機械的特點，依據層次分析法開展決策分析，最終選取振動式接地極施工機械。相關決策過程，可供類似裝備的決策提供參考。

關鍵詞：垂直接地極;層次分析法;錘擊式接地極施工機械;靜壓式接地極施工機械;振動式接地極施工機械

中圖分類號：TM862文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0037-04

Abstract： The grounding pole plays an indispensable role in the power system. Studies have shown that lightning strikes on transmission lines are generally caused by excessive grounding resistance. Therefore， a good transmission line grounding pole is an important factor to reduce lightning strikes on transmission lines and maintain normal operation of the power grid. Therefore， the laying of the grounding poles is an indispensable part of the power grid construction process. However， at present， the laying of the grounding pole is mostly hands on labour， and there are problems such as low work efficiency and failure to meet the design standards. Therefore， it is urgent to develop the automatic machinery for the laying grounding poles. In this paper， the working principle of three kinds of construction machinery of hammering type， static pressure type and vibration type was analyzed， the characteristics of three types of construction machinery were compared comprehensively， and the decision-making analysis was carried out according to the analytic hierarchy process， and finally the vibration type construction machinery of grounding electrode was selected. The relevant decision-making process can provide reference for similar equipment decision-making.

Keywords： vertical grounding electrode;AHP;hammer type grounding electrode construction machinery;static pressure grounding electrode construction machinery;vibration grounding electrode construction machinery

在電網施工過程中，接地極是電網的重要組成部分。研究表明，輸電線路雷擊跳閘事故一般是由過大的接地電阻造成線路反擊跳閘，因此，高質量的輸電線路接地極安裝是減少輸電線路雷擊事故、維持電網正常運行的重要因素。垂直接地極設計形式一般分為三類：∠50 mm角鋼（2.5 m長）、Φ50 mm圓管（2.5 m長）、Φ16.8 mm圓柱（4～6 m長）。目前，對于2.5 m長的角鋼和圓管接地極往往采用人工錘擊方法進行施工;對于Φ16.8 mm圓柱（4～6 m長）細桿接地極，一般先在接地極安裝位置鉆孔，然后再進行人工錘擊，或利用現場施工挖掘機/鏟車進行下壓。上述方法施工效率低、易將角鋼（圓鋼）頂面擊損，而且存在錘擊不到設計標高等問題[1]。

目前，我國缺少專用的垂直接地極施工機械，而該機械與打樁機的施工方式類似。因此，本文對國內打樁機械的工作原理和優缺點進行分析，優選出適用于垂直接地極的施工機械。

1 錘擊式接地極施工機械

錘擊式施工機械（見圖1）一般包括落錘式施工機械、蒸汽錘式施工機械、柴油錘式施工機械、液壓錘施工機械。

落錘式施工機械是一種歷史悠久的施工機械，其一般使用卷揚機將重錘提升，然后將重錘釋放，重錘沿著導向架做自由落體運動，利用沖擊力將接地極打入地層中。落錘式施工機械一般適用于疏松的沙土、軟黏土等土層中。落錘式施工機械的優點是結構簡單、便于組裝拆卸、使用方便;但是，其也存在著沖擊力小、對接地極的損害較大、容易造成接地極彎折的缺點。

蒸汽錘式施工機械是一種以蒸汽或者壓縮空氣為動力、應用較早的施工機械，分為單作用式和雙作用式兩種。其中，單作用式通過壓縮氣體使重錘上升到指定位置，然后重錘沿著導桿自由落下，從而將接地極打入地層中;雙作用式通過壓縮氣體使重錘上升到指定位置，然后沖擊重錘向下運動沖擊，從而將接地極打入地層中。雙作用式上下往復的速度快、頻率高、沖擊力較大，容易引發土壤的振動，減少接地極側面摩擦力，效果較好。蒸汽錘式施工機械由于需要配套空氣壓縮泵，因此，體積較大，不利于快速移動，且使用程序較為復雜，效率較低，不符合大規模接地極的施工要求。

柴油錘式施工機械是利用進入燃燒室的霧化柴油燃爆產生的高壓驅動重錘工作，從而使接地極克服摩擦力進入土層。柴油錘式施工機械主要分為導桿式和筒式兩種。由于導桿式存在沖擊力小、使用壽命短等缺陷，因此，目前柴油錘式施工機械主要以筒式為主。柴油錘式施工機械的缺點主要是噪聲大、油煙大、容易污染環境，并且用在較為疏松的軟土層時，由于沖擊力較小，導致反彈力較小，壓縮量不夠，無法使霧化燃油引爆，從而導致無法正常使用。總的來說，由于柴油錘式施工機械對施工的土壤條件有較高要求，因此無法大規模推廣使用。

液壓錘式施工機械以液壓能為動力使重錘上升然后反向供油，使得重錘加速落下撞擊接地極，從而使接地極壓入土中。液壓錘式施工機械可以根據不同的地質條件進行調壓，從而以合適的沖擊力進行施工。液壓錘式施工機械具有能量傳遞效率高、噪聲小、振動小的特點，同時可以根據不同的深度進行調壓，滿足不同長度的接地極施工需要，但存在成本較高的缺點。

由于施工力從接地極頂部傳遞，要求施加的壓力不能導致桿件失穩。

2 靜壓式接地極施工機械

靜壓式施工機械是近年來逐步興起的一種環保機械（見圖2），其主要應用于較為稀疏的沙土等軟土地區施工環境。靜壓式施工機械主要包括頂壓式和抱壓式兩種。抱壓式液壓靜力施工機械是通過夾持機構夾住接地極的兩側，通過夾具與接地極產生的摩擦力實現接地極的下沉過程;而頂壓式液壓施工機械則是從接地極的頂端施壓，將其壓入土層。

靜壓式液壓系統采用恒流量設計，系統功率按滿足最大流量和額定壓力的要求進行配置，與實際工況不相適應，進入高阻力階段時，由于阻力大，必然導致下壓速度下降，多余的高壓油壓力能只能以熱能的形式從溢流閥上泄走，導致整個過程能耗高、工作效率較低。由于接地極樣式較多，因此在施工過程中需要頻繁更換夾具，進一步導致施工效率降低。同時，抱壓式施工機械在圓管式接地極施工時，由于無法自動調壓，經常會出現損壞接地極的情況，工程適應能力較差[2]。上述缺點嚴重制約了靜壓式施工機械在接地極項目上的推廣。

3 振動式接地極施工機械

振動式接地極施工機械（見圖3）利用接地極的垂直上下振動，使接地極周圍土體處于強迫振動狀態，從而使接地極周圍土體強度顯著降低，破壞接地極與土體間的黏結力和彈性力，接地極周圍土體對接地極的動摩阻力降低，接地極在自身重量和振動力的作用下逐漸沉入土中。

振動式接地極施工機械目前主要分為電動式和液壓式。電動式接地極施工機械存在結構復雜、維修困難的缺陷，且難以對激振力和頻率進行調節，在較硬的黏土中無法使接地極順利下沉。在需要較大的激振力時，需要大功率電機，容易對電網的穩定性產生影響。液壓式接地極施工機械是目前國內外主流的發展方向，液壓式接地極施工機械具有振動小、低噪聲、無水氣污染、高效、自重輕和機動性強等優點。同時，其頻率及振幅可在較大范圍內進行調節，對于不同的施工地質條件、不同截面的接地極類型，可以選擇最佳的振動頻率及振幅，保證動力系統始終滿載輸出，以獲取最佳工效。

4 層次分析法結構模型

對于一個決策問題，首先要進行結構分析，并在此基礎上建立遞階層次結構分析模型，根據問題的性質和所要達到的總目標，將問題分成不同的組成要素，按照要素間的相互關系，進行不同層次的聚集組合，最后歸結為最低層（方案、措施、指標等）相對于最高層（總目標）的相對重要程度的權值或相對優劣次序的問題。

本文層次分析的總目標是選取垂直接地極的工作原理，這里以垂直接地極的能量傳遞效率、體積的大小、配套設施的多少3個方面作為評價基準，即選擇工作原理的評價準則是“能量傳遞效率”“體積”“配套設施”這三個要素，其層次結構圖如圖4所示。

5 成對比較和構造判斷矩陣

采用成對比較法，AHP的9級比例評價尺度如表1。

對在總目標下的各個要素及從屬于各要素的因素層進行成對比較，比較結果見表2至表5。

6 層次單排序的權向量及一致性檢驗

用和積法求解判斷矩陣，設判斷矩陣為式（5），然后按以下步驟計算判斷矩陣的最大特征值[λmax]和特征向量。各層次單排序的結果如表6所示。

為驗證上面構造的判斷矩陣是否合理，還需要利用一致性指標[CI]、隨機一致性指標[RI]和一致性比例[CR]對判斷矩陣進行一致性檢驗。判斷矩陣的一致性指標[CI]按式（12）計算，一致性比例[CR]按式（13）計算，平均隨機一致性指標的[RI]值取決于比較項的個數，對于1—5階判斷矩陣的[RI]取值可查表7。

經計算，矩陣[A、B1、B2、B3]的一致性比例[CR]分別為0.000 8、0.000 2、0、0.012 9。可見，上述構建矩陣的一致性比例[CR]均小于0.1，說明每個判斷矩陣的一致性都是可以接受的。

經過以上分析可知，振動式接地極施工機械的值最大，采用振動式接地極施工機械符合各個專家的直接感知結果，因此采用該機械方式。

7 結語

本文用層次分析法對垂直接地極施工機械工作原理選擇開展了分析，結合垂直接地極施工時需考慮的能量傳遞效率、體積和配套設施3個方面，以AHP評價尺度構造矩陣，計算出各方案的權重，最后優選出最優的工作原理方案。該應用實例表明，層次分析法在各種方案的選取中具有廣泛的適用性，能為設計者決策提供有力的幫助。

參考文獻：

[1]毛榮方，廖才科，廖云和，等.垂直接地極不同間距對接地電阻影響的試驗研究[J].綠色科技，2012（6）：175-176.

[2]李福志.輸電線路施工中的安全管理及質量控制探析[J].機電信息，2019（35）：40-41.