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垂直接地极施工机方案优化研究

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林宇龙付金琪黄珣郭良乔平

摘要：垂直接地极是连接电网与大地的关键结构，可将配电网的雷电电流安全送入大地，有效减少电网雷击跳闸事故。由于缺乏专用的垂直接地极施工机，我国目前主要采用人工锤击安装或与大型挖机配合施工的方法安装垂直接地极。该方法存在施工效率低、接地极损坏率高和安装深度难以达标等施工质量问题，因此，急需开展垂直接地极自动施工机械的研制。本文针对锤击式、静压式和振动式三种接地极施工机械的工作原理进行分析，综合对比三种类型施工机械的特点，依据层次分析法开展决策分析，最终选取振动式接地极施工机械。相关决策过程，可供类似装备的决策提供参考。

关键词：垂直接地极;层次分析法;锤击式接地极施工机械;静压式接地极施工机械;振动式接地极施工机械

中图分类号：TM862文献标识码：A文章编号：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

在電网施工过程中，接地极是电网的重要组成部分。研究表明，输电线路雷击跳闸事故一般是由过大的接地电阻造成线路反击跳闸，因此，高质量的输电线路接地极安装是减少输电线路雷击事故、维持电网正常运行的重要因素。垂直接地极设计形式一般分为三类：∠50 mm角钢（2.5 m长）、Φ50 mm圆管（2.5 m长）、Φ16.8 mm圆柱（4～6 m长）。目前，对于2.5 m长的角钢和圆管接地极往往采用人工锤击方法进行施工;对于Φ16.8 mm圆柱（4～6 m长）细杆接地极，一般先在接地极安装位置钻孔，然后再进行人工锤击，或利用现场施工挖掘机/铲车进行下压。上述方法施工效率低、易将角钢（圆钢）顶面击损，而且存在锤击不到设计标高等问题[1]。

目前，我国缺少专用的垂直接地极施工机械，而该机械与打桩机的施工方式类似。因此，本文对国内打桩机械的工作原理和优缺点进行分析，优选出适用于垂直接地极的施工机械。

1 锤击式接地极施工机械

锤击式施工机械（见图1）一般包括落锤式施工机械、蒸汽锤式施工机械、柴油锤式施工机械、液压锤施工机械。

落锤式施工机械是一种历史悠久的施工机械，其一般使用卷扬机将重锤提升，然后将重锤释放，重锤沿着导向架做自由落体运动，利用冲击力将接地极打入地层中。落锤式施工机械一般适用于疏松的沙土、软黏土等土层中。落锤式施工机械的优点是结构简单、便于组装拆卸、使用方便;但是，其也存在着冲击力小、对接地极的损害较大、容易造成接地极弯折的缺点。

蒸汽锤式施工机械是一种以蒸汽或者压缩空气为动力、应用较早的施工机械，分为单作用式和双作用式两种。其中，单作用式通过压缩气体使重锤上升到指定位置，然后重锤沿着导杆自由落下，从而将接地极打入地层中;双作用式通过压缩气体使重锤上升到指定位置，然后冲击重锤向下运动冲击，从而将接地极打入地层中。双作用式上下往复的速度快、频率高、冲击力较大，容易引发土壤的振动，减少接地极侧面摩擦力，效果较好。蒸汽锤式施工机械由于需要配套空气压缩泵，因此，体积较大，不利于快速移动，且使用程序较为复杂，效率较低，不符合大规模接地极的施工要求。

柴油锤式施工机械是利用进入燃烧室的雾化柴油燃爆产生的高压驱动重锤工作，从而使接地极克服摩擦力进入土层。柴油锤式施工机械主要分为导杆式和筒式两种。由于导杆式存在冲击力小、使用寿命短等缺陷，因此，目前柴油锤式施工机械主要以筒式为主。柴油锤式施工机械的缺点主要是噪声大、油烟大、容易污染环境，并且用在较为疏松的软土层时，由于冲击力较小，导致反弹力较小，压缩量不够，无法使雾化燃油引爆，从而导致无法正常使用。总的来说，由于柴油锤式施工机械对施工的土壤条件有较高要求，因此无法大规模推广使用。

液压锤式施工机械以液压能为动力使重锤上升然后反向供油，使得重锤加速落下撞击接地极，从而使接地极压入土中。液压锤式施工机械可以根据不同的地质条件进行调压，从而以合适的冲击力进行施工。液压锤式施工机械具有能量传递效率高、噪声小、振动小的特点，同时可以根据不同的深度进行调压，满足不同长度的接地极施工需要，但存在成本较高的缺点。

由于施工力从接地极顶部传递，要求施加的压力不能导致杆件失稳。

2 静压式接地极施工机械

静压式施工机械是近年来逐步兴起的一种环保机械（见图2），其主要应用于较为稀疏的沙土等软土地区施工环境。静压式施工机械主要包括顶压式和抱压式两种。抱压式液压静力施工机械是通过夹持机构夹住接地极的两侧，通过夹具与接地极产生的摩擦力实现接地极的下沉过程;而顶压式液压施工机械则是从接地极的顶端施压，将其压入土层。

静压式液压系统采用恒流量设计，系统功率按满足最大流量和额定压力的要求进行配置，与实际工况不相适应，进入高阻力阶段时，由于阻力大，必然导致下压速度下降，多余的高压油压力能只能以热能的形式从溢流阀上泄走，导致整个过程能耗高、工作效率较低。由于接地極样式较多，因此在施工过程中需要频繁更换夹具，进一步导致施工效率降低。同时，抱压式施工机械在圆管式接地极施工时，由于无法自动调压，经常会出现损坏接地极的情况，工程适应能力较差[2]。上述缺点严重制约了静压式施工机械在接地极项目上的推广。

3 振动式接地极施工机械

振动式接地极施工机械（见图3）利用接地极的垂直上下振动，使接地极周围土体处于强迫振动状态，从而使接地极周围土体强度显著降低，破坏接地极与土体间的黏结力和弹性力，接地极周围土体对接地极的动摩阻力降低，接地极在自身重量和振动力的作用下逐渐沉入土中。

振动式接地极施工机械目前主要分为电动式和液压式。电动式接地极施工机械存在结构复杂、维修困难的缺陷，且难以对激振力和频率进行调节，在较硬的黏土中无法使接地极顺利下沉。在需要较大的激振力时，需要大功率电机，容易对电网的稳定性产生影响。液压式接地极施工机械是目前国内外主流的发展方向，液压式接地极施工机械具有振动小、低噪声、无水气污染、高效、自重轻和机动性强等优点。同时，其频率及振幅可在较大范围内进行调节，对于不同的施工地质条件、不同截面的接地极类型，可以选择最佳的振动频率及振幅，保证动力系统始终满载输出，以获取最佳工效。

4 层次分析法结构模型

对于一个决策问题，首先要进行结构分析，并在此基础上建立递阶层次结构分析模型，根据问题的性质和所要达到的总目标，将问题分成不同的组成要素，按照要素间的相互关系，进行不同层次的聚集组合，最后归结为最低层（方案、措施、指标等）相对于最高层（总目标）的相对重要程度的权值或相对优劣次序的问题。

本文层次分析的总目标是选取垂直接地极的工作原理，这里以垂直接地极的能量传递效率、体积的大小、配套设施的多少3个方面作为评价基准，即选择工作原理的评价准则是“能量传递效率”“体积”“配套设施”这三个要素，其层次结构图如图4所示。

5 成对比较和构造判断矩阵

采用成对比较法，AHP的9级比例评价尺度如表1。

对在总目标下的各个要素及从属于各要素的因素层进行成对比较，比较结果见表2至表5。

6 层次单排序的权向量及一致性检验

用和积法求解判断矩阵，设判断矩阵为式（5），然后按以下步骤计算判断矩阵的最大特征值[λmax]和特征向量。各层次单排序的结果如表6所示。

为验证上面构造的判断矩阵是否合理，还需要利用一致性指标[CI]、随机一致性指标[RI]和一致性比例[CR]对判断矩阵进行一致性检验。判断矩阵的一致性指标[CI]按式（12）计算，一致性比例[CR]按式（13）计算，平均随机一致性指标的[RI]值取决于比较项的个数，对于1—5阶判断矩阵的[RI]取值可查表7。

经计算，矩阵[A、B1、B2、B3]的一致性比例[CR]分别为0.000 8、0.000 2、0、0.012 9。可见，上述构建矩阵的一致性比例[CR]均小于0.1，说明每个判断矩阵的一致性都是可以接受的。

经过以上分析可知，振动式接地极施工机械的值最大，采用振动式接地极施工机械符合各个专家的直接感知结果，因此采用该机械方式。

7 结语

本文用层次分析法对垂直接地极施工机械工作原理选择开展了分析，结合垂直接地极施工时需考虑的能量传递效率、体积和配套设施3个方面，以AHP评价尺度构造矩阵，计算出各方案的权重，最后优选出最优的工作原理方案。该应用实例表明，层次分析法在各种方案的选取中具有广泛的适用性，能为设计者决策提供有力的帮助。

参考文献：

[1]毛荣方，廖才科，廖云和，等.垂直接地极不同间距对接地电阻影响的试验研究[J].绿色科技，2012（6）：175-176.

[2]李福志.输电线路施工中的安全管理及质量控制探析[J].机电信息，2019（35）：40-41.

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