林宇龍 付金琪 黃珣 郭良 喬平

摘 要：垂直接地極是連接電網(wǎng)與大地的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，可將配電網(wǎng)的雷電電流安全送入大地，有效減少電網(wǎng)雷擊跳閘事故。由于缺乏專(zhuān)用的垂直接地極施工機(jī)，我國(guó)目前主要采用人工錘擊安裝或與大型挖機(jī)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(dá)標(biāo)等施工質(zhì)量問(wèn)題，因此，急需開(kāi)展垂直接地極自動(dòng)施工機(jī)械的研制。本文針對(duì)錘擊式、靜壓式和振動(dòng)式三種接地極施工機(jī)械的工作原理進(jìn)行分析，綜合對(duì)比三種類(lèi)型施工機(jī)械的特點(diǎn)，依據(jù)層次分析法開(kāi)展決策分析，最終選取振動(dòng)式接地極施工機(jī)械。相關(guān)決策過(guò)程，可供類(lèi)似裝備的決策提供參考。

關(guān)鍵詞：垂直接地極;層次分析法;錘擊式接地極施工機(jī)械;靜壓式接地極施工機(jī)械;振動(dòng)式接地極施工機(jī)械

中圖分類(lèi)號(hào)：TM862文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(wǎng)施工過(guò)程中，接地極是電網(wǎng)的重要組成部分。研究表明，輸電線(xiàn)路雷擊跳閘事故一般是由過(guò)大的接地電阻造成線(xiàn)路反擊跳閘，因此，高質(zhì)量的輸電線(xiàn)路接地極安裝是減少輸電線(xiàn)路雷擊事故、維持電網(wǎng)正常運(yùn)行的重要因素。垂直接地極設(shè)計(jì)形式一般分為三類(lèi)：∠50 mm角鋼（2.5 m長(zhǎng)）、Φ50 mm圓管（2.5 m長(zhǎng)）、Φ16.8 mm圓柱（4～6 m長(zhǎng)）。目前，對(duì)于2.5 m長(zhǎng)的角鋼和圓管接地極往往采用人工錘擊方法進(jìn)行施工;對(duì)于Φ16.8 mm圓柱（4～6 m長(zhǎng)）細(xì)桿接地極，一般先在接地極安裝位置鉆孔，然后再進(jìn)行人工錘擊，或利用現(xiàn)場(chǎng)施工挖掘機(jī)/鏟車(chē)進(jìn)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(shè)計(jì)標(biāo)高等問(wèn)題[1]。

目前，我國(guó)缺少專(zhuān)用的垂直接地極施工機(jī)械，而該機(jī)械與打樁機(jī)的施工方式類(lèi)似。因此，本文對(duì)國(guó)內(nèi)打樁機(jī)械的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，優(yōu)選出適用于垂直接地極的施工機(jī)械。

1 錘擊式接地極施工機(jī)械

錘擊式施工機(jī)械（見(jiàn)圖1）一般包括落錘式施工機(jī)械、蒸汽錘式施工機(jī)械、柴油錘式施工機(jī)械、液壓錘施工機(jī)械。

落錘式施工機(jī)械是一種歷史悠久的施工機(jī)械，其一般使用卷?yè)P(yáng)機(jī)將重錘提升，然后將重錘釋放，重錘沿著導(dǎo)向架做自由落體運(yùn)動(dòng)，利用沖擊力將接地極打入地層中。落錘式施工機(jī)械一般適用于疏松的沙土、軟黏土等土層中。落錘式施工機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于組裝拆卸、使用方便;但是，其也存在著沖擊力小、對(duì)接地極的損害較大、容易造成接地極彎折的缺點(diǎn)。

蒸汽錘式施工機(jī)械是一種以蒸汽或者壓縮空氣為動(dòng)力、應(yīng)用較早的施工機(jī)械，分為單作用式和雙作用式兩種。其中，單作用式通過(guò)壓縮氣體使重錘上升到指定位置，然后重錘沿著導(dǎo)桿自由落下，從而將接地極打入地層中;雙作用式通過(guò)壓縮氣體使重錘上升到指定位置，然后沖擊重錘向下運(yùn)動(dòng)沖擊，從而將接地極打入地層中。雙作用式上下往復(fù)的速度快、頻率高、沖擊力較大，容易引發(fā)土壤的振動(dòng)，減少接地極側(cè)面摩擦力，效果較好。蒸汽錘式施工機(jī)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(dòng)，且使用程序較為復(fù)雜，效率較低，不符合大規(guī)模接地極的施工要求。

柴油錘式施工機(jī)械是利用進(jìn)入燃燒室的霧化柴油燃爆產(chǎn)生的高壓驅(qū)動(dòng)重錘工作，從而使接地極克服摩擦力進(jìn)入土層。柴油錘式施工機(jī)械主要分為導(dǎo)桿式和筒式兩種。由于導(dǎo)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(jī)械主要以筒式為主。柴油錘式施工機(jī)械的缺點(diǎn)主要是噪聲大、油煙大、容易污染環(huán)境，并且用在較為疏松的軟土層時(shí)，由于沖擊力較小，導(dǎo)致反彈力較小，壓縮量不夠，無(wú)法使霧化燃油引爆，從而導(dǎo)致無(wú)法正常使用?？偟膩?lái)說(shuō)，由于柴油錘式施工機(jī)械對(duì)施工的土壤條件有較高要求，因此無(wú)法大規(guī)模推廣使用。

液壓錘式施工機(jī)械以液壓能為動(dòng)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(jī)械可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)壓，從而以合適的沖擊力進(jìn)行施工。液壓錘式施工機(jī)械具有能量傳遞效率高、噪聲小、振動(dòng)小的特點(diǎn)，同時(shí)可以根據(jù)不同的深度進(jìn)行調(diào)壓，滿(mǎn)足不同長(zhǎng)度的接地極施工需要，但存在成本較高的缺點(diǎn)。

由于施工力從接地極頂部傳遞，要求施加的壓力不能導(dǎo)致桿件失穩(wěn)。

2 靜壓式接地極施工機(jī)械

靜壓式施工機(jī)械是近年來(lái)逐步興起的一種環(huán)保機(jī)械（見(jiàn)圖2），其主要應(yīng)用于較為稀疏的沙土等軟土地區(qū)施工環(huán)境。靜壓式施工機(jī)械主要包括頂壓式和抱壓式兩種。抱壓式液壓靜力施工機(jī)械是通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)夾住接地極的兩側(cè)，通過(guò)夾具與接地極產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)接地極的下沉過(guò)程;而頂壓式液壓施工機(jī)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(tǒng)采用恒流量設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功率按滿(mǎn)足最大流量和額定壓力的要求進(jìn)行配置，與實(shí)際工況不相適應(yīng)，進(jìn)入高阻力階段時(shí)，由于阻力大，必然導(dǎo)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(dǎo)致整個(gè)過(guò)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(guò)程中需要頻繁更換夾具，進(jìn)一步導(dǎo)致施工效率降低。同時(shí)，抱壓式施工機(jī)械在圓管式接地極施工時(shí)，由于無(wú)法自動(dòng)調(diào)壓，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)損壞接地極的情況，工程適應(yīng)能力較差[2]。上述缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了靜壓式施工機(jī)械在接地極項(xiàng)目上的推廣。

3 振動(dòng)式接地極施工機(jī)械

振動(dòng)式接地極施工機(jī)械（見(jiàn)圖3）利用接地極的垂直上下振動(dòng)，使接地極周?chē)馏w處于強(qiáng)迫振動(dòng)狀態(tài)，從而使接地極周?chē)馏w強(qiáng)度顯著降低，破壞接地極與土體間的黏結(jié)力和彈性力，接地極周?chē)馏w對(duì)接地極的動(dòng)摩阻力降低，接地極在自身重量和振動(dòng)力的作用下逐漸沉入土中。

振動(dòng)式接地極施工機(jī)械目前主要分為電動(dòng)式和液壓式。電動(dòng)式接地極施工機(jī)械存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難的缺陷，且難以對(duì)激振力和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在較硬的黏土中無(wú)法使接地極順利下沉。在需要較大的激振力時(shí)，需要大功率電機(jī)，容易對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。液壓式接地極施工機(jī)械是目前國(guó)內(nèi)外主流的發(fā)展方向，液壓式接地極施工機(jī)械具有振動(dòng)小、低噪聲、無(wú)水氣污染、高效、自重輕和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其頻率及振幅可在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于不同的施工地質(zhì)條件、不同截面的接地極類(lèi)型，可以選擇最佳的振動(dòng)頻率及振幅，保證動(dòng)力系統(tǒng)始終滿(mǎn)載輸出，以獲取最佳工效。

4 層次分析法結(jié)構(gòu)模型

對(duì)于一個(gè)決策問(wèn)題，首先要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并在此基礎(chǔ)上建立遞階層次結(jié)構(gòu)分析模型，根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和所要達(dá)到的總目標(biāo)，將問(wèn)題分成不同的組成要素，按照要素間的相互關(guān)系，進(jìn)行不同層次的聚集組合，最后歸結(jié)為最低層（方案、措施、指標(biāo)等）相對(duì)于最高層（總目標(biāo)）的相對(duì)重要程度的權(quán)值或相對(duì)優(yōu)劣次序的問(wèn)題。

本文層次分析的總目標(biāo)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(shè)施的多少3個(gè)方面作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，即選擇工作原理的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是“能量傳遞效率”“體積”“配套設(shè)施”這三個(gè)要素，其層次結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

5 成對(duì)比較和構(gòu)造判斷矩陣

采用成對(duì)比較法，AHP的9級(jí)比例評(píng)價(jià)尺度如表1。

對(duì)在總目標(biāo)下的各個(gè)要素及從屬于各要素的因素層進(jìn)行成對(duì)比較，比較結(jié)果見(jiàn)表2至表5。

6 層次單排序的權(quán)向量及一致性檢驗(yàn)

用和積法求解判斷矩陣，設(shè)判斷矩陣為式（5），然后按以下步驟計(jì)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(jié)果如表6所示。

為驗(yàn)證上面構(gòu)造的判斷矩陣是否合理，還需要利用一致性指標(biāo)[CI]、隨機(jī)一致性指標(biāo)[RI]和一致性比例[CR]對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣的一致性指標(biāo)[CI]按式（12）計(jì)算，一致性比例[CR]按式（13）計(jì)算，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)的[RI]值取決于比較項(xiàng)的個(gè)數(shù)，對(duì)于1—5階判斷矩陣的[RI]取值可查表7。

經(jīng)計(jì)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(jiàn)，上述構(gòu)建矩陣的一致性比例[CR]均小于0.1，說(shuō)明每個(gè)判斷矩陣的一致性都是可以接受的。

經(jīng)過(guò)以上分析可知，振動(dòng)式接地極施工機(jī)械的值最大，采用振動(dòng)式接地極施工機(jī)械符合各個(gè)專(zhuān)家的直接感知結(jié)果，因此采用該機(jī)械方式。

7 結(jié)語(yǔ)

本文用層次分析法對(duì)垂直接地極施工機(jī)械工作原理選擇開(kāi)展了分析，結(jié)合垂直接地極施工時(shí)需考慮的能量傳遞效率、體積和配套設(shè)施3個(gè)方面，以AHP評(píng)價(jià)尺度構(gòu)造矩陣，計(jì)算出各方案的權(quán)重，最后優(yōu)選出最優(yōu)的工作原理方案。該應(yīng)用實(shí)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(shè)計(jì)者決策提供有力的幫助。

參考文獻(xiàn)：

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

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