青海共和光伏工业园区土壤电阻率变化特征分析

马海玲，胡亚男，冯有成，安光辉，刘运海，王小明

(1.青海省气候中心，青海 西宁 810001；2.青海省气象服务中心，青海 西宁 810001；3.青海省海南藏族自治州气象局，青海 共和 813099)

0 引言

受季节和不同土质结构与成分影响,土壤电阻率会出现不同程度的差异，刘春泉等〔3〕进行了宁夏土壤电阻率时空分布观测实验；徐霞等〔5〕通过对全国150个典型土壤地区土壤电阻率的测量分析，绘制了全国各地不同地质条件下各季节的土壤电阻率分布图。但目前国内尚无高原光伏电站特殊土壤结构下的土壤电阻率变化特征研究。本文通过对青海共和光伏工业园区2个采样点和海南藏族自治州气象局院内自动气象站，土壤电阻率为期一年的测试研究，对不同地理位置土壤电阻率的变化情况，以及季节、温湿度变化对土壤电阻率的影响进行了分析，旨在为青海共和光伏园区接地工程建设提供技术依据。

1 土壤电阻率的测试试验

1.1 采样点的选取

根据青海共和光伏园区土壤结构情况，选取了两个不同位置及位于共和县城的青海省海南藏族自治州气象局作为试验采样点。

1.2 测试方法的选择

依据《交流电气装置的接地设计研究》〔1〕中相关要求，参照《建筑物防雷设计规范》〔2〕有关土壤电阻率测试方法，选用四极测试法对选定的3个采样点进行测试，其测试原理如图2所示。其中，电流端子为C1和C2，电压端子为P1和P2，两个相邻电极之间的距离为a。将4个电极以直线形式等距插入土壤中，电极垂直插入深度为0.4 m，两相邻电极间距离a取3 m。利用ETCR3000B接地电阻/土壤电阻率测试仪，于每月10日、20日、30日在3个采样点测试土壤电阻率，求出平均值作为采样点当月土壤电阻率测试数据，以3个月的加权平均值作为本季度土壤电阻率测试数据。

图1 四极法测量土壤电阻率原理图

2 土壤电阻率随时间变化特性分析

2.1 土壤电阻率季节变化情况

2.1.1 春季土壤电阻率变化特性

以2020年3月至5月，3组测量数据的加权平均值作为春季土壤电阻率。从3组数据可得，接近冬季的3月上旬土壤电阻率最高；接近夏季的5月下旬，土壤电阻率最低。具体变化情况如图2所示。

图2 春季土壤电阻率变化特性

2.1.2 夏季土壤电阻率变化特性

以2019年6月至8月，3组测量数据的加权平均值作为夏季土壤电阻率。光伏工业园区二期和海南州气象局院内，6月上旬测试数据最高、8月下旬测试数据最低，且波动很大，其余时间数据较为稳定；光伏工业园区一期，全季节数据均较平稳，无较大波动。具体变化情况如图3所示。

图3 夏季土壤电阻率变化特征

2.1.3 秋季土壤电阻率变化特性

以2019年9月至11月，3组测量数据的加权平均值作为秋季土壤电阻率。接近夏季的9月上旬，土壤电阻率最低、波动较大；其余时间数据变化较小，且相对较为平稳。具体变化情况如图4所示。

图4 秋季土壤电阻率变化特征

2.1.4 冬季土壤电阻率变化特性分析

以2019年12月至2月，3组测量数据的加权平均值作为冬季土壤电阻率。接近秋季的1月上旬土壤电阻率最高，12月上旬土壤电阻率最低。具体变化情况如图5所示。

图5 冬季土壤电阻率变化特征

2.1.5 不同季节土壤电阻率变化特性综合分析

分别对3个采样点的土壤电阻率测试数据进行汇总统计。结果表明：夏秋季土壤电阻率最低、冬季最高，具体如图6所示。

图6 各季节土壤电阻率变化特征

2.2 土壤电阻率的季节系数修正

季节系数标准值来源于《交流电气装置的接地设计规范》〔1〕，在进行接地工程设计时，土壤电阻率取夏秋季测得的土壤电阻率乘以季节系数为准。以3个采样点实际测试土壤电阻率为例，选取水平接地体埋深0.8～1.0 m(共和光伏工业园区最大冻土深度为1.5 m)所对应系数值1.25～1.45，对比分析技术规范中季节系数修正的应用效果，测量数据见表1。

表1 土壤电阻率测试数据

由表1可看出，3个采样点的土壤电阻率最小值均出现在8月份，利用3个采样点各自测试最小值乘以1.45得出，共和光伏工业园区一期为112.8 Ω·m、共和光伏工业园区二期99.2 Ω·m、海南州气象局自动气象站102.7 Ω·m。由表1可知，海南州气象局自动气象站、共和光伏工业园区一期、共和光伏工业园区二期的土壤电阻率在冬春季大于标准推荐值，尤其是海南州气象局自动气象站超过标准推荐值的2.9倍以上，如果海南州气象局自动气象站、共和光伏工业园区二期设计时仍采用标准推荐的季节系数，将造成接地工程接地电阻不满足规范要求。

2.3 土壤电阻率年平均值分布

由图7可知，光伏工业园区一期的年平均土壤电阻率为161.3 Ωm，土壤电阻率测试值平均最大；光伏工业园区二期的年平均土壤电阻率为137.9 Ω·m，土壤电阻率测试平均值最小；海南州气象局自动气象站的年平均土壤电阻率为153.3 Ω·m，土壤电阻率测试平均值居中。分析认为，土壤电阻率随空间的变化,是指土壤电阻率随着青海共和光伏园区3个不同地点的空间变化,究其实质就是不同土壤结构的变化特征。

图7 年平均土壤电阻率

3 土壤电阻率与温湿度对比分析

3.1 土壤电阻率随温度变化情况

由图8可知，3个试验区的土壤电阻率均呈现随温度增高而降低、随温度降低而增高的状态。

3.2 土壤电阻率随湿度变化情况

由图9可知，3个试验区的土壤电阻率均呈现湿度越小土壤电阻率越大、湿度越大土壤电阻率越小的状态。

4 结论

1)在测试仪器、测试方法、测试辅助材料一致的条件下,季节变化、温湿度变化和土质状况是影响土壤电阻率最主要的因素。

2)根据3个采样点测试数据判定，土壤电阻率最小值均出现在8月中下旬；土壤电阻率最大值均出现在1月上中旬。

3)土质以粉细砂层和卵石层为主的光伏工业园区一期，土壤电阻率变化值为62.8～137.4Ω·m；以砂质粉土层和砂砾石为主的光伏工业园区二期，土壤电阻率变化值为61.5～335.0 Ω·m；以亚砂土和砂卵砾石为主的海南州气象局土壤电阻率变化值为63.1～498.7 Ω·m。且最高值均出现在冬季1月份，最低值均出现在夏季8月份。