青海共和光伏工業(yè)園區(qū)土壤電阻率變化特征分析

馬海玲，胡亞男，馮有成，安光輝，劉運(yùn)海，王小明

(1.青海省氣候中心，青海 西寧 810001；2.青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧 810001；3.青海省海南藏族自治州氣象局，青海 共和 813099)

0 引言

受季節(jié)和不同土質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分影響,土壤電阻率會(huì)出現(xiàn)不同程度的差異，劉春泉等〔3〕進(jìn)行了寧夏土壤電阻率時(shí)空分布觀測(cè)實(shí)驗(yàn)；徐霞等〔5〕通過(guò)對(duì)全國(guó)150個(gè)典型土壤地區(qū)土壤電阻率的測(cè)量分析，繪制了全國(guó)各地不同地質(zhì)條件下各季節(jié)的土壤電阻率分布圖。但目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)高原光伏電站特殊土壤結(jié)構(gòu)下的土壤電阻率變化特征研究。本文通過(guò)對(duì)青海共和光伏工業(yè)園區(qū)2個(gè)采樣點(diǎn)和海南藏族自治州氣象局院內(nèi)自動(dòng)氣象站，土壤電阻率為期一年的測(cè)試研究，對(duì)不同地理位置土壤電阻率的變化情況，以及季節(jié)、溫濕度變化對(duì)土壤電阻率的影響進(jìn)行了分析，旨在為青海共和光伏園區(qū)接地工程建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。

1 土壤電阻率的測(cè)試試驗(yàn)

1.1 采樣點(diǎn)的選取

根據(jù)青海共和光伏園區(qū)土壤結(jié)構(gòu)情況，選取了兩個(gè)不同位置及位于共和縣城的青海省海南藏族自治州氣象局作為試驗(yàn)采樣點(diǎn)。

1.2 測(cè)試方法的選擇

依據(jù)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)研究》〔1〕中相關(guān)要求，參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》〔2〕有關(guān)土壤電阻率測(cè)試方法，選用四極測(cè)試法對(duì)選定的3個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試原理如圖2所示。其中，電流端子為C1和C2，電壓端子為P1和P2，兩個(gè)相鄰電極之間的距離為a。將4個(gè)電極以直線形式等距插入土壤中，電極垂直插入深度為0.4 m，兩相鄰電極間距離a取3 m。利用ETCR3000B接地電阻/土壤電阻率測(cè)試儀，于每月10日、20日、30日在3個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)試土壤電阻率，求出平均值作為采樣點(diǎn)當(dāng)月土壤電阻率測(cè)試數(shù)據(jù)，以3個(gè)月的加權(quán)平均值作為本季度土壤電阻率測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖1 四極法測(cè)量土壤電阻率原理圖

2 土壤電阻率隨時(shí)間變化特性分析

2.1 土壤電阻率季節(jié)變化情況

2.1.1 春季土壤電阻率變化特性

以2020年3月至5月，3組測(cè)量數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值作為春季土壤電阻率。從3組數(shù)據(jù)可得，接近冬季的3月上旬土壤電阻率最高；接近夏季的5月下旬，土壤電阻率最低。具體變化情況如圖2所示。

圖2 春季土壤電阻率變化特性

2.1.2 夏季土壤電阻率變化特性

以2019年6月至8月，3組測(cè)量數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值作為夏季土壤電阻率。光伏工業(yè)園區(qū)二期和海南州氣象局院內(nèi)，6月上旬測(cè)試數(shù)據(jù)最高、8月下旬測(cè)試數(shù)據(jù)最低，且波動(dòng)很大，其余時(shí)間數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定；光伏工業(yè)園區(qū)一期，全季節(jié)數(shù)據(jù)均較平穩(wěn)，無(wú)較大波動(dòng)。具體變化情況如圖3所示。

圖3 夏季土壤電阻率變化特征

2.1.3 秋季土壤電阻率變化特性

以2019年9月至11月，3組測(cè)量數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值作為秋季土壤電阻率。接近夏季的9月上旬，土壤電阻率最低、波動(dòng)較大；其余時(shí)間數(shù)據(jù)變化較小，且相對(duì)較為平穩(wěn)。具體變化情況如圖4所示。

圖4 秋季土壤電阻率變化特征

2.1.4 冬季土壤電阻率變化特性分析

以2019年12月至2月，3組測(cè)量數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值作為冬季土壤電阻率。接近秋季的1月上旬土壤電阻率最高，12月上旬土壤電阻率最低。具體變化情況如圖5所示。

圖5 冬季土壤電阻率變化特征

2.1.5 不同季節(jié)土壤電阻率變化特性綜合分析

分別對(duì)3個(gè)采樣點(diǎn)的土壤電阻率測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：夏秋季土壤電阻率最低、冬季最高，具體如圖6所示。

圖6 各季節(jié)土壤電阻率變化特征

2.2 土壤電阻率的季節(jié)系數(shù)修正

季節(jié)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)源于《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》〔1〕，在進(jìn)行接地工程設(shè)計(jì)時(shí)，土壤電阻率取夏秋季測(cè)得的土壤電阻率乘以季節(jié)系數(shù)為準(zhǔn)。以3個(gè)采樣點(diǎn)實(shí)際測(cè)試土壤電阻率為例，選取水平接地體埋深0.8～1.0 m(共和光伏工業(yè)園區(qū)最大凍土深度為1.5 m)所對(duì)應(yīng)系數(shù)值1.25～1.45，對(duì)比分析技術(shù)規(guī)范中季節(jié)系數(shù)修正的應(yīng)用效果，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 土壤電阻率測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可看出，3個(gè)采樣點(diǎn)的土壤電阻率最小值均出現(xiàn)在8月份，利用3個(gè)采樣點(diǎn)各自測(cè)試最小值乘以1.45得出，共和光伏工業(yè)園區(qū)一期為112.8 Ω·m、共和光伏工業(yè)園區(qū)二期99.2 Ω·m、海南州氣象局自動(dòng)氣象站102.7 Ω·m。由表1可知，海南州氣象局自動(dòng)氣象站、共和光伏工業(yè)園區(qū)一期、共和光伏工業(yè)園區(qū)二期的土壤電阻率在冬春季大于標(biāo)準(zhǔn)推薦值，尤其是海南州氣象局自動(dòng)氣象站超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)推薦值的2.9倍以上，如果海南州氣象局自動(dòng)氣象站、共和光伏工業(yè)園區(qū)二期設(shè)計(jì)時(shí)仍采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的季節(jié)系數(shù)，將造成接地工程接地電阻不滿足規(guī)范要求。

2.3 土壤電阻率年平均值分布

由圖7可知，光伏工業(yè)園區(qū)一期的年平均土壤電阻率為161.3 Ωm，土壤電阻率測(cè)試值平均最大；光伏工業(yè)園區(qū)二期的年平均土壤電阻率為137.9 Ω·m，土壤電阻率測(cè)試平均值最小；海南州氣象局自動(dòng)氣象站的年平均土壤電阻率為153.3 Ω·m，土壤電阻率測(cè)試平均值居中。分析認(rèn)為，土壤電阻率隨空間的變化,是指土壤電阻率隨著青海共和光伏園區(qū)3個(gè)不同地點(diǎn)的空間變化,究其實(shí)質(zhì)就是不同土壤結(jié)構(gòu)的變化特征。

圖7 年平均土壤電阻率

3 土壤電阻率與溫濕度對(duì)比分析

3.1 土壤電阻率隨溫度變化情況

由圖8可知，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤電阻率均呈現(xiàn)隨溫度增高而降低、隨溫度降低而增高的狀態(tài)。

3.2 土壤電阻率隨濕度變化情況

由圖9可知，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤電阻率均呈現(xiàn)濕度越小土壤電阻率越大、濕度越大土壤電阻率越小的狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)在測(cè)試儀器、測(cè)試方法、測(cè)試輔助材料一致的條件下,季節(jié)變化、溫濕度變化和土質(zhì)狀況是影響土壤電阻率最主要的因素。

2)根據(jù)3個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)判定，土壤電阻率最小值均出現(xiàn)在8月中下旬；土壤電阻率最大值均出現(xiàn)在1月上中旬。

3)土質(zhì)以粉細(xì)砂層和卵石層為主的光伏工業(yè)園區(qū)一期，土壤電阻率變化值為62.8～137.4Ω·m；以砂質(zhì)粉土層和砂礫石為主的光伏工業(yè)園區(qū)二期，土壤電阻率變化值為61.5～335.0 Ω·m；以亞砂土和砂卵礫石為主的海南州氣象局土壤電阻率變化值為63.1～498.7 Ω·m。且最高值均出現(xiàn)在冬季1月份，最低值均出現(xiàn)在夏季8月份。