Ein Leitfaden zur Spezifikation von Felddaten für Solar-EPC-Ingenieure: Wie 4.200 chemische Erdungselektroden, die an ein 150-MW-Photovoltaikkraftwerk in Saudi-Arabien geliefert wurden, über fünf Jahre einen Pad-Widerstand von 3,1 Ω bei einer Bodenfestigkeit von 1.800 Ω·cm aufrechterhielten – und die Beschaffungs-, Installations- und Prüfschritte, die uns dorthin brachten.

Die Felddaten dieses Artikels stammen von einem 150-MW-Photovoltaikkraftwerk in Saudi-Arabien, das uns im August 2020 im Rahmen einer Routineanfrage erreichte. Das in Madrid ansässige EPC-Unternehmen ging bereits in der zweiten E-Mail von Stückpreisen zu Spezifikationen über – ihr leitender Ingenieur hatte 2018 ein 50-MW-Projekt miterlebt, bei dem der Bestand an bewässerten Stäben im dritten Jahr die zulässige Berührungsspannung überschritten hatte. Im Folgenden werden die Beschaffungs-, Installations- und Prüfprozesse beschrieben, die zu dem Modell mit durchschnittlich 3,1 Ω / maximal 4,7 Ω / fünfjährigem wartungsfreiem Betrieb führten – sowie die eine Lieferantencharge, die dieses Modell beinahe zerstörte.

1. Die wartungsfreie Spezifikation, die mit einer ausgefallenen Bewässerungsstab-Anlage begann

Der Referenzfall betraf eine chilenische 50-MW-Photovoltaikanlage, die 2018 in Betrieb genommen wurde und mit konventionellen, kupferummantelten Stäben sowie einem halbjährlichen Bewässerungszyklus ausgestattet war. Im dritten Betriebsjahr war die Berührungsspannung an sechs Wechselrichteranschlüssen über den Auslegungsgrenzwert hinaus angestiegen, da zwei geplante Bewässerungsvorgänge im Jahr 2020 aufgrund von Reisebeschränkungen durch COVID-19 ausgefallen waren. Die Stäbe waren nicht physisch defekt, sondern ausgetrocknet. Der Widerstand der Anschlüsse überschritt bei drei der sechs Anschlüsse den Schwellenwert von 5 Ω.

Diese Funktionslücke schließt eine chemische Erdungselektrode. Unser Produkt besteht aus einem kupferummantelten Stahlkern (17,2 mm bis 25,4 mm) in einem 100 mm bis 150 mm großen, gebohrten Ringspalt, der mit einer hygroskopischen Masse – Bentonit-Ton mit Magnesiumsulfat und einem Feuchtigkeitsspeicherzusatz – verfüllt ist. Die Masse absorbiert die Umgebungsfeuchtigkeit und hält sie an der Staboberfläche; das Magnesiumsulfat sorgt für die Leitfähigkeit des umgebenden Bodens. Die Folge für die Anlage ist, dass die Berührungsspannung während der gesamten Auslegungslebensdauer von 25 bis 30 Jahren innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt und die Bewässerung im Betriebs- und Wartungsplan entfällt.

Beim saudischen Projekt bestand der Unterschied zwischen einer wassergekühlten und einer chemischen Elektrode in einer fünfjährigen Betriebs- und Wartungsverpflichtung, die der Generalunternehmer von Anfang an in das Projekt einkalkulierte. Sobald diese Rahmenbedingungen festgelegt sind, wird der Stückpreisaufschlag zu einem nachvollziehbaren Kostenpunkt.

2. Die Bodenwiderstandskarte, die über die Auswahl von 4.200 Elektroden entschied

Die ehrliche Antwort aufAb wann ist eine chemische Elektrode nicht mehr optional?Dies ist die Bodenwiderstandskarte. Für das saudische Kraftwerk führten wir eine Wenner-Vierpunktmessung über die 1,8 km² große Fläche des Anlagenfelds durch, wobei die Messpunkte in der geplanten Elektrodentiefe (1,5 m und 3,0 m Sonden) platziert wurden. Die folgende Aufschlüsselung verwende ich, wenn ein EPC-Unternehmen dieselbe Frage für ein neues Projekt stellt.

Entscheidend ist der Messwert des spezifischen Widerstands in der geplanten Elektrodentiefe, nicht der Messwert an der Oberfläche.Auf der saudischen Baustelle ergab die Oberflächenmessung mit vier Messpunkten einen Wert von 380 Ω·cm (was auf die Notwendigkeit einer Rammsondierung hingewiesen hätte); die Messung in 1,5 m Tiefe ergab 1400 Ω·cm und in 3,0 m Tiefe 1800 Ω·cm. Ohne die Schichtmessung hätte der Generalunternehmer eine Rammsondierung mit Wasser vorgeschrieben.

3. Was „wartungsfrei“ in unserem Typtestbericht tatsächlich bedeutet

Diese Formulierung ist zwar branchenüblich, aber ungenau, daher halten wir sie für jede Lieferung schriftlich fest. Eine wartungsfreie chemische Erdungselektrode an unserer Versandrampe weist vier technische Eigenschaften auf, die im Typprüfbericht aufgeführt sind. Dieser Bericht sollte von einem EPC-Unternehmen vor Vertragsunterzeichnung eingesehen werden.

1. Hygroskopisches Hinterfüllmaterial (proIEC 62561-7).Bentonit wird mit Magnesiumsulfat (nicht mit Natriumchlorid, das kupferummantelte Kerne angreift) versetzt. Der Ionenstabilitätstest bei 60 °C über 30 Tage deckt Mängel bei den Lieferanten auf: Konforme Verbindungen weisen eine Widerstandsreduktion von ≥ 80 % auf; die Charge des Lieferanten aus dem Jahr 2022 erreichte nur noch 65 %, was den Wechsel zur internen Herstellung der Verbindungen auslöste.
2. Kupferplattierter Stahlkern bisNEMA GR-1, 254 µm Mindestmantelstärke.Verhindert galvanische Korrosion. Wir haben einen Lieferanten aus dem Jahr 2021 abgelehnt, dessen Ummantelung 180 µm dick war – innerhalb der Spezifikation für die Signalerdung bei niedrigen Strömen, aber zu dünn für die Impulsstrombelastung, die ein ESE-Anschluss während eines Blitzereignisses aufweist.
3. Permanente Inspektionsgrube mit aufsteckbarem Messfenster.300 mm × 300 mm × 300 mm Polymer (kein Beton; Beton reißt bei wechselnden Trockenheits- und Temperaturverhältnissen). Mit der Klemmvorrichtung kann das Wartungsteam die Wiederholungsprüfung nach fünf Jahren in 30 Sekunden pro Messplatte durchführen.
4. Im Betriebs- und Wartungsplan ist keine erneute Bewässerung vorgesehen.Die saudische Anleitung sieht eine Klemmbefestigung im ersten, dritten und fünften Jahr vor – dazwischen gibt es keine. Ein Bewässerungszyklus von sechs oder zwölf Monaten deutet darauf hin, dass die Elektrode falsch spezifiziert wurde.

Der Unterschied zwischen einemchemische Erdungselektrodeund einElektrolytischer Ionen-ErdungsstabBei unserer Anlage geht es um Geometrie, nicht um Funktion – Kupferrohr im Vergleich zu kupferummanteltem Stahlkern, gleiche Hinterfüllung. Beide Varianten erreichten im saudischen Kraftwerk einen durchschnittlichen Widerstand von 3,1 Ω gegenüber dem Zielwert von 5 Ω.

4. Die vier in der saudischen Spezifikation referenzierten Standards

Die saudische Spezifikation verwies auf vier Normen. Welche Norm für welche Entscheidung maßgeblich war, bleibt bei EPCs meist implizit – hier ist die Übersicht.

Für Mittelspannungs-Anschlussstellen und das Umspannwerk POI,IEEE 80UndIEEE 665Die Bindungsbeschränkung war nicht der reine Padwiderstand. Beide Projektleiter mussten sich auf IEEE 837 einigen, bevor einer von ihnen seine Zustimmung erteilte.

5. Wo die Elektroden tatsächlich auf dem Array platziert wurden.

Im saudischen Werk wurde die Frage nach dem optimalen Standort anhand eines einpoligen Schaltplans beantwortet, den der Generalunternehmer dreimal überarbeitete, bevor der erste Container verschifft wurde. Die chemischen Elektroden wurden an fünf verschiedenen Standorttypen platziert – und im Beschaffungsdokument musste genau angegeben werden, welcher Standard für welchen Standort galt, da die Geometrie derselben Elektrode für jeden Standort unterschiedlich spezifiziert war.

Abbildung 2 – Eine elektrolytische Ionenerdungsstabelektrode in einer fertigen Inspektionsgrube an einem Wechselrichterplatz eines saudi-arabischen Kraftwerks. Der kupferummantelte Kern ist auf Höhe der Inspektionsgrube exotherm mit dem Schutzleiter der Anlage verschweißt.

1. Wechselrichterpads.Angefangen wurde mit einem pro Pad; ein zweites wurde auf 14 Pads hinzugefügt, bei denen die 1,5 m-Messung über 1.800 Ω·cm lag (1.316 Elektroden, Durchschnitt 3,1 Ω).
2. MV-Transformatoranschlüsse.Zwei Elektroden pro Pad plus eine Oberflächenkiesschicht, ausgelegt für das IEEE 80 Berührungs- und Schrittspannungsfenster (84 Pads, 168 Elektroden).
3. Kombinationsboxen.Eine Elektrode pro Box (1.890 Elektroden).
4. Beide Enden des Haupt-Gleichstrom-Geräteerdungsstrangs.Zwei Elektroden (1,4 km Stamm).
5. ESE-Blitzableiteranschlüsse.24 ESE-Luftanschlüsse am Rand der Anlage und am Gehäuse der Mittelspannungsschaltanlage, jeweils mit einem elektrolytischen Ionen-Erdungsstabanschluss (die Impulsstromkapazität war die bindende Einschränkung).

Insgesamt: 4.200 chemische Elektroden, entsprechend dem Beschaffungsplan des EPC und den Containern, die Xinchang zwischen September 2020 und März 2022 verlassen haben. Der häufigste Fehler bei der ersten Überarbeitung ist die fälschliche Annahme, dass alle fünf Standorttypen identisch sind – das sind sie nicht. Im Beschaffungsdokument muss klar angegeben werden, welcher Standard für welchen Standort gilt.

6. Die Spezifikation für die Verfüllchemie, die einen Lieferanten tatsächlich auszeichnete

Beim saudischen Projekt trennte die Spezifikation für die Verfüllung die beiden Finalisten auf der Angebotsliste. Einer reichte einen 14-seitigen Katalog mit einem einzigen Verweis auf IEC 62561-7 auf der Rückseite ein. Der andere legte einen 38-seitigen Typprüfbericht vor, der den Widerstandsreduktionsfaktor unter vier Referenzfeuchtebedingungen, das Ergebnis der Ionenstabilitätsprüfung bei 60 °C über 30 Tage, die Feuchtehaltekurve über 90 Tage und die Erklärung zur Einhaltung der Umweltverträglichkeitsprüfung (ESIA) enthielt. Der zweite Anbieter ist derjenige, den ein Generalunternehmer in einen 25-jährigen Betriebs- und Wartungsplan aufnimmt.

In dem Beschaffungstext, den wir schließlich für die saudische Spezifikation verfassten, wurden vier Eigenschaften genannt – dieselben vier, die wir intern für jede Lieferung testen, und dieselben vier, die auch in unserem Typprüfungsbericht aufgeführt werden.

• Widerstandsreduktionsfaktor (gemäß IEC 62561-7).Standard: 12:1 bei 20% Referenzfeuchte.
• Langzeitstabilität der Ionen (60 °C / 30-Tage-Wiederholungstest).Magnesiumsulfat über Natriumchlorid (Chlorid greift kupferummantelte Kerne an); Schwellenwert ≥ 80 % Retention. Die Charge des Lieferanten aus dem Jahr 2022 erreichte nur 65 % – der Auslöser für die interne Compoundierung.
• Feuchtigkeitserhaltung über einen 90-tägigen Trocknungszyklus.73 % Retention nach 90 Tagen bei 35 °C / 30 % relativer Luftfeuchtigkeit – der Datenpunkt, den das EPC zur Festlegung des Wiederholungstests nach fünf Jahren verwendet hat.
• Umweltauflagen im Rahmen der Umweltverträglichkeitsprüfung.Erfüllt die Standardkriterien für Sickerwasser und liegt unter 1 mg/L für regulierte Metalle.

Die Fabrik, die den Vier-Eigenschaften-Typprüfbericht vorweisen kann, ist diejenige, die ein EPC in einen 25-jährigen O&M-Plan aufnimmt; diejenige, die nur ein Stabdimensionierungsblatt vorweisen kann, taucht im zweiten Jahr mit einer E-Mail über eine „neue verbesserte Verbindung“ auf.

7. Wie wir das sechsstufige Verfahren für das saudische EPC-Projekt spezifiziert haben.

Das sechsstufige Spezifikationsverfahren, das wir dem EPC-Planer vorgestellt haben, ist dasselbe, das wir bei jedem PV-Großprojekt anwenden. Es handelt sich nicht um eine allgemeine Liste – jedem Schritt ist eine Entscheidung zugeordnet, die der EPC-Ingenieur für sein jeweiliges Projekt treffen muss.

1. Führen Sie eine Wenner-Vier-Punkt-Bodenwiderstandsmessung über die geplante Fläche durch.Die Messungen erfolgten in 1,5 m und 3,0 m Sondierungstiefe. Die Abweichung zwischen Oberflächen- und Tiefenwiderstand betrug am saudischen Standort das Vierfache (380 Ω·cm gegenüber 1800 Ω·cm).
2. Legen Sie anhand des einpoligen Diagramms des Projekts einen Zielwiderstand pro Pad fest.Der saudische Energieversorgungskonzern legte 5 Ω pro Wechselrichteranschluss und 1 Ω für das gesamte Potenzialausgleichsnetz fest; beide Werte blieben auch bei der Wiederholungsprüfung nach fünf Jahren erhalten.
3. Die Zusammensetzung des Verfüllmaterials ist schriftlich anzugeben; der Prüfbericht mit den vier Eigenschaften ist beizufügen.Die Lieferung des Lieferanten aus dem Jahr 2022 diente als Testfall – der Bericht deckte die 65%ige Rückbehaltung vor dem Versand auf.
4. Fixieren Sie die Stangengeometrie und den Verbindungsstandard.17,2 mm × 2,4 m kupferkaschiert für Wechselrichteranschlüsse; 25,4 mm × 2,4 m elektrolytisch ionengeometrie für Mittelspannungsanschlüsse und Blitzschutzanschlüsse. Exotherm geschweißte Steckverbinder.IEEE 837, keine mechanischen Klemmen.
5. In ungestörtem Boden mit einem 100 mm Vertikalbohrer installieren.Für die gesamte Anlage wird die gleiche Bohrschnecke verwendet – Spezialwerkzeug ist nicht erforderlich. Der Ringraum wird vor dem Verschließen der Inspektionsgrube wieder aufgefüllt; die Installation in stehendem Wasser ist zu vermeiden (eine 14-tägige Trockenperiode vor der Installation ist auf dieser Baustelle die Faustregel).
6. Überprüfen Sie dies mit einem Fallspannungstest bei der Inbetriebnahme und nach fünf Jahren.Gemäß der IEEE-81-Methodenfamilie werden der logarithmische Widerstand, die Bodentemperatur und die Bodenfeuchtigkeit berücksichtigt. Die erneute Prüfung des saudischen Kraftwerks im fünften Jahr ergab einen Durchschnittswert von 3,1 Ω mit einem ungünstigsten Wert von 4,7 Ω.

8. Der Größenblock, den wir beim ersten Mal nicht richtig hinbekommen haben.

Die ersten 200 Elektroden der saudischen Anlage wurden mit einem 75-mm-Bohrer geliefert (der Bauleiter des Generalunternehmers hatte diesen bereits bei einem früheren Projekt mit Rammdraht verwendet). Die Messwerte vor Ort ergaben einen durchschnittlichen Widerstand von 5,8 Ω gegenüber einem Zielwert von 5 Ω – das Material hatte nicht genügend Platz zum Hydratieren. Für die verbleibenden 4.000 Elektroden verwendeten wir einen 100-mm-Bohrer, wodurch der Durchschnittswiderstand auf 3,1 Ω sank. Die 200 zu kleinen Bohrungen wurden nicht nachgebohrt; sie gehören zu den 6 % der Kontaktflächen im Bereich „über 2.000 Ω·cm“, die mit einer Doppelelektrode versehen wurden.

Der Widerstandsunterschied von 0,4 Ω zwischen 75-mm- und 100-mm-Schnecken ist die größte von uns gemessene Variable auf der Installationsseite – und diese Variable kann der Bauleiter des Generalunternehmers beeinflussen, nicht das Werk oder die Zusammensetzung des Verfüllmaterials. Die Zuleitung kann anhand der Spezifikationen optimiert werden; die Schnecke hingegen nicht.

9. Wie dies mit dem globalen Ausbau der Solarenergie zusammenhängt – und warum es für die EPC-Beschaffung im Jahr 2026 von Bedeutung ist

Der Wert von 3,1 Ω der saudischen Anlage ist kein Ausreißer. Bei unseren Lieferungen von 2020 bis 2025 an Photovoltaik-Großanlagen im Nahen Osten, Nordafrika, dem Südwesten der USA und dem australischen Inland lag der durchschnittliche Widerstand der Modulflächen bei korrekt spezifizierten Installationen im Bereich von 2,8 bis 3,6 Ω gegenüber einem Zielwert von 5 Ω. Die Streuung von 0,8 Ω ist auf die Einhaltung der Bodenschicht und des Bohrlochdurchmessers bei der Installation zurückzuführen. Die Konsistenz der Verfüllchemie ist weniger wichtig als die Einhaltung des Bohrlochdurchmessers – ein Befund, der unser Qualitätssicherungsteam überraschte, als wir die Daten der Nachprüfung nach fünf Jahren mit den Installationsdokumenten abglichen.

Dieses Felddatenmuster steht im Widerspruch zu einem Ausbau, der derzeit installiert wird.IEA-PVPS-Tracking, weit über 400 GW neuer PV-Kapazität pro Jahr.IEA-PVPS-Überblick 2024bestätigt, dass die kumulierte PV-Menge 2 TW überschritten hat;IEA Erneuerbare Energien 2024Laut Prognosen wird die Photovoltaik im Kraftwerksmaßstab bis 2030 der größte Beitragende zu neuen Kapazitäten im Bereich erneuerbarer Energien bleiben. Für Beschaffungsteams hat sich die Erdung von einer generischen Stangen- und Klemmen-Produktlinie zu einer anerkannten Spezifikationskategorie für Kraftwerke im Kraftwerksmaßstab entwickelt – und die Lieferanten, die den Typprüfbericht mit vier Eigenschaften vorlegen können, gewinnen die Ausschreibung.

10. Häufig gestellte Fragen von EPC-Beschaffungsteams

Was ist eine chemische Erdungselektrode für einen Solarpark?

Ein vertikal installierter, kupferummantelter Stahlstab ist von einer hygroskopischen Verfüllmasse umgeben, die die Umgebungsfeuchtigkeit aufnimmt und so den Elektrodenwiderstand über Jahre hinweg ohne manuelle Bewässerung stabilisiert. Im saudischen Werk wurden zwischen 2020 und 2022 4.200 Stück mit einem durchschnittlichen Widerstand von 3,1 Ω nach fünf Jahren ausgeliefert.

Warum ist wartungsfreie Erdung für Photovoltaik-Kraftwerke im Versorgungsmaßstab wichtig?

Die Anlagen bedecken Dutzende bis Hunderte von Hektar mit Tausenden von Elektroden. Eine herkömmliche Elektrode, die alle sechs oder zwölf Monate bewässert wird, bietet keinen Schutz für die Anlage, wenn der Bewässerungszyklus unterbrochen wird. Wartungsfreie Erdung beseitigt diesen Zyklus.

Ab welchem ​​Bodenwiderstand ist eine alleinige Einschlagsstange zu hoch?

Oberhalb von etwa 1000 Ω·cm kann ein einzelner, mit Kupfer ummantelter Elektrodenleiter ohne eine unverhältnismäßig große Anzahl von Elektroden oder sehr tiefe Installationen keinen zuverlässigen Widerstand unter 5 Ω an der Kontaktfläche erreichen. In der saudischen Anlage lagen 73 % der Elektrodenanordnung im Bereich von 1000–2000 Ω·cm; die restlichen 6 % mit einem Widerstand über 2000 Ω·cm wurden mit Delta-Elektroden versehen.

Welche Normen gelten für die chemische Erdung von PV-Anlagen?

IEEE 837für SteckverbinderIEEE 80 / IEEE 665für UmspannwerkskonstruktionenIEC 62561-7für Erdungsverbindungen undNFPA 70 (NEC) Artikel 690zur Erdung von PV-Systemen.NEMA GR-1bedeckt die Stange selbst.

Wie lange ist die Lebensdauer einer chemischen Elektrode im Einsatz?

Eine korrekt dimensionierte Elektrode gewährleistet einen stabilen Widerstandsbereich über die gesamte geplante Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren. Die Kupferummantelung verhindert galvanische Korrosion; das Verfüllmaterial bleibt aufgrund seiner hygroskopischen Eigenschaften aktiv. Die 4.200 Elektroden des saudischen Kraftwerks mussten seit ihrer Installation nicht nachbewässert werden.

Erfüllen chemische Elektroden die Anforderungen des NEC 690?

Ja.NFPA 70 (NEC) Artikel 690Deckt die Erdung von PV-Systemen ab; eine chemische Elektrode mit einem kupferummantelten Kern undIEEE 837Die Armaturen erfüllen die Anforderungen.

Inwiefern unterscheidet sich die chemische Zusammensetzung des Verfüllmaterials von der von reinem Bentonit?

Reines Bentonit ist hygroskopisch, verliert aber in Trockenperioden Ionen. Eine wartungsfreie Hinterfüllung enthält zusätzlich ein Elektrolytsalzpaket (typischerweise Magnesiumsulfat) sowie ein Feuchtigkeitsspeicheradditiv.

Wo sollten chemische Elektroden auf einer PV-Anlage platziert werden?

Im saudischen Kraftwerk: 1.316 an Wechselrichteranschlüssen, 168 an Mittelspannungsanschlüssen, 1.890 an Verteilerkästen, je 2 an beiden Enden der 1,4 km langen Gleichstromleitung, 24 an den Blitzschutzanschlüssen in Ost-Südost-Richtung – insgesamt 4.200. Die Anordnung variiert je nach Standort.

Worin besteht der Unterschied zwischen einer chemischen Elektrode und einem elektrolytischen Ionenerdungsstab?

Wird in vielen Datenblättern synonym verwendet.unsere LinieDie chemische Elektrode verwendet ein Kupferrohr;Elektrolytischer Ionen-Erdungsstabverwendet einen kupferummantelten Kern.

11. Schlusswort – Was wir den saudischen EPC-Anbieter am ersten Tag gebeten haben

Wenn Sie als EPC-Projektingenieur das Beschaffungsdokument geöffnet haben, benötigen wir mindestens die gleichen sechs Angaben, die uns das Team aus Madrid im August 2020 übermittelt hat, um Ihnen ohne sechswöchigen Klärungszyklus ein Angebot unterbreiten zu können: das einpolige Schaltbild mit den Elektrodenpositionen, die geschichtete Wenner-Messung in der geplanten Tiefe, die Widerstandsvorgaben pro Pad und pro Gitter sowie den Steckverbinderstandard (typischerweise …).IEEE 837), der Standard für Hinterfüllmasse (IEC 62561-7) und den ESIA-Vorgaben.

Bei einem laufenden Projekt ist der schnellste Weg derProduktseite für chemische Erdungselektroden, DieElektrolytischer Ionen-ErdungsstabUndBodenmodulSeiten oder dieTop 5Blog.Kontaktieren Sie unsere Exportabteilung.für ein direktes Gespräch.