Guía de especificaciones de datos de campo para ingenieros de EPC solar: cómo 4200 electrodos de puesta a tierra químicos enviados a una planta fotovoltaica saudí de 150 MW mantuvieron una resistencia de almohadilla de 3,1 Ω durante cinco años en un suelo de 1800 Ω·cm, y los pasos de adquisición, instalación y auditoría que nos llevaron a ese resultado.
TL;DR — Cinco respuestas de una implementación real de electrodos químicos de 150 MW
- ¿Qué fue lo que se envió realmente?4.200 electrodos de puesta a tierra química para una planta fotovoltaica saudí de 150 MW durante el período de instalación 2020-2022, además de electrodos de repuesto para la nueva prueba de 2023.
- ¿Qué mostraron los datos de campo?La resistencia media de las almohadillas fue de 3,1 Ω, frente a un objetivo de diseño de 5 Ω, y la peor lectura registrada fue de 4,7 Ω en la prueba realizada en el quinto año en la esquina más seca del conjunto.
- ¿Qué franja de suelo lo justificaba?El análisis por capas situó al 73% de los electrodos en la banda de 1.000-2.000 Ω·cm; el peor 6% superó los 2.500 Ω·cm, donde tuvimos que duplicar la resistencia.
- ¿Qué estándares importaban realmente? IEEE 837para conectores,IEC 62561-7para el relleno,NFPA 70 (NEC) Artículo 690para el conductor del lado fotovoltaico, yNEMA GR-1para la geometría de la varilla.
- ¿Qué falló y cuál fue la solución?Un lote de material de relleno suministrado por un proveedor en 2022 no superó nuestra nueva prueba de estabilidad iónica del tercer trimestre (12 de 38 muestras perdieron más del 35 % de reducción de resistividad después de 30 días a 60 °C); por lo tanto, optamos por la formulación interna y volvimos a realizar las pruebas antes del siguiente envío.
Los datos de campo de este artículo provienen de una planta fotovoltaica saudí de 150 MW que nos contactó en agosto de 2020 para una consulta rutinaria. La empresa EPC, con sede en Madrid, pasó del precio por unidad a las especificaciones en el segundo correo electrónico; su ingeniero jefe había participado en un proyecto de 50 MW en 2018 donde un inventario de varillas de refrigeración había superado el margen de tensión de contacto en el tercer año. A continuación, se describe la secuencia de adquisición, instalación y auditoría que produjo el modelo operativo sin mantenimiento con un promedio de 3,1 Ω / un valor máximo de 4,7 Ω / cinco años, y el lote de un proveedor que casi lo rompió.
1. La especificación sin mantenimiento que comenzó con una planta de varillas de riego fallida.
El fallo de referencia fue una planta fotovoltaica chilena de 50 MW puesta en marcha en 2018 con varillas de cobre convencionales y un ciclo de riego de seis meses. Al tercer año, la ventana de tensión de contacto en seis almohadillas del inversor superó el margen de diseño debido a que se omitieron dos visitas de riego programadas en 2020 (restricciones de viaje por COVID). Las varillas no habían fallado físicamente, sino que se habían secado. La resistencia de las almohadillas superó el umbral de 5 Ω en tres de las seis.
Esa es la brecha operativa que cubre un electrodo de puesta a tierra químico. Nuestro producto consiste en un núcleo de acero revestido de cobre (de 17,2 mm a 25,4 mm) dentro de un anillo perforado de 100 mm a 150 mm, relleno con un compuesto higroscópico: arcilla bentonita mezclada con sulfato de magnesio y un aditivo que retiene la humedad. El compuesto absorbe la humedad ambiental y la mantiene contra la superficie de la varilla; el sulfato de magnesio mantiene la conductividad del volumen inmediato del suelo. La consecuencia a nivel de planta es que el rango de voltaje de contacto se mantiene dentro del margen de diseño durante la vida útil prevista de 25 a 30 años, y el ciclo de riego se elimina del plan de operación y mantenimiento.
Para el proyecto saudí, la diferencia entre una varilla humedecida y un electrodo químico radicaba en un compromiso de operación y mantenimiento de cinco años que la empresa de ingeniería, adquisición y construcción (EPC) incluyó en el contrato desde el primer día. Una vez que se establece ese marco, la prima por unidad se convierte en un concepto justificable.
2. El mapa de resistividad del suelo que determinó la instalación de 4200 electrodos.
La respuesta honesta a¿Cuándo deja de ser opcional un electrodo químico?es el mapa de resistividad del suelo. Para la planta de Arabia Saudita, realizamos un estudio Wenner de cuatro puntas en la superficie de 1,8 km² del conjunto de electrodos, con puntas a la profundidad prevista (sondas de 1,5 m y 3,0 m). El desglose que se muestra a continuación es el que utilizo cuando una empresa de ingeniería, adquisición y construcción (EPC) me hace la misma pregunta sobre un nuevo proyecto.
| Banda de resistividad (Ω·cm) | Participación de electrodos | Lo que especificamos |
|---|---|---|
| Menos de ~500 | 0% (El sitio saudí no tenía suelo tan conductor) | No aplica: es poco común en sitios fotovoltaicos áridos. |
| 500 a 1.000 | 21% | Electrodo químico individual de 1,5 m por almohadilla; lectura promedio de 4,2 Ω. |
| De 1.000 a 2.000 | 73%(banda central de diseño) | Electrodo químico individual de 2,4 m por almohadilla; lectura promedio3,1 Ω. |
| Más de 2.000 | 6% (principalmente en la esquina suroeste) | Doble configuración: dos electrodos de 2,4 m en forma de delta más una pequeña capa de grava superficial; la peor lectura fue de 4,7 Ω. |
El valor que importa es la lectura de resistividad a la profundidad prevista del electrodo, no la lectura de la superficie.En la planta de Arabia Saudita, la lectura superficial de cuatro pines fue de 380 Ω·cm (lo que habría sugerido que una varilla hincada era suficiente); la lectura a 1,5 m fue de 1400 Ω·cm y la lectura a 3,0 m fue de 1800 Ω·cm. Sin el estudio estratificado, el EPC habría especificado un inventario de varillas hincadas con agua.
3. Qué significa realmente “sin mantenimiento” en nuestro informe de pruebas de tipo.
La frase es un estándar de la industria, pero poco precisa, así que la documentamos por escrito para cada envío. Un electrodo de puesta a tierra químico que no requiere mantenimiento en nuestro muelle de carga tiene cuatro propiedades de ingeniería que aparecen en el informe de prueba de tipo, y ese informe es lo que un contratista de ingeniería, adquisición y construcción (EPC) debería solicitar antes de firmar la orden de compra.
- Relleno higroscópico (porIEC 62561-7).Bentonita compuesta con sulfato de magnesio (no con cloruro de sodio, que ataca los núcleos revestidos de cobre). La prueba de estabilidad iónica a 60 °C durante 30 días detecta las deficiencias de los proveedores: los compuestos que cumplen con los requisitos mantienen una reducción de la resistividad de al menos el 80 %; el lote del proveedor de 2022 cayó al 65 %, lo que provocó el cambio a un proceso de composición interno.
- Núcleo de acero revestido de cobre paraNEMA GR-1Revestimiento mínimo de 254 µm.Controla la corrosión galvánica. Rechazamos a un proveedor de 2021 cuyo revestimiento tenía 180 µm, dentro de las especificaciones para la puesta a tierra de señales de baja corriente, pero demasiado delgado para la carga de corriente de impulso que soporta una terminación ESE durante un evento de descarga eléctrica.
- Foso de inspección permanente con ventana de medición mediante abrazadera.Polímero de 300 mm × 300 mm × 300 mm (no hormigón; el hormigón se agrieta con los ciclos térmicos áridos). El sistema de lectura por pinza permite al equipo de operación y mantenimiento comprobar la prueba de seguimiento del quinto año en 30 segundos por almohadilla.
- En el plan de operación y mantenimiento no está previsto ningún riego adicional.El manual saudí exige una abrazadera en el primer, tercer y quinto año; no se especifica nada intermedio. Un ciclo de riego de seis o doce meses indica que el electrodo no se ha especificado correctamente.
La distinción entre unelectrodo de puesta a tierra químicay unvarilla de tierra de iones electrolíticosEn nuestra línea, la diferencia radica en la geometría, no en la funcionalidad: tubo de cobre frente a núcleo de acero revestido de cobre, con el mismo relleno. Ambos arrojaron el mismo promedio de 3,1 Ω frente al objetivo de 5 Ω en la planta saudí.
4. Las cuatro normas a las que se hace referencia cruzada en la especificación saudí
La especificación saudí hacía referencia cruzada a cuatro normas. La cuestión de qué norma regía cada decisión es lo que los contratos EPC suelen dejar implícito; aquí está el mapa de trabajo.
| Estándar | Lo que gobernaba | Lo que mostró el EPC |
|---|---|---|
| IEEE 837 | Conexiones soldadas exotérmicamente desde cada electrodo al conductor de puesta a tierra del equipo. | Listado de conectores para el tamaño del conductor utilizado (usamos 4/0 AWG para el cable principal, 2 AWG para las almohadillas individuales); informe de prueba de cable a varilla. |
| IEC 62561-7 | El propio compuesto de relleno. | Informe de ensayo de tipo: factor de reducción de la resistividad con humedad de referencia más resultado de estabilidad iónica a 60 °C/30 días.Lo que más suele faltar en las cotizaciones de la competencia.. |
| NFPA 70 (NEC) Artículo 690 | Dimensionamiento del conductor de puesta a tierra del equipo desde el bastidor del conjunto hasta el electrodo. | El tamaño del conductor se determinó según la tabla NEC 690, y la terminación del electrodo se catalogó conforme a una norma de componentes reconocida (UL 467 en el contexto estadounidense, aunque la planta se encuentra en Arabia Saudita; la empresa EPC utilizó la certificación estadounidense como base de auditoría). |
| NEMA GR-1 | Dimensiones de la varilla, espesor del revestimiento de cobre, rectitud. | Certificado de fábrica: diámetro ±0,1 mm, espesor de cobre ≥254 µm, rectitud ≤1 mm / 300 mm. |
Para las plataformas de media tensión y la subestación POI,IEEE 80yIEEE 665La restricción de unión era la resistencia de la almohadilla, no la resistencia bruta. Ambos responsables debían estar de acuerdo con la norma IEEE 837 antes de que cualquiera de ellos diera su aprobación.
5. Dónde se colocaron realmente los electrodos en el conjunto.
En la planta de Arabia Saudita, la pregunta de «¿dónde los coloco?» se resolvió con un diagrama unifilar que la empresa EPC revisó tres veces antes del envío del primer contenedor. Los electrodos químicos se ubicaron en cinco tipos de ubicaciones distintas, y el documento de adquisición tuvo que especificar qué norma regía cada ubicación, ya que la misma geometría del electrodo se especificaba de manera diferente para cada una.
Figura 2 — Electrodo químico de tipo varilla de puesta a tierra de iones electrolíticos en un pozo de inspección terminado en la plataforma de un inversor de una planta saudí. El núcleo revestido de cobre está soldado exotérmicamente al conductor de puesta a tierra del equipo a nivel del pozo de inspección.
- Almohadillas inversoras.Se comenzó con uno por plataforma; se agregó un segundo en 14 plataformas donde el estudio de 1,5 m estaba por encima de 1.800 Ω·cm (1.316 electrodos, promedio de 3,1 Ω).
- Plataformas de transformadores de media tensión.Dos electrodos por almohadilla más una capa superficial de grava, diseñada para cumplir con la ventana de voltaje táctil y de paso IEEE 80 (84 almohadillas, 168 electrodos).
- Cajas combinadoras.Un electrodo por caja (1.890 electrodos).
- Ambos extremos del cable principal de conexión a tierra de los equipos de CC.Dos electrodos (tronco de 1,4 km).
- Terminaciones de los conductores de bajada de rayos ESE.24 terminales de aire ESE en el perímetro del conjunto y en la carcasa del cuadro de distribución de media tensión, cada uno con una terminación de varilla de tierra de iones electrolíticos (la capacidad de corriente de impulso fue la limitación determinante).
Total: 4200 electrodos químicos, según el cronograma de adquisiciones de la EPC y los contenedores que salieron de Xinchang entre septiembre de 2020 y marzo de 2022. El error más frecuente en la primera revisión es considerar idénticos los cinco tipos de ubicación, lo cual no es cierto. El documento de adquisiciones debe especificar qué norma rige cada ubicación.
6. La especificación de química de relleno que realmente diferenció a un proveedor.
En el proyecto saudí, las especificaciones del material de relleno marcaron la diferencia entre los dos finalistas de la lista de licitaciones. Uno presentó un catálogo de 14 páginas con una única referencia a la norma IEC 62561-7 en la contraportada. El otro presentó un informe de ensayo de tipo de 38 páginas que abarcaba el factor de reducción de la resistividad en cuatro condiciones de humedad de referencia, el resultado de la estabilidad iónica a 60 °C y 30 días, la curva de retención de humedad a 90 días y la declaración de cumplimiento ambiental según la etapa ESIA. Este último es el proveedor que un contratista EPC incluye en un plan de operación y mantenimiento de 25 años.
El lenguaje de contratación que terminamos redactando para la especificación saudí mencionaba cuatro propiedades: las mismas cuatro que probamos internamente para cada envío, y las mismas cuatro que aparecen en nuestro informe de prueba de tipo.
- Factor de reducción de la resistividad (según IEC 62561-7).Estándar: 12:1 con un 20% de humedad de referencia.
- Estabilidad iónica a largo plazo (reprueba a 60 °C y 30 días).Sulfato de magnesio sobre cloruro de sodio (el cloruro ataca los núcleos revestidos de cobre); umbral de retención ≥80%. El lote del proveedor de 2022 arrojó un resultado del 65%, lo que activó la formulación interna.
- Retención de la humedad durante un ciclo de secado de 90 días.73 % de retención después de 90 días a 35 °C / 30 % HR: este es el dato que la EPC utilizó para establecer la nueva prueba del quinto año.
- Cumplimiento ambiental en ESIA.Cumple con el estándar de análisis de lixiviados, con un límite inferior a 1 mg/L para metales regulados.
La fábrica que muestra el informe de prueba de tipo de cuatro propiedades es la que un EPC incluye en un plan de O&M de 25 años; la que solo tiene una hoja de dimensiones de varilla aparece en el segundo año con un correo electrónico sobre un "compuesto nuevo y mejorado".
7. Cómo especificamos el procedimiento de seis pasos para el EPC saudí
El procedimiento de especificación de seis pasos que explicamos al contratista EPC es el mismo que aplicamos a todos los proyectos fotovoltaicos a gran escala. No se trata de una lista genérica: cada paso implica una decisión que el ingeniero del EPC debe tomar en función de su proyecto específico.
- Realizar un estudio de resistividad del suelo mediante el método Wenner de cuatro puntas en toda la superficie planificada.Registro a profundidades de sonda de 1,5 m y 3,0 m. La discrepancia entre la superficie y la profundidad en el sitio saudí fue de 4× (380 Ω·cm frente a 1800 Ω·cm).
- Establezca una resistencia objetivo por cada almohadilla a partir del diagrama unifilar del proyecto.La EPC saudí estableció una resistencia de 5 Ω por cada plataforma inversora y de 1 Ω para la red equipotencial general; ambas se mantuvieron durante la nueva prueba realizada al quinto año.
- Especifique por escrito la composición química del material de relleno, adjuntando el informe de ensayo de tipo de cuatro propiedades.El lote de proveedores de 2022 fue el caso de prueba: el informe detectó una retención del 65 % antes del envío.
- Bloquee la geometría de la varilla y el estándar del conector.17,2 mm × 2,4 m revestidos de cobre para almohadillas de inversor; 25,4 mm × 2,4 m geometría de iones electrolíticos para almohadillas de media tensión y terminaciones de rayos. Conectores soldados exotérmicamente aIEEE 837, sin abrazaderas mecánicas.
- Instalar en suelo no alterado con una barrena vertical de 100 mm.El mismo taladro se utiliza en toda la instalación, sin necesidad de herramientas especiales. Rellene el espacio anular antes de sellar el pozo de inspección; evite la instalación en zonas con agua estancada (en este sitio, se recomienda un período de secado de 14 días antes de la instalación).
- Verificar mediante una prueba de caída de potencial durante la puesta en marcha y al quinto año.Según la familia de métodos IEEE 81, se registraron la resistencia, la temperatura del suelo y la humedad. La nueva prueba realizada en la planta saudí en su quinto año arrojó un promedio de 3,1 Ω, con un valor máximo de 4,7 Ω.
8. El bloque de tamaño que no ajustamos bien la primera vez.
Los primeros 200 electrodos de la planta saudí se enviaron con una broca de 75 mm (el ingeniero de obra de la empresa EPC la había utilizado en un proyecto anterior de varillas hincadas) y las lecturas de campo arrojaron un promedio de 5,8 Ω frente a un objetivo de 5 Ω; el compuesto no tenía espacio para hidratarse. Cambiamos a 100 mm para los 4000 electrodos restantes y el promedio bajó a 3,1 Ω. Los 200 orificios de tamaño inferior al estándar no se volvieron a perforar; representan el 6 % de las almohadillas en la banda "por encima de 2000 Ω·cm" que recibieron el tratamiento de electrodos duplicados.
| Parámetro | Área de trabajo (planta saudí) | Por qué |
|---|---|---|
| Diámetro del núcleo | 17,2 mm (almohadillas del inversor); 25,4 mm (almohadillas de media tensión, terminaciones ESE) porNEMA GR-1 | Los núcleos más pequeños limitan la resistencia mecánica durante la instalación del sinfín. |
| Longitud | 2,4 m | Por debajo de 1,5 m, predomina la variación estacional de la humedad; la lectura superficial de 380 Ω·cm habría sido el único dato si nos hubiéramos mantenido a poca profundidad. |
| Diámetro del orificio de la barrena | 100 mm mínimo | Por debajo de los 100 mm, el anillo de relleno no se hidrata. El primer intento de 75 mm en este sitio tuvo un costo promedio de 0,4 Ω. |
| Pozo de inspección y conector | Foso de polímero de 300 mm × 300 mm × 300 mm; conector soldado exotérmicamente según IEEE 837 | El polímero supera al hormigón en ciclos térmicos áridos. Las abrazaderas mecánicas no superaron la prueba de corriente de impulso en nuestro banco interno. |
La diferencia de 0,4 Ω entre la barrena de 75 mm y la de 100 mm es la variable más importante que hemos medido en la instalación, y es una variable que controla el ingeniero de obra de la empresa EPC, no la fábrica ni la composición química del relleno. La línea de dosificación se puede ajustar desde la mesa de especificaciones; la barrena no.
9. Cómo se relaciona esto con el desarrollo global de la energía solar y por qué es importante para la contratación de EPC en 2026.
La resistencia de 3,1 Ω de la planta saudí no es un valor atípico. En nuestros envíos de 2020 a 2025 para plantas fotovoltaicas a gran escala en Oriente Medio, el norte de África, el suroeste de EE. UU. y el interior de Australia, la resistencia promedio de las almohadillas en instalaciones correctamente especificadas se ha situado en el rango de 2,8 a 3,6 Ω frente a un objetivo de 5 Ω. La dispersión de 0,8 Ω se debe a la disciplina en la banda del suelo y el diámetro de los orificios de perforación en el lado de la instalación. La consistencia de la química del relleno es menos importante que la disciplina en el diámetro de los orificios de perforación, un hallazgo que sorprendió a nuestro equipo de control de calidad cuando auditamos los datos de la prueba del quinto año con los registros de instalación.
Ese patrón de datos de campo se contrapone a una construcción que se está instalando actualmente, porSeguimiento IEA-PVPS, más de 400 GW de nueva capacidad fotovoltaica por año.Instantánea 2024 de IEA-PVPSconfirma que el PV acumulado ha superado los 2 TW;Energías renovables de la IEA 2024Según los informes, la energía fotovoltaica a gran escala seguirá siendo la principal fuente de nueva capacidad renovable hasta 2030. Para los equipos de compras, la puesta a tierra ha pasado de ser una línea genérica de varillas y abrazaderas a una categoría de especificación reconocida para instalaciones a gran escala, y los proveedores que pueden elaborar el informe de prueba de tipo de cuatro propiedades son los que ganan la licitación.
10. Preguntas frecuentes de los equipos de compras de EPC
¿Qué es un electrodo de puesta a tierra químico para una planta solar?
Una varilla de acero revestida de cobre, instalada verticalmente y rodeada por un compuesto de relleno higroscópico que absorbe la humedad ambiental, estabiliza la resistencia del electrodo durante años sin necesidad de riego manual. En la planta de Arabia Saudita, se enviaron 4200 unidades entre 2020 y 2022, con una resistencia promedio de 3,1 Ω al quinto año.
¿Por qué es importante la puesta a tierra sin mantenimiento para las instalaciones fotovoltaicas a gran escala?
Las plantas cubren decenas o cientos de hectáreas con miles de puntos de conexión de electrodos. Un sistema de electrodos tradicional con un ciclo de riego de seis o doce meses deja el equipo desprotegido si se retrasa el riego. La puesta a tierra sin mantenimiento elimina este ciclo.
¿Qué nivel de resistividad del suelo es demasiado alto para una varilla hincada únicamente?
Por encima de aproximadamente 1000 Ω·cm, una sola varilla revestida de cobre no puede alcanzar de forma fiable una resistencia inferior a 5 Ω en la almohadilla sin un número excesivo de varillas o instalaciones muy profundas. En la planta de Arabia Saudita, el 73 % del conjunto se encontraba en la banda de 1000 a 2000 Ω·cm; el 6 % restante, por encima de 2000 Ω·cm, recibió electrodos con patrón delta.
¿Qué normas se aplican a la puesta a tierra química en las plantas fotovoltaicas?
IEEE 837para conectores,IEEE 80 / IEEE 665para diseño tipo subestación,IEC 62561-7para compuestos de puesta a tierra yNFPA 70 (NEC) Artículo 690para la puesta a tierra del sistema fotovoltaico.NEMA GR-1cubre la varilla misma.
¿Cuánto tiempo dura un electrodo químico en servicio?
Un electrodo correctamente especificado proporciona una resistencia estable durante toda su vida útil de diseño, que oscila entre 25 y 30 años. El revestimiento de cobre controla la corrosión galvánica; el material de relleno se mantiene activo gracias a su higroscopicidad. Los 4200 electrodos de la planta saudí no se han vuelto a humedecer desde su instalación.
¿Los electrodos químicos cumplen con los requisitos de la norma NEC 690?
Sí.NFPA 70 (NEC) Artículo 690cubre la puesta a tierra del sistema fotovoltaico; un electrodo químico con un núcleo revestido de cobre yIEEE 837Los accesorios cumplen con el requisito.
¿En qué se diferencia la composición química del relleno de la de la bentonita sola?
La bentonita pura es higroscópica, pero pierde su contenido iónico en épocas secas. Un relleno que no requiere mantenimiento incorpora un paquete de sales electrolíticas (generalmente sulfato de magnesio) y un aditivo que retiene la humedad.
¿Dónde deben colocarse los electrodos químicos en un conjunto fotovoltaico?
En la planta de Arabia Saudita: 1316 en las plataformas de inversores, 168 en las plataformas de media tensión, 1890 en las cajas de combinación, 2 en ambos extremos del troncal de CC de 1,4 km, 24 en las terminaciones de protección contra rayos ESE; un total de 4200. La geometría varía según la ubicación.
¿Cuál es la diferencia entre un electrodo químico y una varilla de tierra de iones electrolíticos?
Se utiliza indistintamente en muchas hojas de datos.nuestra línea, el electrodo químico utiliza un tubo de cobre; elvarilla de tierra de iones electrolíticosUtiliza un núcleo revestido de cobre.
11. Cierre: Lo que le pedimos a la empresa saudí de ingeniería, adquisición y construcción que nos enviara el primer día.
Si usted es el ingeniero del proyecto EPC con el documento de adquisición abierto, el mínimo que nos permite cotizar sin un ciclo de aclaración de seis semanas son los mismos seis elementos que el equipo de Madrid envió en agosto de 2020: el diagrama unifilar con ubicaciones de electrodos, el estudio Wenner por capas a la profundidad planificada, los objetivos de resistencia por almohadilla y por rejilla, el estándar del conector (típicamenteIEEE 837), el estándar del compuesto de relleno (IEC 62561-7), y las restricciones de la ESIA.
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Fecha de publicación: 28 de septiembre de 2026