Dados de campo de uma usina fotovoltaica saudita de 150 MW (4.200 eletrodos químicos, resistência média da almofada de 3,1 Ω) e remessas de exportação para o Oriente Médio, África e Sudeste Asiático: por que as hastes de acionamento padrão falham em solos arenosos, rochosos e lateríticos — e o que o documento de aquisição diz em vez disso.

A conversa que quero usar como base para este artigo aconteceu em agosto de 2020, quando uma empresa de EPC (Engenharia, Aquisição e Construção) sediada em Madri enviou a consulta que se transformou no projeto de energia fotovoltaica de 150 MW na Arábia Saudita, de onde provêm os dados de campo deste artigo. O e-mail com a consulta perguntava sobrebastões de aterramento químicoPara um projeto de usina fotovoltaica de grande escala, onde o levantamento de resistividade do solo indicou valores entre 1.500 e 2.200 Ω·cm, o relatório geotécnico foi conclusivo, a empresa de engenharia, aquisição e construção (EPC) demonstrou competência e o local estava situado em uma faixa de solo calcário que o engenheiro responsável havia observado em um projeto menor no Chile, em 2018. Nesse projeto, o estoque de hastes de medição com água ultrapassou o limite de tensão de contato no terceiro ano, devido ao cancelamento de duas visitas programadas para irrigação em função das restrições de viagem impostas pela COVID-19. Ele preferiu não repetir a experiência. O artigo que você está lendo apresenta a argumentação técnica resultante desse e-mail — a estrutura de tipo de solo que a EPC acabou incluindo no documento de licitação e os dados de campo da usina que a gerou.

Este guia destina-se a equipes de compras que recebem uma solicitação semelhante: proprietários de projetos no Oriente Médio, África e Sudeste Asiático que já receberam o relatório geotécnico, cuja equipe de projeto solicita um eletrodo químico em vez de uma haste cravada e cujo documento de compras precisa ser redigido nas próximas duas semanas. Os três tipos de solo abaixo — areia, rocha e laterita — são os que aparecem com mais frequência nesses relatórios, e os modos de falha são específicos para cada um. O que não muda entre os três é a resposta da equipe de compras.

1. Solo arenoso — a falha do fio suspenso no ar

A areia seca é o modo de falha mais contraintuitivo dos três. Em teoria, parece um meio de aterramento perfeitamente adequado: é solta, drena bem e é fácil de perfurar. A leitura do eletrodo de quatro pinos Wenner, no entanto, conta uma história diferente. A areia seca do deserto a 1 m de profundidade normalmente apresenta leituras entre 3.000 e 10.000 Ω·cm; a areia das dunas a 1,5 m de profundidade pode apresentar leituras acima de 20.000 Ω·cm no pior caso. A razão é iônica, não mecânica: a areia seca praticamente não tem argila nem minerais dissolvidos que conduzam a corrente para longe da superfície da haste.

O que altera o cálculo é a umidade na superfície da haste. A bastão de terra químicaTrata-se de um núcleo revestido de cobre dentro de um anel perfurado de 100 mm, com o anel preenchido por um composto higroscópico (tipicamente bentonita misturada com sulfato de magnésio). O composto absorve a umidade ambiente do solo e a umidade sazonal, retém-na contra a superfície da haste e libera lentamente seu conteúdo iônico no volume imediato do solo. O resultado é que a interface haste-solo se comporta como um solo com resistividade de aproximadamente 200 Ω·cm, mesmo quando o solo circundante apresenta resistividade de 8.000 Ω·cm. A geometria da haste NEMA GR-1 permanece inalterada; o que muda é o contato com o solo.

Em nossos embarques para o Oriente Médio entre 2020 e 2025, a resistência mediana da camada de aterramento em instalações com hastes de aterramento químico na faixa de areia de 2.000 a 8.000 Ω·cm ficou em 3,6 Ω, contra uma meta de projeto de 5 Ω, sem ciclo de umedecimento. As instalações apenas com hastes cravadas em locais adjacentes na mesma faixa apresentaram valores entre 18 e 42 Ω no comissionamento e foram recalibradas no primeiro ano. O diâmetro da haste era o mesmo. A diferença estava no material de aterro.

2. Solo rochoso — o gargalo da camada de caliche

O sítio saudita que forneceu os dados de campo deste artigo tinha uma camada de caliche a 3,5 m de profundidade no canto sudoeste da rede. A especificação original previa hastes cravadas de 2,4 m — o que funcionou em 94% da rede. Os 6% restantes assentavam sobre caliche demasiado raso para a cravação e demasiado resistivo para ser ignorado. As seis plataformas nesse canto apresentavam resistência superior a 4,7 Ω durante o comissionamento, mesmo com a haste estendida a 3,0 m. Fizemos duas alterações: substituímos os eletrodos por eletrodos duplos em padrão delta (duas hastes de 2,4 m dispostas em triângulo em torno de cada plataforma) e adicionámosmódulos de grafite de colunanos terminais do transformador de média tensão em paralelo. O reteste após cinco anos apresentou um valor de 4,7 Ω no pior cenário — dentro da margem de projeto — porque os módulos estenderam a superfície equipotencial lateralmente onde o caminho vertical estava bloqueado.

Para a equipe de compras, os terrenos rochosos se dividem em duas categorias práticas. A primeira é a rocha fraturada com espaços preenchidos por solo — perfurável, mas a haste entra em contato apenas com a fração de solo, não com a matriz rochosa. A segunda é a rocha intacta ou caliche (solo cimentado por carbonato de cálcio) na profundidade planejada para o eletrodo ou próximo a ela, onde a perfuração se torna impossível ou antieconômica. O Oriente Médio e o oeste dos EUA apresentam muitos casos da segunda categoria; grandes partes da Arábia Saudita, Catar e Emirados Árabes Unidos têm uma camada de caliche entre 2 e 4 metros, eInformações Mundiais sobre Solos do ISRICO catálogo apresenta o mesmo perfil em todo o Sahel e no Corno de África, em zonas sazonalmente secas.

Para uma questão mais aprofundada sobre o lado da aquisição em locais rochosos, oCentro de dados de classificação de solos da FAOPermite que a equipe de compras obtenha o mapa de solos regional antes da mobilização do contratista geotécnico — a maneira mais barata de descobrir se o terreno está assentado sobre caliche ou substrato de granito intemperizado.Documento de referência mundial sobre solos da FAOé a referência de campo para nomes de classes de solo que acabam em uma BES (Ficha de Avaliação de Propostas).

3. Solo laterítico — o problema da variação sazonal

O laterito é o tipo de solo em que uma haste de perfuração padrão passa pelo comissionamento, mas falha silenciosamente na faixa de tensão de contato durante a estação seca. O laterito é um solo residual rico em ferro e alumínio, comum em toda a África tropical (Nigéria, Gana, Quênia, Moçambique), no sul da Ásia (grande parte da Índia peninsular, Sri Lanka, partes de Bangladesh) e em partes da América do Sul (nordeste brasileiro, Guiana). O perfil do solo é bem drenado e possui alto teor de óxido de ferro, o que lhe confere a característica cor marrom-avermelhada.

O problema elétrico reside na variação sazonal. Levantamentos de campo publicados sobre laterita da África Ocidental normalmente relatam resistividade na estação chuvosa na faixa de 200 a 800 Ω·cm — perfeitamente adequada para uma haste de medição padrão — e resistividade na estação seca acima de 5.000 Ω·cm — fora da faixa adequada para a mesma haste. A haste de medição não se altera; o solo ao seu redor, sim. Um ciclo de irrigação de 6 meses pode reestabilizar a leitura da estação seca, mas o mesmo problema de disciplina na irrigação reaparece: uma equipe de irrigação que não comparece no momento certo deixa a área de medição dentro da faixa de falha da janela de tensão de contato durante o restante da estação seca.

Especificamente para os sítios lateríticos do Sudeste Asiático, a mesma lógica sazonal se aplica, com uma pequena diferença no momento de cada estação: a estação seca na Indonésia e nas Filipinas é mais curta, porém mais intensa do que a estação seca na África Ocidental, o que significa que a variação da resistência é concentrada em um período mais curto. O modelo operacional de terra, substrato e hastes — preenchimento com retenção de umidade, sem ciclo de irrigação — funciona em ambos os casos.

4. O que diz o documento de licitação

Nos três tipos de solo acima, a decisão de engenharia é a mesma: a haste de cravação padrão não é o produto adequado. O documento de aquisição deve especificar qual é o produto correto.

Três controles do lado da aquisição fazem a diferença entre uma especificação que resolve o problema e uma especificação que cria o problema.

1. Relatório de teste de tipo anexado ao pedido de compra.Uma haste de aterramento químico não é apenas o tubo de cobre — é a química presente em seu interior. O fornecedor precisa enviar um relatório de teste de tipo com quatro propriedades: fator de redução da resistividade na umidade de referência, estabilidade iônica a longo prazo a 60 °C por 30 dias, retenção de umidade após 90 dias de secagem e conformidade ambiental de acordo com a norma ESIA. Perdemos um lote de 2019 devido a uma mistura com cloreto de sódio (o cloreto ataca os núcleos revestidos de cobre dentro da bainha), e o lote do nosso fornecedor de 2022 falhou no teste de estabilidade iônica com 65% de retenção — abaixo do nosso limite interno de 80% — motivo pelo qual qualificamos uma linha de produção de compostos interna. O fornecedor que não consegue enviar esse relatório é o mesmo que aparece no final do segundo ano com um e-mail dizendo "temos um novo composto melhorado".
2. O padrão de conector está definido em IEEE 837.Grampos mecânicos falham no teste de corrente de impulso emIEC 62561-1e não deve ser usado em projetos de grande escala. A norma do conector é a parte da especificação que protege o ativo durante toda a sua vida útil de projeto de 25 anos.
3. Geometria da haste porNEMA GR-1.Diâmetro de 17,2 mm a 25,4 mm, espessura do revestimento de cobre ≥ 254 µm. A espessura do revestimento é crucial em cargas de corrente de impulso (terminações ESE, pads de média tensão) — um revestimento fino falha primeiro.

5. Encerramento — O que a área de Compras precisa perguntar primeiro

A usina saudita de 150 MW que abriu este artigo apresentou uma resistência média de 3,1 Ω nas sapatas, em comparação com a meta de projeto de 5 Ω, no reteste realizado cinco anos após o início do projeto. A pior sapata registrou 4,7 Ω no canto sudoeste, onde a escavação vertical de caliche foi interrompida. Nenhum desses números existia como argumento de licitação quando a EPC de Madri enviou o e-mail de consulta em agosto de 2020 — eles são o resultado de incluir a composição química do material de enchimento, o padrão do conector, a geometria das hastes e o resequenciamento da meta de solo em um único documento, deixando o trabalho a cargo da equipe de instalação.

Se você é proprietário de um projeto no Oriente Médio, África ou Sudeste Asiático e o edital de licitação está aberto, a questão que determina se o projeto permanecerá dentro do prazo de projeto pelos próximos 25 anos não é “qual haste devo comprar” — é “qual é a resistividade do solo na profundidade planejada do eletrodo e qual dos três modos de falha acima se aplica?”. Obtenha primeiro a resposta sobre o solo; a resposta sobre o produto vem em seguida. A questão da licitação é então qual das duas famílias de produtos —bastão de terra química or módulo de grafite de coluna(ou ambos, nos locais mais difíceis) — adequa-se à faixa de solo e ao limite de profundidade. A página completa da categoria está em/eletrodo-de-aterramento-químico/possui opções de geometria, e oOs 5 principais fabricantes de hastes de aterramento iônico eletrolítico para 2025O blog tem a lista de fornecedores selecionados.

Para um pacote de amostras e um relatório de teste de tipo com quatro propriedades sobre um projeto específico, o caminho mais rápido é opágina de contatoAs amostras para projetos no Oriente Médio, África e Sudeste Asiático geralmente saem da fábrica na mesma semana, com respostas técnicas em até um dia útil.