Um guia de especificação de dados de campo para engenheiros de EPC solar: como 4.200 eletrodos de aterramento químico enviados para uma usina fotovoltaica de 150 MW na Arábia Saudita mantiveram uma resistência de 3,1 Ω ao longo de cinco anos em solo com 1.800 Ω·cm — e as etapas de aquisição, instalação e auditoria que nos levaram a esse resultado.

Os dados de campo deste artigo provêm de uma usina fotovoltaica de 150 MW na Arábia Saudita, que nos contatou em agosto de 2020 como uma consulta de rotina. A empresa de EPC (Engenharia, Aquisição e Construção) sediada em Madri passou de um modelo baseado em preço por unidade para um modelo baseado em especificações no segundo e-mail — seu engenheiro-chefe havia vivenciado um projeto de 50 MW em 2018, no qual o estoque de barras de proteção com tratamento térmico ultrapassou a margem de tensão de contato no terceiro ano. O que se segue é a sequência de aquisição, instalação e auditoria que resultou no modelo operacional de 3,1 Ω em média / 4,7 Ω no pior caso / cinco anos sem necessidade de manutenção — e o lote de um fornecedor que quase o comprometeu.

1. A plantação sem manutenção que começou com uma plantação com haste de irrigação que falhou

A falha de referência foi uma usina fotovoltaica chilena de 50 MW, comissionada em 2018, com hastes revestidas de cobre acionadas convencionalmente e um ciclo de irrigação de seis meses. No terceiro ano, a faixa de tensão de contato em seis pontos de contato do inversor ultrapassou a margem de projeto porque duas visitas de irrigação programadas para 2020 foram canceladas (restrições de viagem devido à COVID). As hastes não falharam fisicamente — elas secaram. A resistência dos pontos de contato ultrapassou o limite de 5 Ω em três dos seis pontos.

Essa é a lacuna operacional que um eletrodo de aterramento químico preenche. Nosso produto consiste em um núcleo de aço revestido de cobre (de 17,2 mm a 25,4 mm) dentro de um anel perfurado de 100 mm a 150 mm, preenchido com um composto higroscópico — argila bentonítica misturada com sulfato de magnésio e um aditivo de retenção de umidade. O composto absorve a umidade ambiente e a retém contra a superfície da haste; o sulfato de magnésio mantém a condutividade do solo ao redor. A consequência para a planta é que a faixa de tensão de contato permanece dentro da margem de projeto durante a vida útil de 25 a 30 anos, e o ciclo de irrigação deixa de ser necessário no plano de operação e manutenção.

Para o projeto saudita, a diferença entre uma haste umedecida e um eletrodo químico residia em um compromisso de operação e manutenção de cinco anos que a empresa de engenharia, aquisição e construção (EPC) incluía no contrato desde o primeiro dia. Uma vez estabelecido esse compromisso, o prêmio por unidade se torna um item justificável.

2. O mapa de resistividade do solo que selecionou 4.200 eletrodos

A resposta honesta paraQuando um eletrodo químico deixa de ser opcional?é o mapa de resistividade do solo. Para a usina saudita, realizamos um levantamento com quatro pinos Wenner em toda a área de 1,8 km² da rede, com pinos posicionados na profundidade planejada dos eletrodos (sondas de 1,5 m e 3,0 m). A descrição abaixo é o que utilizo quando uma empresa de EPC (Engenharia, Aquisição e Construção) faz a mesma pergunta em um novo projeto.

O número que importa é a leitura de resistividade na profundidade planejada do eletrodo, não a leitura da superfície.No local da Arábia Saudita, a leitura de quatro pinos na superfície foi de 380 Ω·cm (o que sugeriria que uma haste cravada seria suficiente); a leitura a 1,5 m foi de 1.400 Ω·cm e a leitura a 3,0 m foi de 1.800 Ω·cm. Sem o levantamento em camadas, a EPC teria especificado um inventário com haste cravada e água.

3. O que “sem manutenção” realmente significa em nosso relatório de teste de tipo

A expressão é padrão na indústria, mas imprecisa, por isso a definimos por escrito para cada remessa. Um eletrodo de aterramento químico que não requer manutenção, instalado em nosso cais de embarque, possui quatro propriedades de engenharia que constam no relatório de ensaio de tipo, e é esse relatório que um EPC (Engenheiro de Aquisição e Construção) deve solicitar antes de assinar o pedido de compra.

1. Reaterro higroscópico (porIEC 62561-7).Bentonita composta com sulfato de magnésio (e não cloreto de sódio, que ataca núcleos revestidos de cobre). O teste de estabilidade iônica a 60 °C por 30 dias detecta atalhos do fornecedor: compostos em conformidade mantêm ≥80% de redução de resistividade; o lote do fornecedor de 2022 apresentou queda para 65%, o que levou à mudança na composição interna.
2. Núcleo de aço revestido de cobre paraNEMA GR-1Revestimento mínimo de 254 µm.Controla a corrosão galvânica. Rejeitamos um fornecedor de 2021 cujo revestimento tinha 180 µm — dentro da especificação para aterramento de sinal de baixa corrente, mas muito fino para a carga de corrente de impulso que uma terminação ESE suporta durante uma descarga atmosférica.
3. Poço de inspeção permanente com janela de medição acoplável por grampo.Polímero de 300 mm × 300 mm × 300 mm (não concreto; o concreto trinca em ciclos térmicos e áridos). O leitor de fixação permite que a equipe de operação e manutenção verifique o reteste após cinco anos em 30 segundos por placa.
4. Não há previsão de reidratação no plano de operação e manutenção.O manual saudita recomenda a instalação de um eletrodo de fixação no primeiro, terceiro e quinto ano — nada entre esses anos. Um ciclo de irrigação de seis ou doze meses significa que o eletrodo foi especificado incorretamente.

A distinção entre umeletrodo de aterramento químicoe umhaste de aterramento de íons eletrolíticosEm nossa linha de produção, a questão é geométrica, não funcional — tubo de cobre versus núcleo de aço revestido de cobre, mesmo material de preenchimento. Ambos apresentaram a mesma média de 3,1 Ω, contra a meta de 5 Ω na fábrica da Arábia Saudita.

4. As quatro normas referenciadas na especificação saudita

A especificação saudita fazia referência cruzada a quatro normas. Qual norma regeu qual decisão é a parte que os contratos de EPC (Engenharia, Aquisição e Construção) geralmente deixam implícita — aqui está o mapa funcional.

Para as plataformas de média tensão e a subestação POI,IEEE 80eIEEE 665A restrição de vinculação era a resistência bruta do pad, e não a resistência da almofada. Ambos os líderes precisavam concordar com o padrão IEEE 837 antes que qualquer um deles assinasse o contrato.

5. Onde os eletrodos foram posicionados no conjunto.

Na fábrica saudita, a questão de "onde devo colocá-los" foi respondida com base em um diagrama de linha única que a empresa de engenharia, aquisição e construção (EPC) revisou três vezes antes do primeiro contêiner ser enviado. Os eletrodos químicos foram alocados em cinco tipos de locais distintos — e o documento de aquisição teve que especificar qual norma regia cada local, porque a mesma geometria de eletrodo era especificada de forma diferente para cada um.

Figura 2 — Um eletrodo químico do tipo haste de aterramento iônico eletrolítico em uma vala de inspeção finalizada em uma plataforma de inversores de uma planta na Arábia Saudita. O núcleo revestido de cobre é soldado exotermicamente ao condutor de aterramento do equipamento no nível da vala de inspeção.

1. Almofadas para inversores.Começou com um eletrodo por plataforma; adicionou-se um segundo em 14 plataformas onde o levantamento de 1,5 m apresentou resistência acima de 1.800 Ω·cm (1.316 eletrodos, média de 3,1 Ω).
2. Bases de transformadores de média tensão.Dois eletrodos por almofada, mais uma camada superficial de cascalho, projetados de acordo com a janela de tensão de toque e de passo IEEE 80 (84 almofadas, 168 eletrodos).
3. Caixas de junção.Um eletrodo por caixa (1.890 eletrodos).
4. Ambas as extremidades do tronco principal de aterramento do equipamento CC.Dois eletrodos (tronco de 1,4 km).
5. Terminações do condutor de descida de raios ESE.24 terminais aéreos ESE no perímetro da matriz e na caixa do painel de média tensão, cada um com uma terminação de haste de aterramento eletrolítico iônico (a capacidade de corrente de impulso foi a restrição limitante).

Total: 4.200 eletrodos químicos, correspondendo ao cronograma de aquisição da EPC e aos contêineres que saíram de Xinchang entre setembro de 2020 e março de 2022. O erro que vejo com mais frequência na primeira revisão é tratar os cinco tipos de localização como idênticos — eles não são. O documento de aquisição deve especificar qual norma rege cada localização.

6. A especificação química de enchimento que realmente diferenciou um fornecedor

No projeto saudita, a especificação do material de enchimento diferenciou os dois finalistas da licitação. Um deles enviou um catálogo de 14 páginas com uma única referência à norma IEC 62561-7 na contracapa. O outro enviou um relatório de ensaio de tipo de 38 páginas, abrangendo o fator de redução da resistividade em quatro condições de umidade de referência, o resultado da estabilidade iônica a 60 °C por 30 dias, a curva de retenção de umidade por 90 dias e a declaração de conformidade ambiental da fase ESIA. Este segundo fornecedor é aquele que uma empresa EPC inclui em um plano de operação e manutenção de 25 anos.

A linguagem de aquisição que acabamos redigindo para a especificação saudita mencionava quatro propriedades — as mesmas quatro que testamos internamente para cada remessa e as mesmas quatro que constam em nosso relatório de ensaio de tipo.

• Fator de redução da resistividade (de acordo com a norma IEC 62561-7).Padrão: 12:1 com 20% de umidade de referência.
• Estabilidade iônica a longo prazo (reteste a 60°C / 30 dias).Sulfato de magnésio em vez de cloreto de sódio (o cloreto ataca núcleos revestidos de cobre); limite de retenção ≥80%. O lote do fornecedor de 2022 apresentou 65% de retenção — o que motivou a produção interna do composto.
• Retenção de umidade durante um ciclo de secagem de 90 dias.Retenção de 73% após 90 dias a 35°C / 30% UR — o dado que a EPC utilizou para definir o reteste após cinco anos.
• Conformidade ambiental na ESIA.Aprovado no painel de lixiviados padrão, apresentando valores abaixo de 1 mg/L para metais regulamentados.

A fábrica que apresenta o relatório de teste de tipo com quatro propriedades é aquela que uma empresa de engenharia, aquisição e construção (EPC) inclui em um plano de operação e manutenção (O&M) de 25 anos; aquela que possui apenas uma folha com as dimensões das hastes aparece no segundo ano com um e-mail sobre um "novo composto aprimorado".

7. Como especificamos o procedimento de seis etapas para o EPC saudita

O procedimento de especificação em seis etapas que apresentamos ao engenheiro de EPC é o mesmo que utilizamos em todos os projetos de energia fotovoltaica em escala de utilidade pública. Não se trata de uma lista genérica — cada etapa envolve uma decisão específica que o engenheiro de EPC deve tomar para o seu projeto em particular.

1. Realize um levantamento de resistividade do solo com o equipamento Wenner de quatro pinos em toda a área planejada.Registros em profundidades de sondagem de 1,5 m e 3,0 m. A discrepância entre a superfície e a profundidade no local da Arábia Saudita foi de 4× (380 Ω·cm vs 1.800 Ω·cm).
2. Defina uma resistência alvo por pad a partir do diagrama unifilar do projeto.A empresa de engenharia, aquisição e construção (EPC) saudita definiu 5 Ω por ponto de conexão do inversor e 1 Ω para a rede equipotencial geral; ambos os valores foram mantidos durante o reteste realizado após cinco anos.
3. Especifique por escrito a composição química do material de enchimento, anexando o relatório do teste de tipo com as quatro propriedades.O lote de fornecedores de 2022 foi o caso de teste — o relatório detectou uma retenção de 65% antes do envio.
4. Defina a geometria da haste e o padrão do conector.Cabo de cobre de 17,2 mm × 2,4 m para pads de inversores; cabo eletrolítico de 25,4 mm × 2,4 m para pads de média tensão e terminações de proteção contra raios. Conectores soldados por exotérmica.IEEE 837, sem grampos mecânicos.
5. Instale em solo não perturbado com uma broca vertical de 100 mm.A mesma broca é utilizada em toda a extensão — sem necessidade de ferramentas especiais. Preencha o espaço anular antes de selar o poço de inspeção; evite instalar sobre água parada (um período de 14 dias sem água antes da instalação é a regra geral neste local).
6. Verificar com um teste de queda de potencial na entrada em funcionamento e após cinco anos.De acordo com a família de métodos IEEE 81, a resistência logarítmica, a temperatura do solo e a umidade foram consideradas. O reteste realizado na usina saudita, cinco anos após o início do experimento, apresentou uma média de 3,1 Ω, com o pior valor registrado de 4,7 Ω.

8. O bloco de medidas que não acertamos na primeira vez

Os primeiros 200 eletrodos na planta saudita foram enviados com uma broca de 75 mm (o engenheiro de campo da EPC a havia usado em um projeto anterior com hastes cravadas) e as leituras de campo apresentaram uma média de 5,8 Ω, contra uma meta de 5 Ω — o composto não tinha espaço para hidratar. Passamos para uma broca de 100 mm para os 4.000 eletrodos restantes e a média caiu para 3,1 Ω. Os 200 furos com diâmetro inferior ao especificado não foram perfurados novamente; eles representam os 6% dos eletrodos na faixa de “acima de 2.000 Ω·cm” que receberam o tratamento com eletrodos duplicados.

A diferença de 0,4 Ω entre a rosca de 75 mm e a de 100 mm é a maior variável que medimos no lado da instalação — e é a variável que o engenheiro de obra da EPC controla, não a fábrica ou a química do material de enchimento. A linha de mistura pode ser ajustada na fase de especificação; a rosca, não.

9. Como isso se conecta à expansão global da energia solar — e por que é importante para a contratação de EPC em 2026

A resistência de 3,1 Ω da usina saudita não é um caso isolado. Em todas as nossas remessas de 2020 a 2025 para usinas fotovoltaicas de grande escala no Oriente Médio, Norte da África, Sudoeste dos EUA e interior da Austrália, a resistência média das bases em instalações corretamente especificadas ficou entre 2,8 e 3,6 Ω, contra uma meta de 5 Ω. A dispersão de 0,8 Ω se deve à consistência da camada de solo e ao diâmetro do furo de perfuração na instalação. A consistência da composição química do material de enchimento é menos importante do que a precisão do diâmetro do furo de perfuração — uma descoberta que surpreendeu nossa equipe de controle de qualidade quando auditamos os dados do reteste do quinto ano em comparação com os registros de instalação.

Esse padrão de dados de campo se contrapõe a uma expansão que está sendo instalada atualmente, porMonitoramento IEA-PVPS, bem mais de 400 GW de nova capacidade fotovoltaica por ano.Visão geral do IEA-PVPS 2024confirma que o PV cumulativo ultrapassou 2 TW; oIEA Energias Renováveis ​​2024Um relatório prevê que a energia fotovoltaica em escala de serviços públicos continuará sendo a maior contribuinte para a nova capacidade de energia renovável até 2030. Para as equipes de compras, o aterramento passou de uma especificação genérica de haste e grampo para uma categoria reconhecida de especificação em escala de serviços públicos — e os fornecedores que conseguirem produzir o relatório de teste de tipo com quatro propriedades serão os vencedores da licitação.

10. Perguntas frequentes das equipes de compras de EPC

O que é um eletrodo de aterramento químico para uma fazenda solar?

Uma haste de aço revestida de cobre, instalada verticalmente e envolvida por um composto de enchimento higroscópico que absorve a umidade ambiente, estabilizando a resistência do eletrodo ao longo de anos sem necessidade de irrigação manual. Na fábrica da Arábia Saudita, 4.200 unidades foram enviadas entre 2020 e 2022, com uma resistência média de 3,1 Ω após cinco anos.

Por que o aterramento que dispensa manutenção é importante para sistemas fotovoltaicos de grande escala?

As instalações de aterramento cobrem dezenas a centenas de hectares, com milhares de pontos de aterramento. Um sistema de aterramento tradicional, com ciclo de irrigação de seis ou doze meses, deixa a infraestrutura desprotegida caso o cronograma seja alterado. O aterramento sem manutenção elimina esse ciclo.

Qual é o valor de resistividade do solo considerado muito alto para uma haste cravada sozinha?

Acima de aproximadamente 1.000 Ω·cm, uma única haste revestida de cobre não consegue atingir de forma confiável menos de 5 Ω na área de contato sem um número excessivo de hastes ou instalações muito profundas. Na usina saudita, 73% do arranjo estava na faixa de 1.000 a 2.000 Ω·cm; os 6% acima de 2.000 Ω·cm receberam eletrodos com padrão delta.

Quais normas se aplicam ao aterramento químico em usinas fotovoltaicas?

IEEE 837para conectores,IEEE 80 / IEEE 665para projeto no estilo de subestação,IEC 62561-7para compostos de aterramento, eNFPA 70 (NEC) Artigo 690para aterramento de sistemas fotovoltaicos.NEMA GR-1cobre a própria haste.

Qual a vida útil de um eletrodo químico em serviço?

Um eletrodo corretamente especificado proporciona uma faixa de resistência estável durante toda a vida útil projetada de 25 a 30 anos. O revestimento de cobre controla a corrosão galvânica; o material de enchimento permanece ativo por ser higroscópico. Os 4.200 eletrodos da usina saudita não foram reidratados desde a instalação.

Os eletrodos químicos atendem aos requisitos da norma NEC 690?

Sim.NFPA 70 (NEC) Artigo 690Abrange o aterramento do sistema fotovoltaico; um eletrodo químico com núcleo revestido de cobre eIEEE 837Os acessórios atendem aos requisitos.

Qual a diferença na composição química do material de enchimento em relação à bentonita pura?

A bentonita pura é higroscópica, mas perde seu conteúdo iônico em períodos de seca. Um material de enchimento que dispensa manutenção adiciona um pacote de sais eletrolíticos (normalmente sulfato de magnésio) e um aditivo para retenção de umidade.

Onde devem ser colocados os eletrodos químicos em um conjunto de painéis fotovoltaicos?

Na usina saudita: 1.316 em plataformas de inversores, 168 em plataformas de média tensão, 1.890 em caixas de junção, 2 em ambas as extremidades do tronco CC de 1,4 km, 24 em terminações de proteção contra raios ESE — 4.200 no total. A geometria varia conforme a localização.

Qual a diferença entre um eletrodo químico e uma haste de aterramento eletrolítico de íons?

Usado de forma intercambiável em muitas fichas técnicas.nossa linha, o eletrodo químico utiliza um tubo de cobre; ohaste de aterramento de íons eletrolíticosUtiliza um núcleo revestido de cobre.

11. Encerramento — O que pedimos à empresa saudita de engenharia, aquisição e construção (EPC) para nos enviar no primeiro dia

Se você for o engenheiro do projeto EPC com o documento de licitação aberto, o mínimo que nos permite apresentar uma proposta sem um período de esclarecimento de seis semanas são os mesmos seis itens que a equipe de Madri enviou em agosto de 2020: o diagrama unifilar com a localização dos eletrodos, o levantamento Wenner em camadas na profundidade planejada, as metas de resistência por pad e por grade, e o padrão do conector (normalmenteIEEE 837), o padrão de composto de enchimento (IEC 62561-7), e as restrições da ESIA.

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