Las plantas de energía solar fotovoltaica constan de numerosos paneles fotovoltaicos en largos arreglos serie y paralelo conectados en circuitos de corriente directa, posteriormente inversores se encargarán de convertir la corriente directa en alterna, generalmente en baja tensión. Estos inversores se conectarán a un transformador elevador que a su vez conecta con un circuito colector de media tensión, finalmente y dependiendo del tamaño de la planta puede interconectarse a la red eléctrica directamente en media tensión o pasar a una subestación elevadora para vincularse a una red de transmisión.
Las superficies abarcadas por este tipo de plantas pueden cubrir desde algunos cientos de metros cuadrados hasta varias hectáreas, lo cual requiere unas instalaciones muy especiales de tierra física que cumplan con los requerimientos de seguridad para el personal y los equipos frente descargas atmosféricas y fallas eléctricas.
Aunque están aislados galvánicamente los circuitos de C.D. y C.A, ambos lados deben contar con un mismo sistema de tierra física. Los inversores, transformadores elevadores, los gabinetes metálicos de los equipos, las estructuras metálicas de soporte, los marcos de los páneles, los postes de iluminación, pararrayos, cercas metálicas, equipos de Telecomunicaciones, las mallas de los cables de media tensión, los postes de iluminación, las subestaciones dentro y fuera del parque se unirán a un mismo sistema de tierras.
Hay notables diferencias entre un sistema de tierras para parques solares y otros tipos de instalaciones de potencia. Para empezar una subestación eléctrica o una planta convencional requieren una superficie muy pequeña en metros cuadrados, la cual no resulta tan costosa para cubrir con densas mallas subterráneas de cobre, tierra químicamente acondicionada y suelo recubierto de material aislante como grava. En contraparte, colocar densas mallas de cobre subterráneo o cubrir toda la superficie con grava en un parque solar resultaría demasiado costoso, pero omitirlos por completo o reducirlas significativamente podría implicar la presencia de los indeseados y peligrosos voltajes de paso y de contacto.
Otro reto en el aterrizamiento de una planta solar son las dificultades de los modelos. Para empezar el no poder disponer de una malla subterránea que cubra por completo toda el área del parque dificulta el modelo base. Adicionalmente deben considerarse factores como las variaciones de resistividad del suelo, la impedancia de los cables en largas distancias, la interacción entre diferentes valores de conductividad de los materiales adyacentes (cobre, acero, aluminio) y los modelos para simular las corrientes de falla y de dispersión. Todo esto se vuelve complejo incluso para los softwares más avanzados.
Finalmente hacer pruebas en un sistema de tierras para un parque solar es una tarea sumamente complicada por no decir imposible en varios aspecto, por esta razón la etapa de diseño, modelado y simulaciones previas son de suma importancia, así como una evaluación lo más completa posible de la resistividad del suelo.
Modelos de resistividad del suelo (o los suelos). Se deben tomar múltiples mediciones para crear modelos independientes, priorizando la zona de la subestación (requiere un modelo de más capas), pero también considerando las zonas donde irán equipos como transformadores o inversores. Las zonas de los páneles y las cercas pueden generalizarse con menos detalle, pero siempre considerando modelos adicionales si hay notables diferencias entre los tipos de suelos. Al final, para cubrir el resto del área se debería diseñar combinando modelos para recorridos cortos (modelos de 2 capas) y modelos para recorridos largos (modelos de 3 capas).
Datos de falla. Para el diseño deben considerarse todos los materiales, los valores de X/R, valores de cortocircuito en tableros e inversores y los niveles de tensión de cada zona. Los mayores riesgos se presentarán en media y alta tensión, para cada uno de los cuales debe considerarse un respectivo factor de división de las corrientes. En la mayoría de los casos, el mallado de la subestación principal podrá ser suficiente para disipar las corrientes de falla del parque, y en muchos casos de interconexión con otras subestaciones y/o con redes de transmisión, los cables de tierra de estos pueden ayudar a disipar dichas corrientes. Por lo tanto, los puntos de interconexión serán los mejores para estudiar las corrientes de falla. También deberían estudiarse las posibles fallas en todos los transformadores, al menos los de mayor capacidad.
Consideraciones de diseño. Se sugieren diseñar la malla principal de tierras con una cuadricula que cubra bloques de 1 a 4 MW de generación y un espaciado entre 100 y 150 metros. Alrededor de cada inversor y transformador se sugiere colocar un cuadro subterráneo tipo bucle de cable desnudo, conectado a su vez a la malla principal. El marco de cada pánel se conectará mediante un cable y de igual manera los postes/soportes, uno tras otro hasta llegar a un extremo y de este se conecta a algún punto de la malla principal, esta conexión se hará para cada fila de páneles. Todas las estructuras metálicas que soporten a los paneles e inversores, además de postes y otros cuerpos metálicos deberán conectarse también al sistema de tierra. En sistemas muy largos, o solo cuando la resistividad del suelo no es muy buena, el uso de varillas puede ayudar. Se debe poner una capa de grava en el piso alrededor de cada inversor y transformador y se sugiere un perímetro de grava paralelo a toda la cerca perimetral el cual podría omitirse siempre y cuando los cables de cobre subterráneos están bien dimensionados e instalados cerca de esta cerca. Aunque el IEEE Std 80 puede usarse como referencia de diseño, para un parque solar no se debería de seguir ya que desde el inicio este ignora detalles como la resistencia de los cables subterráneos. El uso de software especializado será indispensable debido a las dimensiones y la gran cantidad de componentes dentro de la planta. Modelar con detalle solo el área cerca de los componentes de mayor potencia y usar equivalentes (trasladados a modelos simples como varillas) para los componentes como postes, marcos de los páneles y otros cuerpos metálicos es una práctica que ayudará a hacer estudios con resultados similares, pero con tiempos mucho más cortos.
Interconexión y efecto del factor de división. La tierra física de una planta solar podría mejorar notablemente en su desempeño aumentando el factor de división de corriente ante fallas, si se une a los sistemas de tierra física existentes en subestaciones de interconexión y/o en alguna red de transmisión. Estos puntos de unión entre tierras son muy críticos, por lo que para poder conectarlos correctamente desde la etapa de diseño deberá modelarse una pequeña sección de la línea de transmisión (solo algunos kilómetros) o un modelo simplificado del sistema de tierra de la subestación a la que se desea conectar.
Pruebas después de construcción. La prueba de integridad de una red de tierra física instalada en una planta solar según recomendación de la IEEE Std 81 es realizable, sin embargo esta no valida la resistencia de la forma que una prueba de impedancia de tierra debería ser, ya que para este tipo de verificaciones se recomienda la creación de una red remota de tierras a una distancia aproximada de cinco veces la dimensión de la malla de tierra de la planta solar la cual puede abarcar varios kilómetros. Por esta razón, se recomienda la recolección de suficiente información de la resistividad del suelo y el desarrollo de un análisis detallado con el fin de reducir la necesidad de pruebas una vez la construcción sea realizada.
Referencias:
[1] IEEE Std 2778-2020TM, IEEE Guide for Solar Power Plant Grounding for Personal Protection
[2] IEEE Std 80TM, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.
[3] IEEE Std 81TM, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potencials of a Grounding Siystem.
[4] Accredited Standards Committee C2, National Electric Safety Code® (NESC®).
[5] IEEE Std 142TM, IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems (IEEE Green Book).
[6] Lewis, D. and R. Schaerer, “Large Utility-Scale Photovoltaic Solar Power Plant Grounding System Safety Design – General Practices and Guidance,” 2015 IEEE Power and Energy Society General Meeting, Denver, CO, pp. 1-5, Jul. 2015.
[7] IEEE Std 386TM, IEEE Standard for Separable Insulated Connector Systems for Power Station Distribution System above 600 V.
[8] UL 2703, Standard for Mounting Systems, Mounting Devices, Clamping/Retention Devices, and Ground Lugs for Use with Flat-Plate Photovoltaic Modules and Panels.
[9] UL 3703, Standard for Solar Trackers.
