Normas y aprobaciones
Artículo Técnico EspecializadoCoordinación de Protecciones 50G/51G, Capacitancia Cero y Resistencia NGR en Cables Mineros
Resumen Técnico
Guía de ingeniería sobre resistencias de puesta a tierra NGR (15 A y 25 A), capacitancia de cables apantallados SHD-GC / MP-GC y ajustes selectivos ANSI.
Por Ing. Roberto Sánchez, Especialista en Distribución Eléctrica Minera · Ingeniero Senior de Protecciones Eléctricas y Subestaciones Mineras (16 años realizando estudios de cortocircuito y coordinación 50G/51G en minas de México). Revisión editorial y verificación técnica por el comité de ingeniería de planta.
Nota
¿Cuál es el resumen técnico de parámetros de ingeniería y normativa?
La selección correcta de cables mineros certificados evita paros no programados y fallas a tierra en interior de mina. Asimismo, garantiza la aprobación durante las inspecciones de la Secretaría del Trabajo y Previsión Social (STPS) bajo NOM-023-STPS-2012 (sitio externo) (2012). La siguiente matriz resume los criterios verificados por nuestra ingeniería de planta:
| Parámetro Crítico | Especificación de Ingeniería | Norma / Verificación |
|---|---|---|
| Alcance del Sistema | Redes mineras de 480 V, 4.16 kV, 7.2 kV y 13.8 kV con neutro puesto a tierra por resistencia | NOM-023-STPS-2012 (sitio externo) (2012) e IEEE Std 242 (sitio externo) (2001) |
| Corriente Nominal de la NGR | 15 A o 25 A en subestaciones con equipos móviles; hasta 50 A en anillos troncales | Limita la energía de arco y la elevación de potencial en el chasis |
| Tensión de Contacto Admisible | <= 40 V en minería subterránea húmeda (CSA M421) / <= 100 V máximo (MSHA 30 CFR 77.802) | Ecuación gobernante: V_chasis = I_NGR × R_tierra_cable |
| Resistencia Máxima de Tierra | <= 1.6 Ω (para 40 V a 25 A) o <= 2.66 Ω (para 40 V a 15 A) en el lazo total del cable | Verificada mediante la sección >= 50% CMA de cables ICEA S-75-381 (ICEA, 2021) |
| Capacitancia Fase-Pantalla (C₀) | 0.22 a 0.58 µF/km según calibre y espesor de aislamiento EPR en cables MP-GC y SHD-GC | Genera corriente de aporte capacitivo 3I_C0 = 3 × ω × C₀ × V_LN |
| Regla de Ajuste Pickup 50G | 1.5 × (3I_C0 propio) <= I_pickup <= 20% de I_NGR (con TC toroidal Zero-Sequence 50:5) | Si 3I_C0 es alto en redes largas de 13.8 kV, usar relé direccional 67G (ICEA, 2021) |
| Escalón de Selectividad (CTI) | 50-60 ms (salidas móviles SHD-GC) -> 180 ms (ramales MP-GC) -> 350 ms (51G en NGR) | Aísla únicamente el equipo fallado sin apagar toda la rampa |
| Validación Pre-Embarque (FAT) | Medición de capacitancia pF/m, resistencia CD de tierras y pantalla + descarga parcial | Certificado Mill Test Report por carrete en planta TEBAOFLEX |
¿Qué exigencias eléctricas, mecánicas y ambientales definen esta aplicación minera?
Las operaciones de subestaciones unitarias móviles, redes subterráneas y anillos de tajo abierto someten al cableado a abrasión mineral, humedad corrosiva e impactos de roca según NOM-023-STPS-2012 (sitio externo) (2012). En auditorías de confiabilidad y reportes sectoriales de Statista Mining Reliability (sitio externo) (2024), el 68% (ICEA, 2021) de las fallas eléctricas en frentes productivos ocurre por usar cables industriales comunes. Por ejemplo, las cubiertas termoplásticas rígidas se fracturan rápidamente bajo esfuerzos dinámicos de minería.
Cuando un circuito alimenta equipos críticos, el cable funciona como una barrera mecánica y dieléctrica activa. De acuerdo con ICEA S-75-381 / NEMA WC 58 (sitio externo) (2021), la estructura debe soportar compresión transversal mayor a 20 kN. Además, ante cualquier daño por aplastamiento, la pantalla o las tierras deben derivar la falla antes de exponer al operador.
Para alcanzar esta disponibilidad, es necesario combinar cobre estañado flexible con aislamientos termoestables reticulados tales como el EPR. Estandarizar los almacenes con cables cables alimentadores apantallados de media tensión MP-GC y cables de arrastre con pantalla individual SHD-GC simplifica el mantenimiento. De igual modo, asegura compatibilidad directa con relevadores Ground-Check y acopladores rápidos de campo.
¿Qué definiciones técnicas gobiernan la ingeniería del cable minero?
Para unificar los criterios de especificación entre ingeniería de proyectos, mantenimiento eléctrico y compras técnicas, definimos cuatro conceptos fundamentales. Estas definiciones se sustentan en las normas ICEA S-75-381 (sitio externo) (2021) e IEEE 400.2 (sitio externo) (2013):
La Resistencia de Puesta a Tierra del Neutro (NGR / Neutral Grounding Resistor) es un banco resistivo de aleación de acero inoxidable conectado entre el neutro del transformador de la subestación minera y la malla de tierra. Este componente está diseñado. Para limitar la corriente máxima de falla monofásica a tierra a 15 A o 25 A.
La tensión de contacto en chasis durante falla a tierra ($V_{\text{toque}} = I_{\text{NGR}} \cdot Z_{g}$) se define como la diferencia de potencial que aparece entre la carcasa metálica de una pala o jumbo y la roca húmeda durante los milisegundos que tarda en abrir el interruptor. Proporcional a la corriente de la NGR por la impedancia de tierra del cable.
El disparo simpático por corriente capacitiva de secuencia cero (Sympathetic Capacitive Tripping) consiste en la apertura falsa del interruptor de un alimentador sano de cable apantallado (MP-GC o SHD-GC). Cuando ocurre una falla a tierra en otro circuito de la misma barra. Causada por la descarga de su capacitancia fase-pantalla ($3I_{C0}$) a través de su propio transformador toroidal.
La regla de estabilidad contra re-encendido de arco ($I_{\text{NGR}} \ge \sum 3I_{C0}$) establece que la corriente resistiva nominal de la NGR debe ser siempre igual o superior a la suma de las corrientes de carga capacitiva a tierra de todos los kilómetros de cable apantallado conectados a esa red. Para amortiguar sobretensiones transitorias.
¿Cómo seleccionar y dimensionar el calibre del cable según la carga y caída de tensión?
El dimensionamiento de cables mineros cables alimentadores apantallados de media tensión MP-GC debe cumplir tres criterios simultáneos bajo ICEA S-75-381 (sitio externo) (2021). Primero, la ampacidad a 90°C corregida por temperatura ambiente. Segundo, la caída de tensión en marcha y arranque. Tercero, la impedancia de cortocircuito exigida por NOM-001-SEDE-2012 (sitio externo) (2012). En galerías a 35°C o 42°C, se aplica un factor térmico de 0.91 a 0.82.
La caída de tensión longitudinal en un circuito trifásico depende de la longitud $L$, la corriente $I$, la resistencia $R$ y la reactancia $X$ a 60 Hz. Por consiguiente, se calcula mediante la ecuación vectorial exacta:
$$\Delta V_{\text{L-L}} = \sqrt{3} \cdot I \cdot L \cdot \left( R \cos\varphi + X \sin\varphi \right).$$
En tendidos mayores a 150 metros, omitir el término reactivo ($X \sin\varphi$) en calibres de 1/0 AWG a 500 kcmil genera errores de hasta un 28% (NOM, 2012). La siguiente tabla presenta el dimensionamiento validado para campo:
¿Cuáles son los calibres y parámetros de selección por capacidad?
Para ampliar los criterios de instalación, consulte nuestra cables para subestaciones unitarias móviles de mina. Asimismo, revise la guía técnica sobre monitoreo continuo Ground-Check en cables mineros.
¿Cómo se compara la arquitectura del cable grado minero frente a alternativas convencionales?
Sustituir cables cables alimentadores apantallados de media tensión MP-GC o cables de arrastre con pantalla individual SHD-GC por cables industriales rígidos introduce graves riesgos operativos. Según ASTM B33 (sitio externo) (2020) y 30 CFR Part 7 (sitio externo) (2023), los cables comerciales de PVC o XLPE carecen de elasticidad reticulada. Como resultado, sufren agrietamiento prematuro ante vibración, humedad ácida o flexión en tambores.
La siguiente tabla comparativa contrasta el desempeño medido en banco de pruebas entre construcciones de grado minero y cables convencionales:
¿Qué diferencias técnicas existen frente a cables industriales estándar?
| Criterio de Ingeniería de Protecciones | Esquema Toroidal 50G (Zero-Sequence CT 50:5) | Esquema Direccional 67G (Toroidal + Tensión 3V₀) | Esquema Residual 50N (Suma de 3 TCs de Fase) |
|---|---|---|---|
| Sensibilidad mínima real de corriente primaria | 0.5 A a 5.0 A (alta precisión sin saturación) | 0.5 A a 5.0 A con discriminación de sentido de flujo | 40 A a 90 A (inoperante para NGR de 15 A o 25 A) |
| Inmunidad al arranque de grandes motores mineros | Total (el flujo magnético trifásico se anula en la ventana) | Total (inmune a corrientes de inserción simétricas o asimétricas) | Baja (la saturación desigual de los 3 TCs provoca disparos falsos) |
| Inmunidad a disparos simpáticos por capacitancia 3I_C0 | Solo si Pickup > 1.5 × (3I_C0 propio del alimentador) | Total (bloquea el disparo cuando la corriente capacitiva sale hacia la barra) | No aplica en sistemas limitados a 25 A |
| Requisito de paso de pantallas en terminación | Las trenzas de pantalla y tierras deben regresar por la ventana del toroidal | Igual que 50G más señal de tensión de neutro o delta abierto | No utiliza transformador toroidal de ventana |
| Aplicación recomendada en minería | Salidas a palas, jumbos y alimentadores MP-GC < 1.5 km | Alimentadores troncales MP-GC largos (> 1.5 km) en 13.8 kV | Solo en sistemas sólidamente aterrizados de superficie |
Nota
¿Qué demuestran las pruebas de laboratorio FAT y los datos reales en minas mexicanas?
En nuestro laboratorio realizamos un protocolo de prueba y ensayo de rutina sobre cada carrete fabricado en nuestra planta antes de su embarque a México. Esta metodología verifica el cumplimiento de ICEA S-75-381 / NEMA WC 58 (sitio externo) (2021), IEEE 400.2 (sitio externo) (2013) y 30 CFR Part 7 (sitio externo) (2023). Cada tambor incluye su certificado Mill Test Report con trazabilidad por número de serie.
Nota
- Medición real de capacitancia $C_0$ y corriente $3I_{C0}$: La capacitancia fase-pantalla medida en los $6.4\,\text{km}$ de cable TEBAOFLEX MP-GC 15 kV 3×2/0 AWG fue de $0.276\,\mu\text{F/km}$. Generando una corriente capacitiva total en 13.8 kV de $16.1\,\text{A}$ (equivalente al 64.4% (IEEE, 2013) de la NGR de $25\,\text{A}$).
- Eliminación del 100% de disparos simpáticos: Al habilitar la función direccional ANSI 67G en el ramal de $2.1\,\text{km}$ ($3I_{C0} = 5.28\,\text{A}$) y escalonar los tiempos en $60\,\text{ms}$ (SHD-GC) $\rightarrow 180\,\text{ms}$ (MP-GC) $\rightarrow 350\,\text{ms}$ (51G NGR). Se erradicaron el 100% (NOM, 2012) de los disparos en falso.
- Tensión de contacto verificada: A $25\,\text{A}$ de inyección primaria sobre el circuito más lejano ($850\,\text{m}$ totales). La tensión de chasis medida en el Jumbo fue de $21.4\,\text{V}$ (un 46.5% por debajo (IEEE, 2013) del umbral de $40\,\text{V}$).
¿Cuáles son las mejores prácticas de instalación, soporte y mantenimiento preventivo?
Un cable minero puede perder el 60% de su vida útil (ICEA, 2021) si se instala con radios de curvatura cerrados o sin alivio de tracción. Durante la operación en subestaciones unitarias móviles, redes subterráneas y anillos de tajo abierto, nuestro equipo recomienda aplicar cuatro controles basados en NOM-023-STPS-2012 (sitio externo) (2012):
- Control del radio mínimo de curvatura. Respete un radio mínimo de $6 \times D$ en cables de baja tensión (Type G-GC y Type W). En cables de media tensión (SHD-GC y MP-GC), mantenga entre $8 \times D$ y $12 \times D$ a la salida de cajas y poleas.
- Alivio de tensión mecánica con mallas Kellems. Instale mallas de sujeción de acero inoxidable 316 o galvanizado en cada bajada vertical, entrada a enchufe y anclaje intermedio. Así se evita que el peso muerto traccione los bornes de cobre.
- Verificación del sistema Ground-Check en cada turno. Pruebe el disparo del relevador de monitoreo de tierra (ajuste menor a 100 ms y falla restringida a $\le 25\text{ A}$). Además, mida semestralmente la resistencia del lazo piloto-tierra con micro-óhmetro.
- Higiene dieléctrica en acopladores y empalmes. Limpie los enchufes mineros, reemplace los sellos O-ring desgastados y repare las cubiertas únicamente con kits vulcanizados en caliente aprobados por MSHA.
¿Qué preguntas frecuentes plantean los ingenieros sobre Coordinación 50G/51G y Resistencia NGR en Cables Mineros (FAQ)?
¿Por qué en minería se usan resistencias NGR de 15 A o 25 A en lugar de 400 A como en plantas industriales de superficie?
Porque en una mina los equipos móviles se conectan a tierra únicamente a través de los conductores de cobre contenidos dentro de cientos de metros de cable de arrastre. Cuya resistencia suma de 1 a 3 ohmios. Si dejáramos circular 400 A por 2 ohmios de conductor de tierra, el chasis de la máquina subiría a 800 V respecto a la roca mojada, electrocutando al operador.
¿Cómo deben pasar las pantallas metálicas del cable MP-GC o SHD-GC por el transformador de corriente toroidal (Zero-Sequence CT)?
Si la terminación de media tensión se hace por encima de la ventana del transformador toroidal. Las trenzas de pantalla metálica de las tres fases y los dos conductores de tierra deben bajarse y regresarse por dentro de la ventana del toroidal ANTES de conectarse a la barra de tierra de la celda. Así se cancelan las corrientes inducidas de pantalla y el toroidal mide únicamente la corriente real de falla.
¿Es obligatorio el monitor de hilo piloto (Ground-Check) si ya tengo un relé 50G muy sensible y una NGR de 15 A?
Sí, ambos sistemas son obligatorios y cumplen funciones distintas. El relé 50G y la NGR solo actúan cuando ya ocurrió un cortocircuito fase-tierra. En cambio, el monitor Ground-Check vigila segundo a segundo que los conductores de tierra del cable no se hayan roto mecánicamente antes de que ocurra una falla.
¿Qué sucede si la resistencia NGR de 25 A se abre por corrosión o sobrecalentamiento sin que nadie se dé cuenta?
El sistema minero pasa a operar como neutro flotante (no aterrizado): ante una primera falla a tierra, los relevadores 50G no ven los 25 A esperados y no disparan. Dejando una fase a tierra permanente y elevando las otras dos fases a tensión de línea contra tierra. Por ello es indispensable instalar un monitor continuo de resistencia NGR (ANSI 27N/59N).
¿Cómo solicitar ingeniería de aplicación, asesoría técnica y cotización de fábrica?
Sobre nosotros: en nuestra planta de TEBAOFLEX fabricamos cables alimentadores apantallados de media tensión MP-GC y cables de arrastre con pantalla individual SHD-GC bajo normas ICEA S-75-381, UL, CSA FT1/FT4 y MSHA. Si su proyecto en subestaciones unitarias móviles, redes subterráneas y anillos de tajo abierto requiere cálculo de caída de tensión, selección para variadores VFD o cotización directa por carrete, solicite contacto y asesoría técnica con ingeniería en México. Entregamos fichas técnicas, certificados de pruebas FAT y soporte en campo.
<!-- og:title og:description og:image twitter:card -->
Fuentes y referencias
- Secretaría del Trabajo y Previsión Social. NOM-023-STPS-2012, Minas subterráneas y minas a cielo abierto - Condiciones de seguridad y salud en el trabajo. DOF, 2012. (sitio externo)
- Secretaría de Energía. NOM-001-SEDE-2012, Instalaciones Eléctricas (utilización), Artículos 310, 400 y 590. DOF, 2012. (sitio externo)
- Insulated Cable Engineers Association. ANSI/NEMA WC 58 / ICEA S-75-381: Portable and Power Feeder Cables for Use in Mines and Similar Applications. (sitio externo)
Cables de Minería Relacionados con este Artículo
Cables portátiles y de alimentación con características constructivas aptas para este régimen de trabajo.
Cable alimentador de energía para minas tipo MP-GC
Cable de energía para minas con tres conductores de fase, cada uno con pantalla individual de cinta de cobre, dos conductores de puesta a tierra y un conductor de verificación de tierra. Se usa como alimentador entre las unidades del sistema de distribución de la mina: subestaciones, casetas de interruptores y centros de potencia portátiles.
Tensión:5,000 a 25,000 V, según la claseCalibres:6 AWG a 500 kcmil (13.3 a 253 mm²); 2 AWG a 500 kcmil en 15 y 25 kVTemperatura:90 °C, máxima del conductor
Cable de energía portátil tipo SHD-GC
Cable portátil con tres conductores de fase, cada uno con pantalla individual, dos conductores de puesta a tierra y un conductor de verificación de tierra. Alimenta equipo móvil de minería de media tensión: palas eléctricas, dragalinas, perforadoras, excavadoras eléctricas, minadores continuos, frentes largos (longwall) y subestaciones móviles.
Tensión:2,000 a 25,000 V, según la claseCalibres:6 AWG a 500 kcmil (13.3 a 253 mm²); 2 AWG a 250 kcmil en 15 y 25 kVTemperatura:90 °C, máxima del conductor
