Protección Contra Rayos y Sobretensiones en Cables Mineros

Las regiones mineras más productivas de México —ubicadas a lo largo de la Sierra Madre Occidental en Sonora, Chihuahua, Durango y Sinaloa— presentan uno de los niveles ceráunicos más altos del continente, con registros de 40 a más de 80 días con tormentas eléctricas al año. En los tajos abiertos y patios de subestaciones, las líneas aéreas de alimentación y los cables de arrastre que energizan palas eléctricas, perforadoras y bombas de desagüe quedan expuestos a descargas atmosféricas directas e indirectas que generan sobretensiones transitorias devastadoras.

Una onda de choque de rayo (con frente típico de 1.2/50 µs y corrientes de 20 kA a 100 kA) ingresa a la red de cables mineros provocando una pendiente de tensión destructiva (dV/dt). Si el sistema no cuenta con una estricta coordinación de aislamiento entre los apartarrayos de óxidos metálicos (MOV) y el nivel básico de aislamiento al impulso (BIL) del cable Type SHD-GC o MP-GC, se produce la perforación dieléctrica irreversible del caucho etileno-propileno (EPR) y la destrucción del blindaje de cobre.

Fenómeno de Propagación de Ondas y Atenuación en Cables Mineros

Cuando un rayo impacta en las líneas aéreas de distribución o en la estructura metálica de una pala o perforadora, la onda viaja hacia los cables de arrastre con una velocidad de propagación de aproximadamente 150 a 180 metros por microsegundo (cerca del 50-60% de la velocidad de la luz en el vacío), determinada por la permitividad dieléctrica relativa del aislamiento EPR (ε_r ≈ 2.8 a 3.2):

A diferencia de las líneas aéreas, los cables de potencia mineros blindados presentan una inductancia menor y una alta capacitancia respecto a tierra (de 150 a 300 pF/m). Esta capacitancia actúa como un filtro pasa-bajos que tiende a suavizar el frente de onda a medida que viaja por el cable. Sin embargo, al alcanzar el extremo abierto o un transformador con impedancia de choque elevada, la onda se refleja, duplicando casi instantáneamente su valor de cresta si no existe un apartarrayo instalado en el borne de recepción.

Protección en Casetas de Conexión y Subestaciones Móviles de Tajo

En los bancos de tajo abierto, la conexión entre el cable de alimentación general y los cables de arrastre de palas se realiza en casetas de maniobra portátiles sobre patines (switchhouses). La instalación correcta de apartarrayos en estos puntos es la defensa primaria del equipo:

• Ubicación Física de los Apartarrayos: Los apartarrayos de óxidos metálicos deben conectarse con conductores de longitud mínima (máximo 300 a 500 mm) tanto en el lado de fase como en el borne de tierra. Cada metro de cable de conexión agrega aproximadamente 1 µH de inductancia, lo que ante una corriente de rayo de 10 kA con pendiente rápida agrega más de 10 kV adicionales de caída inductiva (L × di/dt) que se suman directamente al estrés sobre el aislamiento del cable.
• Supresores de Transitorios (TVSS) en Circuitos Piloto Ground-Check: El hilo de control Ground-Check (GC) opera a tensiones de control de 24 V a 120 V, pero corre en los mismos intersticios del cable junto a las fases de 5 kV o 15 kV. Una descarga de rayo induce elevaciones de potencial transitorio capacitivas e inductivas en el hilo piloto, capaces de destruir los relevadores de monitoreo o provocar disparos erróneos. Es mandatorio instalar supresores de sobretensión dedicados clase TVSS en los bornes de entrada del relé GC.
• Malla de Tierra Transitoria de Baja Impedancia: En los bancos rocosos de tajo abierto, la resistividad del suelo suele ser extremadamente alta (más de 1,000 Ω·m). Debe asegurarse que la resistencia estática de la malla de tierra de la subestación móvil sea inferior a 5.0 Ohms conforme a NOM-001-SEDE Art. 280, utilizando electrodos profundos o mejoradores químicos de suelo base bentonita para drenar la energía del rayo sin elevar peligrosamente el potencial de paso y contacto.

Efectos en la Malla de Blindaje y Mantenimiento Predictivo

El blindaje metálico individual de cobre estañado de los cables SHD-GC cumple la función crítica de drenar a tierra las corrientes inducidas por la descarga atmosférica. Si el blindaje sufre picaduras o rotura por descargas repetidas, el gradiente de campo eléctrico deja de ser radial, dando inicio a micro-descargas parciales que carbonizan el EPR en pocos meses.

Para garantizar la integridad del aislamiento tras temporadas de tormentas eléctricas, los protocolos de mantenimiento predictivo deben incluir ensayos de pruebas dieléctricas VLF y Tan Delta y detección en línea de descargas parciales en cables de media tensión.

Para especificación de esquemas de protección contra rayos, cálculo de apartarrayos para redes de tajo abierto y suministro de cables mineros SHD-GC y MP-GC de alta rigidez dieléctrica en México, consulte a nuestros ingenieros a través de la página de contacto para ingeniería de protección eléctrica minera.