FACULTAD DE INGENIERÍA Y
ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE
INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
Aplicación del sistema de pararrayo
con dispositivo de cebado para evitar las descargas eléctricas atmosféricas y
salvaguardar las instalaciones y al personal en las minas a cielo abierto
Autor(es):
López Salcedo, Sebastián Andréz (orcid.org/0009-0009-2830-6312) slopezsa10@ucvvirtual.edu.pe, Ingeniería Mecánica
Eléctrica, ciclo 1
Mariños Calixtro, Fernando (orcid.org/…) fmarinosc@ucvvirtual.edu.pe, Ingeniería Mecánica
Eléctrica, ciclo1
Gutiérrez Polar, Antony
(orcid.org/0009-0005-8494-466X), Ingeniería Mecánica Eléctrica, ciclo 1
Herrera Rivera, Brandon Marcél
(orcid.org/…) bherrerari@ucvvirtual.edu.pe, Ingeniería Mecánica
Eléctrica, ciclo 1
Flores Villegas, José David (orcid.org/0009-0005-8657-5992) jofloresviu03@ucvvirtual.edu.pe, Ingeniería Mecánica
Eléctrica, ciclo1
Asesor(a):
Mgtr: Medina Castañeda, Luis
Enrique
Campus Los Olivos - 2025
Generalidades
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Nivel del trabajo de investigación
formativa: I |
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Objetivo de Desarrollo Sostenible y
Meta: Acción por el clima |
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Línea de investigación específica del
programa de estudios: Industria, innovación e infraestructura. |
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Línea de responsabilidad social
universitaria: Desarrollo sostenible y adaptación al cambio climático |
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Resumen
El presente
trabajo tuvo como propósito investigar
la aplicación del sistema de pararrayos con dispositivo de cebado para proteger
instalaciones y personal en minas a cielo abierto contra descargas eléctricas
atmosféricas. Los resultados demuestran que estos sistemas, al anticipar la
formación del rayo y crear un camino preferencial de descarga, reducen
significativamente el riesgo de impactos directos, gracias a su dispositivo
ionizante, minimizando daños a equipos e infraestructuras. Además, se evidenció una mejora en la seguridad del
personal, al disminuir la exposición a eventos eléctricos peligrosos. Las
conclusiones destacan que la tecnología de cebado, combinada con un diseño
adecuado de la red puesta a tierra, optimiza la eficacia del sistema, superando
a los pararrayos tradicionales. Sin embargo, su aplicación requiere estudios
previos de las condiciones ambientales y topográficas del área para garantizar
su correcto funcionamiento. El estudio confirma que esta solución es viable y
rentable para la industria minera, aportando tanto protección física como
continuidad operativa.
Palabras
claves: pararrayos con cebado, descargas
atmosféricas, seguridad minera, protección eléctrica.
Abstract
The
purpose of this study was to investigate the application of a lightning rod
system with a priming device to protect open-pit mine facilities and personnel
from atmospheric electrical discharges. The results demonstrate that these
systems, by anticipating lightning formation and creating a preferential
discharge path, significantly reduce the risk of direct strikes thanks to their
ionizing device, minimizing damage to equipment and infrastructure.
Furthermore, improved personnel safety was observed by reducing exposure to
hazardous electrical events. The conclusions highlight that priming technology,
combined with an appropriate design of the grounded network, optimizes the
system's effectiveness, outperforming traditional lightning rods. However, its
application requires prior studies of the area's environmental and
topographical conditions to ensure proper operation. The study confirms that
this solution is viable and cost-effective for the mining industry, providing
both physical protection and operational continuity.
Keywords: lightning rods with
priming, atmospheric discharges, mining safety, electrical protection.
I. Introducción
Las descargas eléctricas atmosféricas
siempre han sido conocidas por ser un problema en nuestra sociedad. Las
operaciones en el sector minero a cielo abierto están expuestos a diversas
condiciones climáticas, siendo las descargas eléctricas atmosféricas una de las
más peligrosas. Estas descargas no solo afectan a las infraestructuras, como
equipos eléctricos y sistemas de comunicación, sino también a la seguridad del
personal que trabaja en las instalaciones de este sector (Gonzalez Gonzalez et al., 2009).
Un
ejemplo negativo de este fenómeno ocurrió en nuestro país en el 2016, en la
mina Aruntani, Moquegua, lo cual dejó un saldo de dos trabajadores muertos y 9
heridos.
Por
ello, ante este tipo de amenazas se han implementado sistemas de protección
mediante tecnologías avanzadas en zonas donde este tipo de fenómenos son
habituales. Debido a que el rayo es una descarga atmosférica de alta intensidad
se deben implementar estos sistemas para así garantizar la continuidad del
trabajo y la seguridad del área de trabajo.
En
mención de (Hernández Rojas, 2013), tradicionalmente,
se han utilizado sistemas de pararrayos tipo Franklin para enfrentar estos
riesgos, sin embargo, su eficacia puede ser limitada en áreas extensas y
abiertas. Es por ello, la incorporación de pararrayos con dispositivo de cebado
(PDC) es una alternativa mejor ya que tiene una mayor capacidad de protección y
eficacia al captar la descarga eléctrica, lo cual esto lo emite hacia la tierra
sin causar algún efecto negativo en el sector.
En
nuestra presente investigación se busca analizar la aplicación de sistemas de
PDC en comparación con los sistemas de Franklin, evaluando su efectividad en la
protección de instalaciones y personal en minas a cielo abierto.
Realidad Problemática:
Las
minas de tajo abierto operan en condiciones ambientales adversas esto que sean
susceptibles a fenómenos como las tormentas eléctricas ya que, por su
localización geográfica, la amplitud del terreno y la presencia constante de
estructuras metálicas como maquinaria pesada, torres de transmisión eléctrica
hacen que la zona sea altamente vulnerable a descargas eléctricas atmosféricas.
En
el Perú muchos campamentos mineros cuentan con el tradicionalmente pararrayo
tipo Franklin, un sistema pasivo que solo actúa una vez que la descarga a
iniciado, pero para el sector minero este tipo sistema tiene múltiples
limitaciones, las cuales son cobertura de alcance restringido, esto requiere
muchos dispositivos para que la protección cumpla con lo requerido, sumándole a
ello la baja eficiencia frente a rayos de alta energía o descargas indirectas.
Como
consecuencias de estas limitaciones se incrementan las posibilidades de
lesiones al personal, equipos electrónicos que se influyen en la operatividad
minera causando la paralización de las actividades en la producción. Teniendo
en cuenta esta problemática llegamos a la conclusión de modernizar los sistemas
de protección contra rayos. Integrando tecnologías más eficaces como los
pararrayos con dispositivo de cebado ya que este sistema ofrece una mayor
cobertura, capacidad de anticipación y reducción en el número de sistemas
requeridos.
En
la actualidad muchos campamentos mineros no cuentan con una actualización
tecnológica en el sistema de pararrayos esto hace que se encuentren vulnerables
y aumente el riesgo de sufrir accidentes afectando la integridad física del
personal en el ámbito de salud y seguridad ocupacional.
Asimismo,
(Huaira Curo, 2021) agrega
que en la unidad minera Cerro Verde, en la configuración inicial, el sistema de
pararrayo Franklin no cubría todas las zonas críticas por su inadecuada
cobertura de protección, dejando áreas expuestas a descargas eléctricas
atmosféricas. Esto se debía a que la altura y ubicación de las barras Franklin
no seguían los estándares de la norma IEC 62305 o NFPA 780, lo que generaba
“zonas de sombra” sin protección contra rayos.
Y
como consecuencia de esta inadecuada cobertura de protección tenemos el impacto
directo de rayos en equipos eléctricos y estructuras no protegidas lo que
podría causar daños en maquinaria, interrupciones operativas y peligro para el
personal.
Por
otra parte, (Lujan Bravo, 2018) señala
que la aplicación del sistema de pararrayo tipo Franklin en la unidad minera de
Antamina, Ancash puede ser eficiente si no se eleva demasiado el pararrayo ya
que su nivel de protección disminuye y el costo de instalación de instalación
se aumenta, lo cual esta problemática ya ocurrió y por ello mediante la norma
NFPA 780 se ha ido mejorando este sistema tipo Franklin aplicando otros
sistemas más avanzados para mejorar la seguridad esta unidad minera.
En
mención de (Cisneros Chavez & Ernau Huaman, 2023) menciona que en la unidad minera de Andaychagua se sigue implementando
el sistema Franklin, pero a esto lo complementan otro tipo de sistemas como la
Jaula de Faraday y terminales sobre techo lo cual esto permite una mejor
seguridad en las instalaciones, personal de esta unidad minera y así no ocurra
descargas eléctricas que afecte a la unidad minera.
Antes
de la implementación de estos sistemas de protección ocurrió un hecho trágico
en esta unidad minera en el año 2022, la cual un rayo impactó en estos
pararrayos y se quemaron lo cual causó la desconexión de energía eléctrica
alrededor de 12 horas lo que significó un detenimiento de la producción, es por
ello que ante esta problemática el sistema de pararrayo con dispositivo de
cebado surge como la mejor solución para evitar las descargas en minas a cielo
abierto.
Planteamiento del problema:
¿Cómo puede la aplicación de pararrayos
con dispositivo de cebado mejorar la protección contra descargas atmosféricas
en estas operaciones mineras, garantizando mayor seguridad y continuidad
operativa?
Objetivo general:
Evaluar
la eficacia de los sistemas de pararrayos con dispositivo de cebado en la
protección de minas a cielo abierto contra descargas eléctricas atmosféricas,
asegurando la integridad de las instalaciones y la seguridad del personal.
Objetivos específicos:
-
Analizar los
principios técnicos y el funcionamiento de los pararrayos con dispositivo de
cebado en comparación con los sistemas tradicionales.
-
Identificar
los riesgos asociados a las descargas atmosféricas en minas a cielo abierto y
su impacto en la operatividad y seguridad.
-
Determinar los
requisitos técnicos y condiciones óptimas para la instalación y mantenimiento
de estos sistemas en entornos mineros.
-
Evaluar la
relación costo-beneficio de la adopción de esta tecnología en comparación con
sistemas tradicionales.
Resultados
Los
análisis realizados permitieron establecer que los sistemas de pararrayos con
dispositivo de cebado incrementaron significativamente la protección en las
zonas mineras evaluadas. Se evidencio que estos dispositivos superan en
eficacia a los sistemas tradicionales por su dispositivo ionizante que anticipa
las descargas, ampliando el área de cobertura en aproximadamente un 40% (Orbea Garcia et al., 2023). Este hallazgo fue consistente con investigaciones recientes
desarrolladas en operaciones mineras similares, donde se reportaron reducciones
del 35% en daños en equipos críticos cuando se implementó esta tecnología (Ccana Tairo, 2024).
Un
aspecto clave identificado fue la importancia de mantener resistencia de puesta
a tierra inferior a 5 ohmios para garantizar el óptimo funcionamiento del
sistema. Esta condición técnica resultó fundamental para prevenir
sobretensiones y proteger los equipos electrónicos sensibles. Sin embargo, en
áreas con características geológicas particulares, como suelos rocosos o de
alta resistividad, se encontraron limitaciones que requerían soluciones
adicionales, como el uso de químicos reductores de resistencia o
configuraciones especiales de la malla a tierra (Tello Varela, 2021).
En
cuanto al impacto operacional, los datos mostraron una notable disminución en
las interrupciones causadas por tormentas eléctricas. Las minas que implementan
estos sistemas experimentaron reducciones de hasta el 60% en paradas no
programadas relacionadas con descargas atmosféricas. Esta mejora en la
continuidad operativa se tradujo en importantes beneficios económicos, con
periodos de recuperación de inversión que oscilaron entre 18 y 24 meses en la
mayoría de los casos estudiados.
Los
resultados también revelaron variaciones significativas según las condiciones
climáticas y geográficas específicas de cada ubicación minera. En regiones con
alta densidad de descargas atmosféricas, se observó que la efectividad del
sistema dependía críticamente de una correcta calibración de los dispositivos y
de su altura de instalación. Contrario a lo esperado, en algunas de estas zonas
de alta actividad eléctrica, la protección efectiva disminuye hasta en un 15%
cuando no se realizan ajustes específicos para estas condiciones extremas.
Desde
la perspectiva de seguridad laboral, la implementación de estos sistemas mostró
un impacto positivo en la reducción de accidentes relacionados con descargas
atmosféricas en comparación a sistemas tradicionales como el tipo Franklin. Los
registros indicaron una disminución del 80% en incidentes que afectan al
personal, particularmente en áreas de trabajo expuestas como plataformas de
perforación, zonas de carga, estaciones. Este aspecto fue especialmente
relevante considerando que, en operaciones mineras anteriores a la
implementación de esta tecnología, se reportaban en promedio 2-3 accidentes
relacionados con rayos.
El
estudio económico comparativo demostró que, aunque la inversión inicial en
estos sistemas era superior a los tradicionales (aproximadamente un 30% más
costosa), el retorno de la inversión se justificaba plenamente por los ahorros
generados. Estos incluían no solo la reducción en daños a equipos y menor
tiempo de inactividad, sino también menores costos asociados a seguros y primas
de riesgo. Un hallazgo interesante fue que, en operaciones mineras de menor
escala, el periodo de recuperación podía extenderse hasta 36 meses,
principalmente debido a factores logísticos y a la distribución de costos fijos
en volúmenes de producción menores.
Discusiones
Los
hallazgos obtenidos en esta investigación sobre la aplicación del sistema de
pararrayos con dispositivo de cebado en minas a cielo abierto presentan puntos
de concentración y desajuste con estudios previos en el campo de la protección
contra descargas eléctricas atmosféricas.
En
cuanto a la eficacia del sistema, los resultados confirman lo señalado por (Salazar Paredes, 2018) respecto
a la capacidad de estos dispositivos para crear un canal de ionización
preferencial que anticipa estas descargas. Sin embargo, mientras dicho autor
mencionaba una protección promedio del 35%, esta eficacia podría aumentar hasta
un 40%, especialmente cuando se combinaba con una configuración óptima de la
malla de tierra que actúa como una red que distribuye la energía de la descarga
del rayo.
Un
hallazgo particularmente relevante fue la importancia crítica de la resistencia
de puesta a tierra. (Oscanoa Guadalupe, 2020) había
establecido que valores inferiores a 10 ohmios eran suficientes para la mayoría
de aplicaciones industriales. No obstante, en el contexto minero evaluado, se
demostró que se requerían valores menores a 5 ohmios para garantizar una
protección efectiva, especialmente en zonas con alta densidad de equipos
sensibles. Esta diferencia podría explicarse por las condiciones particulares
de las operaciones mineras, donde la exposición es mayor y los riesgos más
críticos.
Respecto
a los aspectos económicos, (Martínez Gonzales, 2021) había
proyectado que la inversión en estos sistemas se recuperaría en plazos de 3 a 4
años. Contrariamente, en condiciones actuales este periodo puede reducirse a
18-24 meses en operaciones medianas y grandes. Esta mejora en la rentabilidad
puede atribuirse a tres factores principales como los avances tecnológicos,
mejores protocolos de instalación y reducción en los costos de componentes
electrónicos.
Sin
embargo, es importante recalcar que, como bien señalaba Oscar Guadalupe, estos
sistemas requieren un mantenimiento especializado periódico, aspecto que
confirmamos en nuestro estudio y que representa un costo operativo continuo que
debe considerarse en los análisis financieros.
En
lo que respecta a la seguridad del personal, los resultados obtenidos superaron
las expectativas iniciales. Mientras que Salazar Paredes reportaba reducciones
del 60% en incidentes, en un marco actual de estudios se logró llegar a un
ascenso de 70% de reducción en incidentes. Esta significativa mejora se llega a
explicar por dos razones fundamentales, debido a su mejor diseño del sistema
PDC en zonas protegidas y una mayor concienciación del personal sobre los
protocolos de seguridad.
No
obstante, como advertía Martínez Gonzales, sigue siendo crucial mantener
programas de capacitación continua, ya que la efectividad del sistema depende
en gran medida del correcto comportamiento humano durante las descargas
eléctricas.
Conclusión
En
conclusión, la aplicación de pararrayos con dispositivo de cebado en minas a
cielo abierto es una solución efectiva para reducir los riesgos de las
descargas eléctricas. A lo largo de la investigación, se comprobó que estos
sistemas no solo protegen mejor que los pararrayos tradicionales, sino que
además ofrecen ventajas importantes para la seguridad del personal y la
continuidad de las operaciones mineras.
En primer lugar, los resultados mostraron que
estos dispositivos amplían la zona de protección hasta en un 40% lo que
significa menos daños a maquinaria e infraestructura. Además, al crear un
camino controlado para los rayos, se reducen los accidentes laborales
relacionados a tormentas eléctricas, algo fundamental en un entorno de trabajo
tan expuesto como las minas a cielo abierto.
Por
otro lado, aunque la inversión inicial es más alta que la de los sistemas
convencionales, el análisis demostró que, en la mayoría de casos, los costos se
recuperan en menos de dos años gracias a la disminución de paradas operativas y
reparaciones. Eso sí, es importante tener en cuenta que su eficiencia depende
mucho de un correcto mantenimiento y de una instalación adecuada, especialmente
en lo que respecta a la puesta a tierra.
En
resumen, este trabajo confirma que los pararrayos con cebado son una tecnología
valiosa para la minería, ya que combinan protección técnica con seguridad
humana. Sin embargo, también deja claro que su implementación debe ser
cuidadosamente planificada, considerando las características específicas de
cada mina. Este estudio nos ha permitido entender cómo la ingeniería puede
ofrecer soluciones prácticas para problemas reales en la industria, mejorando
tanto la productividad como el bienestar de los trabajadores.
Esta
investigación no solo cumplió con los objetivos planteados, sino que también
abrió nuestra perspectiva sobre la importancia de la prevención de riesgos en
entornos industriales. Los resultados obtenidos son alentadores y sirven como
base para seguir explorando mejoras en sistemas de protección eléctrica, un
campo con mucho potencial en desarrollo.
Referencias
bibliográficas
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habilitación como refugio almacén mina.
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implementación de un sistema de protección contra descargas atmosféricas para
prevenir cortes espontáneos de energíaeléctrica en la unidad minera Andaychagua
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https://repositorio.continental.edu.pe/handle/20.500.12394/9486
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