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Facultad de Ingenierías
Ingeniería de Seguridad Industrial y Minera
Tesis:
“Diseño y Evaluación de un Prototipo de Refugio Contra
Tormentas Eléctricas con Sistema de Comunicación Remoto
de Alerta Sonora y Visual en Tiempo Real, Aplicado a
Campamentos Mineros”
Bachiller
LUIS MORON PAREDES
Para optar el Título Profesional de Ingeniero de Seguridad
Industrial y Minera
Arequipa – Perú2017
I
DEDICATORIA
Dedico todo mi esfuerzo a mis padres, que jamás dudaron de mi compromiso con este
nuevo reto, por sus enseñanzas y ejemplo, a mis dos grandes hermanos, que siguen
siendo mi soporte moral, a mi esposa que se convirtió en mi faro de navegación y mis dos
bellos hijos que son la motivación e inspiración para crecer como persona y desarrollarme
como profesional.
II
AGRADECIMIENTOS
Mi agradecimiento en primer lugar a Dios, porque gracias a él, es posible mi presentación
el día de hoy, mi agradecimiento especial a mi asesor Ing. Abel Juárez Valdivia por el
tiempo invertido y sus valiosos aportes a la presente investigación, mi agradecimiento a
cada uno de los docentes a lo largo de mi carrera por compartir sus conocimientos
pedagógicos y sus enseñanzas morales, así mismo agradecer a la Universidad
Tecnológica del Perú por permitirme ser el profesional que este país necesita.
III
RESUMEN
Luis Morón Paredes; Abel Juarez Valdivia (Asesor). Diseño y evaluación de un
prototipo de refugio contra tormentas eléctricas con sistema de comunicación
remoto de alerta sonora y visual en tiempo real, aplicado a campamentos mineros.
Arequipa, 2017. 105 p. Tesis para obtener el título profesional de Ingeniero de Seguridad
Industrial y Minera – Carrera Profesional de Ingeniería de Seguridad Industrial y Minera,
Universidad Tecnológica del Perú.
La presente tesis realiza el diseño y la evaluación de un prototipo para refugios de
trabajadores en campamentos mineros, así como un modelo de comunicación de alerta
en tiempo real vía remota, ante la presencia de tormentas eléctricas, desarrollando una
metodología de investigación proyectiva teniendo como resultado que el refugio presenta
baja resistencia al paso de la corriente eléctrica, así como el sistema de puesta a tierra
logra la disipación de dicha energía, concluyendo que el sistema de comunicación es
viable y el refugio es económico en su acondicionamiento y seguro en su utilización.
Palabras Clave: Método de Caída de potencial; Jaula de Faraday; Resistencia;
Resistividad, Puntas de Franklin, Alerta de tormenta eléctrica.
IV
ABSTRACT
Luis Morón Paredes; Abel Juarez Valdivia (Adviser). Design and evaluation of a
prototype storm shelter with a remote communication system of real-time sound
and visual alert, applied to mining camps. Arequipa, 2017. 105 p. Research work for
the Academic Degree of Bachelor of Industrial and mining safety engineering - Industrial
and mining safety engineering, Technological University of Peru.
This thesis presents the design and evaluation of a prototype of refuge for workers in
mining camps, and a system of communication to alert in real-time remotely in the
presence of electrical storms, with the development of a methodology of projective
research. The result is that the refuge has a low resistance to the passage of electric
current, and the grounding system realizes the dissipation of the power of the electric
current. In conclusion, the communication system is viable and refuge has a low
manufacturing cost, and it is safe to use.
Keywords: Method of potential drop; Faraday cage; Resistance; Resistivity, Franklin's
Tips, Thunderstorm Alert
Contenido
V
CAPÍTULO I..................................................................................................................................................XII
1. INTRODUCCIÓN...............................................................................................................................XII
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.......................................................................XVII
1.2. JUSTIFICACIÓN..........................................................................................................XVIII
1.2.1. Justificación Académica.......................................................................XXII
1.2.2. Justificación Social.................................................................................XXII
1.2.3. Justificación Económica......................................................................XXIII
1.2.4. Justificación ambiental.........................................................................XXIII
1.3. OBJETIVOS...........................................................................................................................XXIV
1.3.1. Objetivo General.....................................................................................XXIV
1.3.2. Objetivos específicos............................................................................XXIV
1.4. ALCANCES Y LIMITACIONES..................................................................................XXV
1.4.1. Alcances....................................................................................................XXV
1.4.2. Limitaciones.............................................................................................XXV
CAPÍTULO 2...................................................................................................................................................26
2. MARCO TEORICO.............................................................................................................................26
2.1. MARCO LEGAL.....................................................................................................................26
2.2. DEFINICIONES.......................................................................................................................28
2.2.1. Protección contra tormentas eléctricas...............................................28
2.2.2. Protección de puesta a tierra.................................................................28
2.2.3. Contenedor.................................................................................................29
2.2.4. Refugio contra tormentas eléctricas....................................................31
2.2.5. Resistencia..................................................................................................32
2.2.6. Resistividad del suelo..............................................................................32
2.2.7. Nivel ceraunico (Td)..................................................................................32
2.2.8. Método de la esfera Rodante - Apantallamiento................................33
2.2.9. Tormenta eléctrica....................................................................................35
2.2.10. El rayo..........................................................................................................37
2.2.11. Jaula de Faraday.......................................................................................38
2.2.12. Protocolo internet......................................................................................40
2.2.13. Protocolo de transporte...........................................................................30
2.2.14. WebRelay Quad.........................................................................................30
2.2.15. Paneles fotovoltaicos...............................................................................31
VI
2.2.16. Alarma audiovisual...................................................................................31
CAPÍTULO 3...................................................................................................................................................43
3. REVISION DE LA LITERATURA.....................................................................................................43
CAPÍTULO 4...................................................................................................................................................47
4. METODOLOGIA PROPUESTA.......................................................................................................47
4.1. RESISTENCIA DEL CONTENEDOR 40 PIES...........................................................................47
4.2. MÉTODO CAÍDA DE POTENCIAL.-........................................................................................50
4.3. MANTENIMIENTO DEL CONTRAPESO A TIERRA...................................................................54
4.4. DISEÑO DE REFUGIO CONTRA TORMENTAS ELÉCTRICAS...................................................55
4.4.1. Aforo.............................................................................................................55
4.4.2. Puerta de ingreso y salida.......................................................................56
4.4.3. Elaboración de Ventanas.........................................................................57
4.4.4. Ventilación..................................................................................................58
4.4.5. Sistema de izaje.........................................................................................58
4.4.6. Fabricación.................................................................................................60
4.4.7. Instalación del sistema de protección de puesta a tierra:...............62
4.5. DISEÑO DE SISTEMA DE COMUNICACIÓN.............................................................................66
4.5.1 INDICADORES Y CONECTORES DEL WEBRELAY.................................................................68
4.5.2. DIAGRAMA EXPLICATIVO......................................................................................................68
4.5.3. ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA AL SISTEMA DE COMUNICACIÓN.............................................69
4.5.4. DIMENSIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA AUTÓNOMA.................71
4.6. FUNCIONAMIENTO.................................................................................................................78
4.7. SIMULACROS.........................................................................................................................79
4.8. PRESUPUESTO......................................................................................................................79
CAPÍTULO 5...................................................................................................................................................80
5. PROCEDIMIENTO DE SEGURIDAD..............................................................................................80
5.1. OBJETIVO..............................................................................................................................80
5.2. ALCANCE..............................................................................................................................80
5.3. DEFINICIONES.......................................................................................................................80
5.3.1. ALERTA DE TORMENTA ELÉCTRICA.....................................................................................80
5.3.2. ALERTA AMARILLA...............................................................................................................81
5.3.3. ALERTA NARANJA................................................................................................................81
5.3.4. ALERTA ROJA.......................................................................................................................81
5.3.5. ZONAS SEGURAS ANTE TORMENTA ELÉCTRICA..................................................................81
VII
5.4. DESARROLLO........................................................................................................................81
5.4.1. MONITOREO ATMOSFÉRICO..................................................................................................81
5.4.2. MEDIDAS ANTE LA COMUNICACIÓN DE ALERTAS................................................................82
5.4.2.1. COMUNICACIÓN DE ALERTA AMARILLA...............................................................................82
5.4.2.2. COMUNICACIÓN DE ALERTA NARANJA................................................................................82
5.4.2.3. COMUNICACIÓN DE ALERTA ROJA.......................................................................................83
RESULTADOS...............................................................................................................................................84
CONCLUSIONES...........................................................................................................................................85
RECOMENDACIONES.................................................................................................................................87
BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................................................89
ANEXOS..........................................................................................................................................................93
VIII
LISTA DE FIGURAS Pag.
Figura 1 - Imágenes meteorológicas satelitales de Goes13 26
Figura 2 – Grafica del desplazamiento de las cargas 28
Figura 3 – Representación de la Jaula de Faraday 33
Figura 4 – Experimento de la jaula de Faraday - Van De Graaff 34
Figura 5 – Demostración de la jaula de Faraday 35
Figura 6 - Jaula de Faraday con 2 generadores Van De Graaff 35
Figura 7 – Detalles técnicos de cantoneras 48
Figura 8 – Sistema de izaje con eslingas 49
Figura 9 – Configuración de WebRelay 56
Figura 10 – Pantalla de control de WebRelay 56
Figura 11 – Indicadores y conectores WebRelay 57
Figura 12 – Sirena audiovisual 67
LISTA DE GRAFICOS Pag.
Grafico 1 – Notificación de accidentes mortales, 2015 MTPE X
Grafico 2 – Perfil de resistividad - Método caída de potencial 41
IX
LISTA DE TABLAS Pag.
Tabla 1 – Muertes a causa de Rayos en América Latina II
Tabla 2 – Producción de cobre en Perú IV
Tabla 3 – Accidentes Mortales, 2015 MINEM VIII
Tabla 4 - Accidentes mortales, 2015 MTPE IX
Tabla 5 - Análisis de la colada – Acero Corten 19
Tabla 6 - Modelo de contenedor, modelo High Cube 20
Tabla 7 – Nivel de protección – Radio de la esfera rodante 23
Tabla 8 - Tabla de resistividad de los materiales 37
Tabla 9 – Resistencias individuales del contenedor 39
Tabla 10 – Resultado – Método Caída de Potencial 41
Tabla 11 – Mantenimiento del contrapeso a tierra 43
Tabla 12 – Aforo de ocupabilidad 45
Tabla 13 – Datos del Conductor Cu desnudo 53
Tabla 14 – Ubicación geográfica Arequipa - Perú 62
Tabla 15 - Radiación solar incidente Arequipa – Perú 63
X
LISTA DE ESQUEMAS Pag.
Esquema 1 – Método de la Esfera Rodante 24
Esquema 2 – Esquema de distribución de cantoneras 48
Esquema 3 – Esquema de conexionado al contrapeso 54
Esquema 4 – Flujo de operatividad del sistema de comunicación 58
Esquema 5 – Esquema de generación eléctrica 59
ANEXOS Pag.
Anexo 1 – Mapa Isoceraunico 94
Anexo 2 – Resistividad por la naturaleza del terreno 95
Anexo 3 – Presupuesto 96
Anexo 4 – Medidas en campo, método Caída de Potencial 98
Anexo 5 – Plano A1-DWG-01 Resistencias del Contenedor 99
Anexo 6 – Plano A1-DWG-02 Diagrama de Resistencias del Refugio 100
Anexo 7 – Plano A1-DWG-07 Refugio Contra Tormentas Eléctricas 101
Anexo 8 – Plano A1-DWG-03 Detalles de Puertas del Refugio 102
Anexo 9 – Plano A1-DWG-04 Detalles de Ventanas del Refugio 103
Anexo 10 – Plano A1-DWG-05 Detalles de la Ventilación del Refugio 104
Anexo 11 – Plano A1-DWG-06 Detalle Contra Peso Puesta a Tierra 105
XI
CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN
Las descargas eléctricas atmosféricas, conocidas como rayos, son la causa de
innumerables eventos no deseados, que van desde desperfectos de equipos hasta
accidentes mortales, en la actualidad la ciencia no ha podido establecer mecanismos
o equipos capaces de modificar los fenómenos atmosféricos y mucho menos impedir
las descargas eléctricas de los rayos.
Según la cadena de noticias BBC Mundo, y una entrevista a Osmar Pinto Junior,
indica que existe una marcada incidencia de muertes a causa de rayos en los países
de América Latina en comparación a los países de Europa y América del Norte, dicha
diferencia es a razón de 17 veces más en los países latinos, enfocándonos en Perú,
nuestro país está en la tercera posición con 2.3 muertes por cada millón de
habitantes, (Ver Tabla 1) (Osmar Pinto, 2014).
XII
Tabla 1 – Muertes a causa de Rayos en América Latina (Osmar Pinto, 2014).
Cuba 5.9 Muertes por millón de habitantes
Panamá 4.9 Muertes por millón de habitantes
Perú 2.3 Muertes por millón de habitantes
Según, Osmar Pinto Junior, coordinador del ELAT (Grupo de Electricidad
Atmosférica - Brasil) rescata que, en los países de América Latina a comparación de
Europa y Estados Unidos, la población no está preparada o desconoce las medidas a
tomar en caso de una tormenta eléctrica, sumándose además, que los sistemas de
pronostico del tiempo y en específico el pronóstico de tormentas eléctricas aún tienen
deficiencias para un pronóstico acertado (Brasil, 2014).
Según Jesús Prosopio Herrera, experto en emergencias y desastres en Perú, declaro
que durante el año 2013 en nuestro país 68 personas perdieron la vida a causa del
impacto de rayos durante las tormentas eléctricas.
Dichos eventos también se trasladan al ámbito deportivo en nuestro país en
diciembre del 2014 donde un Jugador del Sport Águila, de Huancayo, Joao Conteras
fue alcanzado por un Rayo en pleno partido; así mismo en diciembre del 2012, en
Ayacucho, dos adolescentes perdieron la vida a raíz de una descarga eléctrica
producida por un rayo (Herrera, 2014).
Se cuenta con la trágica experiencia en la India en junio del 2016, Unas 56 personas
murieron en el estado de Bihar, mientras otras 37 fallecieron en los estados de Uttar
XIII
Pradesh, Jharkand y Madhya Pradesh, a raíz de las tormentas eléctricas en solo 24
horas. Desde 2005, al menos 2 000 personas fallecen cada año en India por causa
de los rayos, según cifras de la Oficina Nacional de Registros Criminales (Mundo,
2016).
La presente investigación se basa en la prevención de accidentes y la seguridad de
los trabajadores en campamentos mineros, ante la existencia de tormentas
eléctricas, como sabemos la minería es uno de los más importantes sectores
económicos de nuestro país, el cual genera gran cantidad de puestos de trabajo y
mano de obra directa e indirecta, así como la inversión de miles de millones de
dólares al año, es por ello que cada día más profesionales y técnicos desean
incorporarse a este sector, a continuación un breve resumen de dicha actividad
económica en nuestro país:
Según la “Dirección de Promoción Minera de la Dirección General de Minería del
Ministerio de Energía y Minas, informa sobre la evolución de la producción metálica
al mes de junio del presente año. En los resultados obtenidos (respecto a lo
reportado hace un año), se puede observar el crecimiento de la producción de
metales básicos y preciosos; así, el cobre creció en 42.18%, oro en 3.95%, plata en
4.80% y el plomo en 1.28%. Sin embargo, el zinc cayó -4.83%, hierro -1.30% y el
estaño -7.41% (Ver tabla 2).
XIV
Tabla 2 – Producción de cobre en Perú toneladas metricas finas (tmf)
(MINEM M. d., 2016).
JUNIO
2015 2016 Variación %
145 727 TMF 207 197 TMF 42.18%
ENERO - JUNIO
2015 2016 Variación %
2016 - 2015
740 883 TMF 1 122 113 TMF 51.46%
Respecto a la producción del cobre, “En el sexto mes del año, la producción nacional
de cobre creció 42.18%, al extraer 207 197 toneladas métricas finas (TMF) de
concentrados; consolidando la tendencia incremental de los resultados en el
acumulado anual que a la fecha alcanza los 1.12 millones de Toneladas métricas
finas (TMF) y un crecimiento interanual de 51.46%. Arequipa lidera la producción
nacional de cobre al obtener 23.19% del total 260 257 Toneladas métricas finas
(TMF) gracias al aporte de Sociedad Minera Cerro Verde S.A. que viene reportando
una expansión de 161,15% en los primeros seis meses del año; seguido por Ancash
239 185 Toneladas métricas finas (TMF) con una tasa de crecimiento de 30.49%,
promovida por Compañía Minera Antamina S.A. En tercera ubicación se encuentra
Cusco 170 569 Toneladas métricas finas (TMF) con un crecimiento de 44.59% en el
acumulado (gracias al aporte de Constancia y Antapaccay) seguido por la región
Apurímac en el cuarto lugar al acumular 118,583 Toneladas métricas finas (TMF)
XV
gracias a la puesta en operación de la mina Las Bambas, a la espera de alcanzar
plena capacidad de producción en los próximos meses. A nivel de empresas,
Sociedad Minera Cerro Verde S.A., viene consolidándose en el presente año como el
primer productor nacional de este preciado metal básico, con una participación del
23.11% del total 259 296 Toneladas métricas finas (TMF) en su unidad minera del
mismo nombre que opera a tajo abierto en el complejo minero ubicado en el distrito
de Uchumayo, en la provincia de Arequipa a 2 600 Metros sobre el nivel del mar
(m.s.n.m.); y que desde septiembre de 2015 viene ampliando su capacidad instalada,
la cual ha mejorado su rendimiento en 162.71% en el acumulado semestral. Por su
parte,
Cia. Minera. Antamina que opera un importante complejo minero polimetálico a 4,300
Metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m.); y a 200 km de la ciudad de Huaraz, en el
distrito de San Marcos, región Ancash; obtuvo un acumulado de 233 642 Toneladas
métricas finas (TMF) en el primer semestre, que representa un incremento de
30.82% respecto al año previo y con ello ocupa el segundo lugar como productor
nacional de este importante metal (20.82% de participación). En tercera posición, se
encuentra la empresa Southern Perú Copper Corporation (Suc. Perú), al alcanzar
155 724 Toneladas métricas finas (TMF) de concentrados de cobre en el primer
semestre en la suma de sus operaciones en Cuajone y Toquepala en el sur del país
(Moquegua y Tacna, respectivamente), afectada por una tasa declinante acumulada
interanual de -3.23%” (MINEM M. d., 2016).
Como se indicó anteriormente, la presente investigación se desarrolla en la
aplicación para campamentos mineros ya que estos se desarrollan en su mayoría en
zonas alto andinas por encima de los 3 000 Metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m.);
en los que se instala una serie de infraestructuras y servicios, ya sea en un inicio, en
la etapa de exploración o bien en la etapa de extracción y comercialización, estando
XVI
estos campamentos expuestos a las condiciones climatológicas, lluvias intensas y a
tormentas eléctricas.
Las compañías mineras ubicadas en la región Arequipa, no están libres de las
tormentas eléctricas, lo cual incrementa el riesgo de lesiones fatales a causa del
contacto directo con un rayo, ya que las operaciones en muchos de los casos son a
tajo abierto, y en labores alejadas y desprotegidas.
Arequipa registró el 9 febrero 2015 precipitaciones por 8 horas continúas informó, el
climatólogo del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (Senamhi) Arequipa,
José Luis Ticona, precisa que estás empezaron desde las 16:00 horas. Precisó que
se trata del periodo de lluvias más prolongado registrado en los últimos días e incluso
se registraron precipitaciones de más de 24 l/m2 según la estación de La Pampilla.
“Lo más alto que tuvo en otros días, fue de 18 l/m2, pero ahora hubo incremento”
(Ticona & Senamhi, 2015).
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.-
En muchos de los campamentos mineros de nuestro país, ya cuentan con
un sistema de alerta ante la aproximación de tormentas eléctricas, dichos
sistemas contemplan; procedimientos, sirenas, avisos radiales, etc. en
muchos casos los refugios son las mismas instalaciones de trabajo y/o las
unidades vehiculares; Pero que sucede con los trabajadores que laboran
en faenas como movimiento de tierras, canteras, presas y en los relaves,
dichas faenas se encuentran alejadas de oficinas y/o edificios, estos
trabajadores quedarían desprotegidos ante una tormenta eléctrica.
Según la normativa nacional, como es el D.S. 024-2016EM Reglamento de
Seguridad y Salud Ocupacional en Minería” en su capítulo VI, claramente
establece lo siguiente “Instalar un sistema de protección de personal e
XVII
instalaciones contra tormentas eléctricas, en lugares donde se presenten
estos fenómenos naturales, debiendo contar con equipos de detección y
alerta de tormentas, pararrayos y refugios adecuados”.
Dentro de la presente investigación se evidencio que compañías mineras
cuentan con refugios metálicos para ser usados en caso de tormentas
eléctricas, pero estos no contaban con protección de puesta a tierra, y solo
consideraban el contacto directo con la superficie del suelo, en la presente
investigación se propone la protección de puesta a tierra.
1.2. JUSTIFICACIÓN.-
La presente investigación se justifica ante una necesidad latente de contar
con refugios adecuados y sistemas de comunicación de alerta temprana
ante la aproximación de tormentas eléctricas, así como un requisito legal
de la legislación peruana en el sector minero. Como antecedente de un
accidente fatal, el 31 de enero del 2015, aproximadamente a las 14:30
horas, en la compañía minera Cerro Verde, se originó un accidente fatal a
raíz de una tormenta eléctrica, un trabajador, de profesión ingeniero, que
laboraba en una empresa contratista, en el proyecto PAD 1 Fase III, en la
etapa de tendido de geomenbrana, fue alcanzado de forma directa por un
rayo, ocasionándole la muerte inmediata, mientras que dos colaboradores
que estuvieron cerca de él, también terminaron con lesiones.
A continuación, se muestra los cuadros estadísticos de dicho accidente
mortal, tanto en el Ministerio de Energía y Minas (MINEM) como en el
Ministerio de trabajo y promoción del empleo (MTPE)
Cuadro estadístico enero, 2015 MINEM (MINEM, 2015).
XVIII
Como podemos apreciar, dicho accidente mortal se clasifico en el MINEM
como tipo Energía Eléctrica, no siendo muy específico, ya que más exacto
seria tipificarse como Tormenta Eléctrica – Rayo.
Tabla 3 – Accidentes mortales, 2015 MINEM (MINEM, 2015).
Fuente: Ministerio de Energía y Minas
Cuadro estadístico enero, 2015 MTPE (MTPE, 2015).
En el siguiente cuadro estadístico, vemos que el Ministerio de Trabajo y
Promoción del Empleo (MTPE), dicho accidente mortal es catalogado
como agente causante factores Climáticos, con lo cual es más específico
XIX
que el ministerio de energía y minas, teniendo en cuenta que cada región
tiene una gran variedad de factores climáticos, como la Cordillera de los
Andes, el Anticiclón del Pacífico Sur, la Corriente Oceánica Peruana, y la
Corriente de El Niño; así mismo, existen los elementos climáticos, tales
como la temperatura, la humedad, la precipitación, la presión, la tipología
debería ser más específica.
Tabla 4 - Accidentes mortales, 2015 MTPE (MTPE, 2015).
FUENTE: Ministerio de Trabajo y Promoción del Empleo / OGETIC / Oficina de
estadística
XX
Grafico 1 – Notificaciones de accidentes mortales, según agente causante, enero,
2015 MTPE (MTPE, 2015)
En el presente grafico se aprecia que, durante el año 2015, se tuvo 1
accidente mortal, por factores climatológicos, refiriéndose a la muerte
ocasionada por contacto directo de la caída de rayo en tormenta eléctrica;
que mientras por maquinas se registraron 2 accidentes mortales, lo mismo
por caída de techo, accidentes en vehículos y otros,
Bajo dicho antecedente, es de suma necesidad la implementación de
refugios adecuados, que cumplan con leyes científicamente demostradas,
que se contemple un procedimiento de prevención ante este fenómeno
natural así como un sistema de comunicación que no solo sea de alcance
a los supervisores mediante radios o en su defecto mediante correos
electrónicos, sino que, dicho sistema de alerta sea para todos los
XXI
trabajadores de los diferentes frentes de trabajo alejados, mediante sirenas
y luces estroboscópicas, con la finalidad de refugiarse a tiempo y prevenir
eventos no deseados.
A continuación, presentamos las cuatro justificaciones, que se contemplan
en la presente investigación:
1.2.1. Justificación Académica
Con la presente investigación se aporta toda la información y planos para
el acondicionamiento de contenedores para refugios contra tormentas
eléctricas, con esto se deja un precedente a las futuras generaciones de
estudiantes universitarios para tomar conciencia de lo importante que es
tomar una actitud preventiva y no reactiva.
1.2.2. Justificación Social
La presente investigación aporta de manera significativa al ámbito social ya
que salvaguardamos la seguridad y la integridad de los trabajadores con
lo cual mantenemos segura la principal pieza de una organización, así
mismo brindamos una satisfacción y ambiente seguro, con lo cual
logramos una mayor productividad, a su vez salvaguardamos el sustento
económico y afectivo de las familias que dependen de la actividad minera,
así como elevar la imagen institucional y ser reconocida como una
empresa segura, con todo esto evitamos marchas de protestas de las
comunidades aledañas como de la sociedad, bloqueos de carreteras y
XXII
huelgas sindicales, a raíz de accidentes fatales o lesiones graves, en caso
de tormentas eléctricas.
1.2.3. Justificación Económica
Dicha Investigación se justifica económicamente en dos aspectos
fundamentales:
La evaluación del costo beneficio que implica la inversión en
medidas de prevención, en relación a los costos que tendría que asumir
el titular minero frente a un accidente fatal.
En la presente investigación se propone el Aprovechar los
contenedores de 12.20m, para el acondicionamiento de refugios contra
tormentas eléctricas, ya que los titulares mineros, importan equipos y
materiales del exterior y que en muchos casos el transporte se realiza por
vía marítima en contenedores marítimos, y luego estos son utilizados
como almacenes y/o comedores.
1.2.4. Justificación ambiental
Ambientalmente la presente investigación se justifica en torno al cuidado
y sostenimiento del medio ambiente, ya que se propone utilizar la
radiación solar, para generar energía eléctrica por medio de paneles
fotovoltaicos y a su vez se aprovecharán los contenedores de 12.20m
existentes en los campamentos mineros.
XXIII
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo General
Diseñar y evaluar un prototipo de refugio contra tormentas eléctricas con
un sistema de comunicación remoto de alerta sonora y visual en tiempo
real, aplicado a campamentos mineros.
1.3.2. Objetivos específicos
Desarrollo de los lineamientos básicos, planos y alcances para el
acondicionamiento de contenedores marítimos de 12.20m, para su
utilización como refugios ante tormentas eléctricas.
Proponer un sistema de comunicación remota, para comunicar la
alerta en tiempo real y la respectiva evacuación del personal a los
refugios.
XXIV
1.4. ALCANCES Y LIMITACIONES
1.4.1. Alcances
El presente estudio abarca para todas las operaciones y
campamentos mineros en los que se presenten tormentas
eléctricas y se requiere contar con refugios y sistemas de
comunicación adecuados
La investigación abarca únicamente a las faenas y labores
que se encuentren en operaciones a tajo abierto.
1.4.2. Limitaciones
La presente investigación no abarca trabajos, labores y/o
faenas que se encuentren en socavones
XXV
CAPÍTULO II
2. MARCO TEORICO
2.1. Marco Legal
Para la presente investigación, se cumplirá la siguiente normativa legal
nacional e internacional:
Ley N° 29783-MT “Ley de Seguridad y Salud en el Trabajo”
Fuente: Ministerio de Trabajo y promoción del empleo
Organización del sistema de gestión de la seguridad y salud en el trabajo
…
Artículo 26.- El empleador está obligado a:
a) Garantizar que la seguridad y salud en el trabajo sea una responsabilidad
conocida y aceptada en todos los niveles de la organización.
D.S. N° 024-2016-EM “Reglamento de Seguridad y Salud
Ocupacional en Minería”
Fuente: Ministerio de Energía y minas
26
CAPÍTULO VI
EDIFICACIONES E INSTALACIONES
Subcapítulo I
Edificaciones e Instalaciones en Superficie
Artículo 382.- En cuanto a la prevención en pozos y pasos a nivel y trabajador a
la intemperie:
e) Instalar un sistema de protección de personal e instalaciones contra
tormentas eléctricas, en lugares donde se presenten estos fenómenos
naturales, debiendo contar con equipos de detección y alerta de
tormentas, pararrayos y refugios adecuados.
NFPA 780-2008
Norma para la instalación de sistemas de protección contra rayos
Fuente: National Fire Protecction Association
La presente norma proporciona los requisitos de instalación del
sistema de protección contra rayos para proteger a las personas y las
propiedades del riesgo de incendio y los peligros asociados con la
exposición a rayos. (NFPA)
RNE – Reglamento nacional de Edificaciones
D.S. 011-2006-VIV Ministerio de Vivienda, Construcción y
Saneamiento (Ministerio de Vivienda)
27
2.2. Definiciones
2.2.1. Protección contra tormentas eléctricas
Las protecciones contra tormentas eléctricas tienen como objetivo el
reducir los daños que pudiera ocasionar una descarga eléctrica
atmosférica.
Existen sistemas de protección al exterior que se encargan de
interceptar el rayo, mediante puntos aéreos, luego de ser conducido y
disipados mediante cables y/o conductores y sistemas de puesta a
tierra.
2.2.2. Protección de puesta a tierra
La protección de puesta a tierra es un mecanismo de seguridad
eléctrica, en donde las descargas eléctricas son direccionadas por
elementos conductores a tierra para ser neutralizadas, con lo cual se
previene las condiciones de riesgo, brindando protección a la integridad
física de las personas y protección a los equipos.
Un sistema de protección a puesta a tierra consta del electrodo que por
lo general se le conoce como Varilla Copperwel con diámetros de 1/2” a
5/8” y una longitud de 3 m. y el conductor que es un cable de cobre (Cu)
de calibre 70 mm2, ya que según la NTP 370.251.2011 cumple con los
siguientes parámetros para puesta a tierra:
Sección Nominal: 70 mm2
Numero de hilos: 19
Diámetro del conductor: 10.60 mm
Peso Kg / Km: 602
Capacidad de corriente Amper temperatura 30°C: 350
Cable Recocido Resistencia C.C. a 20°C Ohn/Km: 0.263
28
2.2.3. Contenedor
Un contenedor o conteiner es un recipiente de carga destinado al
transporte tanto internacional como nacional mediante las vías
marítimas, fluviales terrestres y/o aéreas. Los materiales con los que
son fabricados van desde contenedores de acero corten, aluminio, fibra
de vidrio y madera, el tamaño y forma del mismo varía en función del
largo y alto deseados. Aun así la forma y características del mismo
están reguladas de acuerdo con la normativa ISO-668:2 (International
Organization for Standardization), por esa razón en algunos lugares
también se conoce a los conteiner como contenedores ISO. Esta
regulación también facilita la manipulación y adaptación del mismo a las
cubiertas de los buques y los espacios de carga de buques y camiones
(Maitsa Customs).
Según las regulaciones internacionales la vida útil como contenedores
de carga son de 12 años, por tal motivo existe gran cantidad de dichos
contenedores que quedan varados o comercializados para otros fines.
El acero corten, es una acero con alta resistencia a la corrosión
atmosférica, cumpliendo los requisitos de la norma EN 10025-5:2004, el
acero corten, por sus propiedades químicas y aleaciones, tales como
fósforo (P), cobre (Cu), cromo (Cr), níquel (Ni), molibdeno (Mo), etc.
conforma una capa de óxidos, que cumple la función de proteger el
metal, dichos contenedores cuentan con un 0.52% de carbono.
29
Otras propiedades del acero corten, son su buena conductividad,
soldabilidad, ductilidad, fatiga y resistencia al calor.
A continuación, se presenta un análisis de colada del acero corten:
Tabla 5 - Composición química del análisis de la colada – Acero Corten
ElementosContenido máximo para el análisis de colada (%)
Desviación admisible en el análisis de producto respecto a los límites especificados para
el análisis de colada (%)C <= 0.16 + 0.03
Si <= 0.75 + 0.05
Mn <= 0.60 +/- 0.05
> 0.60 +/- 0.10
P <= 0.040 + 0.005
> 0.040 +/- 0.01
S <= 0.040 + 0.005
N <= 0.012 + 0.001
Ni <= 0.80 +/- 0.05
> 0.80 +/- 0.10
Cu <= 0.55 +/- 0.05
Ni <= 0.65 + 0.05
Mo <= 0.30 + 0.05
Zr <=0.15 + 0.02
Nb <= 0.060 +/- 0.005
V <= 0.15 + 0.02
<= 0.15 - 0.01
30
Ti <= 0.10 + 0.02
<= 0.10 - 0.01
Para la presente investigación, se utilizara un contendor High Cube:
contenedores estándar mayoritariamente de 12,20m la característica
principal es su sobre altura de 289 cm (Maitsa Customs).(Ver tabla - 6)
Tabla 6 - Modelo de contenedor, modelo High Cube
Fuente: Elaboración propia
Contenedor 12,20m HIGH CUBE
Volumen 76.30 m3
Medidas externas
Base: 12.20m x 2.43m
Max. Alto 289 cm
Peso Vacío 3 970 kg
Peso máximo 26 510 kg
2.2.4. Refugio contra tormentas eléctricas
Para la presente investigación, consideraremos a un refugio como una
instalación segura para los trabajadores en caso de tormentas
eléctricas, donde se cumpla con el principio de la Jaula de Faraday, que
en esencia es toda estructura metálica cerrada, que, al recibir una
descarga eléctrica, la energía se distribuye por la parte exterior de dicha
31
estructura, y la parte interna queda liberada de esta energía, quedando
los trabajadores completamente seguros.
2.2.5. Resistencia
La resistencia es la oposición que presentan todos los materiales al
paso de la corriente eléctrica, unos materiales en mayor magnitud a
otros, los materiales que ejercen una menor resistencia al paso de la
corriente eléctrica toman el nombre de Conductores, y en este concepto
podemos encontrar por ejemplo al oro, cobre, aluminio y cobre
(Definición.de, 2014).
2.2.6. Resistividad del suelo
El suelo, como todo conductor, presenta cierta resistencia al paso de la
electricidad, por ello es de suma importancia calcular esta resistencia
para el posterior diseño de un pozo a tierra.
2.2.7. Nivel ceraunico (Td)
Se considera niveles ceraunicos al promedio de días con descargas
atmosféricas al año en una región determinada, dichos niveles
presentan características distintas, ya sea por la geografía o el clima de
cada región, para la presente investigación es de suma importancia
conocer los niveles ceraunicos, ya que, bajo estos datos, se conocerá la
probabilidad de descargas atmosféricas que ocurrirán por año. The
Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) ahora
mantiene registros de tormentas cada hora, quiere decir que mantiene
un registro de los niveles ceraunicos horarios.
32
Según los mapas isoceraunicos disponibles, el nivel ceraunico promedio
de Arequipa es de Td=28.3 días de tormentas x km2 al año.
(Ver anexo – 1)
Para determinar la densidad de descargas atmosféricas, se deberá de
aplicar la siguiente ecuación según la norma IEEE.
Ng = 0.04 Td 1.25
Ng = 0.04 (28)1.25
Ng = 0.04 (65.27)
Ng = 2.57 Descargas x km2 x año
De los cálculos hallados, y teniendo casi 3 descargas electrostáticas x
km2 x año, es que la presente investigación se sustenta en el factor de
seguridad, de presentar una solución a la protección de los trabajadores
ante la aproximación de una tormenta eléctrica.
2.2.8. Método de la esfera Rodante - Apantallamiento
El método de la esfera rodante es un método electro geométrico que
consiste en hacer rodar una esfera imaginaria, sobre tierra y en todas
las direcciones del refugio contra tormentas eléctricas, dicha esfera
permite identificar el espacio protegido o partes expuestas al impacto de
un rayo sobre una estructura.
Si dicha esfera en su desplazamiento toca sobre algún punto de la
estructura y el suelo, indicara que dichos puntos son muy probables de
ser impactado ante la descarga de un rayo, por el contrario, si la esfera
rodante en su desplazamiento no llegara a tocar ningún punto de la
33
estructura, esto indica que toda el área está protegida contra el impacto
directo de una descarga electrostática
(Ver esquema–1)
Según la IEC (International Electrotechnical Commission) para la
asignación de la distancia de impacto, la IEC indica la siguiente
ecuación:
Radio de la esfera rodante =R = 10.I 2/ 3
Donde I es expresado en kA, que es el valor de cresta de la corriente
impulsiva de retorno, que se produce a continuación de la conexión de
los líderes descendente y ascendente
Antes de realizar el método de la esfera rodante y según la norma IEC
62305-2, se deberá de determinar el nivel de riesgo y así conseguir el
diámetro de la esfera rodante. (Ver tabla: 7)
Tabla 7: Nivel de protección, para determinar el radio de la esfera
Nivel de Protección Radio de la Esfera Rodante (m)
Nivel I 35
Nivel II 40
Nivel III 50
Nivel IV 55
34
Para la correcta ubicación de los terminales de captación, deberá be
posicionarse de tal manera que la esfera rodante no toque ninguna
parte del refugio, bajo este principio dicha esfera, siempre estará
apoyándose sobre alguno de los terminales de captación.
Esquema 1 - Método de la esfera rodante:
2.2.9. Tormenta eléctrica
Una tormenta eléctrica es un fenómeno meteorológico a nivel
atmosférico que produce violentamente lluvias y vientos, su origen es
dado por el encuentro brusco de corrientes de aire con variaciones de
temperaturas distintas, esto da lugar a la conformación de nubes de
tipo cumulonimbos, modificando el equilibrio eléctrico, pudiendo
observar rayos y posteriormente escuchar el ruido de los truenos, es
preciso indicar que también pueden producirse los rayos y truenos sin
necesidad que existan precipitaciones (Pérez Porto & Gardey, 2008).
A continuación, explicaremos las tres etapas de una tormenta eléctrica:
a. Nacimiento de una tormenta o etapa Cumulus
35
Adopta el nombre de Cumulus ya que, a partir de esta etapa, se
forman las nubes cumulonimbos.
El nacimiento de una tormenta se da a partir de que el aire caliente
de la superficie se eleva a gran velocidad hacia la atmosfera,
formando así las columnas térmicas, estas al entrar en contacto con
temperaturas bajas, se transforman en gotas de agua, formando las
nubes cumulonimbos, en este proceso se emite calor en todo el
aire, formando una zona de baja presión (Pérez Porto & Gardey,
2008).
b. Madurez de una tormenta
El aire caliente producido en la primer etapa de la formación de una
tormenta eléctrica, sigue subiendo hasta encontrarse con un aire de
temperatura mayor, por dicha razón se ve obligado a expandirse en
diversas direcciones, es aquí que se forma una nube conocida
como cumulonimbus incus, en dichas nubes las gotas que en un
principio eran de menor tamaño, ahora pasan a agruparse, dando
forma a partículas de hielo de mayor peso, estas al caer hacia la
superficie pasan a derretirse, lo que nosotros percibimos como la
lluvia, en todo este proceso se forman turbulencias, que son
manifestadas como fuertes vientos, relámpagos y hasta la
formación de tornados (Pérez Porto & Gardey, 2008).
c. Disipación de una tormenta
Para poder explicar la disipación de una tormenta eléctrica, hay que
entender que, así como existe una corriente ascendente de aire
caliente, también existe una corriente descendente de aire frio y
36
esta al chocar contra el suelo bloquea la corriente ascendente y es
en este punto donde la tormenta se disipa (Pérez Porto & Gardey,
2008).
En nuestro país, el SENAMHI, Sistema Nacional de meteorología e
Hidrología del Perú, cuenta con las imágenes meteorológicas
satelitales de Goes 13 (Satelite Geoestationary Operational
Environmental Satellite), el cual orbita en la línea del ecuador, y
proporciona datos de precipitaciones y descargas eléctricas, a su
vez también cuenta con datos provenientes deL satélite Modis y de
la misión TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission - Misión de
Medición de las Precipitaciones Tropicales) los cuales permiten
tomar acción y políticas de prevención, sobre los fenómenos
naturales (SENAMHI). (Ver. Figura 1)
Figura 1 - Imágenes meteorológicas satelitales de Goes 13 (Satélite Geoestationary
Operational Environmental Satellite (SENAMHI).
37
2.2.10. El rayo
El rayo es una poderosa descarga eléctrica que se genera de forma
natural por una alteración en el equilibrio de las cargas positivas que se
encuentran en la parte superior de las nubes y las cargas negativas que
se encuentran en la parte inferior, esto genera un pulso
electromagnético, ya que la superficie de la tierra tiene cargas positivas,
a su vez el rayo siempre va acompañado del relámpago que es la
emisión de luz, que se origina por el paso de la corriente eléctrica que
ioniza las moléculas de aire, así como también va acompañado de un
estruendo llamado trueno que es producido por el paso del rayo que
atraviesa la atmosfera y esta se calienta y rápidamente el aire se
expande.
“Se calcula que cada rayo mide unos 5 km de longitud por solo 1 cm de
ancho, y descarga entre 1 000 y 10 000 millones de julios de energía,
con una corriente de hasta 200 000 amperios y 100 millones de voltios.
El aire circundante puede alcanzar temperaturas de 20 000 ºC, más de
tres veces la de la superficie del Sol, que ronda los 6 000 ºC. Por eso
los rayos son tan letales” (Otero).
2.2.11. Jaula de Faraday
Recibe su nombre gracias al científico Michael Faraday, dicha Jaula no
es más que una caja de metal que evita que ingresen los campos
electrostáticos, Michael Faraday en 1836 construyo una Jaula metálica
empleándola para la protección de descargas eléctricas, verificando que
en el interior de dicha jaula el campo eléctrico era nulo (Martín &
Serrano).
38
El funcionamiento de la Jaula de Faraday, se basa en las propiedades
de un conductor en equilibrio electrostático, quiere decir, cuando la jaula
metálica está expuesta a un campo eléctrico externo, los protones que
son las cargas positivas, se mantienen en sus posiciones en la red, todo
lo contrario, a los electrones que son de cargas negativas, que
comienzan a desplazarse, ya que sobre ellos actúa una fuerza,
representada por:
Donde (e) es la carga del electrón (con movimiento en sentido contrario
al campo eléctrico), Eext es la intensidad del campo eléctrico externo.
(Martín & Serrano)
Los electrones se desplazan en sentido contrario al campo eléctrico,
entonces un lado de la jaula estará sobre cargado de electrones (carga
negativa) y en contra posición el otro lado estará cargado con los
protones (carga positiva) este fenómeno da como resultado que el
campo eléctrico en el interior de la jaula sea nulo (Martín & Serrano)
(Ver figura 2)
Figura 2 – Grafica del desplazamiento de las cargas - Jaula de Faraday (Martín
& Serrano).
39
Supongamos un conductor sin equilibrio electrostático. Suponiendo que
la carga en el interior del conductor es nula, el potencial V en el interior
del conductor cumple la ecuación de Laplace, siendo R la región
ocupada por el interior del conductor:
Dado que el conductor está en equilibrio en su superficie no hay
corrientes, de modo que el potencial en su superficie es constante:
En virtud del teorema de unicidad del potencial el potencial que cumple
tales condiciones es único y puede verse que la solución es trivialmente:
El campo eléctrico en el interior vendrá dado por el gradiente del
potencial:
De modo que el campo eléctrico en el interior del conductor es nulo. Es
una consecuencia de la ley de Gauss, que dice que en el interior de un
conductor hueco, el campo es nulo. (Krauss, 1992)
2.2.12. Protocolo internet
IP por su nombre en inglés Inter net Protocol que significa en español
Protocolo Entre Redes es el protocolo de internet que nos permite
transmitir información entre muchas redes y a través de ellas, toda la
40
información o mejor dicho, todos los datos viajan en forma de paquetes
IP sobre una red basada en IP. Cada uno de estos paquetes IP tienen
bien definidos el origen y el destino y la información de los datos, a esto
se le llama Cabecera; cada paquete IP viaja por separado ya que no
existe conexión entre los demás, así se asegura que dio paquete llegue
a su destino de forma segura y sin alteraciones, ya que cada dispositivo
electrónico con conexión a internet tiene una dirección IP distinta a los
demás
(Comunications, 2002).
2.2.13. Protocolo de transporte
Una vez generados los paquetes IP, es necesario contar con un
protocolo de transporte, por donde viaje dichos paquetes, es aquí donde
entra a tallar el Protocolo de Control del Transporte (Transport Control
Protocol, TCP) este protocolo nos asegura que los datos lleguen a su
destino de forma segura, ofreciendo una transmisión confiable de origen
a destino a través de una red interconectada (Comunications, 2002).
2.2.14. WebRelay Quad
WebRelay-Quad es un Monitor & Control Devices Remotely Over an IP
Network y su traducción viene siendo equipo capaz de monitorear y
controlar dispositivos remotamente a través de una red IP este es
utilizado por muchas empresas diferentes, para cientos de aplicaciones,
incluyendo el control industrial, seguridad, control remoto, reinicio
remoto, y muchas otras aplicaciones que requieren un control remoto de
relé. Tiene cuatro relés de baja señal que pueden cambiar de forma
individual hasta 3 amperios a 28v. Cada relé se puede encender,
41
apagar, o pulsada de forma remota mediante las páginas web
incorporadas o mediante la ejecución de secuencias de comandos
personalizadas desde un ordenador o controlador dedicado. Es muy
versátil y se puede hacer para adaptarse a casi cualquier aplicación de
control de relé remoto (Web, 2005).
2.2.15. Paneles fotovoltaicos
Los sistemas fotovoltaicos transforman la luz solar en energía eléctrica,
este proceso se da cuando una partícula luminosa con energía, llamada
fotón, se convierte en energía electromotriz, llamada energía voltaica,
de ahí su nombre, fotovoltaico.
2.2.16. Alarma audiovisual
Las alarmas son uno de los principales recursos en la seguridad, ya que
su principal objetivo es el de advertir de alguna situación peligrosa, no
solo en el centro de labores, sino que también en nuestra vida diaria. Un
sistema de alarma audiovisual, integra 2 dispositivos en uno solo, como
son el sistema audible y un sistema visual.
42
CAPÍTULO III
3. REVISION DE LA LITERATURA
Dentro de presente investigación se cita los experimentos en laboratorios controlados
en instituciones de gran prestigio, los experimentos realizados, donde al inducir
corriente en alta tensión ya sea por medio de una bobina de tesla o por medio de un
generador de Van de Graaff, se experimentó que el campo eléctrico dentro de la jaula
de Faraday era nulo, por lo tanto no existe una diferencia de potencial en ningún
contacto dentro de dicha estructura.
3.1. Historia Jaula Faraday
En 1836, Michael Faraday observó que el exceso de carga en un conductor
cargado residía únicamente en su exterior y no tenía ninguna influencia al
interior de ella. Para demostrar este hecho, Michael Faraday construyó una sala
43
recubierta con papel de aluminio y las descargas de alta tensión permitidas a
partir de un generador electrostático, residían en el exterior de la habitación.
Para dicha demostración Michael Faraday usó un electroscopio para mostrar
que no había ninguna carga eléctrica presente en el interior de las paredes de la
habitación. (Krauss, 1992)
3.2. I.E.S. Los Cerros - España
En el 2013 en España en el I.E.S. Los Cerros, se realizó el experimento con el
principio de la Jaula de Faraday y una bobina de Tesla, en la que el científico,
ingresa a una jaula de acero y mediante una bobina de Tesla se le induce
corriente, dentro del experimento el científico llega a tocar las paredes internas
de la malla metálica y este no percibe ninguna sensación de descarga eléctrica
(IES, Experimentos con Jaula de Faraday, 2013) (Ver figura 3)
Figura 3 – Representación de la Jaula de Faraday (IES, Experimentos con
Jaula de Faraday, 2013).
44
3.3. Laboratorio de física electrostática
En el 2011 el profesor Julio German Rodríguez Ojeda, profesor en física y
electrostática, realiza en el laboratorio el experimento de la jaula de Faraday,
para lo cual utiliza como fuente de emisión electrostática un generador de Van
De Graaff de 400 000 voltios. En dicho experimento se puede apreciar que
cuando no existe la protección de la jaula metálica, la excitación de las tiras de
papel es bastante notoria, lo que indica que el gran campo eléctrico de la
superficie del generador se desplazó y se indujo con cargas eléctricas en las
tiras de papel, lo que no ocurre cuando la malla metálica es colocada sobre las
tiras de papel, ya que las cargas eléctricas son bloqueadas por esta malla
eléctrica y no ingresan al interior. (Ojeda, 2011)
Figura 4 – Experimento de la jaula de Faraday con un generador de Van De
Graaff (Ojeda, 2011)
3.4. Universidad Nacional de Colombia
En el 2013, el profesor Horacio Torres, Ingeniero Electricista de la Universidad
Nacional de Colombia explica la importancia en la seguridad de las personas y
como una jaula de Faraday ofrece la protección ante descargas electrostáticas,
basándose en la Ley de electromagnetismo de Maxwell, donde utiliza un
45
generador Van De Graaff de 600 000 voltios, apreciando que los colaboradores
no perciben ninguna sensación eléctrica. (MalocaCyT, 2013)
Figura 5 – Demostración de La jaula de Faraday (MalocaCyT, 2013)
3.5. Adam Savage
En el 2011 el conocido científico Adam Savage, es invitado a un experimento
con la Jaula de Faraday y 2 generadores de Van De Graaff, donde al inducir más
de 600 000 voltios, el científico no percibe ninguna sensación electrostática
(FORA.TV, 2011)
46
Figura 6 – Experimento de La jaula de Faraday con 2 generadores Van De Graaff
(FORA.TV, 2011)
CAPÍTULO IV
4. METODOLOGIA PROPUESTA
La metodología propuesta es de una Investigación Proyectiva o a su vez también
llamado proyecto factible, ya que se presenta una propuesta en la implementación de
los refugios contra tormentas eléctricas a partir del reciclaje y transformación de
contenedores marítimos de 40 pies, dando así solución a un problema latente en
campamentos mineros ante la proximidad de tormentas eléctricas.
4.1 Resistencia del contenedor 40 Pies
Como se mencionó anteriormente, se cuenta para dicha investigación con un
contenedor de 12.20 m. modelo High Cube:
R=ρ LA
Dónde:
R: Resistencia
ρ: Resistividad de Acero al carbono
47
L: Longitud
A : Area
Tabla de resistividad eléctrica (20 ºC)
Tabla 8 – Tabla de resistividad de los materiales (COPRO).
4.2. Cálculo de resistencia del contenedor
Para el cálculo de la resistencia del contenedor al paso de la corriente, se
establecerá la resistencia por cada una de las paredes, base y techo del mismo
(Ver Plano A1-DWG-01) seguidamente se determinará el diagrama de
48
resistencias (Ver Plano A1-DWG-02), para proceder hallar la resistencia
equivalente en un circuito de resistencias en paralelo.
Resistencia en paredes laterales R1 y R2
R1=ρ LA
R1=1,43 x10−7Ωm 12.20m2.89m(1.8mm)
R1=1.43 x10−7Ω 12200mm2.89(1.8mm)
R1=3.35 x10−4Ω
Resistencia en pared frontal R3 y pared de fondo R4
R3= ρ LA
R3=1.43 x10−7Ωm 2.43m2.89m(2mm)
R3=1.43 x10−7Ω 2430mm2.89(2mm)
R3=6.01x10−5Ω
Resistencia en techo R5
R5= ρ LA
R5=1.43 x10−7Ωm 12.20m2.43m(2mm)
R5=1.43 x10−7Ω 12200mm2.43(2mm)
R 5=3.58 x10−4Ω
49
R1 = R2
R3 = R4
R5
Resistencia en base R6
R6=ρ LA
R6=1,43x 10−7Ωm 12,20m2,43m(3,5mm)
R 6=1.43 x 10−7Ω 12200mm2.43 (3.5mm ) R6=2,05x 10−4Ω
Tabla 9 – Resistencias individuales del contenedor
Fuente: Elaboración propia
Resistencia pared lateral 1 R1 = 3.35 x10-4 Ω
Resistencia pared lateral 2 R2 = 3.35 x10-4 Ω
Resistencia pared frontal R3 = 6.01 x10-5 Ω
Resistencia pared fondo R4 = 6.01 x10-5 Ω
Resistencia techo R5 = 3.58 x10-4 Ω
Resistencia base R6= 2.05 x10-4 Ω
Req= R1x R32(R1+R3)
Req= 3.35 x 10−4 x6.01 x10−5
2(3.35 x10−4 x6.01 x10−5)
Req=2.01335 x10−8
7.902 x 10−4
Req=2.548 x 10−5Ω
4.3. Método Caída de Potencial.-
50
R6
En la presente investigación se utilizará el método de caída de potencial acorde
al estándar 81-IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Instituto
de Ingeniería eléctrica y electrónica), dicho método es empleado para medir la
capacidad y efectividad que tiene un sistema de conexión a tierra, para disipar
la energía incidente en una instalación.
Para el presente cálculo, se utilizará un comprobador de puesta a tierra marca
Fluke, modelo 1623, para la comprobación mediante el método de caída de
potencial de 3 hilos, se tiene:
Electrodo a tierra
Pica Exterior
Pica Interior
Durante la medición se medirá la caída de potencial en puesta a tierra y la
corriente que fluye a través de ella y, según la ley de Ohm, se calcula la
resistencia.
Los pasos a seguir durante la medición, son los siguientes:
La pica exterior e interior se deberá de colocar en una misma dirección,
alejadas del electrodo a tierra, el telurómetro (Fluke) genera una corriente entre
la pica exterior y el electrodo a tierra, y mide de forma simultanea la caída de
potencial que existe entre la pica interior y el electrodo a tierra y como se
mencionó anteriormente, mediante la ley de Ohm que indica que la diferencia
de potencial es igual a la intensidad de corriente por la resistencia (V=I.R) el
telurómetro calcula automáticamente la resistencia del electrodo a tierra
Según el Estándar 81–IEEE la distancia de separación entre cada pica deberá
ser de 5 veces más que la distancia de nuestro contrapeso a tierra y el
electrodo de potencial se ubicaran a una longitud del 62% de la longitud del
electrodo del refugio.
51
Equipo de Prueba: Telurómetro Digital
Marca: Fluke
Modelo: 1623
Número de Serie: S110502737B2
Tabla 10 – Resultado del Método de Caída de Potencial
Fuente – Elaboración propia
POZO A TIERRA
L (m) 20 30 40 46 50
R (Ω) 6.77 7.59 9.58 11.04 12.37
52
Grafico 2 – Perfil de resistividad - Método caída de potencial
Fuente – Elaboración propia
Habiendo tomado los lineamientos del método de caída de potencial, acorde al
estándar 81- IEEE, en el contrapeso del refugio de 15m., donde el valor de la
resistencia es tomado al 62 % de la longitud total aplicada, se concluye que el
valor real de la resistividad del suelo es de R= 11.04Ω.
A si mismo del grafico Nro. 2, se puede determinar que a una resistencia entre
9 - 10Ω se considera un área de seguridad de 40m. Con lo cual se asegura la
integridad y seguridad de los trabajadores.
53
La resistividad de los distintos tipos de terrenos es muy variada, y está
determinada por:
Sales solubles. - Esta característica de los suelos está dada principalmente
por su cantidad de electrolitos; quiere decir por la presencia de humedad,
sales y minerales.
Composición propia del terreno. - Esta dada por la naturaleza del mismo
terreno, por ejemplo, terreno arcillosos, pantanosos, rocosos (Ver Anexo 2)
Estratigrafía. - Indica que no todas las capas del terreno son homogéneas.
Granulometría. - Corresponde al tamaño de las rocas, su porosidad y la
facilidad de retención de la humedad.
Estado higrométrico. - Nos indica el porcentaje de agua y la humedad, esto
influye de forma importante en la resistividad, dichos valores varían de
acuerdo al clima, las estaciones, profundidad y el nivel freático
Temperatura. - El cambio de temperatura es considerable, ya que, si la
temperatura del suelo disminuye, la resistividad aumenta, esto se debe a
que a medida que el agua presente en el suelo llega a 0 grados, con lo
cual el agua pasa a un estado de congelación, los electrolitos se van
deteniendo en su movimiento, lo cual influye en la resistividad de la tierra
Compactación. - La compactación del terreno es fundamental, ya que a
medida que el terreno sea mucho más compacto, la resistividad disminuye.
4.4. Mantenimiento del contrapeso a tierra
En la presente investigación se determinarán las etapas para realizar el
correcto mantenimiento del contrapeso simple de puesta a tierra, entendiendo
que el refugio contra tormentas eléctricas es una instalación móvil y no fijo, el
mantenimiento dependerá del tiempo de permanencia en el frente de trabajo,
según la norma EN 62305, se considera el siguiente cuadro para las
inspecciones y mantenimiento:
54
Tabla 11 – Mantenimiento del contrapeso a tierra
Nivel de protección
Mantenimiento(años)
Inspección exhaustiva
(años)
Inspección exhaustiva de dispositivos
críticos (años)
I - II 1 2 1
III - IV 2 4 1
Los mantenimientos deberán ser sustentados y presentados bajo un protocolo
de pruebas establecido por cada titular minero, donde se establecerá como
siguientes requisitos mínimos:
Datos Básicos, Nombre del titular minero, ubicación del contrapeso simple
a puesta a tierra.
Dimensiones de la excavación, tipo del electrodo, materiales.
Estado general de corrosión
La seguridad de sujeción de los conductores
Valor de resistencia efectiva en ohmios antes y/o después del
mantenimiento, longitud y calibre del conductor.
Cualquier desviación de la norma EN 62305
Nombre del Ingeniero habilitado, responsable del mantenimiento.
Certificado de Calibración del telurómetro.- El certificado de calibración es
el documento que garantiza la conformidad de los parámetros declarados por el
fabricante del dispositivo, según la norma ISO 10012-1. Adjunto A –
"Exigencias para garantizar la calidad del equipamiento de medición. Sistema
de confirmación metrológica del equipamiento de mediciones”
Las etapas para el mantenimiento del contrapeso simple a tierra son:
a. Desconexión de los cables del refugio a tierra
55
b. Excavación hasta llegar al conductor de Cu.
c. Limpieza con lijar o cepillo del electrodo conductor de Cu
d. Renovación y aplicación del cemento conductivo
e. Relleno de la excavación con la tierra que se retiro
f. Registro fotográfico
4.5. Diseño de refugio contra tormentas eléctricas
Para la presente investigación se procederá a realizar los planos para el diseño
y habilitación del refugio para tormentas eléctricas en base a contenedores de
12.20 m, los cuales se obtendrán reciclando dichos contenedores de la misma
operación. (Ver Plano A1-DWG-001)
Dicho plano incluirá las siguientes vistas:
Vista frontal
Vista posterior
Vista Isométrica
4.5.1 Aforo
EL aforo se calcula para determinar los anchos mínimos de las puertas,
pasajes y escaleras, en la presente investigación se determinara el
aforo máximo de capacidad del refugio contra tormentas eléctricas,
teniendo como referencia los índices establecidos en el Reglamento
Nacional de Edificaciones-RNE se considera que una persona promedio
estando de pie ocupa 0.60 m en forma lateral y de 0.60 m de forma
frontal, una vez obtenido el área de ocupabilidad de 0.36 m2, con
respecto al contenedor, esta cuenta con un área de 28.67 m2, a su vez
se deberá descontar el 15% por concepto de movilidad.
Tabla 12 – Aforo de ocupabilidad
56
Medidas contenedor
Medidas
contenedor m2
-15%
Circulación Total área
m2
Ancho 2.35 m
28.67 m2 4,30 m 24.37 m2Largo 12.20 m
Tomando en cuenta que una persona ocupa un área de 0.36 m2, el aforo
resultante para el refugio contra tormentas eléctricas es de 67 personas,
recomendando dejar un margen de seguridad del 20%, con lo cual el
aforo es de 53 personas.
4.5.1. Puerta de ingreso y salida
El presente refugio contara con 2 puertas tanto de ingreso como de
salida, dichas puertas serán ubicadas en la cara frontal del refugio con
unas medidas de 1.00 m de ancho x 2.10 m de alto, Según Reglamento
Nacional de Edificaciones - RNE A.130 artículo 22, dichas puertas
contaran con chapas sanitarias con el bloqueo del seguro, con el
objetivo de que no permita asegurarse, adicionalmente se colocara 2
trenzas flexibles de cobre en la sección de apertura, con el objetivo de
asegurar la continuidad de la energía eléctrica ya que dichas trenzas
flexibles permite la unión equipotencial entre las diferentes uniones
metálicos, la fijación de estas se realizara mediante orificios de 11mm.
De diámetro, así mismo las dos puertas laterales originales con las que
cuenta el contenedor serán electro soldadas a la estructura mediante
soldadura lineal, en todo su contorno, previo retiro de los jebes de
amortiguación y sellos (cuando corresponda) esto con el objetivo de
57
asegurar la continuidad de la energía en caso de un impacto de rayo
sobre el refugio. (Ver plano A1-DWG-03)
4.5.2. Elaboración de Ventanas
La presente investigación propone el acondicionamiento de 3 ventanas
para el refugio contra tormentas eléctricas, con unas medidas de 0.90 m
de alto x 1.20 m. De largo las cuales contaran con un marco de platina
metálica de 3” x 1/8”, el protector de la ventana estará compuesto por
una malla electro soldada con fierro de 3/8” de espesor, con el objetivo
de garantizar la continuidad de corriente, a su vez dicha ventana tendrá
una segunda protección interior de una ventana interior corrediza con
marco de aluminio moduglas a 2 hojas de policarbonato de 6mm
transparente, con el objetivo de evitar el ingreso de corrientes de aire,
lluvia y polvo (Ver plano A1-DWG-04)
4.5.3. Ventilación
Se contemplan 21 aperturas en circunferencia de 2” Con corte seccional
a 39° con proyección de 0.10 m para evitar el ingreso de lluvia y con
protección de malla metálica, para evitar el ingreso de aves, las
distribuciones de los ductos de ventilación serán de la siguiente manera:
4 ductos por encima de cada ventana en el frontis del refugio y 9 ductos
distribuidos en la parte superior del refugio en su cara posterior (Ver
plano A1-DWG-05)
4.5.4. Sistema de izaje
58
El presente refugio contra tormentas eléctricas, al ser un refugio móvil y
no de ubicación fija, el sistema de izaje para su transporte, quedara
definido y sin modificación alguna al sistema de izaje original del
fabricante que según el estándar ISO Conteiner, consta de 8 cantoneras
distribuidas en cada uno de los vértices del contenedor (Ver esquema -
2).
2 Unidades del modelo 6201-1369 – Cantonera superior izquierda
2 Unidades del modelo 6201-1370 – Cantonera superior derecha
2 Unidades del modelo 6201-1371 – Cantonera inferior izquierda
2 Unidades del modelo 6201-1372 – Cantonera inferior derecha
Esquema 2 – Distribución de cantoneras
59
Figura 7 – Detalles técnicos de cantoneras (King)
Para el traslado del refugio, se utilizará un sistema de izaje vertical con
eslingas de 6”, la norma ISO 1496-1:1990, indica que para los
contenedores de 12.20m, el ángulo que tienen que formar las eslingas
respecto a la horizontal longitudinal del contenedor es de 30 grados (Ver
figura 8)
60
Figura 8 – Sistema de izaje con eslingas
4.5.5. Fabricación
Teniendo en cuenta que los suelos en un campamento minero son muy
diversificados, teniendo en muchos de ellos, suelos con altos índices de
humedad, así como componentes abrasivos al metal, la presente
investigación presenta las siguientes consideraciones en cada una de
las etapas de fabricación y acondicionamiento del refugio contra
tormentas eléctricas:
Descripción Control
Trazo y corte
Dimensiones de perfiles
Limpieza de bordes.
Cantidad de elementos.
Inspección
visual de
soldadura
Revisar que se haya realizado todas las
soldaduras.
Verificar el cordón de soldadura.
61
Preparación
superficial
Limpieza manual y mecánica de los elementos.
Norma SSPC-SP2/SSPC-SP3 Norma de
preparación de superficies
Aplicación de
recubrimiento
Limpieza de la superficie antes de la aplicación de
recubrimiento y recubrimiento uniforme
Trazo y corte
Se realizará el trazo y corte de las estructuras a fabricar, puertas,
ventanas, puertas y tubos de ventilación.
Armado y Soldadura
Todos los trabajos de soldadura deberán ser realizados por personal
calificado con homologación 3G en soldadura
Antes de la aplicación de la soldadura, se procederá al pre armado y
sujeción de las estructuras
Una vez finalizada el proceso de soldadura, se realizará una inspección
visual por parte de control de calidad
Preparación superficial y recubrimiento
Para la etapa de preparación de superficies, se procederá según las
siguientes normas de preparación de superficies.
SSPC-SP-2: limpieza manual con hoja lija y cepillos.
SSPC-SP-3: limpieza mecánica con amoladoras.
En la etapa del recubrimiento se aplicará dos capas de pintura, la
primera capa será con un espesor de 3 mills, mientras que la segunda
62
capa de pintura será de 2 mills llegando a un espesor final aproximado
de 5 mills por estructura.
Para una mayor protección, en el techo y bases del refugio se aplicará
undercutting para mayor protección.
Montaje
En la etapa de montaje, se procederá a la fijación de puertas, ventanas
y tubos de ventilación según plano adjunto
Para una mayor hermeticidad y sellado, se aplicará silicona SikaBond,
el cual es un Adhesivo adecuado para sellado y pegados en interiores
como exteriores, la cual cuenta con una excelente adhesión sobre
aceros, para el caso de los bodes y traslapes del refugio se aplicará
tanto en interiores como exteriores Sikaflex.
4.5.6. Instalación del sistema de protección de puesta a tierra:
El sistema de protección de puesta a tierra de la presente investigación,
y según la norma EN 62305, consistirá en tres componentes esenciales:
Dispositivos de captación
Dichos dispositivos de interceptación o captación de rayos,
consistirá en la instalación de un sistema de terminales aéreas, que
consistirá en la instalación de 2 mástiles metálicos de Cu, los
cuales estarán instalados en la parte superior, en 2 vértices
opuestos del refugio contra tormentas eléctricas (Ver esquema - 3)
63
Conductores bajantes
Mediante un conductor de cable desnudo de Cu de 70mm, y con un
conector, dicho cable será unido al dispositivo de captación con la
finalidad de conducir la energía electrostática a tierra.
Dichos conductores se fabrican bajo la norma NTP 370. Son de
cobre electrolítico de 99.99% de pureza mínima, recocido, semiduro
y duro, pueden ser solidos que son los alambres y cableados
concéntricamente, estos cables presentan alta resistencia a la
corrosión en zonas industriales con humos y vapores corrosivos.
TABLA 13 - DATOS TECNICOS DEL CONDUCTOR Cu DESNUDO
64
Fuente: INDECO
(¹) Temple Blando / Temple Duro
(²) Temperatura en el Conductor: 75°C
Temperatura Ambiente: 30°C
Velocidad del Viento: 2 Km/H
Sistema de disipación
Dicho sistema estará conformado por una malla a tierra horizontal,
llamada contrapeso de puesta a tierra, donde se conectarán los
conductores bajantes y este cumplirá la función de disipación de la
energía electrostática
Para el diseño del contrapeso horizontal simple a tierra se realizará
una excavación perimétrica a 15 m. del refugio con una profundidad
de 0.75m. y a 0.40m. de ancho, esto según las especificaciones
técnicas del cemento conductivo, posteriormente se procederá al
tamizado de todo el material extraído de dicha excavación en una
zaranda de ½”, eliminando de esta manera todas las rocas.
65
Una vez que se tenga la excavación y esta se encuentre nivelada en su
interior, se agregara 0.15m. de tierra tamizada de baja resistividad y se
realizara el compactado de dicho material, luego se procederá al
tendido del cable conductor de cobre desnudo de 70mm. según la
norma técnica peruana NTP 370.251.2011 y se completara con el
material tamizado de baja resistividad, se procederá a cubrir el cable de
cobre desnudo con el cemento conductivo, de tal manera que quede
completamente cubierto y posteriormente se agregara una segunda
capa de 15cm. de tierra tamizada y nuevamente se compactara el
material dentro de la zanja, agregando agua durante la compactación, el
agua cumplirá la función de fraguado y se culminara agregando el resto
de la tierra natural. (Ver Plano A1-DWG-06)
Nota: Rendimiento de 01 bolsa de cemento conductivo de 25 kg. Es de
4 a 5m.
Esquema 3 – Esquema de conexionado al contrapeso a tierra
66
Fuente: Elaboración propia
4.6. Diseño de sistema de comunicación
El sistema de comunicación remoto en tiempo real, constara de los siguientes
equipos:
El equipo de emisión de señal (controlador WebRelay), el cual se encargará de
emitir la señal de alerta, desde el centro de monitoreo atmosférico de cada
compañía y acorde al procedimiento ya establecido por cada uno de ellos, por
medo de una red IP, incluyendo internet.
Antena repetidora, si fuera necesario se instalará una o más antenas
repetidoras de señal, ya que por la geografía de los campamentos mineros el
punto entre el equipo emisor y el equipo receptor, no siempre tendrán una línea
de mira o línea de visión sin obstáculos.
Antena receptora, la cual recibe la señal de la red IP y transfiere dicha señal al
WebRelay, que consta de 4 relés de baja señal, los cuales son operados desde
el centro de monitoreo por medio de un controlador, que se instalara en el
ordenador mediante una URL y una dirección IP, desde esta unidad se puede
configurar cada uno de los cuatro relés.
67
Figura 9 – Configuración de WebRelay
Figura 10 – Pantalla de control de WebRelay
68
4.6.1. Indicadores y conectores del WebRelay
Figura 11 – Indicadores y conectores WebRelay
4.6.2. Diagrama explicativo
El controlador por medio de una Red IP envía la señal de operatividad a
cada uno de los relés del WebRelay, estando conectado a la fuente de
alimentación, al recibir la señal los relés estos activan a su vez las
señales a la alarma audiovisual la cual también deberá estar conectada
a la fuente de alimentación.
(Ver esquema - 4)
69
Esquema 4 – Flujo de operatividad del sistema de comunicación
4.6.3. Alimentación eléctrica al sistema de comunicación
Para la alimentación de energía hacia el WebRelay, así como para la
alarma audiovisual, la presente investigación presenta un sistema
fotovoltaico, que es un dispositivo que a partir de la radiación solar es
capaz de producir energía eléctrica, para ello el sistema presenta los
siguientes componentes:
Generador solar, que se compone por un conjunto de paneles
fotovoltaicos, que reciben la radiación solar y la convierten en
corriente continua a baja tensión desde 12 a 48 Voltios, en el
interior de los paneles fotovoltaicos se encuentran montadas en
serie las células fotovoltaicas, las cuales están elaboradas a base
de Silicio puro con adición de boro y fosforo, cada una de estas
células fotovoltaicas es capaz de generar corriente de 2 a 4
Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios.
70
Acumulador de energía, el cual almacena dicha energía proveniente del
generador solar (batería)
Regulador o controlador de carga, encargado de evitar las sobrecargas
o descargas abruptas, cuidando de esta manera al acumulador de
energía.
Inversor de corriente, dicho inversor transforma la corriente continua
que se encuentra almacenada en el acumulador, en corriente alterna a
120v. la corriente que necesitamos para poder activar nuestra alarma
audiovisual
(Ver esquema - 5)
Esquema 5 – Esquema de generación eléctrica
Fuente – Elaboración propia
71
4.6.4. Dimensionamiento de la instalación solar fotovoltaica autónoma
En la presente investigación se desarrollará el cálculo para el correcto
dimensionamiento de la instalación con paneles fotovoltaicos, lo cual es
de suma importancia para poder abastecer la demanda energética de
nuestros equipos.
Para el presente cálculo se deberá de calcular los siguientes factores:
Cálculo de consumo estimado: En este punto se calcula el consumo
por cada uno de los equipos involucrados en el sistema de
comunicación de alerta remota, en el punto donde se ubicará el
refugio.
Sirena electromecánica y torreta estroboscópica: 24 h x 60 W = 1
440 Wh
Control WebRelay: 24 h x 3.84 W = 92.16 Wh
Total, consumos por día estimados (Cde) = 1 325 Wh / día
Para cálculos de la presente investigación se aplicará un rendimiento de
la instalación del 75% para calcular la energía total necesaria para
abastecer la demanda:
Total, energía necesaria (Ten) = Cde / 0.75
Total, energía necesaria (Ten) = 1 325 / 0.75
Total, energía necesaria (Ten) = 1 766 Wh/día
Radiación solar disponible: Se procederá a determinar la radiación solar
estadística en Arequipa durante los 12 meses del año, y de esta manera
determinar el mes y el factor en el que dicha radiación es menor, con el
72
objetivo de que el sistema funcione en las condiciones más
desfavorables.
Para la determinación de la radiación solar en Arequipa, la presente
investigación toma como datos ya existentes, los tomados por la NASA -
Surface Meteorology and Solar Energy, por el sistema RETScreen Data,
indicando la ubicación geográfica específica, la cual es determinada por
la latitud y la longitud, nos muestra diferentes datos climatológicos, tales
como:
Air temperatura – Temperatura del aire
Relative humidity – Humedad relativa
Daily solar radiación horizontal - Radiación solar diaria horizontal: Dato
a considerar para la presente investigación
Atmospheric pressure - Presión atmosférica
Wind speed - Velocidad del viento
Earth temperatura - Temperatura de la tierra
Heating degree days - Grado de calefacción
Cooling degree days - Grado de enfriamiento
Coordenadas geográficas de Arequipa, Perú:
Latitud: 16°23′56″ S
Longitud: 71°32′05″ O
Altitud sobre el nivel del mar: 2355m
73
Tabla 14: Ubicación geográfica Arequipa - Perú
Fuente: NASA, programa RETSCREEN - Atmospheric Science Data
Center
Unit Climate data location
Latitude °N 16.23
Longitude °E -71.32
Elevation m 20
Heating design temperature °C 23.43
Cooling design temperature °C 28.26
Earth temperature amplitude °C 1.16
Frost days at site day 0
74
Tabla 15: Radiación solar incidente Arequipa – Perú
Fuente: NASA, usada por el programa RETSCREEN - Atmospheric Science Data Center
Month
Air
temperat
ure
Relative
humidity
Daily solar
radiation
horizontal
Atmosph
eric
pressure
Wind
speed
Earth
temperature
Heating
degree
days
Cooling
degree
days
°C %kWh/
m2/dkPa m/s °C °C-d °C-d
January 25.9 74.10% 5.16 101.3 6.9 27 0 491
February 25.6 74.40% 5.93 101.3 6.6 26.6 0 440
March 25.4 75.90% 6.78 101.2 6.3 26.6 0 478
April 25.7 79.00% 7.24 101.1 5.8 27 0 470
May 26.4 80.70% 6.95 101.1 5.8 27.6 0 507
June 26.9 80.30% 7.03 101.2 6.6 28.1 0 507
July 26.9 79.80% 6.94 101.3 6.8 28.2 0 523
August 27.1 80.50% 6.88 101.2 6.3 28.6 0 527
September 27 81.00% 6.28 101 5.6 28.9 0 510
October 26.9 81.00% 5.71 101 5 28.8 0 523
November 26.9 77.60% 5.12 101 6 28.4 0 505
December 26.4 74.30% 4.83 101.2 6.7 27.6 0 509
Anual 26.4 78.20% 6.24 101.2 6.2 27.8 0 5 990
Se aprecia que el mes con menos radiación solar en Arequipa es el mes
de Diciembre con 4.83 kWh/m2/d bajo este resultado, se dimensionara
la instalación para que el sistema opere en las condiciones más
desfavorables y de esta manera se garantiza el óptimo funcionamiento
75
durante todo el año, una vez determinada la radiación solar incidente,
se deberá dividir entre la radiación solar incidente que se utiliza para
calibrar los paneles solares, el cual es de 1 kW/m2, de esta manera se
calcula las Horas Sol Pico (HSP), que viene siendo el número de horas
equivalentes que tendría que brillar el sol a 1,000 w/m2 y de esta
manera se obtendrá la insolación total de un día, teniendo en cuenta
que la intensidad del sol varia a lo largo del día.
Horas Sol Pico (HSP) = radiación solar tablas / 1kW/m2
HSP = 4.83 kWh/m2 / d /1kW/m2
HSP = 4.83 kWh/m2 / d /1kW/m2
HSP = 4.83 Horas Sol Pico
Cálculo de paneles solares (NP): En este punto se determinará el
cálculo para cuantificar que número de paneles fotovoltaicos son
necesarios para el óptimo funcionamiento del sistema de comunicación,
sabiendo que cada panel tiene una potencia pico de 180W
En la presente investigación se calculará la cantidad de paneles solares
que se necesita para cubrir la demanda energética para una instalación
de uso diario
NP = (Energía necesaria)
(HSP * Rendimiento Trabajo * Potencia pico del panel)
Rendimiento del trabajo = Se toma en cuenta las perdidas posibles ya
sean estas por empañamiento, deterioro, polvo o suciedad del panel
fotovoltaico, este rango esta entre 0.7 – 0.8
NP = 1 766 Wh/día / (4.83 Horas Sol Pico * 0.8 * 180W)
NP = 1 766 / 695.52
76
NP = 2.53
Para satisfacer la necesidad del sistema se necesita instalar 3 Paneles
fotovoltaicos, cada uno con una capacidad de 180 W.
Calculo de las baterías de acumulación de energía (CB): Se calculará la
autonomía necesaria que deberá de tener la batería del sistema de
comunicación.
Para el cálculo de las baterías necesarias para el sistema de
comunicación, primero se deberá determinar la autonomía con la que se
desea contar, para los días en las que no se cuente con la intensidad
necesaria de rayos de sol, es decir para los días con bastante
nubosidad en estación de lluvias.
CB = (energía necesaria * días de autonomía) / (Voltaje * profundidad
de descarga de la batería)
CB = (1,766 Wh/día * 7 días) / (12v * 0.6)
Dónde:
Profundidad de descarga dependerá de la batería que se elija para el
sistema, este rango se encuentra entre el 50% y 80%, para el caso de la
presente investigación se utilizará una batería con una profundidad de
descarga que soporte una descarga de hasta un 60%, esto para
maximizar la vida útil de las baterías.
Demanda: 1,766 Wh/día
Días de autonomía: 7 días
Tensión de la batería: 12 v
Profundidad de descarga: 0.6 (60%)
CB = (1,766 Wh/día * 7) / (24 v * 0.6)
77
CB = (12,362 Wh/día) / (14.4 v)
CB = 858.47 Ah (Amperio hora)
Total de baterías: Se necesita 9 baterías de 100Ah – 12v
Selección del regulador y convertidor de carga: Dicho calcula será
necesario para la determinar el óptimo convertidor de carga en W.
Los reguladores de carga se determinan por la intensidad máxima de
trabajo y a su vez por el voltaje que se diseñe la instalación.
Para determinar la potencia del convertidor de corriente continua a
corriente alterna, se procederá a la sumatoria de todas las potencias
nominales de nuestro sistema, quiere decir se suma la potencia de la
Sirena electromecánica y torreta estroboscópica y del controlador
WebRelay:
Sirena electromecánica 60w
Control WebRelay 3.84w
El resultado redondeado es de 64w, a ello se le multiplicara coeficiente
de simultaneidad de uso que está en el rango entre 0.5 y 0.7:
Potencia convertidor = 64 * 0,7 = 44.8w
Se determina que con un convertidor de 100w es el más óptimo para el
correcto funcionamiento de nuestro sistema.
4.7. Funcionamiento
Una vez que el centro de monitoreo de tormentas eléctricas, haya detectado la
aproximación de una tormenta eléctrica y siguiendo con sus procedimientos
establecidos para dicho evento, este enviara una señal desde el centro de
monitoreo, por medio de la red TCP/IP a la central remota (Refugios), dicha
78
señal será recibida por el WebRelay que simplemente es un Monitor & Control
Devices Remotely Over an IP Network y su traducción viene siendo equipo
capaz de monitorear y controlar dispositivos remotamente a través de una red
IP, a su vez este WebRelay activara automáticamente las alarmas
audiovisuales que para dicha investigación se está considerando una alarma
audiovisual con sirena electromecánica y torreta estroboscópica con voltaje de
120 VCA, ya que se está empleando un inversor de corriente que entrega
corriente alterna a dicho equipo. La sirena audiovisual presenta las siguientes
especificaciones técnicas:
Voltaje: 120 VCA
AMP: 12
Intensidad de sonido: 101 dB a 3 m.
FPM: 65
Joules: 8
Figura 12 – Sirena audiovisual
Se consideró dicha alarma audiovisual por sus resistencias máximas a polvo,
agua, corrosión, al aceite, golpeaduras, y a los rayos ultravioleta.
79
Una vez emitidas las alarmas, todo el personal cercano a dicho refugio tendrá
que dirigirse inmediatamente a resguardarse dentro de él, cerrando puertas y
ventanas y seguir el procedimiento establecido por cada compañía.
Ante un evento de impacto de rayo sobre el refugio, y cumpliendo el principio
de la jaula de Faraday, la energía será transportada por el contorno externo del
refugio (contenedor metálico) sin afectar a las personas en su interior, por más
que dichas personas estén apoyadas en las paredes internas, estas no
percibirán ninguna sensación eléctrica, dicha energía eléctrica será conducida
por las paredes externas del refugio y disipadas a la malla a tierra horizontal
por medio de las cuatro bajadas a puesta a tierras de cada vértice del refugio.
4.8. Simulacros
La presente investigación propone la realización de dos simulacros, previa
capacitación al personal, dichos simulacros, se realizarán tanto en el turno
diurno como en el turno nocturno, donde se registrará los tiempos de
evacuación desde la emisión de la alerta, hasta la efectividad de la sirena y de
la alerta visual (Sirena estroboscópica)
4.9. Presupuesto
Para la ejecución de la presente investigación se estima un presupuesto
estimado de S/. 25 933.74 Nuevos Soles. (Anexo - 3)
80
CAPÍTULO V
5. PROCEDIMIENTO DE SEGURIDAD
La presente investigación en salvaguarda de la integridad y seguridad de los
trabajadores en un campamento minero, aporta el siguiente procedimiento ante la
presencia de tormentas eléctricas.
5.1. Objetivo
Establecer las acciones ante la proximidad de una tormenta eléctrica, en
salvaguarda de la integridad y seguridad de los trabajadores.
5.2. Alcance
El presente procedimiento tiene un alcance a todos los trabajadores,
contratistas y empresas conexas, que laboren dentro de campamentos
mineros.
5.3. Definiciones
5.3.1. Alerta de tormenta eléctrica
Avisos dados por el centro de monitoreo climatológico del titular minero,
donde se determinaron 3 tipos de alerta, Amarilla, Naranja, Roja.
5.3.2. Alerta amarilla
81
Aviso de prevención, dicha alerta se emite ante la aproximación de una
tormenta eléctrica con un radio entre 16 – 30 km.
5.3.3. Alerta naranja
Aviso de advertencia, tormenta eléctrica confirmada en una radio entre
los 8–16 km.
5.3.4. Alerta roja
Alerta de peligro, indica tormenta eléctrica declarada en un radio de 0-8
km.
5.3.5. Zonas seguras ante tormenta eléctrica
Ambientes seguros para los trabajadores ante la presencia de una
tormenta eléctrica, dentro de los cuales tenemos:
Edificios y oficinas
Vehículos con estructura metálica cerrada
Refugios contra tormenta eléctrica
Contenedores metálicos con conexión a tierra
5.4. Desarrollo
5.4.1. Monitoreo atmosférico
El monitoreo atmosférico es parte fundamental del presente
procedimiento, ya que se podrá identificar con anticipación la
conformación y proximidad de una tormenta eléctrica, si bien en nuestra
región las tormentas eléctricas se dan en las temporadas de lluvias,
entre diciembre y marzo, el control atmosférico deberá realizarse en
todas las estaciones del año.
5.4.2. Medidas ante la comunicación de alertas
82
5.4.2.1. Comunicación de alerta amarilla
Ante la comunicación de una alerta amarilla todos los trabajos
deberán cumplir con lo siguiente:
Todos los trabajos de izajes y trabajaos en altura deberán
detenerse, previa coordinación con la supervisión de dicho
trabajo.
Los trabajadores ante la comunicación de alerta amarilla,
podrán usar los radios de comunicación y celulares.
5.4.2.2. Comunicación de alerta naranja
Ante la comunicación de una alerta naranja, se deberá cumplir
lo especificado en la comunicación de alerta amarilla,
adicionalmente los trabajadores deberán:
En alerta naranja el centro de control atmosférico, activara las
señales del WebRelay para la activación de la alerta audio
visual en los refugios contra tormentas eléctricas, con el
objetivo que todo el personal evacue hacia dichos refugios.
Paralizar los trabajos de voladura y evacuación total del
personal a zonas seguras
Todo el personal deberá alejarse de espejos de agua, charcos
o depósitos de agua.
Todo el personal que labora en los polvorines, deberá de
realizar la evacuación a zonas seguras.
Los trabajadores ante la comunicación de alerta amarilla,
podrán usar los radios de comunicación y celulares.
5.4.2.3. Comunicación de alerta roja
83
Ante la comunicación de una alerta roja, se deberá cumplir lo
especificado en la comunicación de alerta amarilla y alerta
naranja, adicionalmente los trabajadores deberán:
La utilización de equipos de radio o celulares solo podrán ser
utilizados si el trabajador se encuentra dentro de una
instalación segura, con el objetivo de reportar algún incidente o
para reportar el número de trabajadores, ubicación del refugio
que se está utilizando y cantidad de trabajadores a su cargo.
84
RESULTADOS
Según los resultados de la presente investigación, obtenemos que la resistencia
equivalente que ofrece el refugio al paso de la corriente es de 2 548x10 -5 Ω siendo
esta una resistencia menor, garantizando el paso de dicha corriente y su
disipación por el sistema de puesta a tierra
Según el método de caída de potencial que mide la resistencia de sistema a tierra
instalado en el refugio contra tormentas eléctricas, dicha resistencia es de 11.04
Ω, con lo cual el contrapeso a tierra es confiable y eficaz, ya está por debajo del
límite establecido en campamentos mineros, para una instalación de esta
tipología, la cual exige 25 Ω.
Se establece que el sistema a tierra horizontal instalado para el refugio contra
tormentas eléctricas, es el más viable, ya que dicho refugio es móvil y no fijo, con
lo cual se aprovecha el 100% del conductor de Cu, bajando considerablemente los
costos de su siguiente instalación.
Según los planos y especificaciones presentados en la presente investigación, se
establece la factibilidad del acondicionamiento de un contenedor marítimo High
Cube, para refugios contra tormentas eléctricas ya que por sus materiales de
fabricación cumple con el principio de la Jaula de Faraday, lo cual garantiza la
protección, integridad y salud de los trabajadores expuestos a tormentas
eléctricas.
85
CONCLUSIONES
5.5. La presente investigación concluye que el refugio presenta una baja resistencia
al paso de la corriente y cumpliendo con el efecto de la Jaula de Faraday, el
cual provoca que el flujo eléctrico que incide sobre la superficie del contenedor
metálico, es proporcional a la carga que se encuentra dentro del refugio, quiere
decir que los campos magnéticos son de la misma magnitud pero de signo
contrario, siendo esta carga igual a cero, a su vez la energía será disipada a
tierra por la protección de puesta a tierra, con lo cual se alcanza el primer
objetivo.
5.6. Se determinó que las características conductivas de la composición química del
contenedor con un 0.52% de carbono y altos niveles de Cobre, Níquel y
Fosforo, hace que la composición química del contenedor bajo el principio de la
Jaula de Faraday, sea la más óptima para ser utilizado como refugio contra
tormentas eléctricas, ya que opone una muy baja resistencia al paso de la
corriente electrostática con una REq = 2548 x 10−5Ω
5.7. Se concluye que no es determinante el análisis de las corrientes de las
descargas atmosféricas para el presente estudio, ya que el tiempo de
incidencia sobre el refugio contra tormentas eléctricas son milisegundos, y por
la configuración del sistema de puesta a tierra, se asegura la conducción y
disipación de la energía.
86
5.8. Teniendo en cuenta que el presente estudio fue realizado en un campamento
minero, sobre un suelo pedregoso y rocoso, la alternativa de una instalación de
un contrapeso simple de puesta a tierra, es lo más viable ya que según el
método de caída de potencial el valor real de la resistividad del suelo es de
11.04 Ω
5.9. Se concluye que el sistema de comunicación remota en tiempo real, que
propone la presente investigación es viable de implementarse, ya que cuenta
con una plataforma de uso sencillo y muy eficiente como es el Web Relay, ya
que mediante un enlace con una señal IP, se controla la alarma audiovisual de
manera inmediata, quedando de esta manera en comunicación activa en
tiempo real con los trabajadores, garantizando su pronto resguardo en el
refugio ante la aproximación de una tormenta eléctrica.
87
RECOMENDACIONES
Se recomienda la inspección quincenal y un mantenimiento trimestral de cada
refugio, para la verificación de la conformación del suelo, posibles puntos de
corrosión, conectividad del sistema de puesta a tierra y operatividad de puertas y
ventanas.
Se recomienda la inspección visual diaria de los componentes del sistema de
comunicación, tales como panel solar, sirenas, equipo de comunicación.
Se recomienda a los ministerios de energía y minas, así como al ministerio de
trabajo y promoción del empleo, el establecer puntualmente estadísticas de
accidentes por causa de tormentas eléctricas.
Se recomienda las siguientes medidas preventivas en caso de tormentas
eléctricas:
Permanecer dentro de las casas, oficinas alejándose de las ventanas y partes
metálicas, ya que la corriente viaja a través de tuberías y o cables eléctricos,
desenchufar todos los aparatos eléctricos, a su vez no encender chimeneas, ya que
el aire caliente se encuentra cargado de iones y esto favorece al paso de la corriente
ante una descarga eléctrica.
En el caso de encontrarse en vehículos, lo recomendable es detenerse y no tocar
partes o accesorios metálicos, ya que la corriente pudiera ingresar por la antena de
radio y conducir la electricidad por los equipos dentro del vehículo.
88
En el caso de que una tormenta eléctrica te encuentre a campo abierto, se
recomienda alejarse de espejos de agua, lagos ríos o mares, así como evitar
refugiarse bajo árboles o estructuras metálicas.
La presente Investigación recomienda como medida preventiva que todos los
trabajos de fabricación, montaje y operatividad se realicen mediante los
procedimientos, permisos y/o estándares adquiridos o implementados por cada titular
minero.
89
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93
ANEXOS
94
Anexo 1.- Niveles Isoceraunicos (Td) – Perú
95
Anexo 2.- Resistividad por la naturaleza del terreno (OSINERMIN, 2014).
Naturaleza del terreno Resistividad ohm.m
Terreno pantanoso Hasta 30
Limo 20 a 100
Humos 10 a 150
Turba Húmeda 5 a 100
Arcilla Plástica 50
Margas y arcillas compactas 100 a 200
Margas de jurásico 30 a 40
Arena arcillosa 50 a 500
Arena silícea 200 a 3 000
Suelo pedregoso cubierto de césped 300 a 500
Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000
Caliza blanda 100 a 300
Caliza compacta 1 000 a 5 000
Caliza agrietada 500 a 1 000
Pizarra 50 a 300
Rocas de mica y cuarzo 800
Pedregoso y rocoso 100 a 8 000
Granito y gres procedentes de
alteración
1 500 a 10 000
Granito y gres muy alterado 100 600
96
Anexo 3.- PRESUPUESTO
Presupuesto 0.001 FABRICACION DEL SISTEMA DE REFUGIOS CONTRA
TORMENTAS ELECTRICAS
Cliente CAMPAMENTO MINERO S.A. Costo al 31/08/2017
Lugar AREQUIPA
Ítem Descripción Und. Metrado Precio
S/.
Total S/.
1.0 MANO DE OBRA 9 600.00
1.01 Supervisor Ea 1.00 3 100.00 3 100.00
1.02 Capataz m3 1.00 2 000.00 2 000.00
1.03 Operarios m3 3.00 1 500.00 4 500.00
2.0 CONTENEDOR 4 800.00
2.01 Traslado interno Ea 1.00 800.00 800.00
2.02 Limpieza y preparación de
superficie
Ea 1.00 1 500.00 1 500.00
2.03 Trazo y cortes Ea 1.00 2 500.00 2 500.00
03 SISTEMA DE ALERTA 3 382.86
3.01 Antena receptora Ea 1.00 1 400.00 1 400.00
3.02 WebRelay–Quad Model: X- Ea 1.00 720.08 720.08
97
300-I+PS12-A
3.03 Alarma Audio Visual 120
VCA, 101 dB, Mca SOS Lite,
Mod. SOS1300S
Ea 1.00 1 262.78 1 262.78
4.0 ENERGIA SOALR 5 025.00
4.01 Panel Solar 180 W. Yingli
solar
Ea 3.00 800.00 2 400.00
4.02 Regulador Epever 10A Ea 1.00 115.00 115.00
4.03 Batería Solar Ritar 150 Ah Ea 9.00 250.00 2 250.00
4.04 Inversor Camera 1000 W. Ea 1.00 260.00 260.00
5.0 SISTEMA DE PUESTA A
TIERRA
3 125.88
5.01 Excavación m 29.26 21.17 619.43
5.02 Cable de Cobre (Cu) 70 mm m3 35.26 21.17 746.45
5.03 Cemento conductivo Ea 9.00 140.00 1 260.00
5.04 Conexionado Ea 1.00 500.00 500.00
Costo Directo 25 933.74
98
Anexo 4.- MEDICIONES – METODO CAIDA DE POTENCIAL
Anexo 5.- Plano A1-DWG-01 Detalles de las Resistencias del Contenedor
99
Anexo 6.- Plano A1-DWG-02 Diagrama de Resistencias del Refugio
100
Anexo 7.- Plano A1-DWG-01.1 Detalles de Refugio Contra Tormentas Eléctricas
101
Anexo 8.- Plano A1-DWG-03 Detalles de Puertas del Refugio
102
Anexo 9.- Plano A1-DWG-04 Detalles de Ventanas del Refugio
103
Anexo 10.- Plano A1-DWG-05 Detalles de la Ventilación del Refugio
104
Anexo 11.- Plano A1-DWG-06 Detalle Contra Peso Puesta a Tierra
105
106