Resumen
Se presenta el desarrollo de un poste tubular de acero diseñado para integrar en una sola estructura la transición de líneas aéreas a sistemas de cables subterráneos en redes de transmisión de 115 kV.
La solución responde a las restricciones de derecho de vía en entornos urbanos, donde las configuraciones convencionales resultan ineficientes en términos de espacio, costo y complejidad constructiva.
El concepto permite acercar la línea aérea al punto de carga mediante configuraciones compactas, incluyendo arreglos de doble circuito en disposición vertical, reduciendo significativamente la longitud de los tramos subterráneos, que constituyen el componente de mayor costo dentro del sistema.
El diseño estructural se desarrolló con base en criterios definidos para este tipo de aplicaciones y mediante análisis no lineal conforme a ASCE 72, considerando condiciones reales de operación.
La canalización interna de cables dentro del poste proporciona protección mecánica, reduce la exposición ambiental y mejora la integración visual de la infraestructura en el entorno urbano.
La solución ha sido aplicada desde la década de 1980, demostrando un desempeño confiable durante más de 30 años de operación, sin reportes de fallas estructurales relevantes.
1. Introducción
El crecimiento de la demanda de energía eléctrica en zonas urbanas e industriales ha incrementado la necesidad de desarrollar infraestructura de transmisión eficiente en niveles de tensión del orden de 115 kV.
Una de las principales limitaciones en estos entornos es la disponibilidad restringida de derecho de vía, lo que dificulta la implementación de configuraciones convencionales de líneas aéreas.
En muchos casos, las subestaciones reductoras deben ubicarse dentro de zonas densamente urbanizadas, donde el acceso mediante líneas aéreas tradicionales resulta inviable, obligando a utilizar tramos extensos de cable de potencia subterráneo.
Este último representa el componente de mayor costo y complejidad constructiva dentro del sistema, debido a la obra civil asociada, condiciones de instalación y requerimientos de mantenimiento.
Las soluciones tradicionales de transición aéreo–subterránea suelen requerir múltiples estructuras, arreglos constructivos complejos y una mayor huella de instalación. Además, en configuraciones convencionales, los cables de transición se disponen externamente, incrementando su exposición a daños mecánicos, vandalismo y efectos ambientales.
En respuesta a estas limitaciones, se desarrolló un concepto estructural integrado que permite realizar la transición de sistema aéreo a subterráneo dentro de un único poste de acero, optimizando el uso del espacio y simplificando la instalación.
Este enfoque permite llevar la línea aérea lo más cerca posible del punto de carga, reduciendo significativamente la longitud requerida de cable subterráneo.
El concepto fue desarrollado inicialmente en Monterrey, México, en la década de 1980, evolucionando posteriormente para incorporar configuraciones de doble circuito, disposiciones verticales adaptadas a corredores urbanos estrechos y el uso de aceros de mayor resistencia.
Origen de los criterios de diseño
Para el desarrollo de este concepto se definieron árboles de carga específicos, basados en condiciones reales de operación de sistemas de 115 kV en entornos urbanos.
Estos criterios, integrados al diseño estructural del poste, dieron lugar a una familia de estructuras de acero que con el tiempo ha sido adoptada y normalizada en la práctica de CFE para aplicaciones urbanas.
En contraste con esquemas convencionales utilizados a nivel internacional, donde la transición entre sistemas aéreos y subterráneos implica la disposición externa de los cables sobre estructuras auxiliares, la solución propuesta integra la canalización de los cables dentro del poste estructural.
Esto proporciona protección mecánica inherente, reduce la exposición ambiental y permite una mejor integración de la infraestructura en el entorno urbano.
2. Diseño conceptual del sistema
El sistema propuesto consiste en un poste tubular de acero de geometría troncocónica que integra simultáneamente el soporte de conductores aéreos y la transición a cables subterráneos.
El poste está diseñado para aplicaciones tipo remate —dead-end—, permitiendo una transición directa y compacta hacia el primer registro subterráneo.
Una característica distintiva es la canalización interna de los cables de alta tensión, los cuales ingresan a través de una bóveda subterránea en la base y se conducen verticalmente dentro del fuste.
En puntos específicos, los cables salen mediante conexiones de brida lateral para su enlace con terminales normales externas.
Este arreglo proporciona protección mecánica, reduce la exposición ambiental y minimiza el impacto visual.
3. Diseño y análisis estructural
El diseño estructural se desarrolló conforme a los lineamientos de ASCE 72, considerando condiciones de carga propias de estructuras de retención en sistemas de 115 kV.
Se emplearon análisis no lineales que incluyen efectos geométricos por grandes desplazamientos y variaciones en la rigidez a lo largo del elemento.
El poste se modela como un elemento tubular de diámetro y espesor variables, optimizando la distribución de material de acuerdo con el diagrama de momentos flectores.
Las secciones cercanas a la base presentan mayor espesor para resistir mayores solicitaciones, mientras que las secciones superiores se diseñan para reducir peso.
La evolución en la selección de materiales incluyó el uso inicial de acero A36, seguido de grados de mayor resistencia como A42 y A65, permitiendo reducir el espesor y el peso total sin comprometer el desempeño estructural.
Las aberturas laterales requeridas para la salida de cables generan concentraciones de esfuerzo, las cuales se mitigan mediante refuerzos locales que restablecen la capacidad resistente de la sección.
Los criterios de deformación evolucionaron de límites conservadores del orden del 2% hacia valores de aproximadamente 4%, en concordancia con prácticas modernas de diseño, permitiendo una optimización adicional del uso de material.
4. Implementación y caso de estudio
La implementación inicial del sistema se llevó a cabo en Monterrey, México, en proyectos de infraestructura urbana asociados al desarrollo del gran proyecto urbano de la Macroplaza, inaugurado en 1984.
Las primeras soluciones se desarrollaron mediante métodos de cálculo manual y diseños conservadores, lo que resultó en estructuras robustas.
Posteriormente, la incorporación de herramientas computacionales permitió una evaluación más precisa de esfuerzos y una optimización geométrica del poste.
El concepto evolucionó hacia configuraciones de doble circuito y complementó la familia de postes de acero ampliamente usada en áreas urbanas de México.
Actualmente, estas estructuras se utilizan en subestaciones urbanas, parques industriales y corredores con restricciones espaciales, donde su configuración compacta permite su integración sin afectar el entorno.
5. Desempeño en campo
La experiencia operativa acumulada durante más de tres décadas demuestra un comportamiento estructural estable y confiable.
No se han reportado fallas estructurales significativas, y el sistema ha mantenido su integridad bajo condiciones normales de operación y mantenimiento.
La canalización interna de cables ha mostrado ser eficaz en términos de protección mecánica y seguridad, además de contribuir a la reducción del impacto visual en entornos urbanos.
Desde el punto de vista constructivo, la integración de funciones en un solo elemento reduce la complejidad de instalación y los tiempos de ejecución. Asimismo, los requerimientos de mantenimiento son comparables a los de postes convencionales.
6. Discusión
Es importante destacar que este tipo de solución no surge como una evolución directa de configuraciones convencionales, sino como resultado de un proceso de desarrollo de ingeniería orientado a resolver restricciones específicas de instalación en entornos urbanos.
La necesidad de reducir la huella de infraestructura, minimizar el uso de cable subterráneo y mejorar la integración de las instalaciones en zonas densamente urbanizadas fue el principal detonante del concepto.
A diferencia de las soluciones tradicionales de transición aéreo–subterránea, que requieren múltiples estructuras y una mayor ocupación de espacio, el sistema propuesto integra en un solo elemento las funciones estructurales y eléctricas necesarias para realizar la transición.
Esta integración permite simplificar la configuración del sistema, reducir tiempos de instalación y mejorar la confiabilidad al disminuir la exposición de los componentes críticos.
Un aspecto fundamental del desarrollo es la definición de criterios de carga específicos para este tipo de estructuras, concebidos considerando condiciones reales de operación de sistemas de 115 kV en entornos urbanos.
Desde el punto de vista estructural, la combinación de geometría tubular troncocónica y el uso de aceros de mayor resistencia permite lograr un equilibrio adecuado entre capacidad resistente y eficiencia en el uso de material.
La incorporación de aberturas laterales para la salida de cables, adecuadamente reforzadas, demuestra que es posible integrar funciones adicionales sin comprometer el desempeño estructural del elemento.
En términos de operación, la canalización interna de los cables proporciona un mayor nivel de resguardo físico de los conductores en comparación con configuraciones convencionales, donde los conductores de transición se disponen externamente.
Esto reduce la exposición a daños accidentales, vandalismo y efectos ambientales, contribuyendo a la confiabilidad del sistema.
Desde el punto de vista económico, la principal ventaja de la solución radica en la reducción de la longitud de los tramos subterráneos. Al permitir que la línea aérea se acerque significativamente al punto de carga mediante configuraciones compactas, se disminuyen los requerimientos de obra civil, instalación y mantenimiento asociados a los cables subterráneos.
La evidencia obtenida a partir de su aplicación en distintos proyectos urbanos e industriales confirma que la solución no solo es técnicamente viable, sino que representa una alternativa eficiente y madura frente a esquemas convencionales de transición.
7. Conclusiones
El desarrollo del poste integrado para transición aéreo–subterránea constituye una solución técnica eficiente para sistemas de transmisión de 115 kV en entornos urbanos e industriales, donde las restricciones de espacio y derecho de vía limitan la aplicación de configuraciones convencionales.
El concepto propuesto permite integrar en un solo elemento estructural las funciones de soporte de conductores aéreos y transición a sistema subterráneo, logrando una reducción significativa en la huella de instalación y simplificando la configuración general del sistema.
Una de las principales ventajas de la solución radica en la posibilidad de acercar la línea aérea al punto de carga mediante arreglos estructurales compactos adaptados a espacios urbanos restringidos, incluyendo arreglos de doble circuito en disposición vertical adaptados a corredores urbanos estrechos.
Esto permite reducir la longitud requerida de cable de potencia subterráneo, con beneficios directos en términos de costo, constructibilidad y mantenimiento.
El diseño estructural, desarrollado conforme a criterios establecidos para este tipo de aplicaciones y basado en condiciones reales de operación, ha demostrado un comportamiento confiable a lo largo de más de 30 años de servicio, sin reportes de fallas estructurales relevantes.
La experiencia acumulada confirma que esta solución ha sido aplicada de manera consistente en diversos sistemas urbanos a nivel nacional.
Asimismo, el desarrollo de criterios de carga específicos para este tipo de estructuras permitió establecer bases consistentes de diseño que han facilitado su aplicación en distintos proyectos, contribuyendo a la consolidación de una familia de postes de acero ampliamente utilizada en la práctica.
En conjunto, estos aspectos confirman que la solución no solo es técnicamente viable, sino que representa una alternativa optimizada y madura frente a esquemas convencionales de transición, con un alto potencial de aplicación en regiones con condiciones similares de desarrollo urbano.
Este trabajo no solo documenta una solución técnica, sino que establece el origen y la evolución de un concepto que ha sido ampliamente adoptado en la práctica y normalizado por CFE.
Referencias
- ASCE 72. Design of Steel Transmission Pole Structures.
- IEEE. Guide for Transmission Line Design.
- CIGRÉ. Overhead Line Design Guidelines.