VanegasRestrepo-2017-EvaluaciAncomputacionalexperimental

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Evaluación computacional y 
experimental del desempeño 
mecánico y eléctrico de estructuras 
usadas en redes de distribución de 
energía eléctrica 
 
 
 
 
 
Andrés Mauricio Vanegas Restrepo 
 
 
 
 
 
 
 
Universidad de Antioquia 
Facultad de Ingeniería 
Medellín, Colombia 
2017 
 
Evaluación computacional y 
experimental del desempeño 
mecánico y eléctrico de estructuras 
usadas en redes de distribución de 
energía eléctrica 
 
 
 
Andrés Mauricio Vanegas Restrepo 
 
 
 
Trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de: 
Magister en Ingeniería 
 
 
 
Director: 
Prof. Ph.D. Jaime Alejandro Valencia Velásquez 
 
 
 
 
Línea de Investigación: 
Gestión de la Energía Eléctrica 
Grupo de Investigación: 
Grupo de Investigación en Manejo Eficiente de la Energía – GIMEL 
 
 
Universidad de Antioquia 
Facultad de Ingeniería 
Medellín, Colombia 
2017
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nuestra lealtad es para las especies y el planeta. 
Nuestra obligación de sobrevivir no es solo para 
nosotros mismos sino también para ese cosmos, 
antiguo y vasto, del cual derivamos. 
 
Carl Sagan 
 
 
Agradecimientos 
 
Un reconocimiento y sentimiento de gratitud especial a mis padres y hermana, por el cariño, 
apoyo y preocupación, demostrados durante toda mi existencia. 
 
A mis tutores, los profesores MSc. Jaime Alejandro Valencia Velásquez y MSc. Esteban Velilla 
Hernández, por aceptar la oportunidad de realizar este trabajo bajo su acompañamiento, por 
la paciencia y compañerismo recibido a lo largo de mi formación investigativa. 
 
Al ingeniero MSc. Ramón Héctor Ortiz Tamayo y al ingeniero José Alan Arroyave Restrepo, por 
su permanente apoyo, motivación y recomendaciones realizadas a lo largo de este trabajo. 
 
A todo el personal del laboratorio EATIC de EPM, en especial a la ingeniera María Paulina Pino 
Palacio y al ingeniero John Jairo Marulanda Gómez, por su asesoría en la realización de los 
ensayos de alta tensión a frecuencia industrial y en los ensayos mecánicos a crucetas. Un 
reconocimiento y sentimiento de gratitud también para mis compañeros Efrén Antonio Vasco 
Holguín y Oswaldo Vásquez Bedoya, por su disposición, amabilidad y vocación de servicio en 
la realización de estos ensayos. 
 
A la empresa Futech Group S.A., en especial al ingeniero MSc. Juan Santiago Villegas López y al 
ingeniero Néstor Vélez, por su profesionalismo, por la asesoría y el soporte técnico 
suministrado relacionado con los postes de fibra de vidrio, así como su disposición para 
facilitar el banco de ensayos mecánicos de postes en sus instalaciones. 
 
A la empresa Fibratore S.A., en especial a la ingeniera Natalia Quintero y al ingeniero Andrés 
Cano, por su profesionalismo, por la asesoría y el soporte técnico suministrado relacionado 
con las crucetas de fibra de vidrio. Del mismo modo, por compartir las experiencias 
internacionales en el uso de este material para la construcción de redes de distribución. 
VI 
 
 
 
 
A la empresa Rymel S.A.S, en especial a la ingeniera Diana Marcela Uribe Correa y al Ingeniero 
Wilder Herrera, por su vocación de servicio, por su asesoría y por el apoyo en la realización de 
los ensayos de impulso tipo descarga atmosférica llevados a cabo en el laboratorio de alta 
tensión en sus instalaciones. 
 
A mi compañero Luis Felipe Martínez Mazo y al ingeniero Nilxon Jaramillo Díaz, por su apoyo 
y asesoría en la modelación del dibujo asistido por computador de aisladores, crucetas y 
postes, para la modelación con elementos finitos. 
 
Al ingeniero Darío Muñoz Rave, por compartir toda su experiencia, su conocimiento e 
información en todo lo relacionado con estructuras y materiales para la construcción de redes 
de distribución; para él mi más grande admiración y respeto. 
 
 
 
 
 
 
Resumen y Abstract VII 
 
Resumen 
 
Las estructuras como postes y crucetas son esenciales para el soporte de las redes aéreas de 
distribución de energía eléctrica. En el contexto de la industria colombiana y con un 
fundamento en la normatividad nacional e internacional, los postes y crucetas de madera, así 
como los postes de concreto y las crucetas de acero, han sido los materiales tradicionales para 
la construcción que han empleado los operadores de red. 
 
Como una industria reciente en Colombia, existe disponibilidad en el mercado de postes de 
acero y de fibra de vidrio. También, en la actualidad, se encuentra como complemento a la 
estructura la opción de crucetas de fibra de vidrio. Sin embargo, la normatividad nacional e 
internacional, aplicable en redes de distribución para estas estructuras es escasa 
 
Aunque la función de los postes y crucetas es principalmente mecánica o estructural, las 
características dieléctricas de materiales como la madera o la fibra de vidrio pueden 
desempeñar un papel importante en el diseño del aislamiento eléctrico de la red. Debido a la 
disponibilidad de diferentes alternativas de materiales, este trabajo proporciona asistencia al 
diseño de redes de distribución mediante comparaciones del comportamiento mecánico y 
eléctrico de estos materiales. Para lograr este objetivo, se realizan tanto simulaciones 
empleando el método de elementos finitos, como ensayos de laboratorio. Por una parte, las 
deflexiones de postes de acero y de postes y crucetas de fibra de vidrio son evaluadas y 
contrastadas con ensayos de laboratorio. Por otra parte, se realizan ensayos de alta tensión, 
tanto a frecuencia industrial como de impulso tipo descarga atmosférica para diferentes 
combinaciones de materiales. Finalmente, el comportamiento a frecuencia industrial es 
ilustrado por medio de simulaciones de campo electrostático. 
 
Palabras clave: postes, crucetas, redes de distribución, ensayos de flexión, ensayos de 
alta tensión, aislamiento eléctrico, método de elementos finitos. 
Resumen y Abstract VIII 
 
 
 
Abstract 
 
Structures such as poles and crossarms are fundamental in construction of overhead power 
distribution lines. In the context of the Colombian industry and based on national and 
international standards, wooden poles and crossarms, also concrete poles and steel 
crossarms, have been the traditional materials used by utilities. 
 
Recently, steel and fiberglass poles have emerged as alternatives to the traditional structures. 
Likewise, fiberglass crossarms are currently available for the construction of power lines. 
However, national and international standardization for these structures applicable to 
distribution line design is limited. 
 
Despite the fact that the primary function of poles and crossarms is mechanical are structural, 
dielectric characteristics of materials such as wood or fiberglass can play an important role in 
the electrical insulation design. Due to the availability of different materials, this research 
work provides a support on the line design by means comparative analyses of the mechanical 
and electrical behavior. To achieve this, simulations by the finite element method and 
laboratory tests are used to take into account both physical behaviors. In one hand, bending 
of steel poles, fiberglass poles and fiberglass crossarms, are studied by simulation and 
contrasted by laboratory tests. On the other hand, high voltage AC and impulse tests are 
performed for structures composed by pole and crossarm of different combination of 
materials. Finally, the low-frequency behavior is illustrated by means electrostatic field 
simulation. 
 
Keywords: utility poles, crossarms, distribution networks, bending tests, high voltage 
tests, electrical insulation, finite elements method. 
 
 
Contenido IX 
 
Contenido 
Pág. 
 
Introducción………………………………………………………………………………………………………..……….1 
Objetivo del trabajo ..............................................................................................................................................3 
Objetivos específicos ........................................................................................................................................ 4 
1. Estructuras de soporte: contextualización y revisión de la normatividad .................. 5 
1.1 Introducción .............................................................................................................................................. 5 
1.2 Estructuras................................................................................................................................................. 8 
1.2.1 Postes .................................................................................................................................................... 11 
1.2.2 Crucetas ................................................................................................................................................ 15 
1.2.3 Aisladores ............................................................................................................................................ 17 
1.3 Incidencia de descargas atmosféricas .......................................................................................... 20 
1.3.1 Incidencia de descargas atmosféricas directas .................................................................... 26 
1.3.2 Incidencia de descargas atmosféricas indirectas ................................................................ 29 
2. Evaluación del comportamiento mecánico de estructuras ............................................. 31 
2.1 Fundamentación de la teoría de vigas .......................................................................................... 31 
2.2 El método de los elementos finitos ................................................................................................ 33 
2.3 Comportamiento mecánico de los postes ................................................................................... 35 
2.3.1 Cálculo de deflexiones de postes de acero ............................................................................. 35 
2.3.2 Comparación de resultados con programas comerciales ................................................ 40 
2.3.3 Cálculo de deflexiones de postes de fibra de vidrio ........................................................... 43 
2.3.4 Comparación con resultados experimentales ...................................................................... 46 
2.4 Comportamiento mecánico de crucetas ...................................................................................... 52 
2.4.1 Cálculo de deflexiones .................................................................................................................... 53 
2.4.2 Comparación con resultados experimentales ...................................................................... 55 
3. Evaluación del comportamiento eléctrico de estructuras ............................................... 60 
3.1 Revisión del estado del arte .............................................................................................................. 60 
3.2 Ensayos de tensión de flameo a frecuencia industrial en estructuras ............................ 64 
3.2.1 Comentarios de los resultados obtenidos empleando crucetas de acero ................. 66 
3.2.2 Comentarios de los resultados obtenidos empleando crucetas de madera ............. 67 
3.2.3 Comentarios de los resultados obtenidos empleando crucetas de fibra de vidrio 
………………………………………………………………………………………………………………………………..68 
3.3 Ensayos de impulso de tensión ....................................................................................................... 69 
4. Evaluación por elementos finitos de campos electrostáticos en estructuras ........... 75 
4.1 Aplicaciones del MEF en sistemas aéreos de transmisión o distribución ..................... 76 
X 
 
 
 
4.2 Modelamiento y simulación de las estructuras en el programa Simulation 
Mechanical………………………………………………………………………………………………………………….. 78 
4.2.1 Evaluación electrostática de una estructura conductiva ................................................. 82 
4.2.2 Evaluación electrostática de una estructura compuesta por un poste conductivo y 
una cruceta de fibra de vidrio con diagonal metálica ...................................................................... 84 
Conclusiones.............................................................................................................................................. 89 
 
Contenido XI 
 
Lista de figuras 
Pág. 
 
Figura 1-1: Inversiones en un sistema de energía eléctrica [2] ......................................................... 5 
Figura 1-2: Esquema de la infraestructura eléctrica. Figura adaptada de [4]. ............................ 6 
Figura 1-3: Topología del circuito R50-02 [5]........................................................................................... 7 
Figura 1-4: Presupuesto destinado a la adquisición de materiales y equipos en el sistema de 
distribución de EPM para el año 2015[8]. ........................................................................................................ 8 
Figura 1-5: Estructura RA3-014 [9], típica en redes monofásicas rurales. Fotografía del 
autor ……………………………………………………………………………………………………………………9 
Figura 1-6: Estructura RA2-001 [9], uso de cruceta al centro de 1500 mm. Fotografía del 
autor ……………………………………………………………………………………………………………………9 
Figura 1-7: Estructura RA2-021 [9], uso de cruceta en voladizo de 2400 mm. Fotografía del 
autor ………………………………………………………………………………………………………………….10 
Figura 1-8: Estructura RA2-302 [9], configuración de red compacta (cable cubierto). 
Fotografía del autor ................................................................................................................................................. 10 
Figura 1-9: Manipulación de postes de 10 metros de longitud. Fotografías del autor ........... 11 
Figura 1-10: Aplicación de postes de acero y de fibra de vidrio en redes urbanas. Fotografías 
del autor. ………………………………………………………………………………………………………………….12 
Figura 1-11: Poste de concreto en un ensayo de flexión de carga estática transversal. Figura 
adaptada de [18] ....................................................................................................................................................... 13 
Figura 1-12: Cargas transversales de rotura de los postes de madera, según ANSI O5.1. Figura 
adaptada de [21] ....................................................................................................................................................... 15 
Figura 1-13: Uso de crucetas de madera. Fotografías del autor ......................................................... 16 
Figura 1-14: Configuración para el ensayo de flexión para crucetas de madera. Figura 
adaptada de [29] ....................................................................................................................................................... 17 
Figura 1-15: Configuración para el ensayo de flexión establecido por las normas ASTM D6272 
[32] y ASTM D6109 [33] ......................................................................................................................................... 17 
Figura 1-16: Forma de onda doble exponencial de un impulso de tensión. [38], [39]. ............ 18 
Figura 1-17: Relámpagos capturados por sensores ópticos (km2/año) para el continente 
Americano [48]. ......................................................................................................................................................... 21 
Figura 1-18: Densidad de descargas a tierra (DDT) para el departamento de Antioquia para 
los años 2012 a 2014. Keraunos - SIATA [51], [53]..................................................................................... 22 
Figura 1-19: Descargas atmosféricas (marcas de posición amarillas) ocurridas el 
21/02/2014 entre las19:06 h y las 19:09 h. ................................................................................................ 23 
XII 
 
 
 
Figura 1-20: Falla de un aislador ANSI 55-4 por causa de actividad de DA en redes de 
distribución de la región Bajo Cauca, circuito 302-014 [54]. ................................................................. 24 
Figura 1-21: Los diez circuitos de EPM con el índice de calidad SAIFI más elevado. SAIFI 
acumulado entre enero de 2104 y junio de 2016 [5] ................................................................................ 24 
Figura 1-22: Los diez circuitos de EPM con el índice de calidad SAIFI más elevado tomando 
solo la causal “Apertura por condiciones atmosféricas”. Acumulados entre enero de 2104 y 
junio de 2016 [5] ...................................................................................................................................................... 25 
Figura 1-23: Regiones susceptibles a interrupciones de servicio. Figura adaptada de [48]. . 26 
Figura 1-24: Factores de apantallamiento Sf debido a objetos cercanos de diferentes alturas 
para una red de distribución aérea de energía de 10 metros de altura. Figura adaptada de [48]
 ………………………………………………………………………………………………………………….28 
Figura 2-1: Elemento tipo viga de longitud L .......................................................................................... 32 
Figura 2-2: Tipos de elementos usados en el MEF [63] ....................................................................... 34 
Figura 2-3: Deflexión de un poste de acero, representado como los desplazamientos nodales
 ………………………………………………………………………………………………………………….38 
Figura 2-4: Datos ingresados en Simulation Mechanical® empleando elementos tipo viga. 41 
Figura 2-5: Desplazamiento nodal obtenido con Simulation Mechanical® empleando 4 
elementos unidimensionales tipo viga ............................................................................................................ 41 
Figura 2-6: Desplazamiento nodal obtenido con Simulation Mechanical® empleando 
elementos tridimensionales ................................................................................................................................. 41 
Figura 2-7: Deflexión obtenida con Pls-Pole® .......................................................................................... 42 
Figura 2-8: Deflexiones de un poste de acero, desplazamientos nodales obtenidos mediante 
diferentes cálculos ................................................................................................................................................... 42 
Figura 2-9: Deflexiones de un poste de acero, acercamiento de nodos inferiores ................... 43 
Figura 2-10: Dos vistas esquemáticas del proceso de filament winding. Figura adaptada de 
[14]. ………………………………………………………………………………………………………………….44 
Figura 2-11: Propiedades del material compuesto para el poste de fibra de 10 m – 510 kgf 44 
Figura 2-12: Modelo de elementos finitos y deflexión obtenida ante una fuerza de 5000 N, 
para un poste de fibra de vidrio ......................................................................................................................... 45 
Figura 2-13: Deflexiones (desplazamientos nodales), obtenidas por el MEF ante una fuerza de 
5000 N para los postes de acero y de fibra de vidrio. ................................................................................ 45 
Figura 2-14: Deflexiones (desplazamientos nodales), obtenidas por el MEF ante una fuerza de 
2000 N aplicada a 200 mm de la cima, para los postes de acero y de fibra de vidrio. ................. 46 
Figura 2-15: Características básicas del banco de ensayos .................................................................. 47 
Figura 2-16: Ensayo de carga estática ........................................................................................................... 48 
Figura 2-17: Comparación del ensayo estático para el poste de acero y su modelamiento con 
el MEF. Deflexión a 500 mm de la cima. .......................................................................................................... 48 
Figura 2-18: Comparación del ensayo estático para el poste de fibra de vidrio y su 
modelamiento con el MEF. Deflexión a 500 mm de la cima. .................................................................. 49 
Figura 2-19: Comparación de los ensayos estáticos hasta una carga de 2000 N. ....................... 50 
Figura 2-20: Rotura de los postes en el ensayo ......................................................................................... 50 
Figura 2-21: Detalle del poste de acero seccionado empleado en el ensayo ................................ 51 
Contenido XIII 
 
Figura 2-22: Zona de traslape entre las secciones 2 y 3 cuando el poste ha alcanzado su rotura
 ………………………………………………………………………………………………………………….51 
Figura 2-23: Esquema típico del proceso de pultrusion. Figura adaptada de [14] ..................... 52 
Figura 2-24: Propiedades del material para la cruceta de fibra de vidrio ..................................... 54 
Figura 2-25: Configuración del caso de flexión analizado .................................................................... 55 
Figura 2-26: Modelo en Simulation Mechanical ........................................................................................ 55 
Figura 2-27: Deflexión obtenida de la cruceta cargada en dos puntos ............................................ 55 
Figura 2-28: Ensayo de flexión para una cruceta de fibra de vidrio ................................................. 56 
Figura 2-29: Comparación del ensayo para la cruceta de fibra de vidrio y su modelamiento 
con el MEF. Deflexión obtenida en el punto medio de la cruceta. ........................................................ 56 
Figura 2-30: Ensayo de flexión para una cruceta de madera. ............................................................. 57 
Figura 2-31: Comparación de la deflexión obtenida en los ensayos para las crucetas de fibra 
de vidrio y de madera. Deflexión medida en el punto medio de las crucetas. ................................ 57 
Figura 2-32: Dos formas de instalación de crucetas de fibra de vidrio. Fotografías tomadas de 
[88]. ………………………………………………………………………………………………………………….58 
Figura 3-1: Ensayo de laboratorio empleado por H.L. Melvin en [89], [90] , usando 
combinaciones de aislamiento (porcelana para la cadena de aisladores y madera para la 
cruceta y poste) . ....................................................................................................................................................... 60 
Figura 3-2: Cambio propuesto en [93] para aumentar el aislamiento y mejorar el 
comportamiento frente a rayos en una estructura de una red de 33 kV. ......................................... 61 
Figura 3-3: Esquema del ensayo a frecuencia industrial .................................................................... 64 
Figura 3-4: Montajes empleados para los ensayos de cruceta de fibra de vidrio ..................... 65 
Figura 3-5: Flameo en seco registrado empleando poste de acero y cruceta de acero .......... 67 
Figura 3-6: Ensayo realizado en condiciones húmedas empleando una cruceta de madera
 ………………………………………………………………………………………………………………….68 
Figura 3-7: Flameo en seco. Estructura con cruceta de fibra de vidrio con diagonales de 
acero ………………………………………………………………………………………………………………….68 
Figura 3-8: Flameo en húmedo. Estructura con cruceta de fibra de vidrio con diagonales de 
acero ………………………………………………………………………………………………………………….69 
Figura 3-9: Flameos registrados en el ensayo de tensión impulso ................................................ 70 
Figura 3-10: Ensayo de tensión impulso para la configuración de poste de fibra de vidrio y 
cruceta de acero con diagonales. .......................................................................................................................72 
Figura 3-11: Forma de onda de tensión aplicada en un ensayo de la configuración de poste de 
fibra de vidrio con cruceta de acero. (Eje X: 200 V por división, Eje Y: 10 µs por división) ...... 72 
Figura 4-1: Información del modelo CAD del aislador ANSI 55-4. Dimensiones en pulgadas.
 ………………………………………………………………………………………………………………….78 
Figura 4-2: Discretización de elementos finitos creada por Simulation Mechanical ............... 78 
Figura 4-3: Discretización de elementos finitos creada por FEMM ................................................ 79 
Figura 4-4: Potencial eléctrico alrededor del aislado calculado por Simulation Mechanical
 ………………………………………………………………………………………………………………….79 
Figura 4-5: Potencial eléctrico alrededor del aislado calculado por FEMM................................ 80 
Figura 4-6: Potencial eléctrico en la trayectoria A-B............................................................................ 80 
Figura 4-7: Modelo CAD de la estructura .................................................................................................. 81 
XIV 
 
 
 
Figura 4-8: Discretización de elementos finitos de la estructura .................................................... 81 
Figura 4-9: Distribución de potencial obtenido para una estructura conductiva .................... 82 
Figura 4-10: Líneas equipotenciales obtenidas para una estructura conductiva ....................... 83 
Figura 4-11: Magnitud de campo eléctrico obtenido para una estructura conductiva (color 
rojo ≥ 600 kV/m) ...................................................................................................................................................... 84 
Figura 4-12: Distribución de potencial obtenido para una estructura compuesta por un poste 
conductivo y una cruceta de fibra de vidrio con diagonal metálica .................................................... 85 
Figura 4-13: Líneas equipotenciales obtenidas para una estructura compuesta por un poste 
conductivo y una cruceta de fibra de vidrio con diagonal metálica .................................................... 86 
Figura 4-14: Magnitud de campo eléctrico obtenido para una estructura compuesta por un 
poste conductivo y una cruceta de fibra de vidrio con diagonal metálica. (color rojo ≥ 600 
kV/m) ………………………………………………………………………………………………………………….87 
Figura A-0-1: Arreglo para el ensayo de flexión de tres puntos. Adaptada de [87] ................ 93 
Figura A-0-2: Ensayo de flexión de tres puntos para una cruceta de fibra de vidrio con 
soporte montado al centro ................................................................................................................................... 94 
Figura A-0-3: Ensayo de flexión de tres puntos para una cruceta de fibra de vidrio sin 
soporte montado al centro ................................................................................................................................... 94 
Figura A-0-4: Deflexiones obtenidas en el centro de la cruceta en el ensayo de tres puntos 
para crucetas de fibra de vidrio .......................................................................................................................... 95 
Figura A-0-5: Deflexión obtenida de la cruceta con soporte registrada para una carga de 
14,857 N ………………………………………………………………………………………………………………95 
Figura A-0-6: Rotura de la cruceta sin soporte, registrada para una carga de 29,400 N ...... 96 
 
 
 
 
Contenido XV 
 
Lista de tablas 
Pág. 
 
Tabla 1-1: Cargas de rotura normalizadas y cargas de servicio en kgf y sus equivalentes en 
N para los postes, clasificación según RETIE [3] ......................................................................................... 14 
Tabla 1-2: Características de los aisladores pin [47].......................................................................... 19 
Tabla 1-3: Características de los aisladores de retención [47]. ..................................................... 20 
Tabla 2-1: Poste de acero octagonal de 10 m empleando cuatro elementos ........................... 36 
Tabla 2-2: Error inherente al cálculo por elementos finitos (método de rigidez) de las 
deflexiones de un poste de acero octogonal de 10 m. ............................................................................... 40 
Tabla 3-1: TFIC de un aislador ANSI 55-4 como componente primario y TFIC de 
componentes adicionales. Información tomada de la IEEE Std 1410 [48]. ...................................... 63 
Tabla 3-2: TFIC de algunos elementos empleados como componentes primarios 
Información tomada de la IEEE Std 1410 [48].............................................................................................. 63 
Tabla 3-3: Tensión de flameo promedio a frecuencia industrial, corregido a condiciones 
estándar ………………………………………………………………………………………………………………….65 
Tabla 3-4: Tensión de flameo pico U50 obtenida mediante la aplicación de impulsos 
negativos de tensión y en condiciones secas ................................................................................................ 70 
 
 
 
Contenido XVI 
 
Lista de Símbolos y abreviaturas 
 
Abreviaturas 
 
Abreviatura Término 
ASCE American Society of Civil Engineers 
ASTM American Society for Testing and Materials 
IEC International Electrotechnical Comission 
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 
NTC Norma Técnica Colombiana 
ICONTEC 
Instituto Colombiano de Normas Técnicas y 
Certificación 
RETIE Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas 
rms 
Std 
root mean square 
Standard 
 
 
 
 
Introducción 
 
Desde las primeras décadas del siglo XX, la energía eléctrica se ha convertido en una necesidad 
básica para el desarrollo de la humanidad, como consecuencia del crecimiento económico y de 
las necesidades tecnológicas actuales, los sectores industriales, comerciales y residenciales 
demandan cada vez más un suministro de energía eléctrica confiable, eficiente, continuo y con 
la menor cantidad de fallas posibles. 
 
El suministro de energía eléctrica al cliente es realizado mediante las redes de distribución, ya 
sea por medio de líneas aéreas o de cables subterráneos, con tensiones nominales que en 
Colombia se encuentran en el rango de 13.2 kV a 57.5 kV. Las redes aéreas han sido el método 
más usado por las empresas de distribución para suministrar la energía eléctrica en áreas 
urbanas y rurales, esto es debido a su accesibilidad para realizar labores de mantenimiento y 
por ventajas en la expansión con construcción de redes de bajo costo. 
 
De esta manera, las estructuras como postes y crucetas son esenciales para soportar las redes 
de distribución aéreas. Por lo cual, y en el contexto de la industria colombiana, los postes de 
madera y de concreto, así como las crucetas de acero y de madera, han sido los materiales 
tradicionales para la construcción que han empleado los operadores de red, como 
consecuencia de esto la normatividad colombiana, dirigida por del ICONTEC, dispone desde 
principios de la década de 1970 de normas de producto para este tipo de estructuras. 
 
Por otro lado, como una industria reciente en Colombia, existe disponibilidad en el mercado 
de postes de acero y de fibra de vidrio1, con un consumo con demanda incremental desde el 
 
 
1 El término fibra de vidrio es empleado a lo largo de este trabajo para referirse a materiales compuestos 
de matriz polimérica y reforzados con fibra de vidrio. 
2 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
año 2013. Además, en la actualidad, existe como complemento a la estructura la opción de 
crucetas de fibra de vidrio. Dada la novedad de estas estructuras para la construcción de redes 
de distribución, las cuales han sido en algunas circunstancias alternativas eficientes a las 
estructurastradicionales, dado que ofrecen ciertas ventajas relacionadas en aspectos como su 
bajo costo en el transporte, facilidades en su instalación, optimización del almacenamiento, 
entre otras, aún la normatividad aplicable a estas estructuras es incipiente. 
 
Las redes de distribución propiedad de EPM2 han sido construidas, en su mayoría, utilizando 
elementos de soporte fabricados con materiales que contienen en su estructura acero, esto es, 
postes de concreto reforzado o crucetas de acero galvanizado; ante esta situación, y sumado a 
que gran parte del territorio colombiano está situado en regiones geográficas de alta densidad 
de descargas atmosféricas, el aislamiento de las redes aéreas de distribución se ve altamente 
exigido afectando la confiabilidad del sistema eléctrico. 
 
Las redes áreas son altamente vulnerables a sobretensiones originadas por descargas 
eléctricas atmosféricas, las cuales han sido consideras como las causantes de la mayor cantidad 
de fallas, ocasionando daños en equipos e interrupciones en el suministro del servicio. Dada la 
característica aleatoria de este fenómeno, su alta liberación de energía en instantes rápidos de 
tiempo, adicional al bajo nivel de aislamiento empleado en las redes de distribución 
comparado con el usado en líneas transmisión, hace que estimar el desempeño del aislamiento 
de las redes de distribución, sea un gran reto. 
 
De esta manera, para asistir al diseño del aislamiento y a la protección contra rayos, en el año 
1997 fueron publicadas dos normas por IEEE, la guía para el mejoramiento del desempeño de 
las líneas aéreas de distribución ante descargas atmosféricas3, y la guía para el mejoramiento 
del desempeño de las líneas de transmisión ante descargas atmosféricas4, documentos más 
conocidos como IEEE Std 1410 e IEEE Std 1243, respectivamente. La IEEE Std 1410, ha sufrido 
 
 
2 http://www.grupo-epm.com 
3 Traducción realizada por el autor, texto original: Guide for Improving the Lightning Performance of 
Electric Power Overhead Distribution Lines. 
4 Traducción realizada por el autor, texto original: Guide for Improving the Lightning Performance of 
Transmission Lines. 
http://www.grupo-epm.com/
Introducción 3 
 
dos actualizaciones en los años 2004 y 2010, en contraste, su homóloga para líneas de 
transmisión no ha tenido ninguna modificación desde su lanzamiento. Las revisiones de la guía 
IEEE Std 1410, han incorporado los resultados de las investigaciones más relevantes 
publicadas a partir del año 2004. Como una de las recomendaciones más importantes de la 
IEEE Std 1410 para mejorar el desempeño de las redes de distribución ante de descargas 
atmosféricas, está el uso de estructuras como postes y crucetas de material con propiedades 
dieléctricas, como la madera o la fibra de vidrio, con el objetivo de servir de aislamiento 
suplementario, es decir, aislamiento adicional al aportado por los propios aisladores. De esta 
manera, se aprecia que, aunque el principal objetivo de los postes y crucetas es el de servir 
como soporte mecánico de la red eléctrica, materiales estructurales con características 
dieléctricas pueden, adicionalmente, servir como aislamiento suplementario. 
 
Diferente al diseño de líneas de transmisión, donde existe un proyecto específico para cada 
línea, las redes de distribución son construidas a partir de normas predefinidas. Esto se explica 
por la enorme cantidad de redes de distribución existentes en una compañía de distribución 
típica, si se compara con la cantidad de líneas de transmisión o subtransmisión. De esta 
manera, se hace necesario que los ingenieros responsables de la elaboración de las normas de 
construcción de las redes de distribución, tengan un conocimiento del comportamiento 
mecánico y eléctrico de las diferentes opciones o alternativas de materiales estructurales 
existentes en el mercado, y más aún, cuando algunos de estos materiales son relativamente 
nuevos o cuentan con escasa normatividad nacional. 
 
Objetivo del trabajo 
Evaluar a través de comparaciones computacionales y experimentales, el comportamiento 
mecánico y eléctrico de elementos estructurales no tradicionales, como postes y crucetas de 
fibra de vidrio y postes de acero, con el propósito de apoyar tanto el diseño mecánico como del 
aislamiento eléctrico de las redes de distribución de energía eléctrica. 
 
4 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
Objetivos específicos 
 Realizar un diagnóstico y una contextualización de las redes objeto del estudio, efectuando 
una revisión de la normatividad nacional e internacional aplicable a las estructuras de 
soporte de redes de distribución como postes y crucetas de diferentes materiales. 
 Realizar simulaciones mecánicas empleando el método de elementos finitos, comparando 
los comportamientos asociados a las características inherentes de cada material y 
determinando las variaciones, nivel de certidumbre y capacidad de modelación actual con 
respecto a mediciones reales. 
 Realizar ensayos eléctricos experimentales a frecuencia industrial y con tensión de 
impulso tipo descarga atmosférica, que permitan ilustrar la importancia de considerar en 
el diseño del aislamiento materiales dieléctricos como la madera o la fibra de vidrio en el 
diseño de redes de distribución. 
 Realizar modelaciones de campo eléctrico mediante el uso del método de elementos 
finitos, que permitan ilustrar la distribución de campo y potencial cuando se emplean 
materiales dieléctricos en la construcción de redes de distribución. 
 
 
 
1. Estructuras de soporte: contextualización y 
revisión de la normatividad 
1.1 Introducción 
Los sistemas de distribución, ya sea que pertenezcan a empresas privadas o estatales, son uno 
de los componentes más importantes de los sistemas eléctricos, y su objetivo es suministrar la 
energía eléctrica a los clientes de una determinada región, con criterios de calidad, 
confiabilidad y seguridad [1]. Un sistema de energía eléctrica, puede ser dividido en cuatro 
niveles: 
 Generación 
 Transmisión 
 Distribución 
 Comercialización 
 
La Figura 1-1, muestra que un sistema eléctrico típico puede tener el 50% de su capital 
aplicado en los sistemas de distribución. 
 
Figura 1-1: Inversiones en un sistema de energía eléctrica [2] 
 
 
6 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
En particular, en el sistema eléctrico de Colombia la energía eléctrica es producida 
principalmente en centrales hidroeléctricas o térmicas, y transmitida a los centros de carga a 
través de las líneas de transmisión y subtransmisión. A partir de subestaciones reductoras, 
denominadas subestaciones de distribución, la energía eléctrica es finamente suministrada a 
pequeños y medianos consumidores mediante las redes de distribución que operan en niveles 
de tensión entre 13.2 kV y 57.5 kV, en los circuitos primarios y con tensiones menores a 1 kV 
en los circuitos secundarios. En la Figura 1-2, se presenta el esquema de la infraestructura 
eléctrica mencionada, igualmente, se detallan los tipos de estructuras más usadas y las 
tensiones más comunes de operación en Colombia [3]. 
 
Figura 1-2: Esquema de la infraestructura eléctrica. Figura adaptada de [4]. 
 
 
 
Capítulo 1 7 
 
Si se compara con las líneas de transmisión, las redes de distribución son más numerosas y 
poseen una topología compleja, como ejemplo de esto, en la Figura 1-3 se presenta un circuito 
típico del sistema de distribución de EPM, circuito ubicado en el municipio de San Rafael 
(oriente del departamento de Antioquia) y que opera a una tensión entre fases de 13.2 kV [5]. 
Los tramos de la red con mayor concentración decarga, son denominados troncales, y los 
tramos que se bifurcan de estos, son llamados ramales. En resumen, el sistema interconectado 
nacional cuenta con 25,014 km de líneas de transmisión entre 110 kV y 500 kV [6], mientras 
que para el año 2010, las redes de distribución con tensión hasta 57.5 kV sumaban 435,225 
km [7]. 
 
Figura 1-3: Topología del circuito R50-02 [5]. 
 
 
 
 
Las redes de distribución en Colombia son en su gran mayoría aéreas, dependiendo en gran 
medida de estructuras de soporte tales como postes y crucetas. Consecuentemente, las 
empresas de distribución destinan un alto porcentaje de su presupuesto para la adquisición 
de estas estructuras., como ejemplo de esto, en la Figura 1-4 se muestra el presupuesto de EPM 
destinado a la compra de materiales y equipos para sus sistemas de distribución. 
 
8 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
Figura 1-4: Presupuesto destinado a la adquisición de materiales y equipos en el sistema de 
distribución de EPM para el año 2015[8]. 
 
 
 
Las principales características de las redes, para los objetivos de este trabajo, son descritas en 
las secciones siguientes. 
1.2 Estructuras 
Las estructuras de soporte de las redes de distribución se componen principalmente de postes, 
crucetas y aisladores y presentan diferentes configuraciones en función del tipo de red, si es 
urbana o rural, o de aspectos técnico económicos. Debido a su gran cantidad, las redes de 
distribución son construidas a partir de normas predefinidas, por este motivo, la mayoría de 
empresas nacionales e internacionales, disponen en sus sitios de internet sus propias normas 
de construcción. Los esquemas presentados en las Figura 1-5 a Figura 1-8 muestran algunos 
de los tipos de estructuras frecuentemente utilizados por EPM en sus redes de 13.2 kV [9]. 
 
La Figura 1-5 muestra la configuración RA3-014, la cual es empleada en redes rurales 
monofásicas. Por su parte, las Figura 1-6 a Figura 1-8 muestran redes urbanas trifásicas en sus 
configuraciones con cruceta al centro, en voladizo y red compacta, respectivamente. 
 
 
 
Capítulo 1 9 
 
Figura 1-5: Estructura RA3-014 [9], típica en redes monofásicas rurales. Fotografía del autor 
 
 
 
 
Figura 1-6: Estructura RA2-001 [9], uso de cruceta al centro de 1500 mm. Fotografía del autor 
 
 
 
 
10 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
 
Figura 1-7: Estructura RA2-021 [9], uso de cruceta en voladizo de 2400 mm. Fotografía del autor 
 
 
 
Figura 1-8: Estructura RA2-302 [9], configuración de red compacta (cable cubierto). Fotografía del 
autor 
 
 
Capítulo 1 11 
 
1.2.1 Postes 
Particularmente en Colombia, las empresas de distribución han empleado por tradición postes 
de concreto para redes urbanas y postes de madera inmunizada5 (eucalipto o pino) para redes 
rurales, estos materiales prevalecieron por décadas en la industria de postes en el país. Debido 
a esta tendencia, la normatividad técnica colombiana dispone de guías que establecen los 
requisitos para el desempeño de estos tipos de postes, como los son las normas NTC 1329 para 
postes de concreto [10], la NTC 1056 para postes de eucalipto [11] y la NTC 2222 para postes 
de pino [12]. 
 
Debido a la entrada en vigencia RETIE [3] en el año 2005 y sus posteriores revisiones, el uso 
de postes de otros materiales como la fibra de vidrio o el acero fue reglamentado. De esta 
manera, la industria nacional de estos tipos de postes entró en desarrollo. Por su parte, los 
operadores de red empezaron percibir las ventajas en el uso de este tipo de postes. 
 
Debido a que pueden ser fabricados en secciones para luego ser ensamblados en el sitio de 
instalación, o por su bajo peso, como muestra la Figura 1-9, los postes de acero y de fibra de 
vidrio, inicialmente representaron una alternativa interesante frente a los postes de madera 
para ser empleados en redes rurales. 
 
Figura 1-9: Manipulación de postes de 10 metros de longitud. Fotografías del autor 
 
(a) Ocho postes seccionados de acero (b) Un poste de fibra de vidrio 
 levantados con grúa transportado por operarios 
 
 
 
5 Madera inmunizada se denomina a aquella que ha sido tratada, con el objetivo de prolongar 
su duración por efectos de pudrición, mediante un proceso de vacío y presión, en el cual se 
utilizan sales inmunizantes como el CCA (Cobre, Cromo y arsénico). 
12 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
No obstante, las ventajas en el transporte de los postes de acero y de fibra de vidrio frente a 
los postes de madera y de concreto son tales, que últimamente, como se muestra en la Figura 
1-10, se evidencia que se han instalado indistintamente postes de acero o de fibra de vidrio, en 
lugar de postes de concreto en zonas urbanas. 
 
Figura 1-10: Aplicación de postes de acero y de fibra de vidrio en redes urbanas. Fotografías del 
autor. 
 (a) Poste de acero (b) Poste de fibra de vidrio 
 
 
Debido a la creciente demanda nacional de postes de fibra de vidrio, el ICONTEC se encuentra 
adelantando un proyecto de norma colombiana [13], la cual establecerá los requisitos de 
desempeño para este tipo de postes. Asimismo, en el contexto internacional, más allá del 
manual ASCE 104 [14], de la norma ANSI C136.20 [15] aplicable a postes de iluminación, o de 
la norma retirada ASTM D4923 [16], se observa carencia de normatividad aplicable a postes de 
fibra de vidrio destinados a redes de distribución. 
 
A pesar de la también demanda incremental de postes de acero por los operadores de red en 
Colombia, aún no existe un proyecto de norma nacional. Además, en el contexto internacional, 
la ASCE Std 48 [17] limita su aplicabilidad solo a postes para líneas de transmisión, excluyendo 
a los postes para redes de distribución en su alcance. 
Capítulo 1 13 
 
Mecánicamente, los postes se caracterizan por su capacidad de soportar una carga transversal 
ubicada en la parte superior del mismo, cuando su parte inferior está restringida o empotrada 
una longitud dada por la Ecuación 1-1. Estando el poste, de esta manera, en una configuración 
en voladizo, tal como se muestra la prueba de flexión estática representada en la Figura 1-11 
adaptada del manual ASCE 123 [18]. 
 
 1-1 
 
Donde: 
L es la longitud total del poste en m. 
 
Siendo las longitudes normalmente empleadas para los postes en el sistema de distribución de 
EPM de 13.2 kV, de 10 metros para redes monofásicas rurales y de 12 metros para redes 
trifásicas. 
 
Es posible encontrar el ensayo de flexión de carga estática transversal especificado o 
referenciado en guías, manuales o estándares para los postes de diferentes materiales. En el 
caso para postes de concreto, en la norma NTC 1329 [10] y en el manual ASCE 123 [18]; para 
postes de madera en las normas NTC 5193 [19] y ASTM D1036 [20]; para postes de fibra de 
vidrio en el manual ASCE 104 [14]; y para postes de acero en la norma ASCE Std 48 [17]. 
 
Figura 1-11: Poste de concreto en un ensayo de flexión de carga estática transversal. Figura 
adaptada de [18] 
 
 
 0.1 0.6eL L
14 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
Figura 1-11 (continuación) 
 
 
Cuando los postes para redes de distribución son ensayados mediante esta prueba, y de 
acuerdo con el RETIE [3], estos se clasifican de acuerdocon su capacidad de soportar cargas 
transversales sin presentar rotura, del mismo modo, normalmente, se emplea un factor de 
seguridad de 2.5 sobre la carga mínima de rotura para definir la carga de servicio [3], [10]. De 
esta manera, en Tabla 1-1 se muestran las cargas de rotura normalizadas por el RETIE [3] y las 
cargas de servicio o de trabajo, empleando el factor de seguridad mencionado. En cuanto a las 
capacidades mecánicas de los postes de mayor uso en EPM se encuentran las cargas de 510, 
750 y 1,050 kgf. 
 
Tabla 1-1: Cargas de rotura normalizadas y cargas de servicio en kgf y sus equivalentes en N para 
los postes, clasificación según RETIE [3] 
 
Carga de rotura en kgf Carga de rotura en N Carga de servicio en kgf Carga de servicio en N 
510 5,001 204 2,000 
750 7,355 300 2,942 
1,050 10,300 420 4,120 
1,350 13,240 540 5,296 
1,800 17,640 720 7,056 
2,000 19,600 800 7,894 
 
Según el RETIE, esta clasificación no aplica para los postes de madera, sin embargo, la norma 
norteamericana ANSI O5.1 [21], aplicable a los postes de madera elaborados con especies 
nativas de países no tropicales, contempla las cargas de rotura mostradas en la Figura 1-12 
Capítulo 1 15 
 
Figura 1-12: Cargas transversales de rotura de los postes de madera, según ANSI O5.1. Figura 
adaptada de [21] 
 
Debido a que la madera en Norteamérica ha sido el material estándar para la construcción de 
postes [22], [23], algunas especificaciones norteamericanas han establecido para los postes de 
acero [24] y concreto [25], sus equivalencias de acuerdo con las cargas horizontales 
normalizadas para los postes de madera en la ANSI O5.1. En el contexto colombiano, el caso ha 
sido distinto, así, la clasificación de las cargas normalizadas para los postes de concreto 
realizada por la NTC 1329 [10] fue adoptada posteriormente por el RETIE con la clasificación 
de cargas de la Tabla 1-1. 
 
Finalmente, en el contexto comercial y técnico, se ha adoptado nombrar los postes por su 
altura en metros y su carga de rotura normalizada en kgf así, por ejemplo, la denominación 
para un poste de 10 m – 510 kgf, hace referencia a un poste de 10 m de altura y 510 kgf de 
carga de rotura normalizada. 
1.2.2 Crucetas 
En Colombia, las crucetas de madera y acero han sido el estándar y las preferidas para la 
construcción de redes de distribución por los operadores de red, por tal motivo, la 
normatividad colombiana dispone de normas que establecen los requisitos para este tipo de 
crucetas, es el caso de las normas NTC 2189 [26] y NTC 2616 [27] para crucetas de madera y 
acero, respectivamente. Como muestra la Figura 1-13, las crucetas de madera son usadas por 
algunos operadores de red en Colombia, sin embargo, EPM suspendió su uso, desde principios 
de la década de 1980, quedando en instalación solo en algunas estructuras antiguas. De esta 
manera, como se aprecia en las Figura 1-6 a Figura 1-8, las redes de EPM son concebidas con 
el uso de crucetas y brazos de acero [27]. 
16 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
 Figura 1-13: Uso de crucetas de madera. Fotografías del autor 
 
 (a) Estructura de uso común en redes de Codensa [28] (b) Estructura antigua en redes de EPM 
 
 
Desde el punto de vista de ensayos mecánicos para el producto terminado, la norma NTC 2616 
para crucetas de acero [27], no ofrece detalles o requisitos necesarios, más allá de los 
requisitos mecánicos de probetas para evaluar la calidad del acero. Por su parte, la norma NTC 
2189 para crucetas de madera [26] hace referencia la norma ASTM D198 [29]. Así, la Figura 
1-14 muestra el arreglo para la prueba de flexión estática establecido por la norma ASTM D198. 
 
En el contexto norteamericano, las crucetas de fibra de vidrio, han sido una alternativa viable 
desde principios de la década de 1990 [30], al uso de las tradicionales crucetas de madera. Sin 
embargo, en Colombia, su uso aún no se ha masificado. Similar al caso de los postes de fibra de 
vidrio, y dadas las ventajas de este tipo de crucetas, como su resistencia a la corrosión en 
ambientes costeros, su bajo peso y las capacidades dieléctricas del material, el ICONTEC se 
encuentra adelantando un proyecto de norma colombiana que establecerá los requisitos de 
desempeño de estas crucetas [31]. Como consecuencia de esto, este proyecto de norma, para 
los ensayos mecánicos, referencia las normas ASTM D6272 [32] y ASTM D6109 [33], las cuales, 
como muestra la Figura 1-15, establecen los métodos de ensayos de cuatro puntos de carga, 
similar al método de ensayo de la norma la norma ASTM D198 [29]. 
 
Capítulo 1 17 
 
Figura 1-14: Configuración para el ensayo de flexión para crucetas de madera. Figura adaptada de 
[29] 
 
 
Figura 1-15: Configuración para el ensayo de flexión establecido por las normas ASTM D6272 [32] 
y ASTM D6109 [33] 
 
Es importante señalar que aparte de lo establecido en el RETIE [3], en su sección de requisitos 
de producto para postes y estructuras para redes de distribución: “Rigidez dieléctrica no menor 
a 8 kV/mm para crucetas de materiales poliméricos”. La normatividad nacional e internacional 
para estructuras, está dedicada a ensayos mecánicos, pruebas de durabilidad en el tiempo y de 
aseguramiento de la calidad. 
1.2.3 Aisladores 
El desempeño eléctrico de los aisladores está asociado a su capacidad para soportar impulsos 
de tensión transitorios [34]. Estos impulsos son caracterizados por la aplicación de una tensión 
aplicada en condiciones de laboratorio, que crece rápidamente hasta el valor de cresta o pico, 
18 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
y después decae más lentamente hasta cero. En general, esta tensión transitoria es 
representada por la suma de dos funciones exponenciales, o más conocida como función doble 
exponencial, la cual es normalizada por los estándares IEEE std 4 [35] e IEC 60060-1 [36] (ver 
Ecuación 1-2). 
 
1-2 
 
Donde: 
k es la constante relacionada con la amplitud de la onda 
α es la constante relacionado con el tiempo de decaimiento 
β es la constante relacionado con el tiempo de crecimiento 
 
Los impulsos pueden ser divididos en impulsos de maniobra, también llamados transitorios 
de frente lento, y los impulsos atmosféricos, o transitorios de frente rápido. Los impulsos 
atmosféricos, poseen un tiempo de frente hasta de 20 µs, y los impulsos de maniobra un tiempo 
de frente mayor a este valor. El impulso atmosférico normalizado es conocido también como 
impulso 1.2/50, el cual posee un tiempo de frente, t1, de 1.2 µs y un tiempo de media onda, t2, 
de 50 µs, estos parámetros son normalizados en estándares nacionales [37] e internacionales 
[38], [39]. La Figura 1-16 muestra la forma de onda de un impulso de tensión normalizado. 
 
Figura 1-16: Forma de onda doble exponencial de un impulso de tensión. [38], [39]. 
 
 
   ( ) ( )t tv t k e e
Capítulo 1 19 
 
La tensión de flameo de impulso crítico (TFIC6) de un aislador, es definida como el valor pico 
de tensión, usualmente en kV, de un impulso atmosférico normalizado, el cual causa flameo en 
el medio circundante del aislamiento en el 50% de aplicaciones [38], también conocida, por la 
notación IEC, como U50 [36]. 
 
Algunos factores tales como la humedad del aire, la lluvia, la contaminación atmosférica, la 
polaridad y la tasa de elevación de la tensión aplicada, la forma y configuración del arreglo, 
afectan el nivel de la ocurrencia del flameo. 
 
Dependiendo del nivel de contaminación, la serie IEC 60815 [40], publicada en el año 2008, 
proporciona una nueva metodología para el dimensionamiento de los aisladores, de acuerdo 
con su distancia de fuga y según el material del aislador. De esta manera,la norma IEC 60815-
2 [41] está dirigida a aisladores de porcelana y vidrio, y la norma IEC 60815-3 [42] a aisladores 
poliméricos. Esta serie de normas reemplazan a la anterior versión IEC 60815 [43] del año 
1986. 
 
Finalmente, en la Tabla 1-2 y en la Tabla 1-3, según su clasificación ANSI [44]–[46], se exponen 
los tipos de aisladores más empleados por EPM en sus redes de distribución de 13.2 kV, 
clasificados de acuerdo con su estándar [47]. 
 
Tabla 1-2: Características de los aisladores pin [47]. 
 
Aislador pin de porcelana Aislador pin polimérico (material: PEAD7) 
 
Clase ANSI [44]: 55-4 
 
Clase ANSI [44]:55-4 
TFIC positivo: 105 kV TFIC positivo: 105 kV 
TFIC negativo: 130 kV TFIC negativo: 130 kV 
Flameo en seco a baja 
frecuencia: 65 kV 
Flameo en seco a baja 
frecuencia: 65 kV 
Flameo en húmedo a baja 
frecuencia: 35 kV 
Flameo en húmedo a baja 
frecuencia: 35 kV 
Distancia de fuga: 229 mm Distancia de fuga: 340 mm 
 
 
 
 
6 Sigla tomada de la normatividad colombiana, en inglés: critical flashover voltage (CFO). 
7 PEAD: polietileno de alta densidad. También conocido por sus siglas en inglés HDPE (high density 
polyethilene) 
20 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
Tabla 1-3: Características de los aisladores de retención [47]. 
 
Cadena de aisladores de porcelana8 
 
 
Clase ANSI [45]:52-1 
TFIC positivo: 100 kV 
TFIC negativo: 100 kV 
Flameo en seco a baja 
frecuencia: 60 kV 
Flameo en húmedo a baja 
frecuencia: 30 kV 
Distancia de fuga: 180 mm 
Aislador polimérico de retención (material: silicona) 
 
 
Clase ANSI [46]:DS-15 
TFIC positivo: 145 kV 
TFIC negativo: 145 kV 
Flameo en seco a baja 
frecuencia: 95 kV 
Flameo en húmedo a baja 
frecuencia: 85 kV 
Distancia de fuga: 410 mm 
 
1.3 Incidencia de descargas atmosféricas 
Las redes aéreas son altamente vulnerables a sobretensiones causadas por descargas 
atmosféricas (DA), de esta manera, la confiabilidad de una línea aérea de distribución depende 
de su exposición a los rayos. Para determinar esta exposición, el diseñador de una línea de 
distribución requiere conocer la densidad de descargas a tierra (DDT), definida como la 
cantidad de DA nube a tierra por unidad de área por unidad de tiempo [48]; generalmente, la 
DDT está dada para un área de 1 km2 durante un año. La DDT es considerada el primer 
indicador de la incidencia de rayos en una región. Típicamente, la DDT puede ser calculada a 
partir de las medidas de contadores de rayos, sistemas de localización de rayos y sistemas 
ópticos instalados en satélites [48], la Figura 1-17 tomada de la guía IEEE Std 1410, muestra la 
actividad de DA registrada como descargas entre nubes y nube a tierra mediante sensores 
ópticos para el continente americano. Comparado con el resto del continente, puede apreciarse 
gran actividad de DA para la zona noroeste de Colombia. 
 
 
8 La imagen muestra dos aisladores en serie, los valores de tabla corresponden a un solo aislador 
Capítulo 1 21 
 
Figura 1-17: Relámpagos capturados por sensores ópticos (km2/año) para el continente Americano 
[48]. 
 
 
Como se mencionó, la DDT puede calcularse de la a partir de la información de la Figura 1-17 
o por los datos del nivel ceráunico9, la guía IEEE Std 1410 [48] incluye resultados de 
investigación en Colombia [49] y recomienda las expresiones dadas por las Ecuaciones 1-3 
para regiones geográficas específicas: 
 
 
1-3 
 
 
 
 
9 El Nivel Ceráunico está dado por el número anual de días de tormenta en un lugar específico. Un día de 
tormenta se define como un día de calendario local durante el cual un trueno es escuchado al menos una 
vez en una ubicación dada [61]. El rango en el que el trueno es audible está alrededor de los 15 km, con 
un rango máximo de 25 km. 
  1.120.024g dN T
  1.120.030g dN T
  1.560.0017g dN T
México: 
Brasil: 
Colombia: 
22 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
Donde: 
Ng es la densidad de descargas a tierra (DDT) 
Td es el nivel ceráunico 
 
Sin embargo, según [48], [50], es recomendable para los diseños de protección contra rayos, 
usar los datos de mediciones de la DDT obtenidos por redes locales. De esta manera, un mapa 
reciente de la DDT para el departamento de Antioquia, es obtenido mediante la red de 
localización de rayos instalada en Colombia y administrada por Keraunos [51], [52], 
información adquirida gracias al convenio de EPM con el proyecto SIATA [53]. La Figura 1-18 
muestra la porción del mapa de la DDT para el departamento de Antioquia para los años 2012 
a 2014, donde puede notarse que las áreas de mayor actividad de rayos están localizadas en 
las regiones Oriente, Magdalena Medio, fronteriza con los departamentos de Santander y 
Caldas, y Bajo Cauca, fronteriza con los departamentos de Bolívar y Córdoba. 
 
Figura 1-18: Densidad de descargas a tierra (DDT) para el departamento de Antioquia para los años 
2012 a 2014. Keraunos - SIATA [51], [53] 
 
Capítulo 1 23 
 
Adicionalmente, mediante la información proporcionada por Keraunos – SIATA [51], [53] es 
posible realizar una ubicación espacial y temporal de las DA con precisiones de 0.0001° y de 
100 ns, respectivamente. A manera de ejemplo, para el circuito R50-02 representado en la 
Figura 1-3, es posible ubicar geográficamente las DA en el recuadro mostrado en la Figura 1-18, 
tal como se aprecia en la Figura 1-19 
 
Figura 1-19: Descargas atmosféricas (marcas de posición amarillas) ocurridas el 21/02/2014 entre 
las 19:06 h y las 19:09 h. 
 
 
 
Con relación a la incidencia de las DA en las redes de media tensión, estas pueden tener un 
efecto significativo en la confiabilidad e índices de calidad de energía de un sistema eléctrico 
[48]. En particular, para las redes de EPM, como muestra la Figura 1-20, el alto valor de la DDT 
en regiones como el Bajo Cauca, ha traído inconvenientes en la operación y mantenimiento, 
donde el personal operativo reporta continuas fallas en aisladores en días de tormenta. 
Además, como un factor de correlación importante de diagnóstico, el circuito 302-014 ubicado 
en zona de influencia del municipio de Cáceres, Bajo Cauca antioqueño, ha sido construido con 
crucetas y postes de acero [54]. 
 
 
24 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
Figura 1-20: Falla de un aislador ANSI 55-4 por causa de actividad de DA en redes de distribución de 
la región Bajo Cauca, circuito 302-014 [54]. 
 
 
Teniendo en cuenta los factores anteriormente mencionados, se evidencia que los índices de 
calidad relacionados con interrupciones del servicio, se ven afectados en regiones con altos 
valores de la DDT. Así, en la Figura 1-21, se muestran los diez circuitos de distribución de EPM 
con el índice de calidad SAIFI10 [55] más elevado, igualmente, se adiciona el correspondiente 
índice de calidad SAIDI11 [55]. De la Figura 1-21, puede apreciarse que ocho de los diez 
circuitos se encuentran ubicados en las regiones de Bajo Cauca y Magdalena Medio [5]. 
 
Figura 1-21: Los diez circuitos de EPM con el índice de calidad SAIFI más elevado. SAIFI acumulado 
entre enero de 2104 y junio de 2016 [5] 
 
 
 
 
10 System Average Interruption Frequency Index (SAIFI) [55] 
11 System Average Interruption Duration Index (SAIDI) [55] 
Capítulo 1 25 
 
Cabe mencionar que las causas de afectación de los índices de calidad son numerosas, 
adicionalmente, no se tiene certeza para indicar conprecisión qué porcentaje de los índices 
presentados en la Figura 1-21 están asociados directamente a DA. De esta manera, la causal 
más cercana asociada a las interrupciones del servicio debido a la influencia de DA es “Apertura 
por condiciones atmosféricas”. La Figura 1-22 muestra los diez circuitos de distribución de 
EPM con el índice de calidad SAIFI más elevado, en el cual solo ha sido considerada la causal 
“Apertura por condiciones atmosféricas”, donde puede apreciarse que siete de los diez 
circuitos se encuentran ubicados en las regiones de Bajo Cauca y Magdalena Medio [5]. 
 
Figura 1-22: Los diez circuitos de EPM con el índice de calidad SAIFI más elevado tomando solo la 
causal “Apertura por condiciones atmosféricas”. Acumulados entre enero de 2104 y junio de 2016 [5] 
 
 
 
Las DA pueden ocasionar interrupciones en los sistemas de distribución. El valor elevado de la 
tensión resultante de una descarga puede provocar la disrupción del aislamiento de la red que 
en la gran mayoría de veces provocará una interrupción del suministro de energía eléctrica 
percibida por los usuarios [56]. Tal interrupción podrá ser temporal o permanente, 
dependiendo de la intensidad de la corriente o el tipo de protección utilizado. En sistemas 
rurales, con protección contra sobrecorriente a través de fusibles, las interrupciones 
permanentes son más frecuentes. Por su parte, en los sistemas urbanos donde son utilizados 
reconectadores, la proporción entre las interrupciones temporales o permanentes dependerá 
del ajuste de estos equipos [57]. 
 
26 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
A diferencia de las líneas de transmisión, que poseen torres de alturas considerables y que 
operan a elevados valores de tensión (ver Figura 1-2), en las redes de distribución, de acuerdo 
con la experiencia y observaciones, consolidadas en la guía IEEE Std 1410 [48], un número 
considerable de los casos de fallas del aislamiento de las estructuras soporte, es provocado por 
tensiones inducidas causadas por DA que impactan lugares próximos a los conductores [48]. 
En contraste, a pesar de ser menos susceptibles a impactos directos por DA, las redes de 
distribución sufren interrupciones del servicio en la gran mayoría de casos en que alguno de 
sus conductores es impactado por una DA, por este motivo, es recomendable que estudios 
técnico económicos sobre los efectos de estas sean también considerados en los proyectos de 
redes de distribución de energía eléctrica [58]. La Figura 1-23, se muestra esquemáticamente 
las regiones próximas a una red de distribución donde la ocurrencia de una DA podría provocar 
una interrupción del suministro de energía. En [57] se proporcionan detalladamente las 
metodologías de cálculo para determinar cuantitativamente estas regiones críticas 
 
Figura 1-23: Regiones susceptibles a interrupciones de servicio. Figura adaptada de [48]. 
 
 
 
1.3.1 Incidencia de descargas atmosféricas directas 
Los impactos directos de DA aunque menos comunes, los efectos dada la magnitud de 
corriente, causan daños más graves que las descargas indirectas. Mientras los postes de la red 
son más altos que el terreno circundante, más DA las podrán impactar directamente [48]. La 
Capítulo 1 27 
 
tasa de impactos de descargas atmosféricas N, en campo abierto, es decir, sin árboles 
significativos o edificios cercanos, se puede calcular mediante la Ecuación 1-4 deducida por 
Eriksson [59]. 
 
1-4 
 
Donde: 
N es el índice de impactos directos caudados por DA (DA/100 km/año) 
Ng es la DDT (DA/km2/año) 
h es la altura del conductor más alto en m (ver Figura 1-23) 
b es el ancho de la estructura en m (ver Figura 1-23) 
 
Refiriéndose a la Figura 1-23, para la mayoría de las redes de distribución, el ancho de la 
estructura b es despreciable (b ≈0) comparado con el radio de atracción, rs [48]. Del mismo 
modo, de la Ecuación 1-4, si la altura de la red de distribución se incrementa en un 20%, el 
índice de impactos directos a la red de distribución aérea aumentaría en un 12%. 
 
La exposición de una red de distribución aérea a las DA depende de la cantidad de estructuras 
adyacentes que sobresalgan por encima del terreno circundante. Las estructuras situadas a lo 
largo de la cima de las montañas, cordilleras, o colinas pueden ser más propensas al impacto 
directo de DA que aquellas apantalladas por características naturales. Por otra parte, los 
árboles y los edificios pueden desempeñar un papel importante en el comportamiento ante DA 
en las redes de distribución en terreno llano. De esta manera, los árboles y los edificios pueden 
interceptar muchos rayos que de otro modo impactarían en la red. 
 
La influencia de los objetos cercanos en el número de impactos directos por DA a una red de 
distribución es expresado mediante un factor de apantallamiento Sf, el cual es definido como 
el valor por unidad del tramo de la red de distribución protegida por los objetos cercanos. La 
Ecuación 1-5, establece el número de impactos por DA que experimenta la red [48]. 
 
𝑁𝑆 = 𝑁(1 − 𝑆𝑓) 1-5 
 
Donde: 
 
  
 
0.628
10
g
h b
N N
28 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
Ns es el número de impactos directos causados por DA en una red apantallada (DA/100 
km/año) 
N es el índice de impactos directos causados por DA en la red considerando terreno 
abierto dado por la Ecuación 1-4 (DA/100 km/año) 
Sf es el factor en por unidad del apantallamiento natural 
 
Un factor de apantallamiento Sf = 0 significa que la red de distribución se encuentra en campo 
abierto, es decir, sin el apantallamiento proporcionado por objetos cercanos. Un factor Sf = 1 
significa que la red de distribución está completamente protegida de DA directas. Sin embargo, 
esto no implica que la red esté totalmente protegida de todos los efectos de las DA. 
 
La Figura 1-24 presenta un valor promedio para calcular aproximadamente los factores de 
apantallamiento para objetos de diferentes alturas y una red de distribución de 10 m de altura. 
Se considera que los objetos están en una fila paralela uniforme a la red de distribución y 
situados a un lado de ella, lo que podría representar una fila continua de árboles o edificios 
paralela a la red de distribución. 
 
Figura 1-24: Factores de apantallamiento Sf debido a objetos cercanos de diferentes alturas para 
una red de distribución aérea de energía de 10 metros de altura. Figura adaptada de [48] 
 
 
Capítulo 1 29 
 
1.3.2 Incidencia de descargas atmosféricas indirectas 
Según datos obtenidos de la experiencia y de observaciones[48][60], dan cuenta que la 
mayoría de las tensiones inducidas a una red de distribución causadas por DA que impactan 
cerca a la red presentan valores inferiores a 300 kV. Las tensiones inducidas tienden a tener 
un ancho de pulso menor comparado con el tiempo de media onda de impactos de DA típicos 
(ver 
Figura 1-16). Según la norma IEEE Std 1410 [48], en el diseño de una red de distribución, se 
requiere que el ingeniero encargado realice evaluaciones detalladas relacionadas con las 
sobretensiones inducidas por las DA, las cuales requieren de una considerable experiencia y 
de destrezas técnicas. Sin embargo, algunas redes de distribución pueden ser diseñadas 
fácilmente teniendo en cuenta algunas estrategias, entre las cuales está considerar un mayor 
nivel de aislamiento, acorde con las condiciones locales de resistividades de los suelos, tal que 
la red pueda soportar las más severas sobretensiones inducidas. De esta manera, un valor de 
TFIC de 300 kV puede ser considerado suficiente para redes en las cuales la resistividad del 
suelo es baja, sin embargo, un valorde TFIC de 420 kV puede ser más apropiado para áreas de 
altas resistividades del suelo, esto es, resistividades del orden de los 1000 Ωm [48]. 
 
Los cálculos de las tensiones inducidas requieren de la disponibilidad de modelos adecuados 
que involucran las ecuaciones de la teoría electromagnética, como un ejemplo de estos 
cálculos, está la metodología publicada en un trabajo previo realizado por el autor [61]. 
 
 
2. Evaluación del comportamiento mecánico de 
estructuras 
En este capítulo se considera la evaluación mecánica de estructuras de soporte como postes y 
crucetas, de esta manera se inicia con una exposición de los fundamentos de la teoría de vigas. 
Posteriormente, se emplean programas comerciales que hacen uso del método de elementos 
finitos para aplicaciones estructurales, con el objetivo de calcular deflexiones de postes 
comerciales de acero y de fibra de vidrio y realizar comparaciones entre estos, ante iguales 
condiciones de carga. Además, se incluyen ensayos experimentales para los tipos de postes 
descritos. Finalmente, se evalúa a través de simulación y ensayos las crucetas de fibra de vidrio. 
 
Se consideran los postes de acero y de fibra de vidrio debido a que están siendo empleados por 
diferentes operadores de red en Colombia como alternativa a los postes tradicionales de 
concreto o de madera; del mismo modo, las crucetas de fibra de vidrio como una opción a 
crucetas de acero o de madera. Otra razón de seleccionar este tipo de estructuras es la carencia 
de la normatividad técnica. 
2.1 Fundamentación de la teoría de vigas 
En aplicaciones mecánicas y estructurales, las vigas son los tipos de componentes 
estructurales más comunes. Una viga es un componente estructural donde su principal función 
es resistir las cargas transversales cuando la misma está sometida a flexión. Del mismo modo, 
una viga se concibe como un elemento donde una de sus dimensiones es considerablemente 
más grande que las restantes dos. Así, la dimensión más grande es la longitud sobre el eje de 
la viga, y las otras dos dimensiones conforman la sección transversal. 
 
La teoría de clásica de vigas de Euler-Bernoulli [62] es usada para formular los modelos 
matemáticos unidimensionales de elementos finitos [63], esta teoría asume: 
32 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 


    
    
        
      
        
11
2 2
1 1
3
2 2
2 2
2 2
ˆˆ 12 6 12 6
ˆˆ 6 4 6 2
ˆ ˆ12 6 12 6
6 2 6 4ˆ ˆ
yy
y y
df L L
m L L L LEI
L L Lf d
L L L Lm
 solamente deformaciones por flexión 
 desprecia deformaciones por esfuerzo cortante 
 considera que la sección transversal permanece constante y perpendicular durante la 
deformación 
 
Para el elemento tipo viga de dos nodos, mostrado en la Figura 2-1, se considera L como la 
longitud del elemento, ubicado en un eje tal que sus coordenadas locales axial y transversal 
son 𝑥 e �̂�, respectivamente. La viga se deforma debido a la acción de fuerzas nodales 𝑓𝑖𝑦 y de 
los momentos flectores nodales �̂�𝑖 , resultando en desplazamientos nodales transversales �̂�𝑖𝑦 
y rotaciones nodales �̂�𝑖 . 
 
Figura 2-1: Elemento tipo viga de longitud L 
 
 
La Ecuación 2-1 es la forma matricial de las ecuaciones que relacionan las fuerzas transversales 
y los momentos flectores con los desplazamientos transversales y rotaciones de un elemento 
tipo viga donde los efectos axiales han sido despreciados [63]. 
 
 
2-1 
 
 
 
Donde: 
E es el módulo de elasticidad del material 
Capítulo 2 33 
 
I es el momento principal de inercia sobre el eje �̂� (donde el eje �̂� es perpendicular a los 
ejes 𝑥 e �̂�) 
 
Así, la matriz de rigidez está dada por la Ecuación 2-2 
 
�̂� =
𝐸𝐼
𝐿3
[
 
 
 
 
 12 6𝐿 – 12 6𝐿
 6𝐿 4𝐿2 – 6𝐿 2𝐿2
– 12 – 6𝐿 12 – 6𝐿
 6𝐿 2𝐿2 – 6𝐿 4𝐿2]
 
 
 
 
 2-2 
 
Para la matriz de rigidez derivada de la teoría de Euler-Bernoulli, se asume que la viga es larga 
y delgada, esto es, la relación L/h es grande, donde h es la profundidad de la viga. Sin embargo, 
para vigas cortas, la deformación transversal por cortante puede ser significativa y su 
contribución puede tener magnitudes comparables con la deformación total de la viga. Se ha 
observado que para vigas de sección rectangular donde L es ocho veces h, la contribución de 
la deflexión por cortante es menos del 5% [64]. 
2.2 El método de los elementos finitos 
El método de los elementos finitos (MEF) es un método numérico empleado para resolver 
problemas de ingeniería y de la física matemática. Para los problemas que involucran 
complejidades relacionadas con geometrías, distribuciones de cargas o propiedades de los 
materiales, generalmente no es posible obtener matemáticamente soluciones analíticas, las 
cuales, en la mayoría de veces, requieren resolver ecuaciones diferenciales. En lugar de 
solucionar las ecuaciones diferenciales, la formulación del problema con elementos finitos, 
resulta en la solución de un sistema de ecuaciones algebraicas simultánea. Así, este método 
numérico, aproxima los valores de las incógnitas en un número discreto de puntos del medio 
continuo. El proceso de discretización consiste en modelar un cuerpo mediante la división del 
mismo en un sistema equivalente de pequeños cuerpos o unidades (elementos finitos) e 
interconectados en puntos comunes (nodos) y líneas o superficies de frontera. En el MEF, en 
lugar de resolver el problema para el cuerpo original en una operación, se formulan las 
ecuaciones para cada elemento finito y estas se combinan para obtener la solución del cuerpo 
completo [63]. 
 
34 Evaluación computacional y experimental del desempeño mecánico y eléctrico 
de estructuras usadas en redes de distribución de energía eléctrica 
 
 
 
La selección de los elementos usados en un análisis de elementos finitos depende de la 
configuración física del cuerpo y qué tan preciso se desean los resultados con respecto al 
comportamiento real del cuerpo cuando es sometido a cargas externas. De esta manera, es 
necesario decidir si es adecuada la idealización con elementos de una, dos o tres dimensiones. 
Además, la selección del elemento más apropiado para un problema particular, es una de las 
principales tareas que deben ser realizadas por el diseñador o analista. La Figura 2-2 muestra 
los elementos usados en el MEF 
 
Figura 2-2: Tipos de elementos usados en el MEF [63] 
 
(a) Elementos de una dimensión. Elemento simple compuesto por dos nodos y elemento de orden 
superior compuesto por tres nodos (usualmente empleados para representar elementos tipo 
barra o viga). 
 
 
(b) Elementos de dos dimensiones. Elementos simples compuestos por nodos en las esquinas y 
elementos de orden superior con nodos adicionales intermedios. 
 
 
(c) Elementos de tres dimensiones. Elementos simples compuestos por nodos en los vértices y 
elementos de orden superior con nodos adicionales intermedios. 
 
 
Capítulo 2 35 
 
El MEF será utilizado en las siguientes secciones para ilustrar la modelación mecánica de 
postes y crucetas. Se empleará la teoría de vigas expuesta en la sección 2.1 y se contrastará los 
resultados con soluciones obtenidas con programas comerciales y elementos de tres 
dimensiones. El MEF es retomado en el capítulo 4 para evaluar el campo electrostático en las 
estructuras. 
2.3 Comportamiento mecánico de los postes 
Teniendo en cuenta que la geometría de los postes es en su mayoría cónica [3], y debido a la 
aplicación de cargas provenientes de la tensión mecánica de los cables, de la acción ejercida 
por el viento o de otras cargas, el desempeño estructural de los postes usados para líneas de 
transmisión o distribución,