Полоса

Полоса медная и алюминиевая: технические характеристики, стандарты и применение в электротехнике

Полоса (шинка) представляет собой плоский прокат прямоугольного сечения с закругленными или скошенными краями, изготовленный из электротехнических металлов. В электротехнической и кабельной продукции она выполняет функцию проводника тока, заменяя или дополняя круглые провода и кабели в тех случаях, когда требуются специфические механические, электрические или монтажные свойства. Основными материалами для производства полос являются медь (Cu) и алюминий (Al) и их сплавы, реже — сталь с покрытием.

Материалы изготовления и их свойства

Выбор материала полосы определяется требованиями к проводимости, механической прочности, коррозионной стойкости, массе и стоимости конечного изделия или конструкции.

• Медь (Cu): Наиболее распространенный материал для высоконагруженных токовых шин и заземляющих проводников. Используется медь марок М1, М1М, М2, М3 по ГОСТ 859. Медная полоса обладает наивысшей среди распространенных материалов удельной электрической проводимостью (не менее 58 м/(Ом·мм²) для марки М1). Она устойчива к коррозии, обладает отличной паяемостью и свариваемостью, но имеет высокую плотность (8.94 г/см³) и стоимость.
• Алюминий (Al): Применяется в целях экономии веса и стоимости. Используется алюминий марок АД0, АД00, А5Е, АД31 по ГОСТ 11069. Удельная проводимость алюминия примерно в 1.6 раза ниже, чем у меди (около 36-37 м/(Ом·мм²)), но его плотность в 3.3 раза меньше (2.7 г/см³). Это делает алюминиевую полосу предпочтительной там, где важна масса конструкции. Главные недостатки — склонность к образованию оксидной пленки (требующей специальной обработки контактов), ползучесть под давлением и более низкая механическая прочность по сравнению с медью.
• Сплавы и биметаллы: Для повышения механических характеристик (например, в контактных шинах троллейбусов) применяют дисперсионно-упрочненные сплавы меди (например, CuCrZr) или алюминиевые сплавы (АД31). Биметаллическая полоса (например, сталь-алюминий или сталь-медь) сочетает высокую прочность стального сердечника с хорошей проводимостью внешнего слоя.

Основные стандарты и сортамент

Габаритные размеры и допуски на полосы регламентируются национальными и международными стандартами. В РФ основным документом является ГОСТ 434-78 «Шина медная для электротехнических целей. Технические условия» и ГОСТ 23747-88 «Шины алюминиевые для электротехнических целей. Технические условия». Сортамент определяет номинальные значения ширины (b) и толщины (a).

Таблица 1. Примерный сортамент медной полосы по ГОСТ 434-78 (выдержка)

Ширина b, мм	Толщина a, мм	Площадь поперечного сечения, мм²	Масса 1 метра, кг
20	3	60	0.534
30	4	120	1.068
40	5	200	1.780
60	6	360	3.204
80	8	640	5.696
100	10	1000	8.900

Таблица 2. Примерный сортамент алюминиевой полосы по ГОСТ 23747-88 (выдержка)

Ширина b, мм	Толщина a, мм	Площадь поперечного сечения, мм²	Масса 1 метра, кг
20	3	60	0.162
40	5	200	0.540
80	8	640	1.728
120	10	1200	3.240

Допуски по толщине и ширине строго нормированы. Например, для полос шириной до 120 мм отклонение по толщине составляет ±0.1-0.15 мм, по ширине ±1-2 мм в зависимости от класса точности. Также стандарты устанавливают требования к механическим свойствам (твердость, предел прочности при растяжении), электрическому сопротивлению, состоянию поверхности (отсутствие трещин, расслоений, заусенцев) и допустимой кривизне.

Электрические и механические расчеты

При проектировании шинных конструкций проводятся расчеты по допустимому длительному току, потере напряжения, механической прочности на изгиб и динамической стойкости к токам короткого замыкания (КЗ).

• Допустимый длительный ток: Определяется исходя из площади сечения, материала, условий охлаждения (открытая установка, в коробе, несколько полос в пакете) и допустимого нагрева (обычно +70°C для меди и алюминия в обычном режиме, до +120-130°C в аварийном). Данные приводятся в табличной форме в ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок) и справочной литературе.
• Сопротивление и потери: Активное сопротивление постоянному току R=ρ*l/S, где ρ – удельное сопротивление материала (0.01724 Ом·мм²/м для меди, 0.028 Ом·мм²/м для алюминия), l – длина, S – площадь сечения. Для переменного тока необходимо учитывать поверхностный эффект (эффект вытеснения тока), который увеличивает сопротивление с ростом частоты и сечения.
• Динамическая стойкость: При протекании ударного тока КЗ между параллельными полосами возникают значительные электродинамические силы F = (k iуд² l) / (2
• a), где iуд – ударный ток КЗ, l – длина, a – расстояние между осями шин, k – коэффициент формы. Конструкция шинных мостов и опорных изоляторов должна выдерживать эти силы.

Области применения в электротехнике и энергетике

Медная и алюминиевая полоса является ключевым элементом многих электротехнических систем.

• Распределительные устройства (РУ) и щиты: Основное применение — сборка главных и распределительных шин (шинопроводов) низкого (до 1000 В) и высокого (6, 10, 35 кВ) напряжения. Полосы монтируются на опорных или проходных изоляторах.
• Заземляющие устройства: Полоса используется в качестве горизонтального заземлителя (стальная оцинкованная или медная) и для монтажа проводников защитного заземления и уравнивания потенциалов внутри зданий.
• Токопроводы и троллейные системы: В цеховых электросетях, на крановом оборудовании, в троллейбусах применяются специальные профилированные или плоские полосы, по которым скользят токосъемники.
• Кабельная продукция: В силовых кабелях среднего и высокого напряжения (например, 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена) медная или алюминиевая полоса служит экраном, выравнивающим электрическое поле вокруг жилы. Также полосы используются в качестве нулевой жилы (PEN-проводник) в кабелях.
• Обмотки трансформаторов и реакторов: Прямоугольная полоса (обмоточный провод) применяется для намотки силовых и специальных трансформаторов, где требуется компактная укладка витков и эффективное использование окна магнитопровода.
• Гибкие соединения (шинные перемычки): Наборы тонких медных или алюминиевых полос (плетенки) используются для соединения аппаратов в РУ, где необходима компенсация вибрации, теплового расширения или монтажных неточностей.

Особенности монтажа и соединения

Надежность шинной конструкции на 90% определяется качеством соединений. Для полос применяются следующие методы:

• Болтовое соединение: Наиболее распространенный метод. Требует тщательной подготовки поверхности (зачистка, снятие оксидной пленки у алюминия, нанесение контактной смазки). Используются оцинкованные или латунные болты, шайбы, гроверы. Крутящий момент затяжки регламентируется.
• Сварка: Обеспечивает наименьшее переходное сопротивление и высокую механическую прочность. Для меди применяется аргонодуговая (TIG) или контактная сварка, для алюминия — только аргонодуговая. Требует высокой квалификации сварщика.
• Паяние: Применяется реже, в основном для медных полос в слаботочных или специальных применениях.

При монтаже необходимо соблюдать правила окраски шин: желтый цвет – фаза A, зеленый – фаза B, красный – фаза C, голубой – нулевая рабочая (N), продольные желто-зеленые полосы – защитная (PE) или совмещенная (PEN) шина.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как выбрать между медной и алюминиевой полосой для шинопровода 0.4 кВ?

Выбор является технико-экономическим. Медная полоса имеет меньшие габариты при том же токе, более надежна в соединениях, не подвержена ползучести, но дороже и тяжелее. Алюминиевая требует большего сечения (примерно в 1.6 раза), специальных мер для контактных соединений (прокладки, пасты), но существенно дешевле и легче. При долгосрочной эксплуатации и высоких нагрузках часто предпочтение отдается меди.

Как рассчитать необходимое сечение полосы для заземления?

Сечение защитного проводника (PE) нормируется ПУЭ гл. 1.7. Оно должно быть не менее: 16 мм² для меди, 25 мм² для алюминия, 50 мм² для стали в электроустановках до 1000 В. Для горизонтальных заземлителей в земле минимальные сечения больше: 50 мм² для оцинкованной стали, 40 мм² для черной стали, 25 мм² для меди. Окончательный расчет проверяется на термическую стойкость к току КЗ.

Чем отличается «шина» от «полосы» в терминологии?

В профессиональной среде термины часто используются как синонимы. Однако строго говоря, «полоса» — это вид сортового проката, полуфабрикат. «Шина» — это готовое изделие, выполненное из полосы, установленное в электроустановке и выполняющее функцию проводника. То есть, полосу покупают на складе металлопроката, а шину монтируют в распределительном щите.

Как правильно выполнить переходное соединение медь-алюминий?

Прямой контакт меди и алюминия недопустим из-за гальванической коррозии. Необходимо использовать биметаллические (медно-алюминиевые) переходные шайбы или наконечники, либо соединение через стальной оцинкованный болт с обязательным применением стальных пружинных и плоских шайб. Все алюминиевые поверхности должны быть очищены и покрыты кварцевазелиновой или иной контактной пастой.

Что такое «полоса гибкая» и где она применяется?

Гибкая полоса (шинная плетенка) представляет собой набор множества тонких медных или алюминиевых ламелей, сплетенных или собранных в пакет. Она применяется для соединения подвижных частей оборудования (например, выкатных элементов КРУ), в качестве компенсаторов теплового расширения жестких шин, для подвода тока к мощным электролизерам, в качестве заземляющих спусков с опор ВЛ. Ее ключевое преимущество — способность изгибаться без потери проводимости и выдерживать многократные деформации.

Как контролировать качество полосы при приемке?

При визуальном контроле проверяют отсутствие раковин, расслоений, заусенцев, резкой коррозии. Штангенциркулем замеряют толщину и ширину в нескольких точках для проверки соответствия сортаменту и допускам. Запросить у поставщика сертификат качества, где указаны марка материала, удельное электрическое сопротивление, результаты механических испытаний. Для ответственных применений возможен выборочный лабораторный анализ.