Полоса стальная

Полоса стальная: технические характеристики, стандарты и применение в электротехнике

Полоса стальная, также известная как стальная шина, представляет собой продукт сортового металлопроката с прямоугольным сечением, где толщина значительно меньше ширины. В электротехнической и кабельной промышленности она является ключевым элементом для передачи и распределения электрической энергии, выполнения заземляющих контуров, а также в качестве конструкционного материала для силовых распределительных устройств (РУ), комплектных распределительных устройств (КРУ) и токопроводов.

Технология производства и сырье

Производство стальной полосы осуществляется методом горячей или холодной прокатки на специализированных станах. Для электротехнических применений, где критически важна электропроводность, используется низкоуглеродистая сталь марок, регламентированных стандартами. Основные марки стали включают Ст3сп, Ст3пс, 08кп, 10кп, 20. Иногда для повышения коррозионной стойкости применяется оцинкованная стальная полоса, где защитный слой цинка наносится методом горячего цинкования или гальваническим способом. Качество поверхности регламентируется: не допускаются раковины, плёны, трещины. Допустимы незначительные вмятины, следы от валков и окалина, не выводящие размеры за предельные отклонения.

Ключевые стандарты и нормативная база

Основным документом, определяющим сортамент, технические условия и методы испытаний стальной полосы общего назначения, является ГОСТ 103-2006 «Полоса стальная горячекатаная. Сортамент». Для полос, используемых в качестве гибких токопроводящих элементов (например, в гибких кабелях), применяется ГОСТ 3565-73 «Лента стальная холоднокатаная для бронирования кабелей». Для полос, используемых в заземляющих устройствах, руководствуются требованиями ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок) гл. 1.7 и стандартами серии ГОСТ Р 50571.

Сортамент и основные размеры (на основе ГОСТ 103-2006)

Сортамент горячекатаной стальной полосы характеризуется широким диапазоном размеров. Ширина полосы варьируется от 10 до 200 мм, толщина – от 4 до 60 мм. Длина поставляемой полсы бывает мерной, кратной мерной, немерной и ограниченной в пределах немерной. Точность прокатки делится на классы: повышенной (А), нормальной (Б) и обычной (В) точности.

Таблица 1. Примеры типоразмеров стальной полосы и расчетная масса 1 метра

Электротехнические характеристики и расчет параметров

Главными электротехническими параметрами стальной полосы являются электрическое сопротивление постоянному току и допустимая токовая нагрузка. Удельное электрическое сопротивление стали (ρ) значительно выше, чем у меди или алюминия, и составляет примерно 0.13 Ом·мм²/м (для стали Ст3), что влияет на выбор сечения для токопроводящих шин.

Расчет сопротивления: Сопротивление полосы постоянному току вычисляется по формуле R = ρ

• L / S, где L – длина в метрах, S – площадь поперечного сечения в мм².

Допустимая токовая нагрузка: Определяется исходя из условий нагрева. Для стальных шин она нормируется в ПУЭ и зависит от сечения, способа прокладки (открытая, в трубе) и режима работы (длительный, кратковременный). Из-за высокого удельного сопротивления и склонности к нагреву, стальная полоса для передачи больших токов используется реже медной или алюминиевой, но остается незаменимой в цепях заземления и в условиях, где важна механическая прочность.

Таблица 2. Примерные допустимые длительные токи для стальных шин при открытой прокладке (+70°C на поверхности)

Сечение полосы, мм² (Ширина x Толщина)	Допустимый ток, А
20×4 (80 мм²)	~125
40×4 (160 мм²)	~210
60×6 (360 мм²)	~400
80×8 (640 мм²)	~600

Области применения в электроэнергетике и кабельной технике

1. Устройства защитного заземления и выравнивания потенциалов

Это основная сфера применения. Полоса используется в качестве:

• Горизонтального заземлителя: укладывается в траншею на глубину 0.5-0.7 м для создания контура заземления подстанций, зданий, опор ВЛ.
• Замыкающей шины (главной заземляющей шины – ГЗШ): устанавливается в вводно-распределительных устройствах для объединения всех проводников заземления и уравнивания потенциалов.
• Проводника системы уравнивания потенциалов: для соединения металлических конструкций, трубопроводов, корпусов оборудования с целью предотвращения появления опасной разности потенциалов.

2. Токопроводящие элементы распределительных устройств

В РУ и КРУ стальная полоса (шина) применяется для сборки шинных мостов, ответвлений на аппараты, где передаваемые токи относительно невелики, но требуется высокая механическая жесткость и устойчивость к динамическим нагрузкам (например, при коротких замыканиях). Часто используется в комбинации с медными или алюминиевыми шинами.

3. Бронирование кабелей

Холоднокатаная стальная лента (полоса) по ГОСТ 3565-73 накладывается спиральной или продольной обмоткой поверх герметизированной оболочки силовых кабелей (типы Б, Бн, БбШв и др.). Функции:

• Защита от механических повреждений (удары, сдавливание, грызуны).
• Повышение стойкости к электромагнитным воздействиям.
• Частичная защита от растягивающих усилий.

Толщина бронеленты стандартизирована (0.3 мм, 0.5 мм, 0.8 мм) и выбирается в зависимости от диаметра кабеля и условий прокладки.

4. Конструкционные элементы

Полоса служит материалом для изготовления кронштейнов, каркасов, монтажных пластин, корпусов щитового оборудования благодаря своей прочности, доступности и легкости обработки (резка, гибка, сварка).

Монтаж, обработка и соединение

Монтаж стальной полосы предполагает следующие операции:

• Резка: выполняется гильотинными ножницами, абразивно-отрезными станками или газопламенной резкой для толстых полос.
• Гибка: производится в холодном состоянии на листогибочных прессах или с использованием специальных приспособлений. Минимальный радиус изгиба нормируется и зависит от толщины и марки стали.
• Сверление: необходимо для болтовых соединений с другими элементами конструкции или заземляемым оборудованием.
• Соединение:
  • Сварка (предпочтительный способ для заземления): применяется дуговая сварка, обеспечивающая неразъемное соединение с низким переходным сопротивлением. Длина шва должна быть не менее ширины полосы.
  • Болтовое соединение: используется для разъемных соединений в шинных сборках. Требует зачистки поверхности до металлического блеска, обработки токопроводящей пастой и применения пружинных шайб для предотвращения ослабления контакта.
• Антикоррозионная защита: места сварки и соединений после монтажа должны быть покрыты влагостойкими лакокрасочными материалами, устойчивыми к электрохимической коррозии. Оцинкованная полоса не требует дополнительной защиты.

Контроль качества и приемка

Приемка партии стальной полосы осуществляется по следующим параметрам:

• Соответствие геометрических размеров (ширина, толщина, кривизна) требованиям ГОСТ.
• Качество поверхности (отсутствие недопустимых дефектов).
• Механические свойства (предел прочности, относительное удлинение) – проверяются по сертификатам производителя или выборочными испытаниями.
• Для оцинкованной полосы – контроль толщины и целостности цинкового покрытия.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается стальная полоса для заземления от обычной горячекатаной?

Специальной «полосы для заземления» как отдельного вида в стандартах не существует. Для заземления используется обычная горячекатаная полоса по ГОСТ 103-2006 из низкоуглеродистой стали. Ключевое требование – достаточное сечение, соответствующее ПУЭ (для главной заземляющей шины не менее 100 мм², для горизонтальных заземлителей – не менее 160 мм² при толщине не менее 4 мм). Предпочтение отдается оцинкованному прокату для увеличения срока службы в грунте.

Как рассчитать необходимое сечение стальной полосы для контура заземления?

Сечение выбирается не по току, а по требованию к коррозионной стойкости и механической прочности. Согласно ПУЭ 1.7.102-1.7.110, сечение горизонтальных заземлителей из черной стали должно быть не менее 160 мм² при толщине 4 мм (например, полоса 40х4 мм). Для агрессивных грунтов сечение увеличивается. Электрическое сопротивление контура в целом зависит от его геометрии, количества электродов и удельного сопротивления грунта, а не от сечения полосы, если оно соответствует минимальным нормам.

Почему для токопроводящих шин чаще используют медь или алюминий, а не сталь?

Удельное электрическое сопротивление стали (0.13 Ом·мм²/м) на порядок выше, чем у алюминия (0.028) и меди (0.017). При одинаковом токе и длине стальная шина будет иметь в 5-8 раз большие потери на нагрев (P = I²R). Для передачи одной и той же мощности с одинаковым уровнем потерь стальная шина потребует значительно большего сечения и массы, что экономически и конструкционно нецелесообразно. Сталь применяется там, где токи невелики, но важна прочность или функция заземления.

Можно ли использовать стальную полосу в качестве нулевого защитного (PE) или совмещенного (PEN) проводника?

Да, но с жесткими ограничениями по ПУЭ (п. 1.7.123, 1.7.126). Стальная полоса может быть использована в качестве открытой проводящей части, выполняющей функцию PEN- или PE-проводника, например, в виде каркаса или оболочки. В качестве изолированного PEN-проводника сечение стальной полосы должно быть не менее 50 мм² по меди, что делает такое применение крайне редким на практике. Предпочтение всегда отдается медным или алюминиевым проводникам.

Как правильно выполнить сварное соединение двух полос при монтаже контура заземления?

Соединение выполняется внахлест. Длина сварного шва должна быть не менее ширины полосы (для полосы 40 мм – шов длиной 40 мм), а при двустороннем шве – не менее 4-х толщин (для толщины 4 мм – 16 мм). Предварительно место сварки зачищается. Используется ручная дуговая сварка (электроды, например, АНО-4, УОНИ-13/45) или полуавтоматическая в среде защитных газов. После остывания шов очищается от шлака и покрывается битумным или другим антикоррозионным составом.

Каков срок службы стальной полосы в грунте и как его увеличить?

Срок службы черной (неоцинкованной) стали в грунте в зависимости от агрессивности почвы составляет 10-25 лет. Цинковое покрытие увеличивает этот срок до 25-40 лет. Максимальную долговечность (50 лет и более) обеспечивает использование полосы с электрохимической катодной защитой или полосы, покрытой медным слоем (биметалл), однако последняя имеет существенно более высокую стоимость.

Существуют ли альтернативы стальной полосе в системах заземления?

Да, альтернативами являются:

• Круглая стальная оцинкованная проволока (катанка) диаметром не менее 10 мм.
• Стальной уголок или труба – используются в качестве вертикальных заземлителей.
• Гибкие медные проводники в ПВХ изоляции – для внутренних систем уравнивания потенциалов и соединения с оборудованием.
• Голые медные проводники (проволока, шины) – применяются в ответственных установках, на энергообъектах, где требуется высокая коррозионная стойкость и низкое сопротивление.

Выбор зависит от проекта, условий эксплуатации и бюджета.