Сортовой прокат полоса 3

Сортовой прокат: стальная полоса 3. Технические характеристики, стандарты и применение в электротехнике и энергетике

Стальная полоса, относящаяся к сортовому прокату, является одним из базовых и широко востребованных металлопрокатных изделий. В контексте электротехнической и кабельной продукции, а также смежных областей энергетики, полоса с условной шириной 3 мм (часто обозначаемая в спецификациях как «полоса 3») играет критически важную роль, прежде всего, в качестве материала для изготовления токопроводящих элементов заземляющих устройств — заземляющих полос (шин). Её применение обусловлено оптимальным сочетанием механической прочности, гибкости, коррозионной стойкости и электропроводности.

Классификация и основные стандарты

Стальная полоса 3 мм производится в соответствии с несколькими ключевыми государственными и международными стандартами, которые регламентируют её геометрические параметры, химический состав, механические свойства и условия поставки.

• ГОСТ 103-2006 «Полоса стальная горячекатаная. Сортамент». Это основной документ, определяющий сортамент горячекатаной стальной полосы. Для полосы толщиной 3 мм стандарт устанавливает ряд стандартных ширин: 20, 25, 30, 40, 45, 50, 60, 65, 70, 75, 80 мм и далее. Длина полосы обычно составляет от 2 до 12 метров (мерная или кратная мерная длина), возможна поставка в бухтах.
• ГОСТ 535-2005 «Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия». Стандарт определяет марки стали (Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп…Ст6сп), их химический состав, механические свойства (временное сопротивление σ_в, предел текучести σ_т, относительное удлинение δ). Для заземления часто используют стали марок Ст3.
• ГОСТ Р 58191.1-2018 (МЭК 62561-1:2017) «Компоненты системы молниезащиты. Часть 1. Требования к соединительным элементам» и ГОСТ Р 58191.2-2018 «…Часть 2. Требования к проводникам и заземляющим электродам». Эти стандарты напрямую касаются применения полосы в системах молниезащиты и заземления, предъявляя требования к материалу, сечению, коррозионной стойкости и способам соединения.
• ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок), Глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности». Устанавливают минимально допустимые размеры поперечного сечения заземляющих проводников из стали. Для полосы это 48 мм² при толщине не менее 4 мм, однако на практике для увеличения срока службы и с учетом коррозии часто применяют полосу большего сечения. Полоса 3х40 (120 мм²) или 4х40 (160 мм²) является распространенным выбором.

Материалы изготовления и виды покрытий

В зависимости от условий эксплуатации и требований к долговечности, стальная полоса 3 мм может изготавливаться из разных марок стали и иметь различные защитные покрытия.

• Углеродистая сталь обыкновенного качества (Ст3): Наиболее распространенный и экономичный вариант для изготовления заземляющих полос, используемых в грунтах с нормальной агрессивностью.
• Оцинкованная стальная полоса: На поверхность наносится слой цинка (обычно горячим методом) толщиной от 40 до 200 мкм. Цинковое покрытие обеспечивает катодную защиту стали и значительно увеличивает срок службы в агрессивных средах. Требования к оцинковке регламентируются ГОСТ 9.307-89.
• Полоса из нержавеющей стали (например, 12Х18Н10Т, AISI 304): Применяется в особо агрессивных средах (химическая промышленность, прибрежные зоны с соленым воздухом), а также когда требуется высокая механическая прочность и долговечность без дополнительного обслуживания. Имеет существенно более высокую стоимость.
• Полоса с медным покрытием (плакированная): Стальная основа, покрытая слоем меди. Объединяет механическую прочность стали с высокой электропроводностью и коррозионной стойкостью меди. Является предпочтительным, хотя и дорогим, решением для создания высоконадежных контуров заземления с низким переходным сопротивлением.

Ключевые технические параметры и их расчет

Для корректного проектирования и выбора полосы 3 мм необходимо учитывать ряд взаимосвязанных параметров.

1. Геометрические параметры и масса

Площадь поперечного сечения (S, мм²) является основной характеристикой для расчета электрического сопротивления. Для прямоугольной полосы: S = a b, где a — толщина (3 мм), b — ширина (например, 40 мм). Соответственно, S = 3 40 = 120 мм².
Теоретическая масса 1 метра полосы (M, кг) рассчитывается по формуле: M = S ρ, где ρ — плотность стали (7850 кг/м³ = 0,00785 кг/(мм²м)). Для полосы 3х40: M = 120 мм² 0,00785 кг/(мм²м) = 0,942 кг/м.

Таблица 1. Характеристики горячекатаной стальной полосы толщиной 3 мм (выдержка из ГОСТ 103-2006)

Ширина полосы, мм	Площадь сечения, мм²	Масса 1 метра, кг (теор.)	Момент инерции (Jx), см4	Момент сопротивления (Wx), см3
20	60	0.471	0.045	0.030
30	90	0.707	0.225	0.150
40	120	0.942	0.600	0.400
50	150	1.178	1.250	0.833
60	180	1.413	2.700	1.800
80	240	1.884	12.800	6.400

2. Электрическое сопротивление постоянному току

Удельное электрическое сопротивление стали (ρ_эл) составляет примерно 0.13-0.25 Ом*мм²/м (зависит от марки и состояния). Сопротивление 1 метра полосы (R_1м) рассчитывается как: R_1м = ρ_эл / S.
Для полосы 3х40 из стали с ρ_эл = 0.18 Ом*мм²/м: R_1м = 0.18 / 120 = 0.0015 Ом/м или 1.5 мОм/м. Это сопротивление существенно выше, чем у медных проводников, что компенсируется большим сечением и длиной при устройстве контура заземления.

3. Механические характеристики

Для полосы из стали Ст3 по ГОСТ 535-2005:

• Временное сопротивление (предел прочности) σ_в: 370-480 МПа.
• Предел текучести σ_т: не менее 245 МПа.
• Относительное удлинение δ: не менее 25%.

Эти параметры гарантируют, что полоса выдержит механические нагрузки при монтаже (растяжение, изгиб, удар) и в процессе эксплуатации (напряжения в грунте, температурные деформации).

Основные области применения в энергетике и электротехнике

1. Устройство контуров защитного и рабочего заземления

Это основное применение. Полоса укладывается в траншею на глубину 0.5-0.7 м и соединяет вертикальные заземлители (уголок, труба, стержень) в единый контур вокруг объекта (подстанция, здание). Она служит горизонтальным заземляющим проводником, равномерно распределяя ток утечки или ток молнии в грунте. Ширина полосы (40, 50, 60 мм) выбирается исходя из требуемого сечения по ПУЭ и коррозионного запаса на весь срок службы энергообъекта (25-30 лет и более).

2. Молниезащита (МЗЗ)

В системах молниезащиты по ГОСТ Р IEC 62561 полоса используется в качестве токоотводов, спускающихся по стенам здания, и горизонтальных проводящих элементов на кровле, а также для соединения элементов молниеприемной сетки. К механической прочности и коррозионной стойкости в этом случае предъявляются повышенные требования.

3. Шинопроводы постоянного тока и нулевые защитные проводники (PEN, PE)

В электроустановках до 1000 В стальная полоса может использоваться в качестве главной заземляющей шины (ГЗШ), шины уравнивания потенциалов, а также в качестве нулевого защитного или совмещенного проводника в отдельных случаях, оговоренных ПУЭ. Для этого обязательно наличие надежного (сварного) соединения и защита от коррозии.

4. Конструктивные элементы электротехнических изделий

Полоса 3 мм применяется для изготовления каркасов, кронштейнов, крепежных и монтажных элементов в силовых шкафах, трансформаторных подстанциях (КТП), распределительных устройствах (РУ).

Монтаж, соединения и контроль качества

Надежность заземляющего устройства на 70% определяется качеством монтажа соединений. Основной метод соединения стальных полос — сварка.

• Электродуговая сварка внахлест: Длина шва должна быть не менее ширины полосы, а при двустороннем шве — не менее половины ширины. Перекрытие (нахлест) — минимум две ширины полосы.
• Крестообразное соединение: Полоса приваривается по периметру контакта.
• Запрещены болтовые соединения для подземной части контура, так как они окисляются, увеличивая переходное сопротивление. Болтовые соединения допустимы только в доступных для осмотра и обслуживания местах (например, присоединение к ГЗШ) с обязательной защитой от коррозии.
• После сварки шов должен быть очищен от шлака и покрыт антикоррозионным составом (например, битумным лаком), равно как и вся полоса, если она не оцинкована или не имеет иного покрытия.
• Контроль включает визуальный осмотр целостности шва, измерение переходного сопротивления соединения (микроомметром), а также измерение общего сопротивления растеканию тока всего контура заземления.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Почему для заземления часто используют именно стальную полосу, а не медную шину?

Ответ: Основная причина — экономическая. Стальная полоса существенно дешевле медной при сопоставимой механической прочности. При правильном расчете сечения и коррозионной защиты она обеспечивает требуемое сопротивление заземления на весь срок службы объекта. Медная шина применяется на особо ответственных объектах, в агрессивных грунтах или при ограниченном пространстве, где требуется меньшее сечение из-за высокой проводимости меди.

Вопрос 2: Какое минимальное сечение стальной полосы для контура заземления по ПУЭ 7 изд.?

Ответ: Согласно ПУЭ, табл. 1.7.4, для заземлителей в земле из черной стали минимальное сечение составляет 160 мм² (например, полоса 4х40 или 5х32) при толщине не менее 4 мм. Однако для полосы толщиной 3 мм, которая рассматривается в статье, сечение должно быть не менее 100 мм², но при этом требуется дополнительное обоснование и учет ускоренной коррозии. На практике для надежности почти всегда используют полосу сечением не менее 120-160 мм².

Вопрос 3: Как правильно выбрать между оцинкованной и черной полосой?

Ответ: Выбор зависит от коррозионной агрессивности грунта (определяется измерением удельного сопротивления грунта и его химическим анализом). В нормальных грунтах (удельное сопротивление до 100 Ом*м) допустима черная сталь с окраской битумным лаком. В кислых, щелочных, заболоченных грунтах, а также при требовании к повышенному сроку службы (более 25 лет) обязательно применение оцинкованной или нержавеющей полосы. Оцинковка увеличивает срок службы в 2-5 раз.

Вопрос 4: Можно ли использовать полосу 3х20 для основного контура заземления подстанции 10/0.4 кВ?

Ответ: Нет, категорически не рекомендуется. Сечение 60 мм² не соответствует требованиям ПУЭ (минимум 100-160 мм² для стали). Такая полоса будет иметь повышенное электрическое сопротивление и, что критично, быстро разрушится от коррозии, что приведет к разрыву контура заземления и опасности для персонала и оборудования. Для таких объектов стандартом является полоса сечением не менее 120-160 мм² (например, 4х40, 5х30) с оцинкованным покрытием.

Вопрос 5: Как рассчитать необходимое количество полосы для контура?

Ответ: Длина горизонтального заземлителя (полосы) определяется расчетом сопротивления заземляющего устройства. Исходные данные: требуемое нормируемое сопротивление R_норм (например, 0.5 Ом для подстанции 110 кВ), удельное сопротивление грунта ρ_гр. Используются формулы для расчета сопротивления горизонтального электрода (полосы), уложенной на глубине t. Примерная формула для одиночной полосы длиной L: R_г = (ρ_гр/(πL)) ln(2L²/(b*t)). Для сложного контура в виде сетки расчет ведется по более сложным методикам, описанным в ГОСТ Р 50571.5.54-2013. На практике для типовых объектов часто применяются типовые проекты, где длина уже определена.

Заключение

Стальная полоса толщиной 3 мм, несмотря на кажущуюся простоту, является высокотехнологичным и нормируемым продуктом, от правильного выбора и монтажа которого напрямую зависит электробезопасность, устойчивость работы и долговечность энергетических объектов. Её применение в качестве заземляющего проводника требует тщательного учета стандартов (ГОСТ, ПУЭ), условий эксплуатации (коррозионная активность грунта) и строгого соблюдения технологии монтажа, прежде всего сварных соединений. Выбор в пользу оцинкованной или полосы с медным покрытием, хотя и увеличивает первоначальные затраты, в долгосрочной перспективе обеспечивает значительную экономию на обслуживании и ремонте системы заземления, гарантируя её надежность на протяжении десятилетий.