Стальная полоса шириной 20 мм
Стальная полоса шириной 20 мм: технические характеристики, стандарты и области применения в электроэнергетике
Стальная полоса шириной 20 мм является одним из базовых и критически важных видов металлопроката, широко применяемым в электротехнической и кабельной промышленности, а также в смежных отраслях энергетики. Её основное функциональное назначение – выполнение роли проводника электрического тока, элемента заземляющего устройства, конструктивного армирующего или экранирующего компонента. Данная ширина является стандартной и оптимальной для множества задач, сочетая достаточное поперечное сечение для проведения требуемых токов с удобством монтажа и гибкостью.
1. Технические характеристики и стандартизация
Полоса стальная шириной 20 мм изготавливается в соответствии с рядом межгосударственных и национальных стандартов, которые регламентируют её геометрические параметры, химический состав, механические и электрические свойства.
1.1. Основные стандарты
- ГОСТ 103-2006 «Полоса стальная горячекатаная»: Основной стандарт, определяющий сортамент (размеры), предельные отклонения по ширине, толщине, кривизне. Для ширины 20 мм стандартом предусмотрен ряд толщин.
- ГОСТ 859-2001 «Медь. Марки»: Хотя стандарт относится к меди, омеднённая стальная полоса (см. ниже) использует марки меди по этому ГОСТу.
- Стандарты на кабельную продукцию (ГОСТ 31996-2012, серии ТУ): Требования к стальной омеднённой или оцинкованной полосе, используемой в качестве экрана или брони в силовых кабелях.
- ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок), глава 1.7: Устанавливают требования к материалам, сечениям и соединениям проводников защитного заземления и уравнивания потенциалов, где часто применяется полоса 20х4 мм.
- Сталь углеродистая обыкновенного качества (Ст3сп, Ст3пс): Базовая марка для заземляющих устройств. Требует защиты от коррозии (окраска, кроме мест контакта с землёй).
- Сталь оцинкованная: Наиболее распространённый вариант для наружного монтажа и прокладки в грунте. Цинковое покрытие (чаще всего термодиффузионное или горячее цинкование) значительно увеличивает срок службы в агрессивных средах. Толщина покрытия нормируется (например, от 9 до 40 мкм по ГОСТ 9.307-89).
- Стальная омеднённая полоса (СОП): Ключевой материал для современной кабельной продукции и высоконадёжного заземления. Стальная основа (обычно низкоуглеродистая) обеспечивает механическую прочность, а гальванически нанесённый слой меди (толщиной от 0.05 до 0.25 мм) создаёт превосходную электропроводность поверхности, коррозионную стойкость и обеспечивает возможность пайки. Ширина 20 мм часто встречается в экранах кабелей среднего напряжения.
- Нержавеющая сталь (например, 12Х18Н10Т): Применяется в особо агрессивных средах (химическая промышленность, прибрежные зоны). Имеет высокую стоимость, но максимальную долговечность.
- Горизонтального заземлителя: Укладывается в траншею на глубину 0.5-0.7 м для соединения вертикальных электродов (уголков, стержней) и создания непрерывного контура.
- Заземляющего проводника: Служит для вывода заземления от контура к распределительному устройству (РУ) или заземляемой шине (ГЗШ). Прокладывается открыто по конструкциям или в земле.
- Полосы уравнивания потенциалов (ДСУП, ОСУП): Для соединения всех проводящих частей здания (трубопроводы, корпуса, вентиляция) с целью предотвращения возникновения опасной разности потенциалов.
- Броневой покров: Полосы (чаще оцинкованные) накладываются в виде спиральной обмотки поверх защитных покровов. Они защищают кабель (например, СБ, СБл) от механических повреждений: растяжения, ударов, грызунов. Ширина 20 мм является типовой для кабелей средних сечений.
- Экран: Омеднённая стальная полоса (СОП) шириной 20 мм применяется в качестве экрана в силовых кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) на напряжения 6, 10, 20 кВ. Экран выполняет функции:
- Выравнивание электрического поля вокруг жилы.
- Защита от внешних электромагнитных помех.
- Обеспечение пути для тока короткого замыкания.
- Защита от коронного разряда.
- Шины заземления (PE) или нулевой защитной (PEN): Внутри шкафов и щитов.
- Перемычек: Для соединения аппаратов, установленных на рейке.
- Элементов токопроводов: При сборке нестандартных токовых paths, где требуется гибкость формы.
- Чёрная сталь (Ст3): 10-15 лет (сильно зависит от агрессивности грунта).
- Оцинкованная сталь: 25-30 лет.
- Омеднённая сталь: 40 лет и более (медь пассивируется, создавая стойкий слой).
- Сварка: Предпочтительный метод для неразъёмных соединений в контуре заземления. Для оцинкованной полосы рекомендуется использовать электроды с рутиловым покрытием, обеспечивающие качественный шов при наличии цинка. Для омеднённой – сварка в среде защитных газов или контактная сварка.
- Болтовые соединения: Применяются для присоединения полосы к оборудованию, шинам или для создания разъёмных соединений. Требуют зачистки контактных поверхностей до металлического блеска, обработки токопроводящей пастой и защиты от окисления (герметизация).
- Пайка: Актуальна для омеднённой полосы при подключении экранов кабелей.
- Прокладка: При укладке в траншею полоса должна плотно прилегать к грунту. Изгибы выполняются с радиусом, исключающим образование трещин (не менее 10-кратной ширины для стали).
- Геометрическим параметрам (ширина, толщина, прямолинейность).
- Качеству поверхности: Отсутствие окалины, трещин, расслоений. Для оцинкованной – целостность покрытия (контроль толщины магнитным методом). Для омеднённой – толщина и адгезия медного слоя (испытание на изгиб, нагрев).
- Механическим свойствам (при необходимости): Временное сопротивление разрыву, относительное удлинение.
- Электрическому сопротивлению (для СОП): Удельное электрическое сопротивление материала.
- √t, где I – ток однофазного КЗ, t – время отключения, е – коэффициент, зависящий от материала (для стали ~70). Обычно для полосы 20х4 это условие выполняется с запасом.
1.2. Сортамент и вес
Наиболее распространённые сочетания ширины 20 мм с толщиной, применяемые в энергетике:
| Ширина, мм | Толщина, мм | Площадь поперечного сечения, мм² | Масса 1 метра, кг (приблизительно) | Типовое применение |
|---|---|---|---|---|
| 20 | 3 | 60 | 0.471 | Внутренние контуры уравнивания потенциалов, элементы конструкций. |
| 4 | 80 | 0.628 | Наиболее распространённый размер для заземления: заземляющие проводники, горизонтальные заземлители (полосовая сталь). | |
| 5 | 100 | 0.785 | Заземление мощных установок, ответственные соединения, требующие повышенной механической прочности. |
Предельные отклонения по ширине для полосы обычной точности прокатки по ГОСТ 103-2006 составляют ±0.5 мм при толщине от 3 до 5 мм.
1.3. Материалы и покрытия
2. Области применения в электроэнергетике и кабельной промышленности
2.1. Устройства защитного заземления (УЗ)
Полоса 20х4 мм – стандартный материал для монтажа контура заземления. Она используется в качестве:
2.2. Кабельная промышленность
В конструкции кабелей стальная полоса шириной 20 мм выполняет две основные функции:
2.3. Шинопроводы и распределительные устройства
В низковольтных комплектных устройствах (НКУ) и шинопроводах полоса может использоваться в качестве:
3. Расчет и проектирование. Ключевые параметры
3.1. Электрическое сопротивление
Сопротивление постоянному тока для стальной полосы значительно выше, чем для медной той же геометрии, что обусловлено удельным сопротивлением стали (ρ ~ 0.13 Ом·мм²/м для низкоуглеродистой стали против 0.0175 для меди). Для полосы 20х4 мм (S=80 мм²) сопротивление составляет примерно 0.001625 Ом/м. Однако для заземления критично сопротивление растеканию всего контура, которое зависит в первую очередь от удельного сопротивления грунта и длины полосы-заземлителя.
3.2. Допустимый длительный ток
Определяется условиями нагрева. Для стальной полосы он существенно ниже, чем для медной. Ориентировочные значения (при +70°C на поверхности, окружающая среда +25°C):
| Сечение, мм² (ШхТ) | Допустимый ток для стальной полосы, А | Допустимый ток для медной шины аналогичного сечения, А |
|---|---|---|
| 20×4 (80 мм²) | ~210 | ~310 |
| 20×5 (100 мм²) | ~250 | ~365 |
Внимание! Точные значения должны браться из ПУЭ (Таблица 1.3.4 для стальных проводников) или расчётных справочников с учётом условий прокладки.
3.3. Коррозионная стойкость и срок службы
Это определяющий фактор при выборе материала для прокладки в грунте. Срок службы до первого капитального ремонта (по РД 34.21.122-87):
4. Монтаж и соединения
Качество монтажа напрямую влияет на надёжность и долговечность системы.
5. Контроль качества и приёмка
При поставке и перед монтажом полоса должна проверяться на соответствие:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В1: Почему для заземления часто выбирают именно полосу 20х4 мм, а не круглую сталь?
Полоса 20х4 мм имеет большую площадь поверхности контакта с грунтом при сравнимом поперечном сечении с круглым проводником. Это снижает сопротивление растеканию тока, особенно в поверхностных слоях грунта, где плотность тока максимальна. Кроме того, полосу проще монтировать (укладывать в траншею, приваривать к конструкциям).
В2: Можно ли использовать чёрную (неоцинкованную) полосу для контура заземления в грунте?
Да, ПУЭ это допускает. Однако срок службы такого контура будет ограничен скоростью коррозии, которая в большинстве грунтов высока. Экономия на материале нивелируется затратами на более частые ремонты и диагностику. Использование оцинкованной или омеднённой полосы является рекомендуемой современной практикой для ответственных объектов.
В3: Как правильно соединять оцинкованную полосу между собой и с другими элементами контура?
Надёжнее всего – сварка. Место сварного шва необходимо после остывания очистить от шлака и покрыть антикоррозионным составом на основе цинка (цинк-наполненный грунт, краска) для восстановления защиты. Болтовые соединения также допустимы, но требуют регулярного контроля на предмет ослабления контакта и коррозии.
В4: В чём принципиальное отличие омеднённой полосы от просто медной?
Омеднённая стальная полоса (СОП) – это биметаллическое изделие. Оно сочетает высокую механическую прочность и относительно низкую стоимость стальной основы с превосходной электропроводностью и коррозионной стойкостью медного покрытия. Цельномедная полоса мягче, дороже и применяется там, где критична именно максимальная проводимость (например, шины заземления внутри РУ высокого напряжения). СОП – оптимальное решение для прокладки в грунте и в качестве экрана кабеля.
В5: Как рассчитать необходимое сечение полосы для контура заземления?
Сечение выбирается, исходя из двух критериев по ПУЭ гл. 1.7:
1. Механическая прочность: Для заземлителей, не подверженных коррозии, минимальное сечение составляет 48 мм² (например, 20х2.5, но такая толщина нестандартна). Для оцинкованных – 72 мм², для чёрных – 100 мм². Полоса 20х4 (80 мм²) удовлетворяет требованию для оцинкованной.
2. Термическая стойкость при коротком замыкании: Сечение проверяется по формуле: S ≥ (I / е)
В6: Каковы требования к глубине прокладки горизонтальной полосы-заземлителя?
Согласно ПУЭ и ГОСТ Р 50571.5.54-2013, глубина заложения должна быть не менее 0.5 м. На пахотных землях – не менее 1 м. На практике, для защиты от механических повреждений и снижения влияния промерзания/высыхания грунта, рекомендуется глубина 0.7-0.8 м.
Заключение
Стальная полоса шириной 20 мм, особенно в исполнении 20х4 мм, представляет собой универсальный, стандартизированный и технологичный материал, без которого невозможно строительство современных и безопасных электроустановок. От правильного выбора её типа (оцинкованная, омеднённая), качества изготовления и монтажа напрямую зависят такие ключевые параметры, как сопротивление заземления, стойкость к электродинамическим воздействиям при КЗ, долговечность системы и, в конечном итоге, электробезопасность персонала и объектов. Понимание её технических характеристик, областей применения и нормирующих документов является обязательным для инженерно-технических работников в сфере проектирования, монтажа и эксплуатации систем энергоснабжения.