Стальной круг диаметром 160 мм
Стальной круг диаметром 160 мм: технические характеристики, стандарты и применение в электротехнике и энергетике
Стальной круг диаметром 160 мм является крупномерным металлопрокатом, который находит специфическое и критически важное применение в электротехнической промышленности и энергетическом строительстве. В контексте кабельной продукции его основное предназначение – изготовление токопроводящих жил силовых кабелей высокого и сверхвысокого напряжения, а также использование в качестве заземляющих и нулевых проводников. Данный прокат производится в соответствии с жесткими стандартами, регламентирующими химический состав, механические и электрические свойства.
Технология производства и нормативная база
Для электротехнических целей используется стальной круг, изготовленный из низкоуглеродистой стали марок, регламентированных ГОСТ 2590-2006 «Прокат стальной горячекатаный круглый. Сортамент» и, что более важно, ГОСТ Р 58001-2017 «Прокат для армирования алюминиевых проводов и сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи». Ключевым стандартом для кабельной продукции является ГОСТ 2246-70 «Проволока стальная. Технические условия» (для канатов), но для монолитных жил большого сечения ориентируются на сортамент горячекатаного круга.
Производство включает в себя выплавку стали в конвертерах или электропечах с последующим разливом и прокаткой на сортовых станах. Для электротехнических марок особое внимание уделяется чистоте стали по содержанию вредных примесей (сера, фосфор) и неметаллическим включениям, которые могут ухудшать как механическую прочность, так и электропроводность. Поверхность готового круга должна быть чистой, без трещин, плён, ржавчины и закатов.
Химический состав и марки стали
Для изготовления токопроводящих элементов и элементов молниезащиты применяются стали с пониженным содержанием углерода, что обеспечивает необходимую гибкость и стойкость к многократным изгибам при монтаже. Типичные марки включают Ст3сп/пс по ГОСТ 380-2005, а также более качественные марки типа 20, 25.
Таблица 1. Типичный химический состав сталей для круга диаметром 160 мм (электротехническое назначение)
| Марка стали | Углерод (C), % | Кремний (Si), % | Марганец (Mn), % | Сера (S), не более % | Фосфор (P), не более % | Примечание |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ст3сп | 0.14-0.22 | 0.15-0.30 | 0.40-0.65 | 0.050 | 0.040 | Наиболее распространенная для заземления |
| 20 | 0.17-0.24 | 0.17-0.37 | 0.35-0.65 | 0.035 | 0.035 | Повышенная прочность, для ответственных узлов |
Основные геометрические и физические параметры
Круг диаметром 160 мм относится к крупному сортаменту. Его геометрические параметры строго нормированы.
Таблица 2. Геометрические и массовые характеристики стального круга 160 мм
| Номинальный диаметр, мм | Предельное отклонение по диаметру для класса точности В (повышенной), мм | Площадь поперечного сечения, см² | Масса 1 метра, кг (теоретическая, плотность 7.85 г/см³) | Момент инерции, J, см⁴ | Момент сопротивления, W, см³ |
|---|---|---|---|---|---|
| 160 | ±1.8 | 201.06 | 157.83 | 3216.99 | 402.12 |
Электрическое сопротивление является ключевым параметром для заземляющих устройств и нулевых проводников. Оно прямо зависит от удельного сопротивления материала и площади сечения.
Удельное сопротивление низкоуглеродистой стали (марки Ст3) при температуре +20°C составляет примерно 0.13-0.15 Ом·мм²/м. Соответственно, электрическое сопротивление одного погонного метра стального круга диаметром 160 мм рассчитывается по формуле R = ρ
- L / S.
- Площадь сечения (S): 20106 мм².
- Сопротивление 1 метра: R ≈ 0.0000074 Ом/м (7.4 мкОм/м). Это значение является теоретическим и может варьироваться в зависимости от конкретного химического состава и температуры.
- Преимущества:
- Меньшее сопротивление растеканию тока при той же занимаемой площади.
- Высокая механическая прочность и устойчивость к механическим повреждениям при заглублении.
- Упрощение монтажа (один элемент вместо нескольких).
- Больший запас по коррозии.
- Недостатки:
- Высокая стоимость материала и логистики.
- Сложность погружения в твердый грунт (требуется бурение скважин).
- Ограниченная гибкость, невозможность изгиба на объекте.
- Омеднение: Нанесение гальваническим или иным способом слоя меди толщиной от 70 мкм. Это оптимальный, но дорогой метод, обеспечивающий электрохимическую защиту и низкое переходное сопротивление.
- Цинкование (горячее или электролитическое): Более экономичный вариант, но в некоторых типах грунтов (кислых, щелочных) цинк может разрушаться быстрее.
- Нанесение антикоррозионных покрытий (битумные, полимерные): Требует аккуратного монтажа без повреждения слоя. Эффективность со временем может снижаться.
- Применение электродренажной или протекторной защиты.
Применение в электротехнической и энергетической отраслях
1. Заземляющие устройства (контур заземления)
Круг диаметром 160 мм используется в качестве вертикальных заземлителей на подстанциях сверхвысокого напряжения (110 кВ и выше), а также в районах с высоким удельным сопротивлением грунта (каменистые, песчаные почвы). Большая площадь поперечного сечения обеспечивает малое сопротивление растеканию тока и высокую коррозионную стойкость (потеря сечения со временем меньше влияет на общие параметры). Из такого круга также изготавливают горизонтальные заземлители-полосы, но для этого его обычно подвергают дополнительной обработке (прошивке) для придания прямоугольного профиля.
2. Нулевые рабочие (N) и защитные (PE) проводники в высоковольтных кабельных линиях
В кабелях на напряжение 110 кВ и выше с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) и с однопроволочной алюминиевой жилой сечением 1000 мм² и более, в качестве нулевой или защитной жилы может применяться стальной сердечник круглого сечения. Жила диаметром 160 мм (сечением ~2010 мм²) обеспечивает необходимую механическую прочность и проводимость по току короткого замыкания.
3. Армирующий элемент в гибридных проводниках
Хотя для воздушных линий электропередачи чаще используются стальные канаты или проволока меньших диаметров, монолитный круг 160 мм может служить центральным несущим элементом в специальных конструкциях гибридных проводников (например, сталь-алюминий для особо больших пролетов), где требуется максимальная прочность на разрыв.
4. Шинопроводы и токоотводы молниезащиты
В системах молниезащиты крупных объектов (нефтехранилища, химические заводы, высотные здания) стальной круг такого диаметра может использоваться в качестве магистральных токоотводов, обеспечивая минимальное импульсное сопротивление и высокую термическую стойкость к прохождению тока молнии.
Требования к монтажу и обработке
Работа с прокатом такого размера требует применения специальной техники (краны, манипуляторы) и инструмента для резки (газорезка, плазменная резка, мощные гильотины). При использовании в контуре заземления сварные соединения (чаще всего, встык) должны выполняться с полным проплавлением по всей площади сечения, что требует квалификации сварщиков и контроля качества швов (визуальный, ультразвуковой). Для защиты от коррозии круг, погружаемый в грунт, обычно покрывается антикоррозионными составами или используется омедненный вариант, что значительно увеличивает срок службы заземляющего устройства.
Сравнение с альтернативными материалами и формами
Использование монолитного круга диаметром 160 мм вместо пучка стержней меньшего диаметра или стальной полосы имеет следующие преимущества и недостатки:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается стальной круг для заземления от обычного строительного?
Для заземления предъявляются повышенные требования к химическому составу (контроль серы и фосфора) и, как следствие, к однородности структуры и электрическим свойствам. Строительный круг может иметь более широкие допуски по составу и быть менее чистым, что недопустимо для долговечного и надежного заземляющего устройства, работающего в агрессивной среде.
Как рассчитать необходимое количество круга диаметром 160 мм для контура заземления подстанции?
Расчет выполняется согласно ПУЭ (Глава 1.7) и РД 34.21.122-87. Исходят из требуемого сопротивления заземляющего устройства (Rз). Сопротивление одиночного вертикального заземлителя (стержня) вычисляется по формуле Шварца, учитывая удельное сопротивление грунта (ρ), длину заземлителя (L) и диаметр (d). Количество заземлителей (n) определяется с учетом коэффициентов использования. Для точного расчета необходимо инженерное изыскание с измерением ρ в разные сезоны года.
Какие существуют методы защиты стального круга 160 мм от коррозии в грунте?
Можно ли использовать круг 160 мм в качестве основной жилы в кабеле вместо алюминия?
Нет, в качестве основной токопроводящей жилы для передачи электроэнергии на расстояние сталь не применяется из-за ее высокого удельного электрического сопротивления (примерно в 6-7 раз выше, чем у алюминия). Это привело бы к колоссальным потерям мощности на нагрев. Его применение в кабеле ограничено ролью нулевого/заземляющего проводника или несущего сердечника, где основную токовую нагрузку несет алюминиевая оболочка.
Каковы допустимые отклонения по кривизне для проката такого диаметра?
Согласно ГОСТ 2590-2006, для круга диаметром 160 мм предельное отклонение по кривизне (стрелка прогиба) не должно превышать 0.4% от длины измеряемого участка. Например, на участке длиной 1 метр максимальный прогиб не должен превышать 4 мм. Это важно для обеспечения прямолинейности при монтаже заземлителей.
Как маркируется и поставляется стальной круг электротехнического назначения?
Прокат маркируется несмываемой краской на торце или на прикрепленной бирке с указанием: наименования предприятия-изготовителя, номера плавки, марки стали, номера партии, диаметра и знака соответствия. Поставляется обычно в прутках мерной, кратной мерной или немерной длины, упакованными в связки массой до 10 тонн для обеспечения сохранности при транспортировке.