Заземление — это не та часть электротехники, на которой можно экономить или выбирать «на глаз». От правильного выбора сечения заземляющих шин зависит безопасность людей и сохранность оборудования. Медные шины заземления считаются самым надёжным, но и самым дорогим решением. Как не переплатить и при этом обеспечить защиту, соответствующую всем нормам? Как рассчитать нужное сечение для частного дома и для промышленного цеха? В этой статье мы подробно разберём, какие требования предъявляют правила устройства электроустановок (пуэ) к медным заземляющим шинам, как рассчитать необходимое сечение и какой типоразмер выбрать для вашего объекта.
Что такое шина заземления и зачем она нужна
Шина заземления — это металлическая токоведущая часть, которая служит центральной точкой для подключения всех заземляющих проводников в электроустановке. К ней присоединяются провода от контура заземления, от грозозащиты, от системы уравнивания потенциалов, а также заземляющие жилы всех отходящих линий.
В частном доме такой шиной чаще всего служит главная заземляющая шина (гзш), установленная во вводном щите. В цехе это может быть магистраль заземления, протянутая вдоль стен, или набор распределительных шин в щитах.
Зачем нужна отдельная шина, а не просто скрутка всех проводов? Во-первых, для надёжности: болтовое соединение на шине не развалится от вибрации. Во-вторых, для удобства обслуживания: любой электрик может отсоединить один провод, не трогая остальных. В-третьих, для соответствия нормам: пуэ требуют, чтобы главная заземляющая шина позволяла индивидуальное отсоединение каждого проводника.
Почему медь — лучший выбор для шин заземления
Медь имеет самую высокую электропроводность среди недрагоценных металлов. Её удельное сопротивление составляет 0,0175 ома на квадратный миллиметр на метр. Для сравнения: у алюминия этот показатель хуже примерно на 60 процентов, у стали — в 5-10 раз хуже в зависимости от марки.
Высокая проводимость означает, что при коротком замыкании напряжение на корпусе оборудования поднимется меньше и быстрее упадёт до безопасного уровня. Это прямо влияет на безопасность человека, который может коснуться корпуса в момент аварии.
Кроме того, медь устойчива к коррозии. В отличие от стали, она не ржавеет во влажном воздухе. В отличие от алюминия, на поверхности меди не образуется рыхлая оксидная плёнка с высоким сопротивлением. Поэтому медные шины сохраняют свои свойства десятилетиями без обслуживания.
Правила устройства электроустановок прямо указывают: главная заземляющая шина должна быть, как правило, медной. Допускается применение стальной шины, но только в специально обоснованных случаях. Алюминиевые шины для заземления запрещены.
Нормативные требования к сечению заземляющих шин
Минимальные сечения заземляющих проводников и шин регламентированы правилами устройства электроустановок. Нормы различаются для меди, алюминия и стали, а также зависят от того, где проложен проводник — внутри здания, в земле или на открытом воздухе.
Для медных заземляющих проводников (к которым относятся и шины) при открытой прокладке внутри помещений и в наружных установках минимальное сечение составляет 4 квадратных миллиметра. Это абсолютный минимум: шина меньшего сечения не допускается к применению независимо от тока замыкания.
Однако на практике для главной заземляющей шины требуется большее сечение. Пуэ гласит: сечение отдельно установленной главной заземляющей шины должно быть не менее сечения ре-проводника питающей линии. А сечение ре-проводника, в свою очередь, зависит от сечения фазных жил и материала проводника. Для ввода в частный дом сечение ре-проводника обычно составляет 10-16 квадратных миллиметров для меди, соответственно, гзш должна быть не меньше этого значения.
Помимо требований к токоведущим проводникам, существуют требования к заземлителям, находящимся в земле. Там используют сталь большего сечения: круглая сталь диаметром не менее 10 миллиметров, полосовая сталь сечением не менее 48 квадратных миллиметров. Медь в земле применяется редко из-за высокой стоимости и коррозии в некоторых типах грунтов.
Как рассчитать сечение шины заземления по формуле
Для ответственных объектов (промышленные цеха, больницы, вычислительные центры) недостаточно просто взять минимальное сечение по пуэ. Нужно проверить, выдержит ли шина тепловое воздействие при коротком замыкании, не перегреется ли и не создаст ли опасного падения напряжения.
Расчётное сечение заземляющего проводника определяется по формуле, учитывающей ток короткого замыкания и время его протекания. Для медных проводников эта формула имеет вид: s равно корню квадратному из i в квадрате, умноженного на t, делённому на k, где i — ток короткого замыкания в амперах, t — время срабатывания защиты в секундах, k — коэффициент, зависящий от материала и изоляции. Для неизолированной медной шины k принимается равным 159.
На практике это означает, что для типового промышленного объекта с током короткого замыкания 10 килоампер и временем срабатывания 0,3 секунды потребуется сечение меди около 35 квадратных миллиметров. Поэтому в цехах часто используют шины сечением 40х5 (200 квадратных миллиметров) или 50х5 (250 квадратных миллиметров) с большим запасом.
Для частного дома ток короткого замыкания обычно не превышает 1-2 килоампер, и расчётное сечение получается менее 10 квадратных миллиметров. Но по практическим соображениям (механическая прочность, удобство сверления отверстий) принимают шину не менее 16-25 квадратных миллиметров.
Выбор типоразмера для частного дома
Для частного дома выбор шины заземления — это компромисс между требованиями норм, удобством монтажа и ценой.
Что говорят нормы? Минимальное сечение медного заземляющего проводника — 4 квадратных миллиметра. Сечение главной заземляющей шины должно быть не менее сечения ре-проводника вводной линии. Для большинства частных домов с вводом 15 квт используют вводной кабель с фазной жилой 10 квадратных миллиметров (медь) или 16 квадратных миллиметров (алюминий). В этом случае ре-проводник имеет сечение 10 квадратных миллиметров для меди. Значит, гзш должна быть не менее 10 квадратных миллиметров.
Практика показывает, что шина 10 квадратных миллиметров (например, 2х5 миллиметров) слишком узкая и тонкая. В ней трудно сверлить отверстия под болты, она легко деформируется при затяжке. Поэтому стандартным решением для частных домов является медная шина сечением 20х3 миллиметра (60 квадратных миллиметров) или 20х4 (80 квадратных миллиметров), а также 30х3 (90 квадратных миллиметров). Такая шина имеет длину 200-300 миллиметров, на ней удобно разместить все необходимые подключения.
Если в доме есть система молниезащиты, требования ужесточаются. Ток молнии может достигать 100-200 килоампер, и шина заземления должна выдержать этот импульс без разрушения. В этом случае сечение главной заземляющей шины должно быть не менее 50 квадратных миллиметров, а лучше 80-100 квадратных миллиметров.
Выбор типоразмера для промышленного цеха
Для промышленного цеха требования к шинам заземления значительно выше. Токи короткого замыкания здесь измеряются десятками килоампер, длина линий может достигать сотен метров, и падение напряжения в заземляющем проводнике должно быть минимальным.
В цехах используют два типа медных заземляющих шин. Первый тип — главная заземляющая шина во вводном щите. Её сечение выбирают по сечению ре-проводника питающей линии. Для трансформатора 1000 кВА сечение ре-проводника может составлять 50-70 квадратных миллиметров для меди. Соответственно, гзш должна быть не менее этого значения. На практике часто ставят шину 50х5 (250 квадратных миллиметров) или даже 60х6 (360 квадратных миллиметров) — с большим запасом.
Второй тип — магистраль заземления, протянутая по цеху. Это длинная шина (или несколько шин), к которой подключаются заземляющие проводники от станков, щитов и оборудования. Здесь сечение выбирают по двум критериям. Во-первых, по току короткого замыкания: шина должна выдержать тепловой удар. Во-вторых, по падению напряжения: при коротком замыкании напряжение на дальнем оборудовании не должно превышать допустимые пределы.
Для типового промышленного цеха с током короткого замыкания 15-20 килоампер применяют медные шины сечением 40х4 (160 квадратных миллиметров), 40х5 (200 квадратных миллиметров) или 50х5 (250 квадратных миллиметров). В особо ответственных случаях (например, на подстанциях или в цехах с взрывоопасными зонами) используют шины 60х6 (360 квадратных миллиметров), 80х6 (480 квадратных миллиметров) и даже 100х10 (1000 квадратных миллиметров).
Жёсткая или гибкая шина: что выбрать
Медные шины для заземления бывают двух основных типов: жёсткие (полосы) и гибкие (плетёные или ламельные). У каждого есть свои области применения.
Жёсткие медные шины — это стандартные полосы прямоугольного сечения из твердотянутой меди марки м1т. Они хорошо держат форму, на них легко сверлить отверстия, их можно гнуть по месту. Жёсткие шины используют для главных заземляющих магистралей, для подключения щитов и для протяжённых линий заземления.
Гибкие медные шины — это пакеты из тонких медных пластин или плетёнки из проволоки. Их применяют там, где есть вибрация или необходимость компенсации температурных расширений. Например, для соединения заземляющей шины с дверцей щита (которая открывается), для подключения вибрирующего оборудования (компрессоры, насосы), для соединения секций шинопровода.
Гибкие шины удобны для монтажа в тесных шкафах. Они компактнее, их можно уложить по сложной траектории. Однако их сечение обычно меньше, чем у жёстких шин того же габаритного размера, и они дороже.
В частном доме чаще всего используют жёсткую шину в щите. Гибкие шины применяют только для соединения с дверцей, если на ней установлены приборы, требующие заземления.
Как рассчитать сечение по плотности тока
На практике часто используют упрощённый метод выбора сечения заземляющей шины — по плотности тока. Этот метод удобен для приблизительной оценки, но не заменяет полноценного расчёта для ответственных объектов.
Для медных шин, проложенных на воздухе, рекомендуемая длительная плотность тока составляет от 1,6 до 2,5 ампер на квадратный миллиметр. Это означает, что шина сечением 100 квадратных миллиметров может длительно пропускать ток от 160 до 250 ампер. Но заземляющая шина работает не в длительном режиме, а в режиме короткого замыкания, который длится доли секунды. Поэтому допустимая плотность тока для заземляющих шин может быть выше — до 5-10 ампер на квадратный миллиметр на время срабатывания защиты.
Для ориентировочных расчётов можно использовать следующие значения. Шина сечением 60 квадратных миллиметров (например, 20х3) подходит для частных домов и небольших мастерских. Шина 100-150 квадратных миллиметров (30х4, 40х3) — для небольших цехов. Шина 200-250 квадратных миллиметров (40х5, 50х5) — для средних промышленных объектов. Шина 400 квадратных миллиметров и более — для крупных предприятий и подстанций.
Требования к материалу: марки меди для шин заземления
Медные шины для заземления изготавливают из электротехнической меди марок м0, м06, м1 или м1т. Чем выше чистота меди, тем лучше её проводимость, но и тем выше цена.
Марка м0 и м06 — это медь особой чистоты (99,95 процента и выше). Её применяют в критических линиях, где важно минимальное падение напряжения и нагрев. Для обычных заземляющих шин такая чистота избыточна.
Марка м1 — стандартная электротехническая медь с содержанием основного металла не менее 99,9 процента. Это оптимальный выбор для заземляющих шин частных домов и большинства цехов. Марка м1т — это твердотянутая медь той же чистоты, но с повышенной жёсткостью.
Марки м2 и м3 — это медь пониженной чистоты (99,7-99,8 процента). Её проводимость ниже на 5-10 процентов. Использовать её для заземляющих шин можно только после подтверждения расчётом.
На практике для шины заземления чаще всего заказывают медь марки м1 или м1т. Если нужна максимальная гибкость для плетёной шины, используют специально отожжённую медь.
Примеры из практики
Первый пример. Частный дом площадью 150 квадратных метров. Ввод — кабель с алюминиевыми жилами сечением 16 квадратных миллиметров. Ре-проводник имеет сечение 16 квадратных миллиметров алюминия, что примерно соответствует 10 квадратным миллиметрам меди по проводимости. По требованиям пуэ, сечение главной заземляющей шины должно быть не менее 10 квадратных миллиметров. Для удобства монтажа выбрали медную шину 20х4 (80 квадратных миллиметров) длиной 200 миллиметров. Шина установлена в щите на изоляторах. К ней подключены: провод от контура заземления (медь 10 квадратных миллиметров), провод от системы уравнивания потенциалов (медь 6 квадратных миллиметров) и ре-шина вводного автомата.
Второй пример. Механический цех завода. Трансформатор мощностью 630 кВА. Ток короткого замыкания — 12 килоампер. Время срабатывания вводного автомата — 0,3 секунды. Расчётное сечение заземляющей шины по тепловому импульсу составляет около 25 квадратных миллиметров. Однако по правилам и практическим соображениям выбрали главную заземляющую шину из меди 50х5 (250 квадратных миллиметров) и магистраль заземления по цеху из медной шины 40х4 (160 квадратных миллиметров). Магистраль проложена на изоляторах вдоль стен на высоте 0,5 метра от пола.
Третий пример. Щит управления на буровой установке. Оборудование работает в условиях сильной вибрации. Жёсткая медная шина для заземления здесь не подходит — от вибрации могут ослабнуть контакты. Использовали гибкие медные шины (плетёнки) для соединения дверцы щита с корпусом и для подключения вибрирующих приборов. Для главной заземляющей шины внутри щита — жёсткая шина 20х4, закреплённая на виброопорах.
Частые ошибки
Ошибка первая — выбор шины слишком маленького сечения. Экономия нескольких сотен рублей на шине приводит к тому, что при коротком замыкании шина перегревается, изоляция соседних проводов плавится, и происходит повторное короткое замыкание.
Ошибка вторая — использование алюминиевой шины вместо медной. В пуэ прямо сказано: алюминиевые шины для главной заземляющей шины не допускаются. Алюминий окисляется, контакты ослабевают, сопротивление растёт.
Ошибка третья — применение неизолированной медной шины в местах, доступных посторонним лицам. Пуэ требуют, чтобы в подвалах, подъездах и других общедоступных местах гзш имела защитную оболочку (шкаф или ящик с замком).
Ошибка четвёртая — забвение о гальванической коррозии. При соединении меди с алюминием или со сталью во влажной среде возникает гальваническая пара. Контакт быстро разрушается. Нужно использовать лужёные наконечники или специальные пасты.
Ошибка пятая — отсутствие возможности индивидуального отсоединения проводников. Пуэ требуют, чтобы каждый проводник можно было отсоединить от шины отдельно, только с помощью инструмента. Это означает, что запрещено сажать несколько проводов под один болт или использовать неразборные соединения.
Выбор сечения медной шины заземления для контура заземления частного дома или цеха — это задача, решаемая с учётом трёх факторов: требований пуэ, теплового расчёта по току короткого замыкания и практического удобства монтажа.
Для частного дома минимальное сечение шины по пуэ составляет 4 квадратных миллиметра для заземляющего проводника, а для главной заземляющей шины — не менее сечения ре-проводника ввода (обычно 10-16 квадратных миллиметров). На практике из-за удобства монтажа выбирают шину 20х3, 20х4 или 30х3 (60-90 квадратных миллиметров).
Для промышленного цеха сечение шины определяется расчётом теплового импульса при коротком замыкании и может составлять от 35 до 250 квадратных миллиметров и более. Стандартными являются шины 40х4 (160 квадратных миллиметров), 40х5 (200 квадратных миллиметров), 50х5 (250 квадратных миллиметров), 60х6 (360 квадратных миллиметров).
Материал шины — медь марки м1 или м1т (электротехническая чистота). Алюминий запрещён. Сталь допускается только при специальном обосновании. Исполнение — жёсткая полоса для магистралей, гибкая (шмг) для вибрирующих узлов и соединений с дверцами.
Помните: заземляющая шина — это не та деталь, на которой можно экономить. Её сечение и материал напрямую влияют на безопасность людей. Выберите шину с запасом, установите её в соответствии с правилами, и система заземления будет служить десятилетиями без отказов.