Допустимый ток медных и алюминиевых шин

Шину для щита, шкафа или шинопровода подбирают по одному главному параметру — какой ток она может нести долго и не перегреваться. Возьмёшь сечение меньше — шина будет греться, ослабнут болтовые соединения, начнёт гореть изоляция рядом. Возьмёшь с большим запасом — переплатишь за медь, которая стоит дорого. Нормативные значения для прямоугольных шин приведены в ПУЭ. Ниже — таблица допустимых токов для медных и алюминиевых шин, условия, при которых эти значения действуют, поправки на способ установки и число полос, сравнение меди и алюминия и практические советы по выбору марки и состояния шины.

Откуда берутся значения

Допустимый длительный ток для неизолированных шин в России задают Правила устройства электроустановок, глава 1.3. Значения в таблице рассчитаны так, чтобы шина при длительной нагрузке нагревалась не выше +70 °C при температуре окружающего воздуха +25 °C. Предполагается, что шины установлены на ребро — узкой стороной вверх: так они лучше охлаждаются конвекцией. Если условия другие — шины плашмя, жарче в шкафу, шины в несколько полос, — допустимый ток пересчитывают.

Таблица допустимого тока: одна полоса на фазу

Значения по таблице 1.3.31 ПУЭ для переменного тока. Для постоянного тока допустимые значения немного выше — у крупных шин заметно, потому что нет поверхностного эффекта.

Размер шины, мм	Сечение, мм²	Медная шина, А	Алюминиевая шина, А
15 × 3	45	210	165
20 × 3	60	275	215
25 × 3	75	340	265
30 × 4	120	475	365
40 × 4	160	625	480
40 × 5	200	700	540
50 × 5	250	860	665
50 × 6	300	955	740
60 × 6	360	1125	870
80 × 6	480	1480	1150
100 × 6	600	1810	1425
60 × 8	480	1320	1025
80 × 8	640	1690	1320
100 × 8	800	2080	1625
120 × 8	960	2400	1900
60 × 10	600	1475	1155
80 × 10	800	1900	1480
100 × 10	1000	2310	1820
120 × 10	1200	2650	2070

Обратите внимание на шины одинакового сечения разной формы: 80 × 6 и 60 × 8 имеют одну площадь 480 мм², но широкая тонкая шина держит 1480 А, а более толстая — 1320 А. Тонкая и широкая шина лучше охлаждается и меньше страдает от вытеснения тока к поверхности, поэтому при выборе между ними обычно выгоднее широкая.

Несколько полос на фазу

Когда одной полосы не хватает, фазу собирают из двух, трёх или четырёх параллельных полос с зазором. Ток при этом растёт не пропорционально числу полос: средние полосы хуже охлаждаются, а переменный ток неравномерно распределяется между ними. По ПУЭ, например:

Размер полосы, мм	Медь, 1 полоса, А	Медь, 2 полосы, А	Медь, 3 полосы, А	Алюминий, 2 полосы, А
60 × 6	1125	1740	2240	1350
80 × 8	1690	2620	3370	2040
100 × 10	2310	3610	4650	2860
120 × 10	2650	4100	5200	3200

Две полосы дают примерно в 1,5 раза больше тока, чем одна, а три — примерно в 2 раза. Поэтому для очень больших токов вместо пакета из многих полос рассматривают коробчатые и трубчатые шины или шинопроводы заводского изготовления.

Переменный и постоянный ток: почему значения разные

В таблице ПУЭ для каждой шины даны два значения — для переменного и постоянного тока. На небольших шинах они почти совпадают, на крупных расходятся заметно. Причина — два электромагнитных явления, которые есть только на переменном токе.

• Поверхностный эффект (скин-эффект). Переменный ток вытесняется к наружным слоям проводника, и середина толстой шины нагружена слабее краёв. Эффективное сечение уменьшается, сопротивление растёт, шина греется сильнее при том же токе;
• Эффект близости. Поля соседних полос и фаз перераспределяют ток по сечению: в пакете из нескольких полос ток неравномерно делится между ними, и средние полосы нагружены иначе, чем крайние.

Медная шина и число полос	Переменный ток, А	Постоянный ток, А	Разница
40 × 5, одна полоса	700	705	менее 1 %
60 × 6, одна полоса	1125	1145	около 2 %
100 × 10, одна полоса	2310	2470	около 7 %
120 × 10, одна полоса	2650	2950	около 11 %
100 × 10, три полосы	4650	5385	около 16 %
120 × 10, четыре полосы	5900	6800	около 15 %

Отсюда практический вывод: для гальванических линий, электролизёров, зарядных станций и других установок постоянного тока можно пользоваться значениями для постоянного тока, а шины переменного тока на большие токи выгоднее делать из нескольких тонких полос с зазором, а не из одной толстой.

Поправки на реальные условия

• Шины плашмя. Если полосы лежат широкой стороной горизонтально, ПУЭ требует снизить допустимый ток на 5 % для шин шириной до 60 мм и на 8 % — для более широких;
• Температура воздуха. Таблица дана для +25 °C. В закрытом шкафу с аппаратурой бывает 35–45 °C, и допустимый ток снижают по поправочным коэффициентам на температуру среды, приведённым в той же главе ПУЭ;
• Близость к стальным конструкциям на больших переменных токах вызывает дополнительный нагрев от вихревых токов — шины и стальные элементы разносят или применяют немагнитные крепления;
• Короткое замыкание. Кроме длительного тока, шины проверяют на термическую и механическую стойкость при КЗ: на этом этапе выбирают расстояние между изоляторами и иногда сечение больше, чем нужно по нагреву.

Окончательный выбор сечения — задача проектировщика электроустановки. Таблица помогает быстро оценить нужный размер и заказать металл.

Проверка шин на короткое замыкание

Таблица допустимого тока отвечает только на вопрос о длительном нагреве. При коротком замыкании через шины на доли секунды проходит ток, в десятки раз больший номинального, и шину проверяют ещё по двум условиям.

• Термическая стойкость. За время отключения КЗ шина не должна нагреться выше допустимой кратковременной температуры. Проверка сводится к минимальному сечению, которое зависит от тока КЗ, времени его отключения и материала шины. При долгом времени срабатывания защиты минимальное сечение может оказаться больше выбранного по длительному току;
• Электродинамическая стойкость. Ударный ток КЗ создаёт между фазами большие силы, и шина изгибается между изоляторами. Напряжение в металле не должно превышать допустимого для меди или алюминия. Регулируют это шагом изоляторов, расстоянием между фазами и положением шин — на ребро шина жёстче к изгибу в одной плоскости, плашмя — в другой.

Для этой проверки и нужна твёрдая шина на длинных участках: у неё выше предел текучести, и она лучше выдерживает изгибающие усилия при КЗ, чем мягкая.

Цветовая маркировка шин

По ПУЭ шины переменного трёхфазного тока окрашивают или маркируют цветом: фаза A (L1) — жёлтым, фаза B (L2) — зелёным, фаза C (L3) — красным. Нулевая рабочая шина N — голубым, нулевая защитная PE — продольными или поперечными полосами жёлто-зелёного цвета. Окраска не только облегчает монтаж и обслуживание, но и защищает шину от окисления. Контактные поверхности при этом не окрашивают.

Гибкие и изолированные шины

Кроме жёстких прямоугольных шин, в щитах применяют гибкие изолированные шины — пакеты тонких медных лент в изоляции. Их удобно прокладывать по сложной траектории без гибочного инструмента, ими подключают аппараты и делают перемычки. Допустимый ток гибкой шины определяет изготовитель: он зависит от числа и толщины лент, материала изоляции и способа прокладки, поэтому таблицы ПУЭ для жёстких шин к ним напрямую не применяют.

Медь или алюминий

Показатель	Медная шина	Алюминиевая шина
Допустимый ток при одинаковом размере	принят за 100 %	около 77–78 % от меди
Масса при одинаковом размере	принята за 100 %	около 30 % от меди
Контактные соединения	надёжные, без особых требований	нужна зачистка, смазка, контроль затяжки — оксидная плёнка и ползучесть металла
Соединение с медью	—	через медно-алюминиевые переходники или лужёные поверхности
Механическая прочность	выше	ниже, шина требует больше опор
Стоимость	выше	заметно ниже при той же пропускной способности

Для того же тока алюминиевая шина должна быть примерно на 30 % больше по сечению, но всё равно получается легче и дешевле медной. Поэтому алюминий применяют в шинопроводах, распределительных устройствах на большие токи и там, где важна масса. Медь — в щитах, шкафах, на подключениях аппаратов, где мало места и много болтовых контактов. О разнице металлов по проводимости и теплопроводности — в статье о теплопроводности металлов.

Какую медь и алюминий выбрать

• Медь М1 — основной материал электротехнических шин: содержание меди не менее 99,9 % обеспечивает высокую электропроводность. Подробно о марках меди — на странице М1 и в статье о меди, латуни и бронзе;
• Твёрдая или мягкая шина. Твёрдая (нагартованная) шина прочнее, меньше прогибается между опорами и лучше держит болтовое соединение, а мягкая (отожжённая) легче гнётся на малый радиус и подходит для перемычек сложной формы;
• Алюминий для шин — сплавы с высокой электропроводностью, например АД0 и АД31 в термообработанном состоянии: они прочнее чистого алюминия и хорошо работают в шинопроводах;
• Лужение поверхностей в местах контактов снижает переходное сопротивление и защищает медь от окисления, особенно в соединениях с алюминием.

Как оценить нужное сечение: пример

Ввод в щит рассчитан на 800 А переменного тока, шины ставят на ребро, в шкафу около +25 °C. По таблице подходит медная шина 50 × 6 (955 А) или 60 × 6 (1125 А) с запасом; 50 × 5 (860 А) даёт запас всего около 7 %. Если шины придётся положить плашмя, ток для 50 × 6 нужно уменьшить на 5 % — до 907 А, и она по-прежнему подходит. Алюминиевая шина на тот же ток — 60 × 8 (1025 А) или 80 × 6 (1150 А).

Для шин шкафов и щитов важно сразу учесть, что на отводах к аппаратам ток меньше, и там можно взять шины меньшего сечения, а вот болтовые соединения выполнять с достаточной площадью контакта и затяжкой по требованиям к контактным соединениям: перегревается чаще стык, чем сама шина.

Поправка на температуру воздуха

Табличный ток рассчитан на воздух +25 °C. При другой температуре допустимый ток пересчитывают по формуле, которая лежит в основе поправочных коэффициентов ПУЭ:

I′ = I × √((70 − t) / (70 − 25)), где I — табличный ток, t — температура окружающего воздуха, °C, 70 — допустимая температура шины.

Температура воздуха, °C	Коэффициент	Медная шина 60 × 6, А	Медная шина 100 × 10, А
25	1,00	1125	2310
30	0,94	около 1060	около 2170
35	0,88	около 990	около 2030
40	0,82	около 920	около 1890
45	0,75	около 840	около 1720
50	0,67	около 750	около 1540

В закрытом шкафу с автоматами, частотными преобразователями и трансформаторами тока температура легко доходит до 40–45 °C. Без поправки шина, выбранная «впритык» по таблице, будет работать с перегрузкой на 18–25 % по току.

Масса шин: что заложить в заказ

Медные шины продают по массе, поэтому при расчёте стоимости нужно перевести метры в килограммы. Плотность меди — около 8,9 г/см³, алюминия — около 2,7 г/см³; масса одного метра равна сечению в мм², умноженному на плотность и делённому на 1000.

Размер, мм	Медь, кг на 1 м	Алюминий, кг на 1 м	Плотность тока меди, А/мм²
20 × 3	0,53	0,16	4,6
40 × 4	1,42	0,43	3,9
50 × 5	2,23	0,68	3,4
60 × 6	3,20	0,97	3,1
80 × 8	5,70	1,73	2,6
100 × 10	8,90	2,70	2,3

Последний столбец показывает, как падает допустимая плотность тока с ростом сечения: маленькая шина 20 × 3 держит 4,6 А на квадратный миллиметр, а 100 × 10 — только 2,3 А. У крупной шины площадь поверхности, отдающей тепло, растёт медленнее, чем сечение.

Нормативные документы на шины

• ПУЭ, глава 1.3 — допустимые длительные токи и условия их применения;
• ГОСТ 434-78 — медные шины для электротехнических целей: марки ШММ (мягкие), ШМТ (твёрдые), ШМТВ (твёрдые из бескислородной меди), размеры и свойства, удельное сопротивление при 20 °C не более 0,01724 мкОм·м;
• ГОСТ 15176-89 — шины прессованные электротехнического назначения из алюминия и его сплавов;
• европейские обозначения меди Cu-ETP встречаются у импортных шин и по назначению близки к меди М1.

Контактные соединения: где шина греется на самом деле

На практике перегреваются чаще не сами шины, а места их соединения. Переходное сопротивление болтового стыка зависит от площади и чистоты контакта и от силы сжатия, и при плохой сборке стык греется сильнее, чем шина в пролёте.

• Подготовка поверхности. Контактные места зачищают от оксидов и загрязнений непосредственно перед сборкой; алюминий зачищают под слоем смазки, чтобы оксидная плёнка не успела образоваться снова;
• Затяжка. Болты затягивают с моментом, указанным в документации на щит или аппарат. Для компенсации теплового расширения и ползучести металла применяют тарельчатые пружинные шайбы;
• Площадь перекрытия. Чем больше площадь касания и число болтов, тем ниже переходное сопротивление; схему болтов задают в конструкторской документации;
• Медь с алюминием. Напрямую не соединяют — используют медно-алюминиевые пластины или лужёные поверхности, иначе контакт разрушается электрохимической коррозией;
• Контроль. В эксплуатации состояние контактов удобно проверять тепловизором под нагрузкой: перегретый стык виден сразу, до появления следов оплавления.

Порядок подбора сечения

1. Определите расчётный длительный ток и род тока — переменный или постоянный;
2. Выберите материал: медь или алюминий, с учётом места, контактов и бюджета;
3. Найдите по таблице ПУЭ размер и число полос с током не ниже расчётного;
4. Введите поправки: на установку плашмя (минус 5–8 %) и на температуру воздуха в шкафу;
5. Проверьте шины на термическую и динамическую стойкость к току короткого замыкания и выберите шаг изоляторов;
6. Посчитайте массу шин и количество болтовых соединений для заказа металла и обработки.

Типичные ошибки

• Сечение выбирают по таблице для одной полосы на ребро, а монтируют шины плашмя в тесном горячем шкафу;
• Считают, что две полосы держат вдвое больший ток, чем одна;
• Соединяют медную и алюминиевую шины напрямую болтом — контакт со временем окисляется и греется;
• Экономят на площади болтового соединения: шина рассчитана правильно, а греется место стыка;
• Подбирают шину только по току и забывают о механической стойкости при коротком замыкании.

Миф: медная шина держит ток в пропорции к сечению — сколько квадратных миллиметров, столько и ампер, умноженных на постоянный коэффициент. На деле допустимый ток определяется тем, насколько хорошо шина отдаёт тепло, а это зависит от её формы, положения и числа полос. Шины 80 × 6 и 60 × 8 одного сечения различаются по току на 12 %, две полосы вместо одной добавляют не 100 %, а около 50 %, а установка плашмя снижает ток ещё на 5–8 %. Поэтому сечение берут по таблицам ПУЭ для конкретного исполнения, а не пересчитывают «по плотности тока».

Частые вопросы

Какой ток выдерживает медная шина 40 × 4?

По ПУЭ — 625 А переменного тока при одной полосе на фазу, установке на ребро и температуре воздуха +25 °C. Алюминиевая шина того же размера — 480 А.

Какой ток у шины 50 × 5?

Медная — 860 А, алюминиевая — 665 А для переменного тока по таблице ПУЭ. При установке плашмя значения уменьшают на 5 %.

Какой ток у медной шины 100 × 10?

Одна полоса — 2310 А, две — 3610 А, три — 4650 А переменного тока по ПУЭ.

При какой температуре рассчитаны значения таблицы?

При нагреве шины до +70 °C и температуре окружающего воздуха +25 °C. При более высокой температуре среды допустимый ток снижают поправочными коэффициентами.

Что лучше для щита: медная или алюминиевая шина?

Для щитов и шкафов с большим числом болтовых подключений чаще выбирают медь: она компактнее и надёжнее в контактах. Алюминий выгоден в шинопроводах и на больших токах, где важны масса и цена.

Чем отличается допустимый ток для переменного и постоянного тока?

На переменном токе ток вытесняется к поверхности шины и неравномерно делится между полосами, поэтому допустимые значения ниже. Для медной шины 120 × 10 это 2650 А на переменном и 2950 А на постоянном токе.

Как пересчитать ток шины для температуры 40 °C?

Умножьте табличное значение на коэффициент √((70 − 40) / 45), около 0,82. Медная шина 60 × 6 при 40 °C держит около 920 А вместо 1125 А.

Какого цвета окрашивают шины фаз?

По ПУЭ фазу A окрашивают жёлтым, фазу B — зелёным, фазу C — красным. Шину N — голубым, защитную PE — жёлто-зелёными полосами.

Нужно ли лудить медную шину?

Лужение не обязательно, но полезно в контактных соединениях: оно снижает переходное сопротивление, защищает от окисления и обязательно рекомендуется при соединении меди с алюминием.

Ампер: допустимый длительный ток прямоугольных шин задаёт таблица 1.3.31 ПУЭ при нагреве шины до +70 °C и воздухе +25 °C, шинах на ребро; медная шина 40 × 4 держит 625 А, 60 × 6 — 1125 А, 100 × 10 — 2310 А, алюминиевая — примерно на 22–23 % меньше при том же размере; две полосы дают около 1,5, три — около 2 токов одной полосы, плашмя ток снижают на 5–8 %; для щитов чаще берут медь М1, для шинопроводов и больших токов — алюминиевые сплавы.

Практика МТМ: на складе в Санкт-Петербурге — медная шина М1 и CU-ETP, твёрдая и мягкая, толщиной от 3 мм и шириной до 120 мм, алюминиевая полоса АД31Т и АД31Т1 и медная лента, с документами изготовителя на партию. Режем шину в размер, по запросу сверлим отверстия под болтовые соединения. Пришлите спецификацию шин или ток и схему — подберём размер и рассчитаем стоимость. Через форму на сайте или по телефону +7 (812) 409-45-58.