Медные шины: характеристики, применение и цены

Если спросить случайного человека, что такое медная шина, он вряд ли сможет сходу ответить на этот вопрос. Между тем медные шины есть в любой энергообеспечивающей системе, их широко используют в радиотехнике и электротехнической промышленности. Шины заземления, изготовленные из меди, можно увидеть в электрощитах не только промышленных, но и жилых зданий.

Эти изделия снискали такую популярность из-за высокой электрической проводимости и отличных эксплуатационных свойств меди. Медная шина выдерживает рабочие температуры от -55 °С до +280 °С, а ее максимальное рабочее напряжение может достигать 1000 В.

Характеристики и особенности изготовления медных шин

Технологический процесс производства медных шин — это холодная прокатка меди горячего прессования. Медная шина представляет собой ленту или тонкий прямоугольный профиль высококачественной меди с минимумом примесей. Такая медь отличается низким сопротивлением, высокой теплопроводностью, коррозионной устойчивостью и прочностью.

Теплопроводность меди составляет 401 Вт/м × К. Для сравнения: у алюминия этот показатель равен 202–236 Вт/м × К, а у стали 47 Вт/м × К. При нормальных температурах медные шины практически не подвержены коррозии в сухом воздухе и сухих газах-галогенах, пресной и морской воде (в отсутствие сильных течений), в неокисляющих кислотах (серной, соляной, фосфорной) и растворах солей (в отсутствие кислорода), щелочных растворах (кроме аммиака и солей аммония), органических кислотах, спиртах, фенольных смолах. Одновременно в таких средах, как аммиак, хлористый аммоний, растворы кислых солей и окислительные минеральные кислоты, а также с увеличением количества примесей медные шины теряют свою коррозийную устойчивость. Следует учитывать и возможность контактной коррозии (например, при соприкосновении меди с алюминием, цинком).

Из национальных и межгосударственных стандартов, а также технических условий, регулирующих производство, испытания и применение самой меди, полуфабрикатов и изделий из нее, можно выделить:

• ГОСТ 859-2014. Межгосударственный стандарт. Медь. Марки;
• ГОСТ 434-78. Проволока прямоугольного сечения и шины медные для электротехнических целей. Технические условия;
• ГОСТ 18690-2012. Кабели, провода, шнуры и кабельная арматура. Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение;
• ГОСТ 24231-80. Цветные металлы и сплавы. Общие требования к отбору и подготовке проб для химического анализа;
• ГОСТ 26877-2008. Межгосударственный стандарт. Металлопродукция. Методы измерений отклонений формы;
• ТУ 48-0814-105-2000 и др.

Важными нормативно-техническими требованиями к медным шинам, используемым в электротехнических целях, являются:

• Сырье для изготовления. Им может являться сортовой прокат, медная катанка, слитки и прессованная заготовка, которые по качеству не должны быть ниже марки меди М1 в соответствии с ГОСТ 859-2014. По техническим условиям, например, ТУ 48-0814-105-2000, допускаются к производству марки меди М2 и т.д.

• Типовые размеры медных шин. Нормативные (установленные) значения номинальных размеров шин по стороне A (толщине) и B (ширине), а также их расчетных сечений с учетом закругления углов приведены в таблице 4 ГОСТ 434-78. Предельные отклонения от номинальных размеров по сторонам A и B указаны в таблице 5 этого же стандарта. Поскольку шины должны иметь закругления, в ГОСТ 434-78 прописаны номинальные значения радиусов закругленных углов и предельные отклонения от нормы закругления, которые можно найти в таблице 7а. Длина полосы шины должна быть от 3 до 6 м, но по согласованию с потребителем допускается изготовление шин длиной от 2 до 6 м. Наличие в одной партии шин, длина полосы которых составляет от 2,5 м, разрешено в пределах 7% от совокупного веса партии.

• Дефекты и отклонения. Поверхность медных шин не должна иметь повреждений, которые бы превышали удвоенное значение предельных отклонений размеров после контрольной зачистки; при этом отклонение в форме сечения не должно превышать одинарных предельных отклонений размеров сечения. Допустимо, если изделия имеют на поверхности следы смазки или небольшие изменения по цвету вследствие окисления. Прямолинейность для твердых шин (ШМТ, ШМТВ) может иметь отклонения по размеру B, то есть серповидность, в пределах 3,5 мм на 2 м длины. По согласованию с заказчиком допускаются более мягкие требования к серповидности, но в любом случае в пределах 4 мм на 1 м длины. Серповидность полос шин определяется в соответствии с ГОСТ 26877-2008. Твердые шины ШМТВ при изгибе не должны иметь трещин и расслоений.

• Механические свойства. Для мягких шин (ШММ) относительное удлинение в процентах в зависимости от размера A должно быть: от 2,5 до 7,0 мм — минимум 37%; от 7,0 до 10,0 мм и свыше — минимум 40%; при этом в любом случае, даже по согласованию с заказчиком, относительное удлинение не может быть меньше 34%. Для твердых шин (ШМТ, ШМТВ) минимальная величина их временного сопротивления к разрыву — 637 МПа (65 кгс/мм²) по Бринеллю (ГОСТ 434-78).

• Удельное сопротивление. По ГОСТ 434-78 при температуре 20 °C — не более 0,01724 х 10⁶ Ом x м.

• Маркировка и упаковка. Эти процедуры должны соответствовать ГОСТ 18690-2012. На каждую бухту, катушку, пачку крепится ярлык со следующей информацией:

1. товарный знак завода-изготовителя;
2. условное обозначение медных шин: например, ШМТ 9,00 x 45,00 ГОСТ 434-78 (по нему можно определить площадь расчетного сечения в мм²);
3. номер партии;
4. год и месяц изготовления;
5. клеймо ТК;
6. ГОСТ 18690-2012.

Полосы шин одной марки укладываются в однотипные по размеру и исполнению пачки максимальным весом 200 кг, обернутые упаковочным материалом и перевязанные проволокой под или поверх пачки 3 раза или более. Разрешается намотка любых ШММ, а также ШМТ и ШМТВ с сечением не более 240 мм² — в бухты, при этом они должны быть перемотаны проволокой как минимум в 3-х местах. По согласованию с заказчиком возможна контейнерная транспортировка медных шин без упаковки.

• Перевозка, хранение и гарантийные обязательства. Изготовитель медных шин выставляет гарантийный срок хранения продукции с момента производства: для ШМТ и ШМТВ — полгода, для ШММ — год. Гарантия действует в случае, если не нарушаются условия транспортирования и хранения (ГОСТ 18690-82), с учетом климатических факторов (ГОСТ 15150-69).

При выборе твердой или мягкой шины с точки зрения ее электротехнических качеств ключевую роль играет марка меди.

Марки меди для изготовления шин

Марки меди отличаются между собой технологией производства и, следовательно, — составом и количеством примесей. Для литой и деформированной меди ГОСТ 859-2014 определяет 12 химических элементов, для катодной меди — 19, для сверхчистой меди в семействе новых стандартов ГОСТ 27981 предусмотрен анализ 22-х элементов. Очевидно, что разработка методов атомно-спектрального, химико-атомно-эмиссионного, фотометрического и других сложных видов анализа не происходит ради праздного интереса. А ведь поиск и измерение массовой доли химических элементов происходит в металле, состоящим более чем на 99,99% из меди! Но как примеси влияют на механические, технологические и эксплуатационные качества меди? Давайте рассмотрим.

Так, в стандартных условиях эксплуатации примесь кислорода, содержащегося в форме закиси меди (Cu₂O) в количестве от 0,08 до 0,001%, не играет практически никакой роли. Его пагубное воздействие проявляет себя только при высоких температурах, поэтому такие бескислородные (рафинированные) марки меди, как М1р, М2р и М3р, требуются лишь для изделий, применяемых в особых высокотемпературных эксплуатационных режимах, производятся под конкретный заказ и стоят дорого. С другой стороны, кислород (O), а также висмут (Bi), свинец (Pb), цинк (Zn), кадмий (Cd) и другие легкоплавкие примеси создают трудности при паячных/сварочных работах, формируя зоны хрупкости в процессе нагрева. Исключительно с технологической точки зрения бескислородная медь в данном случае предпочтительнее. Здесь следует помнить, что содержание серебра на уровне 0,05% вдвое повышает температуру рекристаллизации меди, а с позиции механических свойств — уменьшает ее «ползучесть» и размягчение при нагреве, без падения электропроводности.

На электропроводность меди серьезно и не лучшим образом влияет наличие в ней фосфора (Р), железа (Fe), мышьяка (As), сурьмы (Sb) и олова (Sn). Массовая доля каждого элемента, в зависимости от марки меди, колеблется в пределах 0,05–0,001%, а примесь фосфора может присутствовать в еще более широком диапазоне — 0,06–0,0003%. Эти элементы больше всего содержатся в полутвердых, твердых, прессованных и отожженных прутках и лентах, а меньше всего — в слитках, полученных непрерывным вертикальным литьем, и катанках класса А. Среднюю позицию занимают катанки классов B и C, а также слитки горизонтального литья. Все это означает, что технология и то, из чего сделаны изделия — полуфабрикаты, обуславливают удельное электрическое сопротивление меди конкретной марки. При температуре 20 °С сопротивление у различных марок меди будет такое:

• М2 (отходы и лом) — 0,020 мкОм × м;
• М1 (прутки полутвердые, твердые, прессованные) — 0,01790 мкОм × м;
• М1 (прутки отожженные и ленты) — 0,01748 мкОм × м;
• М1 (слитки горизонтального литья и катанка класса C) — 0,01724 мкОм × м;
• М0 (катанка класса B) — 0,01718 мкОм × м;
• М00 (катанка класса А и слитка вертикального литья) — 0,01707 мкОм × м.

Различия в примесях всего лишь на 1% могут приводить к различиям в электропроводности на 3%. Напрашивается вывод, что даже у одной и той же марки меди, но разных изготовителей, удельное электрическое сопротивление может существенно отличаться, а это, в свою очередь, зависит от тех ГОСТов или ТУ, по которым производилась медь.

Таблица. Обозначения и соответствие марок меди в межгосударственном, европейском и американском международном стандартах

Как уже говорилось, для шин, изготовленных по ГОСТ 434-78, допускается применение марок меди М1 и выше. Шины из М2 и М3 изготавливают по ТУ.

Для электротехнических целей катоды переплавляют по технологии, которая исключает или минимизирует обогащение меди кислородом при изготовлении шин. Поэтому медь в такой продукции соответствует достаточно дорогим маркам М00, М0 и М1 (Cu-ETP1, Cu-ETP). В то же время они требуются далеко не для всех задач. По этой причине массовость и популярность приобрели М2 и М3, имеющие хорошие эксплуатационные качества при стандартных условиях использования, и одновременно — невысокую стоимость. Хотя для шин все же стоит порекомендовать условно бескислородную марку М0б (CuOF1). Для нее в ГОСТ 859-2014 максимальная массовая доля кислорода установлена на уровне 0,001%, но по согласованию сторон в соответствии с контрактом допускается ее увеличивать до 0,002%.

Итак, наиболее распространенные марки меди в изготовлении шин:

• М0б. Бескислородная электрорафинированная медь (99,97%) с содержанием кислорода и висмута 0,001%; фосфора, мышьяка, сурьмы, олова и никеля — не более 0,002%; серы, свинца и цинка — до 0,003%; железа — до 0,004%.
• М1. Технически чистая медь (99,90%), переплавленная из катодов в обычной атмосфере, с содержанием кислорода до 0,05%; висмута — 0,001%; мышьяка, сурьмы, олова и никеля — не более 0,002%; серы и цинка — до 0,004%; свинца и железа — до 0,005%. Фосфор и серебро по ГОСТу не нормируются. Если эта марка предназначается для электротехнической промышленности и подлежит испытаниям на электропроводность, к ее обозначению дополнительно добавляют букву Е (М1Е).
• М2. Переплавляемая из лома медь (99,70%), содержит 0,07% кислорода; до 0,002% — висмута; до 0,005% — сурьмы; не более 0,01% — серы, свинца и мышьяка; до 0,05% — олова и железа. Цинк, фосфор и серебро по ГОСТу не нормируются. Как и М1, требует специальных условий для сварки или пайки.

На что еще следует обращать внимание при выборе медных шин? Конечно, на тип и форму проката.

Типы проката

Выбор медных шин должен основываться на цели их применения и удобстве монтажа. Для этого приходится сопоставлять несколько параметров.

Пластичность

• Мягкая. Мягкие медные шины маркируются буквами ШММ. Применяются во всех сферах промышленности, от авиастроения до металлургии.
• Твердая. Маркировка ШМТ. Имеют меньшую проводимость, чем ШММ, используются для создания прочных и неподвижных шинопроводов.

Форма поставки

• Полосы. Могут быть длиной 2–6 м, их удобно закупать под конкретные нужды.
• Бухты. В бухты наматываются шины малой толщины длиной от 10 м. Это удобно, когда заказчику требуются небольшие отрезки шин время от времени.

Форма шины

• Гибкие и жесткие. Жесткие шины используются как замена кабеля, гибкие предназначены для облегченного монтажа распределительных сетей и установок.
• Плетеные. Изготавливаются из тонких медных проводов. Отличаются более высокой гибкостью, чем сплошные шины и востребованы в условиях высокой вибрации — например, в трансформаторных мостах.
• В изоляции и без нее. При наличии влаги, высокой температуре или в агрессивных средах используются шины в изоляции, при высоких нагрузках — двух- или трехполосные.
• Сплошные и перфорированные. Более распространены сплошные шины. Шины с перфорацией используются в выносных электротехнических шкафах, они легки в сборке и монтаже.
• Круглого сечения и прямоугольного. Круглые шины встречаются сравнительно редко, так как их изготовление требует большого расхода металла, но они отличаются более высокой прочностью при той же площади сечения. В основном, когда говорят о медных шинах, имеют в виду прямоугольное сечение. Это обусловлено также сложностью сварки и пайки круглых шин по сравнению с тонкими прямоугольными шинами того же сечения.
• С закругленными углами. Прямоугольные шины в обязательном порядке должны иметь скругленные углы, радиусы скруглений приведены в таблицах ГОСТ 434-78.
  Наиболее универсальными можно считать сплошные ШММ в полосах, прямоугольного сечения, без изоляции.

Применение

Медные шины используются для монтажа магистральных и троллейных шинопроводов — простых, надежных, долговечных, позволяющих экономить электроэнергию. Шины из бескислородной меди находят свое применение в вакуумной, медицинской, авиационной, военной, космической технике. Из них производят распределительные устройства, линейные ускорители, сверхпроводники и электронные приборы. Также они востребованы в микроэлектронике, атомной энергетике, строительстве и ювелирной промышленности.

Производители

Российские производители медных шин многие годы уступали иностранным по занимаемому объему рынка. Усилению конкуренции способствовало устойчивое развитие российской электротехнической отрасли. В результате к настоящему времени доля отечественной медной шины в потреблении по сравнению с 2009 г. выросла с 7 до 84%. При сохранении высокого качества, отечественная продукция в 1,5–2 раза дешевле зарубежных аналогов. Доля экспорта за 2009–2015 гг. выросла с 3,7 до 29,4%.

Отечественные

Медные шины производят в нашей стране МК «Норильский никель», ОАО «УГМК», ЗАО «Русская медная компания», Каменск-Уральский ОЦМ, Кольчугинский ОЦМ и многие другие. Особенностью изготовления медных шин в России является использование медного лома. Это может сказываться на эксплуатационных качествах меди, однако крупные российские производители стремятся использовать новые технологии и выдавать на рынок продукцию европейского качества. Например, в особых случаях, когда требуется сохранить высокую электро- или теплопроводность меди и дополнительно повысить ее жаропрочность или износоустойчивость, применяется легирование серебром, эта технология внедрена на Каменск-Уральском ОЦМ.

Европейские

Наиболее известные производители — МКМ (Германия), VBS (Сербия), GD (Франция), Gindre (Франция), LUVATA (Финляндия), SofiaMED (Болгария). В Европе для изготовления медных шин используется чистая катодная медь без добавления лома, что сказывается на качестве в лучшую сторону, но существенно повышает цену. Такие шины, как правило, закупаются для высокоточных работ.

Цены на медные шины

Ценообразование зависит от производителя, марки меди, геометрических размеров, формы, наличия изоляции. Цена может назначаться за вес, за штуку или за погонный метр. Например, цена отечественной неизолированной медной шины может стартовать с 220 рублей за погонный метр, 530 рублей за кг, 860 рублей за штуку длиной 4 м. Импортные шины могут стоить в 1,5–2 раза дороже, но собираясь покупать их поштучно, сверьте длину. Так, французские медные шины могут стоить 1200 рублей за штуку при длине 2 м.