Bir enerji hattına göz attığınızda, büyük olasılıkla alüminyumdan yapılmıştır, ancak laboratuvarda bakır daha iyi bir iletkendir. Alüminyum kullanımını belirleyen faktör elektrik değil, ağırlık, açıklık mesafeleri ve fiyattır. Bu makale her malzemenin kullanım alanlarını özetler, alüminyumun havai iletim hatlarında bakırın önüne nasıl geçtiğini ancak yeraltı iletim ve şalt cihazlarında hala rekabet ettiğini açıklar ve hattın sonlandırma noktalarında neye yol açtığını anlatır.
Kısa cevap: En büyük miktarda havai elektrik gücü iletimi, ithal edilen güç iletim tellerinin ’ından fazlasını oluşturan alüminyum teller aracılığıyla gerçekleştirilir. Elektrik gücü iletiminde kullanılan alüminyum teller genellikle çelik çekirdekli alüminyum tel anlamına gelen ACSR olarak bilinir. Bakır teller, kablo montajı, busbarlar, motorlar ve trafolar gibi alanlarda, tel ağırlığından çok alan ve bağlantı güvenilirliğinin tercih edilmesi gereken durumlarda kullanılır. Alüminyum, bakırın ilettiği elektriğin yalnızca ’ini iletir ve maliyeti bakır maliyetinin yaklaşık -30’u kadardır, ancak bakırdan daha hafiftir ve aynı elektrik direncine sahip alüminyum tel, çapı biraz daha büyük olduğu için yaklaşık iki kat daha hafiftir.
Tartışmayı çözen sayılar
İki metal de elektriği iletmede üstünlük sağlar, ancak fark çoğu kişinin düşündüğünden çok daha azdır; çünkü aynı boyuttaki teller değil, eşit kapasitedeki teller karşılaştırıldığında. Bakır, daha hacimsel olduğu için kazanan; aynı alana sahip bir tel için daha fazla elektrik taşıyabilir. Alüminyum ise özgül ağırlığı sayesinde kazanan; aynı iletkenlik için önemli ölçüde daha hafif ve çok daha ucuzdur.
| 20 °C’de özellikler | Sert çekilmiş bakır | Sert çekilmiş alüminyum | Galvanizli çelik |
|---|---|---|---|
| Direnç (×10-8 Ω·m) | 1.72 | 2.83 | yaklaşık 14 |
| İletkenlik (1 IACS) | 97 (tavlanmış bakır 100) | 61 | yaklaşık 12 |
| Yoğunluk (kg/m³) | 8,890 | 2,703 | 7,800 |
| Maksimum çekme dayanımı (MPa) | 380-420 | 160-200 | 1,300-1,500 |
| Sıcaklık katsayısı (×10-3/°C) | 3.93 | 4.03 | 4.5 |
| Göreceli malzeme maliyeti (2026 göstergesi) | Ton başına 8.800-11.000 USD | Ton başına 2.400-3.200 USD | Uygulamaya bağlı |
Mühendislik açısından sonuçlar netleşir. Elektrik direnci açısından, alüminyumun bakıra göre yaklaşık 1,6 kat daha fazla yüzey alanı vardır ve çapı bakırdan yaklaşık 1,28 kat daha geniştir. Ancak bu iletkenin boyutuna rağmen, ağırlığı yalnızca yaklaşık yarısı kadardır. Ayrıca, alüminyum üretimi için hammadde fiyatları bakırdan önemli ölçüde daha düşük olduğundan, aynı boyuttaki bir alüminyum iletken, bakır muadili maliyetinin yaklaşık -50’si kadardır ve kendi başına daha hafiftir.
Alüminyumun mekanik açıdan önemli bir dezavantajı vardır. Çekme dayanımı bakırın neredeyse yarısı kadar düşüktür. Ayrıca, uzun süreli yük altında uzama sorunu yaşaması gibi dezavantajları vardır.
Alüminyumun havai hatlarda kazanmasının nedeni
İki sorumluluğu ayırarak, sorun tamamen ortadan kalkar. ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced), dışta alüminyum teller ve içinde çelik ve galvanizli çelik çekirdekten oluşur. Çelik çekirdek gerilimi korurken, alüminyum akımı taşımaktan sorumludur. Çelik, iletkenin çekirdeğinde bulunduğu için elektriksel açıdan neredeyse hiç rol oynamaz; bu tür iletkende akım yoğunluğu en düşüktür. İletken 54/7 olarak belirtilir, bu da çelik çekirdeğin 7 teli etrafında 54 alüminyum tel olduğu anlamına gelir.
İletken hafif yapıldığında, tüm iletim sisteminin inşası daha ucuz hale gelir. Daha hafif teller, direkler arasındaki açıklıkların daha uzun olmasına olanak tanır; bu da daha az direk, daha küçük temeller ve daha az arazi temizliği anlamına gelir. Çeşitli sektör tahminlerine göre, tamamen bakır sistemlerin kullanıldığı altyapıda tasarruf -40’a kadar çıkabilir. Daha uzun hatlarda, bu avantaj iletkenlik verimliliği hesaplarının tamamını aşar.
Dikkate alınması gereken başka bir avantaj daha vardır. Eşit dirençli AC iletkenlerin tasarımı çap olarak yaklaşık daha geniştir, bu nedenle elektrik yükü yüzeye daha eşit dağılır ve korona boşalması etkisi azalır. İnşaat sahasında fazla gibi görünen bu boyut, 400 kV gerilim seviyesinde iyi bir avantaj sağlar.
| İletken | Yapı | Dayanıklılık kaynağı | Kullanıldığı yer |
|---|---|---|---|
| AAC | Tam alüminyum teller | Sadece alüminyum | Kısa açıklıklar, trafo merkezi barası, kentsel dağıtım |
| AAAC | Alüminyum-magnezyum-silikon alaşımı teller | Alaşım | Kıyı ve endüstriyel atmosferler; bimetalik korozyon yok |
| ACSR | Galvanizli çelik çekirdek üzerinde alüminyum | Çelik çekirdek | Dünya çapında havai iletim için varsayılan |
| ACAR | Alüminyum alaşım teller üzerinde alüminyum | Alaşım çekirdek | AAC’den daha fazla dayanıklılık gerektiren korozyona duyarlı güzergahlar |
| ACSS | Tavlanmış alüminyum yüksek dayanımlı çekirdek üzerinde | Çekirdek, esasen tamamı | Mevcut bir güzergahın kapasite artırımı; yüksek işletme sıcaklığı |
Bakırın hâlâ kazandığı yerler ve nedenleri
Yeraltı kablosu, kablo endüstrisinde bakırın son kalesidir ve bunun nedeni alan sorunudur. Bir hendek, kanal veya kablo tepsisi önceden belirlenmiş bir alana sahiptir ve iletkenin ekstra her bir milimetrekarelik alanı, kazma, kanal açma ve çekme çabalarıyla gerekçelendirilmelidir. Büyük kesit gerektiren her yerde, bakır iletkenliği rekabeti kazanır. Su altı kullanımı, bakır kullanımına bir gerekçe daha yaratır: uzun destek gerektirmeyen hatlar için güçlü yapı ve kablonun çekildiği giriş noktalarında dayanıklılık.
Elektrik cihazlarında durum daha da nettir. Bara çubukları, motor ve transformatör sargıları, kontaktör bobinleri, kontrol telleri tamamen bakırdan yapılmıştır, çünkü muhafaza sabit boyuttadır ve bağlantı kalitesi metal fiyatından daha fazla önem taşır. Bakırdan yapılmış 3.200 A elektrik barası, normalde sığmayan yaklaşık 1,6 kat daha küçük kesite sahip alüminyumdan yapılmalıdır. DC çekiş (metro üçüncü ray ve üstten besleme sistemleri, ark ocakları, elektrolitik tesisler) aynı amaçla bakırla devam etmektedir.
Ardından dönüşüm argümanı gelir: Bakırdan yapılmış mevcut herhangi bir sistem, aynı anda amper kapasitesi, arıza derecelendirmeleri ve koruma ayarları ile ilgili tüm varsayımlar değiştirilmeden alüminyuma dönüştürülemez.
Alüminyuma kötü şöhret kazandıran arıza modları
Alüminyum, büyük ölçüde hak ettiği kötü bir üne sahiptir — ancak bu malzemenin suçu değildir. Eşi benzeri görülmemiş bakır maliyetleri döneminde, Kuzey Amerika’daki evlerde bakırda kullanılan aynı teknolojilerin, cihazların ve tork değerlerinin alüminyumda da çalışacağı varsayılmıştır. Üç özellik bu duruma etki etmiştir.
Birincisi, alüminyum oksijenle reaksiyona girer ve yaklaşık 2.072 °C erime noktasına sahip yalıtkan bir oksit tabakası oluşturur; bu nedenle korozyon direnci için iyidir ancak vida terminalleri için uygun değildir. İkincisi, alüminyum termal döngüler sırasında bakırdan çok daha fazla genleşir; bu nedenle yapılan bağlantı, çok sayıda termal döngüden sonra gevşeyecektir. Üçüncüsü, alüminyum bakıra göre anodiktir, bu yüzden nem varlığında iki metalin doğrudan teması halinde temas noktalarında galvanik korozyon oluşur.
Tüm bu sorunlar klasik bir arızaya yol açar: bir priz yeterince ısınarak ark oluşumuna neden olur. Modern alüminyum tesisatın güvenli hale getirilmesi için çözümler, bağlantılara doğrudan uygulanan oksit önleyici bileşikler, özellikle alüminyum iletkenler için kullanılan CO/ALR dereceli cihazlar, bakır ve alüminyum arasında bimetalik geçiş bağlantıları ve alüminyumun genleşme özellikleri dikkate alınarak hesaplanan ve uygulanan tork değerleridir.
Mevcut alüminyum dal devrelerinde çalışan herkes için teşhis görünümden çok ısıdır. Arızalanmaya başlayan bir sonlandırma genellikle tamamen arızalanmadan çok önce renk değiştirmiş izolasyon, yanmış bir cihaz veya gereksiz atma gösterir ve aynı parmak izi — hafif yük altında ısı, ardından mantıksız atmalar — bozulmuş bir kesiciyi yakalamanın yoludur devrenin diğer ucunda.
İletkenin gerilim sınıfına uygunluğu
Gücün iletilme şekli, iletim gerilimi değiştikçe değişir ve bu değişiklik ekonomi değil geometriden kaynaklanır. Yaklaşık 220 kV üzerindeki hatlarda, faz başına birden fazla iletken bulunur ve yüksek gerilim ile düşük gerilim arasındaki farkı yöneten aynı mantık tasarım kaç tane olacağını belirler. 400 kV’luk bir hat genellikle çok büyük bir iletken yerine faz başına iki veya dört alt iletkenden oluşan bir demet halinde çalışır. Güç iletimindeki değişiklik endüktans ve korona etkileriyle ilgilidir. Bir güç hattının endüktansı yalnızca telin fiziksel yarıçapı ile belirlenir ve tek bir telin yarıçapının artırılması endüktans üzerinde çok fazla etkiye sahip değildir. Etkili olması için teller birden fazla küçük tele demetlenir, böylece etkili yarıçap tellerin sayısıyla artar ve yüzeydeki elektrik alan korona oluşumunu önleyecek kadar düşük tutulur. Bu nedenle, tellerdeki alüminyum içeriği gerilimle artar ve tellerin tasarımı önceden yapılır, dolayısıyla üreticiye bağlı değildir.
ACSR kod adı.
| Sarım Al / çelik | Genel çap | 20 °C’de DC direnç | Dog | Tipik Kullanım |
|---|---|---|---|---|
| 14,15 mm | 6/4.72 + 7/1.57 | 0,2745 Ω/km | 33-66 kV hatlar | Panther |
| 21,00 mm | 30/3.00 + 7/3.00 | 0,1390 Ω/km | 132 kV hatlar | Zebra |
| 28,62 mm | 54/3.18 + 7/3.18 | 0,0688 Ω/km | 220 kV ve 400 kV, demetli | Moose |
| 31,77 mm | 54/3.53 + 7/3.53 | 0,0561 Ω/km | 400 kV, ikili veya dörtlü demet | Bu isimler ulusal iletken kataloglarından türetilmiştir, ardından gelen rakamlar — çap, sarım, direnç ve geometrik ortalama yarıçap dahil — bir hattın tasarımında anahtar hususlardır. İletkenin maddesiyle ilgili ilk husus, iletken tablosu incelenmeden çok önce çözülür. |
Akım taşıma kapasitesi, sıcaklık ve terminal derecelendirmeleri.
Alüminyumun daha düşük iletkenliği akım taşıma tablolarına da yansır. Aynı iletken boyutunda, alüminyum izolasyon için aynı sıcaklık derecelendirmesinde bakırın yaklaşık -80’i kadar akım taşıyabilir. Örneğin, 75 °C derecelendirilmiş 1/0 iletken bakırda 150 A akım taşıma kapasitesine sahipken, alüminyumda 120 A’dır. Aynı akım taşıma kapasitesine ulaşmak için daha büyük bir iletken kullanmak gerekir — genel kural, bakırda kullanılan iletkenden iki AWG boyutu daha büyük bir iletken kullanmaktır. Sonuçta, bu alan sorununu beraberinde getirir — gerekli akımı taşıyan alüminyum iletken farklı kanal boyutları, farklı klemensler ve panoda daha fazla alan gerektirir.
Alüminyumun daha düşük iletkenliği, ampacity tablolarına da yansır. Aynı iletken boyutunda, alüminyum, yalıtım için aynı sıcaklık derecelendirmesinde bakırın ampacity'sinin yaklaşık -80'ini iletebilir.
Kodda iki detay, sahadaki hataların çoğunu oluşturur. Birincisi, ampasitenin kablolama ve terminallerin sıcaklık derecelendirmelerine bağlı olmasıdır. 90 °C yalıtımlı bir iletken, 75 °C dereceli bir terminale bağlandığında, montaj aksi belirtilmedikçe sadece daha düşük değerde kullanılabilir ve bu listeleme tam olarak bir UL 489 kalıplı kutu devre kesici terminal sıcaklık derecelendirmesinde belirtilir, pazarlama literatüründe değil. İkinci detay ise, alüminyum bağlantıların, alüminyum kablolama için uygun olarak listelenmiş konektörler kullanılarak, belirtilen tork ve konektör üreticisinin spesifikasyonlarına göre oksit inhibitörü ile yapılması gerektiğidir.
Bu, şalt cihazları ve terminasyonlar için ne anlama gelir
Bu aşamada, iletken tarafından verilen karar artık kablo ile ilgili değil, şalt cihazı ile ilgilidir. Alüminyum besleyicilerin kullanımı, kablolara bağlı her ekipmanın hem alüminyum hem de bakır için derecelendirilmiş olmasını gerektirir; terminasyon ekipmanı, alüminyum ile bakırın birlikte kullanıldığı her yerde alüminyum ve bakır bağlantısını içeren bimetalik olmalıdır.
HUYU’nun üretim hattı, MCB’ler, MCCB’ler, hava devre kesiciler, kontaktörler, röleler, akım trafoları, aşırı gerilim koruma cihazları, otomatik transfer anahtarları ve PV kombine kutuları gibi bileşenler üretir. Tel üretmiyoruz, bu nedenle alüminyum ve bakır arasında seçim yapmanın bize ait olduğunu düşünmüyoruz. Yaptığımız, terminalleri her iki malzeme için derecelendirilmiş, tork ve iletken aralığı verileri yayımlanmış ekipman sağlamaktır — bir DIN rayı Bu sofistike sadece terminallerinin kabul ettiği iletken kadar 63 A’lik bir cihazdır.
Sahadaki arızalardan edindiğimiz deneyimden öğrendiğimiz üzere, bir besleyici malzeme değiştirirken, bu değişimin birleşim noktasının belirlenmiş bir terminalde veya bimetalik bir konektörde olması önemlidir — asla bir koşum cıvatası ve bir bant parçası ile hattın ortasında olmamalıdır.
Gerçek bir projede nasıl karar verilir
| Uygulama | Malzeme | Sebep |
|---|---|---|
| Havai iletim ve dağıtım | Alüminyum (ACSR / AAAC) | Ağırlık, açıklık uzunluğu, kule maliyeti, çap ve korona |
| Yeraltı ve denizaltı kablosu | Bakır, bazen büyük LV için alüminyum | Kesit pahalıdır; iniş noktalarında sağlamlık |
| Anahtarlama donanımı bara ve kontrol kablolaması | Bakır | Sabit muhafaza hacmi; bağlantı güvenilirliği |
| Motor ve transformatör sargıları | Bakır; maliyet odaklı dağıtım birimlerinde alüminyum | Sarım alanı, kayıplar, ısı dağılımı |
| Bina besleyicileri, daha büyük devreler | Boyut ve maliyet için alüminyum; sıkışık güzergahlar için bakır | Metal maliyeti ile kanal alanı arasında denge |
| Mevcut tesisatlar | Zaten olanla eşleştir | Yeniden derecelendirme çalışmaları ve karışık metal terminasyonlarından kaçın |
Sistem seviyesi kararları genellikle cevabı bir adım daha ileri iter. Büyük bir endüstriyel sahada, iletken malzeme dağıtım mimarisi ile etkileşir — kaç transformatör, MV hatlarının uzunluğu, MV anahtarlama donanımı miktarı — bu yüzden kurumsal ölçekli dağıtım sistemleri iletken bazında değil, bütün olarak tasarlanır ve mimarinin optimize edilmesi genellikle metal değişiminden daha fazla tasarruf sağlar.
SSS
Güç iletimi için alüminyum mu yoksa bakır mı daha iyidir?
Alüminyum, küresel ağın ’ından fazlasında kullanılmasıyla havai hatlar için büyük ölçüde tercih edilir. Bakır ise yeraltı hatları, ekipman veya kesitin önceden belirlendiği durumlar için daha uygundur. Her ikisinin de güçlü yönleri vardır; soru, hangi kısıtlamanın ilgili duruma uygulandığıdır.
Havai hatlarda neden bakır yerine alüminyum kullanılır?
Çünkü aynı dirence sahip bir alüminyum iletken yaklaşık yarı ağırlığındadır ve bakır eşdeğerinin yaklaşık -50 maliyetindedir. Ağırlığın yarı olması, açıklıkların daha uzun olmasını sağlar ve yapıyı düzgün desteklemek için daha fazla kule ve daha küçük temeller gerektirir.
Bakır ve alüminyum teller doğrudan bağlanabilir mi?
Nemli veya dış alanlarda kullanmaktan kaçının. Alüminyum, bakıra göre elektropozitiftir ve bağlantıdaki nem varlığında galvanik etkiye neden olabilir. Bu nedenle, iki metal için özel olarak tasarlanmış bimetal bağlantı elemanları kullanın.
Aynı boyuttaki bakırdan alüminyum tel daha az akım taşır mı?
Evet, tipik olarak bakırın derecesi aynı izolasyon sıcaklığı için -80 civarındadır. Aynı akım ve voltaj için yaklaşık iki AWG boyutu daha büyük kullanılır, bu da daha büyük iletkenler ve dolayısıyla daha büyük kanal ve klemens boyutları gerektirir.
ACSR nedir ve çelik çekirdek neden vardır?
Alüminyum İletken Çelik Takviyeli (ACSR), birkaç katman alüminyum telin merkezine yerleştirilmiş bir çelik tel çekirdekten oluşur. Çeliğin rolü, sert çekilmiş alüminyumun uzun açıklıklarda yönetemediği çekme gerilimini taşımaktır; alüminyum ise elektrik akımını taşımaktan sorumludur. Çelik, iletkenin elektrik akımı için ayrılan alanın minimum olduğu merkezde bulunduğundan, neredeyse hiç elektrik kaybı olmaz.
Bir evde alüminyum kablolama tehlikeli midir?
Kendi başına değil, ancak doğru cihaz montajı gerektirir. 1960 ve 1970'lerde yaşanan hatalar, alüminyum tel konektörlerinin, bu tür iletkenler için derecelendirilmemiş cihazlarla kullanılması ve uygun montaj veya doğru tork uygulanmadan kullanılması nedeniyle ortaya çıkmıştır. Günümüzde, oksit önleyici bileşiklerin kullanımı, CO/ALR dereceli cihazlar ve bimetalik aparatlarla birlikte, bu gereksinimler karşılandığı sürece süreç doğru ve verimli şekilde çalışmaktadır.
Referanslar
- NFPA — NFPA 70 Ulusal Elektrik Kodu, Madde 310 ve Tablo 310.16
- ASTM — B230/B230M Elektrik Amaçlı Alüminyum 1350 Tel için Standart Spesifikasyon
- ASTM — B232/B232M Konsantrik Katmanlı Alüminyum İletkenler, Kaplamalı Çelik Takviyeli (ACSR)
- IEC — IEC 61089 Yuvarlak Tel Konsantrik Katmanlı Havai Elektrik İletkenleri
- IEEE — IEEE 738 Açıkta Havai İletkenlerin Akım-Sıcaklık İlişkisinin Hesaplanması Standardı
- UL Solutions — UL 486A-486B Tel Konektörleri ve UL 489 Kalıplı Kasa Devre Kesiciler
- Copper Development Association — Bakır ve alüminyum iletken karşılaştırma verileri
Sonuç
Elektrik enerjisi iletiminde, alüminyum onlarca yıldır bu alanda kullanılan birincil malzemedir. Bu tercihin nedeni, alüminyumun üstün iletkenlik özelliklerine sahip olmaması, ancak ağırlığının yarısı kadar hafif ve maliyetinin düşük olmasıdır; böylece mesafe uzunlukları uzatılır ve gereken kule sayısı azaltılır. ACSR'de kullanılan çelik çekirdek, alüminyumun tek ciddi dezavantajını ortadan kaldırmaktadır. Bakır ise ağırlığın avantaj olduğu yerlerde, yani yeraltı ve su altı kablolamalarında, ayrıca sargılar ve kontrol devrelerinde kullanılmaya devam etmektedir. Hangi metal kullanılırsa kullanılsın, konektörün doğru tipte olması, ayrıca inhibitör ve tork seviyesinin uygun olması gerekmektedir. Çoğu arıza, telin kendisinin çalışması sırasında değil, metal ile kesiştiği noktalarda meydana gelir.
