Alüminyum Kablo Mu Yoksa Bakır Kablo Mu?

Alüminyum(Al) ve Bakır(Cu) hakkında

Alüminyum gümüÅŸümsü bir renge sahip, yumuÅŸak ve hafif bir metaldir. Yer kürenin yaklaşık %8 oranında alüminyumdan meydana geldiÄŸi tahmin edilmektedir. DoÄŸada serbest olarak çok nadir bulunur. Üretim süreci çok karmaşıktır ve yüksek miktarda enerji gerektirir. Elektroliz sonucu %99,5 saflık seviyesinde alüminyum elde edilir. Alüminyumun içerisinde yer alan yabancı maddeler metalin dayanıklılığını azaltacağından, bunun önüne geçmek ve %99,9 oranında saf alüminyum elde etmek için elektrolitik saflaÅŸtırma metodu uygulanır.

                                    -Temel Özellikler Tablosu-

Bakır ise kızıl bir renge sahip, doÄŸada serbest veya bileÅŸik olarak bulunan bir metaldir. Yapısının yumuÅŸak olması ve kolay iÅŸlenebilmesi sebebiyle eski çaÄŸlardan bu yana dünyada en çok kullanılan metaller arasındadır. Yer kürede %0,01 oranında olmasına karşın, madencilik firmalarının öncelikle tercih ettiÄŸi maden türüdür. 

Teknik deÄŸerlendirme

Alüminyum ve bakırın teknik özelliklerini kısaca iki ana baÅŸlık altında toplayabiliriz. 

•Fiziksel özellikler

•Elektriksel performans

Bu iki ana baÅŸlığı deÄŸerlendirmeye alırken unutmamamız gereken en önemli nokta, bu özelliklerin birbirleri ile etkileÅŸim içerisinde olduÄŸudur. Her iki metali fiziksel olarak kıyasladığımızda, öne çıkan en önemli nokta ağırlıklarıdır. Çünkü alüminyumun özgül ağırlığı, bakırın özgül ağırlığından daha düÅŸüktür. Bu sebeple, kullanılması planlanan iletkenlerin fiziksel özellikleri ağırlık ve boyut olarak önem kazanır.  

                                            -Özgül Ağırlıklar-

Özgül ağırlığı düÅŸük olan alüminyum bakıra göre yaklaşık olarak yarı yarıya daha hafiftir. Ancak iletkenlik özellikleri ele alındığında, bakırın iletkenliÄŸinin alüminyuma göre çok daha iyi olması ya da alüminyumun direncinin bakıra göre daha yüksek olması, aynı sistem için gerekli olan alüminyum iletkenin fiziksel yapısının %15-25 oranında daha fazla olması anlamına gelmektedir. 

Kablo kesit hesabında kullanılan gerilim düÅŸümü formülünden faydalanarak, bu iki metalin iletkenlik özellikleri karşılaÅŸtırıldığında;

 -Kablo Kesti Hesabı-

Aynı sistemde kullanılabilen alüminyum iletkenli kablo kesitinin, bakır iletkenli kablo kesitinin yaklaşık olarak 1,6 katı olması gerekmektedir. Öte yandan, elektriksel performans olarak direnç yapısı ile birlikte, dielektrik özellikleri, empedans karakteristiÄŸi, kısa devre dayanımı gibi özelliklere bakılırken, fiziksel performans olarak ise, sıcaklık artışına olan tepkisi, yangın dayanıklılığı ve mekaniksel dayanımı gibi konuların ele alınması gerekmektedir.

Kısa devre anında, bakır iletkenler alüminyum iletkenlere göre mekanik mukavemetini daha iyi korurlar. Alüminyum kullanılması, rijit iletkenlerde çekme ve bükülmelere, esnek iletkenlerde ise bükme, gevÅŸeme veya sıkıştırma gibi olaylara sebebiyet verebilir.

       -Mekaniksel Yorulma Testi Tablosu-

Alüminyum iletkenler titreÅŸim, çatlama ve kırılmalara bakır iletkenler kadar dayanıklı deÄŸildir. Mekaniksel yorulma, tekrarlanan yükleme ve boÅŸaltma streslerine maruz kalındığında ortaya çıkar ve mikroskobik çatlaklara sebep olabilir. Bu çatlaklar, zamanla kritik boyuta ulaÅŸabilir ve büyük kopmalara yol açabilirler.

Termal iletkenliklerini incelediÄŸimizde ise, akım altında oluÅŸan ısı, bakır iletken tarafından çok daha hızlı dağıtılır. Bu durum, örneÄŸin herhangi bir motorun aşırı akım çekmesi sırasında oluÅŸan ısının transferinde önemli bir özelliktir. Ä°letkenin daha küçük çaplı olarak seçilmesi, ısının yüzeye daha kısa bir yoldan hızlı olarak aktarılmasını saÄŸlar.

                  -Ergime Sıcaklıkları-

Bakır elementi, yüksek ergime sıcaklığı sayesinde termo-aktif süreçlerde meydana gelen mekaniksel kuvvetlere (genleÅŸme, büzüÅŸme vb.) mekanik özelliklerini kaybetmeden dayanabilir.

Ä°letken malzemelerin seçiminde önemli etkenlerden birisi de baÄŸlantı ve eklerdir. Elektriksel baÄŸlantıları etkileyen dört ana mekanizma vardır. 

Bunlar:

•Oksitlenme

•Galvanik etki

•SoÄŸuk akış / Sünme

•Termal genleÅŸme

Oksitlenme: BaÄŸlantı noktasında metal-metal temasının azalmasına veya temas direncinin artmasına sebep olan oksit, sülfit veya inorganik filmlerden meydana gelir. Bu etki temas yüzeyinin ısınmasına ve baÄŸlantı noktasındaki sıcaklığın artmasına neden olarak arızalanmaya sebep olabilir. Alüminyumun aksine, bakır baÄŸlantılar nadiren aşırı ısınır ve yüzey hazırlığı ya da oksit önleyici bileÅŸiklerin kullanılması gerekmez.

Galvanik etki: Alüminyum ve bakır birbirleri ile temasa geçtiklerinde alüminyum, elektrolitik etki ile yapısal özelliÄŸini fiziksel olarak kaybedebilir. Temas yüzeyinin azalması veya korozyon gibi sebeplerle, baÄŸlantı noktası hem mekaniksel hem de elektriksel olarak bozulur. Bu nedenle, kontak contaları, bimetal sonlandırma veya özel teçhizat kullanımı gibi ekipman ve aksesuarlar ile birlikte kullanılan alüminyum iletken bir dizi ekleme tekniÄŸine ihtiyaç duymaktadır.

SoÄŸuk akış / Sünme: Ä°yi bir baÄŸlantı yapısı oluÅŸturabilmek ve iletkenlerin yüksek temas saÄŸlaması için basınç uygulanır. Bu iÅŸlem, metalin “akmasına” yani deforme olmasına neden olabilir. Bu etki daha çok alüminyum iletkenlerde görülür iken, daha sert bir yapıya sahip bakır iletken için etkisi önemli olmayacak kadar azdır.  Ä°letken stres altında iken, stresin seviyesi, süresi ve sıcaklığına baÄŸlı olarak oluÅŸan plastik deformasyonuna “sünme” denir. Hem soÄŸuk akış hem de sünme, temas basıncında azalmaya, artan ek direncine ve dolayısıyla aşırı ısınmaya yol açar. Alüminyum, bakırdan daha fazla, daha hızlı ve daha düÅŸük sıcaklıklarda süner. 

Termal genleÅŸme: Yük altında ısınmakta olan bakır-bakır, pirinç-bakır veya kablo pabucu ile yapılan baÄŸlantı noktalarında gevÅŸeme gözlenmezken, alüminyum iletkenlerde termal genleÅŸmedeki yüksek farklar zaman içerisinde gevÅŸemeye sebep olabilir. Temas direncinin artması, aşırı ısınmayı ve ark potansiyelinin artmasını, dolayısıyla yangın riskini arttırır. Bakır ile yapılan ek baÄŸlantıları, alüminyum ek baÄŸlantılara göre daha güçlü, korozyona daha fazla dayanıklı, soÄŸuk akışa ve termal etkilere daha az duyarlı oldukları için daha güvenilir ve uzun ömürlüdür.

Montaj Yapısı ve Maliyet

Kablolar ister alüminyum ister bakır olsun, montaj sırasında dönüÅŸ noktalarında art arda bükülmelere veya çekme kuvvetlerine maruz kalırlar. Bu bükülmeler, iletkenin fiziksel olarak zorlanmasına sebep olmaktadır. Bununla baÅŸa çıkmak için, iletkenin esnek bir yapıya sahip olması gereklidir. Uluslararası TS EN 60228 üretim standartına göre hazırlanmış olan kablolar dört sınıfa ayrılır.

•Sınıf 1: Katı iletkenler

•Sınıf 2. Örgülü iletkenler

•Sınıf 5: Bükülgen iletkenler

•Sınıf 6: BükülgenliÄŸi Sınıf 5’den daha fazla iletkenler. 

1. ve 2. sınıf iletken üretimi için hem alüminyum hem de bakır malzemenin kullanılmasına izin verilir iken, 5. ve 6. sınıf iletken üretimi için sadece bakır kullanılmasına izin verilir. Bunun sebebi ise, bakırın esnek yapıya uygun olmasıdır. Aynı standart, alüminyum iletkenlerde yeterli mukavemetin saÄŸlanması amacıyla minimum boyut olarak, 10 mm² ve üzerindeki kesitlerde üretilmesine izin vermektedir.

TS EN 60228 ve TS EN 50565-1 standartlarında izin verilen bükme yarıçapları, kablo çapının 2 katı ile 15 katı arasında deÄŸiÅŸkenlik gösterebilir. Ancak aynı akım taşıma kapasitesindeki kablolar için, alüminyum kablo daha büyük kesitli olacağından, daha geniÅŸ bir bükme açısı ile döÅŸenmesi kaçınılmaz olacaktır. Enerji tasarrufu ve CO2 emisyonu yönünden ele aldığımızda, elektrik ve ısıyı en iyi ileten metaller arasında, bakır öne çıkmaktadır. Bakırın özdirencinin düÅŸük olması, kullanıldığı cihaz ve ünitelerde enerji performansının iyileÅŸtirilmesinde önemli ölçüde rol oynarken, enerji tasarrufu saÄŸlayarak üretilen CO2 gazı emisyonunun azalmasına da katkıda bulunur.Kurulum, iÅŸletme ve bakım maliyetleri deÄŸerlendirildiÄŸinde, alüminyumun yatırım maliyeti her ne kadar bakıra göre daha uygun olsa da bu metallerin bakım masrafları, kurulum ekipmanları, imalat masrafları ve kurulum iÅŸçiliÄŸi gibi konular toplam maliyete dahil edildiÄŸinde, alüminyumun saÄŸlamış olduÄŸu maliyet avantajı ortadan kalkmış gibi olmaktadır.

Alüminyum ve Bakır kablo karşılaÅŸtırma örneÄŸi

Ä°lgili karşılaÅŸtırma tablosu örneÄŸinde, aynı akım taşıma kapasitesine sahip olan alüminyum ve bakır kablonun, yazımızda da bahsettiÄŸimiz teknik deÄŸerlerinin birbirleri ile karşılaÅŸtırılması görülmektedir. Bu tabloya göre alüminyum iletken kullanılması durumunda;

Kablo toplam çapı %17 artmakta,

Ä°letken çapı %27 artmakta,

Bükme yarıçapı %17 artmakta,

Sevk makara boyutu %8 artmakta,

Ä°letkenlik direnci %3,8 artmakta,

İletken kayıpları %4,1 artmakta,

Ekran kayıpları %40 artmaktadır.

Bu sebeple, alüminyum kablonun bakır kabloyla kıyaslaması yapılırken sadece satın alma maliyeti deÄŸil, teknik ÅŸartların iÅŸletmenin yapısına uygunluÄŸu ve iÅŸletme maliyetlerine olan ya da olabilecek etkisinin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir. 

Türk Prysmian Kablo ve Sistemleri A.Åž.

Can SAÄžKOL