ALÜMİNYUM İLETKENLİ HAVAİ VE EKONOMİK BAKIMINDAN İNCELENMESİ

ALÜMİNYUM İLETKENLİ HAVAİ VE YERALTI KABLOLARININ TEKNİK VE EKONOMİK BAKIMDAN İNCELENMESİ

Nusret ALPERÖZ Y. Elektrik Müh. İ.T.Ü. El. F. Emeldi Öğr. Görevlisi

ÖZET:

Kırsal bölgelerde veya çok yoğun olmayan şehir bölgele rinde, alçak gerilim şebekelerinde alüminyum iletkenler yerine, askı telli ve plastik yalıtkanlı havai kabloların kullanılması işletme güvenliğini arttırmakta ve tesis giderlerini % 22'ye kadar azaltmaktadır.

Şehir şebekelerinde ise, bakır iletkenli yeraltı kabloları yerine alüminyum iletkenli yeraltı kablolarının kullanıl ması, kablo giderlerini kesite göre % 15 ila % 30 kadar azaltmaktadır.

Elektrik şebekelerinin tesisinde tercihler bu ekonomik sonuçlar göz önünde bulundurularak yapılmalıdır.

Mühendisliğin, teknik sorunları en ekonomik bir şekilde çözme ilkesi,Ülkemiz gibi nüfus artışının fazla, buna kar şılık olanakların kısıtlı olduğu ülkelerde daha da önem kazanmaktadır.

Bu görüşe önem verdiğimiz takdirde, üzerine eğilmemiz gereken konulardan biri de, elektrik şebekelerinde alü minyum iletkenli kabloların kullanılmasıdır.

Kırsal bölgelerde veya çok yoğun olmayan şehir bölge lerinde alçak gerilim şebekelerinde, alüminyum iletken ve polietilen yalıtkanlı havai kablolar, çıplak iletkenli hatlara nazaran daha büyük bir işletme güvenliği sağla dığı gibi, ilk tesis ve işletme giderlerini de azaltmaktadır. Bunlarda :

Dış etkilerle meydana gelen arızalar azalmakta, faz iletkenleri yalıtılmış olduğundan, can güvenliği art * makta ve aynı nedenle elektrik çalmaları da azalmak tadır. Özellikle gecekondu bölgelerinde fazla olan elektrik çalma olasılığını önemli derecede azalttığı deneyle sabit olmuştur.

İletkenler biribiıierine yakın olduğundan, hattın reak tansı ve dolayısıyla gerilim düşümleri ve reaktif güç kayıpları azalmaktadır.

Direk boylan Ver metre kısaldığından, travers ve izolatörlere gerek kalmadığından ve ayrıca direk ve iletken montajı ile ilgili giderler azaldığından, hattın maliyeti bir fazlı hatlarda % 9,4, üç fazlı hatlarda % 22 kadar azalmaktadır.

Yalnız, bunların yüklenebilme akımları çıplak ilet kenli hatlara nazaran yaklaşık % 40 kadar daha azdır. PE yalıtkanın 65°C'a kadar ısınmasına müsaade edildi ğinden, 35°C'lık rüzgarsız bir ortamda ortam üstü 30°C ısınmalarına müsaade edilmektedir.

Ancak alçak gerilim şebekelerinde en büyük yükler genel likle ortam sıcaklığının düşük olduğu akşam saatlerinde meyoana geldiğinden ve esasen çıplak iletkenli hatlar da gerilim düşümü bakımından her zaman tam yük akımları ile yüklenemediklerinden, bu önemli bir sakınca teşkil etmemektedir. Bununla beraber, bunlarda gerilim düşü müne göre bulunan kesitlerin ısınmaya göre kontrolü ihmal edilmemelidir. Yeraltı kablolarına gelince, ülkemizde halen genellikle bakır iletkenli yeraltı kabloları kullanılmaktadır. Oysa alüminyum iletkenli yeraltı kablolarının kullanılmasıyla önemli tasarruflar sağlaması mümkündür. Bu konudaki karşılaştırmalara geçmeden evvel bakır ve alüminyumun elektrik sanayiinde kullanılmasının tarihi gelişimini ve bazı özelliklerini kısaca gözden geçirmekte fayda vardır.

Bakır M.O. 4500 tarihinden beri kullanılmaktadır. 19.uncu yüzyıldan sonra elektrik endüstrisinin doğması ile kullanma alanı ve üretimi çok artmıştır. 150 sene öncesinde yıllık üretim 18.000 ton iken, günümüzde 4.000.000 tona ulaşmıştır. Başlıca Amerika, Kanada, Kuzey Rodezya ve Belçika Kongosunda üretilmektedir. Rafinasyon genellikle madenin yakınında kurulan tesis lerde elektroliz yoluyla yapılmaktadır.

Bakırın elektrik endüstrisinde kullanılmasının başlıca nedeni elektriksel iletkenliğinin yüksek olmasıdır.

Bakır, yeryüzünde alüminyuma nazaran daha az bulunan bir metaldir. Gün geçtikçe üretimi azalmakta, bu da fiya tının artmasına neden olmaktadır. Fiyatı sık olarak dal galanmakta, buna karşılık alüminyum fiyatları daha istik rarlı bir değişim göstermektedir. İkinci Dünya Savaşı sonrasında bakır fiyatları artarak alüminyum fiyatını geçmiş, özellikle 1956 58 yıllarında bakır, alüminyuma nazaran çok pahalı bir maden haline gelmiştir. Bakır, üstünlüğünü 1955 senesine kadar koruyabilmiş, bu tarih ten ronra yıllık alüminyum üretimi bakır üretimini geç miş ve bakırın yıllık üretim artışı % 3 iken alüminyumun ki % 10 olmuştur.

Alüminyum yeryüzünde en çok mevcut olan metallerden biridir, ilk olarak 1827 yılında arıtılıp, 1855 yılında Paris sergisinde halka gösterilmiştir. Serbest halde bulunmaz. Fakat bileşikleri bütün kayalarda, bitki ve hayvanlarda vardır. Dünya dış kabuğunun yaklaşık, hacim olarak % 15'i, ağırlık olarak % 8'i alüminyum oksittir.

Oksijene karşı olan ilgisi dolayısıyla diğer metallerin elde edilmesindeki metotlarla serbest hale getirilemez. Elekt roliz yoluyla elde' edilebilir. Asitlerden kolayca etkile

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 334 / 335

nen bir madendir. Oksijen ile birleşme kabiliyeti yük sektir. 1900 senelerinde 7.000 ton olan üretim 1956'da 3.000.000 ton'a ulaşmıştır. Alüminyum ticari alanda yalnız elementin kendisi anlamına gelmemekte, 200'den fazla alaşım ailesini de temsil etmektedir. Dünyadaki rezerv bolluğu, her alanda kullanma isteğini artırmakta, ayrıca hafif ve dekoratif oluşu tercih edilmesine neden olmaktadır. Elektrik endüstrisinde ekonomik nedenlerle bakırın yerini almaktadır.

Alüminyum'un fiyatında rol oynayan faktör, rafinasyon tesislerinin çok pahalı oluşudur. Y ani bakırdakinin tersi ne hammadde bol, fakat arıtma işlemi pahalıdır.

Alüminyum serbest halde bulunduğu zaman gayet sert bir oksit tabakası ile örtülmektedir. Bu oksit tabakası erime noktasına kadar sertliğini muhafaza etmekte ve oksidasyonun ilerlemesine engel olmaktadır. Bakırda ise oluşan oksit tabakası tam bir koruma yapamamakta, zamanla oksit tabakasının kalınlığı artmakta ve metal devamlı kayba uğramaktadır. Buna mukabil bakır oksit leri iletken, alüminyum oksit ile yalıtkan bir maddedir. Bu nedenle ek yapılırken alüminyum oksit temas yüzey lerinden uzaklaştırılmalıdır.

Alüminyum iletkenlerin diğer yararlı bir yanı da ark oluşumunda meydana gelebilen ve cihazlar üzerine çöke bilen yanma ürünlerinin, elektriksel bakımdan yalıtkan alüminyum oksit olmasıdır. Bakır iletkenler halinde bu çökeltiler iletkendir. Bu da cihazların ıslahını ve yeniden kullanılabilir hale getirilmesini zorlaştırır.

Bakır ve alüminyumun iletkenlikleri arasındaki oran 56/35 = 1,6 olduğundan, aynı uzunlukta aynı direnci elde edebilmek için alüminyum iletkenin kesiti bakır ilet kenin kesitinin 1,6 katı olmalıdır.

Buna göre, eşdeğer kesitteki alüminyum ve bakır iletken li kabloların fiyatları, yüklenebilme akımları ve ağırlıkları ekteki cetvelde karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmada, daha çok şehir şebekelerinde kullanılan NAY FGbY ve NY FGbY tipi çelik zırhlı kablolar kullanılmıştır. Cetvel den görüldüğü üzere alüminyum iletkenli kablolar eşde ğer kesitteki bakır iletkenli kablolara nazaran kesite göre % 15 ila % 30 kadar daha ucuzdur.

Alüminyum iletkenli kabloların diğer bir avantajı da ağır lıklarının azlığıdır. Gene ekli cetvelden görüleceği üzere Al. iletkenli kabloların ağırlığı özellikle büyük kesitlerde eşdeğer kesitli bakır iletkenli kablolara nazaran kesite göre % 6 ila % 43 kadar daha azdır ki, bu da nakliye ve montajda kolaylık ve ucuzluk sağlar.

Alüminyum iletkenli kablolara karşı yapılan itirazlar baş lıca 3 noktada toplanmaktadır :

a) Korozyana karşı dayanıklılığının azlığı, b) Ek yapılmasındaki zorluklar,

c) Kısa devreye dayanıklılığının azlığı. Şimdi bunları sırayla gözden geçirelim :

a) Alüminyumun asitlerden kolayca etkilendiğine yuka rıda işaret etmiştik. Ancak alüminyum iletken, dış etkilere karşı PVC yalıtkan ve çelik zırhlı kablolarda ayrıca çelik zırh ve bunun üzerindeki PVC dış kılıf tarafından korunmaktadır. Asitli ortamlar PVC üze rine etki etmezler. Y eraltında asitli ortam genellikle ancak kimya sanayiinin bazı kollarında vardır. Bu gibi yerlerde bakır iletkenli kablolar tercih edilmelidir. Ancak ortam asitli dahi olsa, yeraltı kablolarında meydana gelen bir arıza hemen farkedilip tamiri cihe tine gidileceğinden, bu kısa süre zarfından kabloda kayda değer bir korozyon ve tahribat meydana gelme si söz konusu değildir.

b) Ek için, iletken uçları açılıp üzerindeki oksit tabakası ince çelik telli bir fırça veya zımpara kağıdı ile temiz lendikten sonra, üzerine yeniden oksitlenmemesi için sarı macun sürülür ve sonra ek borusu veya kablo pa bucu geçirilerek sıkma pensesi ile sıkılır. Kullanılan ek borusu veya kablo panuçlarının da iletken üzerine geçirilecek iç yüzeyleri oksitten arındırılmış ve san macun sürülmüş olarak hazırlanmalıdır. Böylece iyi bir geçiş direnci elde edilir ve ek yeri herhangi bir sorun yaratmaz.

c) VDE 0298'e göre PVC yalıtkanlı bakır veya alümin yum iletkenli kabloların normal işlemede 70°C'a, kısa devrede ise 160°C'a kadar ısınmasına müsaade edil mektedir. Kısa devre hali çok kısa bir süre devam etti ğinden, bu süre zarfından meydana gelen jul ısısının tamamen iletken tarafından alındığı kabul edilmekte dir.

dt zamanı zarfından 1^ (kA) kısa devre akımının R diren cinde meydana getirdiği ısıyı dQ ile gösterirsek;

dO = ( l . 1 0 3 ) 2 . R . dt = I.2 . 1 0 6 .

•^20

q

[ 1 + a20 (0 20) ] . dt (Ws)

(D

Bu ısının tamamen iletken tarafından alındığı varsayıldı ğından.bu zaman zarfından iletkenin aldığı ısı :

d Q = M . c d 0 = q . t . 7 . c . d 0 (Ws)

(2)

Bu iki ifade eşitlenip, düzenlenip, integral alınarak :

d0

'k • ı u

1+a2o(0 2O)

/dt

7c

<*20 .İ n [ 1 + a 2 O . ( 0 2

0 ı ) ] =• q

c

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 334 1335

Buradan kesit hesaplanarak ve a 2 o = 1/r + 20 konulup düzenlenerek :

(3)

•yc3C2O (r + 2 0 ) l n T + e.

Bu formülde bulunan karakteristik değerler Al ve Cu için aşağıdaki gibidir:

Karakteristik Değerler

0 ı (°C) 02 (°C) 1 (g/cm3) c (W s/g.°C) 3 f 2 O (Ohm . mm2/m) T (°C)

Al

70 160 2,7 0,904 35 228

Cu

70 160 8,9 0^85 56 234.5

Yukarıdaki formülde (3), bir defa Al'a bir defa da Cu'a ait karakteristik değerler konularak :

(4)

(5)

Generatöre uzak kısa devrelerde I. yerine \Y alınabilir.

örneğin kısa devre akımının lk = 35 kA ve kısa devrenin

devam süresinin t = 0,001 s olduğunu kabul edersek, bu kısa devre akımının termik etkilerine bu süre ile dayana bilmeleri için alüminyum ve bakır iletkenli kabloların kesitlerinin yukarıdaki bağıntılara göre sırasıyla en az qAl = 14,8 mm2, norm olarak 16 mm2 ve q C u = 9,8 mm2, norm olarak 10 mm2 olması gerekir.

Yukarıdaki (4) ve (5) bağıntılarını taraf tarafa oranlarsak qAI/c>Cu=1'5 bulunur.

Yani aynı zaman zarfında aynı kısa devre akımına daya nabilmesi için alüminyum iletkenli kabloda iletken kesi ti, bakır iletkenli kablodaki iletken kesitinin 1,5 katı olmalıdır.

Oysa alüminyum iletken halinde eşdeğer kesit, bakır ilet kenin kesitinin 1,6 katı olarak alındığından, bu kesitin aynı süreyle aynı kısa devre akımına rahatlıkla dayanabi leceği anlaşılır.

Netice olarak yukarıda üç madde altında toplanan alü minyum iletkenli kablolara karşı görüşler gerçek bir nedene dayanmamaktadır.

Doğu bloku ülkelerin hemen hemen hepsinde, Fransa'da ve daha birçok ülkede alüminyum iletkenli yeraltı kablo ları başarı ile kullanılmakta ve böylece ekonomik yön den büyük tasarruflar sağlanmaktadır. Ülkemizde de kul lanılmaması için hiçbir neden yoktur.

Sad. K< • it

Alüvinyuaı Kablo NAYFGbY

YUklmab. Akıaı (A)

1 .100

7b

3 x 25 + 16

1 .600

3 x 50 • 25

2 .000

3 x 70 * 35

2 .50C

3 x 95 t 50

3 .300

3 x 120 • 70 4 .000

3 x 150 • 70 5 .000

3 x 185 • 95 6 .300

3 x 240 • 120 7 .700

Ağırlık Kg/a

K. •. * '

Bakır Kablo «TFGbY

Ydklaneb. Akıaı (A)

1,05

4 x 10

1.300

1,35

1.900

1.5

3 x 25 • 16 2.250

1,85

3 x 35 • 16 2.950

2,35

3 x 50 • 25 3.750

2,8

3 x 70 • 35 5.250

3.3

3 x 9b • 50 7.100

3,95

3 x 120 • 70 8.900

4,95

3 x 150 + 70 10.800

Alırlık

1,12 1.5 1,98 2,47 3,38 4.33 5.8 6,98 8,67

Oranıar AlUainjrua/Bakıi

Keait (t)

Fiat (0

YUkleneb. Akımı (1)

Ağırlık (D

1.6

1,01

0,94

1.56

0,84

0,90

0,89

1,12

2"

1,13

0,75

1,9

0,88

1,16

1,71

1,07

0,65

1,58

1,54

0,98

1,6

1.01

NOT: Bu cetveldeki fia t, yüklenebilme akımı ve ağırlıklar TEK'In 1985 yılı Birim Fiat Cetvelinden alınmıştır.

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 334 / 33Ş