Kompozit özlü alüminyum iletkenlerin elektriksel ve mekaniksel açıdan incelenmesi
Electrical and mechanical investigation of composite core aluminum conductors
Yazar: SİBEL GÜNDOĞDU
Danışman: PROF. DR. MUHSİN TUNAY GENÇOĞLU
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik enerjisinin üretim santrallerinden tüketicilere mümkün olduğu kadar en az kayıpla dolayısıyla en yüksek verimle iletilmesi istenmektedir. Enerji iletimi, yüksek gerilimin yalıtım problemlerinden ve kablo sistemlerinin tesisinin daha zor ve maliyetli olmasından dolayı özellikle uzun mesafelerde havai hatlar ile yapılmaktadır. Havai hat iletkenleri üretilen elektrik enerjisini tüketim bölgelerine direkler vasıtasıyla taşıyan ve bu bölgelerde de dağıtan iletkenlerdir.        
Enerjinin iletilmesi ve dağıtımında kayıpların en aza indirgenmesi için havai hatlarda kullanılacak iletkenler yüksek iletkenlik seviyesine sahip olmalıdır. Diğer yandan, havai hat iletkenleri mekanik yüklere ve dış ortam şartlarına (kar, buz, rüzgâr, yağmur, güneş vb.) karşı yeterince dayanıklı, aynı zamanda mümkün olduğunca hafif malzemelerden seçilmelidir. İletken seçimlerinde önemli olan kriterlerden biri de uygun maliyettir. Tüm bu özellikler göz önüne alındığında havai hatlar için hem alüminyum hem de bakır iletkenler uygundur. Ancak bakır yerini zamanla daha ucuz ve hafif olan alüminyuma bırakmıştır. Alüminyum, ilk kez Amerika ve Fransa'da 1895 yılında hava hattı örgülü iletkeni olarak, 1908 yılında da hava hattı çelik özlü alüminyum iletkeni olarak kullanılmıştır. Hattın iletkenliği ile mekanik dayanımı, kullanılan iletkenin çapı ve yoğunluğu ile ilişkilidir. Gerek taşıdıkları akım gerekse de dış faktörlerden dolayı havai hat iletkenleri ısınmakta ve direkler arasında gerili olan iletkenlerde sehim meydana gelmektedir. Sehim değerlerini mümkün olduğunca azaltmak için iletim hatlarında kullanılan iletkenlerin ısı katsayısı da iyi olmalıdır. Aynı zamanda iletkenlerin, gerilme ve sehim ile oluşacak çekme kuvvetlerine dayanıp kopmamaları için esnek yapıda olmaları da gerekmektedir.
Uygun iletken seçimi esnasında bahsedilen etkenler dışında gerilim seviyesi, güç kaybı, ısınma durumu ve korona kaybı gibi etkenler de dikkate alınmaktadır. Havai hat iletkenleri, som (içi dolu veya masif), tek telli veya örgülü çok telli olarak yapılmaktadır. Som telden yapılan iletkenler bir cins malzemeden ve içi dolu bir tek tel halinde 10 mm2 kesite kadar imal edilir. Bazı özel durumlarda kullanılmak üzere 16 mm2'lik olanları da yapılmaktadır. Örgülü çok telli iletkenler ise aynı veya aynı cins metalden imal edilir. İnce tellerin spiral şekilde örülmesiyle meydana getirilen iletkenlerdir. Bu iletkenlerin üzerinde herhangi bir yalıtkan tabaka bulunmamaktadır. Örgülü iletkenler, büyük kesitlerde montaj kolaylığı, esnek oluşları, makara haline getirilebilmeleri ve taşınma kolaylığı sebebiyle kullanılmaktadır. Maliyet, elektriksel iletkenlik, hafiflik, esneklik ve mekanik dayanım gibi birçok yönden yapılan değerlendirmeler sonucunda güç sistemlerinde en yaygın olarak kullanılan malzemeler alüminyum ve çelik özlü alüminyum örgülü iletkenlerdir.
Günümüzde iletim ve dağıtım hatlarında enerjinin daha verimli bir şekilde iletilebilmesi için örgülü iletkenler tercih edilmektedir. Tamamı alüminyum örgülü iletkenlerden oluşan yapıların yanında çelikle desteklenen örgülü iletkenler de bulunmaktadır. Son yıllarda çeliğin dezavantajlarından kurtulmak için çelik kadar sağlam ama hafif ve esnek olan kompozit malzemeli iletkenler de üretilmiştir. Kompozit öz, çelik özden % 70 daha hafif ve iki kat daha güçlüdür.
Bu çalışmada, sağladığı avantajlarla havai hatlarda uygulamaları giderek artan ACCC detaylı olarak incelenecek ve aynı özelliklere sahip ACSR iletken ile karşılaştırılacaktır. Bu amaçla çeşitli iletkenler için elektriksel, mekaniksel ve termik testler yapılacaktır.

Abstract:
Project Title: Electrical, Mechanical and Thermal Investigation of Composite Core Aluminum Conductors
                                                                                     Summary

It is desired that electrical energy be transmitted from generation plants to consumers with as little loss as possible, thus with the highest efficiency. Energy transmission is carried out by overhead lines, especially at long distances, due to the insulation problems of high voltage and the more difficult and costly installation of cable systems. Overhead line conductors are conductors that carry the generated electrical energy to consumption areas through poles and distribute them in these regions.
Conductors to be used in overhead lines must have high conductivity levels in order to minimize losses in the transmission and distribution of energy. On the other hand, overhead line conductors should be chosen from materials that are sufficiently resistant to mechanical loads and outdoor conditions (snow, ice, wind, rain, sun, etc.), and at the same time as light as possible. One of the important criteria in conductor selection is affordable cost.  Considering all these features, both aluminum and copper conductors are suitable for overhead lines. However, over time, copper has been replaced by aluminum, which is cheaper and lighter. Aluminum was used for the first time in America and France in 1895 as an overhead stranded conductor and in 1908 as an overhead steel core aluminum conductor [1].   The conductivity and mechanical strength of the line are related to the diameter and density of the conductor used. Due to the current they carry and external factors, the overhead line conductors get hot and deflection occurs in the conductors that are stressed between the poles. In order to reduce the deflection values as much as possible, the heat coefficient of the conductors used in transmission lines should also be good. At the same time, the conductors must be flexible in order to be able to withstand the tensile forces caused by tension and deflection.
During the selection of the appropriate conductor, factors such as voltage level, power loss, heating state and corona loss are also taken into consideration. Overhead line conductors are made of solid (solid or solid), single-wire or braided multi-wire. Conductors made of solid wire are manufactured from a kind of material and as a single solid wire with a cross section up to 10 〖mm〗^2. 16  〖mm〗^2ones are also made to be used in some special cases. Stranded conductors are made of the same or the same type of metal. They are conductors formed by spiraling thin wires. There is no insulating layer on these conductors. Stranded conductors are used due to their ease of assembly in large sections, their flexibility, ability to be reeled and easy to carry. As a result of evaluations made in many aspects such as cost, electrical conductivity, lightness, flexibility and mechanical strength, the most commonly used materials in power systems are aluminum and steel-core aluminum braided conductors.
Today, stranded conductors are preferred in transmission and distribution lines to transmit energy more efficiently. In addition to structures consisting entirely of aluminum stranded conductors, there are also stranded conductors supported by steel. In recent years, in order to get rid of the disadvantages of steel, conductors with composite materials, which are as strong as steel but light and flexible, have also been produced. Composite core is 70% lighter and twice stronger than steel core [2].
In this study, ACCC, whose applications are increasing in overhead lines with its advantages, will be examined in detail and compared with ACSR conductors with the same properties. Various experiments will be conducted for this purpose.