Al-Cu Bimetalik Kompozit Hammaddesinin Elektrik Anahtarlarındaki Isınma Karakteristiğinin İncelenmesi

Year 2022, Volume: 22 Issue: 6, 1483 - 1502, 28.12.2022

Hüseyin Tunahan Gözel , İdris Cesur , Cenk Kaan Şahnalı

https://doi.org/10.35414/akufemubid.1127745

Abstract

Çalışmada, mevcut durumda elektrik anahtarlarında kullanılan bakır ve pirinç hammaddelere göre daha uygun maliyetli bir alternatif olacağı düşünülen Al-Cu bimetalik hammaddesinin elektrik anahtarlarında kullanımının IEC standartları açısından uygunluğu araştırılmıştır. IEC 60669-1 elektrik anahtarları standardının en belirleyici testi olan aşırı akım testinde, iletkenlerin artan ısınma miktarları incelenmektedir. Anahtarın iletkenlerinden ürünün beyan akımının (In:10A) 1,35 katı aşırı akım geçirilerek iletkenlerdeki maksimum sıcaklık artış miktarının (ΔT) 45°C altında olması istenmektedir. Araştırmada, üç farklı hammadde (Al-Cu, pirinç ve bakır) ile oluşturulmuş ürün dataları, standartta belirtilen sınır şartları dahilinde multi-fizik simülasyonlara tabi tutulmuş ve laboratuvar testleri yapılmadan önce sıcaklık artışı ile alakalı teorik sonuçlara ulaşılmıştır. Simülasyona göre en yüksek sıcaklık artışı 20,5°C ile pirinç, en düşük sıcaklık artışı 17,25°C ile bakır numunede gözlemlenmiştir. Al-Cu numunede ise 19,9°C sıcaklık artışı gözlemlenmiştir. Simülasyonlardan sonra yapılan laboratuvar testlerinde simülasyon verilerine yakın sonuçlar alınmıştır. Test sonuçlarına göre en yüksek sıcaklık artışı meydana gelen pirinç numunede 22,63°C, en düşük sıcaklık artışı meydana gelen bakır numunede 19,14°C ve Al-Cu numunede ise 20,72°C sıcaklık artışı gözlemlenmiştir. Sırasıyla pirinç, Al-Cu ve bakır için analiz-deneysel veri sapma miktarları şu şekildedir; %10,37, %4,10 ve %10,95. Bu verilere göre hiçbir numune maksimum 45°C miktarını aşmamıştır ve numunelerin tamamı standart açısından uygundur. Direncin ısınma ile doğru, iletkenlik ile ters orantılı olduğu bilinmektedir. Bu bilgiler ve test sonuçlarından yola çıkılarak hammaddelerin iletkenlik miktarları için bakır>Al-Cu>pirinç sıralaması yapılabilir. Simülasyon ve deneysel doğrulama sonuç verileri incelendiğinde Al-Cu bimetal hammaddesinin, uluslararası elektrik anahtarları standardındaki aşırı akım testlerini geçerek elektrik anahtarlarında pirinç ve bakır iletkenlere alternatif olarak kullanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.

Keywords

Elektrik anahtarı, Alüminyum (Al), Bakır (Cu), İletken, Elektrik Kaynaklı Isınmalar, Bi-metal

Investıgatıon Of The Heatıng Characterıstıc Of Al-Cu Bımetalıc Composıte Raw Materıal In Electrıc Swıtches

Abstract

In the study, the suitability of the use of Al-Cu bimetallic raw material in electrical switches, which is thought to be a more cost-effective alternative to copper and brass raw materials used in electrical switches, in terms of IEC standards has been investigated. In the overcurrent test, which is the most decisive test of the IEC 60669-1 electrical switches standard, the increasing heating amounts of the conductors are examined. 1.35 times the rated current of the product (In:10A) is passed through the conductors of the switch and it is requested that the maximum temperature increase amount (ΔT) in the conductors be below 45°C. In the research, product 3D data created with three different raw materials (Al-Cu, brass and copper) were subjected to multi-physics simulations within the boundary conditions specified in the standard and theoretical results related to temperature increase were reached before laboratory tests were performed. According to the simulation, the highest temperature increase was observed in the brass sample with 20.5°C, and the lowest temperature increase was observed in the copper sample with 17.25°C. A temperature increase of 19.9°C was observed in the Al-Cu sample. In the laboratory tests performed after the simulations, results close to the simulation data were obtained. According to the test results, 22.63°C temperature increase was observed in the brass sample with the highest temperature increase, 19.14°C in the copper sample with the lowest temperature increase, and 20.72°C in the Al-Cu sample. Analysis-experimental data deviation amounts for brass, Al-Cu and copper, respectively, are as follows; 10.37%, 4.10% and 10.95%. According to these data, no sample exceeded a maximum of 45°C and all samples conformed to the standard. It is known that resistance is directly proportional to heating and inversely proportional to conductivity. Based on this information and test results, the order of copper>Al-Cu>brass can be made for the conductivity of raw materials. When the simulation and experimental verification result data were examined, it was concluded that Al-Cu bimetal raw material could be used as an alternative to brass and copper conductors in electrical switches by passing the overcurrent tests in the international electrical switch standard.

Keywords

Electric Switch, Aluminum (Al), Copper (Cu), Conductive, Electrical Heating, Bi-metal

References

• Aker, A., Nair, F., Yıldırım, İ., & Kaya, H., 2019. Al-Cu Ötektik Alaşımına Ag, Zn Ve Sn Katkılanmasının Mekanik Ve Elektriksel Özelliklere Etkisinin Araştırılması. Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 1115-1125.
• Badur, Ö. 1978. Elektrik Kumanda Devreleri. Milli Eğitim Gençlik ve Spor Bakanlığı Yayınları.
• Çengel, Y., Ghajar, A., 2014. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications (5. Baskı b.). McGraw-Hill Education.
• Gök, M., 2010. B2O3 Katkılı Kontak Malzemesi Üretimi ve Özelliklerinin Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, 90.
• Gözel, H. T., 2022. Al-Cu Bimetal Kompozitlerinin Elektrik Anahtarlarında İletken Olarak Kullanılabilirliğinin Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Sakarya, 135.
• IEC, 2005. IEC 60669-1. Switches for household and similar fixed electrical installations - Part 1: General requirements.
• IEC, 2021. IEC 60584-3 / Thermocouples - Part 3: Extension and compensating cables - Tolerances and identification system.
• MEB, 2011. Elektrik-Elektronik Teknolojisi - Elektriğin Temel Esasları. Milli Eğitim Bakanlığı Yayınları.
• Szulborski, M., Sebastian, L., Łukasz K., and Daniel Z., 2021. Transient Thermal Analysis of the Circuit Breaker Current Path with the Use of FEA Simulation. Energies, 14.
• TSE, 2005. TS EN 60669-1. Anahtarlar - Ev ve benzeri yerlerde kullanılan sabit elektrik tesisatları için - Bölüm 1: Genel özellikler.
• Ulutaş, A., Turhan, H. 2017. Toz Metalurjisi İle Üretilen Cu-Feb Kompozit Malzemelerin Mikroyapı Ve Elektriksel Özelliklerinin İncelenmesi. Technological Applied Sciences, 43-52.
• Varol, T., 2022. AA2024 Matrisli B4C Parçacık Takviyeli Metal Matrisli Kompozitlerin Toz Metalurjisi Yöntemiyle Üretimi ve Özelliklerinin İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon 170.
• Yıldız, T., Katı, N., Bozkurt, N. 2020. Toz Metalürjisi Yöntemi ile Üretilen Cu-Sn/Ni Kompozitinin Elektriksel İletkenliğine Isıl İşlemin Etkileri. BEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 1437-1448.
• https://blogs.imf.org, (07.08.2022)
• https://copperalliance.org (17.05.2022)
• https://www.lme.com (22.07.2022)
• http://w3.bilecik.edu.tr (14.08.2022)
• https://instrumentationtools.com (02.05.2022)
• https://www.bayermaterialsciencenafta.com (03.09.2022)