Bakır Baralarda Yüzey Kaplamasının Kontakt Direncine Etkisi

Bu çalışmada, bakır lamaların temas yüzeyleri arasındaki elektriksel direnci etkileyen faktörler araştırılmıştır. Bakır lamaların kaplama işlemi sonrasında gösterdikleri yüzey davranışları incelenmiş ve buna bağlı olarak temas dirençlerindeki değişimleri saptanmaya çalışılmıştır.

A- A+

24.03.2016 tarihli yazı 12879 kez okunmuştur.

Bilindiği gibi enerji üretimi, doğal kaynaklarımızın elverdiği kadarıyla ve dışa bağımlı olarak gerçekleştirilmektedir. Üretilen enerjinin verimli kullanılması, çevreye duyarlı teknolojilerin geliştirilmesi ve enerji üretimi kadar önemlidir. Enerji kayıplarına yol açan etkenlerin içindeki önemli parametrelerden biri de, iletkenlerin temas noktalarındaki elektriksel direnç değerleridir. Örneğin endüstriyel sistemlerde kullanılan bakır lamalar genellikle kısa boylarda kesilerek ve birbirine cıvatalarla bağlanarak enerji iletimi sağlamaktadır. Bu uygulama, bağlantı noktalarındaki temas direnci kaynaklı kayıpları beraberinde getirmektedir. Bu nedenle temas yüzeylerinin pürüzlülüğü, yüzeysel boşluklar ve bunların konumu, malzemenin korozyon dayanımı ve oksidasyon eğilimi, temas yüzeylerinin birbiri üzerinde oluşturdukları basıncın elektriksel özelliklere etkisi önemlidir. Bu çalışmada, bakır lamaların temas yüzeyleri arasındaki elektriksel direnci etkileyen faktörler araştırılmıştır. Bakır lamaların kaplama işlemi sonrasında gösterdikleri yüzey davranışları incelenmiş ve buna bağlı olarak temas dirençlerindeki değişimleri saptanmaya çalışılmıştır.

Giriş

Günümüzde enerji tüketiminin ekonomik olması kadar enerji üretiminin çevre dostu olması ve enerji kayıplarının minimuma indirilmesi de önemlidir. Enerjinin verimli kullanılması günümüzde enerjinin üretimi kadar önemli bir konu haline gelmiştir. Türkiye elektrik enerjisi üretim-tüketim kayıplarının 2014 verilerine baktığımızda üretilen elektrik enerjisinin %2,5’i iletim kaynaklı ve %12,6’sı dağıtım kaynaklı olmak üzere toplam olarak üretilen enerjinin %15,1’i şebeke kaybı ile yok olmaktadır ^[1].

Elektrik enerjisinin giderek artan bir şekilde kullanımı yanında enerji kayıplarının da minimuma indirilmesiyle tüketiciye optimum hizmet sunulabilir. Yüksek akımlı tesislerde iletken malzeme olarak bakır lamalar kullanılmaktadır. Bu tesislerde iyi bir bağlantı sağlamak ve bağlantı noktası kayıplarını azaltmak önemlidir. Bağlantı noktalarında elektriksel direnç artar. Direncin artması, bağlantı noktasının ısınmasına, dolayısıyla iletilmesi gereken elektrik enerjisinin ısı enerjisine dönüşerek verimliliğin azalmasına sebep olmaktadır.

Bakır Lamalarda Kontakt Yüzeyinin Tanımlanması

Bir malzemenin yüzeyi hiçbir zaman mükemmel şekilde düz değildir. Yüzey üzerinde mikroskobik düzeyde girintiler ve çıkıntılar mevcuttur. İki malzemenin birbirine belirli bir kuvvetle örtüşmesi ile oluşan ara yüzey geometrileri Şekil 1’de görüleceği gibi 4 çeşittir. Yüzey örtüşmesinde iki malzemenin birleşmesi için uygulanan kuvvet önemlidir. Az kuvvet uygulanırsa yeterli temas yüzeyi oluşmaz, akım verimli bir şekilde iletilmez. Fazla kuvvet uygulanırsa bu durum mikroskobik düzeyde çıkıntıların kırılmasına sebep olur. Bu yüzden optimum bir kuvvet ile düşük temas direnci sağlanarak, temas noktalarını maksimize edecek şekilde uygulanmalıdır.

Şekil 1. Ara yüzey geometrileri

Bakır Lama Bağlantılarını Daha Verimli Hale Getirme Yöntemleri

Bakır bağlantılarında iletkenliği etkileyen birçok faktör bulunmaktadır. Bunlardan ilk akla gelenler kirlilik ve korozyon, temas noktalarında kötü elektrik iletkenliğine ve ısı artışı sebebiyle malzemenin genleşip bağlantılarının gevşemesine, dolayısıyla iletkenlik özelliğinin daha da azalmasına sebep olmaktadır. Toz parçacıklarının ara yüzeye girmesi durumunda bu parçacıklarının iletken olmaması sebebiyle ekstra direnç yaratır. Bu da bağlantı verimliliğini olumsuz yönde etkiler. Verimli bir bağlantı sağlamak için yüzeyin temiz ve oksitlenmesine sebep olmayacak şekilde önlem alınması gerekir. Hem oksitlenmeye önlem olarak, hem de temas direncini azaltmak adına bakır yüzeylerde kalay, nikel ve gümüş kaplama malzemesi olarak piyasada bakır yüzeyler için yaygın olarak kullanılır. Tablo 1’de bakır malzemesi ile eşit kesitlerde yapılan denemeler neticesinde kaplamaların gösterdikleri temas direnci değerleri yer almaktadır^[2].

Elde edilen sonuçlara göre kalay, nikele kıyasla temas direnci çok daha düşük olmasına karşın gümüşle kıyaslandığında daha yüksek temas direncine sahip olduğu görülmektedir. Ancak işin ekonomik boyutu, gümüşün kalaya nazaren daha pahalı bir malzeme olmasından ötürü kalayın kullanım yaygınlığının artması açısından önemli bir parametre olarak kabul edilebilir.

Tablo 1. Temas Direnci Karşılaştırması

Malzeme	Direnç (mΩ /mm²)
Bakır	20
Nikel Kaplı Bakır	35
Kalay Kaplı Bakır	6,8
Gümüş Kaplı Bakır	0,3

IEC 62271-1’de ısınma testi bölümünde de değinildiği üzere kaplamalı bakır bağlantılarında müsaade edilen maksimum sıcaklık değeri kaplama ile birlikte artmaktadır. Örnek olarak civatalı çıplak bakır-bakır bağlantısında atmosfere açık ortamda müsaade edilen maksimum sıcaklık 90°C iken kalay kaplamalı bakır ile 105°C’ye, gümüş ve nikel kaplamalı bakır ile 115°C’ye kadar müsaade edilmiştir^[3].

►İlginizi Çekebilir: SENTRON 3VA Kompakt Tip Güç Şalterleri

Şekil 2 ve Şekil 3’de kaplama malzemelerinin direnç ve ısıl geçirgenlik değerleri karşılaştırmalı bir biçimde gösterilmiştir[4]. Şekil 2’de sıralamada kurşunun en yüksek, gümüşün ise en düşük direnç değerine sahip olduğu anlaşılmaktadır. Burada dikkat çeken malzeme kalaydır. Her ne kadar kalayın direnç değeri nikelden yüksek olsa da, yumuşak bir metal olması sebebiyle temas noktasında boşlukları daha rahat doldurması ile 105° C altında daha az temas direnci oluşmasını sağlamaktadır. Tabii ki gümüş bu alanda rakipsizdir fakat kalay da iyi bir alternatiftir. Şekil 3’de görüldüğü gibi kaplama malzemelerinin ısıl iletkenlik değerleri de elektriksel iletkenlik değerleri ile paralel bir karakter ortaya koymaktadır.

Şekil 2. Kaplama Malzemelerinin Direnç Değerlerinin Karşılaştırılması (20° C)

Şekil 3. Kaplama Malzemelerinin Isıl İletkenlik Değerlerinin Karşılaştırılması (20° C)

Direnç ve ısıl iletkenlik değerleri, IEC 62271-1’deki ısınma testi bölümünde bulunan değerlere ters düşüyor gibi görünebilir. Şekil 2 ve 3’e göre nikel ve kalay kaplamanın direnç ve ısıl iletkenlik değerleri birbirine yakın görülmektedir. Oysaki IEC 62271-1’deki ısınma testi bölümünde nikel kaplamalı bağlantılarda, gümüş kaplamalı bağlantılar ile aynı sıcaklık değerine(115°C), kalay kaplamalı bağlantılarda ise 105°C’ye kadar müsaade edilmektedir.

Müsaade edilen sıcaklık değerleri baz alındığında nikelin kalay yerine gümüş ile aynı kefede değerlendirilmesinin sebebi malzemenin özdirencinin sıcaklık ile değişkenlik göstermesidir. Özdirenç, birim uzunluk ve kesit alana sahip bir iletkenin elektrik akımına karşı ne ölçüde direnç gösterdiğinin bir ölçüsüdür. Özdirenç iletkenin geometrik ölçülerinden bağımsız bir büyüklük olup, sadece iletkenin yapıldığı maddenin özellikleriyle ilgilidir[5]. Metal iletkenlerin çoğunun özdirençleri sıcaklık ile artar.

Formülde (1) belirtilen ρ₀ iletkenin belli bir dayanak ısıda (mesela 20°C’de) özdirenci, ΔT sıcaklık farkı ve α’ da söz konusu iletkenin sıcaklık sabitidir. Tablo 2’de bu değerler gümüş, nikel ve kalay için gösterilmiştir.

Tablo 2. Çeşitli İletkenlerin Özdirençleri

Madde	20^oC de Özdirenç (Ω.m)	Sıcaklık Katsayısı [K^-1]
Gümüş (Ag)	1,59 x 10^-8	0,0038
Nikel (Ni)	6,99 x 10^-8	0,0066
Kalay (Sn)	1,09 x 10^-7	0,0045

Tablo 2’deki değerleri çeşitli sıcaklık seviyelerinde formüldeki(1) yerlerine koyulursa Şekil 4’ te görüldüğü gibi bir grafik ortaya çıkar.

Şekil 4. Gümüş, Nikel ve Kalayın Özdirenç – Sıcaklık İlişkisi

Bu grafiği yorumlamak gerekirse, sıcaklık artışı ile birlikte gümüş, nikel ve kalaya ait özdirenç değerleri birbirinden uzaklaşmaktadır. Şekil 4’ te gösterilen malzemelere bağlı eğimlere dikkat edilirse; kalay, nikel ve gümüş’e göre daha büyük bir açı ile artış göstermektedir. Tablo 3’te görüldüğü üzere malzemelerin ergime noktaları da dikkate alındığında kalay yükselen sıcaklıklarda nikele göre daha düşük performans gösterecektir. Bu durum IEC 62271-1’deki ısınma testi bölümünde belirtilen kaplama malzemelerine bağlı müsaade edilen sıcaklık değerlerini doğrulamaktadır.

Tablo 3. Gümüş, Nikel ve Kalaya Ait Ergime Noktalarının Karşılaştırması

Malzeme	Ergime Noktası (^oC)
Gümüş (Ag)	961,78
Nikel (Ni)	1455
Kalay (Sn)	231,93

Kaplamaları mekanik açıdan incelemek gerekirse, kalay kaplama yumuşak bir malzeme olmasından ötürü hareketli yüzeylerde(ayrılabilir kontakt noktalarında) tercih edilmez. Kalay kaplama hareket ile birlikte bir süre sonra aşınıp bakır yüzeyden sıyrılacaktır. Bu yüzden hareketli yüzeylerde kalay kaplama yerine gümüş ve nikel kaplamalar tercih edilmelidir. Hareketsiz yüzeylerde ise nikelin sert ve kırılgan yapısı sebebiyle kaplama yüzeyinin birbiri ile örtüşmesinde kalaya nazaren daha az bütünlük sağlamaktadır.

Sonuç

Sonuç olarak, elektriksel bağlantı noktalarında performansın arttırılmasına yönelik uygulanan kaplama işlemleri, üretilen enerjinin daha verimli kullanılmasını sağlamaktadır. Heleki şebeke kayıplarının %15’leri bulduğu ülkemizde enerjinin daha verimli kullanıması için bakır yüzeylerin kaplanma konusu önem arz etmektedir. Birçok malzemenin karşılaştırıldığı bu çalışmada kalay kaplamanın gerek temas direnci, gerek ısıl geçirgenliği ve maliyeti göz önünde bulundurulduğunda alternatif bir kaplama malzemesi olduğu sonucuna varılmıştır.

Referanslar
1. Türkiye Elektrik Dağıtım ve Tüketim İstatistikleri, 1985-2014.
2. http://www.orientalcopper.com/knowledge_base.php
3. IEC 62271-1
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity
5. https://tr.wikipedia.org/wiki/Özdirenç
6. R.W. Caven, J.Jelali, “Predicting The Contact Resistance Distribuation of Electrical Contacts by Modeling The Contact Interface”, Electrical Contacts, Proceedings of The Thirty-Seventh IEEE Holm Conference, 83-89, Chicago, USA, 1991.
7. A.C. Sun, H.K. Moffat, D.G. Enos, C. S. George, Pore Corrosion Model for Gold-Plated. Copper Contacts, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 30, December 2007.
8. S. Harput , G.Onuk, Sarkuysan, Gebze, Negative Effects of the Surface of Copper Bus Bars on Contact Performance and Solution Investigations, Gebze, Turkey.
9. IEC/TR 60943 Ed.2.0 b:1998 , Guidance Concerning The Permissible Temperature Rise for Parts of Electrical Equipment in Particular for Terminals "
10. IEC60694: 2002, “Common Specifications for High-Voltage Switchgear and Controlgear Standards”.
11. W. Andrew, Coating Materials for Electronic Applications, United States , America, 2003.
12. J. Lefebvre, J. Galand, R. M. Marsolais, "Electrical Contacts on Nickel-Plated Aluminum: The state of the Art", IEEE Tran. on Com-Hvb, and Manuf. Tech., 204-215, 1992.

Yazar: Tolga KAYA
EM MS OP ME T1
Siemens San. ve Tic. A.Ş., Gebze
E-mail: tolga.kaya@siemens.com