Neden Farklı Ülkeler Farklı Voltajlar Kullanıyor?

Farklı ülkelerdeki gerilim tercihleri, Thomas Edison’un düşük gerilimle doğru akım (DC) kullanımını teşvik etmesi buna karşılık Nikola Tesla’nın daha verimli yüksek gerilimli alternatif akım (AC) ile iletimi seçmesinden kaynaklanmaktadır.

Elektrik altyapısı geçmişte kabul edilen belirli temeller üzerine kurularak günümüze ulaşmıştır. Kabul edilen değerler üzerine inşa edilen altyapıların değişim maliyetine katlanmamak için aynı seçimler üzerine devam edilmektedir.

Edison, DC elektriği aydınlatma başta olmak üzere elektrikli birçok cihazın kullanımına uygun şekilde planlamasını ve uygulamasını gerçekleştirmiştir. Düşük gerilimli DC elektriğin uzak mesafelere aktarımı iletkenlerden geçen akımın fazlalığı nedeniyle fazla güç kaybından dolayı kısıtlı olmaktaydı. Bu yüzden iletim hatlarında daha kalın kesitli iletkenler gerekiyordu. Bir dönem Edison’un şirketinde çalışan Tesla, DC elektrikte yaşanan pek çok sorunun AC ile aşılacağı fikrini Edison’a sunsa da kabul görmedi.

Tesla, Edison’un yanından ayrılarak fikirlerini gerçeğe dönüştürmek için Westinghouse şirketinden yatırım alabildi. Aydınlatma, jeneratör, motor, iletim hatları ve elektrikli birçok cihazın AC ile çalıştırılmasını sağlayan fikirleri bu şirket bünyesinde gerçekleşebilmiştir.

AC ve DC arasındaki rekabet 1890’larda Akım Savaşları‘nı başlattı. İnsanlara DC elektriğin daha güvenli olduğu, AC’nin daha yüksek gerilimli olduğu için güvensiz olduğu propagandası yapılmaya başlanmıştı. DC elektriğin indirici ve yükseltici tasarımları AC sistemlerdeki gibi trafolarla basitçe halledilemiyordu. Edison’un geride kalmasının en büyük sebeplerinden biri elektriği uzak mesafelere iletmek için gerilimi yükseltmek ve kullanım alanlarında tekrar düşürebilmeyi başaramamaktı. Bu yüzden AC sistemlere göre hep daha kısa mesafelerde iletim gerçekleştirilebilmiştir.

1893 yılında Kolomb’un Amerika’yı keşfinin 400. Yılı şerefine düzenlenen Şikago Dünya Fuarı‘na katılan Edison ve Westinghouse, fuarın elektrikle aydınlatılması için teklif verdi. Edison’dan düşük fiyat verebilen Westinghouse ihaleyi alabilmişti. AC’nin DC karşısında aldığı bu zafer hızla büyüyerek küresel çapta kullanılan elektrik çeşidinin AC olmasına neden olmuştur.

Güncel teknolojiyle DC sistemlerde buck-boost dönüştürücüler kullanılarak DC gerilimin alçaltılıp yükseltilmesi mümkün olmaktadır. Eğer Edison tarafından bu dönüştürücüler kullanılabilseydi Akım Savaşları’nı Edison kazanabilecekti.

Kuzey Amerika’da DC ile güç aktarımı için kullanılan jeneratörler 110 V gerilim sağlayabiliyordu. Coğrafyanın büyük kısmında bu sebeple bireysel tüketiciler dahil sahip olunan altyapı buna göre tasarımlanmıştır. Altyapısal değişimlerin gereksiz maliyetlere sebep olacağı düşünüldüğünden gerilim değerinde o zamanlardan günümüze değişiklik yapılmamıştır.

Edison’un lambalarının etkili olduğu düşünülen 110-120V DC elektrik standardı zamanla yerini 120 V, 60Hz AC elektriğe bırakmıştır.  Tesla, AC ile güç aktarımının en iyi olduğu referans değerleri 240 V, 60 Hz olarak belirlemiştir. Avrupa kıtasında 120 V ile başlayan AC kullanımı, Alman şirketlerinden olan AEG, metrik standart birimine uyması açısından frekansı 50 Hz alarak 230 V gerilimle Avrupa kıtasına yayılmasını sağlamıştır.

Amerika’da 120 V AC gücün yetersiz olduğu fırın, kurutma makinesi gibi elektrikli cihazların çalıştırılması için birbirinden 180 derece faz farkı olan 2 faz 120 V elektrik verilmektedir. Böylece 240 V gerilimle daha yüksek elektrik gücü sağlanabilmektedir.

Teknolojik gelişimlere öncülük eden ülkeler, savaşlar, anlaşmalar, sömürgecilik gibi nedenlerle etkisi altındaki diğer ülkelere kendi standartlarını yerleştirmeyi başarabilmiş ve farklı gerilim-frekans değerlerine sahip ülkelerin artmasına sebep olmuşlardır.

Bazı ülkelerin tek faz elektrik gerilimleri ve frekansları şu şekildedir; ABD 120 V-60 Hz, Almanya 230 V-50 Hz, Azerbaycan 220 V-50 Hz, Brezilya 127/220 V-60 Hz, Çin 220 V-50 Hz, Hindistan 230 V-50 Hz, İngiltere 230 V-50 Hz, İran 230 V-50 Hz, Kanada 120 V-60 Hz, Kıbrıs 230 V-50 Hz, Malezya 230 V-50 Hz, Meksika 127 V-60 Hz, Pakistan 230 V-50 Hz, Rusya 220 V-50Hz, Suudi Arabistan 220 V-60Hz, Japonya 100 V-50/60 Hz, Türkiye 230 V-50 Hz.

İletim hatlarında kullanılan bakır ya da alüminyum iletkenler iç dirence sahiptir. Elektriğin yüksek gerilimle iletilmesi taşınan güç içerisindeki akımın düşük olmasını sağlar. Böylece iletken üzerinde ısıya dönüşerek kaybolan gücün azalması sağlanır.

Yüksek gerilimde AC veya DC kullanılması ise projelere bağlı olarak değişmekle birlikte günümüzde genellikle AC üzerine yapılandırılmıştır. Yüksek gerilimli DC elektrik kullanarak gücü transfer etmek 800 km mesafeyi aşan havai hatlarda, deniz altında 50 km üzerindeki hatlarda daha az maliyetli olmaktadır [1].

Farklı ülkelerdeki farklı gerilim değerlerine uyum sağlayabilmek için üretilen elektrikli cihazların birçoğunun çalışma gerilim ve frekans değerleri tüm aralıkları kapsayacak şekilde olmaya başlamıştır. Prizlerdeki farklılıkları aşmak için ise dönüştürücüler kullanılmaktadır.

[1] P. Bresesti et al., “HVDC Connection of Offshore WindFarms to the Transmission System,” IEEE Trans. on Energy Conversion 22, 37 (2007).