Защо в трифазни четирижични системи с балансирана натовареност се появява прекомерен ток в нейтралната жица

В трифазна четирежижа система за разпределение на електроенергията е широко разпространено мнение сред специалистите в сектора, че токът в нулевата жица трябва да е много малък, когато трифазните нагрузки са балансирани. Въпреки това все повече явления подкопават това понятие.

Например, рекламните светлини около сградата използват флуоресцентно осветление с електронни баластни устройства. Нагрузките върху трифазните линии са балансирани, като токът във всяка фаза е приблизително 90А, но токът в нулевата жица достига 160А.

Всъщност, явление на прекомерен ток в нулевата жица става все по-често в наши дни. Защо ток все още се появява в нулевата жица, дори и когато трифазните нагрузки са балансирани, и дори достига над 150% от тока в фазовите линии? Това е причинено от правоъгълната схема.

Когато формата на тока в фазовите линии е синусоидална, ако те са разместили с 120° и имат еднаква амплитуда, резултатът от техния векторен сбор в нулевата жица е нула. Това е нещо, което всички познават.

Но ако токовете в фазовите линии са пулсиращи и разместили с 120°, техният сбор в нулевата жица е както е показано на фигура 2. Както може да се види от фигура 3, пулсиращите токове в нулевата жица са преместени и не могат да се компенсират. Броят на пулсиращите токове в нулевата жица е три за един цикъл, така че токът в нулевата жица е сумата от токовете във всяка фазова линия. Според метода за изчисляване на ефективната стойност на тока, токът в нулевата жица е 1,7 пъти по-голям от тока в фазовата линия.

Тъй като повечето съвременни електрически нагрузки са правоъгълни схеми, дори и с балансирани трифазни нагрузки, може да се появи голям ток в нулевата жица. Прекомерен ток в нулевата жица е много опасен, главно поради две причини: първо, сечение на нулевата жица обикновено не е по-голямо от сечение на фазовата, затова прекомерният ток предизвиква прекомерно затопляне; второ, в нулевата жица няма защитни устройства, така че не може да бъде прекъсната, както фазовите линии, което представлява голяма опасност от пожар.

• За трифазен синусоидален симетричен алтернативен ток, с балансирани нагрузки, векторите на фазовите токове (с еднаква големина, с фазово разместване 120°) дават сбор равен на нула, така че нулевият последователен ток е нула.

• При несиметрични нагрузки, неравни вектори на тока (с фазово разместване, различно от 120°) дават ненулев сбор; нулевият последователен ток (несиметричният ток) е по-малък от всеки фазов ток.

• Ако трифазните нагрузки имат нелинейни компоненти (например, диоди), причиняващи постоянен ток и хармоники от 3-ти или 6-ти ред, нулевият последователен ток (сумата от тях) може да надхвърли фазовия ток. Например, в трифазен полуправоъгълен преобразувател, всеки фазов ток е 1/3 от тока на нагрузката (нулевият последователен ток).

• В трифазен мостов преобразувател, ток протича в двата половини на алтернативния цикъл (симетричен, балансиран между фазите), така че няма постоянен ток или хармоники от 3-ти ред; сумата от трифазния ток е нула (нулевият последователен ток = 0).

• В единофазен мостов преобразувател, ток протича в двата половини на алтернативния цикъл (симетричен), така че няма постоянен ток или хармоники от 3-ти ред в единофазния ток.

• Ако всички трифазни нагрузки са единофазни мостови преобразуватели, дори при несиметричност, сумата от трифазния ток е ненулева (нулевият последователен ток съществува), но токът в нулевата жица няма да надхвърли фазовия ток.