¿Por qué ocurre una corriente neutra excesiva en sistemas trifásicos equilibrados de cuatro cables?

En un sistema de distribución de energía trifásico con cuatro cables, es un consenso entre los expertos del sector que la corriente en el cable neutro debe ser muy pequeña cuando las cargas trifásicas están equilibradas. Sin embargo, cada vez más fenómenos están subvirtiendo este concepto.

Por ejemplo, los cajas publicitarias alrededor de un edificio utilizan iluminación fluorescente con balastos electrónicos. Las cargas en las líneas trifásicas están equilibradas, con una corriente aproximada de 90A en cada fase, pero la corriente en el cable neutro alcanza 160A.

De hecho, el fenómeno de la corriente excesiva en el cable neutro se está volviendo cada vez más común en la actualidad. ¿Por qué aparece corriente en el cable neutro cuando las cargas trifásicas están equilibradas, e incluso llega a más del 150% de la corriente de línea de fase? Esto es causado por el circuito rectificador.

Cuando la forma de onda de la corriente en las líneas de fase es sinusoidal, si están desfasadas 120° y tienen la misma amplitud, el resultado de su superposición vectorial en el cable neutro es cero. Esto es lo que todos conocen.

Pero si las corrientes en las líneas de fase son pulsantes y están desfasadas 120°, su resultado de superposición en el cable neutro es como se muestra en la Figura 2. Se puede observar en la Figura 3 que las corrientes pulsantes en el cable neutro están desplazadas y no pueden anularse entre sí. Contando el número de corrientes pulsantes en el cable neutro, hay tres en un ciclo, por lo que la corriente en el cable neutro es la suma de las corrientes de cada línea de fase. Según el método de cálculo del valor efectivo de la corriente, la corriente en el cable neutro es 1,7 veces la corriente de línea de fase.

Dado que la mayoría de las cargas eléctricas modernas son cargas de circuitos rectificadores, incluso con cargas trifásicas equilibradas, puede ocurrir una gran corriente neutra. La corriente neutra excesiva es altamente peligrosa, principalmente por dos razones: primero, la sección transversal del neutro generalmente no es mayor que la de la línea de fase, por lo que una sobrecorriente provoca sobrecalentamiento; segundo, no hay dispositivos protectores en el neutro, por lo que no puede desconectarse como las líneas de fase, creando un gran riesgo de incendio.

• Para la CA trifásica sinusoidal simétrica, con cargas equilibradas, los vectores de corriente de fase (magnitud igual, diferencia de fase de 120°) suman cero, por lo que la corriente de secuencia cero es cero.

• Con cargas desequilibradas, los vectores de corriente no son iguales (diferencias de fase no todas 120°), dando una suma no nula; la corriente de secuencia cero (corriente desequilibrada) es menor que cualquier corriente de fase.

• Si las cargas trifásicas tienen componentes no lineales (por ejemplo, diodos), causando corriente continua y armónicos de 3ª/6ª orden, la corriente de secuencia cero (suma aritmética de estos) puede superar la corriente de fase. Por ejemplo, en un rectificador de media onda trifásico, cualquier corriente de fase es 1/3 de la corriente de carga (la corriente de secuencia cero).

• En un rectificador puente trifásico, la corriente fluye en ambos semiciclos de CA (simétrica, equilibrada entre fases), por lo que no hay corriente continua ni armónicos de 3º orden; la suma de la corriente trifásica es cero (corriente de secuencia cero = 0).

• En un rectificador puente monofásico, la corriente fluye en ambos semiciclos de CA (simétrica), por lo que no hay corriente continua ni armónicos de 3º orden en la corriente monofásica.

• Si todas las cargas trifásicas son rectificadores puente monofásicos, incluso con desequilibrio, la suma de la corriente trifásica es no nula (existe la corriente de secuencia cero), pero la corriente neutra no superará la corriente de fase.