Miksi liian suuri nolla-johtojen virta syntyy tasapainotetuissa kolmivaiheisissa nelijohdissa järjestelmissä
Kolmiavirtajärjestelmässä, jossa on neljäs neutraalijohde, on alalla yleistä ajatella, että neutraalijohdessa oleva virta pitäisi olla hyvin pieni, kun kolmen vaiheen kuormat ovat tasapainossa. Kuitenkin yhä useammat ilmiöt murentavat tätä käsitystä.
Esimerkiksi rakennuksen ympärillä olevat mainosvalokotiloissa käytetään sähköisillä balleideilla varustettuja huolehdintavaloja. Vaihevirtajohdoissa olevat kuormat ovat tasapainossa, ja jokaisen vaiheen virta on noin 90 A, mutta neutraalijohdessa oleva virta saavuttaa 160 A:n.
Itse asiassa liian suuri neutraalijohdevirta on nykyään yhä yleisempi ilmiö. Miksi neutraalijohdessa esiintyy vielä virtaa, vaikka kolmen vaiheen kuormat olisivatkin tasapainossa, ja miksi se voi jopa ylittää vaihevirtajohdon virtaa 150 prosentin verran? Tämä johtuu suodatuspiiristä.
Kun vaihevirtajohdoissa oleva virran muoto on sinimuotoinen, ja ne ovat 120° vaihe-eroon toisistaan ja niillä on sama amplitudi, niiden vektorien supistus neutraalijohdessa on nolla. Tämä on kaikkien tuttu asia.
Mutta jos vaihevirtajohdoissa olevat virrat ovat pulssi-aaltoja ja ne ovat 120° vaihe-eroon toisistaan, niiden supistus neutraalijohdessa on kuten kuviossa 2 näkyy. Kuvion 3 perusteella voidaan nähdä, että neutraalijohdessa olevat pulssi-virrat eivät peruuta toisiaan. Laskemalla pulssi-virtojen lukumäärän neutraalijohdessa, niitä on kolme yhden syklin aikana, joten neutraalijohdessa oleva virta on vaihevirtajohdoissa olevien virtojen summa. Tehokkaan virran laskutavan mukaan neutraalijohdessa oleva virta on 1,7 kertaa suurempi kuin vaihevirtajohdon virta.
Koska useimmat nykyaikaiset sähkökuormat ovat suodatuspiiri-kuormia, neutraalijohdessa voi esiintyä suuri virta, vaikka kolmen vaiheen kuormat olisivatkin tasapainossa. Liian suuri neutraalijohdevirta on erittäin vaarallista pääasiassa kahdesta syystä: ensinnäkin, neutraalijohdon poikkileikka-ala ei yleensä ole suurempi kuin vaihevirtajohdon, joten ylivirta aiheuttaa ylikuumenemisen; toiseksi, neutraalijohdossa ei ole suojauslaitteita, joten sitä ei voida katkaista samalla tavalla kuin vaihevirtajohdot, mikä lisää paloriskiä huomattavasti.
Kolmivaiheiselle sinimuotoiselle symmetriselle vaihevirtalle, jossa kuormat ovat tasapainossa, vaihevirtojen vektorit (samat amplitudit, 120° vaihe-ero) summautuvat nollaksi, joten nollajärjestysvirta on nolla.
Epätasapainoisilla kuormilla, epäyhtäläiset virrant vektorit (vaihe-erot eivät ole kaikki 120°) antavat nollasta poikkeavan summan; nollajärjestysvirta (epätasapainoinen virta) on pienempi kuin mikään vaihevirta.
Jos kolmivaiheisilla kuormilla on epälineaarisia komponentteja (esim. diodit), jotka aiheuttavat direct current -virran ja kolmannen/seitsemännen harmonisen, nollajärjestysvirta (nämä aritmeettinen summa) voi ylittää vaihevirtan. Esimerkiksi kolmivaiheisessa puolisuuntaissuodatuspiirissä, mikä tahansa vaihevirta on 1/3 kuorman virtasta (nollajärjestysvirta).
Kolmivaiheisessa silmukkasuodatuspiirissä, virta kulkee molemmissa vaihevirtasilmukoissa (symmetrinen, tasapainossa vaiheissa), joten ei direct current -virrata eikä kolmatta harmonista; kolmivaiheisen virran summa on nolla (nollajärjestysvirta = 0).
Yksivaiheisessa silmukkasuodatuspiirissä, virta kulkee molemmissa vaihevirtasilmukoissa (symmetrinen), joten yksivaiheisessa virrassa ei ole direct current -virrata eikä kolmatta harmonista.
Jos kaikki kolmivaiheiset kuormat ovat yksivaiheisia silmukkasuodatuspiirejä, jopa epätasapainoisina, kolmivaiheisen virran summa on nollasta poikkeava (nollajärjestysvirta on olemassa), mutta neutraalijohdevirta ei ylitä vaihevirtaa.
