למה מתרחשת זרם ניטרלי מופרז במערכות מרובעות מאוזנות עם ארבעה חוטים

במערכת חלוקת אנרגיה תלת פאזה בארבעה כבלים, מדובר בהסכמה בין אנשי התעשייה כי זרם הקו הניטרלי צריך להיות מאוד קטן כאשר המטענים התלת-פאזיים מאוזנים. עם זאת, יותר ויותר תופעות מפריכות את הרעיון הזה.

לדוגמה, תיבות ההודעות סביב בניין משתמשות באורות פלואורסנטיים עם בלסט אלקטרוני. המטענים על הקווים התלת-פאזיים מאוזנים, עם זרם של כ-90 אמפר בכל פאזה, אבל זרם הקו הניטרלי מגיע ל-160 אמפר.

בעצם, התופעה של זרם ניטרלי מוגבר הופכת ליותר ויותר שכיחה כיום. מדוע עדיין מופיע זרם בקו הניטרלי כאשר המטענים התלת-פאזיים מאוזנים, ואף מגיע מעל 150% מהזרם בשני קווי הפאזה? זה נגרם מחומץ הגלילה.

כאשר צורת הגל של הזרם בקווים התלת-פאזיים היא סינוסואידלית, אם הם מזויינים ב-120° ומגיעים באותה עוצמה, תוצאה של הסכום הווקטורי שלהם בקו הניטרלי היא אפס. זהו הדבר שכולם מכירים.

אבל אם הזרמים בקווים התלת-פאזיים הם פולסים ומזויינים ב-120°, תוצאה של הסכום שלהם בקו הניטרלי היא כפי שמוצג בתמונה 2. ניתן לראות בתמונה 3 שהזרמים הפולסיים בקו הניטרלי מתנגשים ולא מצמצמים אחד את השני. מספר הזרמים הפולסיים בקו הניטרלי הוא שלושה במחזור אחד, כך שזרם הקו הניטרלי הוא סכום הזרמים של כל קו הפאזה. לפי שיטת החישוב של הערך האפקטיבי, הזרם בקו הניטרלי הוא 1.7 פעמים הזרם בקו הפאזה.

מאחר שרוב המטענים החשמליים המודרניים הם מטעני חומץ גלילה, גם עם מטענים תלת-פאזיים מאוזנים עשוי להופיע זרם ניטרלי גדול. זרם ניטרלי מוגבר מסוכן מאוד, בעיקר בשל שני סיבות: ראשית, השטח הצטלבי של הקו הניטרלי בדרך כלל אינו גדול מהשטח הצטלבי של קו הפאזה, כך שזרם יתר גורם לחימום; ושנית, אין מכשירי הגנה בקו הניטרלי, כך שהוא לא יכול להתנתק כמו קווי הפאזה, מה שמשאיר סיכון שריפה עצום.

• עבור זרם חילופין תלת-פאזי סינוסואידלי סימטרי, עם מטענים מאוזנים, וקטורי הזרמים (עוצמות שוות, הפרש פאזה של 120°) מסתכמים לאפס, כך שזרם סדר אפס הוא אפס.

• עם מטענים לא מאוזנים, וקטורי זרם לא שווים (הפרשי פאזה לא כולם 120°) נותנים סכום שאינו אפס; זרם הסדר אפס (זרם לא מאוזן) קטן מכל זרם פאזה.

• אם למטענים תלת-פאזיים יש רכיבים לא ליניאריים (למשל, דיודות), הגורמים לזרם ישר והרמוניות מסדר שלישי/שישי, זרם סדר אפס (סכום אריתמטי של אלו) עשוי לעלות על זרם הפאזה. למשל, בחומץ גלילה חצי-תלת-פאזי, כל זרם פאזה הוא 1/3 מזרם המטען (הזרם של הסדר אפס).

• בחומץ גלילה גשר תלת-פאזי, זרם זורם בשני חצאי המחזור של הזרם החילופי (סימטרי, מאוזן בין הפאזה), כך שאין זרם ישר או הרמוניות מסדר שלישי; סכום הזרמים התלת-פאזיים הוא אפס (זרם סדר אפס = 0).

• בחומץ גלילה גשר חד-פאזי, זרם זורם בשני חצאי המחזור של הזרם החילופי (סימטרי), כך שאין זרם ישר או הרמוניות מסדר שלישי בזרם החד-פאזי.

• אם כל המטענים התלת-פאזיים הם חומצי גלילה גשר חד-פאזיים, אפילו עם אי-איזון, סכום הזרמים התלת-פאזיים אינו אפס (קיים זרם סדר אפס), אך זרם הקו הניטרלי לא יעלה על זרם הפאזה.