Mengapa Arus Netral Berlebih Terjadi pada Sistem Tiga Fasa Empat Kabel yang Seimbang

Dalam sistem distribusi listrik tiga fasa empat kawat, para ahli industri sepakat bahwa arus garis netral harus sangat kecil ketika beban tiga fasa seimbang. Namun, semakin banyak fenomena yang menggugurkan konsep ini.

Misalnya, kotak iklan di sekitar bangunan menggunakan penerangan fluoresen dengan ballast elektronik. Beban pada garis tiga fasa seimbang, dengan arus setiap fase sekitar 90A, namun arus garis netral mencapai 160A.

Faktanya, fenomena arus garis netral yang berlebihan semakin umum terjadi saat ini. Mengapa arus masih muncul pada garis netral ketika beban tiga fasa seimbang, dan bahkan mencapai lebih dari 150% arus garis fase? Ini disebabkan oleh rangkaian rectifier.

Ketika bentuk gelombang arus garis fase adalah sinus, jika mereka berbeda fase 120° dan memiliki amplitudo yang sama, hasil superposisi vektor mereka pada garis netral adalah nol. Ini adalah hal yang dikenal semua orang.

Namun, jika arus pada garis fase berbentuk pulsa dan berbeda fase 120°, hasil superposisi mereka pada garis netral seperti ditunjukkan dalam Gambar 2. Dapat dilihat dari Gambar 3 bahwa arus pulsa pada garis netral saling bertumpuk dan tidak dapat saling meniadakan. Jumlah arus pulsa pada garis netral, ada tiga dalam satu siklus, sehingga arus pada garis netral adalah jumlah arus setiap garis fase. Berdasarkan metode perhitungan nilai arus efektif, arus pada garis netral adalah 1,7 kali arus garis fase.

Karena sebagian besar beban listrik modern adalah beban rangkaian rectifier, meskipun beban tiga fasa seimbang, arus netral yang besar mungkin terjadi. Arus netral yang berlebihan sangat berbahaya, utamanya karena dua alasan: pertama, luas penampang garis netral biasanya tidak lebih besar dari garis fase, sehingga arus berlebih menyebabkan panas berlebih; kedua, tidak ada perangkat pelindung pada garis netral, sehingga tidak dapat diputus seperti garis fase, menciptakan risiko kebakaran yang besar.

• Untuk AC simetris sinus tiga fasa, dengan beban seimbang, vektor arus fase (magnitudo sama, beda fase 120°) menjumlah menjadi nol, sehingga arus urutan nol adalah nol.

• Dengan beban tidak seimbang, vektor arus tidak sama (beda fase tidak semua 120°) memberikan jumlah non-nol; arus urutan nol (arus tidak seimbang) lebih kecil dari arus fase mana pun.

• Jika beban tiga fasa memiliki komponen non-linier (misalnya, dioda), menyebabkan DC dan harmonisa orde 3/6, arus urutan nol (jumlah aritmetik dari ini) mungkin melebihi arus fase. Misalnya, dalam rectifier setengah gelombang tiga fasa, arus setiap fase adalah 1/3 dari arus beban (arus urutan nol).

• Dalam rectifier jembatan tiga fasa, arus mengalir dalam kedua setengah siklus AC (simetris, seimbang di antara fase), sehingga tidak ada DC atau harmonisa orde 3; jumlah arus tiga fase adalah nol (arus urutan nol = 0).

• Dalam rectifier jembatan satu fasa, arus mengalir dalam kedua setengah siklus AC (simetris), sehingga tidak ada DC atau harmonisa orde 3 dalam arus satu fasa.

• Jika semua beban tiga fasa adalah rectifier jembatan satu fasa, bahkan dengan ketidakseimbangan, jumlah arus tiga fase adalah non-nol (arus urutan nol ada), tetapi arus netral tidak akan melebihi arus fase.