Perché si verifica una corrente neutrale eccessiva nei sistemi trifase bilanciati a quattro fili?

In un sistema di distribuzione trifase a quattro fili, è un consenso tra gli addetti ai lavori che la corrente del filo neutro dovrebbe essere molto piccola quando i carichi su tutte e tre le fasi sono bilanciati. Tuttavia, sempre più fenomeni stanno sconvolgendo questo concetto.

Ad esempio, i pannelli pubblicitari intorno a un edificio utilizzano l'illuminazione fluorescente con ballast elettronici. I carichi sulle linee trifase sono bilanciati, con una corrente per ciascuna fase di circa 90A, ma la corrente del filo neutro raggiunge 160A.

In effetti, il fenomeno di corrente eccessiva sul filo neutro sta diventando sempre più comune oggi. Perché appare ancora corrente sul filo neutro quando i carichi trifase sono bilanciati, e addirittura supera il 150% della corrente delle linee di fase? Questo è causato dal circuito rettificatore.

Quando la forma d'onda della corrente nelle linee di fase è sinusoidale, se sono sfasate di 120° e hanno la stessa ampiezza, il risultato della loro sovrapposizione vettoriale sul filo neutro è zero. Questo è ciò che tutti conoscono.

Ma se le correnti sulle linee di fase sono pulsanti e sfasate di 120°, il risultato della loro sovrapposizione sul filo neutro è come mostrato nella Figura 2. Si può vedere dalla Figura 3 che le correnti pulsanti sul filo neutro sono sfalsate e non possono annullarsi a vicenda. Contando il numero di correnti pulsanti sul filo neutro, ce ne sono tre in un ciclo, quindi la corrente sul filo neutro è la somma delle correnti di ciascuna linea di fase. Secondo il metodo di calcolo del valore efficace della corrente, la corrente sul filo neutro è 1,7 volte quella della linea di fase.

Poiché la maggior parte dei carichi elettrici moderni sono carichi di circuiti rettificatori, anche con carichi trifase bilanciati, può verificarsi una grande corrente neutra. La corrente neutra eccessiva è altamente pericolosa, principalmente per due motivi: primo, la sezione del neutro è solitamente non più grande di quella delle linee di fase, quindi un sovratasso provoca surriscaldamento; secondo, non ci sono dispositivi di protezione sul neutro, quindi non può disconnettersi come le linee di fase, creando un enorme rischio di incendio.

• Per la corrente alternata trifase sinusoidale simmetrica, con carichi bilanciati, i vettori di corrente di fase (stessa ampiezza, sfasati di 120°) si sommano a zero, quindi la corrente zero-sequence è zero.

• Con carichi non bilanciati, i vettori di corrente non uguali (fasi non tutte sfasate di 120°) danno una somma non nulla; la corrente zero-sequence (corrente non bilanciata) è minore di qualsiasi corrente di fase.

• Se i carichi trifase hanno componenti non lineari (ad esempio, diodi), causando continua e armoniche di ordine 3/6, la corrente zero-sequence (somma aritmetica di queste) può superare la corrente di fase. Ad esempio, in un rettificatore a mezza onda trifase, qualsiasi corrente di fase è 1/3 della corrente di carico (la corrente zero-sequence).

• In un rettificatore a ponte trifase, la corrente scorre in entrambe le semionde alternate (simmetrica, bilanciata tra le fasi), quindi non ci sono continua o armoniche di ordine 3; la somma della corrente trifase è zero (corrente zero-sequence = 0).

• In un rettificatore a ponte monofase, la corrente scorre in entrambe le semionde alternate (simmetrica), quindi non ci sono continua o armoniche di ordine 3 nella corrente monofase.

• Se tutti i carichi trifase sono rettificatori a ponte monofase, anche con squilibrio, la somma della corrente trifase è non nulla (esiste la corrente zero-sequence), ma la corrente neutra non supererà la corrente di fase.