なぜバランスの取れた三相四線式システムで過大な中性線電流が発生するのか

三相四線式の電力供給システムにおいて、業界関係者の間では、三相負荷がバランスしている場合、中性線の電流は非常に小さいべきだという共通認識があります。しかし、この概念を覆す現象がますます増えています。

例えば、ビル周辺にある広告用の照明ボックスは電子バラストを使用した蛍光灯です。三相線路の負荷はバランスしており、各相の電流は約90Aですが、中性線の電流は160Aに達します。

実際、中性線の電流が過剰になる現象は現在ますます一般的になっています。なぜ三相負荷がバランスしていても、さらには相線路の電流の150％以上に達する電流が中性線上に現れるのでしょうか？これは整流回路によるものです。

相線路上の電流波形が正弦波で、位相差が120°で振幅が同じ場合、それらのベクトル和の中性線上での結果はゼロになります。これは誰もが知っていることです。

しかし、相線路上の電流がパルス状で位相差が120°の場合、それらの中性線上での重ね合わせの結果は図2のようになります。図3から、中性線上のパルス状の電流はずれており、互いに打ち消し合いません。中性線上のパルス状の電流を数えると、1周期あたり3つありますので、中性線の電流は各相線路の電流の合計となります。効果電流値の計算方法によれば、中性線の電流は相線路の電流の1.7倍になります。

現代のほとんどの電気負荷は整流回路負荷であるため、三相負荷がバランスしていても大きな中性線電流が発生することがあります。過剰な中性線電流は非常に危険であり、主に2つの理由があります：第一に、中性線の断面積は通常相線路と同じかそれ以下なので、過電流により過熱します；第二に、中性線上には保護装置がないため、相線路のように切断できないため、火災リスクが高くなります。

• 三相正弦波対称交流の場合、負荷がバランスしていれば、位相電流ベクトル（等しい大きさ、120°の位相差）の合計はゼロとなり、零次電流もゼロになります。

• 負荷がアンバランスであれば、不等しい電流ベクトル（全て120°の位相差ではない）の合計は非ゼロとなり、零次電流（アンバランス電流）は任意の相電流よりも小さいです。

• 三相負荷に非線形成分（例：ダイオード）があり、直流および3次/6次の高調波を引き起こす場合、零次電流（これらの算術和）は相電流を超えることがあります。例えば、三相半波整流器では、任意の相電流は負荷電流の1/3（零次電流）です。

• 三相ブリッジ整流器では、交流の半周期ごとに電流が流れ（対称的で相間にバランス）、直流または3次の高調波は発生しません；三相電流の合計はゼロ（零次電流 = 0）です。

• 単相ブリッジ整流器では、交流の半周期ごとに電流が流れ（対称的）、単相電流には直流または3次の高調波は発生しません。

• すべての三相負荷が単相ブリッジ整流器であっても、アンバランスがあっても、三相電流の合計は非ゼロ（零次電流が存在）ですが、中性線電流は相電流を超えることはありません。