Dlaczego występuje nadmierna prądotok neutralnego w zrównoważonych systemach trójfazowych czteroprzewodowych
W systemie trójfazowym czteroprzewodowym dystrybucji energii elektrycznej jest powszechnie uznawane przez specjalistów branży, że prąd w przewodzie neutralnym powinien być bardzo mały, gdy obciążenia trójfazowe są zrównoważone. Jednak coraz więcej zjawisk podważa to przekonanie.
Na przykład, reklamowe skrzynki świetlne wokół budynku wykorzystują oświetlenie fluorescencyjne z elektronicznymi balastami. Obciążenia na przewodach trójfazowych są zrównoważone, z prądem każdej fazy wynoszącym około 90A, ale prąd w przewodzie neutralnym dochodzi do 160A.
Faktycznie, zjawisko nadmiernego prądu w przewodzie neutralnym staje się coraz bardziej powszechne. Dlaczego prąd pojawia się w przewodzie neutralnym, nawet gdy obciążenia trójfazowe są zrównoważone, i osiąga ponad 150% prądu fazowego? Jest to spowodowane obwodem prostującym.
Gdy fala prądu fazowego ma kształt sinusoidalny, jeśli są one przesunięte o 120° i mają taką samą amplitudę, rezultat ich wektorowej superpozycji w przewodzie neutralnym wynosi zero. To jest znane wszystkim.
Ale jeśli prądy w przewodach fazowych są impulsowe i przesunięte o 120°, ich superpozycja w przewodzie neutralnym przedstawia się jak pokazano na Rysunku 2. Można zauważyć na Rysunku 3, że impulsy prądu w przewodzie neutralnym są przesunięte i nie mogą się wzajemnie anulować. Licząc liczbę impulsów prądu w przewodzie neutralnym, jest ich trzy w jednym cyklu, więc prąd w przewodzie neutralnym jest sumą prądów każdego przewodu fazowego. Zgodnie z metodą obliczania wartości skutecznej prądu, prąd w przewodzie neutralnym wynosi 1,7 raza więcej niż prąd fazowy.
Ponieważ większość współczesnych obciążeń elektrycznych to obciążenia obwodów prostujących, nawet przy zrównoważonych obciążeniach trójfazowych może wystąpić duży prąd w przewodzie neutralnym. Nadmierne prądy w przewodzie neutralnym są bardzo niebezpieczne, głównie z dwóch powodów: pierwszy, przekrój przewodu neutralnego jest zwykle nie większy niż przewodu fazowego, więc nadmiar prądu powoduje przeogrzanie; drugi, brak urządzeń ochronnych na przewodzie neutralnym, co oznacza, że nie można go odłączyć tak jak przewody fazowe, co tworzy duże ryzyko pożarowe.
Dla symetrycznego trójfazowego prądu sinusoidalnego, z zrównoważonymi obciążeniami, wektory prądów fazowych (równej wielkości, różnica fazowa 120°) sumują się do zera, więc prąd zerowy jest równy zero.
Przy nierównych obciążeniach, wektory prądów o różnej wielkości (różnice fazowe nie są wszystkie 120°) dają niezerową sumę; prąd zerowy (nierówny prąd) jest mniejszy niż każdy prąd fazowy.
Jeśli obciążenia trójfazowe mają komponenty nieliniowe (np. diody), powodujące prąd stały i harmoniczne rzędu 3. i 6., prąd zerowy (suma arytmetyczna tych) może przekroczyć prąd fazowy. Na przykład, w prostowniku trójfazowym półfalowym, każdy prąd fazowy wynosi 1/3 prądu obciążenia (prąd zerowy).
W prostowniku mostkowym trójfazowym, prąd płynie w obu połówkach cyklu AC (symetryczny, zrównoważony między fazami), więc nie ma prądu stałego ani harmonicznych rzędu 3.; suma prądów trójfazowych wynosi zero (prąd zerowy = 0).
W prostowniku mostkowym jednofazowym, prąd płynie w obu połówkach cyklu AC (symetryczny), więc nie ma prądu stałego ani harmonicznych rzędu 3. w prądzie jednofazowym.
Jeśli wszystkie obciążenia trójfazowe są prostownikami mostkowymi jednofazowymi, nawet przy nierówności, suma prądów trójfazowych jest niezerowa (istnieje prąd zerowy), ale prąd w przewodzie neutralnym nie przekracza prądu fazowego.
