Por que ocorre corrente excessiva na linha neutra em sistemas trifásicos equilibrados de quatro fios?

Em um sistema de distribuição de energia trifásico com quatro fios, é consenso entre os profissionais do setor que a corrente na linha neutra deve ser muito pequena quando as cargas trifásicas estão equilibradas. No entanto, cada vez mais fenômenos estão subvertendo esse conceito.

Por exemplo, as caixas de luz publicitárias ao redor de um edifício usam iluminação fluorescente com balastros eletrônicos. As cargas nas linhas trifásicas estão equilibradas, com a corrente de cada fase sendo aproximadamente 90A, mas a corrente na linha neutra atinge 160A.

Na verdade, o fenômeno de corrente excessiva na linha neutra está se tornando cada vez mais comum nos dias atuais. Por que ainda há corrente na linha neutra quando as cargas trifásicas estão equilibradas, e até mesmo chega a mais de 150% da corrente da linha de fase? Isso é causado pelo circuito retificador.

Quando a forma de onda da corrente das linhas de fase é sinusoidal, se estiverem 120° fora de fase e com a mesma amplitude, o resultado de sua sobreposição vetorial na linha neutra é zero. Isso é algo familiar para todos.

Mas se as correntes nas linhas de fase são pulsadas e 120° fora de fase, seu resultado de sobreposição na linha neutra é como mostrado na Figura 2. Pode-se ver na Figura 3 que as correntes pulsadas na linha neutra estão desfasadas e não podem se cancelar. Contando o número de correntes pulsadas na linha neutra, há três em um ciclo, então a corrente na linha neutra é a soma das correntes de cada linha de fase. De acordo com o método de cálculo do valor eficaz da corrente, a corrente na linha neutra é 1,7 vezes a corrente da linha de fase.

Como a maioria das cargas elétricas modernas são cargas de circuitos retificadores, mesmo com cargas trifásicas equilibradas, pode ocorrer uma grande corrente na linha neutra. A corrente excessiva na linha neutra é altamente perigosa, principalmente por dois motivos: primeiro, a seção transversal da linha neutra geralmente não é maior que a da linha de fase, então uma corrente excessiva causa superaquecimento; segundo, não há dispositivos de proteção na linha neutra, então ela não pode ser desconectada como as linhas de fase, criando um grande risco de incêndio.

• Para corrente alternada trifásica senoidal simétrica, com cargas equilibradas, os vetores de corrente de fase (de igual magnitude, 120° de diferença de fase) somam zero, portanto, a corrente de sequência zero é zero.

• Com cargas desequilibradas, vetores de corrente desiguais (diferenças de fase não todas 120°) dão uma soma não-zero; a corrente de sequência zero (corrente desequilibrada) é menor que qualquer corrente de fase.

• Se as cargas trifásicas têm componentes não lineares (por exemplo, diodos), causando corrente contínua e harmônicos de 3ª/6ª ordem, a corrente de sequência zero (soma aritmética dessas) pode exceder a corrente de fase. Por exemplo, em um retificador de meia onda trifásico, qualquer corrente de fase é 1/3 da corrente da carga (a corrente de sequência zero).

• Em um retificador de ponte trifásico, a corrente flui em ambos os semiciclos AC (simétrico, equilibrado entre fases), então não há corrente contínua ou harmônicos de 3ª ordem; a soma da corrente trifásica é zero (corrente de sequência zero = 0).

• Em um retificador de ponte monofásico, a corrente flui em ambos os semiciclos AC (simétrico), então não há corrente contínua ou harmônicos de 3ª ordem na corrente monofásica.

• Se todas as cargas trifásicas forem retificadores de ponte monofásicos, mesmo com desequilíbrio, a soma da corrente trifásica é não-zero (existe corrente de sequência zero), mas a corrente na linha neutra não excederá a corrente de fase.