Почему возникает избыточный ток нулевого провода в сбалансированных трехфазных четырехпроводных системах

В трехфазной четырехпроводной системе электроснабжения среди специалистов существует консенсус, что ток в нейтральном проводе должен быть очень мал, когда нагрузки на трех фазах сбалансированы. Однако все больше явлений подрывают эту концепцию.

Например, рекламные световые короба вокруг здания используют люминесцентное освещение с электронными балластами. Нагрузки на трехфазных линиях сбалансированы, ток каждой фазы составляет примерно 90А, но ток нейтрального провода достигает 160А.

На самом деле, явление чрезмерного тока в нейтральном проводе становится все более распространенным в наши дни. Почему ток появляется на нейтральном проводе, когда нагрузки на трех фазах сбалансированы, и даже превышает 150% от тока фазной линии? Это вызвано выпрямительным контуром.

Когда форма тока фазных линий представляет собой синусоиду, если они сдвинуты на 120° и имеют одинаковую амплитуду, результат их векторного сложения на нейтральном проводе равен нулю. Это всем знакомо.

Но если токи на фазных линиях импульсные и сдвинуты на 120°, их суммирование на нейтральном проводе будет таким, как показано на рисунке 2. Как видно из рисунка 3, импульсные токи на нейтральном проводе смещены и не могут компенсировать друг друга. Подсчитав количество импульсных токов на нейтральном проводе, можно увидеть, что за один цикл их три, поэтому ток на нейтральном проводе является суммой токов каждой фазной линии. По методу расчета эффективного значения тока, ток на нейтральном проводе составляет 1,7 раза от тока фазной линии.

Так как большинство современных электрических нагрузок являются нагрузками выпрямительных контуров, даже при сбалансированных трехфазных нагрузках может возникать большой ток в нейтральном проводе. Чрезмерный ток в нейтральном проводе крайне опасен, главным образом по двум причинам: во-первых, сечение нейтрального провода обычно не превышает сечение фазного, поэтому перегрузка вызывает перегрев; во-вторых, на нейтральном проводе нет защитных устройств, поэтому он не может отключиться, как фазные провода, создавая огромный риск пожара.

• Для трехфазного синусоидального симметричного переменного тока, при сбалансированных нагрузках, векторы фазных токов (одинаковой величины, с фазовым сдвигом 120°) в сумме дают ноль, поэтому нулевой последовательный ток равен нулю.

• При несбалансированных нагрузках, векторы токов не равны (не все фазовые сдвиги 120°), сумма не равна нулю; нулевой последовательный ток (несбалансированный ток) меньше любого фазного тока.

• Если трехфазные нагрузки имеют нелинейные компоненты (например, диоды), вызывающие постоянный ток и гармоники 3-го и 6-го порядков, нулевой последовательный ток (арифметическая сумма этих) может превышать фазный ток. Например, в трехфазном полуволновом выпрямителе, любой фазный ток составляет 1/3 от тока нагрузки (нулевой последовательный ток).

• В трехфазном мостовом выпрямителе, ток протекает в обеих половинах переменного тока (симметрично, сбалансировано между фазами), поэтому нет постоянного тока или гармоник 3-го порядка; сумма трехфазных токов равна нулю (нулевой последовательный ток = 0).

• В однополупериодном мостовом выпрямителе, ток протекает в обеих половинах переменного тока (симметрично), поэтому нет постоянного тока или гармоник 3-го порядка в однополупериодном токе.

• Если все трехфазные нагрузки являются однополупериодными мостовыми выпрямителями, даже при несбалансированности, сумма трехфазных токов не равна нулю (существует нулевой последовательный ток), но ток нейтрального провода не превышает фазный ток.