Zakaj se v ravnotežnih sistemih s tremi fazami in štirimi vodili pojavlja prevelika struja v neutralnem vodilu

V sistemih za distribucijo električne energije s tremi fazi in štirimi vodniki je med strokovnjaki splošno mnenje, da bi pri uravnoteženih trofaznih obremenitvah tok na neutralnem vodniku moral biti zelo majhen. Vendar pa se vedno več pojavov podvržeta temu konceptu.

Na primer, oglaševalni svetlobni okvirji okoli stavbe uporabljajo svetilke dnevne svetlobe z elektronskimi zapalniki. Obremenitve na treh faznih vodnikih so uravnotežene, tok na vsaki fazi je približno 90A, toda tok na neutralnem vodniku doseže 160A.

V resnici postaja pojav prekomernega toka na neutralnem vodniku vse pogostejši. Zakaj se na neutralnem vodniku pojavi tok, če so trofazne obremenitve uravnotežene, in celo doseže več kot 150% toka na faznem vodniku? To je posledica pravilnika.

Če je valovna oblika toka na faznih vodnikih sinusoida, so odmaknjeni za 120° in imajo enako amplitudo, rezultat njihove vektorske nadstavljanja na neutralnem vodniku je nič. To je tisto, kar vse znajo.

Če pa so tokovi na faznih vodnikih pulzirajoči in odmaknjeni za 120°, njihova nadstavljanja na neutralnem vodniku je, kot je prikazano na Sliki 2. Iz Slike 3 je vidno, da so pulzirajoči tokovi na neutralnem vodniku razpršeni in se ne izničijo. Število pulzirajočih tokov na neutralnem vodniku je tri v enem ciklu, zato je tok na neutralnem vodniku vsota tokov vsake faze. Po metodi računanja učinkovite vrednosti toka je tok na neutralnem vodniku 1,7-krat večji od toka na faznem vodniku.

Ker so večina sodobnih električnih obremenitev obremenitve s pravilniki, lahko celo pri uravnoteženih trofaznih obremenitvah pride do velikega toka na neutralnem vodniku. Prekomeren tok na neutralnem vodniku je zelo nevaren, predvsem zaradi dveh razlogov: prvič, premer preseka neutralnega vodnika je običajno manjši ali enak premeru faznega vodnika, zato prekomerni tok povzroči preseganje temperature; drugič, na neutralnem vodniku ni zaščitnih naprav, zato ga ni mogoče odskleniti, kot fazne vodnike, kar ustvarja veliko tveganje za požar.

• Za trofazni sinusni simetrični strom z uravnoteženimi obremenitvami se vektorji faznih tokov (enaka velikost, 120° fazna razlika) seštejejo na nič, zato je nizki redni tok enak nič.

• Pri neravnotežnih obremenitvah so neenaki vektorji tokov (fazne razlike niso vse 120°), torej je vsota ni nič; nizki redni tok (neravnotežni tok) je manjši od katerega koli faznega toka.

• Če imajo trofazne obremenitve nelinearne komponente (npr. diode), ki povzročajo pravokotni tok in harmonike 3. in 6. reda, lahko nizki redni tok (aritmetična vsota teh) preseže fazni tok. Na primer, v polvalnem pravilniku je tok katere koli faze 1/3 toka obremenitve (nizki redni tok).

• V mostu trofaznega pravilnika teče tok v obeh polcikeljih strom (simetrično, uravnoteženo po fazah), zato ni pravokotnega toka ali harmonik 3. reda; vsota trofaznega toka je nič (nizki redni tok = 0).

• V mostu enofaznega pravilnika teče tok v obeh polcikeljih strom (simetrično), zato ni pravokotnega toka ali harmonik 3. reda v enofaznem toku.

• Če so vse trofazne obremenitve enofazni mostovi pravilnikov, je celo pri neravnotežju vsota trofaznega toka ni nič (obstoječ nizki redni tok), toda tok na neutralnem vodniku ne preseže faze.