Чому виникає надмірний струм нейтрального проводу у збалансованих системах з трьома фазами і чотирма дротами
У системі трьохфазного чотиридротового електропостачання серед фахівців встановилася згода, що струм нейтрального дроту має бути дуже малим, коли трьохфазні навантаження збалансовані. Однак, все більше явищ підривають цей концепт.
Наприклад, реклами на будівлі використовують світильники з електронними балластами. Навантаження на трьохфазних дротах збалансовані, струм кожного фазового дроту становить приблизно 90А, але струм нейтрального дроту досягає 160А.
Насправді, явище надмірного струму нейтрального дроту стає все більш поширеним сьогодні. Чому струм все ще з'являється на нейтральному дроті, коли трьохфазні навантаження збалансовані, і навіть досягає більше 150% струму фазового дроту? Це викликано прямокутними схемами.
Коли хвильова форма струму фазових дротів є синусоїдою, якщо вони зміщені на 120° і мають однакову амплітуду, результат їх векторної суперпозиції на нейтральному дроті дорівнює нулю. Це те, з чим всі знайомі.
Але якщо струми на фазових дротах є імпульсними і зміщені на 120°, їх суперпозиція на нейтральному дроті показана на рисунку 2. З рисунку 3 видно, що імпульсні струми на нейтральному дроті зміщуються і не можуть компенсувати один одного. Підрахувавши кількість імпульсних струмів на нейтральному дроті, є три за цикл, тому струм на нейтральному дроті є сумою струмів кожного фазового дроту. За методом обчислення ефективного значення струму, струм на нейтральному дроті становить 1,7 разів більше, ніж струм фазового дроту.
Оскільки більшість сучасних електричних навантажень є прямокутними схемами, навіть при збалансованих трьохфазних навантаженнях може виникнути великий струм нейтрального дроту. Надмірний струм нейтрального дроту є надзвичайно небезпечним, головним чином, через два причини: перша, поперечне сечение нейтрального дроту, зазвичай, не більше, ніж у фазового, тому перевищення струму спричиняє перегрівання; друга, на нейтральному дроті немає захисних пристроїв, тому він не може відключитися, як фазові дроти, що створює великий ризик пожежі.
Для трьохфазного синусоїдального симетричного АС, зі збалансованими навантаженнями, вектори фазового струму (однакової величини, з різницею фаз 120°) складаються до нуля, тому нульовий послідовний струм дорівнює нулю.
З невідповідними навантаженнями, вектори струму (з різницею фаз не всі 120°) дають суму, яка не дорівнює нулю; нульовий послідовний струм (невідповідний струм) менший, ніж будь-який фазовий струм.
Якщо трьохфазні навантаження мають нелінійні компоненти (наприклад, діоди), що викликають постійний струм і гармоніки третього та шостого порядку, нульовий послідовний струм (арифметична сума цих) може перевищити фазовий струм. Наприклад, у трьохфазному напівволновому выпрямителі, будь-який фазовий струм становить 1/3 від струму навантаження (нульовий послідовний струм).
У трьохфазному містовому выпрямителі, струм протікає в обох половинках черг АС (симетрично, збалансовано між фазами), тому немає постійного струму або гармонік третього порядку; сума трьохфазного струму дорівнює нулю (нульовий послідовний струм = 0).
У однофазному містовому выпрямителі, струм протікає в обох половинках черг АС (симетрично), тому немає постійного струму або гармонік третього порядку в однофазному струмі.
Якщо всі трьохфазні навантаження є однофазними містовими выпрямителями, навіть з невідповідностями, сума трьохфазного струму не дорівнює нулю (нульовий послідовний струм існує), але струм нейтрального дроту не перевищує фазовий струм.
