Почему ток в нулевом (нейтральном) проводе может превысить ток в фазном проводе
В трехфазной системе, при симметричной линейной нагрузке (например трехфазный электродвигатель) ток в нулевом проводе отсутствует. В реальности идеальной симметрии не существует, ток в нулевом проводе будет присутствовать, но он будет меньше фазных (если совсем отключить нагрузку с двух фаз он станет равен току оставшейся фазы).
Поскольку ток в нулевом проводе был меньше тока в фазном проводнике (раньше было мало нелинейных нагрузок), то для экономии нулевой проводник делался тоньше фазных, теперь сечение нулевого проводника совпадает с сечением фазного.
Если основное потребление энергии приходится на нелинейные нагрузки (импульсные блоки питания без ККМ, люминесцентные лампы с электронными балластами без ККМ и т.п. — ток потребляется узкими импульсами вблизи пика питающего напряжения) встречаются рекомендации по увеличению сечения нулевого проводника в два раза (относительно сечения, рассчитанного для фазных проводников). Это обусловлено тем, что в нулевом проводе будет протекать еще и значительная сумма гармоник тока кратных трем (особенно будет сильна третья — 150 Гц) .
Поскольку от перегрузки по току защищаются только фазные повода, перегрузка нулевого (нейтрального) провода может привести к его повреждению, «отгоранию нуля» — что может привести к значительному перекосу фазных напряжений и повреждению потребителей.
Получается, что мощные потребители с несинусоидальным входным током (нелинейные нагрузки) могут не только вызывать искажение формы напряжения сети и «загрязнять» сеть помехами, но и привести к аварийной ситуации, выведя из строя кабель и других потребителей.
Примеры нелинейных нагрузок, способных вызвать рост тока в нулевом проводнике (если в них нет корректора коэффициента мощности):
Газоразрядные лампы
Светодиодные лампы
Дуговые и индукционные печи
Трансформаторы работающие в режиме насыщения
Компьютеры, мониторы, оргтехника
Телевизоры
Инверторные кондиционеры
Источники бесперебойного питания
Микроволновые печи
Импульсные блоки питания, инверторы, преобразователи частоты
Электродвигатели с регуляторами скорости вращения (инверторами)
Форма тока, потребляемого нелинейной нагрузкой, значительно отличается от чистой синусоиды (совсем на нее не похожа). Математически форму несинусоидального тока можно представить в виде суммы, уменьшающихся по амплитуде, синусоид кратных частоте питающего напряжения (50 Гц, 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц….).
ГОСТ 30804.4.30-2013 предписывает учитывать гармоники не менее 40-го порядка. Но только гармоники, кратные третьей (остальные взаимно компенсируются складываясь), суммируются в нейтральном проводнике и вызывают весьма значительный ток, к которому еще добавляется ток обусловленный несимметрией питающего напряжения, его несинусоидальностью и несимметрией нагрузки. Основной вклад вносит третья гармоника (в нейтрале течет ток с частотой 150 Гц) — прочие гармоники малы.
ГОСТ Р 50571.5.52-2011:
предлагает узнать ток и в нулевом проводнике и выбрать сечение всех проводников по наиболее нагруженному проводу;
следует указать, что ситуация ухудшается, если в трехфазной системе нагружены только две фазы. В этом случае ток высших гармоник в нейтральном проводнике будет суммироваться током дисбаланса;
если доля третьей гармоники превышает 33%, необходимо увеличить площадь поперечного сечения нейтрального проводника.
Источники информации:
Теоретические основы электротехники. Бессонов Л.А.
ПУЭ
ГОСТ 30804_4_30-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии.
http://www.ups-info.ru/for_partners/library/probleme_vesshih_garmonik_v_sovremenneh_sistemah_i/ Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания Климов В.П., Москалев А.Д.
http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/313523
http://forca.ru/knigi/rzia/zaschita-ot-zamykaniya-na-zemlyu-3.html
http://www.at-systems.ru/library/book/chap8.shtml
http://www.pro-schneider.ru/content/files/140.pdf
http://www.news.elteh.ru/arh/2003/18_19/14.php
http://www.colan.ru/support/artview.php?idx=233
Что такое «Отгорание нуля» или обрыв нуля? Что случится если ноль отгорел?
Наверняка каждый хоть раз в жизни слышал, а кто-нибудь даже и сталкивался лично с проблемой, когда в доме/квартире вдруг подскочило напряжение и сгорела техника. Из-за чего повышается напряжение до такого значения, что сгорает бытовая техника? Кого винить в происшествии?
Загадка резкого скачка напряжения кроется в таинственном понятии «отгорание нуля». Что такое «отгорание нуля» и почему именно «отгорание». Каждый знает из школьного курса физики и из окружающей нас бытовой жизни, что в электрической сети есть ноль и есть фаза. И тут многие зададутся вопросом: ну отгорел нуль – значит и розетка не будет работать, нуля ведь нет)). «Отгорание нуля» это профессиональный жаргон электриков, в электротехнике используется термин— обрыв нуля. Можно различить обрыв нуля полным, — это когда контакт с нулевой шиной полностью оборван, но часто встечается неполный контакт, что и вызывает эти самые скачки напряжения.
Так для чего же нужен нулевой проводник? Проводник нуль используется в наиболее распространенной трехфазной схеме «звезда», используемой для бытовых потребителей. Есть еще другая схема построения трехфазных сетей — «треугольник», у которой присутствуют три фазных проводника: А, В, С, но отсутствует четвертый проводник — нулевой. В основном схема «треугольник» используется в промышленных целях.
В схеме звезда используется четыре проводника три из которых фазные и один — нулевой. Таким образом, в многоквартирный дом приходят не два провода фаза и ноль, как некоторые могут думать, а четырехжильный или пятижильный провод (с защитным заземлением РЕ).
Мощный силовой кабель заходит в водный распределительный щит. С этого щита электричество распределяется по подъездам, с подъезда по этажам, с этажей по квартирам. Как правило, в трехфазных схемах принято распределять мощности равномерно для обеспечения баланса работы трехфазной схемы. Например если в подъезде 30 квартир, и в каждую квартиру подводится электричество с напряжением 220В, распределение трех фаз будет таким: фаза А – 10 квартир, фаза В – 10 квартир, фаза С – 10 квартир.
В теории все сделано правильно, и подключение квартир обустроено правильно, но только вот работу чайников/кипятильников/кондиционеров и др. техники между соседями (между фазами) согласовать просто невозможно. Вот и получается так, что один стояк квартир (например 10 квартир на фазе А) может оказаться сильно загруженным, а другой стояк квартир (на фазе В) остается мало задействованным. В такой ситуации происходит дисбаланс (перекос по фазе) нагрузок в трехфазной схеме. В случае если ноль отгорел и на трех фазах нагрузка равномерная, например по 5 кВт на каждой фазе — то у каждого потребителя будет напряжение 220В до тех пор, пока один из потребителей не сделает перекос по мощности на своей фазе. В таком случае у этого потребителя в сети окажется напряжение 380В а на других фазах оно упадет до значений 20В-80В.
Поясним немного, что такое трехфазная схема звезда и как она работает.
Переменные токи каждой фазы в трех одинаковых нагрузках сдвинуты по фазе ровно на одну треть и в идеале компенсируют друг друга, поэтому нагрузка в такой схеме называется трехфазной сосредоточенной нагрузкой. В средней точке напряжение равно нулю. При равномерной нагрузке трех фаз, например, работают трехфазные станки на заводе, потребление энергии одинаково по всем трем фазам. Нуль остается невостребованным, нет дисбаланса. В связи с чем, сечение нулевого проводника можно использовать гораздо меньше используемого по фазе. И вот в квартире используется одна фаза, а в целом по подъезду используется трехфазная схема, соответственно ноль в перекошенной по фазе системе является сильно нагружаемым элементом. Этот ноль находится в щитке на этаже в подъезде. Вот в этом месте он и может отгореть, но не обязательно! Отгорание обычно происходит в слабых местах, например, в плохо обжатом контакте или в неправильно подобранном сечении нулевого кабеля. Но что же все-таки произойдет, если отгорит нуль? В нормальных условиях напряжение в однофазной сети составляет 220 В – и называется фазным напряжением (измеряется между нулем и фазой). В квартиру это напряжение приходит по двум проводам. Когда в трехфазной схеме пропадает нуль (например в подъезде на щитке, где идет распределение фаз А,В и С по квартирам), то на тех концах, где было фазное напряжение (приходило в квартиру 220В) появляется линейное напряжение 380В. Линейное напряжение измеряется между фазами, например между фазой А и В и всегда составляет 380В.
Что делать, чтоб избежать ситуации с отгоранием нуля и как обезопасить себя от последствий обрыва нуля?
Наиболее общими рекомендации могут быть следующими:
— использовать сечение кабеля для соединения нуля в трехфазной схеме звезда не меньше, чем сечение кабеля для фазных напряжений;
— периодически, не реже одного раза в год, осуществлять аудит проводки и мест крепления и, по необходимости, переобжимать места соединения (заменять клеммные колодки, если это необходимо);
— использовать защитные реле, отключающие квартиру от электросети при повышении напряжения больше 250В;
— использовать стабилизаторы напряжения, т.к. стабилизаторы напряжения не только спасают от обрыва нуля (скачок напряжения), но и защищают технику от заниженного напряжения
Для получения более расширенных рекомендаций, особенно в части использования трехфазных сетей в частных домах и коттеджах, и организации правильных схем электроснабжения — рекомендуем обращаться к профессионалам.
Отгорание нуля, что происходит и как защититься?
Привет, друзья. Сталкивались когда-нибудь с явлением «отгорание нуля»? Если нет, то вы счастливый человек. Но знать об этом, особенно электрикам, будет полезно. Поговорим о том, почему этот таинственный ноль имеет тенденцию отгорать, что происходит при этом и какая бывает защита от отгорания нуля? Для того чтобы понять это, немного вспомним физику.
Нашел в интернете хорошее видео по теме, коротко и ясно, если не любите читать, смотрите ниже. Итак, начнем.
Ноль, для однофазной цепи, это название проводника, который не находиться под высоким потенциалом относительно земли. Фаза, это второй проводник , она имеет высокий потенциал переменного напряжения относительно земли. В России, чаще всего, это 220-230 Вольт. Ноль при этом не проявляет тенденции к отгоранию.
Основная загвоздка — все линии электропередачи, являются трехфазными. Рассмотрим традиционную схему «звезда»:
Здесь и появляется понятие «нулевой проводник».
В трех одинаковых нагрузках, переменный ток каждой фазы сдвинут по фазе на 1/3. В идеале, эти токи компенсируют друг друга. При такой нагрузке, в средней точке, векторная сумма токов равна нулю.
Получается, что через нулевой провод, подключенный к средней точке, ток не течет (он практически не нужен).
Незначительный ток на нулевом проводнике все же возникает. Это происходит, когда нагрузки на фазах не полностью компенсируют друг друга, тоесть разные. Прямое доказательство этому можно увидеть на практике, посмотрите на четырехжильные кабели для трехфазных цепей, нулевая жила вдвое меньшего сечения, чем фазные. Зачем тратить дефицитную медь, если тока в жиле практически нет? Имеется смысл…
При сосредоточенной нагрузке, в трехфазной цепи, ноль тоже не расположен к отгоранию.
Интересное начинается тогда, когда к трехфазной цепи начинают подключать однофазные нагрузки (многоквартирных домах, например). Каждая нагрузка представляет случайно выбранное устройство.
При использовании одной фазы из трехфазной цепи, их стараются распределить по мощности так, чтобы на каждую приходилась примерно одинаковая нагрузка.
Все понимают, что полного равенства при этом не достигнуть. Жители дома будут случайным образом включать, выключать электроприборы, поэтому нагрузка будет постоянно меняться. Полной компенсации токов в средней точке происходить не будет, но ток нулевого проводника обычно не достигает максимального значения, большего току в одной из фаз. Ситуация предсказуемая, отгорание нуля при этом бывает крайне редко.
