De nulleider bij derde-harmonische belasting — waarom "hij is toch onbelast" niet klopt

De harmonischen-thd-gids behandelt de THD-grenswaarden op het aansluitpunt vanuit het perspectief van de netbeheerder (Netcode Elektriciteit). Dit artikel behandelt een ander, installatie-intern gevolg van diezelfde harmonische vervorming: het effect van derde-harmonische stromen op de dimensionering van de nulleider zelf.

Waarom de nulleider bij een symmetrische lineaire belasting onbelast is

Bij een symmetrisch belaste, lineaire driefasige installatie (drie gelijke, zuiver sinusvormige fasestromen, 120° ten opzichte van elkaar verschoven) tellen de momentane fasestromen op elk moment op tot nul in het knooppunt — de nulleider voert in theorie geen stroom. Dit is de klassieke aanname achter een nulleider die dunner mag zijn dan de fasegeleiders.

Waarom die aanname niet meer geldt bij niet-lineaire belasting

Niet-lineaire eenfasige belastingen — LED-drivers, schakelende voedingen van IT-apparatuur, energiezuinige verlichting — trekken stroom in korte, herhaalde pulsen in plaats van een vloeiende sinus. Deze stroomvorm bevat, naast de fundamentele 50 Hz-component, ook harmonische componenten, waaronder de derde harmonische (150 Hz) en de veelvouden daarvan (9e, 15e, ...) — de zogeheten triplen harmonics. Deze specifieke harmonischen hebben in een symmetrisch driefasensysteem een bijzondere eigenschap: in plaats van elkaar tussen de drie fasen uit te doven (zoals de fundamentele component), tellen ze juist bij elkaar op in de nulleider. Het gevolg: bij voldoende derde-harmonische-inhoud kan de nulleiderstroom groter worden dan de stroom in elke afzonderlijke fasegeleider — ook al is de belasting perfect symmetrisch verdeeld over de drie fasen.

De praktische drempelwaarden

Volgens IEC 60364-5-52 (Annex E) wordt de correctie op basis van het derde-harmonische aandeel in de fasestroom als volgt toegepast:

• Onder circa 15% derde-harmonische-inhoud: geen bijzondere correctie nodig, de nulleider wordt niet significant belast door harmonischen.
• Tussen circa 15% en 33%: de nulleider wordt significant belast; de toelaatbare stroom van de kabel als geheel wordt met een reductiefactor (in de orde van 0,86) verlaagd ten opzichte van de stroombelastbaarheid zonder harmonische correctie.
• Boven circa 33%: de nulleiderstroom kan de fasestroom overtreffen — vanaf dit punt is niet langer de fasestroom, maar de nulleiderstroom bepalend voor de dimensionering van de gehele kabel (inclusief de nulleider zelf, die dan minimaal gelijk aan de fasegeleiders moet zijn gedimensioneerd, in plaats van de klassieke, kleinere nulleiderdoorsnede).

Let op: dit zijn de gangbare praktijkdrempels uit de IEC 60364-5-52-context voor derde-harmonische correctie; de precieze tabelwaarden en de exacte berekeningsmethode voor een specifieke belastingssamenstelling staan in de volledige, actuele normtekst (Annex E) en moeten per project worden geverifieerd tegen de werkelijk gemeten of berekende harmonische inhoud van de aangesloten belasting.

Wanneer dit relevant wordt

Dit effect is vooral relevant bij groepen met een hoge concentratie eenfasige, niet-lineaire belasting verdeeld over de drie fasen van dezelfde groep of hoofdverdeler:

• Kantoorverdiepingen met veel IT-werkplekken (schakelende voedingen).
• Grootschalige LED-verlichtingsinstallaties met veel drivers.
• Datacenters en serverruimten.

Een groep met overwegend lineaire, driefasige belasting (motoren, verwarmingselementen) vertoont dit effect niet of nauwelijks.

Praktische relevantie

Bij het dimensioneren van een groep met veel eenfasige, niet-lineaire belasting (IT-werkplekken, LED-verlichting) moet het derde-harmonische aandeel van de aangesloten belasting worden ingeschat of gemeten, vervolgens moet worden vastgesteld of de nulleider op basis daarvan apart moet worden gedimensioneerd — een installatie die de nulleider zonder meer als "halve fasedoorsnede" uitvoert, kan bij een hoge derde-harmonische-inhoud een structureel overbelaste nulleider hebben, zonder dat dit uit de reguliere fasestroom-berekening blijkt.

Veelgemaakte fouten

1. Aannemen dat een symmetrisch belaste driefasige groep automatisch een onbelaste nulleider heeft — dat geldt alleen bij lineaire belasting; bij niet-lineaire eenfasige belasting kan de nulleider juist zwaarder belast zijn dan elke fasegeleider afzonderlijk.
2. De nulleider standaard dunner dimensioneren dan de fasegeleiders zonder het derde-harmonische aandeel van de belasting te controleren — bij een hoog aandeel is een gelijke of grotere nulleiderdoorsnede nodig.
3. Harmonische correctie alleen op netvlak (THD, zie de harmonischen-thd-gids) beoordelen en de installatie-interne nulleiderbelasting over het hoofd zien — dit zijn twee aparte, complementaire controles op verschillende niveaus van de installatie.

Gerelateerd

• Harmonischen & THD-grenswaarden
• Kabeldoorsnede & stroombelastbaarheid
• EMC-scheiding voedings-/datakabels