Нулевой проводник при нагрузке третьей гармоникой — почему «он всё равно не нагружен» неверно

Гид о гармониках и THD рассматривает предельные значения THD в точке подключения с точки зрения сетевого оператора (Netcode Elektriciteit). Эта статья рассматривает другое, внутриустановочное последствие того же гармонического искажения: влияние токов третьей гармоники на выбор сечения самого нулевого проводника.

Почему нулевой проводник не нагружен при симметричной линейной нагрузке

При симметрично нагруженной, линейной трёхфазной установке (три равных, чисто синусоидальных фазных тока, сдвинутых друг относительно друга на 120°) мгновенные фазные токи в каждый момент складываются в узле в ноль — нулевой проводник теоретически не несёт тока. Это классическое допущение, лежащее в основе разрешения использовать нулевой проводник тоньше фазных.

Почему это допущение больше не действует при нелинейной нагрузке

Нелинейные однофазные нагрузки — LED-драйверы, импульсные источники питания ИТ-оборудования, энергоэффективное освещение — потребляют ток короткими повторяющимися импульсами, а не плавной синусоидой. Помимо основной составляющей 50 Гц, эта форма тока содержит также гармонические составляющие, включая третью гармонику (150 Гц) и её кратные (9-ю, 15-ю, ...) — так называемые тройные гармоники (triplen harmonics). Эти конкретные гармоники обладают в симметричной трёхфазной системе особым свойством: вместо того чтобы гаситься между тремя фазами (как основная составляющая), они, наоборот, складываются в нулевом проводнике. Следствие: при достаточном содержании третьей гармоники ток нулевого проводника может стать больше, чем ток в каждом отдельном фазном проводнике — даже если нагрузка идеально симметрично распределена по трём фазам.

Практические пороговые значения

Согласно IEC 60364-5-52 (Annex E), коррекция на основе доли третьей гармоники в фазном токе применяется следующим образом:

• Ниже примерно 15% содержания третьей гармоники: особая коррекция не нужна, нулевой проводник существенно не нагружается гармониками.
• Между примерно 15% и 33%: нулевой проводник существенно нагружен; допустимый ток кабеля в целом снижается коэффициентом коррекции (порядка 0,86) по сравнению с токовой нагрузкой без гармонической коррекции.
• Выше примерно 33%: ток нулевого проводника может превысить фазный ток — с этого момента уже не фазный ток, а ток нулевого проводника определяет выбор сечения всего кабеля (включая сам нулевой проводник, который тогда должен быть выбран минимум равным фазным проводникам, вместо классического, меньшего сечения нулевого проводника).

Внимание: это распространённые практические пороги из контекста IEC 60364-5-52 для коррекции по третьей гармонике; точные табличные значения и точный метод расчёта для конкретного состава нагрузки приведены в полном актуальном тексте нормы (Annex E) и должны проверяться по проекту с учётом фактически измеренного или рассчитанного гармонического содержания подключённой нагрузки.

Когда это становится актуальным

Этот эффект особенно актуален для групп с высокой концентрацией однофазной нелинейной нагрузки, распределённой по трём фазам одной и той же группы или главного распределительного щита:

• Офисные этажи с большим количеством ИТ-рабочих мест (импульсные источники питания).
• Крупные установки LED-освещения с большим количеством драйверов.
• Дата-центры и серверные помещения.

Группа с преимущественно линейной, трёхфазной нагрузкой (двигатели, нагревательные элементы) практически не проявляет этого эффекта.

Практическое значение

При выборе сечения группы с большим количеством однофазной нелинейной нагрузки (ИТ-рабочие места, LED-освещение) необходимо оценить или измерить долю третьей гармоники подключённой нагрузки, после чего установить, нужно ли на этом основании отдельно рассчитывать сечение нулевого проводника — установка, в которой нулевой проводник выполнен без разбора как «половина фазного сечения», может при высоком содержании третьей гармоники иметь структурно перегруженный нулевой проводник, что не проявится в обычном расчёте по фазному току.

Частые ошибки

1. Предположение, что симметрично нагруженная трёхфазная группа автоматически имеет ненагруженный нулевой проводник — это верно только для линейной нагрузки; при нелинейной однофазной нагрузке нулевой проводник может быть нагружен даже сильнее, чем каждый фазный проводник в отдельности.
2. Выбор сечения нулевого проводника по умолчанию тоньше фазных проводников без проверки доли третьей гармоники нагрузки — при высокой доле требуется равное или большее сечение нулевого проводника.
3. Оценка гармонической коррекции только на уровне сети (THD, см. гид о гармониках и THD) без учёта внутриустановочной нагрузки нулевого проводника — это две отдельные, взаимодополняющие проверки на разных уровнях установки.

Связанные материалы

• Гармоники и предельные значения THD
• Сечение кабеля и токовая нагрузка
• Разделение силовых кабелей и кабелей данных по ЭМС