Нульовий провідник за навантаження третьою гармонікою — чому «він все одно не навантажений» неправильно

Гід про гармоніки та THD розглядає граничні значення THD у точці приєднання з погляду оператора мережі (Netcode Elektriciteit). Ця стаття розглядає інший, внутрішньоустановчий наслідок того самого гармонічного спотворення: вплив струмів третьої гармоніки на вибір перерізу самого нульового провідника.

Чому нульовий провідник не навантажений за симетричного лінійного навантаження

За симетрично навантаженої, лінійної трифазної установки (три однакових, чисто синусоїдальних фазних струми, зсунуті один відносно одного на 120°) миттєві фазні струми в кожен момент складаються у вузлі в нуль — нульовий провідник теоретично не несе струму. Це класичне припущення, що лежить в основі дозволу використовувати нульовий провідник тонший за фазні.

Чому це припущення більше не діє за нелінійного навантаження

Нелінійні однофазні навантаження — LED-драйвери, імпульсні джерела живлення ІТ-обладнання, енергоефективне освітлення — споживають струм короткими повторюваними імпульсами, а не плавною синусоїдою. Окрім основної складової 50 Гц, ця форма струму містить також гармонічні складові, включно з третьою гармонікою (150 Гц) та її кратними (9-ю, 15-ю, ...) — так звані потрійні гармоніки (triplen harmonics). Ці конкретні гармоніки мають у симетричній трифазній системі особливу властивість: замість того щоб гаситися між трьома фазами (як основна складова), вони, навпаки, додаються в нульовому провіднику. Наслідок: за достатнього вмісту третьої гармоніки струм нульового провідника може стати більшим, ніж струм у кожному окремому фазному провіднику — навіть якщо навантаження ідеально симетрично розподілене по трьох фазах.

Практичні порогові значення

Згідно з IEC 60364-5-52 (Annex E), корекція на основі частки третьої гармоніки у фазному струмі застосовується так:

• Нижче приблизно 15% вмісту третьої гармоніки: особлива корекція не потрібна, нульовий провідник суттєво не навантажується гармоніками.
• Між приблизно 15% і 33%: нульовий провідник суттєво навантажений; допустимий струм кабелю загалом знижується коефіцієнтом корекції (порядку 0,86) порівняно зі струмовим навантаженням без гармонічної корекції.
• Вище приблизно 33%: струм нульового провідника може перевищити фазний струм — з цього моменту вже не фазний струм, а струм нульового провідника визначає вибір перерізу всього кабелю (включно з самим нульовим провідником, який тоді має бути обраний мінімум рівним фазним провідникам, замість класичного, меншого перерізу нульового провідника).

Увага: це поширені практичні пороги з контексту IEC 60364-5-52 для корекції за третьою гармонікою; точні табличні значення та точний метод розрахунку для конкретного складу навантаження наведені в повному чинному тексті норми (Annex E) і мають перевірятися за проєктом з урахуванням фактично виміряного або розрахованого гармонічного вмісту приєднаного навантаження.

Коли це стає актуальним

Цей ефект особливо актуальний для груп із високою концентрацією однофазного нелінійного навантаження, розподіленого по трьох фазах однієї й тієї самої групи чи головного розподільного щита:

• Офісні поверхи з великою кількістю ІТ-робочих місць (імпульсні джерела живлення).
• Великі установки LED-освітлення з великою кількістю драйверів.
• Дата-центри та серверні приміщення.

Група з переважно лінійним, трифазним навантаженням (двигуни, нагрівальні елементи) практично не проявляє цього ефекту.

Практичне значення

Під час вибору перерізу групи з великою кількістю однофазного нелінійного навантаження (ІТ-робочі місця, LED-освітлення) потрібно оцінити або виміряти частку третьої гармоніки приєднаного навантаження, після чого встановити, чи потрібно на цій основі окремо розраховувати переріз нульового провідника — установка, в якій нульовий провідник виконано без розбору як «половина фазного перерізу», може за високого вмісту третьої гармоніки мати структурно перевантажений нульовий провідник, що не проявиться у звичайному розрахунку за фазним струмом.

Часті помилки

1. Припущення, що симетрично навантажена трифазна група автоматично має ненавантажений нульовий провідник — це вірно лише для лінійного навантаження; за нелінійного однофазного навантаження нульовий провідник може бути навантажений навіть сильніше, ніж кожен фазний провідник окремо.
2. Вибір перерізу нульового провідника за замовчуванням тоншим за фазні провідники без перевірки частки третьої гармоніки навантаження — за високої частки потрібен рівний або більший переріз нульового провідника.
3. Оцінка гармонічної корекції лише на рівні мережі (THD, див. гід про гармоніки та THD) без урахування внутрішньоустановчого навантаження нульового провідника — це дві окремі, взаємодоповнювальні перевірки на різних рівнях установки.

Пов'язані матеріали

• Гармоніки та граничні значення THD
• Переріз кабелю та струмове навантаження
• Розділення силових кабелів і кабелів даних за ЕМС