Известно, что ток, протекающий в проводах нейтрали трехфазных сетях с симметричной нагрузкой должен быть равен нулю. Однако, в большинстве марок современных силовых проводов и кабелей сечение рабочего "нуля" выполняется равным фазному. Правилам утверждены некоторые требования относительно сечения нулевых проводников.
Так, для медных проводов и кабелей сечением до 16 мм2 и алюминиевых до 25 мм2 при условии симметрии сети, согласно требований ПУЭ (7.1.45) сечение рабочего "нуля" в 1-фазных 2х- и 3х-проводных групповых линий и в 3х-фазных 4х- и 5ти-проводных линий в случаях подключения 1-фазных нагрузок должно быть не меньшим сечения фазных проводов.
Для проводов и кабелей большего сечение нулевых проводников не должно быть меньше 50% сечения фазных проводов. Поговорим о причинах, которыми обусловлено приведенное требование.
Сечение нулевого проводника
Несимметрия напряжений. В идеале, в 3х-фазных сетях ток в нулевом проводнике равен нулю. Условия создания реальных условий - симметрия распределения нагрузки по фазам и линейность нагрузки.
Геометрическая сумма линейных (фазных) токов в симметричной трехфазной сети равна нулю. Однако, на практике достичь полной симметрии напряжений невозможно; условно равномерным распределением нагрузки по фазам сети можно добиться приемлемых результатов (допустимые значения определены в ГОСТ 13109-97).
Несимметрия напряжений, вызванная неравномерно распределенной нагрузкой по фазам может быть причиной протекания больших токов в проводнике нейтрали. В худших случаях перекоса фаз (когда загружена только одна фаза при отсутствии нагрузки на других) ток "нуля" будет равен току фазного.
Нелинейность нагрузки. В качестве примеров электрической нагрузки, обладающих нелинейной вольт-амперной характеристикой можно привести электродуговые, индукционные печи, выпрямители, оргтехнику (ПК, принтеры, мониторы и пр.), трансформаторы, люминесцентные лампы, ПЧ, ИБП.
Генерируемые ими токи третьей гармоники (кратные трем) оказывают негативное воздействие на трехфазные сети. Сравнивая вольт-амперные характеристики линейной и нелинейной нагрузки можно увидеть изменение синусоидальной формы графика.
Так, скажем полупроводниковые приборы, потребляющие ток трапециевидной формы отличаются синусоидой тока или напряжения искаженной формы ("пила").
Кривые тока и напряжения при линейной и нелинейной нагрузке:
В случаях, когда мощность нелинейных потребителей превышает 20% общей мощности потребления, суммируемые токи высшей гармоники, генерируемые однофазными электроприборами могут привести к серьезным падениям напряжения как в нулевом, так и в фазных питающих проводах.
Помимо искажения формы питающего напряжения других электроприемников несинусоидальные токи третьей гармоники могут быть причиной появления тока в рабочей нейтрали сети. Как следствие (особенно, при отсутствии токовой защиты в цепи "нуля"), нельзя исключать перегрев и повреждение изоляции нулевых проводов КЛ.
Таким образом, становится вполне очевидной обоснованность приведенного в самом начале требования ПУЭ к сечению нулевых рабочих проводников; даже требуемая Правилами половина сечения фазных проводников способна обеспечить защиту провода нейтрали от токовых перегрузок.