Почему отгорает нулевой проводник?
Для начала разберем что такое фаза и ноль. Фаза - это проводник, по которому ток приходит к потребителю, а ноль - это второй проводник, по которому ток возвращается обратно к питающему трансформатору или генератору. Ноль - рабочий нулевой проводник, по которому текут рабочие токи, основная задача которого, распределять однофазную нагрузку по трехфазной сети, чтобы можно было подключить однофазную нагрузку, т.е. взять фазу, взять ноль и получить фазное напряжение для потребителей 220В.
В однофазной сети нет причин отгорать только нулю или фазе, поскольку они находятся в равных условиях по сечению проводников. В действительности онофазных сетей нет, все дома и квартиры подключаются к трехфазной сети. Далее рассмотрим трехфазную нагрузку.
Токи в трехфазной сети сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов или на треть периода. В идеальном случае, если выполняется условие R1=R2=R3, в таком случае токи компенсируют друг друга, т.е. перетикают только из фазы в фазу, и в нулевом проводе ток равен нулю. Нагрузка в которой выполняется условие Z1 = Z2 = Z3 называется симметричной. (Z - комплексное сопротивление нагрузки).
Такой нагрузкой может быть: трехфазный электродвигатель, трехфазный электрокотел, в котором установлено одинаковое количество одинаковых по мощности ТЭНов. Так как ток через нулевой провод не протекает, такая нагрузка может подключаться без него.
Но симметричная нагрузка чаще всего, это какие-то отдельные системы или устройства. Так как дома и квартиры также подключаются к трехфазной сети, то нагрузка в ней никак не может быть симмертичной, потому что, никто не может контролировать, в какой квартире, когда и сколько включится электроприборов. Соответственно в каждый момент времени каждый из потребителей потребляет разный ток. Такая нагрузка в трехфазной сети, когда не выполняется условие Z1 не равно Z2 не равно Z3, называется несимметричной, и векторная сумма токов каждой из фаз в средней точке не равна нулю. Поэтому при несимметричной нагрузке возникает ток в рабочем нулевом проводнике, или как его еще называют - уравнивающий или компенсирующий ток.
Величина уравнивающего тока зависит как от разницы токов по фазам, так и от характера его потребления (индуктивный или емкостной), т.е. от сдвига фаз токов и угла между лучами векторной диаграммы, и обычно величина уравнивающего тока меньше тока самой нагруженной из фаз. Стоит отметить, что раз ток в нулевом проводнике протекает только тогда, когда нагрузка несимметричная, и этот ток почти всегда меньше фазного тока, то и в четырехжильных кабелях, сечение нулевой жилы часто бывает меньшим чем сечения фазных жил. В цепях с простой нагрузкой, вроде нагревательных элементов и лампочек накаливания, величина уравнивающего тока будет меньше тока самой нагруженной из фаз. Однако сегодня практически в каждом бытовом приборе, будь то компьютер или светодиодная лампа, используется импульсный источник питания. Ток который потребляет импульсный источник питания неравномерный, то есть он не повторяет по форме синусоиду, характер потребления тока здесь также импульсный, и если упростить, во многих случаях импульс приходится на область периода синусоиды в районе амплитудного значения.
Нагрузку ток которой по форме отличается от формы питающего напряжения (в нашем случае синусоиды) называют нелинейной. Примеры нелинейных нагрузок, из-за которых может возврасти ток в нулевом проводнике (если в составе их источников питания 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 регулятором скорости вращения (инверторами).
Почему так происходит? Так как форма тока, потребляемого нелинейной нагрузкой, значительно отличается от чистой синусоиды, то ее можно представить в виде суммы синусоид кратных частоте питающего напряжения (50 Гц, 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц) это называется гармониками, а с ростом частоты их амплитуда уменьшается. Влияние на амплитуду тока нелинейной нагрузки вносят гармоники, кратные третьей, остальные компенсируются.
В результате такого потребления, ток в нейтральной средней точке не компенсируется, и как следствие возврастает ток в нулевом проводе к тому же он суммируется и без того имеющимся уравнивающим током до и больше наибольшего значения тока в трех фазах, что и формирует благоприятные условия для огорания нуля, особенно если по стояку проложен кабель, в котором нулевой провод имеет меньшее сечение. Из-за влияния гармоник суммарное действующее значение тока в нейтральном проводнике, может быть больше, чем в фазных. Это может быть даже в том случае, если токи в фазных проводниках одинаковы, не смотря на сказанное выше о симметричной нагрузке.
Одно из основных решений рассмотренной проблемы - это использовать корректор коэффициента мощности в схемотехнике импульсных блоков питания. Корректор коэффициента мощности (ККМ), или Power Factor Corrector (PFC) - это идеальный каскад в схеме блока питания. Выбор схемы и необходимость установки ККМ зависит от потребляемой устройством мощности и его конечной стоимости, например в компьютерных блоках питания среднего ценового сегмента уже можно встретить активные ККМ, особенно в мощных моделях (600 ватт и более), тогда как не во всех бюджетных блоках питания можно не найти не то чтобы корректор коэффициента мощности, но и элементарный фильтр электромагнитных помех на входе.
При проектировании установки следует выбирать сечение проводников не по фазному току, а согласно ГОСТ Р 50571.5.52-2011: 523.6.2 - Если нейтральный проводник пропускает ток, являющегося следствием дизбаланса фазных токов, то увеличение тепловыделения в нейтральном проводнике компенсируется его соответствующим уменьшением в одном или нескольких фазных проводниках. В этом случае сечение всех проводников выбирается по наиболее нагруженному проводу. Во всех случаях сечение нейтрального проводника должно соответствовать указаниям 523.1.
В результате отгарания рабочего нулевого проводника мы получаем трехфазную цепь, где несимметричная нагрузка соединена по схеме звезды, но поскольку у нас нет нулевого проводника - уравнивающий ток не протекает. В результате у нас изменяется напряжение на каждой из нагрузки, поскольку фактически каждый из потребителей включается последовательно на линейное напряжение, и если представить каждую квартиру в виде эквивалентного сопротивления, вычисленного по потребляемому току, то согласно закона Ома, на том элементе, где больше сопротивление, будет большее падение напряжения. Это называется перекосом фаз. Соответственно в квартире где потребляется меньший ток будет наибольшее напряжение. Таким образом в розетках может оказаться вплоть до 380 вольт, такое напряжение губительно для всех нагревательных элементов, а также для большей части электроники.
Обезопасить свою квартиру можно с помощью различных реле напряжений, или с помощью многофункциональных защитных устройств, типа тех же УЗМ-50 и подобных. Также большинство стабилизаторов сетевого напряжения отключат нагрузку в случае повышения напряжения сверх допустимых пределов, но следует проверять в инструкции есть ли функция защиты при отгорании нулевого проводника.