Deutsch
English
français
español
العربية
中文
Was verursacht Neutralleiterstrom in Drehstromsystemen?
Der Neutralleiterstrom in Drehstromsystemen ist ein häufiges Problem der Spannungsqualität in Fabriken, Gewerbegebäuden und Rechenzentren. In einem symmetrischen elektrischen System mit linearen Lasten heben sich die drei Phasenströme am Neutralpunkt auf. Ungleichmäßige Lasten und Oberschwingungsverzerrungen können jedoch dazu führen, dass ein signifikanter Strom durch den Neutralleiter fließt.
Ein übermäßiger Neutralleiterstrom kann zu Kabelüberhitzung, Energieverlusten und Ausfällen elektrischer Betriebsmittel führen. In einigen Anlagen kann der Neutralleiterstrom sogar den Strom übersteigen, der durch die einzelnen Phasenleiter fließt.
Das Verständnis darüber, was Neutralleiterstrom verursacht, wie er gemessen und wie er reduziert werden kann, hilft Ingenieuren, die elektrische Sicherheit und Systemzuverlässigkeit zu verbessern.
In einem elektrischen Dreiphasen-Vierleiter-System (3P4W) bietet der Neutralleiter einen Rückpfad für den Strom, wenn die Phasenlasten unsymmetrisch sind.
Wenn drei identische lineare Lasten an einer symmetrischen Drehstromversorgung betrieben werden, sind ihre Ströme um 120 elektrische Grad phasenverschoben. Die drei Ströme heben sich auf, was zu einem nahezu Null betragenden Neutralleiterstrom führt.
Die meisten modernen elektrischen Systeme arbeiten jedoch nicht unter perfekt symmetrischen Bedingungen.
Einphasige Betriebsmittel, ungleichmäßige Belastung und nichtlineare elektrische Geräte können alle Neutralleiterstrom erzeugen. Die Höhe hängt sowohl von der Phasenunsymmetrie als auch von der Oberschwingungsverzerrung ab.
Es gibt zwei Hauptursachen für hohen Neutralleiterstrom in Drehstromsystemen: Lastunsymmetrie und Oberschwingungen der dritten Ordnung (Triplen-Harmonische).
Eine Lastunsymmetrie tritt auf, wenn elektrische Betriebsmittel unterschiedliche Strommengen aus jeder Phase entnehmen.
Beispielsweise kann ein Gewerbegebäude Folgendes aufweisen:
Phase A versorgt Beleuchtung und Bürogeräte.
Phase B versorgt Computer und Klimaanlage.
Phase C versorgt weniger elektrische Lasten.
Da die Ströme ungleich sind, können sie sich nicht vollständig aufheben. Der verbleibende Strom fließt über den Neutralleiter zurück.
In Systemen mit überwiegend linearen Lasten ist die Symmetrierung der Phasenlasten oft der einfachste Weg, den Neutralleiterstrom zu reduzieren.
Oberschwingungsverzerrungen erzeugen ein weiteres wichtiges Problem.
Viele nichtlineare Lasten erzeugen Oberschwingungen dritter Ordnung und andere Triplen-Harmonische, einschließlich der 9. und 15. Ordnung.
Im Gegensatz zu Grundschwingungsströmen sind symmetrische Triplen-Harmonische über alle drei Phasen hinweg in Phase. Anstatt sich aufzuheben, addieren sie sich im Neutralleiter.
Dies erklärt, warum der Neutralleiterstrom hoch bleiben kann, selbst wenn die Grundschwingungs-Phasenlasten symmetrisch erscheinen.
Triplen-Harmonische sind in Dreiphasen-Vierleiter-Systemen besonders wichtig.
Betrachten Sie beispielsweise drei Phasen, die jeweils 20 A Strom der dritten Oberschwingung führen.
Da diese Ströme in Phase sind, ist ihr Beitrag zum Neutralleiter:
Der Neutralleiter führt daher 60 A Strom der dritten Oberschwingung, obwohl jede Phase nur 20 A dieser Oberschwingung führt.
Das Beispiel geht von gleichen Strömen der dritten Oberschwingung mit übereinstimmenden Phasenwinkeln aus. Der tatsächliche Neutralleiterstrom hängt zudem von anderen Oberschwingungsordnungen und der Lastunsymmetrie ab.
Aus diesem Grund kann der Neutralleiterstrom nicht immer allein durch den Vergleich der Phasenstromamplituden abgeschätzt werden.
Moderne Gebäude enthalten viele nichtlineare Lasten, die Triplen-Harmonische erzeugen können.
Häufige Quellen sind:
Computer und Bürogeräte
Einphasige Schaltnetzteile
LED-Beleuchtungstreiber
USV-Systeme mit einphasigen Eingängen
Elektronische Steuergeräte
Batterieladegeräte
Sonstige einphasige Gleichrichterlasten
Hohe Konzentrationen dieser Geräte können die Belastung des Neutralleiters erhöhen.
Drehstrom-Frequenzumrichter mit konventionellen Sechspuls-Gleichrichtern erzeugen netzseitig hauptsächlich charakteristische Oberschwingungen, die nicht durch 3 teilbar sind. Sie sind in der Regel nicht die Hauptursache für den Neutralleiterstrom der 3. Oberschwingung.
Übermäßiger Neutralleiterstrom erhöht die elektrischen Verluste und belastet die Verteilungsanlagen zusätzlich.
|
Problem |
Ursache |
Mögliches Ergebnis |
|---|---|---|
|
Überhitzung des Neutralleiterkabels |
Hoher Effektivwert des Neutralleiterstroms |
Verschlechterung der Isolierung |
|
Erwärmung des Transformators |
Oberschwingungen und unsymmetrische Belastung |
Höhere Verluste und höhere Temperatur |
|
Spannungsunsymmetrie |
Ungleichmäßige Phasenbelastung |
Schlechte Geräteleistung |
|
Elektrische Verluste |
Erhöhter Leiterstrom |
Zusätzliche Wärme und Energieverluste |
|
Schutzprobleme |
Übermäßiger oder unerwarteter Strom |
Fehlauslösungen oder Gerätebelastung |
Ein Neutralleiter, der mehr Strom führt, als seine Auslegung zulässt, kann zu einem ernsthaften Sicherheitsrisiko werden.
Aus diesem Grund sollten Ingenieure bei der Untersuchung von Neutralleiterstromproblemen die Bemessung der Leiter, die Installationsbedingungen und die Oberschwingungsbelastung überprüfen.
Der erste Schritt besteht darin, den Neutralleiter mit einer geeigneten Echteffektivwert-Stromzange oder einem Netzanalysator zu messen.
Die Messungen sollten die drei Phasenströme und den Neutralleiterstrom umfassen.
Ein Netzanalysator kann auch feststellen, ob der Neutralleiterstrom hauptsächlich von einer Phasenunsymmetrie oder von harmonischen Verzerrungen stammt.
Wichtige Messungen umfassen:
Phasenstrom-Effektivwert
Neutralleiterstrom-Effektivwert
Strom-Oberschwingungsspektrum
Strom der 3. Oberschwingung
Phasenunsymmetrie
Laständerungen während des Betriebs
Die Messungen sollten die normalen und die Spitzenbetriebsbedingungen abdecken.
Ein hoher Neutralleiterstromwert allein lässt noch nicht auf die Ursache schließen. Ingenieure benötigen Oberschwingungsmessungen, um festzustellen, ob triplen Oberschwingungen zu dem Problem beitragen.
Die richtige Lösung hängt davon ab, ob das Problem von unsymmetrischen Lasten, Oberschwingungsverzerrungen oder beidem herrührt.
Wenn der Neutralleiterstrom hauptsächlich von einer Lastasymmetrie herrührt, verteilen Sie die einphasigen Lasten auf die drei Phasen neu.
Dies kann den Grundschwingungs-Neutralleiterstrom reduzieren, ohne zusätzliche Filtergeräte zu installieren.
Das Ausgleichen der Grundschwingungslasten beseitigt jedoch nicht den Oberschwingungsstrom der dritten Vielfachen (Triplen-Oberschwingungen).
Wenn Triplen-Oberschwingungen die Ursache sind, sollten Ingenieure die nichtlinearen Geräte identifizieren, die diese erzeugen.
Netzteile mit geringen Oberschwingungen, geeignete Filtergeräte und Änderungen am Aufbau der elektrischen Verteilung können das Problem verringern.
Die richtige Lösung hängt vom Oberschwingungsspektrum und der Systemkonfiguration ab.
Ein vierpoliger aktiver Oberschwingungsfilter (Active Harmonic Filter, AHF) kann ausgewählte Oberschwingungsströme und, je nach Auslegung, Phasenunsymmetrie und Neutralleiterstrom kompensieren.
Der Filter misst den elektrischen Strom und speist Kompensationsstrom in das System ein.
Für Anlagen mit sich ändernden elektronischen Lasten kann ein 3P4W AHF eine flexible Oberschwingungskompensation bereitstellen.
Allerdings unterstützt nicht jeder AHF die Neutralleiterstromkompensation. Ingenieure müssen die Herstellerspezifikationen und die verfügbare Neutralleiter-Kompensationsleistung bestätigen.
Die Auswahl eines AHF erfordert mehr als nur das Messen des Neutralleiterstroms.
Ingenieure sollten zunächst ermitteln, wie viel Strom von Triplen-Oberschwingungen und wie viel von der Grundschwingungs-Lastasymmetrie stammt.
Sie sollten dann den Nennkompensationsstrom, die Neutralleiterstromfähigkeit und die Installationsanforderungen des Filters überprüfen.
Beispielsweise kann ein Gebäude 120 A gemessenen Neutralleiterstrom aufweisen, aber das bedeutet nicht automatisch, dass es einen 120 A AHF benötigt.
Die erforderliche Kapazität hängt vom Oberschwingungsspektrum, den Phasenströmen, der Zielkompensation und dem Filterdesign ab.
Eine vollständige Messung der Netzqualität bietet die beste Grundlage für die Auswahl der richtigen Ausrüstung.
Ja. Ein Neutralleiterstrom ist normal, wenn einphasige Lasten unsymmetrisch sind. Übermäßiger Strom kann jedoch auf eine Lastasymmetrie oder Oberschwingungsverzerrung hinweisen.
Ja. Triplen-Oberschwingungen können sich im Neutralleiter addieren, wodurch der Neutralleiterstrom die einzelnen Phasenströme übersteigt.
Die dritte Oberschwingung ist oft der wichtigste Verursacher von Oberschwingungen. Die neunte und fünfzehnte Oberschwingung können den Neutralleiterstrom ebenfalls erhöhen.
Ja. Ein geeigneter vierpoliger AHF mit Neutralleiter-Kompensationsfähigkeit kann den Oberschwingungs-Neutralleiterstrom und, sofern unterstützt, den durch Phasenunsymmetrie verursachten Strom reduzieren.
Das Ausgleichen linearer Lasten kann den Grundschwingungs-Neutralleiterstrom reduzieren. Triplen-Oberschwingungen können jedoch selbst dann einen erheblichen Neutralleiterstrom erzeugen, wenn die Phasenlasten symmetrisch sind.
Ein hoher Neutralleiterstrom in Dreiphasensystemen wird hauptsächlich durch ungleichmäßige Phasenbelastung und Triplen-Oberschwingungsverzerrung verursacht. Während eine Lastasymmetrie einen Grundschwingungs-Neutralleiterstrom erzeugt, können sich Oberschwingungen dritter Ordnung addieren und selbst unter symmetrischen Lastbedingungen einen hohen Neutralleiterstrom hervorrufen.
Die Reduzierung des Neutralleiterstroms beginnt mit genauen elektrischen Messungen. Der Lastabgleich kann eine fundamentale Asymmetrie beheben, während geeignete Oberschwingungsminderungsgeräte den oberschwingungsbedingten Neutralleiterstrom reduzieren können.
Für Anlagen mit einer großen Anzahl nichtlinearer Lasten kann ein korrekt ausgewählter vierpoliger aktiver Oberschwingungsfilter die Netzqualität verbessern, die Neutralleiterbelastung verringern und einen zuverlässigen elektrischen Betrieb unterstützen.
IPv6-Netzwerk unterstützt
