Was ist der Grund für den hohen Neutralleiterstrom?

 

Neutralstrom entsteht hauptsächlich aufgrund von zwei Faktoren: dreiphasiger Unsymmetrie und Oberschwingungsströmen.

 

Dreiphasenungleichgewicht

 

In einem dreiphasigen Vierleiter-Stromverteilungssystem besteht das ideale Szenario darin, dass die Lasten gleichmäßig auf alle drei Phasen verteilt sind. Dieses Gleichgewicht stellt sicher, dass die Vektorsumme der dreiphasigen Ströme Null ist, wodurch der Neutralleiter (allgemein als „Neutralleiter“ oder „Nullleiter“ bezeichnet) frei von nennenswerten Stromflüssen ist. Der Neutralleiter dient unter ausgeglichenen Bedingungen als Rückweg für den kombinierten Strom der drei Phasen und führt voraussichtlich nur einen minimalen oder keinen Strom.

 

Allerdings weichen reale Systeme häufig von diesem Ideal ab und es kommt zu einem sogenannten „Dreiphasenungleichgewicht“. Dieses Ungleichgewicht entsteht, wenn die an jede Phase angeschlossenen Lasten nicht gleichmäßig verteilt sind, was zu Schwankungen der von jeder Phase aufgenommenen Ströme führt. Die Ursachen können vom ungleichmäßigen Stromverbrauch verschiedener Gerätetypen bis hin zur ungleichmäßigen Verteilung einphasiger Lasten auf die Phasen reichen.

 

Wenn die Lasten ungleichmäßig verteilt sind, ist die Vektorsumme der Phasenströme nicht mehr Null, sodass ein Nettostrom durch den Neutralleiter fließen muss, um die elektrische Neutralität an der Versorgungsquelle aufrechtzuerhalten. Dieser zusätzliche Strom im Neutralleiter kann zu Überhitzung, Spannungsabfällen und möglicherweise unsicheren Betriebsbedingungen führen, wenn der Neutralleiter nicht ausreichend dimensioniert ist, um die zusätzliche Last zu bewältigen. Im Laufe der Zeit kann dies auch zu vorzeitigen Geräteausfällen führen, was die Bedeutung der Überwachung und Aufrechterhaltung einer ausgewogenen Lastverteilung in Dreiphasensystemen unterstreicht.

 

 Harmonische Ströme

 

Harmonische Ströme tragen wesentlich zu Neutralleiterstromproblemen bei, insbesondere aufgrund ihres einzigartigen Verhaltens in Dreiphasensystemen. Nichtlineare Lasten, wie sie in modernen elektronischen Geräten wie Schaltnetzteilen, Frequenzumrichtern und elektronischen Vorschaltgeräten weit verbreitet sind, ziehen Strom auf nicht sinusförmige Weise. Dieses nichtlineare Verhalten führt zu Harmonischen, die ein Vielfaches der Grundfrequenz sind (50 Hz oder 60 Hz in den meisten Stromnetzen).

 

Besonders besorgniserregend ist der Strom der dritten Harmonischen. In einem ausgeglichenen Dreiphasensystem addieren sich dritte Harmonische konstruktiv, wenn sie über den Neutralleiter zurückkehren, im Gegensatz zu Harmonischen niedrigerer Ordnung, die dazu neigen, sich zwischen den Phasen aufzuheben.

Warum besteht der harmonische Strom auf der Neutralleitung hauptsächlich aus der dritten Harmonischen?

(1) Unter den harmonischen Komponenten, die von einer einphasigen Gleichrichterschaltung erzeugt werden, ist die dritte Harmonische die größte, und die Verzerrungsrate der dritten Harmonischen erreicht normalerweise mehr als 80 %.

 

(2) Zu den anderen Zeiten haben die harmonischen Ströme eine aufhebende Wirkung auf den Neutralleiter, nur zu drei Zeiten ist dies nicht der Fall.

 

Die einphasige Gleichrichterschaltung erzeugt den Strom der dritten Harmonischen. Die Phasendifferenz des Stroms der dritten Harmonischen beträgt 360 ° (3 × 120 ° = 360 °). Bei Wechselstrom bedeutet die Phasendifferenz von 360 °, dass sie in Phase sind. Daher wird der Strom der 3. Harmonischen arithmetisch dem Neutralleiter überlagert. Dies ist die Besonderheit der dritten Harmonischen.

 

Nicht nur die dritte Harmonische hat solche Eigenschaften, sondern auch die Harmonische mit einer Frequenz, die dreimal so hoch ist wie die Grundfrequenz, sollte solche Eigenschaften haben. Diese Harmonischen, deren Frequenz dreimal so hoch ist wie die Grundfrequenz, werden als dritte Harmonische bezeichnet und sind alle arithmetisch der neutralen Linie überlagert. Die 6., 9. und höheren 3. Harmonischen sind jedoch sehr klein oder fehlen sogar, sodass sie nicht berücksichtigt werden.

 

 

Der übermäßige Neutralleiterstrom aufgrund der harmonischen Verzerrung erhöht nicht nur die thermische Belastung der Neutralleiter, sondern verstärkt auch die Erwärmung des Transformators, verringert den Leistungsfaktor und kann empfindliche elektronische Geräte stören. Darüber hinaus stellt er Schutzvorrichtungen wie Leistungsschalter und Sicherungen vor Herausforderungen, da diese möglicherweise nicht angemessen auf die verzerrte Wellenform reagieren.

 

 

Um diese Effekte zu mildern, werden verschiedene Strategien eingesetzt, darunter der Einsatz passiver oder aktiver Oberwellenfilter zur Dämpfung bestimmter Oberwellenfrequenzen, die Neugestaltung von Stromversorgungssystemen zur Minimierung der Oberwellenerzeugung und die Gewährleistung eines angemessenen Lastausgleichs. Die Umsetzung dieser Maßnahmen ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Systemleistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit bei nichtlinearen Lasten und Dreiphasenungleichgewichten.

Lösungen

Strategien zur Behebung übermäßig hoher Neutralleiterströme umfassen typischerweise die Verbesserung des Dreiphasengleichgewichts, den Einsatz von Filtern zur Unterdrückung von Oberschwingungen, die umgehende Behebung von Erdungsfehlern und die Sicherstellung, dass der Neutralleiter ordnungsgemäß angeschlossen ist und über ausreichende Kapazität verfügt. Der

aktive Oberschwingungsfilter YTPQC  verfügt  über ein fortschrittliches modulares Design. Normalerweise besteht YTPQC-AHF aus einem oder mehreren AHF-Modulen und einer optionalen berührbaren LCD-Mensch-Maschine-Schnittstelle. Jedes AHF-Modul ist ein unabhängiges Oberschwingungsfiltersystem, und Benutzer können die Leistung des Oberschwingungsfiltersystems ändern, indem sie AHF-Module hinzufügen oder entfernen.