339.Διαστασιολόγηση ουδετέρου αγωγού σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις με αρμονικές

Όπως είναι γνωστό, η παρουσία μη γραμμικών φορτίων σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα δημιουργεί στα καλώδια τροφοδοσίας του ... τις περίφημες αρμονικές συνιστώσες ρεύματος.

Τα πιο συνηθισμένα μη γραμμικά φορτία που δημιουργούν αρμονικές παραμορφώσεις είναι:

• τα ηλεκτρονικά ballast και οι λαμπτήρες εκκένωσης,

• τα τροφοδοτικά των ηλεκτρονικών υπολογιστών,

• οι ρυθμιστές στροφών ηλεκτροκινητήρων,

• οι συσκευές ηλεκτροσυγκολλήσεων,

• οι ανορθωτές,

• τα συστήματα αδιάλειπτης λειτουργίας (UPS), κ.λπ.

Ουσιαστικά - λοιπόν - τα ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας με οποιαδήποτε επαναλαμβανόμενη κυματομορφή χαρακτηρίζονται ως "αρμονικές".

Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφερθεί πως, σε ηλεκτρικά κυκλώματα χωρίς αρμονικές, ο ουδέτερος αγωγός ή δεν είναι φορτισμένος καθόλου ή το ρεύμα που διέρχεται από αυτόν αντισταθμίζεται από τουλάχιστον μια από τις υπόλοιπες φάσεις.

Για δίκτυα όπου η θεμελιώδης συχνότητα είναι 50 Hz ή 60 Hz έχουμε αρμονικές - αντίστοιχα - στα 150 Hz ή 180 Hz, στα 250 Hz ή 300 Hz κ.ο.κ., που ονομάζονται αρμονικές 3ης, 5ης τάξης κλπ..

Έτσι υπάρχουν οι χαρακτηρισμοί:

• Περιττές αρμονικές (5η, 7η, ...)

• Άρτιες αρμονικές (2η, 4η, ...)

• Τριπλές αρμονικές (3η, 9η, 15η, ...)

Τα μη ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας πχ. 125 Hz με περιοδική μορφή, ονομάζονται inter-harmonics.

Ακόμη πρέπει να γνωρίζουμε πως:

1. Όλα τα μη γραμμικά φορτία δεν παράγουν το ίδιο εύρος αρμονικών.

2. Οι συνηθέστερες αρμονικές είναι περιττής τάξης (3ης, 5ης, 7ης, κλπ).

Η συνολική παρουσία αρμονικών εκφράζεται ως ποσοστό επί τοις εκατό (%), με το συντελεστή συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD), ο οποίος:

-- δείχνει το ποσοστό της διατάραξης της φέρουσας κυματομορφής, και

-- λαμβάνει υπόψη τη συνεισφορά όλων των αρμονικών που υπάρχουν στο δίκτυο.

Σε τριφασικά κυκλώματα με ουδέτερο, οι εντάσεις των ρευμάτων της τρίτης αρμονικής καθώς και των μεγαλύτερων, περιττών, πολλαπλάσιων της τρίτης, συνιστωσών της φέρουσας των 50 Hz, που είναι γνωστές και σαν ομοπολικές ή τριπλές αρμονικές (3ης, 9ης, 15ης τάξης κ.ο.κ) αθροίζονται αριθμητικά, ως επιστροφές στον ουδέτερο αγωγό.

Σε περίπτωση τριφασικών συμμετρικών μη γραμμικών φορτίων, το ρεύμα επιστροφής του ουδετέρου δίνεται από τον τύπο:

Η κατάσταση γίνεται πιο πολύπλοκη όταν τα μη γραμμικά φορτία της εγκατάστασης δεν είναι συμμετρικά, αφού η συνεισφορά των ασύμμετρων ρευμάτων προστίθεται στο ρεύμα του ουδετέρου με αποτέλεσμα, παρόλο που η συνεισφορά των ομοπολικών αρμονικών μειώνεται, το ρεύμα που επιστρέφει από τον ουδέτερο να είναι ακόμα μεγαλύτερο από το ρεύμα επιστροφής σε περίπτωση συμμετρικού τριφασικού φορτίου.