Обрыв нуля: почему в трёхфазной сети сгорают приборы

Вечером в подъезде многоквартирного дома одновременно происходят странные вещи. В одной квартире щёлкает и гаснет блок питания компьютера, пахнет горелым из-за телевизора. У соседей этажом ниже свет еле тлеет, холодильник гудит и не запускается. Автоматы в щитках при этом не отключились. Приехавший электрик говорит два слова: «отгорел ноль».

Чтобы понять, почему одни и те же два слова объясняют и пережжённую технику, и тусклый свет, нужно разобраться, какую работу выполняет нулевой провод в трёхфазной сети.

Три фазы, один ноль и 400 вольт между ними

В дом приходят три фазных провода L1, L2, L3 и нулевой N (в старых домах совмещённый PEN). Между любой фазой и нулём 230 В. Синусоиды трёх фаз сдвинуты друг относительно друга на 120°, поэтому напряжение между двумя фазами больше фазного в √3 раз:

U_линейное = 230 · √3 ≈ 398 В

Квартиры распределяют по фазам: одни подъезды или стояки сидят на L1, другие на L2, третьи на L3. Каждая квартира подключена между своей фазой и общим нулём и получает свои 230 В.

Ток в нулевом проводе равен не сумме фазных токов, а их векторной сумме. При одинаковой нагрузке трёх фаз три вектора со сдвигом 120° складываются в ноль, и нулевой провод почти не нагружен. При разной нагрузке он несёт разницу.

Для чисто активной нагрузки это считается по формуле:

I_N = √(Ia² + Ib² + Ic² − Ia·Ib − Ib·Ic − Ic·Ia)

В примере «Трёхфазный ввод» на фазах 3,5 кВт, 1 кВт и 300 Вт, токи 15,2 А, 4,35 А и 1,30 А. Подставляем: 231,3 + 18,9 + 1,7 − 66,2 − 5,7 − 19,8 = 160,2, корень — 12,7 А. Симулятор показывает те же 12,7 А в нулевом проводнике и называет перекос фаз.

Главное здесь даже не число. Пока нулевой провод цел, он жёстко держит общую точку всех нагрузок на потенциале нейтрали трансформатора. Какой бы кривой ни была нагрузка, у каждой квартиры остаются свои 230 В. Ноль — это якорь.

Что происходит, когда якорь оторвался

Когда нулевой провод обрывается на участке до квартир — в подъездном щите, на вводе в дом, на опоре, — общая точка нагрузок перестаёт быть привязанной к нейтрали. Её потенциал теперь определяется тем, как нагружены фазы. Это называется смещением нейтрали.

Разберём самый наглядный случай из примера про обрыв нуля: на фазе L1 обогреватель 2 кВт, на фазе L2 лампа 100 Вт (пусть это будет телевизор). Пока ноль цел, у каждого 230 В. После обрыва ток может идти только из одной фазы в другую через обе нагрузки последовательно, и приложено к ним уже линейное напряжение.

1. Сопротивление обогревателя: 230² / 2000 ≈ 26,5 Ом.
2. Сопротивление лампы: 230² / 100 = 529 Ом.
3. Ток в цепочке: 398 / (26,5 + 529) ≈ 0,72 А.
4. Напряжение на лампе: 0,72 · 529 ≈ 379 В.
5. Напряжение на обогревателе: 0,72 · 26,5 ≈ 19 В.

Большая нагрузка забирает себе малое напряжение, малая — почти всё линейное. Телевизор получает 379 В и сгорает, обогреватель едва тёплый. В реальном доме то же самое происходит с целыми квартирами: там, где включены плита и бойлер, напряжение проваливается до 100–150 В, там, где работают только роутер и зарядки, подскакивает к 350–400 В.

Если нагрузки фаз одинаковые, обрыв нуля почти незаметен: линейное напряжение делится поровну, каждая сторона получает 398 / 2 = 199 В. Беду создаёт не сам обрыв, а обрыв при перекосе — а перекос в жилом доме есть всегда.

Почему не срабатывает защита

Автоматы в квартирных щитках настроены на перегрузку и короткое замыкание. При обрыве нуля ток, наоборот, уменьшается: в примере 0,72 А при номинале 16 А. Автомату не на что реагировать.

УЗО сравнивает ток, ушедший по фазе, с током, вернувшимся по нулю своей линии. При обрыве нуля ток по-прежнему возвращается через нулевой провод квартиры — только дальше он уходит не к трансформатору, а в соседнюю квартиру на другой фазе. Внутри каждой квартиры баланс сохраняется, утечки нет, УЗО молчит.

От этой аварии защищает отдельный аппарат — реле напряжения (реле контроля напряжения). Оно ставится после счётчика перед вводным автоматом или за ним и отключает квартиру, если напряжение вышло за уставки, обычно около 260 В сверху и 170 В снизу. Включение обратно — с задержкой, когда сеть успокоится. Реле стоит недорого по сравнению с одним сгоревшим холодильником, и в новых квартирных щитках его ставят как обычный элемент.

Есть и вторая опасность. В системе TN-C-S до вводного щита ноль и защитный проводник — это один провод PEN. Если обрывается именно он, то на шине PE оказывается смещённый потенциал, а корпуса всех заземлённых приборов в квартире — под напряжением относительно земли. ПУЭ поэтому рекомендует повторно заземлять PEN на вводе в здание (п. 1.7.61) и запрещает ставить в PEN какие-либо коммутационные аппараты (п. 1.7.145).

Почему ноль отгорает

Нулевой провод рвётся не сам по себе, у этого есть типовые причины.

• Плохой контакт. Ослабший болт на нулевой шине подъездного щита, окисленное соединение алюминия с медью. Контакт греется, окисляется ещё сильнее, и через несколько лет выгорает.
• Нулевой провод тоньше фазного. В старых трёхфазных линиях так делали сознательно: при симметричной нагрузке ноль разгружен. Современная нагрузка симметричной не бывает.
• Третья гармоника. Это причина, о которой двадцать лет назад не думали.

Импульсные блоки питания без корректора мощности — внутри светодиодных ламп, зарядок, компьютеров, телевизоров — берут ток не синусоидой, а короткими всплесками на вершине напряжения. В спектре такого тока сильная третья гармоника. Первые гармоники трёх фаз сдвинуты на 120° и в нуле гасятся. А третьи сдвинуты на 3 · 120° = 360°, то есть совпадают по фазе и в нулевом проводе складываются арифметически.

В примере «Ноль горячее фазы» на каждой фазе по киловатту импульсной нагрузки. В модели третья гармоника составляет 62 % первой, пятая 36 %, седьмая 19 %, девятая 9 %. Прикинем соотношение:

фаза:  I = I1 · √(1 + 0,62² + 0,36² + 0,19² + 0,09²) ≈ 1,25 · I1
ноль:  I = I1 · √((3·0,62)² + (3·0,09)²)            ≈ 1,88 · I1

Кратные трём гармоники (третья и девятая) складываются утроенными, остальные гасятся. Ноль нагружен в 1,88 / 1,25 ≈ 1,5 раза сильнее фазы, хотя перекоса нет вовсе. Симулятор показывает 5,4 А в фазах и 8,2 А в нуле. Автомата на нулевом проводе нет, и его перегрев никто не видит. Поэтому в офисных и жилых линиях ноль берут того же сечения, что и фазу, а при большой доле электроники — больше.

Типичные ошибки

• Нагрузку раскидывают по фазам «как получилось». На даче или в частном доме с трёхфазным вводом на одной фазе оказываются котёл, бойлер и плита, на другой — одно освещение. При обрыве нуля освещение получит почти 400 В.
• Надеются на УЗО. Оно защищает от утечки тока, а не от перенапряжения.
• Экономят на сечении нуля. Особенно там, где много компьютеров и светодиодного света.
• Соединяют нули разных УЗО на одной шине. Это не обрыв нуля, но тоже ошибка с нулевым проводом: ток уходит через одно УЗО и возвращается через другое, оба видят разбаланс и срабатывают без утечки. У каждого УЗО своя шина N.

Перераспределение фаз, проверка контактов на нулевых шинах и установка реле напряжения — работа электрика со снятым напряжением. В подъездном щите это зона ответственности управляющей компании.

Что попробовать в симуляторе

В примере с трёхфазным вводом выровняйте мощности розеток и посмотрите, как ток нуля падает почти до нуля. Это и есть смысл распределения нагрузки по фазам.

В примере с обрывом нуля сначала разомкните перемычку при исходных нагрузках, а потом сравняйте мощности и повторите. Разница между 379 В и 199 В — вся суть аварии.

В примере с третьей гармоникой переключите приборы на «импульсный с корректором»: спектр очистится, и ток нуля вернётся к почти нулевому.

Коротко

Нулевой провод в трёхфазной сети удерживает общую точку всех нагрузок. Когда он обрывается, нагрузки разных фаз оказываются последовательно под линейными 398 В, и напряжение делится обратно пропорционально мощности: малонагруженная сторона получает почти всё. Автомат и УЗО этого не видят, защищает только реле напряжения. Ноль нельзя делать тоньше фазы, особенно при импульсной нагрузке, где третья гармоника нагружает его сильнее фазных проводов.

Попробуйте в симуляторе