Все мы знаем, что электроэнергия производится на электростанциях. Важно отметить, что для передачи этой энергии используются линии электропередач, где присутствуют всего три фазных провода, через которые течёт переменный ток.
Однако, как же нулевой проводник попадает в розетку? Для понимания этого процесса необходимо знать, что нулевой проводник является частью схемы заземления электроустановок. Он обеспечивает безопасность пользователей электроэнергии, предотвращая возможные поражения электрическим током.
Нейтраль
Если говорить совсем просто, нейтраль или нулевой проводник – это специальный провод в электросети, который обеспечивает безопасный «обратный путь» для электрического тока. Для понимания можно представить, что электричество течёт по проводам, как вода по трубам. Есть «подающая труба» — фаза (она под напряжением, опасна!). А ещё нейтраль — это «обратная труба», куда ток возвращается после того, как сделал свою работу.
В трёхфазной системе переменного тока нейтраль играет ключевую роль для стабильной работы и безопасности, особенно при подключении однофазных потребителей (как в наших домах). Разберём также простое объяснение её значения.
Представьте три провода (фазы А, В, С), по которым ток течёт со сдвигом во времени (как будто три волны бегут друг за другом). Нейтраль (N) — это общий провод, где напряжение условно равно нулю.
Напряжение между любой фазой и нейтралью — это фазное напряжение (в России оно равно 230 В). Именно на это напряжение рассчитаны наши бытовые приборы. Напряжение между двумя фазами — линейное напряжение (400 В). Такое напряжение нужно для работы мощных электродвигателей и т. д.
Если нагрузка на все три фазы абсолютно одинаковая (идеальный баланс), токи в фазах компенсируют друг друга. В этом случае ток в нейтральном проводе равен нулю (или очень мал). Нейтраль как бы «отдыхает».
Однако в реальности нагрузка почти всегда неравномерная (дисбаланс). Например, в одном доме на фазе А работает мощный чайник, а на фазах В и С — только лампочки. Значит, и токи в фазах будут разные.
Здесь нейтраль незаменима. Она становится путём для тока дисбаланса. Этот «лишний» ток, который не смогли компенсировать другие фазы, течёт обратно к источнику (трансформатору подстанции) именно по нейтральному проводу. Без нейтрали при дисбалансе напряжения на фазах «поплывут» — одни приборы получат слишком низкое напряжение и не будут работать, другие — слишком высокое и сгорят.
Обычно нейтраль подключается к нейтральному выводу силового трансформатора и соединяется с заземляющим устройством. Однако есть электроустановки, где нейтраль изолирована от земли или подключена через реактор и т. п. Относительно земли напряжение на глухозаземлённой нейтрали будет близко к нулю, однако не стоит путать рабочую нейтраль с защитным заземлением, которое предназначено для обеспечения безопасности электроустановки.
Как работает электростанция?
В качестве примера рассмотрим работу тепловой электростанции максимально просто, как цепочку преобразований энергии. Основная идея – превратить тепло от сжигания топлива в электричество.
Топливо (уголь или газ) горит в котле, нагревает воду, получается пар. Пар крутит турбину, турбина крутит генератор, а генератор даёт ток. Переменный ток идёт по проводам на трансформаторную подстанцию.
Отметим, что из генератора выходят только три фазы без нулевого проводника.
При этом на самом генераторе есть нейтраль, соединённая с заземляющим устройством. Однако такая нейтраль требуется для правильной работы устройств релейной защиты.
Как передать электроэнергию на большие расстояния?
Передача электроэнергии на большие расстояния — это сложная инженерная задача. Главная проблема при передаче — это потери электроэнергии на нагрев. Потери зависят от силы тока (I), ведь чем она больше, тем больше будут греться провода. Также потери зависят от сопротивления проводов (R) — чем длиннее линия, тем больше потери.
Формула потерь мощности:
Потери = I² × R
Потери растут в квадрате от силы тока!
Как же уменьшить потери? Из формулы понятно, что когда мы уменьшаем силу тока, то снижаем и потери. Но как передать требуемую мощность?
Мощность можно представить как произведение силы тока на напряжение. Следовательно, для достижения желаемого, нужно увеличить напряжение. При этом повышая напряжение в десятки или даже в сотни раз, можно во столько же раз уменьшать силу тока, не уменьшая мощность.
Поэтому напряжение 10,5 кВ, получаемое от генератора электростанции, на подстанциях повышают до 110, 220, 330, 500 или даже до 750 кВ. Само собой, в таких линиях можно увидеть только три фазных провода. Четвёртого, нулевого провода там нет.
Справедливости ради нужно отметить, что нейтраль силовых трансформаторов на таких подстанциях имеет соединение с заземляющим устройством. Однако такое заземление нейтрали, также как и на электростанциях, требуется для правильной работы устройств релейной защиты.
Понижающие подстанции и распределительные сети
Передача электроэнергии на уровне распределительного напряжения — это ключевой этап в доставке электроэнергии от магистральных сетей высокого напряжения к конечным потребителям (города, промышленные предприятия, сельские районы). Разберём, как это происходит.
Линии высокого напряжения приходят на понижающую подстанцию, где напряжение понижается до 110 кВ. Затем по линиям электропередач электричество приходит на районную подстанцию 110/35 (10) кВ, которая является центром питания (ЦП) для данного района. Трансформаторы снижают напряжение до 35 кВ, иногда 20 кВ или 10 (6) кВ. Это ключевой узел распределения.
Сети 35 кВ (или 20 кВ в некоторых регионах) используются для питания средних промышленных предприятий, передачи мощности к подстанциям 35/10 (6) кВ, которые расположены в небольших городах, посёлках, сельских районах и непосредственно питают распределительные сети 10 (6) кВ, питания крупных сельскохозяйственных объектов.
Для передачи используются воздушные или кабельные линии электропередач, которые также состоят из фазных проводов. Воздушные линии (ВЛ) — это самый распространённый тип линий для этого уровня напряжения. Провода подвешены на опорах (железобетонных, металлических). Относительно недороги в строительстве на открытой местности, но подвержены влиянию погоды.
Кабельные линии (КЛ) используются в городах, на территориях промышленных предприятий, при пересечениях рек, дорог и в других местах, где ВЛ невозможны или нежелательны. Дороже ВЛ, но надёжнее и не портят вид.
Таким образом, сети распределительного напряжения 110 кВ и 35 кВ образуют «костяк» распределения электроэнергии внутри района, обеспечивая связь между магистральными сетями и сетью низшего напряжения (10/0,4 кВ), питающими конечных потребителей.
Кстати, на силовых трансформаторах таких подстанций также имеется ЗОН (ЗНН) — заземляющий однофазный нож нейтрали, который подключён постоянно через разрядник к земле и подключается по команде к заземляющему устройству обслуживающим персоналом. Как и раньше назначение такого ножа — обеспечение требуемой чувствительности устройств релейной защиты.
Где же появляется ноль?
Исходя из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что для передачи электроэнергии нулевой проводник не нужен. Однако в розетке он есть и появляется в трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ или 6/0,4 кВ. Кстати, такие подстанции называют комплектными, а сокращённо — КТП.
Это ключевая характеристика их конструкции и главное отличие от традиционных (сборных) подстанций. Главная идея проста: всё основное оборудование подстанции заранее смонтировано и электрически соединено внутри одного или нескольких готовых металлических блоков (корпусов, шкафов) на заводе-изготовителе.
«Комплект» — это готовый набор. Покупатель получает не набор разрозненных компонентов (трансформатор, выключатели, разъединители, РУВН, РУНН, шины, аппаратуру защиты и т. д.), которые нужно потом монтировать и соединять на месте, а полностью собранный и протестированный на заводе комплект оборудования, готовый к установке и подключению. Это как покупка готового «конструктора» или «мебельного гарнитура» вместо отдельных досок и крепежа.
Этот комплект поставляется как единое изделие, требующее лишь установки на фундамент и подключения кабелей или проводов на месте эксплуатации. Именно заводская комплектность и готовность являются их основным отличием и преимуществом. Часто их также называют «блочными» или «боксовыми» подстанциями.
Именно здесь, на выходе с силового трансформатора появляется нулевой проводник. Напомним, что он предназначен для равномерного распределения нагрузки в трёхфазной сети 0,4 кВ.
Как правило, обмотки низкого напряжения силового трансформатора соединены по схеме «звезда». Здесь нейтраль трансформатора заземлена и от неё отходит нулевой проводник. На линии 0,4 кВ также есть повторное заземление нулевого проводника (повторка). Также повторное заземление должно быть выполнено в распределительном щите дома.
Немного про нагрев
В некоторых щитах можно увидеть, что контакт нулевого провода или сам провод сильно нагреваются, и это видно невооружённым взглядом. Почему же так происходит?
Разбор вероятных причин следует начать с неравномерного распределения нагрузки по фазам или, как говорят некоторые, перекоса фаз. Другими словами, при неравномерной нагрузке по фазам на линии, на нулевом проводнике появляется уравнительный ток или ток небаланса.
Причём этот ток может даже быть больше, чем ток на фазном проводнике. Это характерно при подключении компьютеров или светодиодных светильников. Такие нелинейные нагрузки генерируют ещё и гармонические искажения, которые и приводят к увеличению тока.
Разумеется, что нулевой провод может нагреваться, если его сечение слишком мало для протекающего тока. Такая ситуация вкупе с током небаланса только ухудшает тяжёлое положение нулевого проводника и вызывает его нагрев.
Также повышенный нагрев будет вызывать и высокое переходное сопротивление, которое может быть обусловлено плохим контактом. Причина плохого контакта: недостаточный прижим болтового соединения, нагар или образование коррозии.
Заключение
В однофазной электрической сети роль нулевого проводника заключается в замыкании цепи для обеспечения обратного пути тока от электроприбора до силового трансформатора. Его значение сложно переоценить, так как он обеспечивает стабильность, безопасность и саму возможность работы большинства электроприборов.
Нарушение целостности нулевого проводника (обрыв) является аварийной ситуацией с высоким риском выхода из строя дорогостоящей техники и угрозой для жизни людей из-за потери защитных функций и возникновения недопустимо высоких напряжений в розетках. Поэтому качественный монтаж и обслуживание нулевых проводников критически важны.
Автор статьи — Илья Корчагин.