قطعی نوترال

اگر هادی نوترال در طول مسیر قطع شود (در ترانسفورماتور توزیع، ژنراتور یا در طرف مصرف‌کننده (تابلو اصلی))، هادی نوترال شبکه توزیع "شناور" خواهد شد و نقطه مرجع خود را از دست می‌دهد. نوترال شناور می‌تواند باعث شود تا حداکثر میزان ولتاژ مؤثر (RMS) فاز نسبت به زمین شناور شود و این موضوع بستگی به میزان نامتعادل بودن بار دارد. تاثیرات نوترال شناور در شبکه قدرت بسته به نوع منبع، نوع تاسیسات و میزان عدم‌تعادل بار در شبکه توزیع، متفاوت است.

 قطع شدن نوترال و شناور بودن آن، به بار متصل به آن آسیب می‌زند یا باعث ایجاد ولتاژ تماس خطرناک در بدنه تجهیزات می‌شود.

نول (نوترال) شناور چیست؟

اگر هادی نوترال یک بار نامتعادل به نقطه نوترال ترانس تغذیه خود وصل نباشد (ترانسفورماتور یا ژنراتور توزیع)، ولتاژ فازها یکسان باقی نمی‌ماند و بسته به میزان نامتعادل بودن بار، هر فاز ولتاژ متفاوتی خواهد داشت و چون پتانسیل نقطه خنثی منبع تغذیه (با آرایش ستاره) یا هادی نوترال شبکه همیشه تغییر می‌کند و ثابت نیست، به آن "نول شناور" می‌گویند.

وضعیت شبکه در حالت عادی و شناور بودن نول

وضعیت شبکه در حالت عادی

در سیستم‌های سه‌فاز، برای نقطه خنثی و فازها این تمایل وجود دارد که بر اساس نسبت جریان هر فاز، بین ولتاژ آن‌ها نسبت به زمین "تعادل" برقرار شود. ولتاژ نقطه خنثی بسته به نحوه توزیع بار و جریان برگشتی آن، نزدیک به صفر ولت می‌ماند (بار بیشتر بر روی یک فاز معمولاً به معنای جریان بیشتر است).

سیستم‌های سه‌فاز ممکن است هادی نوترال نداشته باشند. هادی نوترال به سیستم سه‌فاز این امکان را می‌دهد علاوه بر استفاده از ولتاژ با دامنه بالاتر از تجهیزات تک‌فاز هم که با ولتاژ پایین‌تری کار می‌کنند، پشتیبانی کند. در خط توزیع ولتاژ فشار قوی، استفاده نکردن از هادی نوترال معمول است زیرا بارها می‌توانند به سادگی بین فازها (اتصال فاز-فاز) متصل شوند.

شکل1: شماتیک یک سیستم سالم

سیستم سه‌سیمه با بار خطی سه‌فاز

سیستم سه‌فاز خواصی دارد که مطلوب سیستم‌های الکتریکی است.‌ در مرحله اول جریان‌های فاز تمایل به خنثی کردن یکدیگر دارند (در صورت داشتن بار متعادل خطی، جمع برداری جریان‌ها صفر می‌شود). چون فاز (زاویه) جریان‌ها با هم متفاوت است و باعث می‌شود که هادی نوترال شبکه در بعضی از خطوط از بین برود. ثانیاً انتقال نیرو به یک بار متعادل خطی ثابت است.

سیستم چهارسیمه با بار غیر خطی سه‌فاز

بیشتر بارهای خانگی تک‌فاز هستند. به‌طور کلی برق سه‌فاز یا وارد خانه‌ها نمی‌شود یا در تابلو اصلی جدا می‌شود. قانون جریان کیرشهف می‌گوید که در یک مدار الکتریکی فشرده جمع جریان‌هایی که به یک گره وارد می‌شود یا از آن خارج می‌شوند در هر لحظه برابر با صفر است. به عبارت دیگر مجموع جریان‌های ورودی با مجموع جریان‌های خروجی با هم برابر هستند. اگر نقطه خنثی ترانس را به عنوان گره در نظر بگیریم، در یک سیستم متعادل، جریان یک فاز با دو فاز دیگر مطابقت دارد، در نتیجه هیچ جریانی وارد هادی نوترال نخواهد شد. هرگونه نامتعادلی در بار، منجر به عبور جریان در هادی نوترال می‌شود، به‌طوری که جمع جبری جریان‌ها برابر صفر خواهد بود.

این حالت در برق سه‌فاز پیچیده‌تر می‌شود، زیرا باید زاویه فازها را هم در نظر بگیریم، اما مفهوم دقیقاً یکسان است. اگر از اتصال ستاره با نقطه نوترال استفاده کنیم، جریان هادی نوترال برابر صفر خواهد بود به‌شرطی‌ که سه‌فاز دارای جریان یکسانی باشند. درواقع اگر جمع برداری انجام دهیم، معادله زیر برقرار است:


همین مفهوم برای بارهای با اتصال مثلث که بدون هادی نوترال هستند نیز اتفاق می‌افتد، اما این نامتعادلی، در خارج از شبکه توزیع و فراتر از ترانس‌های توزیع رخ می‌دهد، زیرا به‌طور کلی، شبکه توزیع به صورت ستاره است.

هادی نوترال هرگز نباید به زمین وصل شود مگر در ترانس‌های شبکه توزیع. با این کار زمین به عنوان مسیری برای بازگشت جریان به شبکه توزیع در نظر گرفته می‌شود. هرگونه قطعی در مسیر زمین، ولتاژ فازها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. زمین کردن نقطه نوترال ترانس در سیستم سه‌فاز به تثبیت ولتاژ فازها کمک می‌کند. هادی نوترالی که به زمین وصل نشده باشد، گاهی اوقات به عنوان "نول شناور" شناخته می‌شود و کاربردهای محدودی دارد.

وضعیت شبکه در حالت شناور بودن نول

جریان برق شبکه توزیع، از طریق فاز به محل مصرف‌کننده‌ها وارد شده و از طریق هادی نوترال خارج می‌شود. اگر قطعی در مسیر برگشت هادی نوترال وجود داشته باشد، ممکن است این جریان از مسیر دیگری بازگردد و یکی از حالت‌ها به این صورت است که جریان یکی از فازها وارد و از طریق دو فاز دیگر بازگردد. پس ولتاژ هادی نوترال صفر باقی نمی‌ماند و ولتاژی برابر با فازها خواهد داشت. این وضعیت می‌تواند بسیار خطرناک باشد و مصرف‌کنندگان ممکن است (در صورت مصرف برق) دچار شوک‌های جدی شوند.

شکل 2: شماتیک مدار در حالت شناور شدن نول

کشف قطعی در طول مسیر هادی نوترال دشوار است و در برخی موارد ممکن است به راحتی شناسایی نشود. بعضی اوقات قطعی در هادی نوترال را می‌توان در سوسو کردن چراغ‌ها یا نویز‌های سیستم صوتی تشخیص داد.

اگر در خانه خود چراغ‌هایتان سوسو می‌زنند یا سیستم صوتی شما صداهایی شبیه به نویز دارد، ممکن است در معرض آسیب جدی یا حتی مرگ قرار داشته باشید.

اندازه‌گیری ولتاژ هادی نوترال نسبت به زمین

یک قانون سرانگشتی که در صنعت بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد به این صورت است که هادی نوترال در پریز برق می‌تواند ولتاژی برابر 2 ولت یا کمتر داشته باشد، درحالی‌که چند ولت بیشتر نشان‌دهنده نامتعادل بودن است؛ 5 ولت به عنوان حد بالایی در نظر گرفته می‌شود.

هادی نوترال با ولتاژ کم

اگر ولتاژ هادی نوترال در پریز برق مقدار ناچیزی داشته باشد سیستم سالم است، و اگر ولتاژ زیادی داشته باشد، باید مشخص شود که این مشکل در مدارهای نهایی است یا در تابلو اصلی. هادی نوترال به این دلیل دارای ولتاژ نسبت به زمین خواهد بود که با عبور جریان از این هادی، افت ولتاژی به اندازه IR در طول این هادی به‌وجود می‌آید. اگر سیستم به صورت صحیح سیم‌کشی شده باشد، نباید هادی نوترال هیچ اتصالی با زمین داشته باشد مگر در ترانسفورماتور اصلی و هم‌چنین نقطه تحویل انشعاب به مشترک. تحت این شرایط، هادی حفاظتی باید عملاً جریان نداشته باشد و بنابراین ولتاژ IR روی آن افت نمی‌کند. در عمل، هادی حفاظتی را می‌توان به عنوان یک مرجع آزمایش با دسترسی دائمی در نظر گرفت که ولتاژ نول را بررسی کنیم.

هادی نوترال با ولتاژ زیاد

اگر هادی خنثی دارای ولتاژ زیادی باشد، می‌تواند نشان‌دهنده این باشد که در چند مدار مختلف از آن استفاده می‌شود. این هادی نوترال مشترک به راحتی باعث اضافه بار یک مدار بر روی مدار دیگر را می‌شود.

عوامل مختلفی که باعث شناور شدن هادی نوترال می‌شوند

چندین فاکتور وجود دارد که به عنوان علت شناور شدن هادی نوترال شناخته می‌شوند. تأثیر شناور شدن هادی نوترال بسته به محل قطع این هادی متفاوت است:

1)  در ترانسفورماتور توزیع سه‌فاز

نقص‌های بوجود آمده در نقطه نوترال ترانسفورماتور بیشتر به علت خراب شدن بوشینگ این هادی است. استفاده از اتصال ناقص در بوشینگ ترانسفورماتور به عنوان علت اصلی نقص هادی نوترال در ترانسفورماتور شناخته می‌شود. به مرور زمان به‌دلیل لرزش و اختلاف دمای ایجاد شده ناشی از داغ شدن یکی از اتصالات، مهره انشعاب خط از بین می‌رود، هادی نوترال شروع به ذوب شدن کرده و در نتیجه این هادی قطع می‌شود. 

نداشتن مهارت کافی در اجرای تاسیسات و داشتن ضعف در کادرفنی نیز می‌تواند یکی از دلایل وجود نقص در نقطه نوترال ترانس باشد. شناور شدن نوترال در ترانسفورماتور سه‌فاز باعث می‌شود که هادی نوترال ولتاژ داشته باشد که مقدار این ولتاژ بستگی به میزان متعادل بودن بارها دارد. این نوع شناور بودن هادی نوترال ممکن است به تجهیزات مصرف‌کنندگان متصل به این منبع تغذیه آسیب برساند. در شرایط عادی جریان از فاز به بار و سپس به منبع تغذیه (ترانسفورماتور توزیع) بازمی‌گردد. با شناور شدن هادی نوترال، جریان به عنوان مثال از فاز R به فاز S یا T باز می‌گردد و بر روی تجهیزات مصرف‌کننده ولتاژ خط به خط قرار می‌گیرد.

تعدادی از مصرف کنندگان دچار اضافه ولتاژ و بعضی از آنها با کاهش ولتاژ روبرو می‌شوند.

2) پارگی هادی نوترال در خط توزیع فشار ضعیف

تأثیر پارگی هادی نوترال در خطوط توزیع فشار ضعیف مشابه قطع شدن آن در ترانسفورماتور است و ولتاژ تحویلی به مشترک به جای ولتاژ فاز دارای ولتاژ خط خواهد شد. این نوع خطا ممکن است تجهیزات مصرف‌کنندگان متصل به منبع تغذیه را خراب کند.

3) پارگی هادی نوترال بعد از تابلو اصلی مصرف‌کننده

پارگی هادی نوترال بعد از تابلو اصلی در طرف مصرف‌کننده فقط باعث قطعی برق می‌شود و هیچ آسیبی به تجهیزات مشتری نمی‌رسد.

4) مقاومت بالای نقطه خنثی ترانسفورماتور

در این حالت در صورت پارگی یکی از فازها و اتصال اتفاقی آن به زمین، ولتاژ تماس بیشتر از حد مجاز خود شده و خطر برق‌گرفتگی افزایش خواهد یافت. فارغ از دلیل فلسفی 2 اهم معروف که ذکر شد، تثبیت ولتاژ نقطه خنثی ترانس به‌وسیله اتصال مناسب آن با زمین فراهم می‌شود و این اتصال به‌وسیله اتصال با مقاومت کم. در هر صورت تثبیت نقطه خنثی ترانس منجر به تثبیت ولتاژ خطی و ولتاژ فازی سیستم خواهد شد.

5) اضافه بار و نامتعادل بودن بارها

اضافه بار در شبکه توزیع همراه با توزیع بار نامناسب یکی از مهم‌ترین دلایل شناور شدن هادی نوترال است. هادی نوترال باید به درستی و به‌گونه‌ای طراحی شود که حداقل جریان از آن عبور کند. از نظر تئوری جریان هادی نوترال باید صفر باشد چون جریان‌های سه‌فاز باهم اختلاف زاویه‌ای (فاز) 120 درجه دارند که جمع جبری آن‌ها با هم صفر می‌باشد.


در شبکه توزیع نامتعادل، جریان عبوری از هادی نوترال دارای مقدار زیادی است که در اتصالات ضعیف باعث پارگی این هادی می‌شود.

6) هادی نوترال مشترک

برخی از ساختمان‌ها به صورتی سیم‌کشی شده‌اند که دو یا سه فاز دارای یک هادی نوترال مشترک هستند. در اصل، چهار سیم (سه فاز و نوترال) از تابلو اصلی خارج و در سطح مدار پخش می‌شود. از لحاظ تئوری، فقط جریان نامتعادل از هادی نوترال باز خواهد گشت. در این حالت یک هادی نوترال برای سه فاز کفایت می‌کند. این نوع سیم‌کشی به سرعت با رشد بارهای غیرخطی تک‌فاز منسوخ شد. مشکل این است که جریان برگشتی در بارهای غیرخطی، مولفه‌ی هارمونیک سوم آن‌ها به صورت جبری با هم جمع می‌شوند و از طریق هادی نوترال باز می‌گردند. علاوه بر این‌، یک مشکل ذاتی در هادی نوترال با سطح مقطع کوچک وجود دارد و آن گرم شدن بیش از حد هادی نوترال است. جریان اضافی هادی نوترال باعث می‌شود که این هادی، ولتاژ بزرگتری نسبت به زمین داشته باشد. پس وقتی‌ که هادی نوترال دارای ولتاژ باشد، بارهای تکفاز با ولتاژ کمتری تغذیه می‌شوند.

7) سرویس کردن و نگهداری ضعیف

به طور معمول، شبکه فشار ضعیف زیاد مورد توجه افرادی که مسئول تعمیر و نگهداری آن هستند، قرار نمی‌گیرد. ضعیف بودن اتصالات هادی نوترال بر پیوستگی آن تأثیر می‌گذارد و ممکن است باعث شناور شدن نول گردد.

چگونه نول شناور در تابلو اصلی را پیدا کنیم؟

اجازه دهید از یک مثال برای درک بهتر نول شناور استفاده کنیم. ما یک ترانسفورماتور داریم که طرف ثانویه آن به صورت ستاره است، ولتاژ فاز به نول برابر 230 ولت و ولتاژ فاز به فاز برابر 400 ولت.

حالت 1: شناور نبودن نول

در حالیکه نقطه نوترال در ترانس به زمین وصل شده است، ولتاژ بین فاز و نول 230 ولت و ولتاژ بین فازها 400 ولت باقی می‌ماند.

حالت 2: شناور بودن نول

همه تجهیزات به برق متصل هستند: اگر هادی نوترال یک مدار بعد از تابلو اصلی قطع شود در صورتی که هادی فاز هنوز به تابلو متصل باشد و تجهیزات زیادی هم به پریز برق وصل باشند، در این شرایط، اگر تستر ولتاژ غیر تماسی را نزدیک هادی نوترال ببریم، نشان خواهد داد که هادی نوترال برقدار است و دارای ولتاژ؛ چون تستر ولتاژ جریان کوچکی را که از طریق فاز وارد مصرف کننده‌ها شده و از مسیر نول بر می‌گردد را تشخیص می‌دهد.

هیچ تجهیزی به برق متصل نباشد: اگر همه وسایل، چراغ‌ها و هر چیز دیگری را که به پریز وصل شده است از برق بکشیم، دیگر تستر ولتاژ هیچ علامتی را نشان نخواهد داد چون هیچ جریانی از طریق تغذیه وسایل الکتریکی به هادی نول وجود ندارد.

  • ولتاژ فاز به فاز: ولتمتر 400 ولت AC را نشان می‌دهد.
  • ولتاژ فاز به نول: ولتمتر 110 ولت تا 330 ولت AC را نشان می‌دهد.
  • ولتاژ نول نسبت به زمین: ولتمتر 110 ولت AC را نشان می‌دهد.
  • ولتاژ فاز نسبت به زمین: ولتمتر 120 ولت AC را نشان می‌دهد.

دلیل مقادیر این ولتاژها این است که هادی نوترال نسبت به پتانسیل زمین شناور است (110V+120V=230VAC). در نتیجه ولتاژ تحویلی به مشترک نسبت به زمین سیستم جدا شده و دارای ولتاژ 230 ولت بین فاز و نول بدون اتصال زمین خواهد بود.

اگر به‌طور ناگهانی هادی نوترال را از نقطه خنثی ترانسفورماتور جدا کنیم اما بارها را همچنان متصل به منبع تغذیه نگه داریم، هادی نوترال در سمت بارها شناور می‌شود و تجهیزاتی که بین هادی فاز و نوترال وصل شده‌اند دارای ولتاژ فاز به فاز خواهند شد( R به S، S به T)، و از آنجایی که این تجهیزات از مصرف یکسانی برخوردار نیستند، در نتیجه نول شناور خواهد شد، به گونه‌ای که ولتاژهای قرار گرفته بر روی تجهیزات مختلف، دیگر برابر 230 ولت نخواهد بود بلکه مقداری بین 0 ولت تا 400 ولت را خواهد داشت. به این معنی که در فازهای متفاوت توزیع، برخی از تجهیزات دارای ولتاژی کمتر از 230 ولت و برخی دیگر دارای ولتاژی نزدیک به 400 ولت خواهند بود؛ که مقدار این ولتاژ بستگی به میزان امپدانس تجهیز موردنظر دارد.

در سیستم نامتعادل، اگر هادی نوترال از منبع تغذیه جدا شود، این هادی تبدیل به نول شناور می‌شود و موقعیت برداری آن به‌گونه‌ای خواهد بود که به فازهای دارای بار بیشتر نزدیکتر می‌شود و از فاز دارای بار کمتر دورتر می‌شود. بیایید فرض کنیم یک سیستم سه‌فاز نامتعادل دارای 3 کیلووات بار بر روی فاز R و 2 کیلووات بار بر روی فاز S و 1 کیلووات بار بر روی فاز T است. اگر هادی نوترال این سیستم از نقطه خنثی سیستم (نقطه نوترال ترانس) جدا شود، موقعیت برداری نول شناور به فاز R نزدیکتر و از فاز T دورتر خواهد شد.

بنابراین، بارهای روی فاز T ولتاژ بیشتری را نسبت به حالت معمول خواهند داشت، درحالی‌که بارهای موجود بر روی فاز R ولتاژ کمتری خواهند داشت و بارهای روی فاز S تقریباً همان ولتاژ معمولی را خواهند داشت. قطع شدن هادی نوترال در یک سیستم نامتعادل برای بارها خطرناک است؛ زیرا قرار گرفتن ولتاژهای بالاتر یا پایین‌تر از حد معمول بر روی برخی از تجهیزات به احتمال زیاد باعث از کار افتادن آن‌ها خواهد شد.

پس شناور شدن نول بر روی بارهای سه‌فاز تأثیر نمی‌گذارد بلکه فقط بارهای تک‌فاز را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

چگونه می توان خطرات نول شناور را از بین برد؟

برای مقابله با خطرات شناور شدن نول باید موارد زیر در نظر گرفته شود:

الف) اجرای همبندی

در صورت قطعی نوترال در هیچ یک از نقاط احتمال رخ‌دادن آن، کلیدهای مینیاتوری و RCD قادر به تشخیص عیب به‌وجود آمده و قطع کردن مدار نیستند. و مقدار ولتاژی که بر روی بدنه تابلو و وسایل الکتریکی می‌افتد می‌تواند خطرات جانی را در پی داشته باشد. که در این صورت تنها راه ممکن جهت جلوگیری از این امر اجرای همبندی مناسب خواهد بود.

ب) استفاده کردن از دستگاه تثبیت‌کننده ولتاژ (Voltage Stabilizer)

هرگاه در سیستم سه‌فاز هادی نوترال قطع شود، بارهای  تک‌فاز متصل به سیستم به علت شناور بودن نول، بین فازها قرار می‌گیرند. از این رو بسته به مقاومت بار بین فازها، ولتاژ بار بین 110 تا 400 ولت تغییر می‌کند. یک دستگاه تثبیت‌کننده ولتاژ که دارای قابلیت قطع ولتاژهای زیاد و کم را داشته باشد، می‌تواند در محافظت از تجهیزات کمک کند.

ج) سرویس کردن و نگهداری مناسب

نگهداری از شبکه فشار ضعیف اهمیت زیادی دارد. برای اطمینان از محکم بودن اتصالات مربوط به هادی نوترال در شبکه فشار ضعیف، مرتبا باید بازرسی و سرویس شود.

نتیجه‌گیری

شناور بودن نول از نظر ایمنی خیلی خطرناک است زیرا وقتی‌که دستگاه کار نمی‌کند و کسی که از شناور شدن نول اطلاع ندارد، با لمس کردن هادی نوترال دچار شوک جدی شود (در صورت عدم اجرای همبندی مناسب). همچنین لوازم خانگی تک‌فاز برای کار در ولتاژ فازی طراحی شده‌اند و اگر ولتاژ خط به خط بر روی آن‌ها قرار گیرد ممکن است آسیب ببینند. پس باید در سریع‌ترین زمان ممکن عامل شناور شدن نوترال شناسایی شده و به درستی اصلاح گردد.