Ноль, нулевая точка, нейтраль играют важнейшую роль в электротехнике. Разобраться в том, что такое нейтраль генератора или трансформатора, не сложно. Но к сожалению, многие знают о нуле поверхностно, а иногда и вовсе не понимают его. Поэтому в данной публикации мы подробно рассмотрим ноль (нейтраль) в электрике с наглядными примерами.
Что такое ноль (нейтраль) — основные определения
Начать стоит с основных определений. Но прежде небольшое уточнение: ноль, нулевая точка, нейтраль, нейтральная точка — это все синонимы в электротехнике.
Согласно определения из ГОСТ 30331.1-2013, нейтраль — это общая часть многофазной системы переменного тока, соединенной звездой, находящаяся под напряжением, или средняя часть однофазной системы переменного тока, находящаяся под напряжением.
В нормативных документах наряду с термином «часть, находящаяся под напряжением» применяют термин «токоведущая часть».
Нейтраль может быть заземлена или изолирована от земли. Соответственно:
- Глухозаземленная нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству. Глухозаземленным может быть также вывод источника однофазного переменного тока или полюс источника постоянного тока в двухпроводных сетях, а также средняя точка в трехпроводных сетях постоянного тока.
- Изолированная нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление приборов сигнализации, измерения, защиты и других аналогичных им устройств.
Ошибки в понимании нуля (нейтрали)
Самая распространенная ошибка в понимании нуля заключается в том, что многие считают, если заземлить какой-либо вывод генератора, можно получить нейтраль. Данный пример больше относится к однофазным генераторам, у которых ноль — это, по сути, середина фазной обмотки. Но заземление к появлению нуля никакого отношения не имеет. Оно, как уже выше отмечалось, может либо быть, либо не быть. Нейтраль может быть заземлена или изолирована от земли.
Единственное, что удалось откопать в гостовской терминологии, — определение нулевого рабочего (нейтрального) проводника (N-проводника). По ГОСТ Р 57190-2016 — это проводник в электроустановках до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников и соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с глухозаземленной точкой источника в сетях постоянного тока. При этом несколькими абзацами выше в том же госте есть другое определение со ссылкой на ГОСТ Р МЭК 60050-826-2009. Нейтральный проводник (neutral conductor) — проводник, присоединенный электрически к нейтральной точке и используемый для распределения электрической энергии. Соответственно нейтральная точка по ГОСТ Р МЭК 60050-826-2009 — это общая точка многофазной системы, соединенной в звезду, или заземленная средняя точка однофазной системы.
Однако, проанализировав эти противоречащие друг другу определения, закрадывается сомнение в правильность утверждения, что нулевой рабочий проводник — это проводник, соединенный с глухозаземленным выводом источника однофазного тока.
Ноль однофазного генератора в программе Multisim
Для лучшего восприятия информации покажем ноль и принцип его работы наглядно с помощью программы Multisim.
В физике нейтральный значит не несущий ни отрицательного, ни положительного заряда. Точка с нулевым потенциалом (ноль) тоже не имеет ни отрицательного, ни положительного заряда. Соответственно, дальнейшее рассмотрение зарождения нуля (нейтрали) и его роли в электротехнике будем производить на уровне потенциалов и движения зарядов в электрической цепи.
Начнем с однофазного генератора. Зададим его основные параметры (напряжение и частоту) в программе и подключим к выводам осциллограф:
Осциллограф нам выдает две одинаковых синусоиды, зеркально отраженные друг от друга. Можно сказать и по-другому: синусоиды одинаковы, но сдвинуты друг относительно друга на половину периода или на 180°. Полученные синусоиды показывают потенциалы на выводах фазной обмотки генератора, которые образуются за счет ЭДС. При вращении обмотки в магнитном поле (или наоборот) электроны периодически смещаются то к одному концу обмотки, то к другому. Такое перераспределение зарядов создает разность потенциалов. И в любой момент времени когда на одном конце обмотки положительный потенциал, на другом точно такой же, только со знаком минус.
Напряжение у нас переменное, соответственно и потенциалы на выводах изменяются непрерывно. За период потенциалы на выводах 2 раза достигают наибольших (амплитудных) значений, но один раз — это положительное, другой раз — отрицательное значение. На осциллографе мы видим амплитудное значение потенциалов (напряжение относительно нуля) на каждом выводе 162 В. Соответственно, действующее напряжение относительно нуля на каждом выводе (делим на корень из двух) 114,5 В.
Теперь перейдем к фазе. Фаза простыми словами — это фазная обмотка генератора. У однофазного генератора только одна фаза и два вывода — начало фазной обмотки и конец. Напряжение фазы генератора — это разность потенциалов между выводами. И чтобы получить синусоиду напряжения нужно от синусоиды потенциалов одного вывода отнять синусоиду потенциалов другого вывода. Естественно каждое мгновенное значение на графике мы просчитывать не будем (за нас это сделает программа). Нам достаточно всего лишь рассчитать амплитуду напряжения на фазе. Для этого от амплитудного значения потенциалов одного вывода отнимем амплитудное значение потенциалов другого вывода в тот же момент времени. Получаем +162-(-162) = 324 В. Соответственно, действующее напряжение фазы 324/√2 = 229 В. В программе Multisim мы видим такие же значения:
С потенциалами на выводах и фазой однофазного генератора разобрались. Теперь вернемся к нулю. Нейтраль — это средняя часть однофазной системы переменного тока, находящаяся под напряжением. Где же эта средняя часть? В середине обмотки генератора? Мы же не будем разбирать генератор, чтобы до нее добраться. Поэтому покажем ее с помощью трансформатора:
Как видно, на средней части однофазной системы переменного тока потенциал всегда ноль вольт. И мы пришли к нему без всяких заземлений. Как этот ноль здесь образуется? Когда в определенный момент времени электроны смещаются к одному из выводов генератора (трансформатора), на концах фазы образуется разность потенциалов. На одном конце потенциал со знаком плюс, на другом — точно такой же по величине потенциал, только со знаком минус. Между концами обмотки образуется электрическое поле, и за счет этого поля потенциалы на всей обмотке плавно изменяются от положительного к отрицательному с нулем в середине. И несмотря на то, что потенциалы на выводах постоянно меняются, в середине обмотки всегда будет ноль вольт.
В ГОСТ Р МЭК 60050-826-2009 имеется следующее определение: средняя точка — это общая точка между двумя элементами симметричной цепи, противоположные концы которой электрически присоединены к различным линейным проводникам той же цепи. Покажем это в программе:
По сути, мы сделали делитель напряжения, и в середине цепи (между двумя подключенными лампочками) у нас средняя точка (точка с нулевым потенциалом). Если бы к генератору была бы подключена одна лампочка, то в данной цепи было бы все равно две средних точки с нулевым потенциалом: в середине обмотки генератора и в середине спирали лампочки.
Завершая рассмотрение нуля в цепи с однофазным генератором, кратко затронем вопрос подключения фазозависимого газового котла (об этом в последующем будет отдельная публикация). Почему-то все пытаются найти ноль в генераторе. А ноль, как упоминалось выше, в середине фазной обмотки, и доступа к нему нет. Да он и не нужен в такой системе. Но все зациклились на нуле, не понимая его природы и истинного предназначения, и считают, что, заземлив один из выводов генератора, получат его. Покажем это в программе:
Как видим, заземленный вывод имеет нулевой потенциал. Но как этот нулевой потенциал появился? Как условность и точка отсчета? В любом случае электроны как перераспределялись в обмотке генератора, так и продолжают это делать. Ток как протекал по цепи от одного вывода к другому и обратно, так и продолжил это делать. Не изменилось ровным счетом ничего. Просто появился один заземленный вывод, но он не ноль. А проводник, соединяющий заземленный вывод с нагрузкой, по ГОСТ Р 57190-2016 — это нулевой рабочий (нейтральный) проводник (N-проводник). Конечно, есть противоречия, но условно для обозначения проводников в цепи вполне можно воспользоваться таким определением.
Вернемся к газовому котлу, который почему-то без нуля не запускается. На самом деле ему ни ноль, ни нулевой проводник не нужен. Он не запускается из-за встроенной схемы обнаружения пламени (схемы ионизации). Ионизация происходит между корпусом аппарата и электродом ионизации. На электрод условно подается потенциал от любого вывода генератора. И эта цепь должна через корпус замкнуться. То есть на корпусе должен быть потенциал второго вывода генератора. Поэтому, чтобы заработал котел от генератора, цепь вывод генератора-электрод-корпус-второй вывод генератора замыкается через землю. Можно обойтись и вовсе без заземления — своего рода занулением через резистор.
Ноль в трехфазной электрической цепи
Теперь рассмотрим ноль в трехфазной электрической цепи. Именно здесь он играет важнейшую роль. Покажем в программе схематически трехфазный генератор, концы обмоток которого соединены «звездой», а сами обмотки смещены друг относительно друга на 120°:
Как видим, нейтраль (это общая часть многофазной системы переменного тока, соединенной звездой) имеет нулевой потенциал. Чтобы понять, как этот ноль образовался, нужно проанализировать потенциалы на концах фазных обмоток:
Соединяя концы фазных обмоток, мы складываем их потенциалы в этой точке. И в любой момент времени эта сумма равна нулю. Достигается это путем смещения фазных обмоток друг относительно друга на 120°. Так мы получили ноль — нейтральную точку с нулевым потенциалом. У нас остались еще три точки — начала фазных обмоток. Путем все того же сложения потенциалов получаем на выводах удвоенный потенциал. При этом на уровне перераспределения зарядов ничего не изменяется. Просто мы три вывода объединяем в общую точку — ноль, а на оставшихся выводах, не изменяя напряжения, удваиваем потенциал.
Что же нам дает этот ноль в трехфазной системе? Упрощение — по сути, мы избавляемся от трех проводников. Подключим к генератору три нагрузки и наглядно увидим это:
Как видно, полученная цепь работает с использованием всего трех линейных проводников, соединяющих начала фазных обмоток генератора и потребителя. Точки, в которых соединены концы фазных обмоток генератора и потребителя, называются нулевыми точками генератора и потребителя. Приведенная выше схема будет нормально работать только при условии равенства мощности (симметрии) трех нагрузок (в данном случае лампочек). Мощность нагрузки напрямую связана с сопротивлением. Соответственно, как только сопротивления нагрузок не равны друг с другом, баланс в цепи пропадает. Покажем это наглядно:
Лампочки мы заменили вольтметрами. Сверху каждый вольтметр (нагрузка) имеет сопротивление 10 Ом. Нагрузка симметричная. Баланс соблюден, и на каждой нагрузке напряжение 230 В. Как только мы изменили сопротивление одной нагрузки с 10 до 20 Ом, баланс пропал, и получился перекос фаз. Теперь представьте, что все эти нагрузки — это нагрузки, которые включены в розетку у каждого в доме. Естественно, соблюсти идеальной симметрии в таком случае не получится. И здесь приходит на помощь нулевой или нейтральный провод. Но прежде чем внесем в схему этот провод, разберемся с природой перекоса фаз при несимметричной нагрузке.
Возьмем определенный момент времени (мгновение). В это мгновение на выводе одной фазы условно потенциал +X вольт, на двух других по -X/2 вольт (суммарно два оставшихся вывода дадут -X вольт). По сути, три однофазных генератора своего рода сливаются в один, а три нагрузки становятся делителем напряжения. Когда электроны от одного вывода генератора с потенциалом +X вольт по цепи движутся к двум оставшимся выводам с суммарным потенциалом -X вольт, они как бы проходят через ворота (барьер от сопротивления нагрузок). Когда сопротивления всех нагрузок одинаковы, электроны в полном объеме входят в одну нагрузку, беспрепятственно выходят и также через другие нагрузки возвращаются в генератор к потенциалам -X/2 вольта (суммарно -X вольт). А теперь представьте, проем одних ворот сузился (мы увеличили сопротивление нагрузки). В этом случае уже все электроны не могут беспрепятственно двигаться от одного вывода к двум оставшимся. Теперь, двигаясь от потенциала +X вольт, электроны проходят первый барьер (положительный потенциал проталкивает заряды через нагрузку 10 Ом), но в тот же момент отрицательный потенциал -X вольт от двух оставшихся выводов не успевает втянуть в себя все заряды, вышедшие через первую нагрузку. И в нулевых точках происходит скопление зарядов, не успевших пройти полный путь. На нулевых точках образуется потенциал, что приводит к перекосу фаз. Небольшое уточнение: электроны в цепи практически не двигаются (они перемещаются на доли миллиметров), поэтому, говоря о их движении от одного потенциала к другому, подразумевается не полный путь, а тот путь, который при своей скорости могут пройти. Также электроны движутся от минуса к плюсу. Но принято считать наоборот.
Добавив в схему с несимметричным приемником нулевой провод с незначительным сопротивлением, мы убираем перекос фаз. Те электроны, которые не успевали пройти через нагрузку с увеличенным сопротивлением, беспрепятственно возвращаются в свою обмотку генератора по нулевому проводу. Фазные напряжения приемника не искажаются и остаются симметричными, равными фазным напряжениям источника:
Теперь добавим в схему амперметры:
Как видно ток 23 А условно прошел через нагрузку 10 Ом, затем беспрепятственно прошел такую же нагрузку 10 Ом, а на нагрузке с большим сопротивлением разделился. Та часть, которая успевала, пошла через нагрузку 20 Ом, оставшаяся — по нулевому проводу.
Завершая данный обзор, следует отметить следующее. Ток в трехфазной цепи циркулирует в большинстве своем между фазами по линейным проводам. И лишь некоторая часть тока (зависит от различных факторов) возвращается в генератор или трансформатор по нулевому проводу. А если нагрузка симметричная, то по нулевому проводу и вовсе не протекает ток. Тот ноль, который у каждого в домашних розетках, соединяется со всеми фазами потребителей в нулевой точке. Дальше от этой нулевой точки идет к нейтрали генератора нулевой (нейтральный) провод. К чему все это. Многие считают, что ток циркулирует между фазой и нулем. На самом деле в трехфазной электрической цепи, как, впрочем, и в однофазной, ток циркулирует между фазами (фазными выводами). А ноль лишь корректирует несимметрию.