3.11. З’єднання споживачів трифазного струму "зіркою" з нейтральним  провідником

Для усунення недоліків трипровідної трифазної системи при з’єднанні "зіркою" М.О. Доливо-Добровольський в 1891 році запропонував чотирипровідну трифазну електричну схему, тобто систему трифазного струму з нейтральним провідником. Порядок з’єднання споживачів трифазного струму "зіркою" з нейтральним провідником приведений на рис. 3.48. 

Рис. 3.48 – З’єднання споживачів трифазного струму "зіркою" з нейтральним провідником

Нейтральний провідник з боку генератора може бути заземленим або ізольованим від землі. 

Наявність нейтрального провідника, що з’єднує нейтральні точки обмоток генератора і споживача, призводить до того, що фазні напруги на навантаженні стабілізуються, тобто вони не змінюються з появою несиметричності в навантаженні фаз. Незалежно від симетричності або несиметричності навантаження, маємо такі співвідношення: Ua = Ub = Uc . Співвідношення  в такій системі виконується будь-коли.

Розглянемо окремо випадки симетричного та несиметричного навантажень споживачів трифазного струму.

Симетричне навантаження. Навантаження буде симетричним у випадку, коли в кожну фазу включено навантаження з однаковими опорами (формула (3.82)). У цьому випадку будуть виконуватися співвідношення (3.83) та (3.84), тобто геометрична сума сил фазних струмів дає замкнутий векторний трикутник і рівнодіючий вектор (вектор сили струму в нейтральному провіднику) дорівнює нулю. Таким чином, при симетричному навантаженні нейтральний провідник не потрібний. Топографічна діаграма для симетричного активного навантаження при з’єднанні споживачів трифазного струму "зіркою" з нейтральним провідником ідентична топографічній діаграмі, зображеній на рис. 3.46. 

Несиметричне навантаження. Навантаження буде несиметричним у випадку, коли у фази включено навантаження з різними опорами (формула (3.85)).  У цьому випадку сили струмів у кожній фазі навантаження будуть різними (формула (3.86)). Сила струму у нейтральному провіднику, відповідно до 1-го закону Кірхгофа, дорівнює геометричній сумі сил фазних струмів, що сходяться в нейтральній точці навантаження:

,                                                      (3.88)

та не буде дорівнювати нулю.

Топографічна діаграма для несиметричного активного навантаження при з’єднанні споживачів трифазного струму "зіркою" з нейтральним провідником зображена на рис. 3.49.

Сила струму в нейтральному провіднику IN залежить від ступеня несиметричності навантаження. Найбільшим струм у нейтральному провіднику буде тоді, коли в одній з фаз навантаження відсутнє, а інші фази – навантажені (наприклад, при Ia = Ib та Ic = 0, сила струму у нейтральному провіднику визначається за формулою ). За відсутності навантаження у двох фазах струми в лінійному (фазному) провіднику навантаженої фази та нейтральному провіднику будуть однаковими.

Топографічна діаграма для трифазного несиметричного активного навантаження за відсутності навантаження фази С при з’єднанні споживачів трифазного струму "зіркою" з нейтральним провідником приведена на рис. 3.50. 

Несиметричне навантаження на практиці частіше усього зустрічається в освітлювальних мережах

Призначення нейтрального провідника з точки зору підтримання пожежної безпеки. Сила струму у нейтральному провіднику залежить від ступеня несиметричності навантаження фаз та досягає максимального значення за відсутності навантаження в одній з фаз (або у двох фазах).

У випадку обриву нейтрального провідника при несиметричному навантаженні фаз у колі навантаження з’являється асиметрія (рис. 3.47), тобто напруги на фазах споживача будуть неоднаковими, і нейтральна точка споживача відносно землі буде мати деякий потенціал. З метою запобігання цьому явищу, в нейтральному провіднику не встановлюють апарати захисту (плавкі запобіжники й автоматичні вимикачі).