W obwodach trójfazowych przyzwyczailiśmy się do myśli, że przewód neutralny „odpoczywa”. Przy obciążeniu symetrycznym i liniowym prądy fazowe znoszą się w punkcie neutralnym i przez N płynie niewiele. Stąd pokusa, żeby w kablach o większych przekrojach dać N mniejszy od faz.
Problem zaczyna się tam, gdzie obciążenie nie jest liniowe: zasilacze impulsowe, oświetlenie LED i świetlówkowe, prostowniki, UPS-y, układy energoelektroniczne. Wtedy przez N może płynąć prąd porównywalny z prądem fazowym, a nawet większy.
W tym wpisie omawiam:
- od czego zależy przekrój N w poszczególnych układach sieci (TN-S, TT, TN-C, IT),
- dlaczego harmoniczne rzędu 3 sumują się w przewodzie neutralnym,
- jak stosować współczynniki zmniejszające z PN-HD 60364-5-52 – na trzech przykładach liczbowych.
1. Przekrój N a układ sieci
Układy TN-S i TT
Wymagania dotyczące przekroju przewodu neutralnego podaje PN-HD 60364-5-52:2011, z uwzględnieniem opublikowanych zmian i poprawek (m.in. A12:2023-04 i A1:2025-11).
Obwody jednofazowe dwuprzewodowe oraz obwody wielofazowe o przekroju przewodów fazowych do 16 mm² Cu lub 25 mm² Al – przewodu neutralnego nie należy zmniejszać względem przewodów fazowych. N ma przekrój co najmniej równy fazie. Obciążenie harmonicznymi może wymagać zwiększenia przekroju N albo doboru całego kabla na większy prąd.
Obwody wielofazowe o przekroju fazy powyżej 16 mm² Cu lub 25 mm² Al – N może mieć przekrój mniejszy od fazy, ale tylko po sprawdzeniu:
- Prądu spodziewanego w N w normalnej pracy – nie może przekraczać obciążalności długotrwałej Iz przewodu neutralnego. Tu trzeba osobno ocenić udział harmonicznych rzędu 3 i ich wielokrotności (o tym niżej).
- Ochrony przewodu N – ochrona przed prądem przetężeniowym zgodnie z PN-HD 60364-4-43:2024-04, pkt 431.2 – z uwzględnieniem wymagań dotyczących przeciążenia i zwarcia. Wydanie 2024 dla N o przekroju mniejszym od faz przewiduje wykrywanie przeciążenia N, które powoduje odłączenie przewodów fazowych.
- Minimalnego przekroju N – co najmniej 16 mm² Cu lub 25 mm² Al.
W praktyce punkt 1 najczęściej „wywraca” zmniejszenie przekroju N. Przy dzisiejszym udziale odbiorników elektronicznych zmniejszony przewód neutralny ma uzasadnienie głównie w obwodach z przewagą odbiorów liniowych, np. silników zasilanych bezpośrednio z sieci.
Układ TN-C
Przewód PEN pełni jednocześnie funkcję przewodu neutralnego i ochronnego, więc jego dobór trzeba sprawdzić dwa razy:
- jako przewód neutralny – według zasad opisanych wyżej (prąd w normalnej pracy, harmoniczne),
- jako przewód ochronny – według wymagań PN-HD 60364-5-54:2011 wraz ze zmianami (A11:2017-11, A1:2023-04 – ta ostatnia modyfikuje rozdział 543 o przewodach ochronnych).
Wymagania dotyczące ochrony przewodu N stosuje się do PEN z jednym wyjątkiem: przewodu PEN nie wolno rozłączać w żadnych warunkach. Przerwanie PEN oznacza utratę ochrony przy uszkodzeniu.
Układ IT
W sieci IT zaleca się nie prowadzić przewodu neutralnego – preferowany jest układ trójfazowy trójprzewodowy. Jeżeli N jest niezbędny (np. do zasilania odbiorów 230 V), zasady doboru przekroju są te same co dla TN-S i TT. Same przekroje nie wyczerpują jednak tematu: PN-HD 60364-4-43 stawia dla N w sieci IT dodatkowe wymagania ochrony.
2. Dlaczego harmoniczne rzędu 3 sumują się w przewodzie N
Odbiorniki nieliniowe pobierają prąd odkształcony. W sieci niskiego napięcia z dużą liczbą zasilaczy jednofazowych dominuje zwykle 3. harmoniczna.
Mechanizm widać na rysunku poniżej:
- składowe podstawowe (50 Hz) trzech faz są przesunięte względem siebie o 120°, więc przy symetrii ich suma w punkcie neutralnym jest równa zero,
- dla harmonicznej rzędu h przesunięcie między fazami wynosi h · 120°. Dla 3. harmonicznej to 3 · 120° = 360°, dla 9. – 9 · 120° = 1080°. W obu przypadkach harmoniczne trzech faz są ze sobą w fazie, więc w przewodzie N dodają się arytmetycznie, zamiast się znosić.
Co znaczy „procent 3. harmonicznej”
Tu łatwo o błąd. W tym wpisie udział 3. harmonicznej oznacza:
p3 = I3Ifaz,RMS
czyli wartość skuteczną 3. harmonicznej odniesioną do całkowitej wartości skutecznej prądu fazowego. To nie jest THDi. To też nie musi być wartość, którą pokazuje analizator – wiele analizatorów podaje harmoniczne w procentach składowej podstawowej I1. Przed podstawieniem wyniku pomiaru do obliczeń sprawdź, do czego analizator odnosi procent.
Przy symetrycznym obciążeniu i dominującej 3. harmonicznej:
IN ≈ 3 · I3 = 3 · p3 · Ifaz,RMS
Jeżeli p3 wynosi 33%, prąd w N jest już mniej więcej równy prądowi fazowemu. Na wykresie poniżej pokazano, jak rośnie stosunek prądu w N do prądu fazowego w funkcji udziału 3. harmonicznej.
3. Współczynniki zmniejszające dla kabli 4- i 5-żyłowych
Metodę stosujemy do obciążalności tablicowej wyznaczonej dla trzech żył obciążonych. Uwzględnia ona dodatkowe nagrzewanie przez prąd harmonicznych płynący w czwartej żyle – neutralnej. Ciepło z żyły N podnosi temperaturę żył fazowych, więc obciążalność kabla trzeba zmniejszyć.
Wartości współczynników podaje załącznik E normy PN-HD 60364-5-52 (tablica E.52.1):
| Udział 3. harmonicznej w prądzie fazowym (p3) | Dobór wg prądu fazowego | Dobór wg prądu w N |
|---|---|---|
| 0–15% | 1,0 | – |
| 15–33% | 0,86 | – |
| 33–45% | – | 0,86 |
| > 45% | – | 1,0* |
* Gdy prąd w N przekracza ok. 135% prądu fazowego, a przekrój dobrano na prąd w N, żyły fazowe nie są w pełni obciążone. Mniejsza ilość ciepła wydzielana w fazach kompensuje ciepło z żyły N i współczynnik zmniejszający nie jest potrzebny.
Jak czytać tablicę:
- do 33% – przekrój dobierasz na prąd fazowy, ewentualnie z korektą 0,86,
- powyżej 33% – prąd w N jest większy od prądu fazowego, więc przekrój dobierasz na prąd w przewodzie neutralnym.
Zabezpieczenia i ich nastawy trzeba skoordynować z obciążalnością przewodów fazowych i neutralnego. Gdy konieczne jest wykrywanie przeciążenia N, jego zadziałanie powinno powodować odłączenie przewodów fazowych. Samo zwiększenie nastawy zabezpieczenia fazowego nie zapewnia prawidłowej ochrony kabla.
Na rynku są wyłączniki z wyzwalaczami mierzącymi osobno prąd w N, które pozwalają zastosować N o większym przekroju niż fazy. Taki układ o nierównych przekrojach wymaga jednak osobnego sprawdzenia obciążalności i nastaw – aparat nie usuwa nagrzewania żył.
4. Przykład liczbowy – trzy poziomy 3. harmonicznej
Dane: obwód trójfazowy, prąd obliczeniowy IB = 37 A, kabel wielożyłowy Cu w izolacji PVC mocowany do ściany (sposób instalowania C), temperatura żyły 70°C, temperatura powietrza 30°C, bez innych współczynników poprawkowych.
Obciążalność tablicowa dla trzech żył obciążonych (PN-HD 60364-5-52, tablica B.52.4):
| Przekrój | Obciążalność tablicowa |
|---|---|
| 6 mm² | 41 A |
| 10 mm² | 57 A |
| 16 mm² | 76 A |
Bez harmonicznych 6 mm² (41 A) wystarcza.
Wariant A: p3 = 20%
Zakres 15–33% → dobór wg prądu fazowego, współczynnik 0,86:
I′ = 37 A0,86 ≈ 43 A
6 mm² (41 A) już nie wystarcza → 10 mm² (57 A).
Wariant B: p3 = 40%
Zakres 33–45% → dobór wg prądu w N:
IN = 3 · 0,4 · 37 A = 44,4 A
I′ = 44,4 A0,86 ≈ 51,6 A
Dobór: 10 mm² (57 A).
Wariant C: p3 = 50%
Powyżej 45% → dobór wg prądu w N, współczynnik 1,0:
IN = 3 · 0,5 · 37 A = 55,5 A
Dobór: 10 mm² (57 A) – z zapasem zaledwie 1,5 A. Każdy dodatkowy współczynnik (wyższa temperatura otoczenia, grupowanie kabli) przesunie dobór na 16 mm².
Wniosek z trzech wariantów: ten sam odbiór 37 A, a o przekroju kabla decyduje najpierw prąd fazowy, potem prąd w N. Wynik zależy od konkretnej tablicy obciążalności i warunków ułożenia – nie tylko od udziału 3. harmonicznej. Ostateczny dobór wymaga jeszcze sprawdzenia rzeczywistych warunków instalacji i zabezpieczeń.
Podsumowanie
- Obwody 1f dwuprzewodowe i obwody do 16 mm² Cu / 25 mm² Al: N co najmniej jak faza.
- Zmniejszony N w obwodach wielofazowych wymaga sprawdzenia prądu w N, harmonicznych i ochrony N przed przeciążeniem oraz zwarciem.
- PEN w TN-C sprawdzasz jako N i jako PE – i nigdy go nie rozłączasz. W IT najlepiej nie prowadzić N.
- Powyżej 33% 3. harmonicznej o doborze kabla decyduje prąd w N, mimo symetrycznego obciążenia faz. Najpierw upewnij się, czy procent z analizatora odnosi się do I1, czy do IRMS.
Normy przywołane w tekście:
- PN-HD 60364-4-43:2024-04 – Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 4-43: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed prądem przetężeniowym
- PN-HD 60364-5-52:2011 (wraz ze zmianami, m.in. A12:2023-04 i A1:2025-11) – Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego – Oprzewodowanie
- PN-HD 60364-5-54:2011 (wraz ze zmianami A11:2017-11 i A1:2023-04) – Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego – Układy uziemiające i przewody ochronne