Kẹp ampe kìm lần lượt vào ba dây pha trong tủ điện: 10 A, 10 A, 10 A. Kẹp tiếp sợi thứ tư chạy ngay bên cạnh — dây trung tính — và kim đứng yên ở 0. Ba mươi ampe vừa đi đâu, mà sợi dây kia lấy quyền gì để được nghỉ?
Ba vector khép kín thành tam giác đều
Ba dòng ấy không lớn cùng lúc. Lưới ba pha cấp ba điện áp lệch nhau 120° về thời gian: pha B trễ pha A một phần ba chu kỳ (6,67 ms ở 50 Hz), pha C trễ thêm một phần ba nữa. Nhìn panel trên của demo, lúc dòng A lên đỉnh thì B và C đều đang âm, mỗi cái đúng một nửa đỉnh của A — cộng lại bằng 0. Không phải trung bình bằng 0, mà bằng 0 ở từng khoảnh khắc, suốt cả chu kỳ.
Panel dưới nói gọn hơn. Ba dòng là ba vector chĩa ra ba hướng cách nhau 120°; nối đuôi nhau, chúng khép thành tam giác đều và điểm cuối rơi đúng về gốc. Dây trung tính chỉ phải mang đoạn hở giữa gốc và điểm cuối; tam giác khép kín thì đoạn hở không tồn tại.
Đoạn hở ấy tính bằng định lý cosin:
I_N = √(I_A² + I_B² + I_C² − I_A·I_B − I_B·I_C − I_C·I_A)và viết lại được thành một dạng nói thẳng hơn:
I_N = √( ½·[ (I_A−I_B)² + (I_B−I_C)² + (I_C−I_A)² ] )Dây trung tính không quan tâm ba dòng lớn bao nhiêu, chỉ quan tâm chúng khác nhau bao nhiêu.
Lệch một ampe, trung tính gánh 1,73
Kéo thanh trượt cho lệch nhẹ — 9, 10, 11 A, mức lệch mà tủ điện nào cũng có — và dây trung tính lập tức mang 1,73 A. Không phải 1 A như trực giác mách, mà √3 lần độ lệch, vì ba vector giờ hở ra theo phương xiên chứ không cùng phương. Lệch gấp đôi, 8–10–12, cho 3,46 A.
Đầu kia của thang mới đáng nhìn: mất hẳn một pha. Cầu chì pha C đứt, còn 10–10–0, và dây trung tính vọt lên 10 A tròn — bằng nguyên một dây pha. Đó là trần của công thức, và trần ấy rất chặt: quét khắp không gian ba dòng, I_N không bao giờ vượt dòng pha lớn nhất. Nhớ lấy câu đó — lát nữa nó bị phá.
Vì sao lưới điện đi bốn dây thay vì sáu
Con số 0 kia là lý do kinh tế của cả ngành điện. Ba mạch một pha riêng lẻ cần sáu sợi dây: ba dây nóng, ba dây nguội, mỗi dây nguội cõng đủ dòng quay về điểm sao của máy biến áp. Gộp lại cho lệch 120°, ba đường về tự triệt tiêu và bạn chỉ còn bốn sợi, sợi thứ tư gần như rỗng — bớt một phần ba khối đồng cho cùng lượng điện.
Phần thưởng thứ hai đắt hơn. Với 10 A mỗi dây ở lưới 380 V, hệ ba pha chuyển 6,58 kW; chuyển từng ấy công suất qua một mạch 220 V cần 29,9 A — gấp ba dòng, mà tổn hao I²R thì đi theo bình phương: gần 6 lần nhiệt vứt dọc đường với cùng tiết diện dây. Còn món quà chỉ động cơ mới hưởng: công suất tức thời của tải ba pha cân bằng là hằng số phẳng lì, trong khi mạch một pha đập từ 0 lên gấp đôi công suất trung bình 100 lần mỗi giây — máy nén và thang máy quay êm vì thế.
Trường hợp biên: đèn LED phá trần của công thức
Cả công thức trên đứng trên một giả định: dòng hình sin. Đèn LED, sạc điện thoại và máy tính thì không — chúng hút dòng thành từng nhát nhọn quanh đỉnh sóng, và trong đám hài sinh ra, hài bậc ba là kẻ phá luật. Hài bậc ba của ba pha lệch nhau 3 × 120° = 360°, tức đồng pha hoàn toàn: chúng không triệt tiêu trong dây trung tính mà cộng dồn gấp ba.
Cái trần vừa nói sập ngay tại đó. Dòng pha chứa 70,7% hài bậc ba thì trung tính mang đúng 1,73 lần dòng pha — ba dây pha 10 A, dây trung tính 17,3 A. Tải méo tới mức thuần hài bậc ba thì tỉ số chạm 3 lần. Trong khi lối đi dây cũ lại cho phép dây trung tính nhỏ hơn dây pha, vì “nó có tải bao giờ đâu”: sợi bé nhất trong ống hoá ra nóng nhất, và nó không có aptomat riêng để nhảy — đúng kiểu chỗ tiếp xúc lỏng âm thầm nướng ổ cắm.
Kiểu hỏng tệ hơn cháy dây là đứt dây trung tính giữa lúc tải đang lệch. Mất điểm trung tính, hai pha có tải thành ra mắc nối tiếp nhau ngang 380 V dây–dây, rồi chia áp theo điện trở. Một dãy đèn 100 W nối tiếp một bếp điện 2 000 W: dãy đèn — kẻ nhẹ tải — lãnh 362 V thay cho 220 V, ăn 271 W, gấp 2,7 lần định mức, và nổ trong vài giây. Sợi dây “không tải” ấy hoá ra là thứ duy nhất giữ cho 220 V của bạn đúng là 220 V; phần lớn người dùng điện chỉ biết nó tồn tại vào đúng cái đêm nó đứt.