Messbereichserweiterung von DC-Energiezählern
Einführung
Die Zahl der Gleichstromanwendungen hat in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Neben Ladestationen für Elektroautos und Photovoltaikanlagen werden zunehmend auch leistungsstarke Batteriesysteme in die Versorgungsnetze integriert. In vielen Fällen muss die Energie auf der Gleichstromseite der Systeme abgerechnet werden. MID-zertifizierte Gleichstromzähler sind noch nicht verfügbar. Es gibt nur nationale Zulassungen von den meist nationalen Zertifizierungsstellen für eine kleine Anzahl von Produkten. Die zuständigen Organisationen haben noch nicht mitgeteilt, wann eine international gültige MID-Zertifizierung für DC-Energiezähler zur Verfügung stehen wird. Bislang gibt es nur nationale Lösungen. Es gibt keine Planungssicherheit für die Hersteller, wie es bei AC-Energiezählern der Fall ist.
Die neueste DC-Energiezählertechnologie
Gleichstromzähler, die von den nationalen Aufsichtsbehörden für die Energieabrechnung in den jeweiligen Ländern zugelassen wurden, sind bereits auf dem Markt erhältlich. Es gibt eine nationale Bauartzulassung. Die Geräte können oft Gleichströme von bis zu 1000 A direkt über Shunt-Module verarbeiten. In den meisten Fällen wird ein Manganin-Messwiderstand im zweistelligen µΩ-Bereich verwendet. Diese Art der Strommessung ist kostengünstig und bereits eine bewährte Methode. Die Spannung wird mit einem einfachen Spannungsteiler gemessen.
Wichtige Normen und Parameter
Die IEC-Norm 62053-41:2021 für DC-Energiezähler ist seit Juni 2021 verfügbar. Sie gilt für zweipolige Gleichstromkreise bis zu 1500 V.
Die folgenden Parameter, die auch in der internationalen Norm für AC-Energiezähler IEC 62052- 11 definiert sind, sind wichtig zu verstehen.
Anlaufstrom (IST) bedeutet, dass ab diesem Stromwert die gemessenen Stromwerte in die Leistungsberechnung einbezogen werden müssen. Allerdings können auch Ströme, die niedriger als der Anlaufstrom sind, in die Leistungsberechnung einbezogen werden. Für die beiden in IEC 62053-41 spezifizierten Genauigkeitsklassen 0,5 und 1 ist der Anlaufstrom auf 0,4 Prozent des Nennstroms (In) festgelegt.
Die im Datenblatt angegebene Genauigkeitsklasse gilt erst ab dem Mindeststrom (Imin). Der Wert von 0,5 Prozent des Nennstroms (In) gilt für beide Genauigkeitsklassen. Für Ströme unterhalb des Mindeststroms sind in der Norm keine Genauigkeitswerte definiert. Es können jedoch Vereinbarungen zwischen dem Hersteller und dem Endkunden getroffen werden.
Es muss auch ein maximaler Strom (Imax) definiert werden. Bis zu diesem Strom arbeitet das Messgerät mit der angegebenen Genauigkeitsklasse und wird auch dann nicht beschädigt, wenn der maximale Strom kontinuierlich anliegt.
Die Klassen für direkt messende Gleichstromzähler werden wie in der folgenden Abbildung gezeigt definiert. Der Nennstrom (In) ist mit 100 A angegeben.
Im obigen Beispielwird ein maximaler Strom vonImax = 10 xIn angenommen, so dass ein Strom von bis zu 1000 A kontinuierlich gemessen werden kann. In vielen direkt messenden Messgeräten werden Shunts im zweistelligen µΩ-Bereich aus Manganin verwendet. Die Leistungsverluste der Mess-Shunts bleiben in einem akzeptablen Bereich bis zu 1 kA. Zusätzlich zu den physikalischen und messtechnischen Grenzwerten definiert die Norm einen Höchstwert für die im Strompfad auftretende Verlustleistung. Der zulässige Grenzwert beträgt 120 mW/A xImax. Für den oben erwähnten Maximalstrom von 1000 A ergibt sich daraus eine maximal zulässige Verlustleistung von 120 W beiImax. Die Verlustleistungen bis 4000 A für drei realistische Widerstandswerte zusätzlich zu dem definierten Maximalwert sind im folgenden Diagramm dargestellt.
Wenn in der Praxis Gleichströme größer als 1 kA gemessen werden müssen, ist es ratsam, Gleichstromsensoren mit galvanischer Trennung vom Primärkreis zu verwenden. Selbst wenn kleine ohmsche Widerstände mit sehr niedrigen Widerstandswerten gewählt werden, liegen die Messsignale im Mikrovoltbereich nahe der Rauschgrenze. Es ist definitiv eine technische Herausforderung, eine Messung ohne Störungen durchzuführen, da der Messpunkt sehr nahe an einem MW-Schaltwandler liegt.
Die Frage, ob für diese Gleichstromsensoren internationale Normen eingehalten werden müssen, um eine Zulassung durch die nationalen Aufsichtsbehörden zu erhalten, wird im Folgenden analysiert.
Fehlende Norm für Gleichstromtransformatoren für Niederspannungsanwendungen
Die neueste Norm für DC-Energiezähler geht nicht auf Stromsensoren für eine mögliche Erweiterung des Messbereichs ein. Für AC-Anwendungen werden fast ausnahmslos konventionelle Stromwandler nach IEC 61869-2 verwendet, die speziell für Abrechnungszwecke zugelassen sein müssen. Es stellt sich die Frage, ob auch für DC-Stromwandler eine Produktnorm geschaffen wurde. In einer aktuellen Übersicht über die IEC 61869-Serie finden wir die Produktnorm 61869-14.
Diese befasst sich ausdrücklich mit Stromwandlern für Gleichstromanwendungen. Die Norm gilt jedoch nur für Hochspannungsanwendungen über 1,5 kV Netzgleichspannung und ist in erster Linie für den HGÜ-Sektor gedacht.
Die 61869-8, die derzeit in Arbeit ist, könnte hier Abhilfe schaffen. Aber auch hier wird der hilfesuchende Ingenieur bitter enttäuscht sein. Der Geltungsbereich erstreckt sich nur auf Stromsensoren im Frequenzbereich von 15 bis 100 Hz. Außerdem soll die Norm nur für Hochspannungsanwendungen > 1000 V AC gelten. Um diesen Ansatz der Normung zu verstehen, müssen wir in die Jahre 2015 und 2016 zurückgehen. In dieser Zeit sollte innerhalb der bestehenden IEC 61869-Familie ein Normungsteil ausschließlich für Niederspannungsanwendungen entwickelt werden. Der erste Meilenstein sollte die "IEC 61869-201: Allgemeine Anforderungen an Messwandler für Niederspannungsanwendungen". Die erste Veröffentlichung war für Juni 2019 geplant. Das neue Veröffentlichungsdatum auf der IEC-Website ist nun der 31. März 2025.1 Allerdings scheint auch dieses Datum unrealistisch zu sein. Der Koordinator der Arbeitsgruppe WG49 ist im Jahr 2021 zurückgetreten. Ein neuer Koordinator ist noch nicht gefunden worden. Die Aktivitäten sind derzeit auf Eis gelegt. Aus diesen Gründen ist es notwendig, unabhängige Überlegungen zu den Grenzparametern für Gleichstromsensoren anzustellen.
Um eine für die nationalen Aufsichtsbehörden akzeptable Gesamtlösung für die Erweiterung des Messbereichs für Gleichstrom-Energiezähler zu schaffen, sollten die folgenden Randbedingungen umgesetzt werden.
- Die Summe der Messfehler des Stromsensors und der Messeinheit sollte innerhalb der Genauigkeitsspezifikation des direkt messenden Messgeräts liegen.
- Der Energieverbrauch des Sensors sollte der Spezifikation von 120 mW/A xImax entsprechen.
- Der Stromsensor sollte eine geringe Temperaturdrift aufweisen und mindestens 10 Jahre lang ein stabiles Verhalten zeigen.
- Die Genauigkeit des Stromsensors sollte in einem nach IEC 17025 zertifizierten Testlabor gemessen werden, damit der Sensorlieferant den Stromsensor als geprüftes Zubehör für die Messgeräteerweiterung
an den Messgerätehersteller liefern kann.
Außerdem ist zu beachten, dass Wechselstromzähler im Allgemeinen in die Überspannungskategorie IV eingestuft werden. Gemäß der nachstehenden Tabelle, die Sie in der IEC 60664-1 finden, muss ein Wechselstromzähler für ein dreiphasiges System mit einer Systemspannung von 400 V gemäß der Überspannungskategorie IV einem Spannungsimpuls von 6 kV standhalten.
Die Spannungsversorgung des Gleichstromwandlers sollte daher ebenfalls für die Überspannungskategorie IV ausgelegt sein. Die Isolierung des Wandlerkopfes des Stromwandlers für ein Gleichstromsystem mit 300 V sollte daher auch einem 6 kV-Stromstoß standhalten können. Im Allgemeinen werden Überspannungsschutzgeräte, die Überspannungen zuverlässig begrenzen können, häufig in Ladestationen und anderen Gleichstromsystemen eingesetzt. Durch die Verringerung der zu erwartenden Spannungsspitzen ist es in der Regel möglich, das Design der Stromversorgung und des Kunststoffgehäuses des Wandlerkopfes zu vereinfachen.
Ein DC-Stromwandler für die Gleichstrommessung
Das dänische Unternehmen Danisense, bekannt für seine Zero-Flux-Technologie, liefert seit Jahrzehnten hochpräzise AC-DC-Stromsensoren an viele Labore und Bereiche, in denen hochpräzise Strommessungen erforderlich sind. Aufgrund der Genauigkeit der Sensoren im ppm-Bereich (10-6.) ist eine Erweiterung des Messbereichs für Power Analyzer ohne Zero-Flux-Stromwandler nicht mehr denkbar. Die hochpräzisen Stromsensoren werden bereits von nationalen Aufsichtsbehörden als Referenzgeräte eingesetzt. 2
Neben hochpräzisen Laboranwendungen wird Danisense in Zukunft auch Stromsensoren zur Erweiterung des Messbereichs von DC-Energiezählern anbieten.
Die Sensoren basieren ebenfalls auf dem Null-Fluss-Prinzip und haben aufgrund des elektrischen Designs des Null-Fluss-Sensors eine sehr geringe Temperaturdrift. Das IEC 17025-zertifizierte Testfeld bietet einen rückführbaren Nachweis der Genauigkeit.
Ausnahmen in der Mess- und Kalibrierrichtlinie
Das ganze Verfahren kann vereinfacht werden, wenn höhere Ströme gemessen und berechnet werden sollen, die ausdrücklich von der Kalibriervorschrift ausgeschlossen sind. In Deutschland liegt die Grenze bei 5 kA. Hier endet der durch die Eichverordnung garantierte Verbraucherschutz. 3 Die beiden Vertragsparteien werden als Gewerbetreibende eingestuft. Es kann also davon ausgegangen werden, dass sich die beiden Parteien unabhängig voneinander auf ein zuverlässiges Abrechnungssystem einigen können.