電力事業は世界的に変化している。 かつては石炭、ガス、石油、あるいは原子力発電所が主な電力供給源であったが、今日では風力や太陽光などの再生可能エネルギーが重要な位置を占めるようになっている。 2020年は風力発電にとって過去最高の年で、世界全体で93GWの新規設備容量が設置され、前年比53％増となった。 そしてこの傾向は、2050年までに炭素排出量ネットゼロを達成することを世界が目指すなか、今後も続くだろう。
ダニセンス、テクニカル・マーケティング担当副社長、ロイック・モロー著
世界風力エネルギー会議（GWEC）が発表した新しい報告書は、気候変動による最悪の影響を回避するためには、今後10年間で風力発電の導入を3倍加速させる必要があると主張している。
これは、大電流を測定する方法を含め、電力業界のあらゆる側面に大きな変化をもたらしている。 従来の化石燃料発電所の大きな利点は、供給が非常に安定しており、制御や調整が容易なことである。 自然エネルギーの場合、電力の供給源は不安定で、例えば風が吹かない限り電力は発生しない。 太陽光発電設備や他の自然エネルギーで使用される電力変換器からの直流電流は、従来の交流送電網に注入される可能性があるため、従来の大電流測定技術は適切ではありません。
もうひとつの関連トレンドは、大型バッテリーに関するものだ。 発電時だけでなく、必要なときに電力を使うために、巨大なバッテリー・システムが建設されている。 カリフォルニア州モントレー湾にあるモスランディング発電所は、かつて天然ガスを燃料とするカリフォルニア州最大の電力発電所であったが、現在は世界最大のバッテリーが設置されており、ソーラーパネルや風力発電所の発電時に余剰エネルギーを蓄え、休止時に送電網に供給している。
モスランディング・エネルギー貯蔵施設は、2020年12月にフェーズ1が稼動し、発電容量は300MW/1,200MWhとなった。 2021年8月に完成予定のフェーズ2では、さらに100MW/400MWhが追加される予定だ。 このような巨大な設備には、非常に正確な大電流測定も必要である。
ここでもまた、従来の方法では不十分であることが証明された。
その代わりに、5kA以上の電流の測定を必要とするアプリケーションでは、ダニセンスのFluxgate技術のような、電流の循環によって発生する磁場を利用するゼロ磁束技術への注目が高まっている。
ゼロフラックス・テクノロジー
ゼロ磁束技術の動作を説明するには、まずいくつかの基本原理を考えるのが適切である。 図1では、左上にマグネット・バーの周囲に構成されたピックアップ・コイル、右上に抵抗とインダクタンスによる等価電気回路が示されている。 電圧が印加されると、回路内の電流は赤い曲線で示される。 電流は、インダクタンスが飽和する時点まで、インダクタンスの値に応じた傾きに沿って徐々に増加する。 この状態では、等価電気回路は抵抗性だけであると考えることができる。
ゼロ磁束電流トランスデューサーを作る場合、ピックアップ・バーに使われる材料は、電流が青いカーブに沿うような特定の磁気特性を持つ。 最初はインピーダンス値が高いため、電流はゆっくりと増加します。 その後、突然、インダクタンスが飽和し、電流が急速に増加して、前述の終点に到達する。
ここで正方形の電圧信号を印加すると、電流のプロフィールは正負の飽和・脱飽和サイクルの連続となる。 導体がFluxgate素子の近くに配置されている場合、電流の循環によって追加の磁場が発生し、ゼロの位置がずれることによって信号に影響を与える（図2a – 青い曲線）。 最後に、2次高調波で形成される信号処理によって、1次電流の詳細が明らかになります（図2a – 紫色の曲線）。
電流センストランスの性能をさらに向上させるために、メーカーはしばしばゼロ磁束技術と図2bに示すクローズドループ原理を組み合わせている。 ここでは、Fluxgate素子がエアギャップ内に配置され、磁界の測定中に電流出力が2次巻線を通して再入力され、反対方向の磁界が発生します。 この方法により、Fluxgateが経験する磁場は常にゼロとなり、オフセットや直線性の問題がなくなります。
ゼロ磁束トポロジーは、現在主に4種類ある（図3）。 最初のもの（3a）は、エアギャップのある磁気コアと二次巻線をベースにしている。 これは閉ループのホール効果電流トランスデューサーに似ており、エアギャップ内のホール素子がフラックスゲートに置き換えられている。 主な利点は、オフセット・ドリフトが良好なことである。 第2のトポロジー（3b）は、フラックスゲート素子の役割を担うシングルコアである。 エアギャップがないため、主な利点の1つはEMCに強く、分解能が高いことである。 しかし、コアの飽和がすぐに起こるため、帯域幅は数ヘルツに制限される。 第3のトポロジーは、変流器と同様にAC信号のみを測定する巻線コア（3c）を追加することでこの問題を解決する。 この場合、すべての利点を得ることができる。 しかし、さらに高い性能が必要な場合、「バランス・コア」（3d）トポロジーは、対向配置された2つの同一のFluxgate素子を採用する。 そのため、EMCや温度変化などの外部環境条件に関係なく、2つのセンシング・エレメント間に自然な受動的補償が生じます。 このアプローチにより、過酷な環境下でも1ppmの測定精度を達成することが可能です。
フラックスゲート技術は、あらゆる電流レベルにおいて、非常に正確で安定した再現性のある電流計測に使用することができ、ダニセンスは0-600A、600-3000A、3kA以上をカバーする電流センス・トランスデューサー・ファミリーを開発しました。 ダニセンスは、この記事の前半で説明したような超大電流を必要とする新興市場向けに、新たな課題に取り組む必要がありましたが、現在30kAまでのソリューションを開発しており、Fluxgateのアプローチに理論的な限界はないと考えています。
アイソレーションと安全性は、大電力アプリケーションにおける重要な要件です。 準拠規格はIEC 61010である。 DanisenseのDR50000IM（8kA）およびDR10000IM（11kA）電流センス・トランスデューサー（図4）は、同社が低電流アプリケーション向けに提供している製品とは異なり、センシング・ヘッドと電子信号処理ユニットを分離しています。
センシング・ヘッドは頑丈なパッシブ・デバイスであり、ノイズの多い電気環境下に長期間放置しても、大電流が流れるため必然的に発生する干渉の影響を受けることはない。 複雑な信号の調整と処理は、センシング・ヘッドから30m離れた、安全で温度制御された穏和な実験室環境で遠隔的に行うことができる。 このように電流センス・トランスデューサーの機能を分離することで、パッシブ・センシング・ヘッドは、厳しい環境条件にも対応できるように頑丈にすることもできる。 また、強磁場環境の近くで作業するのは危険であるため、このアプローチでは、作業者が磁場中でトランスデューサーを操作する必要性（例えば電源と出力の接続など）を最小限に抑え、安全性を高めている。
ダニセンスの新しい大電流トランスデューサーは、7kHzという低い励振周波数も特徴です。 小型の製品では、動的性能を向上させるため、最大32kHzの高い励振周波数が好まれます。 しかし、DRシリーズのセンサーでは、このような大きな磁気コアを高い周波数で飽和させるためには、大型で高価な大電力回路が必要になります。 周波数を下げることで、ダニセンスはダイナミック性能と電力レベルの良いバランスを達成することができました。
図5は、Sie-mens Gamesa風力タービンに設置されたDanisenseのDR10000IMセンシング・ヘッドです。
センシングヘッドと電子処理ステージの接続には、第二の全体的なシールド層に包まれた各シールドを特徴とする複数のツイストペアを持つ特別に設計されたケーブルが使用されます。 ヘッドと処理ユニット間の距離が30メートルを超える場合、ダニセンスは電流値を下げ、インピーダンス効果を低減するために、補償電流に1本ではなく3本のワイヤーを使用します。
ダニセンスの電流センス・トランスデューサーDR50000IMとDR10000IMは、100kHzの高帯域幅を持ち、直線性誤差はわずか1ppmと超安定です。 DR50000UX（8kA）とDR10000UX（11kA）の等価電圧出力バージョンも提供しています。
結論
スマートグリッドの導入に伴い、電力会社やその他の企業は、これまで以上に幅広いソースから電力が生成されるようになったため、現在採用している測定技術を再考する必要に迫られている。 ダニセンスのフラックスゲート・テクノロジーは、MRIスキャナー、EV充電ステーション、CERNのような大規模な物理学研究所などのアプリケーションですでに幅広く採用されていますが、数十キロアンペアの大電流にも対応し、正確で安定した再現性のある測定結果を提供できることが証明されつつあります。 ダニセンスは、近い将来、さらに大電流を測定する必要性が生じることを知っており、間もなく30kAまで測定可能な電流センス・トランスデューサーを発売する予定です（図6）。 これはダニセンスが提供する中で最大の330mmアパーチャーを特徴としており、電流需要は少ないが大口径ケーブルを使用する企業にとっても興味深いものとなるだろう。