直流電力量計の測定範囲拡大
はじめに
近年、直流電流を利用したアプリケーションの数は増加の一途をたどっている。電気自動車や太陽光発電システム用の充電ステーションに加え、高性能バッテリーシステムを送電網に組み込むケースが増えている。多くの場合、エネルギーはシステムの直流側で課金されなければならない。MID認定の直流電力量計はまだない。少数の製品について、ほとんどが国の認証機関から認可を受けているだけである。責任ある組織は，DCエネルギー・メータ用の国際的に有効なMID認証がいつ利用可能になるかをまだ連絡していない。今のところ、国内解決策しかない。ACエネルギー・メーターの場合のように、メーカーにとって計画的な予測可能性はない。
最新のDCエネルギーメーター技術
関連国の監督当局によってエネルギー課金用に承認された DC メータは，既に市販されている。国の型式認証が存在する。多くの場合、シャントモジュールを介して1000Aまでの直流電流を直接扱うことができます。ほとんどの場合、2桁µΩ範囲のマンガニン測定抵抗器が使用される。このタイプの電流測定はコスト効率が高く、すでに確立された方法である。電圧は単純な分圧器を使って測定します。
重要な規格とパラメータ
直流電力量計のIEC規格62053-41:2021は、2021年6月から利用可能です。1500Vまでの2極直流回路に適用されます。
以下のパラメータは、ACエネルギー・メータの国際規格IEC 62052- 11でも定義されており、理解することが重要です。
始動電流（IST）とは、この電流値から、測定された電流値を電力計算に含めなければならないことを意味する。ただし、始動電流より低い電流も電力計算に含めることができる。IEC 62053-41 で規定されている 2 つの精度クラス 0.5 および 1 では、始動電流は公称電流（In）の 0.4%に設定されている。
データ・シートで指定されている精度クラスは、最小電流（Imin）からしか適用されません。公称電流（In）の0.5%という値は、どちらの精度クラスにも適用されます。最小電流以下の電流については、規格では精度値が定義されていません。ただし、製造業者と最終顧客との間で協定を結ぶことは可能です。
最大電流（Imax）も定義しなければならない。この電流までは、メータは指定された精度クラスで動作し、最大電流が連続的に印加されても損傷しません。
直接測定DCメータのクラスは下図のように定義されている。公称電流(In)は100Aと規定されています。
上記の例では、最大電流Imax= 10 xIn を想定しているので、最大 1000 A の電流を連続的に測定することができる。多くの直接測定メーターでは、マンガニン製の2桁µΩ範囲のシャントが使用されています。測定用シャントの電力損失は、1 kAまで許容範囲内に収まります。物理的限界と測定限界に加えて、規格は電流経路で発生する電力損失の最大値を定義している。許容限界値は 120 mW/A xImax です。前述の最大電流1000Aの場合、Imaxにおける最大許容電力損失は120Wとなる。定義された最大値に加え、3つの現実的な抵抗値に対する4000Aまでの電力損失を下図に示す。
1kAを超える直流電流を実際に測定する必要がある場合は、一次回路からガルバニック絶縁された直流電流センサを使用することが望ましい。非常に低い抵抗値の小さなオーミック抵抗を選択しても、マイクロボルト範囲の測定信号はノイズフロアに近い。測定ポイントがMWレンジのスイッチング・コンバーターに非常に近いため、干渉を受けずに測定を行うことは技術的な挑戦であることは間違いありません。
このような直流電流センサーについて、各国の監督当局の承認を得るために国際規格に準拠しなければならないかどうかについては、以下で分析する。
低電圧用直流変流器の欠落規格 アプリケーション
DCエネルギー・メーターの最新規格では、測定範囲を拡大するための電流センサーは規定されていない。ACアプリケーションでは、ほぼ例外なくIEC 61869-2に準拠した従来の変流器が使用されており、これは課金目的で特別に承認されなければならない。直流変流器についても製品規格が作成されているのかという疑問が生じる。現在のIEC 61869シリーズの概要を見ると、製品規格61869-14がある。
この規格は、直流用途の変流器を明確に扱っている。ただし、この規格は直流系統電圧1.5kV以上の高圧用途にのみ適用され、主にHVDC分野を対象としている。
現在進行中の61869-8は、その救済策になるかもしれない。しかしここでも、助けを求めるエンジニアは苦い失望を味わうことになる。この規格は、周波数範囲15～100Hzの電流センサーのみを対象としている。さらに、この規格は高電圧アプリケーション（> 1000 V AC）への適用しか意図していない。標準化側のこのアプローチを理解するには、2015年と2016年に遡る必要がある。この間、既存のIEC 61869ファミリーの中に、低電圧アプリケーション専用の標準化セクションが開発されることになっていた。最初のマイルストーンは「IEC 61869-201」であった：低電圧用途の計器用変圧器の一般要求事項」である。最初の発行は2019年6月に予定されていた。現在、IECウェブサイトに記載されている新しい発行日は2025年3月31日である。1しかし、この日付も非現実的なようである。ワーキンググループWG49のコーディネーターは2021年に辞任した。新しいコーディネーターはまだ見つかっていない。活動は現在保留されている。これらの理由から、 直流電流センサーの境界パラメータについて独自に検討する必要がある。
DC エネルギー計の測定範囲の拡張に関して各国の監督当局に受け入れられる全体的な解決策を作 るために，次の境界条件を実施することが望ましい。
- 電流センサとメータユニットの測定誤差の和は、直接測定メータの精度仕様の範囲内でなければならない。
- センサーの消費電力は、120mW/A×Imaxの仕様に準拠する必要がある。
- 電流センサーは温度ドリフトが小さく、少なくとも10年間は安定した動作をすることが望ましい。
- 電流センサーの精度はIEC 17025認証試験所で測定され、センサーサプライヤーが試験済みメーター延長
アクセサリとして電流センサーをメーターメーカーに納入できるようにする必要があります。
ACエネルギーメータは一般的に過電圧カテゴリIVに分類されることにも留意すべきである。IEC 60664-1にある下表によると，システム電圧400 Vの三相システム用ACメータは，過電圧カテゴリIVに従って6 kVの電圧インパルスに耐えなければならない。
従って、直流変流器の電圧供給も過電圧カテゴリーIV用に設計されなければならない。したがって、直流300Vシステム用の変流器の変換器ヘッドの絶縁も、6kVのサージに耐えられるものでなければならない。一般に、過電圧を確実に制限できる過電圧保護装置は、充電ステーションやその他の直流システムでよく使用されます。予想される電圧ピークを下げることで、通常、電源や変換器ヘッドのプラスチック製ハウジングの設計を簡素化することが可能です。
直流計量用直流変流器
ゼロ磁束技術で知られるデンマークのダニセンス社は、高精度のAC-DC電流センサーを数十年にわたり多くの研究所や高精度の電流測定が要求される分野に供給してきた。ppmの範囲（10-6.)のセンサーの精度により、パワーアナライザーの測定範囲の拡大は、ゼロ磁束電流変換器なしではもはや考えられません。高精度の電流センサーは、すでに各国の監督官庁で基準機器として使用されています。 2
ダニセンスは、高精度の実験室アプリケーションに加え、将来的には直流エネルギーメーターの測定範囲を拡大するための電流センサーも提供する予定である。
また、このセンサーはゼロフラックス原理に基づいており、ゼロフラックスセンサーの電気設計により温度ドリフトが非常に小さい。IEC 17025認証の試験場は、トレーサブルな精度証明を提供します。
測定・校正指令の例外
校正規定から明確に除外されている大電流を測定・計算する場合は、手順全体を簡略化することができます。ドイツでは5kAが限界である。校正条例が保証する消費者保護はここで終了する。 32つの契約当事者は、専門分野に属すると分類される。その場合、両当事者は信頼できる課金システムについて独自に合意できると仮定できる。