扩大直流电能仪表的测量范围
导言
近年来，直流电的应用数量不断增加。除了电动汽车充电站和光伏发电系统外，高性能电池系统也越来越多地集成到供电网中。在许多情况下，必须对系统的直流侧进行电能计费。目前还没有经过 MID 认证的直流电能仪表。只有少数产品获得了国家认证实验室的国家认证。负责机构尚未告知何时可提供国际有效的直流电能仪表 MID 认证。到目前为止，只有国家解决方案。与交流电能表的情况一样，对制造商来说没有规划的可预见性。
最新的直流电能表技术
在相关国家，经国家监管机构批准用于能源计费的直流电表已在市场上销售。已有国家类型认证。通过分流模块，这些设备通常可以直接处理高达 1000 A 的直流电流。在大多数情况下，使用的是两位数 µΩ 范围内的锰测量电阻。这种电流测量方法成本低廉，已经成为一种成熟的测量方法。电压测量使用简单的分压器。
重要标准和参数
用于直流电能表的 IEC 标准 62053-41:2021 已于 2021 年 6 月发布。该标准适用于电压高达 1500 V 的两极直流电路。
了解以下参数非常重要，这些参数在交流电能表国际标准 IEC 62052- 11 中也有规定。
起始电流 (IST) 意味着从该电流值开始，功率计算中必须包含测量的电流值。不过，低于起始电流的电流也可纳入功率计算。对于 IEC 62053-41 中规定的 0.5 和 1 两个精度等级，起始电流设定为额定电流 (In) 的 0.4%。
数据表中规定的精度等级仅适用于最小电流 (Imin)。额定电流 (In) 的 0.5% 值适用于两个精度等级。对于低于最小电流的电流，标准中没有规定精度值。不过，制造商和最终客户之间可以达成协议。
还必须定义最大电流 (Imax)。在此电流范围内，电流表以规定的精度等级运行，即使持续施加最大电流也不会损坏。
直接测量直流电表的等级定义如下图所示。额定电流 (In) 规定为 100 A。
在上述示例中，假定最大电流为Imax= 10 xIn ，因此可以连续测量高达 1000 A 的电流。在许多直接测量仪表中，都使用了由锰制成的两位数 µΩ 范围内的分流器。测量分流器的功率损耗保持在可接受的范围内，最高可达 1 kA。除物理和测量限值外，标准还规定了电流通路功率损耗的最大值。允许限值为 120 mW/A xImax。对于上述 1000 A 的最大电流，Imax 时的最大允许功率损耗为 120 W。除规定的最大值外，下图还显示了三种实际电阻值下最高 4000 A 的功率损耗。
如果在实际应用中必须测量大于 1 kA 的直流电流，建议使用与初级电路电隔离的直流电流传感器。即使选择阻值很低的小欧姆电阻，微伏范围内的测量信号也接近本底噪声。由于测量点非常靠近 MW 量程开关转换器，要在没有干扰的情况下进行测量无疑是一项技术挑战。
下文将分析这些直流电流传感器是否必须符合国际标准才能获得国家监管机构批准的问题。
低电压用直流电流互感器缺失标准
直流电能仪表的最新标准并未涉及电流传感器，因此无法扩大测量范围。在交流应用中，几乎无一例外地使用符合 IEC 61869-2 标准的传统电流互感器，这些互感器必须经过专门认证才能计费。问题是，是否也为直流电流互感器制定了产品标准。在目前的 IEC 61869 系列概览中，我们可以找到产品标准 61869-14。
该标准明确涉及直流应用中的电流互感器。不过，该标准仅适用于直流系统电压超过 1.5 千伏的高压应用，主要针对高压直流领域。
目前正在制定的 61869-8 可以提供一种补救措施。但在这方面，寻求帮助的工程师也会大失所望。该标准仅涵盖频率范围为 15 至 100 Hz 的电流传感器。此外，该标准仅适用于高压应用> 1000 V AC。要理解标准化部门的这一做法，我们必须回到 2015 年和 2016 年。在此期间，将在现有的 IEC 61869 系列中开发一个专门用于低压应用的标准化部分。第一个里程碑是 "IEC 61869-201：低压应用互感器的一般要求"。计划于 2019 年 6 月首次出版。现在，IEC 网站上列出的新出版日期为 2025 年 3 月 31 日。1然而，这个日期似乎也不现实。WG49 工作组的协调员已于 2021 年辞职。新的协调员尚未找到。目前各项活动均处于搁置状态。因此，有必要对 直流电流传感器的边界参数进行独立考虑。
为了在扩大直流电能仪表测量范围方面制定一个国家监管机构可以接受的整体解决方案，应执行以下边界条件。
- 电流传感器和仪表装置的测量误差之和应在直接测量仪表的精度规格范围内。
- 传感器的能耗应符合 120 mW/A xImax 的规格。
- 电流传感器应具有较低的温度漂移，并能在至少 10 年内保持稳定。
- 电流传感器的精度应在 IEC 17025 认证的测试实验室进行测量，以便传感器供应商将电流传感器作为经过测试的仪表扩展
附件交付给仪表制造商。
还应注意的是，交流电能表通常被归入过电压类别 IV。根据 IEC 60664-1 中的下表，用于系统电压为 400 V 的三相系统的交流电能表必须能承受 6 kV 的电压冲击，符合过电压类别 IV。
因此，直流电流互感器的电源也应设计为 IV 类过电压。因此，直流 300 V 系统电流互感器头部的绝缘也应能承受 6 kV 的浪涌。一般来说，能够可靠限制过电压的过电压保护装置通常用于充电站和其他直流系统。通过降低预期电压峰值，通常可以简化电源和传感器头塑料外壳的设计。
用于直流计量的直流电流互感器
丹麦 Danisense 公司以其零磁通量技术而闻名，几十年来一直向许多需要高精度电流测量的实验室和领域提供高精度 AC-DC 电流传感器。由于传感器的精度在 ppm 范围内（10-6.），如果没有零磁通电流传感器，功率分析仪的测量范围将无法扩展。高精度电流传感器已被国家监管机构用作参考设备。 2
除高精度实验室应用外，达尼森公司还将提供电流传感器，以在未来扩大直流电能仪表的测量范围。
该传感器还基于零流量原理，由于采用了零流量传感器的电气设计，因此温度漂移非常小。经 IEC 17025 认证的测试场可提供可追溯的精度证明。
测量和校准指令中的例外情况
如果要测量和计算更高的电流，整个过程可以简化，但校准规定中明确排除了这些电流。在德国，该限制为 5 kA。校准条例对消费者的保护到此为止。 3合同双方被归类为专业部门。因此，可以假定双方可以独立商定一个可靠的计费系统。