近年來，直流應用數量持續成長。除了電動車充電站和光電系統外，高性能電池系統也越來越多地併入電網。在許多情況下，電費需要在系統的直流側進行計費。目前，市面上尚無獲得MID認證的直流電能表。僅有少數產品獲得了來自各國認證實驗室的國家級認證。相關機構尚未公佈何時推出國際認可的直流電能表MID認證。因此，目前只有各國自行研發的解決方案。與交流電能表不同，直流電能表的研發進度無法預測。

最新的直流電能表技術

已獲得相關國家監管機構批准，用於電能計費的直流電能表已在市場上銷售，並已獲得國際類型的認證。這些設備通常可透過分流模組直接處理高達 1000 A 的直流電流。大多數情況下，使用兩位數微歐姆級的錳銅測量電阻。這種電流測量方法經濟高效，且已相當成熟。電壓測量則採用簡單的分壓器。

 

重要標準和參數

直流電能表標準 IEC 62053-41:2021 自 2021 年 6 月起生效。此標準適用於電壓不超過 1500 V 的兩極直流電路。

以下參數（這些參數也在交流電能表國際標準 IEC 62052-11 中定義）非常重要，需要了解。

啟動電流 (IST) 表示，從該電流值開始，所有測量電流值都必須計入功率計算。但是，低於啟動電流的電流也可以計入功率計算。對於 IEC 62053-41 中規定的 0.5 級和 1 級兩種精度等級，啟動電流設定為額定電流 (In) 的 0.4%。

資料表中規定的精度等級僅適用於最小電流 (Imin)。額定電流 (In) 的 0.5% 的值，適用於所有精度等級。標準中未定義低於最小電流的電流的精度值。然而，製造商和終端客戶之間可以達成協議。

也必須定義最大電流 (Imax)。在此電流範圍內，儀表以規定的精度等級運行，即使持續施加最大電流也不會損壞。

直接測量型直流儀表的等級定義如下圖所示。額定電流 (In) 為 100 A。

 

在上述範例中，假設最大電流為 Imax = 10 × In，因此可以連續測量高達 1000 A 的電流。許多直接測量型儀表，都使用錳銅製成的兩位數微歐姆級分流器。測量分流器的功率損耗，在 1 kA 以下保持在可接受的範圍內。除了物理和測量限制外，該標準還規定了電流路徑中功率損耗的最大值。允許的限值為 120 mW/A × Imax。對於上述 1000 A 的最大電流，這意味著在 Imax 處的最大允許功率損耗為 120 W。下圖顯示了除規定的最大值外，在三個實際電阻值下，高達 4000 A 的功率損耗。

 

如果實際測量的直流電流大於 1 kA，建議使用與主電路電氣隔離的直流電流感測器。即使選擇阻值極低的小型歐姆電阻，微伏特級的測量訊號也接近雜訊基底。由於測量點非常靠近兆瓦級開關變換器，因此在無干擾的情況下進行測量無疑是一項技術挑戰。

以下將分析，為了獲得國家監管機構的批准，這些直流電流感測器是否必須符合國際標準。

 

低電壓應用直流電流感測器缺乏標準

最新的直流電能表標準，並未提及用於擴展測量範圍的電流感測器。對於交流應用，幾乎無一例外地使用符合IEC 61869-2標準的傳統電流感測器，這些感測器必須經過特殊認證才能用於計費。那麼，直流電流感測器是否也有對應的標準呢？在IEC 61869系列標準概述中，我們發現了產品標準61869-14。

本標準明確規定了直流應用中的電流感測器。然而，該標準僅適用於電壓高於 1.5 kV 直流系統的高壓應用，主要針對高壓直流輸電 (HVDC) 領域。

目前正在製定中的 IEC 61869-8 標準或許能夠提供一些解決方案。但即便如此，尋求協助的工程師仍會大失所望。此標準的適用範圍僅涵蓋頻率在 15 至 100 Hz 範圍內的電流感測器。另外，此標準僅適用於電壓高於 1000 V 交流的高壓應用。為了理解這種標準化方法，我們需要回顧 2015 年和 2016 年。當時，IEC 61869 系列標準中計劃專門針對低壓應用制定一個標準化章節。第一個里程碑是「IEC 61869-201：低電壓應用儀表感測器的通用要求」。原計劃於2019年6月發布首個版本。IEC網站上列出的新發布日期現為2025年3月31日。然而，該日期似乎也不切實際。WG49工作小組的協調員已於2021年辭職，目前尚未找到新的協調員。相關工作目前處於暫停狀態。鑑於這些原因，有必要對直流電流感測器的邊界參數進行獨立研究。

 

為了製定可被國家監管機構接受的整體解決方案，擴大直流電能表測量範圍應實施以下邊界條件：

  • 電流感測器和電錶單元的測量誤差總和，應在直接測量電錶的精度規格範圍內。
  • 感測器的能耗應符合 120 mW/A x Imax 的規格。
  • 電流感測器應具有低溫度漂移，並穩定至少 10 年。
  • 電流感測器的精度應在符合 IEC 17025 標準的測試實驗室進行測量，以便感測器供應商能夠將電流感測器，作為經過測試的電錶擴展附件交付給製造商。

 

值得注意的是，交流電能表通常被歸類為過電壓類別 IV。根據 IEC 60664-1 中的下表，系統電壓為 400 V 的三相交流電錶必須能夠承受 6 kV 的電壓衝擊，符合過電壓類別 IV 的要求。

因此，直流電流感測器的供電電壓，也應設計為過電壓類別IV。對於300V直流系統，電流感測端的絕緣也應能承受6kV的突波電壓。通常，充電站和其他直流系統中，會使用可靠的過電壓保護裝置。透過降低預期的電壓峰值，通常可以簡化電源和感測器端塑膠外殼的設計。

 

使用直流電流的直流感測器

丹麥公司 Danisense 以其零磁通(zero-flux)技術而聞名，數十年來一直為許多實驗室和需要高精度電流測量的領域，提供高精度交直流電流感測器。由於這些感測器的精度可達 ppm 級 (10⁻⁶)，因此，如果沒有零磁通電流感測器，功率分析儀的測量範圍擴展將難以想像。這些高精度電流感測器已被各國監管機構用作參考設備。

除了高精度實驗室應用外，Danisense 未來還將提供：用於擴展直流電能表測量範圍的電流感測器。

這些感測器也基於零磁通(zero-flux)原理，並且由於零磁通感測器的電子設計，其溫度漂移極低。通過IEC 17025認證的測試場地，可提供可追溯的精度證明。

 

測量和校正指示中的例外情況

如果需要測量和計算更高的電流（校正條例明確排除此類電流），則整個流程可以簡化。在德國，限值為 5 kA，校正條例保障消費者的保護範圍就到此。合約雙方均屬於專業領域，因此，可以假設雙方能夠獨立協商，並且制定可靠的計費方案。