电能表的基本知识和方法（计量史话话说电能表）

电能表, “是一种计量某一段时间内通过的电能的累积值的表计”, 英文一般写作“Watt- hour meter”, 有人称之为火表或瓦时表。在我们国家因为曾有过“1千瓦小时的电量为1度电”的定义, 所以我国长期称之为电度表。自从电量的法定单位不再用“度”以后, 就逐步改称电能表了, 用英文有时也写作“electrical energy meter”。

直流沉淀式电能表

随着弧光灯、白炽灯的发明应用和电力系统的发展, 电能表应运而生。1879年法国巴黎街上装上了电弧光路灯, 同年美国克利夫兰和1880年在纽约也都分别装上电弧光路灯。1880年, 出现了碳灯丝白炽灯。1879年, 世界上第一个应用于弧光灯照明的商业发电厂于旧金山开业, 有两台电刷式的发电机以每盏灯每周10美元的电价提供22盏弧光灯所需的电力。1882年9月4日, 纽约市开办了珍珠街蒸汽发电厂, 安装了6台容量为100千瓦的发电机。同年10月, 珍珠街蒸汽发电厂在1平方英里范围内为59个用户提供1284盏白炽灯所需的电力。1881年, 一个叫爱迪生的德国人发明了第一台电能表, 如图所示。

这台电能表是以法拉第( Michael Faraday, 1791年～1867年) 的电化学基本原理为指导的。法拉第1834年总结出的电解定律的内容是: 电解释放出来的物质总量和通过的电流总量成正比。爱迪生的电能表是通过测量电解后的沉淀物的重量或体积来测量单位时间内累积的电能量。这种沉淀式电能表以水银为电解物, 经过电解后水银沉积在电解槽下方的量管里, 测量沉积水银的重量, 就可以换算出电能量。

尽管最初的电能表笨重个大, 没有任何准确度保证, 但仍被作为当时的一项重大发明而受到人们的重视和赞扬, 并很快应用于工程; 到了1898年, 巴斯迪安(Charles O.Bastian)又成功制作了氢气型电能表。

当有直流电通过电解液时, 阴极K上产生氢气, 氢气上升集结在量管的上部, 氢气的产生是水电解的结果, 这个反应是通过特制的阳极来保证, 在该电能表进行测量时, 有多少水被分解, 就有多少水在同一时刻重新形成; 有多少氢气在阴极上释出, 就有多少氢气在阳极上化合。换句话说, 从阳极空间转移到阴极空间的氢气量, 可以用来计量通过电路的电量。

交流感应式电能表

随着交流电的出现与应用, 1889年, 人们又成功制造出了交流电能表。这时的表计主要就是感应式的电能表, 其原理可简单表述为: 在一个转动的导体上( 圆盘) , 作用两个频率相同但时间与空间不同的交变磁场, 该导体就能旋转, 就可以构成电能表, 上述理论是意大利的费拉里斯( Galileo ferraris, 1847- 1897) 最先推出来的, 所以后人也有将交流感应电能表称为“费拉里斯表”的。到了19世纪末, 经过诸多科技人员的不懈努力, 形成了较完整的感应式电能表的基本制造理论。

测量交流电能的电能表则采用感应系电表的测量机构。其原理是加在转动金属盘的转动力矩与负载功率成正 比。当随时间累积计算功率时, 可让金属盘旋转。制动永久磁铁的磁场对旋转的金属盘产生制动力矩, 使金属盘的旋转速度与所测功率成正比。金属盘在一段时间内的累计转数, 即反映这段时间内负载消耗的电能。机械式计数器通常被用 来作为积算机构, 它所记录的转数就是消耗电能的度数。

影响电能表准确度的因素很多, 因此电能表内设有各种调节及补偿装置, 如轻载调节、满载调节、功率因素调节及防潜动( 防止电表无载自转) 装置等。

人们经过100多年的不断探索, 使感应式电能表的制造技术已臻完善, 在全球范围内, 感应式电能表是最常用的普通电能计量仪表, 它具有可靠性高、制造简便等特点。

随着电力事业的发展, 人们对合理高效利用电能资源的追求在不断地提高。 20世纪60年代, 为了扩展电能表的使用功能, 感应式脉冲电能表出现了, 也有称机电脉冲式电能表的, 该表仍旧采用了感应式电能表的测量机构, 只是利用光电传感器将电能转换为电脉冲信号, 通过电子电路对脉冲信号的计算与处理, 完成电能的计量工作, 它的出现极大地解决了电能表的功能单一问题, 实现了远程自动抄表、负荷控制参数的分散采集和存贮等功能, 使得分时电价和需量电价制度能够有效地实施和推广。

电子式电能表

感应式脉冲电能表仅仅解决了电能表的功能扩展问题, 而对表计的准确度低和频率适应范围窄的问题仍无能为力, 为此, 人们又开始寻求使用电子电路来对电能量进行测量的方法。1976年, 日本首先研制出了电子式电能表, 也称为静态电能表(static watthour meter), 就是“电流和电压在集成器件中作用而产生与瓦时数成比率输出的仪表”。由于受当时经验与技术条件的限制, 最初的电子式电能表成本高、结构复杂、抗干扰性差, 直接影响了表计的可靠性, 无法投入实际应用。后来, 经过科研工作者在实践中的不断研究和探索, 随着电子制造技术的不断发展和集成电路的应用, 到了20世纪80年代中期, 影响电子式电能表使用的各种障碍基本清除, 电子式电能表得以迅速发展, 尤其在高精度的电能表以及自动抄表技术领域。

输入级部分是将被测的高电压和大电流分别通过分压器和互感器变换为适合于电子式电能表乘法器所需要的小电压的电路; 乘法器部分是实现被测电压电流相乘, 输出为功率的器件, 目前常用的有时分割乘法器和数字乘法器; 变换器部分, 也称电压- 频率( V- f) 转换电路, 它是把乘法器输出的有功功率的信号变为标准脉冲, 而且用脉冲频率的高低来反映功率大小的电路。

计数、显示、控制部分, 就是将与功率成正比的脉冲数显示出来的器件; 绝大部分采取液晶或LED显示, 也有通过步进电机推动齿轮用机械数字显示的。

电能表电子化的实现和应用, 使得电能表的功能从单一的电能量的计量向多功能化的方向发展, 如可以测试并指示所在回路的有功电能、无功电能、视在功率、功率因数 甚至电压、电流、频率、相位等。这样, 人们的各种需求就可通过改变电能表的指令变得很容易实现了。电子式电能表 大多具有通信接口, 以便于实现电能表的远程自动抄表以及其他的管理功能。

随着人们用电管理水平的不断提高和电能表制造技术的发展, 目前已经形成了众多类型的电能表, 如 复费率电能表( Multi- rate watthour meter) , 指有多个计数器分别在规定的不同费率时段内记录交流有功或无功电能的电能表; 最大需量电能表, 是一种既能测量有功电能又能测量最大需量的电能表。所谓“最大需量”, 就是用户在一定的结算期内( 一般为一个月内) 所有的“用户需量”中的最大者。“用户需量”是指用户每15分钟的平均功率。 多功能电能表( Multifunction watthour meter) , 是由测量单元和数据处理单元等组成, 除计量有功( 无功) 电能量外, 还具有 分时、测量需量等两种以上功能, 并能显示、贮存和输出数据的电能表; 预付费电能表, 就是要先缴纳电费才能用电的电能表, 一般大多是使用IC卡来实现此功能的, 因此, 也有称为IC卡电能表的。还有其他具有特殊用途的电能表, 这里就不一一介绍了。

我国电能表的发展

我国的电能表制造技术起步较晚, 尽管1953年, 在上海最先制造出了“合成”牌的单相电能表, 但是, 正式通过国家主管部门鉴定并投入批量生产的是DD1型单相电能表。该表是由哈尔滨电表仪器厂生产的, 基本是按照原苏联的CO- 1型( 2.5级) 表的技术设计制作的。随着电能表应用的增加和制造技术的发展, 20世纪70年代, 由哈尔滨电工仪表研究所组织部分生产厂家共同进行技术攻关, 推出了DD28型( 2.0级) 电能表。该产品是我国在电能表行业进行的首次统一设计、统一命名的标准化产品, 性能稳定、结构紧凑、可靠性高。通过在全国各地的强制性推广, 使我国的电能表生产水平的发展跃上了新台阶。该产品不仅得到了国内用户的 好评, 在国际上也比较畅销。鉴于DD28型电能表的成功经验, 20世纪80年代中期, 哈尔滨电工仪表研究所再次组织全国范围的电能表联合设计, 进行技术升级, 当时的大多数生产厂家参加了这次活动。本次活动推出了86系列的电能表, 该系列电能表具有过载能力强、功耗低、长寿、耐压、防雷击 等特点, 达到了当时的国际水平。于是, 我国感应式电能表的生产与出口很快成为世界第一大国。

随着电子式电能表的技术发展与应用, 一些企业瞄准了这一新兴技术。1993年初, 珠海的恒通电能仪表公司生产的DD21- S型电子式交流单相有功电能表, 在国内首家通过了部级鉴定, 投入了批量生产。1994年, 长沙威胜电子有限公司生产出了国内第一块全电子式多功能三相电度表。至此, 国内的生产企业逐步全面进入了电子式电能表的生产领域。

1998年实施的我国第一次城乡电网改造工程, 给电能表的生产企业提供了一次难得的发展机遇, 使得部分企业通过技术改造与设备更新提高了电能表的生产质量。2003 年的第二轮城乡电网改造工程, 开始推广电子式电能表, 使得我国的电子式电能表的生产与销售急剧增长, 很快就超越了感应表。国外电子表的发展, 在北欧各国和部分西欧国家, 目前已经全部完成了工商用户电能表的电子化, 居民用表也正逐步向电子化过渡。如法国2001年起已停止购装感应表; 意大利2005年开始逐步把感应表更新为自动抄表的电子表, 英国目前已经有80%以上的居民用上了电子式表。随着电子式电能表生产技术的发展, 其衍生产品——电能计量芯片的研制与生产在近十年来得到了突飞猛进的发展, 电能计量芯片是电子式电能表的核心部件, 它通常是乘法器、变换器、控制器等部分的集成体。

截止到2006年年底, 我国电能表的生产能力已经达到了约2亿只的水平, 出口电能表的数量约千万只, 成为电能表的产销大国。

（来源：计量史话）