电能表的由来及其发展
2011-03-29
随着微电子高新技术和电子工业的高速发展以及用电负荷特性的不同，对电能计量精度提出了新的要求，电子式电能表越来越显示出其优越性。由于机械感应式电能表的驱动线圈的低频窄带电磁特性，即对于基波外的各次谐波功率信号难以转换成等比例的驱动力矩，因而造成感应式电能表对非线性负荷、冲击负荷的计量误差较大问题。机械感应式电能表的精度低、非线性负荷计量误差大和难以实现各种功能的诸多缺点，造成感应式电能表发展停滞不前。随着电能表拥有着容易实现多功能、高精度、便于自动抄表及具有先进通讯接口等诸多功能扩展需要，促使各种新型的电子式电能表迅速发展。即使一些机电一体式的特种电能表，例如：分时多费率（TOU）电能表、有脉冲输出的电能表、多路最大需量表、预付费电卡电能表和电力定量器，它们采用感应式电能表作基表，同时应用电子电路来实现新的功能。
1880年美国人爱迪生利用电解原理制成了直流电能表(即安时计)。自1885年交流电的发现和应用给电能表的发展提出了新的要求，交流电能表从此应运而生。意大利科学院的物理学家弗拉里斯(Ferraris) 在1888年提出用旋转磁场的原理来测量电能量，即在一个可转动的导体上作用两个同频率但空间和相位不同的交变磁场，导体就能旋转。由此，交流感应式电能表又称作弗拉里表。当时，在美国电工技术学校有位教师也利用同一原理制造出感应式电能表的模型。这些理论和模型都是交流电能表雏形的萌芽。
1889年，匈牙利岗兹公司一位德国人布勒泰制作成总重量为36.5kg的世界上第一块感应式电能表。从此，感应式电能表在电能计量应用中占据了极其重要地位。这块感应式电能表的电压铁芯重6kg，由于它没有单独的电流铁芯，因此电压铁芯总的电抗就必需做得很大，体积也就很大了。为了减少尺寸和重量，人们开始研究把电压与电流磁路分开，采用了独立电流铁芯，从而大大缩小了其体积。另外，在解决内相角的问题上，还使用过人工线路和合成磁场的方法。到1890年以后出现了带电铁芯的电能表，然而转动元件仍是一铜杯，反作用力矩的产生是依靠交流电磁铁。直到十九世纪末期才逐步开始采用直流磁铁，降低了旋转速度，增加了力矩，采用浇铸零件，改进了计数机构，同时采用了一个圆盘代替了原来一个盘一个杯的转动元件，并且使用铝盘来代替铜盘。
随着社会生活中工业、农业、商业以及居民生活的用电需求日益增长，人们对电能的交易日益频繁，电能表是衡量电能交易数额的计量器具，其技术性要求很高，既要求准确、更要求稳定，并保证长期可靠。上海作为全国最早使用电能和最早进行电能计量的大都市，电能表的使用和管理始终处于全国领先水平。
在二十世纪六十年代末，日本衫山桌先生发明了时分割乘法器并且提出了其功率测量原理，实现了全电子化电能计量装置，并由日本横河株式会社生产了2885型数字功率变换器，受到全世界的关注。在这个原理基础上我国研制出单相和三相电子式数字功率电能标准表。随着电子技术的进一步发展，模拟-数字转换技术和大规模集成电路的逐步完善，促使各种性能和各种功能的电子式电能表逐步成为电能计量的主力军，尤其是多功能电能表的智能化功能日趋完善。近年，在国外电子式电能表发展非常快，芬兰、瑞典、挪威等北欧各国以及法国、英国、德国、西班牙、比利时和意大利等西欧许多国家，其工商用户计费电能表已实现100%电子化。居民用户的计费电能表也正在逐步电子化过程中，如法国2001年起已停止购买安装感应式电能表；意大利在2005年已经将全部感应式电能表更新为自动抄表的电子式电能表；英国目前已有80%居民计费用表为电子式电能表。现在上海电网65%以上的居民使用了电子式电能表。
在二十世纪很长的一段时期内，感应式电能表发展方向主要是在缩小体积和改善工作性能方面。二十世纪初，感应式电能表就得到了飞速发展。1905年出现了增加非工作磁路改进90°的方法，使电能表的各项参数有了很大提高。而后，随着一些性能较好的高导磁材料的出现，大大地减轻了电能表的重量并缩小了其体积，每只表的质量降到了1.5～2kg，而且降低了其功率消耗。从三十年代开始，电能表采用铬钢、铝镍合金代替原来的钨铜，并通过降低电能表转盘的转速来降低其损耗，同时改善了电能表的负荷特性。当时，国外的感应式电能表的过负荷能力达到600％以上，而且采用双宝石轴承和磁力轴承，使电能表寿命长达15～30年。感应式电能表的突出优点就是结构简单、操作安全、维修方便、造价低廉，但是它也存在的许多缺点，如：准确度低、适用频率窄、功能单一等等。至此，感应式电能表在电能计量中已经得到了广泛的应用。
复费率多功能电能表的出现，目前正处于感应式机械电能表向电子式电能表的转变过程中，其基本上分为机械式、机电一体式及全电子式三种。其中，全新的全电子式复费率电能表则改变了传统的感应式电能表的外形，并具独特的多功能优势。自2000年开始，上海电网率先在国内推广应用复费率分时电能表，即实行居民电费分时记度——单相两费率电能表(黑白表)用的双步进电机控制驱动专用集成电路，用两个机械记度器分别显示白天和黑夜的用电量。当前电能表正向着全电子式、多功能、具有标准通讯接口以及远程抄控功能的方向发展。
在我国，电力生产对计划调度、经济调度要求愈来愈高。电力生产的特点是发、供、用电同时完成，因此，电能作为一种不可储存商品的流通使用过程中，对其准确计量有其特殊性。为调节负荷用电时段，以解决日渐突出的电力供求矛盾，在不增添设备，不扩大设备容量的前提下，主要通过两种方法来解决：一是通过行政手段，在用电高峰时限、拉电；二是通过经济手段，实行分时电价，即提高用电高峰时段电能的售价，降低用电低谷时段电能的售价。为此，电力部门广泛地使用有多个计度器能在不同费率时段内记录交流有功或无功电能的复费率电能表。2003年，国家在保持电价总水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷分时计电价，鼓励用户合理移峰填谷用电。同时，要求完善两部制电价制度，扩大多功能表应用范围，为多费率和多功能电能表带来了广阔的应用空间。
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