朱穎亮
隨著社會生活中工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)以及居民生活的用電需求日益增長，人們對電能的交易日益頻繁，電能表是衡量電能交易數(shù)額的計量器具，其技術(shù)性要求很高，既要求準確、更要求穩(wěn)定，并保證長期可靠。上海作為全國最早使用電能和最早進行電能計量的大都市，電能表的使用和管理始終處于全國領(lǐng)先水平。
1880年美國人愛迪生利用電解原理制成了直流電能表(即安時計)。自1885年交流電的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用給電能表的發(fā) 展提出了新的要求，交流電能表從此應(yīng)運而生。意大利科學(xué)院的物理學(xué)家弗拉里斯(Ferraris) 在1888年提出用旋轉(zhuǎn)磁場的原理來測量電能量，即在一個可轉(zhuǎn)動的導(dǎo)體上作用兩個同頻率但空間和相位不同的交變磁場，導(dǎo)體就能旋轉(zhuǎn)。由此，交流感應(yīng)式電能表又稱作弗拉里表。當時，在美國電工技術(shù)學(xué)校有位教師也利用同一原理制造出感應(yīng)式電能表的模型。這些理論和模型都是交流電能表雛形的萌芽。
1889年，匈牙利崗茲公司一位德國人布勒泰制作成總重量為36.5kg的世界上第一塊感應(yīng)式電能表。從此，感應(yīng)式電能表在電能計量應(yīng)用中占據(jù)了極其重要地位。這塊感應(yīng)式電能表的電壓鐵芯重6kg，由于它沒有單獨的電流鐵芯，因此電壓鐵芯總的電抗就必需做得很大，體積也就很大了。為了減少尺寸和重量，人們開始研究把電壓與電流磁路分開，采用了獨立電流鐵芯，從而大大縮小了其體積。另外，在解決內(nèi)相角的問題上，還使用過人工線路和合成磁場的方法。到1890年以后出現(xiàn)了帶電鐵芯的電能表，然而轉(zhuǎn)動元件仍是一銅杯，反作用力矩的產(chǎn)生是依靠交流電磁鐵。直到十九世紀末期才逐步開始采用直流磁鐵，降低了旋轉(zhuǎn)速度，增加了力矩，采用澆鑄零件，改進了計數(shù)機構(gòu)，同時采用了一個圓盤代替了原來一個盤一個杯的轉(zhuǎn)動元件，并且使用鋁盤來代替銅盤。
在二十世紀很長的一段時期內(nèi)，感應(yīng)式電能表發(fā)展方向主要是在縮小體積和改善工作性能方面。二十世紀初，感應(yīng)式電能表就得到了飛速發(fā)展。1905年出現(xiàn)了增加非工作磁路改進90°的方法，使電能表的各項參數(shù)有了很大提高。而后，隨著一些性能較好的高導(dǎo)磁材料的出現(xiàn)，大大地減輕了電能表的重量并縮小了其體積，每只表的質(zhì)量降到了1.5～2kg，而且降低了其功率消耗。從三十年代開始，電能表采用鉻鋼、鋁鎳合金代替原來的鎢銅，并通過降低電能表轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來降低其損耗，同時改善了電能表的負荷特性。當時，國外的感應(yīng)式電能表的過負荷能力達到600％以上，而且采用雙寶石軸承和磁力軸承，使電能表壽命長達15～30年。感應(yīng)式電能表的突出優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單、操作安全、維修方便、造價低廉，但是它也存在的許多缺點，如：準確度低、適用頻率窄、功能單一等等。至此，感應(yīng)式電能表在電能計量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著微電子高新技術(shù)和電子工業(yè)的高速發(fā)展以及用電負荷特性的不同，對電能計量精度提出了新的要求，電子式電能表越來越顯示出其優(yōu)越性。由于機械感應(yīng)式電能表的驅(qū)動線圈的低頻窄帶電磁特性，即對于基波外的各次諧波功率信號難以轉(zhuǎn)換成等比例的驅(qū)動力矩，因而造成感應(yīng)式電能表對非線性負荷、沖擊負荷的計量誤差較大問題。機械感應(yīng)式電能表的精度低、非線性負荷計量誤差大和難以實現(xiàn)各種功能的諸多缺點，造成感應(yīng)式電能表發(fā)展停滯不前。隨著電能表擁有著容易實現(xiàn)多功能、高精度、便于自動抄表及具有先進通訊接口等諸多功能擴展需要，促使各種新型的電子式電能表迅速發(fā)展。即使一些機電一體式的特種電能表，例如：分時多費率（TOU）電能表、有脈沖輸出的電能表、多路最大需量表、預(yù)付費電卡電能表和電力定量器，它們采用感應(yīng)式電能表作基表，同時應(yīng)用電子電路來實現(xiàn)新的功能。
在二十世紀六十年代末，日本衫山桌先生發(fā)明了時分割乘法器并且提出了其功率測量原理，實現(xiàn)了全電子化電能計量裝置，并由日本橫河株式會社生產(chǎn)了2885型數(shù)字功率變換器，受到全世界的關(guān)注。在這個原理基礎(chǔ)上我國研制出單相和三相電子式數(shù)字功率電能標準表。隨著電子技術(shù)的進一步發(fā)展，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)和大規(guī)模集成電路的逐步完善，促使各種性能和各種功能的電子式電能表逐步成為電能計量的主力軍，尤其是多功能電能表的智能化功能日趨完善。近年，在國外電子式電能表發(fā)展非�？�，芬蘭、瑞典、挪威等北歐各國以及法國、英國、德國、西班牙、比利時和意大利等西歐許多國家，其工商用戶計費電能表已實現(xiàn)100%電子化。居民用戶的計費電能表也正在逐步電子化過程中，如法國2001年起已停止購買安裝感應(yīng)式電能表；意大利在2005年已經(jīng)將全部感應(yīng)式電能表更新為自動抄表的電子式電能表；英國目前已有80%居民計費用表為電子式電能表。現(xiàn)在上海電網(wǎng)65%以上的居民使用了電子式電能表。
在我國，電力生產(chǎn)對計劃調(diào)度、經(jīng)濟調(diào)度要求愈來愈高。電力生產(chǎn)的特點是發(fā)、供、用電同時完成，因此，電能作為一種不可儲存商品的流通使用過程中，對其準確計量有其特殊性。為調(diào)節(jié)負荷用電時段，以解決日漸突出的電力供求矛盾，在不增添設(shè)備，不擴大設(shè)備容量的前提下，主要通過兩種方法來解決：一是通過行政手段，在用電高峰時限、拉電；二是通過經(jīng)濟手段，實行分時電價，即提高用電高峰時段電能的售價，降低用電低谷時段電能的售價。為此，電力部門廣泛地使用有多個計度器能在不同費率時段內(nèi)記錄交流有功或無功電能的復(fù)費率電能表。2003年，國家在保持電價總水平基本穩(wěn)定的前提下，大力推行峰谷分時計電價，鼓勵用戶合理移峰填谷用電。同時，要求完善兩部制電價制度，擴大多功能表應(yīng)用范圍，為多費率和多功能電能表帶來了廣闊的應(yīng)用空間。
復(fù)費率多功能電能表的出現(xiàn)，目前正處于感應(yīng)式機械電能表向電子式電能表的轉(zhuǎn)變過程中，其基本上分為機械式、機電一體式及全電子式三種。其中，全新的全電子式復(fù)費率電能表則改變了傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表的外形，并具獨特的多功能優(yōu)勢。自2000年開始，上海電網(wǎng)率先在國內(nèi)推廣應(yīng)用復(fù)費率分時電能表，即實行居民電費分時記度——單相兩費率電能表(黑白表)用的雙步進電機控制驅(qū)動專用集成電路，用兩個機械記度器分別顯示白天和黑夜的用電量。當前電能表正向著全電子式、多功能、具有標準通訊接口以及遠程抄控功能的方向發(fā)展。
