3.3　電能表

電能表又稱電度表，是一種用來計算用電量（電能）的測量儀表。電能表可分為單相電能表和三相電能表，分別用在單相和三相交流電路中。

3.3.1　電能表的結(jié)構(gòu)與原理

根據(jù)工作方式不同，電能表可分為感應(yīng)式和電子式兩種。電子式電能表是利用電子電路驅(qū)動計數(shù)機構(gòu)來對電能進行計數(shù)的。感應(yīng)式電能表是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生力矩來驅(qū)動計數(shù)機構(gòu)對電能進行計數(shù)的。感應(yīng)式電能表由于成本低、結(jié)構(gòu)簡單而被廣泛應(yīng)用。

單相電能表（感應(yīng)式）的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-17所示。

從圖3-17（b）中可以看出，單相電能表內(nèi)部垂直方向有一個鐵芯，鐵芯中間夾有一個鋁盤，鐵芯上繞著線徑小、匝數(shù)多的電壓線圈，在鋁盤的下方水平放置一個鐵芯，鐵芯上繞有線徑粗、匝數(shù)少的電流線圈。當(dāng)電能表按圖示的方法與電源及負載連接好后，電壓線圈和電流線圈均有電流通過并都產(chǎn)生磁場，它們的磁場分別通過垂直和水平方向的鐵芯作用于鋁盤，鋁盤受力轉(zhuǎn)動，鋁盤中央的轉(zhuǎn)軸也隨之轉(zhuǎn)動，它通過傳動齒輪驅(qū)動計數(shù)器計數(shù)。如果電源電壓高、流向負載的電流大，則兩個線圈產(chǎn)生的磁場強，鋁盤轉(zhuǎn)速快，通過轉(zhuǎn)軸、齒輪驅(qū)動計數(shù)器的計數(shù)速度快，計數(shù)出來的電量更多。永久磁鐵的作用是讓鋁盤運轉(zhuǎn)保持平衡。

三相三線式電能表內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-18所示。從圖中可以看出，三相三線式電能表有兩組與單相電能表一樣的元件，這兩組元件公用一根轉(zhuǎn)軸、減速齒輪和計數(shù)器，在工作時，兩組元件的鋁盤共同帶動轉(zhuǎn)軸運轉(zhuǎn)，通過齒輪驅(qū)動計數(shù)器進行計數(shù)。

三相四線式電能表的結(jié)構(gòu)與三相三線式電能表類似，但它內(nèi)部有三組元件共同來驅(qū)動計數(shù)機構(gòu)。

3.3.2　電能表的接線方式

電能表在使用時，要與線路正確連接才能正常工作，如果連接錯誤，輕則出現(xiàn)電量計數(shù)錯誤，重則會燒壞電能表。在接線時，除要注意一般的規(guī)律外，還要認真查看電能表接線說明圖，按照說明圖來接線。

1．單相電能表的接線

單相電能表的接線如圖3-19所示。

圖3-19（b）中圓圈上的粗水平線表示電流線圈，其線徑粗、匝數(shù)少、阻值?。ń咏銡W），在接線時，要串接在電源相線和負載之間；圓圈上的細垂直線表示電壓線圈，其線徑細、匝數(shù)多、阻值大（用萬用表電阻擋測量時為幾百至幾千歐），在接線時，要接在電源相線和零線之間。另外，電能表電壓線圈、電流線圈的電源端（該端一般標(biāo)有圓點）應(yīng)共同接電源進線。

2．三相電能表的接線方式

三相電能表可分為三相三線式電能表和三相四線式電能表，接線方式如圖3-20所示。

3．在大電流高電壓電路中的電能表接線方式

在使用電能表時，要求所接電路的電壓和電流不能超過電能表的額定電壓和額定電流。如果希望容量小的電能表也能測量大電流和高電壓電路的電能，則可在電路與電能表之間加接電壓互感器和電流互感器。

（1）電壓互感器

電壓互感器是一種能將交流電壓升高或降低的器件，外形與結(jié)構(gòu)如圖3-21（a）、（b）所示，工作原理說明如圖3-21（c）所示。

從圖中可以看出，電壓互感器由兩組線圈繞在鐵芯上構(gòu)成，一組線圈（可稱作初級線圈或一次繞組，其匝數(shù)為N1）并接在電源線上，另一組線圈（可稱作次級線圈或二次繞組，其匝數(shù)為N2）接有一個電壓表。當(dāng)電源電壓加到初級線圈時，該線圈產(chǎn)生磁場，磁場通過鐵芯穿過次級線圈，次級線圈兩端即產(chǎn)生電壓。電壓互感器的初級線圈電壓U1與次級線圈電壓U2有下面的關(guān)系：

從上面的式子可以看出，電壓互感器線圈兩端的電壓與匝數(shù)成正比，即匝數(shù)多的線圈兩端的電壓高，匝數(shù)少的線圈兩端電壓低，N1/N2稱為變壓比。

因此，當(dāng)電能表接在高電壓電路中時，應(yīng)在電能表與電路之間接電壓互感器，匝數(shù)多的線圈并接在電源線上，匝數(shù)少的線圈與電能表內(nèi)部的電壓線圈并接。

（2）電流互感器

電流互感器是一種能增大或減小交流電流的器件，外形與工作原理說明如圖3-22所示。

從圖3-22（b）中可以看出，電流互感器與電壓互感器結(jié)構(gòu)基本相同，不同主要在于電壓互感器的一組線圈并接在電源線上，而電流互感器的一組線圈串接在一根電源線上。當(dāng)有電流流過初級線圈時，線圈產(chǎn)生磁場，磁場通過鐵芯穿過次級線圈，次級線圈兩端有電壓產(chǎn)生，與線圈連接的電流表有電流流過。對于穿心式電流互感器，直接將穿心（孔）而過的電源線作為一次繞組，二次繞組接電流表。

電流互感器的初級線圈電流I1與次級線圈電流I2有下面的關(guān)系：

從上面的式子可以看出，線圈流過的電流大小與匝數(shù)成反比，即匝數(shù)多的線圈流過的電流小，匝數(shù)少的線圈流過的電流大，N2/N1稱為變流比。

因此，當(dāng)電能表接在大電流電路中時，應(yīng)在電能表與電路之間接電流互感器，匝數(shù)少的線圈串接在電源線上，匝數(shù)多的線圈與電能表內(nèi)部的電流線圈并接。

（3）電能表在大電流電路中的接線方式

當(dāng)電能表需用在大電流電路中時，可在電源線與電能表之間加接電流互感器。圖3-23是幾種在大電流電路中的電能表接線方式。其中，圖3-23（a）為單相電能表的接線方式，圖3-23（b）為三相三線式電能表的接線方式，圖3-23（c）為三相四線式電能表的接線方式。

在電能表與電流互感器配合來測量電路電量時，電能表測得的值并不是電路的實際用電量，實際用電量應(yīng)等于電能表的值與電流互感器的變流比（N2/N1）的乘積。

以圖3-23（a）為例，若電流互感器的變流比為400/5，電能表一天變化值為10kW·h，那么負載一天實際消耗電能為10kW·h×400/5=800kW·h。

（4）電能表在大電流、高電壓電路中的接線方式

當(dāng)電能表需用在大電流、高電壓電路中時，可在電源線與電能表之間加接電流互感器和電壓互感器。圖3-24是單相電能表在大電流、高電壓電路中的接線方式。

在電能表與電流互感器、電壓互感器配合使用時，電能表測得的值并不是電路的實際用電量，實際用電量應(yīng)等于電能表的值、電流互感器的變流比和電壓互感器的變壓比三者的乘積。

3.3.3　用電能表測量電器的功率

有些電器標(biāo)有功率大小，如燈泡；也有些電器沒有標(biāo)出功率，如計算機；還有些電器有多個擋位，雖然標(biāo)出了功率，但它只是其中一個擋的功率，如電風(fēng)扇。對于后面兩種類型的電器，可以借助電能表來測量它們的功率。

下面以測量一臺計算機工作時的功率為例來說明，詳細過程如下。

①查看電能表的常數(shù)R。以圖3-17（a）所示的電能表為例，它的常數(shù)R為600r/（kW·h）[即600轉(zhuǎn)/（千瓦·時）]，即當(dāng)電能表轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)600圈時計得的電量為1kW·h（即1度電）。

②關(guān)掉電能表接的所有電器，僅讓計算機開機工作。

③觀察并記錄電能表轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)r和所用的時間t。在記錄時，圈數(shù)應(yīng)為整數(shù)，圈數(shù)越多，測量會更準(zhǔn)確，這里假設(shè)r=9、t=360s。

④利用公式P=3600r/tR計算計算機的功率（P為功率，單位為kW）。將有關(guān)值代入可計算出計算機的功率為

注意：計算機硬件配置不同，功率不同，運行程序時較不運行程序時消耗功率更大。

用上述方法不但可以測量電器的功率，還可以檢驗電能表計量的準(zhǔn)確性。在檢驗電能表時，先找一個標(biāo)注準(zhǔn)確的100W燈泡，然后用測量計算機功率的方法測量并計算燈泡的功率，若計算的功率與燈泡標(biāo)注的功率相同，則說明電能表計量準(zhǔn)確，否則計量不準(zhǔn)確。

3.3.4　電子式電能表

電子式電能表的內(nèi)部采用電子電路構(gòu)成測量電路來對電能進行測量。與機械式電能表相比，電子式電能表具有精度高、可靠性好、功耗低、過載能力強、體積小和質(zhì)量輕等優(yōu)點。有的電子式電能表采用一些先進的電子測量電路，可以實現(xiàn)很多智能化的電能測量功能。常見的電子式電能表有普通電子式電能表、電子式預(yù)付費電能表和電子式多費率電能表等。

1．普通電子式電能表

普通電子式電能表采用電子測量電路來對電能進行測量。根據(jù)顯示方式來分，它可以分為滾輪顯示電能表和液晶顯示電能表。兩種類型的電子式電能表和滾輪顯示電子電能表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-25所示。

滾輪顯示電子式電能表內(nèi)部沒有鋁盤，不能帶動滾輪計數(shù)器，采用一個小型步進電動機。在測量時，電能表每通過一定的電量，測量電路會產(chǎn)生一個脈沖。該脈沖去驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)一定的角度，帶動滾輪計數(shù)器轉(zhuǎn)動來進行計數(shù)。圖3-25（a）所示電能表的常數(shù)為3200imp/（kW·h）[脈沖數(shù)/（千瓦·時）]，表示電能表的測量電路需要產(chǎn)生3200個脈沖才能讓滾輪計數(shù)器計量一度電，即當(dāng)電能表通過的電量為1/3200度時，測量電路才會產(chǎn)生一個脈沖去轉(zhuǎn)動滾輪計數(shù)器。

液晶顯示電子式電能表由測量電路輸出顯示信號，直接驅(qū)動液晶顯示器顯示電量數(shù)值。

電子式電能表的接線與機械式電能表基本相同，這里不再敘述，為確保接線準(zhǔn)確無誤，可查看電能表附帶的說明書。

2．電子式預(yù)付費電能表

電子式預(yù)付費電能表是一種先繳電費再用電的電能表。圖3-26就是一種電子式預(yù)付費電能表。

這種電能表內(nèi)部采用了微處理器（CPU）、存儲器、通信接口電路和繼電器等。它在使用前，要先將已充值的購電卡插入電能表的插槽，在內(nèi)部CPU的控制下，購電卡中的數(shù)據(jù)被讀入電能表的存儲器，并在顯示器上顯示可使用的電量值。在用電過程中，顯示器上的電量值根據(jù)電能的使用量而減少，當(dāng)電量值減少到0時，CPU會通過電路控制內(nèi)部繼電器開路，輸入電能表的電能因繼電器開路而無法輸出，從而切斷了用戶的供電。

根據(jù)充值方式不同，電子式預(yù)付費電能表可以分為IC卡充值式、射頻卡充值式和遠程充值式等。射頻卡充值式電能表只需將卡靠近電能表，卡內(nèi)數(shù)據(jù)即會被電能表內(nèi)的接收器讀入存儲器。遠程充值式電能表有一根通信電纜與遠處繳費中心的計算機連接，在充值時，只要在計算機中輸入充電值，計算機會通過電纜將有關(guān)數(shù)據(jù)送入電能表，從而實現(xiàn)遠程充值。

3．電子式多費率電能表

電子式多費率電能表又稱分時計費電能表，可以實現(xiàn)不同時段執(zhí)行不同的計費標(biāo)準(zhǔn)。圖3-27是一種電子式多費率電能表。這種電能表依靠內(nèi)部的單片機進行分時段計費控制，可以顯示峰、平、谷電量和總電量等數(shù)據(jù)。

4．電子式電能表與機械式電能表的區(qū)別

機械式電能表與電子式電能表如圖3-28所示。兩種電能表可以從以下幾個方面進行區(qū)分。

①查看面板上有無鋁盤。電子式電能表沒有鋁盤，而機械式電能表面板上可以看到鋁盤。

②查看面板型號。電子式電能表型號的第3位含有S字母，而機械式電能表沒有，如DDS879為電子式電能表。

③查看電表常數(shù)單位。電子式電能表的常數(shù)單位為imp/（k·Wh）［脈沖數(shù)/（千瓦·時）］，機械式電能表的常數(shù)單位為r/（kW·h）［轉(zhuǎn)數(shù)/（千瓦·時）］。

3.3.5　電能表型號與銘牌含義

1．型號含義

電能表的型號一般由六部分組成，各部分意義如下。

①類別代號：D—電能表。

②組別代號：A—安培小時計；B—標(biāo)準(zhǔn)；D—單相電能表；F—伏特小時計；J—直流；S—三相三線；T—三相四線；X—無功。

③功能代號：F—分時計費；S—電子式；Y—預(yù)付費式；D—多功能；M—脈沖式；Z—最大需量。

④設(shè)計序號：一般用數(shù)字表示。

⑤改進序號：一般用漢語拼音字母表示。

⑥派生代號：T—濕熱、干熱兩用；TH—濕熱專用；TA—干熱專用；G—高原用；H—船用；F—化工防腐。

電能表的形式和功能有很多，各廠家在型號命名上也不盡完全相同，大多數(shù)電能表只用兩個字母表示功能和用途，一些特殊功能或電子式的電能表也有用三個字母表示的。

舉例如下。

①DD28表示單相電能表。D—電能表，D—單相，28—設(shè)計序號。

②DS862表示三相三線有功電能表。D—電能表，S—三相三線，86—設(shè)計序號，2—改進序號。

③DX8表示無功電能表。D—電能表，X—無功，8—設(shè)計序號。

④DTD18表示三相四線有功多功能電能表。D—電能表，T—三相四線，D—多功能，18—設(shè)計序號。

2．銘牌含義

電能表銘牌通常含有以下內(nèi)容。

①計量單位名稱或符號。有功電能表為“kW·h（千瓦·時），無功電能表為“kvar·h（千乏·時）”。

②電量計數(shù)器窗口。整數(shù)位和小數(shù)位用不同顏色區(qū)分，窗口各字輪均有倍乘系數(shù)，如×1000、×100、×10、×1、×0.1。

③標(biāo)定電流和額定最大電流。標(biāo)定電流（又稱基本電流）是指用于確定電能表有關(guān)特性的電流值，該值越小，電能表越容易啟動；額定最大電流是指儀表能滿足規(guī)定計量準(zhǔn)確度的最大電流值。當(dāng)電能表通過的電流在標(biāo)定電流和額定最大電流之間時，電能計量準(zhǔn)確；當(dāng)電流小于標(biāo)定電流值或大于額定最大電流值時，電能計量準(zhǔn)確度會下降。一般情況下，不允許流過電能表的電流長時間大于額定最大電流。

④工作電壓。電能表所接電源的電壓。單相電能表以電壓電路接線端的電壓表示，如220V；三相三線電能表以相數(shù)乘以線電壓表示，如3×380V；三相四線電能表以相數(shù)乘以相電壓/線電壓表示，如3×220/380V。

⑤工作頻率。電能表所接電源的工作頻率。

⑥電表常數(shù)。電表常數(shù)是指電能表記錄的電能和相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)或脈沖數(shù)之間關(guān)系的常數(shù)。機械式電能表以r/（kW·h）［轉(zhuǎn)數(shù)/（千瓦·時）］為單位，表示計量1千瓦·時（1度電）電量時的鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)，電子式電能表以imp/（kW·h）［脈沖數(shù)/（千瓦·時）］為單位。

⑦型號。

⑧制造廠名。

圖3-29為電能表銘牌含義說明。