3.3　电能表

电能表又称电度表，是一种用来计算用电量（电能）的测量仪表。电能表可分为单相电能表和三相电能表，分别用在单相和三相交流电路中。

3.3.1　电能表的结构与原理

根据工作方式不同，电能表可分为感应式和电子式两种。电子式电能表是利用电子电路驱动计数机构来对电能进行计数的。感应式电能表是利用电磁感应产生力矩来驱动计数机构对电能进行计数的。感应式电能表由于成本低、结构简单而被广泛应用。

单相电能表（感应式）的外形及内部结构如图3-17所示。

从图3-17（b）中可以看出，单相电能表内部垂直方向有一个铁芯，铁芯中间夹有一个铝盘，铁芯上绕着线径小、匝数多的电压线圈，在铝盘的下方水平放置一个铁芯，铁芯上绕有线径粗、匝数少的电流线圈。当电能表按图示的方法与电源及负载连接好后，电压线圈和电流线圈均有电流通过并都产生磁场，它们的磁场分别通过垂直和水平方向的铁芯作用于铝盘，铝盘受力转动，铝盘中央的转轴也随之转动，它通过传动齿轮驱动计数器计数。如果电源电压高、流向负载的电流大，则两个线圈产生的磁场强，铝盘转速快，通过转轴、齿轮驱动计数器的计数速度快，计数出来的电量更多。永久磁铁的作用是让铝盘运转保持平衡。

三相三线式电能表内部结构如图3-18所示。从图中可以看出，三相三线式电能表有两组与单相电能表一样的元件，这两组元件公用一根转轴、减速齿轮和计数器，在工作时，两组元件的铝盘共同带动转轴运转，通过齿轮驱动计数器进行计数。

三相四线式电能表的结构与三相三线式电能表类似，但它内部有三组元件共同来驱动计数机构。

3.3.2　电能表的接线方式

电能表在使用时，要与线路正确连接才能正常工作，如果连接错误，轻则出现电量计数错误，重则会烧坏电能表。在接线时，除要注意一般的规律外，还要认真查看电能表接线说明图，按照说明图来接线。

1．单相电能表的接线

单相电能表的接线如图3-19所示。

图3-19（b）中圆圈上的粗水平线表示电流线圈，其线径粗、匝数少、阻值小（接近零欧），在接线时，要串接在电源相线和负载之间；圆圈上的细垂直线表示电压线圈，其线径细、匝数多、阻值大（用万用表电阻挡测量时为几百至几千欧），在接线时，要接在电源相线和零线之间。另外，电能表电压线圈、电流线圈的电源端（该端一般标有圆点）应共同接电源进线。

2．三相电能表的接线方式

三相电能表可分为三相三线式电能表和三相四线式电能表，接线方式如图3-20所示。

3．在大电流高电压电路中的电能表接线方式

在使用电能表时，要求所接电路的电压和电流不能超过电能表的额定电压和额定电流。如果希望容量小的电能表也能测量大电流和高电压电路的电能，则可在电路与电能表之间加接电压互感器和电流互感器。

（1）电压互感器

电压互感器是一种能将交流电压升高或降低的器件，外形与结构如图3-21（a）、（b）所示，工作原理说明如图3-21（c）所示。

从图中可以看出，电压互感器由两组线圈绕在铁芯上构成，一组线圈（可称作初级线圈或一次绕组，其匝数为N1）并接在电源线上，另一组线圈（可称作次级线圈或二次绕组，其匝数为N2）接有一个电压表。当电源电压加到初级线圈时，该线圈产生磁场，磁场通过铁芯穿过次级线圈，次级线圈两端即产生电压。电压互感器的初级线圈电压U1与次级线圈电压U2有下面的关系：

从上面的式子可以看出，电压互感器线圈两端的电压与匝数成正比，即匝数多的线圈两端的电压高，匝数少的线圈两端电压低，N1/N2称为变压比。

因此，当电能表接在高电压电路中时，应在电能表与电路之间接电压互感器，匝数多的线圈并接在电源线上，匝数少的线圈与电能表内部的电压线圈并接。

（2）电流互感器

电流互感器是一种能增大或减小交流电流的器件，外形与工作原理说明如图3-22所示。

从图3-22（b）中可以看出，电流互感器与电压互感器结构基本相同，不同主要在于电压互感器的一组线圈并接在电源线上，而电流互感器的一组线圈串接在一根电源线上。当有电流流过初级线圈时，线圈产生磁场，磁场通过铁芯穿过次级线圈，次级线圈两端有电压产生，与线圈连接的电流表有电流流过。对于穿心式电流互感器，直接将穿心（孔）而过的电源线作为一次绕组，二次绕组接电流表。

电流互感器的初级线圈电流I1与次级线圈电流I2有下面的关系：

从上面的式子可以看出，线圈流过的电流大小与匝数成反比，即匝数多的线圈流过的电流小，匝数少的线圈流过的电流大，N2/N1称为变流比。

因此，当电能表接在大电流电路中时，应在电能表与电路之间接电流互感器，匝数少的线圈串接在电源线上，匝数多的线圈与电能表内部的电流线圈并接。

（3）电能表在大电流电路中的接线方式

当电能表需用在大电流电路中时，可在电源线与电能表之间加接电流互感器。图3-23是几种在大电流电路中的电能表接线方式。其中，图3-23（a）为单相电能表的接线方式，图3-23（b）为三相三线式电能表的接线方式，图3-23（c）为三相四线式电能表的接线方式。

在电能表与电流互感器配合来测量电路电量时，电能表测得的值并不是电路的实际用电量，实际用电量应等于电能表的值与电流互感器的变流比（N2/N1）的乘积。

以图3-23（a）为例，若电流互感器的变流比为400/5，电能表一天变化值为10kW·h，那么负载一天实际消耗电能为10kW·h×400/5=800kW·h。

（4）电能表在大电流、高电压电路中的接线方式

当电能表需用在大电流、高电压电路中时，可在电源线与电能表之间加接电流互感器和电压互感器。图3-24是单相电能表在大电流、高电压电路中的接线方式。

在电能表与电流互感器、电压互感器配合使用时，电能表测得的值并不是电路的实际用电量，实际用电量应等于电能表的值、电流互感器的变流比和电压互感器的变压比三者的乘积。

3.3.3　用电能表测量电器的功率

有些电器标有功率大小，如灯泡；也有些电器没有标出功率，如计算机；还有些电器有多个挡位，虽然标出了功率，但它只是其中一个挡的功率，如电风扇。对于后面两种类型的电器，可以借助电能表来测量它们的功率。

下面以测量一台计算机工作时的功率为例来说明，详细过程如下。

①查看电能表的常数R。以图3-17（a）所示的电能表为例，它的常数R为600r/（kW·h）[即600转/（千瓦·时）]，即当电能表转盘旋转600圈时计得的电量为1kW·h（即1度电）。

②关掉电能表接的所有电器，仅让计算机开机工作。

③观察并记录电能表转盘旋转的圈数r和所用的时间t。在记录时，圈数应为整数，圈数越多，测量会更准确，这里假设r=9、t=360s。

④利用公式P=3600r/tR计算计算机的功率（P为功率，单位为kW）。将有关值代入可计算出计算机的功率为

注意：计算机硬件配置不同，功率不同，运行程序时较不运行程序时消耗功率更大。

用上述方法不但可以测量电器的功率，还可以检验电能表计量的准确性。在检验电能表时，先找一个标注准确的100W灯泡，然后用测量计算机功率的方法测量并计算灯泡的功率，若计算的功率与灯泡标注的功率相同，则说明电能表计量准确，否则计量不准确。

3.3.4　电子式电能表

电子式电能表的内部采用电子电路构成测量电路来对电能进行测量。与机械式电能表相比，电子式电能表具有精度高、可靠性好、功耗低、过载能力强、体积小和质量轻等优点。有的电子式电能表采用一些先进的电子测量电路，可以实现很多智能化的电能测量功能。常见的电子式电能表有普通电子式电能表、电子式预付费电能表和电子式多费率电能表等。

1．普通电子式电能表

普通电子式电能表采用电子测量电路来对电能进行测量。根据显示方式来分，它可以分为滚轮显示电能表和液晶显示电能表。两种类型的电子式电能表和滚轮显示电子电能表的内部结构如图3-25所示。

滚轮显示电子式电能表内部没有铝盘，不能带动滚轮计数器，采用一个小型步进电动机。在测量时，电能表每通过一定的电量，测量电路会产生一个脉冲。该脉冲去驱动电动机旋转一定的角度，带动滚轮计数器转动来进行计数。图3-25（a）所示电能表的常数为3200imp/（kW·h）[脉冲数/（千瓦·时）]，表示电能表的测量电路需要产生3200个脉冲才能让滚轮计数器计量一度电，即当电能表通过的电量为1/3200度时，测量电路才会产生一个脉冲去转动滚轮计数器。

液晶显示电子式电能表由测量电路输出显示信号，直接驱动液晶显示器显示电量数值。

电子式电能表的接线与机械式电能表基本相同，这里不再叙述，为确保接线准确无误，可查看电能表附带的说明书。

2．电子式预付费电能表

电子式预付费电能表是一种先缴电费再用电的电能表。图3-26就是一种电子式预付费电能表。

这种电能表内部采用了微处理器（CPU）、存储器、通信接口电路和继电器等。它在使用前，要先将已充值的购电卡插入电能表的插槽，在内部CPU的控制下，购电卡中的数据被读入电能表的存储器，并在显示器上显示可使用的电量值。在用电过程中，显示器上的电量值根据电能的使用量而减少，当电量值减少到0时，CPU会通过电路控制内部继电器开路，输入电能表的电能因继电器开路而无法输出，从而切断了用户的供电。

根据充值方式不同，电子式预付费电能表可以分为IC卡充值式、射频卡充值式和远程充值式等。射频卡充值式电能表只需将卡靠近电能表，卡内数据即会被电能表内的接收器读入存储器。远程充值式电能表有一根通信电缆与远处缴费中心的计算机连接，在充值时，只要在计算机中输入充电值，计算机会通过电缆将有关数据送入电能表，从而实现远程充值。

3．电子式多费率电能表

电子式多费率电能表又称分时计费电能表，可以实现不同时段执行不同的计费标准。图3-27是一种电子式多费率电能表。这种电能表依靠内部的单片机进行分时段计费控制，可以显示峰、平、谷电量和总电量等数据。

4．电子式电能表与机械式电能表的区别

机械式电能表与电子式电能表如图3-28所示。两种电能表可以从以下几个方面进行区分。

①查看面板上有无铝盘。电子式电能表没有铝盘，而机械式电能表面板上可以看到铝盘。

②查看面板型号。电子式电能表型号的第3位含有S字母，而机械式电能表没有，如DDS879为电子式电能表。

③查看电表常数单位。电子式电能表的常数单位为imp/（k·Wh）［脉冲数/（千瓦·时）］，机械式电能表的常数单位为r/（kW·h）［转数/（千瓦·时）］。

3.3.5　电能表型号与铭牌含义

1．型号含义

电能表的型号一般由六部分组成，各部分意义如下。

①类别代号：D—电能表。

②组别代号：A—安培小时计；B—标准；D—单相电能表；F—伏特小时计；J—直流；S—三相三线；T—三相四线；X—无功。

③功能代号：F—分时计费；S—电子式；Y—预付费式；D—多功能；M—脉冲式；Z—最大需量。

④设计序号：一般用数字表示。

⑤改进序号：一般用汉语拼音字母表示。

⑥派生代号：T—湿热、干热两用；TH—湿热专用；TA—干热专用；G—高原用；H—船用；F—化工防腐。

电能表的形式和功能有很多，各厂家在型号命名上也不尽完全相同，大多数电能表只用两个字母表示功能和用途，一些特殊功能或电子式的电能表也有用三个字母表示的。

举例如下。

①DD28表示单相电能表。D—电能表，D—单相，28—设计序号。

②DS862表示三相三线有功电能表。D—电能表，S—三相三线，86—设计序号，2—改进序号。

③DX8表示无功电能表。D—电能表，X—无功，8—设计序号。

④DTD18表示三相四线有功多功能电能表。D—电能表，T—三相四线，D—多功能，18—设计序号。

2．铭牌含义

电能表铭牌通常含有以下内容。

①计量单位名称或符号。有功电能表为“kW·h（千瓦·时），无功电能表为“kvar·h（千乏·时）”。

②电量计数器窗口。整数位和小数位用不同颜色区分，窗口各字轮均有倍乘系数，如×1000、×100、×10、×1、×0.1。

③标定电流和额定最大电流。标定电流（又称基本电流）是指用于确定电能表有关特性的电流值，该值越小，电能表越容易启动；额定最大电流是指仪表能满足规定计量准确度的最大电流值。当电能表通过的电流在标定电流和额定最大电流之间时，电能计量准确；当电流小于标定电流值或大于额定最大电流值时，电能计量准确度会下降。一般情况下，不允许流过电能表的电流长时间大于额定最大电流。

④工作电压。电能表所接电源的电压。单相电能表以电压电路接线端的电压表示，如220V；三相三线电能表以相数乘以线电压表示，如3×380V；三相四线电能表以相数乘以相电压/线电压表示，如3×220/380V。

⑤工作频率。电能表所接电源的工作频率。

⑥电表常数。电表常数是指电能表记录的电能和相应的转数或脉冲数之间关系的常数。机械式电能表以r/（kW·h）［转数/（千瓦·时）］为单位，表示计量1千瓦·时（1度电）电量时的铝盘的转数，电子式电能表以imp/（kW·h）［脉冲数/（千瓦·时）］为单位。

⑦型号。

⑧制造厂名。

图3-29为电能表铭牌含义说明。