远距离输电演示仪的设计与制作

欧阳琪　李荣霞　谢焕杰　李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东　广州　510006)



远距离输电演示仪的设计与制作

欧阳琪李荣霞谢焕杰李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510006)

摘要：通过设计远距离输电演示仪,演示交流输电时采用高、低压输电的损耗差异,使学生形象直观地理解提高输电电压对减少输电损耗的意义,同时向学生展示高压直流输电这一现代输电技术的优势.

关键词：远距离输电;高压;直流

1引言

远距离输电是将物理学运用到工程技术的成功案例,是现行高中教材中既具有较高知识价值,又具有重要的实用价值并且符合STS理念的教学内容[1].该节内容的教学重、难点为理解高压输电是减少输电过程功率和电压损失的切实可行的措施[2].当前大部分教师采用理论推导这一教学手段,由于缺少形象直观的演示,学生不能很好地理解采用高压输电的本质原因.

针对远距离输电的教学难点,笔者设计了远距离输电演示仪.通过小灯泡的亮暗直观表现了交流输电时采用高、低压输电的电能损耗,使学生看到高压输电对减少输电损耗的意义.此外还设计了直流高压输电装置,使学生对现代输电技术有所了解[3].

2实验装置

图1

如图1所示,远距离输电演示仪由低压输电、高压输电及直流输电三部分组成.均采用交流6V作为输入电压,其中高压输电有三个变压档位,分别是交流12V、36V、72V,采用电炉丝模拟输电导线,采用灯泡模拟用户端；直流输电采用直流36V作为传输电压,由整流设备、逆变设备等组成.

3实验原理

3.1实验原理图

实验原理如图2所示.

图2

3.2高低压输电原理

参照实际远距离输电的主要过程,模拟发电厂产生一定大小的交流电压,通过升压系统,把电路中的电压升高到某一数值,经过远距离电线的传输后,再经过降压,把传输过来的高压电降低至用户所需的正常电压,最后供用户使用[4].

为说明远距离输电过程中升降压的必要性和优越性,本教具中设置了对比实验,通过低压传输的方式将发电厂产生的低压电直接通过远距离的导线传输到用户,在此过程由于导线具有较大的阻值,在传输过程中发热而损耗大部分的电能.

3.3直流输电原理

由于导线也具有电容和电感,当交流输电功率很大时,电容和电感引起的电能损失较大,此时采用直流高压输电损耗较少.直流输电是将发电厂电压升压后输送到整流设备进行高压交流转换成高压直流后进行传输,逆变设备再将直流逆变为交流,通过变压器将高压交流电降压成低压交流电供给用户使用.

4装置制作

4.1制作材料

木板2块(75cm×95cm、40cm×115cm)、10V交流电压表4个、10V直流电压表1个、自定制变压器三个(220V转6V、6V转36V、6V转72V)、1000W电炉丝1根、灯座灯泡9个、交直转换模块芯片、印刷铜板、杜邦线、电容若干、开关电源、香蕉杆若干、开关、螺丝钉、油性笔、玻璃胶、AB胶等.

4.2制作过程

(1) 根据原理设计远距离输电演示仪电路,排布各元件.

(2) 选择两块大小合适的木板,在元件相应排布位置打孔后将元件放在相应位置并锁紧.用导线连接各元器件间电路,用绝缘胶布封好裸露电线，做好绝缘安全工作.

(3) 标注各个模块名称.

5装置用途

本装置几乎覆盖了远距离输电教学过程中的所有知识点的探究和演示,利用演示仪上的电压转换插孔、灯泡开关、输电线上的导线插槽等,教师可根据自己课堂需要,自行选择相应模块向学生演示,以达到预期教学效果.

5.1定性、定量分析比较高低压输电的损耗大小

如图3所示,选择高压输电任意一个档位(如交流36V),闭合电源开关,在高低压输电装置中依次合上灯泡开关,可观察到,随着用户端亮灯盏数的增加,低压输电的灯泡逐渐变暗，其用户端电压表示数以较大幅度不断减小；高压输电的灯泡亮度较亮于低压输电的灯泡亮度,随着亮灯的盏数的增加,灯泡亮度变化较小,用户端电压表示数以较小幅度下降.说明使用任意一种输电方式,在输送过程中均会发生电能的损耗,而低压输电方式产生的电能损耗更大.

图3

另外,在闭合灯泡开关的同时观察四个电压表示数变化,可以定量分析出高低压输电损耗大小.

5.2验证在远距离输电过程中距离越远损耗越大

如图4所示,在低压输电装置中,电阻丝上设置了一系列等间距插槽,依次将灯泡从距发电站由近及远插入插槽中,可以明显观察到灯泡由亮变暗,从而论证距离越远、输电损耗越大这一知识点.

图4

5.3验证在远距离输电过程中传输电压越高损耗越小

由P=UI可知,当输送功率一定的情况下,输送电压U越大,则导线上的电流I越小,则由公式P=I2R得,在导线上的损耗的电能越小(导线电阻不变).

选用高压输电模块,分别将接线柱接入12V、36V、72V,如图5所示,依次观察灯泡亮度和电压表示数变化,可以看到,选择输送电压越高,灯泡亮度越亮,电压表示数也逐渐增大,说明随着输电电压的升高,输送过程中损耗的电能减少,即实际到达用户端的电能越大.从而可以从定性和定量两个角度验证输送电压越高、损耗越小这一知识点.

低压6V,高压12V

低压6V,高压36V

低压6V,高压72V图5

5.4演示直流输电及对三种输电方式进行比较

随着现代科技的发展,直流输电以其损耗低的优势受到人们的关注,因此本装置特别为学生科普了该知识.

如图6所示，高压输电采用交流36V电压档,直流输电采用直流36V,低压输电为交流6V进行传输,均闭合一盏灯泡,观察灯泡亮度可以直观看出直流输电的优势.

图6

另外,直流输电部分展示了直流输电的基本原理,结合课本内容向学生介绍直流输电的基本原理,将理论知识运用于实践,紧跟科技前沿.

6设计理念及特点

利用远距离输电演示仪为学生学习该节教学内容创设学习情境,真正实现了教具辅助课堂教学的作用,为学生的物理学习提供感性素材.通过生动有趣的实验现象,激发学生的学习兴趣.而直流输电部分的设计,更是体现了基础与前沿、理论与应用的有机结合这一教学理念.

此外,该教具涵盖了该节知识的所有内容,教师可依据自身课程设计选择演示的先后顺序,因此该演示仪还具有交互性强、教学应用性强等特点.

参考文献：

[1] 赵淑梅,杨会静,孙立萍.远距离输电演示实验设计与研究[J].唐山师范学院学报,2007,(5):20-22.

[2] 朱茂,岑天庆.模拟远距离输电的直观教学设计[J].物理教学,2014,(12):14-15.

[3] 保宗悌.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2[M].广东:广东教育出版社,2007.

[4] 梁旭明,张平,常勇.高压直流输电技术现状及发展前景[J].电网技术,2012,(4):1-9.