农村中学可拆卸、可投屏的防触电变压器原理及远距离输电教学演示仪

叶智

研究背景

目前，高中《物理（选修3-2）》教材“交变电流”章节，“变压器原理”“远距离输电”为必讲内容。然而，教学过程中，一些教师囿于安全顾虑，考虑到教学演示的繁琐，以及室内构建特高压输电模型知识、能力的匮乏，通常不会考虑在教室内为学生展示高压电变压及远距离输电过程。采用简单观摩变压器图片、观看特高压输电视频等教学形式，容易让学生失去学习的热情与兴趣，缺少对变压器原理及特高压输电原理深层次的理解，同时也制约了教师的专业成长。

研究目的

在保证安全的前提下，改进并优化课堂教学演示实验。设计制作一个能展示变压器工作原理、远距离输电原理，可显示电学实时动态数据，能低压（0 ～ 380 伏）工作，绝缘性较好、低成本、可拆解再利用的防触电教学演示仪。通过演示仪设计、制作与运用，帮助高中生了解电力行业前景，激发学习热情，助力学生形成科学的生涯规划。

思路想法

低压模拟 通过降低起始电压，减小升压比，使用电压范围在0 ～ 380 伏之间的低压，进一步降低演示仪的触电风险。

绝缘防护 外壳采用木质和亚克力板制成，起到良好的绝缘效果。内部电路元器件采用耐压值至少超设计值130% 的器件， 内部线路接头均采用电工胶布加热缩管结合的方式达到绝缘目的。

漏电保护 使用漏电保护器保护操作人员。

急停保护 在主干电路上加装1 个急停开关，防止发生漏电短接等情况，但又未能及时断电时，操作人员或其他人员可通过按压开关快速断电，防止意外发生。

提前预制 提前预制实验演示仪器，节省教师在教室内组装的时间，同时保证安全。

线路可视 让学生能直接看见内部线路及元器件的连接方式，更容易对照所学内容厘清思路。

项目论证

实用性论证

针对高中各年级物理教师在“远距离输电”内容课堂实验展示情况的调查问卷显示：被调查的19 位教师中，仅有2 位教师在高二年级开展过视频展示，所有教师均未开展过实验展示。同时，查找网络上关于变压器及远距离输送相关演示实验、讲解的教学视频与案例，仅发现1 个相关视频。由此可知，师生通过课堂、网络等途径，均不能很好地获得相关的教学体验。

创新点论证

通过大量观察、实证与推理，目前，相关演示实验存在安全性不高（导线裸露等）、远距离输电原理讲解抽象、仪器设备简陋（器材较小、线路凌乱等）、实验结果失真（电压、电流实时变化显示不稳定、表盘较小、读数不准等）等问题。

材料耐压标准查询

通过查阅相关技术资料，比如“常见电压等级带电作业的安全距离的规定”等，计算论证确定材料耐压值范围。

耐压方案确定

真实高压输电是将低压（如220伏）变至特高压10 千伏甚至更高电压进行输送。这种情况显然不可能在教室这种人员众多的情况下进行展示。计划制作演示仪器通过降低起始电压，减小升压比，将演示电压范围控制在0 ～ 380 伏之间，进一步降低触电风险，保证仪器使用安全。

材料准备

外壳材料

第1 代演示仪，外壳材料以木质层板为主，保证绝缘性能。第2、3 代演示仪，外壳材料以木质层板加亚克力材质为主，增强绝缘性能。

内部材料

第2、3 代演示仪内部电路元器件均采用耐压值至少超设计值130%的器件。

数显电压表 第1、2 代演示仪数显电压表最高耐压值为500 伏，达到设计最大电压380 伏的130%。

多用表 第3 代演示仪中的多用表最高耐压值为750 伏，达到设计最大电压380 伏的197%。

变压器 第3 代演示仪中的变压器采用隔离控制变压器，既能防止单线触电，又能有效调控匝数变化。

内部线路 均采用横截面积至少1.5 平方毫米的实心铜线，电流最大耐受值为10 安，远超设计最大电流3.5 安。

内部线路接头 第2、3 代演示仪中均采用热缩管保护，防止漏电和短路。

漏电保护器 具有防漏电、过载和短路保护功能，额定电流为60安，远超设计最大电流3.5 安，且额定动作电流为30 毫安，能灵敏地实现快速断电，保护实验人员。

急停开关 加装于主干电路上，防止发生漏电、短接等情况，如未能及时断电，操作人员可通过快速按压及时断电，防止意外发生。

项目设计原理

变压器原理

变压器原副线圈电压之比等于匝数比。

项目制作及改进

本文重点讲解第3 代演示仪的改进过程。1—3 代演示仪相关制作与改进，共历时1 年，其中第3 代耗时1 个半月，主要分为5 个步骤。

讨论交流优缺点

总结梳理第2 代演示仪的改进点：设计木制外壳绝缘、漏电保护器防漏电防过载、瞬时急停开关、线路置于中层面板、线路端口改为公母接头、维修开口处限位断电6个方面的防触电措施。此外，还设计了透明亚克力观察窗口，方便学生观察演示仪内部线路等。

采购材料制作外壳

根据不同功能采购各种元器件，制作木质外壳。

连接改进内部线路

提前设计好内部线路图，再根据元器件位置，改进布线方式，进行线路连接，并做好线路连接头的防触电防护。

功能调试弥补瑕疵

运行并调试各项功能，改进优化设计。比如因电流互感器需要将电线夹在环形钳口内，在亚克力面板上开有电流测量口，但造成了安全隐患，经过多次改进，在内部加装了只允许线路穿过的亚克力防护盒，确保手指不能穿过缝隙到达仪器内部。

成品展示包装改进

为满足教室中后排同学观看演示，仪器设计稍大，但考虑到不方便搬运，便将仪器设计并改进成可折叠式，既保护了仪器，又便于运输。

项目拓展

本项目教学服务对象为高中理科学生。在仪器的左下角空白区域印制了拓展资讯二维码， 具体内容包含风力发电、水力发电、光伏发电、高压交流输电、高压直流输电等， 学生可通过扫描二维码，观看相关视频、了解相关信息。

项目总结

①注重教学演示与学生体验，作品安全性高。②演示变压器工作原理及远距离输电原理，操作便捷、电压电流数据投屏清晰，动态可视性强。③将变压器原理与远距离输电展示功能融为一体，可同时满足4 种课型展示所需，具有高度集成性。

课型 1. 变压器原理讲解

相比单纯的变压器图片，学生通过带蓝牙功能的多用表，将数据实时传输到手机，然后通过投屏方式，可在大屏幕上看见电流、电压的直观变化，便于主观体验，更直观理解变压器的工作原理。

课型 2. 远距离输电原理讲解

与仅观看特高压输电视频相比，学生通过更多的参与、体验，可直接对比高压输电和非高压输电的区别，更加真切感知远距离高压输电的工作原理及其优势所在。

课型 3. 远距离输电习题

学生通过亲自动手操作负载变化、匝数变化、电路损耗变化，有助于理解远距离输电动态变化，利于解答相关题型。

课型 4. 学生生涯规划

相比纯理论讲解电力方面生涯规划，学生可直观感受高压输电魅力，容易产生对电力产业、乃至电学领域的学习与专业发展的兴趣与动力，利于形成科学的生涯规划。

该项目获得第37 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖