遠(yuǎn)距離輸電演示儀的設(shè)計與制作

歐陽琪　李榮霞　謝煥杰　李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東　廣州　510006)

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遠(yuǎn)距離輸電演示儀的設(shè)計與制作

歐陽琪李榮霞謝煥杰李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東廣州510006)

摘要：通過設(shè)計遠(yuǎn)距離輸電演示儀,演示交流輸電時采用高、低壓輸電的損耗差異,使學(xué)生形象直觀地理解提高輸電電壓對減少輸電損耗的意義,同時向?qū)W生展示高壓直流輸電這一現(xiàn)代輸電技術(shù)的優(yōu)勢.

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離輸電;高壓;直流

1引言

遠(yuǎn)距離輸電是將物理學(xué)運用到工程技術(shù)的成功案例,是現(xiàn)行高中教材中既具有較高知識價值,又具有重要的實用價值并且符合STS理念的教學(xué)內(nèi)容[1].該節(jié)內(nèi)容的教學(xué)重、難點為理解高壓輸電是減少輸電過程功率和電壓損失的切實可行的措施[2].當(dāng)前大部分教師采用理論推導(dǎo)這一教學(xué)手段,由于缺少形象直觀的演示,學(xué)生不能很好地理解采用高壓輸電的本質(zhì)原因.

針對遠(yuǎn)距離輸電的教學(xué)難點,筆者設(shè)計了遠(yuǎn)距離輸電演示儀.通過小燈泡的亮暗直觀表現(xiàn)了交流輸電時采用高、低壓輸電的電能損耗,使學(xué)生看到高壓輸電對減少輸電損耗的意義.此外還設(shè)計了直流高壓輸電裝置,使學(xué)生對現(xiàn)代輸電技術(shù)有所了解[3].

2實驗裝置

圖1

如圖1所示,遠(yuǎn)距離輸電演示儀由低壓輸電、高壓輸電及直流輸電三部分組成.均采用交流6V作為輸入電壓,其中高壓輸電有三個變壓檔位,分別是交流12V、36V、72V,采用電爐絲模擬輸電導(dǎo)線,采用燈泡模擬用戶端；直流輸電采用直流36V作為傳輸電壓,由整流設(shè)備、逆變設(shè)備等組成.

3實驗原理

3.1實驗原理圖

實驗原理如圖2所示.

圖2

3.2高低壓輸電原理

參照實際遠(yuǎn)距離輸電的主要過程,模擬發(fā)電廠產(chǎn)生一定大小的交流電壓,通過升壓系統(tǒng),把電路中的電壓升高到某一數(shù)值,經(jīng)過遠(yuǎn)距離電線的傳輸后,再經(jīng)過降壓,把傳輸過來的高壓電降低至用戶所需的正常電壓,最后供用戶使用[4].

為說明遠(yuǎn)距離輸電過程中升降壓的必要性和優(yōu)越性,本教具中設(shè)置了對比實驗,通過低壓傳輸?shù)姆绞綄l(fā)電廠產(chǎn)生的低壓電直接通過遠(yuǎn)距離的導(dǎo)線傳輸?shù)接脩?在此過程由于導(dǎo)線具有較大的阻值,在傳輸過程中發(fā)熱而損耗大部分的電能.

3.3直流輸電原理

由于導(dǎo)線也具有電容和電感,當(dāng)交流輸電功率很大時,電容和電感引起的電能損失較大,此時采用直流高壓輸電損耗較少.直流輸電是將發(fā)電廠電壓升壓后輸送到整流設(shè)備進(jìn)行高壓交流轉(zhuǎn)換成高壓直流后進(jìn)行傳輸,逆變設(shè)備再將直流逆變?yōu)榻涣?通過變壓器將高壓交流電降壓成低壓交流電供給用戶使用.

4裝置制作

4.1制作材料

木板2塊(75cm×95cm、40cm×115cm)、10V交流電壓表4個、10V直流電壓表1個、自定制變壓器三個(220V轉(zhuǎn)6V、6V轉(zhuǎn)36V、6V轉(zhuǎn)72V)、1000W電爐絲1根、燈座燈泡9個、交直轉(zhuǎn)換模塊芯片、印刷銅板、杜邦線、電容若干、開關(guān)電源、香蕉桿若干、開關(guān)、螺絲釘、油性筆、玻璃膠、AB膠等.

4.2制作過程

(1) 根據(jù)原理設(shè)計遠(yuǎn)距離輸電演示儀電路,排布各元件.

(2) 選擇兩塊大小合適的木板,在元件相應(yīng)排布位置打孔后將元件放在相應(yīng)位置并鎖緊.用導(dǎo)線連接各元器件間電路,用絕緣膠布封好裸露電線，做好絕緣安全工作.

(3) 標(biāo)注各個模塊名稱.

5裝置用途

本裝置幾乎覆蓋了遠(yuǎn)距離輸電教學(xué)過程中的所有知識點的探究和演示,利用演示儀上的電壓轉(zhuǎn)換插孔、燈泡開關(guān)、輸電線上的導(dǎo)線插槽等,教師可根據(jù)自己課堂需要,自行選擇相應(yīng)模塊向?qū)W生演示,以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果.

5.1定性、定量分析比較高低壓輸電的損耗大小

如圖3所示,選擇高壓輸電任意一個檔位(如交流36V),閉合電源開關(guān),在高低壓輸電裝置中依次合上燈泡開關(guān),可觀察到,隨著用戶端亮燈盞數(shù)的增加,低壓輸電的燈泡逐漸變暗，其用戶端電壓表示數(shù)以較大幅度不斷減小；高壓輸電的燈泡亮度較亮于低壓輸電的燈泡亮度,隨著亮燈的盞數(shù)的增加,燈泡亮度變化較小,用戶端電壓表示數(shù)以較小幅度下降.說明使用任意一種輸電方式,在輸送過程中均會發(fā)生電能的損耗,而低壓輸電方式產(chǎn)生的電能損耗更大.

圖3

另外,在閉合燈泡開關(guān)的同時觀察四個電壓表示數(shù)變化,可以定量分析出高低壓輸電損耗大小.

5.2驗證在遠(yuǎn)距離輸電過程中距離越遠(yuǎn)損耗越大

如圖4所示,在低壓輸電裝置中,電阻絲上設(shè)置了一系列等間距插槽,依次將燈泡從距發(fā)電站由近及遠(yuǎn)插入插槽中,可以明顯觀察到燈泡由亮變暗,從而論證距離越遠(yuǎn)、輸電損耗越大這一知識點.

圖4

5.3驗證在遠(yuǎn)距離輸電過程中傳輸電壓越高損耗越小

由P=UI可知,當(dāng)輸送功率一定的情況下,輸送電壓U越大,則導(dǎo)線上的電流I越小,則由公式P=I2R得,在導(dǎo)線上的損耗的電能越小(導(dǎo)線電阻不變).

選用高壓輸電模塊,分別將接線柱接入12V、36V、72V,如圖5所示,依次觀察燈泡亮度和電壓表示數(shù)變化,可以看到,選擇輸送電壓越高,燈泡亮度越亮,電壓表示數(shù)也逐漸增大,說明隨著輸電電壓的升高,輸送過程中損耗的電能減少,即實際到達(dá)用戶端的電能越大.從而可以從定性和定量兩個角度驗證輸送電壓越高、損耗越小這一知識點.

低壓6V,高壓12V

低壓6V,高壓36V

低壓6V,高壓72V圖5

5.4演示直流輸電及對三種輸電方式進(jìn)行比較

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,直流輸電以其損耗低的優(yōu)勢受到人們的關(guān)注,因此本裝置特別為學(xué)生科普了該知識.

如圖6所示，高壓輸電采用交流36V電壓檔,直流輸電采用直流36V,低壓輸電為交流6V進(jìn)行傳輸,均閉合一盞燈泡,觀察燈泡亮度可以直觀看出直流輸電的優(yōu)勢.

圖6

另外,直流輸電部分展示了直流輸電的基本原理,結(jié)合課本內(nèi)容向?qū)W生介紹直流輸電的基本原理,將理論知識運用于實踐,緊跟科技前沿.

6設(shè)計理念及特點

利用遠(yuǎn)距離輸電演示儀為學(xué)生學(xué)習(xí)該節(jié)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境,真正實現(xiàn)了教具輔助課堂教學(xué)的作用,為學(xué)生的物理學(xué)習(xí)提供感性素材.通過生動有趣的實驗現(xiàn)象,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.而直流輸電部分的設(shè)計,更是體現(xiàn)了基礎(chǔ)與前沿、理論與應(yīng)用的有機結(jié)合這一教學(xué)理念.

此外,該教具涵蓋了該節(jié)知識的所有內(nèi)容,教師可依據(jù)自身課程設(shè)計選擇演示的先后順序,因此該演示儀還具有交互性強、教學(xué)應(yīng)用性強等特點.

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙淑梅,楊會靜,孫立萍.遠(yuǎn)距離輸電演示實驗設(shè)計與研究[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報,2007,(5):20-22.

[2] 朱茂,岑天慶.模擬遠(yuǎn)距離輸電的直觀教學(xué)設(shè)計[J].物理教學(xué),2014,(12):14-15.

[3] 保宗悌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-2[M].廣東:廣東教育出版社,2007.

[4] 梁旭明,張平,常勇.高壓直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,(4):1-9.