高低壓輸電線路比較演示器

王帥

摘 要：提高輸電電壓，是減少遠距離輸電過程中電能損失的最有效的辦法。

關鍵詞：高壓輸電；減少能量損失；升壓變壓器；降壓變壓器

研究背景及意義：學習了歐姆定律知識后，同學們對提高電壓，電流會增大印象很深刻，而對于遠距離輸電過程中利用提高電壓的辦法能大大減少在輸送過程中電能的損失感覺理解不透，形成了認知上的誤區。在電力工業迅猛發展的今天，能源短缺的情況下，作為高中生我們應該了解如何用電才能更加節能。通過上網查找資料，與老師探討弄清了其中的道理，并激發了我的研究興趣。因此我與同學動手共同研制了高低壓輸電線路比較演示器。在此過程中鍛煉了我們的創新意識和實踐操作能力，同時也增強我們學習物理知識的興趣。

研究目標：直觀顯示對比高、低壓輸電線路區別，體現高壓輸電的節能優越性，方便初高中生對遠距離輸電過程中高壓輸電可以減少電能損失問題的研究和理解。

研究過程及應用原理：

一、輸送電能的基本要求是： 可靠、保質、經濟

可靠：是指保證供電線路可靠地工作，少有故障和停電。

保質：就是保證電能的質量，即電壓和頻率穩定。

經濟：是指輸電線路建造和運行的費用低，電能損耗小。

電能輸送的示意圖

二、輸電線上的功率損失

（一）為什么輸電線上有電能損失？

用導線把電源和用電設備連起來就可以輸送電能了，但發電廠與用戶可能距離很遠，要把電能輸送到遠方需要架設很長的電線，由于輸電線越長，電阻越大，根據 Q=I2Rt當電流通過輸電線時，產生較多的熱量Q，這時在輸電過程中損失的大量的電能就不能忽視了。

（二）如何減少電能損失？

輸電線上損失的功率為P損失=I2R，因此可以有兩個途徑來減少輸電損失。

1）減少導線電阻，由電阻定律知 R=ρL/S。

①減小材料的電阻率ρ，銀的電阻率最小，但價格昂貴，目前選用電阻率較小的銅或鋁作輸電線。

②減小輸電線的長度L不可行，因為要保證輸電距離。

③增加導線的橫截面積，可以減小電阻。但也是有一定限度的，過粗的導線會耗費太多的金屬材料，不經濟，而且輸電線太粗、太重也會給鋪設工作帶來困難。

2）另一個途徑是減小輸電導線中的電流，因此根據P損失=I2R在導線電阻R合理確定后，減小電流是減少電能損失最有效的辦法了。而為了保證對用戶的電能的供應充足，還需要在保證輸出功率不變，根據P=UI， 電流I減小，電壓U必須提高。所以提高輸電電壓，是減少電能損失的行之有效的辦法。

根據P=UI可知輸送功率不變時，輸送電壓提高n倍，電流減小到原來的1/n，根據 P=I2R，當電流減小到原來的1/n時，則損失功率減小為原來的1/n2，這樣就大大減小了電能的損失。（以下是遠距離輸電電路示意圖）

三、動手做起來

教師在課堂上利用如右圖所示的這種高壓輸變電演示器，不直觀形象，所以許多同學對高壓輸電原理理解不透。因此一個直觀形象的效果良好的“高低壓輸電線路比較演示器”就這樣應運而生了?。ㄈ缦聢D所示

在老師的幫助下，在學校實驗室中找到了兩個小型升降壓變壓器、學生電源、帶有接頭的導線、鋁制支架、小燈泡、螺絲螺母等材料，學生電源模擬發電機，小燈泡做模擬用戶的用電器。用家里裝修時剩下的鋁合金和復合板下腳料制作底座。用什么做輸電線呢？考慮到遠距離輸電導線長電阻大，而模擬實驗輸電距離短導線短，高、低壓兩組輸電線路能量損失差別太小。所以用普通導線不行，經過一番討論，最后決定用市面上購買了電熱絲作為輸電線，原因是采用電阻率大的電熱絲，使高、低壓輸電熱損失產生明顯的區別，對比實驗效果明顯。這些實驗材料都是生活中容易找到的物品，符合當今社會“節能環保的”理念！

用同一發動機分成兩路供電，其中一個電路經升壓變壓器將電壓升高后輸送到用戶附近再經降壓變壓器降壓后使模擬用戶電燈發出了明亮的光，說明電能損失小。而另一路不變壓直接送到用電器，電燈發光非常暗淡，不能正常工作，說明輸電損失大，燈泡一明一暗兩者對比凸顯了高壓輸電的優越性，效果特別明顯。之后，調整低壓線路的發電機處的電壓使低壓線路的電燈也正常發光，再測電流電壓發現發電機電壓太高，說明直接供電是不能實現的。（發電機電壓不能太高）

雖然在制作過程遇到了好多的困難，但通過上網查詢，翻閱資料，請教老師，同學合作，困難被一一化解了，經過幾次修改，作品已初步成型，演示效果非常好。得到了老師、專家的好評。經歷了創作過程使我增長了好多見識，提高了動手操作能力。結合實際知道了大街上，各個居民小區，原野中為什么有那么多的變壓器了。我也更加熱愛物理學科了。

四、深入探索：是不是輸電電壓越高越好？

輸電電壓也不是越高越越好。電壓越高，對輸電線路以及變壓器的要求越高，建設費用越高。實際輸送電能時，要綜合考慮，如輸送功率的大小、距離遠近、技術和經濟要求等，要依照不同情況選擇合適的輸電電壓。

而采用電網供電可以在能源產地使用大容量發電機組，降低一次能源的輸送成本，獲得最大的經濟效益。同時，電網可以減少斷電風險，調劑不同地區電力供需平衡，保障供電質量。

社會在發展，科技在進步，投身于科學研究中是我最大的心愿！