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(yuǎn)距離輸電過(guò)程中電能損失的最有效的辦法。

關(guān)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(xué)習(xí)了歐姆定律知識(shí)后，同學(xué)們對(duì)提高電壓，電流會(huì)增大印象很深刻，而對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程中利用提高電壓的辦法能大大減少在輸送過(guò)程中電能的損失感覺理解不透，形成了認(rèn)知上的誤區(qū)。在電力工業(yè)迅猛發(fā)展的今天，能源短缺的情況下，作為高中生我們應(yīng)該了解如何用電才能更加節(jié)能。通過(guò)上網(wǎng)查找資料，與老師探討弄清了其中的道理，并激發(fā)了我的研究興趣。因此我與同學(xué)動(dòng)手共同研制了高低壓輸電線路比較演示器。在此過(guò)程中鍛煉了我們的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐操作能力，同時(shí)也增強(qiáng)我們學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣。

研究目標(biāo)：直觀顯示對(duì)比高、低壓輸電線路區(qū)別，體現(xiàn)高壓輸電的節(jié)能優(yōu)越性，方便初高中生對(duì)遠(yuǎn)距離輸電過(guò)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(guò)程及應(yīng)用原理：

一、輸送電能的基本要求是： 可靠、保質(zhì)、經(jīng)濟(jì)

可靠：是指保證供電線路可靠地工作，少有故障和停電。

保質(zhì)：就是保證電能的質(zhì)量，即電壓和頻率穩(wěn)定。

經(jīng)濟(jì)：是指輸電線路建造和運(yùn)行的費(fèi)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(dǎo)線把電源和用電設(shè)備連起來(lái)就可以輸送電能了，但發(fā)電廠與用戶可能距離很遠(yuǎn)，要把電能輸送到遠(yuǎn)方需要架設(shè)很長(zhǎng)的電線，由于輸電線越長(zhǎng)，電阻越大，根據(jù) Q=I2Rt當(dāng)電流通過(guò)輸電線時(shí)，產(chǎn)生較多的熱量Q，這時(shí)在輸電過(guò)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(gè)途徑來(lái)減少輸電損失。

1）減少導(dǎo)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(jià)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(zhǎng)度L不可行，因?yàn)橐ＷC輸電距離。

③增加導(dǎo)線的橫截面積，可以減小電阻。但也是有一定限度的，過(guò)粗的導(dǎo)線會(huì)耗費(fèi)太多的金屬材料，不經(jīng)濟(jì)，而且輸電線太粗、太重也會(huì)給鋪設(shè)工作帶來(lái)困難。

2）另一個(gè)途徑是減小輸電導(dǎo)線中的電流，因此根據(jù)P損失=I2R在導(dǎo)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(duì)用戶的電能的供應(yīng)充足，還需要在保證輸出功率不變，根據(jù)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(jù)P=UI可知輸送功率不變時(shí)，輸送電壓提高n倍，電流減小到原來(lái)的1/n，根據(jù) P=I2R，當(dāng)電流減小到原來(lái)的1/n時(shí)，則損失功率減小為原來(lái)的1/n2，這樣就大大減小了電能的損失。（以下是遠(yuǎn)距離輸電電路示意圖）

三、動(dòng)手做起來(lái)

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(xué)對(duì)高壓輸電原理理解不透。因此一個(gè)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(yīng)運(yùn)而生了?。ㄈ缦聢D所示

在老師的幫助下，在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中找到了兩個(gè)小型升降壓變壓器、學(xué)生電源、帶有接頭的導(dǎo)線、鋁制支架、小燈泡、螺絲螺母等材料，學(xué)生電源模擬發(fā)電機(jī)，小燈泡做模擬用戶的用電器。用家里裝修時(shí)剩下的鋁合金和復(fù)合板下腳料制作底座。用什么做輸電線呢？考慮到遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)線長(zhǎng)電阻大，而模擬實(shí)驗(yàn)輸電距離短導(dǎo)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(dǎo)線不行，經(jīng)過(guò)一番討論，最后決定用市面上購(gòu)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(chǎn)生明顯的區(qū)別，對(duì)比實(shí)驗(yàn)效果明顯。這些實(shí)驗(yàn)材料都是生活中容易找到的物品，符合當(dāng)今社會(huì)“節(jié)能環(huán)保的”理念！

用同一發(fā)動(dòng)機(jī)分成兩路供電，其中一個(gè)電路經(jīng)升壓變壓器將電壓升高后輸送到用戶附近再經(jīng)降壓變壓器降壓后使模擬用戶電燈發(fā)出了明亮的光，說(shuō)明電能損失小。而另一路不變壓直接送到用電器，電燈發(fā)光非常暗淡，不能正常工作，說(shuō)明輸電損失大，燈泡一明一暗兩者對(duì)比凸顯了高壓輸電的優(yōu)越性，效果特別明顯。之后，調(diào)整低壓線路的發(fā)電機(jī)處的電壓使低壓線路的電燈也正常發(fā)光，再測(cè)電流電壓發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電壓太高，說(shuō)明直接供電是不能實(shí)現(xiàn)的。（發(fā)電機(jī)電壓不能太高）

雖然在制作過(guò)程遇到了好多的困難，但通過(guò)上網(wǎng)查詢，翻閱資料，請(qǐng)教老師，同學(xué)合作，困難被一一化解了，經(jīng)過(guò)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(píng)。經(jīng)歷了創(chuàng)作過(guò)程使我增長(zhǎng)了好多見識(shí)，提高了動(dòng)手操作能力。結(jié)合實(shí)際知道了大街上，各個(gè)居民小區(qū)，原野中為什么有那么多的變壓器了。我也更加熱愛物理學(xué)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(duì)輸電線路以及變壓器的要求越高，建設(shè)費(fèi)用越高。實(shí)際輸送電能時(shí)，要綜合考慮，如輸送功率的大小、距離遠(yuǎn)近、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求等，要依照不同情況選擇合適的輸電電壓。

而采用電網(wǎng)供電可以在能源產(chǎn)地使用大容量發(fā)電機(jī)組，降低一次能源的輸送成本，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，電網(wǎng)可以減少斷電風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)劑不同地區(qū)電力供需平衡，保障供電質(zhì)量。

社會(huì)在發(fā)展，科技在進(jìn)步，投身于科學(xué)研究中是我最大的心愿！