恒定输送功率下高低压输电定量对比实验改进

李亭亭

(张家港市乐余高级中学 江苏 苏州 215621)

高压输电和低压输电时输电线上的功率损耗对比分析，是高中物理中一个较为重要的教学知识点．虽然高压输电在生活很常见，但学生难于在生活中体验到高压输电相对低压输电的优越性，因此创设生动的物理情境，在课堂上做好高低压输电的线路损耗对比实验，让学生深刻体验并进行理论分析，是非常有必要的．

1 已有同类作品的不足之处

图1是高中物理教学中典型的高压输电原理图，现有的同类教具基本都依据该电路而制作．笔者检索分析了一些同类教具和实验设计[1]，发现现有同类器材普遍存在以下3个不足之处.

图1 高压输电原理

(1)无法在保持输送功率相同的前提下进行高低压输电定量对比演示

高中物理课堂教学中和习题练习中，学生遇见的情景大多是电厂的输送功率保持一定，但现有的同类实验器材基本都采用固定负载，当进行低压输电和高压输电切换时，因为整个电路发生了改变，用户获得的电压和线路上的损耗都随之变化，这会造成输送功率的明显变化，从而让定量对比分析缺乏说服力[2]．

(2)高压接线部位安全性较低

以图2为例[3]，该作品和一些同类自制实验器材一样，都采用中学电学实验中常见的低压接线装置，例如鳄鱼夹、香蕉插头、U形夹片接头、双刀双掷开关等．这些接插件不仅有容易被手触碰的裸露金属部分，且其绝缘性较差，只能用于36 V以下的安全电压．而这些高低压输电演示实验器材中的低压一般为12 V以下，但其经过变压器升压后的“高压”往往在100 V以上，因此采用这些低压接线装置，在操作中存在一定的安全问题．

图2 某款同类教具

(3)器材缺乏生动形象的外观

创设生动的物理情境，是中学物理课堂教学的一个重要环节，但现有同类实验器材大都缺乏生动的外观设计．以图3为例，这是中学实验室配备器材，但在学生眼里该器材和生活中见到的高压输电线路在外观上毫无相似之处，基本不能创设生动的物理情境，不利于促进学生对物理知识的理解．

图3 实验室配备器材

2 改进设计与制作

2.1 作品外观结构和电路原理

外观结构如图4所示．在一个木底板上安装了4个木盒，内部分别放置“模拟电厂”“升压模块”“降压模块”“可调负载(用户)”．竖立两根PVC管表示电线杆，输电线通过电线杆架设，具有生动的生活情景．为了安全，所有的接线都采用了220 V安全标准的电工插头和插孔．

图4 作品外观结构

作品的电路原理如图5所示．电厂、升压模块、降压模块采用的变压器完全相同，都是220 V转6 V功率为5 W的收录机用小型降压变压器．只要把它输入和输出进行交换使用，就变成了升压变压器．

图5 作品电路原理

为了接线安全，3个变压器的输入端和输出端均采用220 V安全标准的插头和二孔插座连接，如图6所示．

图6 采用220 V安全标准的插头和插座

演示低压输电时，直接把输电线的两端插头插入电厂和可调负载(用户)的插孔即可．演示高压输电时，用两根双插头线分别连接电厂和升压模块、降压模块和用户，再用输电线把升压模块和降压模块连接即可．

2.2 保持“电厂”恒定输出功率的设计原理

如何保持高压和低压输电切换后电厂的输出功率(即线路输送功率)恒定呢？此处电厂用一个220 V转6 V变压器来模拟，该小功率变压器内阻较大，实测中发现输出电流从0.1 A 增大到1 A时，其输出交流电压会从7.0 V 降低到 4.8 V．这个缺点在本实验中反而成为了一个优点，即在进行高低压对比实验时，只要调节负载电位器使得两次电厂的输出电压相同(对应输出电流也相同)，就能确保两次对比实验中的模拟电厂输出功率相同．

图5中，除了通过4个数字电压表的示数进行定量对比外，作品还添加了两个LED指示灯来形象定性对比分析．在模拟电厂和可调负载模块中都加入了白光LED发光二极管来模拟室内的一盏白炽灯，对应的限流电阻为普通的500 Ω/0.25 W小型电阻．因为白光LED指示灯的工作电流很小，不到20 mA，故对实验中的4个关键电压的影响可忽略不计．

在可调负载模块中，采用了一个型号为WX-030的3 W/22 Ω的小型线绕电位器作为可调负载．通过调节其电阻使得高压输电和低压输电时电厂的输出电压相同，也就确保了高压输电和低压输电时电厂的输出功率相同，如图7所示．

图7 可调负载模块

2.3 交流数字电压表的使用

为了定量分析，作品采用了4个数字显示交流电压表头，能直接监测电厂输出电压U1、升压变压器输出电压U2、降压变压器输入电压U3、降压变压器输出电压U4．需要注意的是，此处的4个数字电压表都是四线交流电压表，和模拟指针电压表的使用有所不同，其内部的电压采集处理和数码管显示电路，是需要单独供电的，其背面的4个端口的接线如图8所示．4个电压表因为采用220 V供电，可在4个模块盒子底部打个小孔，把电压表的供电线(电压表背面左侧第1、2个接线端)从小孔穿到木底板的底部，再和电厂模块的220 V输入插头线并联．另外还要注意电压表的量程选择，电厂和用户两处选用20 V量程的数字电压表，升压变压器的输出端和降压变压器的输入端应选用220 V量程的数字电压表．

图8 交流数字电压表

2.4 设置输电线模拟电阻

为了让高低压输电对比时线路损耗相差较大(实际生活中因为输电线很长，其电阻也是比较大的)，此处选用47 Ω/2 W的大功率金属膜电阻，把它串接在一根输电线上来作为等效电阻．因为高压输电时输电线上有超过100 V的高电压，故用了一个微波炉保险丝上的易开启保护外壳，正好可以把等效电阻封闭在内部，如图9所示．

图9 输电线等效电阻用塑料壳罩住

2.5 作品的制作

作品的制作比较简单，参考图4(作品外观结构)和图5(作品原理)，底板采用木板，4个模块的外壳采用木盒，把各模块对应的部件(变压器、2孔插座、电压表、LED指示灯、电位器等)都放置在木盒内．在木盒顶端开孔，让2孔插座的插孔露出．在木盒的前面开孔，让LED、电压表、电位器的调节转轴露出．再把各模块内部的电路和电压表的供电电路连接好，木盒内部的高压部位(电厂220 V输入端、升压变压器输出端、降压变压器输入端、电压表供电端)都做好绝缘和隐藏处理，确保无任何金属部位裸露．

在底板上竖立两根PVC管作为电线杆，在其顶端固定一段横杆，把两根输电线分别固定在横杆的两端，再把输电线的两段分别连接一个标准二脚插头．最后给作品进行适当的形象美化和文字标注，作品就完成了．

3 作品的使用及实验数据

3.1 演示低压输电

参考图10所示完成接线，把电位器转动调节到居中位置，然后通电演示，测出电厂输出电压U1和降压变压器输出电压U4，并观察两端LED发光情况．实验现象和数据如表1所示．

图10 低压输电接线

表1 低压输电数据记录

3.2 演示高压输电

参考图11所示完成接线，然后通电，可发现电厂的输出电压明显比低压输电要低一些，表明此时电厂的输出功率偏大．然后顺时针调节电位器使其电阻增大，直至电厂的输出电压回复到7.42V，则此时电厂的输出功率(即线路的输送功率)就和低压输电时相等了．实验现象和数据如表2所示．

图11 高压输电接线

表2 高压输电数据记录

3.3 实验分析及结论

先进行定性对比，可发现在保持输送功率一定的前提下，采用低压输电时用户端LED的亮度极低，即用户获得的功率很低，大部分电能都浪费在输电线上了．而采用高压输电时，用户端的LED亮度接近电厂端，这表明较远距离输电时，必须采用较高的输电电压才能把线路损耗控制在较小的程度．

再分析实验数据进行定量对比，可发现采用低压输电时，输电线上的电压损耗高达5.49V，而采用高压输电时U2和U3都显示为181V(数字电压表最后1位数字都是四舍五入取整的，故U2和U3的实际电压值在180.5～181.5V之间)，输电线上的电压损失基本可以忽略．再比较用户端电压，可发现高压输电时用户获得电压为6.53V，也是远高于低压输电时用户端电压1.93V．

如果低压输电和高压输电时切换后不调节负载电位器(即保持负载电阻相同)，同样可以进行定性和定量对比并发现高压输电的优越性．