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4.3 电能的远距离传输 学案(2020年鲁科版高中物理选修3-2)

1、第第 3 节节 电能的远距离传输电能的远距离传输 学习目标 核心提炼 1.知道远距离输电时输电 线的损失与哪些因素有 关, 理解高压输电的道理。 2 个降低电损的途径 减小输电线的电阻 提高输送电压 3 个输电回路 发电机回路 输送回路 输出(用户)回路 2 种输电方式 高压交流输电 高压直流输电 2.知道远距离输电线路的 基本构成,会对简单的远 距离输电线路进行定量计 算。 一、为什么要采用高压输电 阅读教材第 7576 页, 知道电能在远距离传输过程中有功率损失和 电压损失,并知道减少这两种损失的方法。 1.两种损失比较 两种损失 主要原因 大小表示 减小办法 电功率损失 输电线有电阻,

2、电流 产生焦耳热 PI2R 减小电阻 R 减小电流 I 电压损失 输电线电阻上的电 压降 UIR 2.降低两种损失的途径高压输电 在保证输送电功率不变的前提下提高输电电压,会减小输电电流,从 而减小导线上的电功率损失和电压损失。 思考判断 (1)输电电压越高越好。( ) (2)输电线上电功率的损失,与输电线的电阻成正比,与输电电流的平 方成正比。() (3)由 PU 2 r 可知,输电电压越小,输电线上的损失就越小。( ) (4)由 PI2r 可知, 减小输电线的电阻和降低输电电流可减小输电损失。 () (5)高压输电是通过提高电压,减小输电电流来减少电路发热损耗的。 () 二、高压交流输电

3、阅读教材第 7678 页,了解高压交流输电流程和基本环节。 1.基本环节 发电厂(站) 升压变压器 高压输 电线路 降压变压器 用户 2.电路原理图 3.交流输电并网的要求 (1)并联输电线中的交变电流相位必须相同。 (2)交变电流的频率必须相同。 4.交流输电的缺陷:交流输电电路中不仅有电阻,而且还有电感和电 容。 思维拓展 “提高输电电压,减小输电电流”是否与欧姆定律相矛盾? 答案 不矛盾。欧姆定律 IU R是对纯电阻元件成立的定律,而“提高 输电电压,减小输电电流”是从输电角度,由 PUI 且在 P 一定的条 件下得出的结论,两者没有必然联系。 三、高压直流输电 阅读教材第 79 页,了

4、解直流输电的基本过程和优点。 1.高压直流输电系统的组成:主要由整流站、直流线路和逆变站三部 分组成。 2.直流输电的基本过程:在发电站区域经变压器升压,由换流设备将 交流电变成直流电,用高压直流电进行远距离传输,在用户区域由换 流设备将直流电变为交流电,经变压器降压送给用户。 3.高压直流输电的优点 (1)节约线材;输电杆塔结构简单,占地面积小。 (2)不存在感抗和容抗引起的损耗。 (3)不需要考虑电网中各台交流发电机的同步运行问题。 思维拓展 高压直流输电网中各交流发电机可以不同步吗? 答案 可以。高压直流输电网中的发电机均为交流发电机,经整流设 备把交流变为直流,直流入网时不需要考虑同步

5、问题。 预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题 1 问题 2 降低输电损耗的两个途径 要点归纳 减小输电线路上功率损失的方法主要有两种 (1)减小输电线的电阻 R。根据 R l S可知: 减小输电线长度 l:由于输电距离一定,所以在实际中不可能用减 小 l 来减小 R。 减小电阻率 :目前一般用电阻率较小的铜或铝作导线材料。 增大导线的横截面积 S:这要耗费更多金属材料,增加成本,同时 给输电线的架设带来很大的困难。 (2)减小输电电流 I。根据 IP U可知: 减小输送功率 P:在实际中不能以用户少用或不用电来达到减少损 耗的目的。 提高输电电压 U: 在输送功率 P 一定,

6、输电线电阻 R 一定的条件下, 输电电压提高到原来的 n 倍,据 P损 P U 2R 知,输电线上的功率损耗 将降为原来的 1 n2。故采用高压输电是减小输电线上功率损耗最有效、 最经济的措施。 易错提醒 (1)输电电压是指加在高压输电线起始端的电压 U,损失电压是指降落 在输电线路上的电压 UIR。 (2)输送功率是指高压输电线起始端输出的功率,损失功率是输电线上 消耗的功率。 (3)无论从减少输电线路上的功率损失,还是减小电压损失来看,都要 求提高输电电压,以减小输电电流。 精典示例 例 1 中国已投产运行的 1 000 kV 特高压输电,是目前世界上电压最 高的输电工程。假设甲、乙两地原

7、来用 500 kV 的超高压输电,在保持 输送电功率和输电线电阻都不变的条件下, 现改用 1 000 kV 特高压输 电,不考虑其他因素的影响。则( ) A.输电电流变为原来的 2 倍 B.输电线上降落的电压将变为原来的 2 倍 C.输电线上降落的电压将变为原来的1 2 D.输电线上损耗的电功率将变为原来的1 2 解析 根据输送电功率 P输U输I输及 P输不变,可知,输电电流 I输 P输 U输 1 U输,当 U 输变为原来的 2 倍时,I输变为原来的1 2,选项 A 错误; 输电线上降落的电压 U降I输R线I输,所以,当输电电流变为原来的 1 2时,输电线上降落的电压也变为原来的 1 2,选项

8、 B 错误,C 正确;输 电线上损耗的电功率 P损I2输R线I2输,所以输电线上损耗的电功率将 变为原来的1 4,选项 D 错误。 答案 C 输电线上电压和功率损失的计算方法 (1)U损IR线P UR 线UU用户。 (2)P损I2R线 P U 2 R线PP用户。 针对训练 1 (多选)发电厂发电机的输出电压为 U1,发电厂至学校的 输电线总电阻为 R线,通过输电线的电流为 I,学校输入电压为 U2,下 列计算输电线功率损耗的式子中,正确的是( ) A.U 2 1 R线 B.(U 1U2) 2 R线 C.I2R线 D.I(U1U2) 解析 输电线功率损耗 P损I2R线U 2 线 R线IU 线,

9、其中 U线U1U2, 故 选项 B、C、D 正确。 答案 BCD 高压交流输电的电路分析方法 要点归纳 1.输电过程示意图 2.高压输电过程的几个电压的区别 (1)输送电压:输电线始端电压,如图中的 U2。 (2)用户电压:最终用户得到的电压,如图中的 U4。 (3)损失电压 表示形式: 输电线始端电压与末端电压的差值即 UU2U3I2R。 形成原因:输电线上的电压损失原因是输电导线有电阻,电流通过 输电线时,会在线路上产生电势降落,致使输电线路末端的电压比起 始端电压要低。 高压输电过程示意图 3.输电过程的几个基本关系 (1)功率关系:P1P2,P2P线P3,P3P4。 (2)电压关系:U

10、1 U2 n1 n2,U2U 线U3, U3 U4 n3 n4。 (3)电流关系:I1 I2 n2 n1,I2I 线I3,I 3 I4 n4 n3。 (4)输电电流:I线P2 U2 P3 U3 U2U3 R线 。 (5)输电导线上损耗的电功率: P线I线U线I2线R线 P2 U2 2 R线。 精典示例 例 2 发电机两端的电压为 220 V,输出功率 44 kW,输电导线的总 电阻为 0.2 ,如果用原、副线圈匝数比为 110 的升压变压器升压, 经输电线后,再用原、副线圈匝数比为 101 的降压变压器降压供给 用户。 (1)画出全过程的线路示意图; (2)求用户得到的电压和功率; (3)若不

11、经过变压而直接送到用户,求用户得到的电压和功率。 解析 (1)线路示意图如图所示。 (2)由图可知, 升压变压器副线圈两端的输出电压 U2n2 n1U12 200 V。 据理想变压器 P 入P出,则升压变压器副线圈的输出电流 I2 P U2 44 103 2 200 A20 A,输电线上的功率损失和电压损失分别为 P损I2 2R线20 2 0.2 W80 W。 U损I2R线20 0.2 V4 V。 所以降压变压器原线圈的输入电压和电流为 U3U2U损2 200 V4 V2 196 V, I3I220 A。 降压变压器副线圈的输出电压和电流为 U4n4 n3U3 1 10 2 196 V219.

12、6 V, I4n3 n4I310 20 A200 A。 用户得到的功率为 P4U4I4219.6 200 W4.392 104 W。 (3)若直接用 220 V 低压供电, 线路示意图如图所示, 则输电电流 I P U1 44 103 220 A200 A。 输电线路上的电压损失 UIR线200 0.2 V 40 V。 所以用户得到的电压 U2U1U220 V40 V180 V, 用户得到的功率为 PU2I180 200 W3.6 104 W。 答案 (1)见解析图 (2)219.6 V 4.392 104 W (3)180 V 3.6 104 W 远距离输电问题的四个关键 (1)画出一个模型

13、远距离输电模型图。 (2)抓住输电的两端电源和用电器。 (3)分析两条导线输电导线。 (4)研究两次电压变换升压和降压。 针对训练 2 如图 1 为远距离输电示意图, 两变压器均为理想变压器, 升压变压器 T 的原、副线圈匝数分别为 n1、n2,在 T 的原线圈两端接 入一电压 uUmsin t 的交流电源, 若输送电功率为 P, 输电线的总电 阻为 2r,不考虑其他因素的影响,则输电线上损失的电功率为( ) 图 1 A.(n1 n2) U2 m 4r B.(n2 n1) U2 m 4r C.4(n1 n2) 2( P Um) 2r D.4(n2 n1) 2( P Um) 2r 解析 T 的输

14、入电压 U1Um 2,则 PU1I1,I1 P U1 2P Um ,又因为I1 I2 n2 n1, 所以 I2 n1 n2I1 2 n1P n2Um, 则输电线上损失的电功率 P 损I22 2r4 n1 n2 2 P Um 2r,选项 C 正确。 答案 C 1.(输电线上的电能损失)在远距离输电过程中, 为减少输电线路上的电 能损失,可采用的最佳方法是( ) A.使输电线粗一些 B.减小输电线长度 C.减少通电时间 D.采用高压输电 解析 从造成电能损失的原因分析, 要减少电能损失, 需要减小电阻、 减小输电电流,减小电阻已达到目前技术的极限了,因此,应当采用 高压输电,减小输电电流。故选项

15、D 正确。 答案 D 2.(输电线上的损耗)(多选)某发电厂原来用 11 kV 的交变电压输电,后 来改用升压变压器将电压升到 220 kV 输电,输送的电功率都是 P。若 输电线路的电阻为 R,则下列说法正确的是( ) A.根据公式 IP U,提高电压后输电线上的电流降为原来的 1 20 B.根据公式 IU R,提高电压后输电线上的电流增为原来的 20 倍 C.根据公式 P损I2RP 2 U2R, 提高电压后输电线上的功率损失减为原来 的 1 400 D.根据公式 PU 2 R ,提高电压后输电线上的功率损耗将增大为原来的 400 倍 解析 输电线上电流为 IP U,也可以用 I U R 来

16、表示,其中 U 为输 电线上电阻 R 两端的电压,而不是输送电压,选项 A 正确,B 错误; 输电线上的功率损失为P损I2RP 2 U2R, 选项C正确; 如果用P 损U 2 R , 则 U 应为 R 上的分压 U,选项 D 错误。 答案 AC 3.(远距离输电)如图 2 所示为远距离交流输电的简化电路图。 发电厂的 输出电压是 U,用等效总电阻是 r 的两条输电线输电,输电线路中的 电流是I1, 其末端的电压为U1。 在输电线与用户间连有一理想变压器, 流入用户端的电流为 I2。则( ) 图 2 A.用户端的电压为I1U1 I2 B.输电线上的电压降为 U C.理想变压器的输入功率为 I2

17、1r D.输电线路上损失的电功率为 I1U 解析 理想变压器的输入功率等于输出功率,则有 I1U1I2U2,得出 U2I1U1 I2 , 故选项 A 正确; 发电厂的输出电压是 U, 由欧姆定律可知, 输电线上的电压降为 I1r,故选项 B 错误;输电线上损失的电功率为 I2 1r,故选项 C、D 错误。 答案 A 4.(远距离输电)如图 3 甲是远距离输电线路示意图, 图乙是用户端电压 随时间变化的图象,则( ) 图 3 A.发电机产生的交流电的频率是 100 Hz B.降压变压器输出的电压有效值是 340 V C.输电线的电流仅由输送功率决定 D.仅增加升压变压器的副线圈匝数,其他条件不变,输电线损失的功 率减小 解析 由乙图可知交流电的周期 T0.02 s,则频率 f1 T50 Hz,变 压器不改变交流电的周期与频率,则选项 A 错误;由乙图可知 Um 340 V,有效值 UUm 2340 V,则选项 B 错误;输电线的电流由输送 功率和输送电压共同决定,则选项 C 错误;当仅增加升压变压器的副 线圈匝数时,则输电电压增大,由 PUI 可知,输电电流减小,再由 PI2R 可知输电线上损失的功率减小,则选项 D 正确。 答案 D