1、3.1 高压输电原理高压输电原理 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解高压输电交流输配电网的原理.2.了解输电线上电能损失的影响因素. 科学思维：体会降低输电损耗的两个途径，能分析计算高压输电的损耗情况. 一、远距离输电为什么要用高电压 如图 1 所示，假定输电线路中的电流为 I，两条导线的总电阻为 R，在图中导线电阻集中画为 R，输送功率为 P，发电厂输出的电压为 U.那么： 图 1 (1)远距离大功率输电面临的困难是什么？ (2)输电线上功率损失的原因是什么？功率损失的表达式是什么？降低输电损耗的两个途径 是什么？ (3)为什么远距离输电必须用高压呢？ 答案 (1)在输电线上有功率损失.
2、 (2)由于输电线有电阻， 当有电流流过输电线时， 有一部分电能转化为电热而损失掉了.这是输 电线上功率损失的主要原因. 功率损失表达式：PI2R，所以降低输电损耗的两个途径为：减小输电线的电阻 R；减 小输电电流 I. (3)因为发电厂的输出功率 P 是一定的，由 PUI 得 IP U，P P2 U2R，要减小输电电流 I，必 须提高输出电压 U. 要点总结 输电线上的电压损失和功率损失(设输电线的电阻为 R，电流为 I) 1.电压损失 输电线始端电压 U 与输电线末端电压 U的差值.UUUIR. 2.功率损失 (1)远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损失，损失的电功率 PI2
3、R. (2)若输电线上损失的电压为 U，则功率损失还可以表示为 PU 2 R ，PU I. 3.减小电压、功率损失的方法 (1)减小输电线的电阻 R 由 RL S可知，距离 L 一定时，使用电阻率小的材料，增大导体横截面积可以减小电阻. (2)减小输电电流 I 由 PUI 可知，当输送功率一定时，PP 2 U2R，升高电压可以减小电流. 延伸思考 为什么在用电高峰期家中的白炽灯灯光较暗？ 答案 用电高峰期到用户家中的输电线电流 I 较大，输电线上损失的电压 UIR 较大，用 户得到的电压 UU 较低，达不到额定电压，因此白炽灯灯光较暗. 例 1 (多选)如图 2 所示为远距离高压输电的示意图，
4、关于远距离输电，下列表述正确的是 ( ) 图 2 A.增加输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失 B.高压输电是通过减小输电电流来减小电路的发热损耗 C.在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越小 D.高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好 答案 ABD 解析 由 P损I2R 和 RL S知 S 越大，R 越小，P 损越小，所以 A 正确.由 PUI 及 P损I2R 知 B 正确， C 错误.电压越高， 对输电线路绝缘性能和对变压器的要求越高， 实际输送电能时， 要综合考虑各种因素，所以 D 正确. 例 2 (多选)发电厂发电机的输出电压为 U1，发电厂
5、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.U1U2 2 R线 C.I2R线 D.I(U1U2) 答案 BCD 解析 输电线功率损耗 P损I2R线U 2 线 R线 IU线，其中 U线U1U2，故 B、C、D 正确. 提示 P损I2rU 2 r U I.式中必须注意，U 为输电线路上的电压损失，而不是输电电压. 例 3 三峡电站某机组输出的电功率为 50 万千瓦. (1)若输出的电压为 20 万伏，则输电线上的电流为多少？ (2)若输出的电压为 20 万伏，某处与电站间每根输电线的电阻为
6、10 欧，则输电线上损失的功 率为多少？它占输出功率的百分比是多少？ (3)若将电压升高至 50 万伏，输电线上的电流为多少？输电线上损失的功率又为多少？它占 输出功率的百分比是多少？ 答案 (1)2 500 A (2)1.25108 W 25% (3)1 000 A 2107 W 4% 解析 (1)由 PUI 得 IP U 5108 W 2105 V2 500 A (2)输电线上损失的功率 PI2 2r2 5002210 W1.25108 W 损失功率与输出功率之比为P P 1.2510 8 5108 1 425% (3)将电压升高至 50 万伏时， I P U 5108 W 5105 V1
7、 000 A 输电线上损失的功率 PI2 2r1 0002210 W2107 W 损失功率与输出功率之比为P P 210 7 5108 1 254% 针对训练 某水电站，用总电阻为 2.5 的输电线输电给 500 km 外的用户，其输出电功率是 3106 kW.现用 500 kV 电压输电，则下列说法正确的是( ) A.输电线上输送的电流大小为 2.0105 A B.输电线上由电阻造成的损失电压为 15 kV C.若改用 5 kV 电压输电，则输电线上损失的功率为 9108 kW D.输电线上损失的功率为 PU 2 R ，U 为输电电压，R 为输电线的电阻 答案 B 解析 输电线上输送的电流为
8、 IP U 3106103 500103 A6103 A， A 项错误； 输电线上损失的 电压为 U损IR61032.5 V1.5104 V15 kV，B 项正确；当用 5 kV 电压输电时，输 电线上损失的功率超过 3106 kW，与实际情况相矛盾，故 C 项错误；当用公式 PU 2 R 计 算损失的功率时，U 为输电线上损失的电压而不是输电电压，D 项错误. 二、交流输配电网 发电机发出的交变电流先送到升压变电站， 将电压升高到 220 kV 以上， 由高压输电线向远处 输送.在用电区，先由第一级变电站将电压降到 110 kV，再输送到第二级变电站，将电压降到 10 kV，送到用电区.对普
9、通生活用电，则还要用变压器进一步将电压降到 220 V. 1.(降低输电损耗的途径)中央电视台焦点访谈多次报道某些偏远落后农村电价过高，农民 负担过重，其客观原因是电网陈旧老化.近来，农村进行电网改造，为减少远距离输电的损耗 而降低电费价格可采取的措施有( ) A.提高输送功率 B.增大输送电流 C.提高输电电压 D.减小输电导线的横截面积 答案 C 解析 电费高低与线路损耗有关，损耗越大，电费越高，减少损耗的途径：(1)减小输电导线 中的电流，即可提高输电电压；(2)减小输电线的电阻，即增大输电导线的横截面积，故 C 正确. 2.(输电线上功率损失的计算)(多选)在我国北方部分地区经常出现低
10、温雨雪冰冻天气，高压输 电线因结冰而造成严重损毁，如图 3 所示，为消除高压输电线上的冰凌，有人设计了这样的 融冰思路：利用电流的热效应除冰.在正常供电时，高压线上送电电压为 U，电流为 I，热耗 功率为 P；若输电功率和输电线电阻不变，除冰时，需要输电线上热耗功率为 9P，则除 冰时( ) 图 3 A.输电电流为 3I B.输电电流为 9I C.输电电压为 3U D.输电电压为1 3U 答案 AD 解析 高压线上的热耗功率为 PI2R线 若热耗功率变为 9P，则 9PI2R线 由得 I3I，A 对.又输送功率不变，PUIUI，得 U1 3U，所以 D 对. 3.(输电线上功率损失的计算)(2
11、017 南京市学情调研卷)“西电东送”是实现经济跨地区可持 续快速发展的重要保证，它将西部丰富的能源转化为电能输送到电力供应紧张的沿海地区. 为了减少远距离输电线路中电阻损耗的能量，需要采用高压输电，在保持输送功率及输电线 路电阻不变的情况下， 将输送电压提高到原来的 10 倍， 则输电线路中电阻损耗的能量将减少 到原来的( ) A. 1 10 B. 1 100 C. 1 1 000 D. 1 10 000 答案 B 解析 根据 PUI 可得 IP U，则输电线路上损失的功率 PI 2R P U 2R，输送电压提高到 原来的 10 倍，则损失的功率变为原来的 1 100，B 正确. 4.(输电线上功率损失的计算)(2018 江苏单科)采用220 kV高压向远方的城市输电.当输送功率 一定时，为使输电线上损耗的功率减小为原来的1 4，输电电压应变为( ) A.55 kV B.110 kV C.440 kV D.880 kV 答案 C 解析 输电功率 PUI，U 为输电电压，I 为输电线路中的电流，输电线路损失的功率为 P损 I2R，R 为输电线路的电阻，即 P损 P U 2R，当输电功率一定时，输电线路损失的功率为原 来的1 4，则输电电压为原来的 2 倍，即为 440 kV，故选项 C 正确.