1、第第 4 4 节节 电能的远距离输送电能的远距离输送 核 心 素 养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.知道输电线上电能的损 失与哪些因素有关。 2.理解减小电能损失的两 个途径以及高压输电的 原理。 3.知道高压交流输电不足 与高压直流输电的优点。 知道远距离 输电的典型 电路， 并能利 用变压器和 电路的规律 解决实际问 题。 能认识到物理学的理论发展是 推动技术进步的源泉；对交变电 流及远距离输电等有进一步了 解的兴趣；能领会发电机和电动 机的发明及应用对人类生活和 社会发展的深远影响，能体会基 础科学的重大发现在工业革命 和社会发展中的作用。 知识点一 采用高压输电的原因 观图助
2、学 高压输电的电压有的达到几百千伏， 高压线下建筑物到高压线的距离达不到一定 的要求就需要拆除，因为高电压是非常危险的，既然高电压有危险，我们为什么 还要采用高压电线远距离输电呢？ 1输电线上的功率损失：PI2R，I 为输电电流，R 为输电线的电阻。 2降低输电损耗的两个途径 (1)减小输电线的电阻：由电阻定律 R l S可知，在输电电线长度一定的情况下， 要减小电阻，可采用电阻率小的金属材料做导线，还可增大导线的横截面积。 (2)减小输电线中的电流：由 PUI 可知，在保证输送电功率 P 不变的情况下， 必须提高输电电压 U，才能减小电流。 思考判断 (1)输电线上电功率的损失，与输电线的电
3、阻成正比，与输电线电流的平方成正 比。() (2)由 PU 2 r 可知，输电电压越小，输电线上电功率的损失就越小。() (3)家庭用电常用铜导线，是为了减小输电导线的电阻，从而减小电能损失。() 知识点二 高压交流输电与直流输电 1高压交流输电 (1)输电过程 在发电厂内， 用变压器升压， 然后向远处送电； 到达目的地后， 根据不同的需求， 再用降压变压器经过两三次降压，然后输送给用户。 (2)交流高压输电的不足 除输电线路上的电阻外，电感、电容产生的感抗和容抗也会造成交流输电路上 的电能和电压损失。 交变电流并网时必须做到同步。 2高压直流输电 (1)高压直流输电系统的工作程序 交变电流升
4、压后输送到整流器，把高压交变电流变换成高压直流电流，经由高压 直流线路输送到用电地区后，将高压直流电流变换成高压交变电流，再经降压变 压器降压。 (2)高压直流输电的优越性 适于地下和水下电缆输电，不受电感和电容的影响。 输送相同电功率的电能时，直流输电所用的线材约为交流输电的三分之二。 直流输电杆塔结构简单，占地面积小。 直流输电不需要考虑电网中的各台交流发电机的同步运行问题。 思考判断 (1)高压直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗。() (2)采用高压输电的优点是可加快输电的速度。() (3)高压直流输电与高压交流输电的区别在于输送环节。() 远距离输电能量的损失最主要是输电线产生的焦耳热
5、。 过粗的导线会使输电线太重，给架线施工带来很大的困难，还要耗费更多的金属 材料。 高压交流输电原理图 直流输电只需要火线与零线两根导线，所以所用线材少。 核心要点 输电线路上的电压损失和功率损失 问题探究 如图所示， 假定发电厂输出的电压为 U， 输送功率为 P， 输电线路中的电流是 I， 两条导线的总电阻是 r(在图中把导线电阻集中画为 r)。 (1)用户两端的电压是多大？ (2)输电线上功率损失的表达式是什么？输电电压变为原来的 10 倍，输电线上功 率损失降为原来的多少？ 答案 (1)UUUUP Ur。 (2)功率损失表达式：PI2rP 2 U2r，所以输电电压变为原来的 10 倍，输
6、电线上 功率损失降为原来的百分之一。 探究归纳 1输电线上的电压损失：UUUIrP Ur。 2输电线上的功率损失 (1)PI2r，其中 I 为输电线上的电流。 (2)PU I 或 P（U） 2 r ，其中 U 为输电线上的电压损失。 3减少电压损失和功率损失的方法 (1)减小输电线的电阻 r，根据 r l S，可减小电阻率 ，目前一般用电阻率较小 的铜或铝作为导线材料；也可增大导线的横截面积 S，但这要多耗费金属材料， 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， 在输送功率 P 一定， 输电线电阻 r 一定的条件下， 输电电压提高到原来的 n 倍，
7、输送电流可减为原来的1 n，输电线上的功率损耗将 降为原来的 1 n2。 经典示例 例1 在远距离输电时， 如果升压变压器输出电压是 2 000 V， 输出功率是 10 kW， 输电线电阻是 20 ，求： (1)输电线上损失的功率和损失的电压； (2)用户能得到的功率和电压。 解析 (1)由 P出I线U出，得 I线P 出 U出 10103 2 000 A5 A 则输电线上损失的功率 P损I2线r5220 W500 W 损失的电压 U损I线r520 V100 V。 (2)用户得到的电压和功率分别为 U用U出U损(2 000100)V1 900 V P用P出P损(10103500)W9 500 W
8、。 答案 (1)500 W 100 V (2)9 500 W 1 900 V 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 CI2R线 DI(U1U2) 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。 答案 BCD 核心要点 远距离输电的电路分析 要点归纳 1远距离输电问题的分析方法 处理远距离输电问题的关键是抓住一图三线，一图即输电的电路图，三线即
9、三个 关系：功率关系、电压关系和电流关系。抓住一图三线，按照从前到后或从后向 前的顺序，即可找到突破口。 2远距离输电电路图 3基本关系式 (1)功率关系 P1P2 P3P4 P2PP3 (2)电压、电流关系 U1 U2 n1 n2 I2 I1 U3 U4 n3 n4 I4 I3 U2UU3 I2I3I线 (3)输电电流 I线P2 U2 P3 U3 U R线 (4)输电线上损耗的电功率 PI线UI2线R线(P2 U2) 2R 线 经典示例 例 2 如图所示，发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到 用户(升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器)，若发电机的输出功率是 100 k
10、W，输出电压是 250 V，升压变压器的原、副线圈的匝数比为 125。 (1)求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流； (2)若输电导线中的电功率损失为输入功率的 4%，求输电导线的总电阻和降压变 压器原线圈两端的电压。 解析 (1)对升压变压器，据公式U1 U2 n1 n2，有 U2n2 n1U1 25 1 250 V6 250 V I2P2 U2 P1 U2 100 000 6 250 A16 A (2)P损I22R线，P损0.04P1 所以 R线0.04P1 I22 15.625 因为 UU2U3I2R线 所以 U3U2I2R线6 000 V。 答案 (1)6 250 V 16 A (
11、2)15.625 6 000 V 针对训练 2 远距离输电线路的示意图如图所示，若发电机的输出电压不变，则 下列叙述中正确的是( ) A升压变压器的原线圈中的电流与用户用电设备消耗的功率无关 B输电线中的电流只由升压变压器原、副线圈的匝数比决定 C当用户用电器的总电阻减小时，输电线上损失的功率增大 D升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压 解析 变压器的输入功率、输入电流的大小是由用户消耗的功率大小决定的，选 项 A、B 错误；用户用电器总电阻减小，根据 PU 2 R ，消耗功率增大，输电线中 电流增大，线路损失功率增大，C 项正确；升压变压器的输出电压等于输电线路 电阻上的损失电压加上
12、降压变压器的输入电压，D 项错误。 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 D 正确。 答案 D 2(输电线上功率损失的分析)(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(
13、) 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
14、 D 错误。 答案 AC 3(输电线上功率损失的计算)夏天由于用电器的增多，每年夏天都会出现“用 电荒”，只好拉闸限电。若某发电站在供电过程中，用电高峰时输电的功率是正 常供电的 2 倍，输电线电阻不变，下列说法正确的是( ) A若输送电压不变，则用电高峰时输电电流为正常供电时的 2 倍 B若输送电压不变，则用电高峰时输电线上损失的功率为正常供电时的 2 倍 C若用电高峰时的输送电压变为正常供电的 2 倍，则此时输电电流为正常供电 时的 4 倍 D若用电高峰时的输送电压变为正常供电的 2 倍，则此时输电线损失的功率为 正常供电时的 4 倍 解析 高压输电时 PUI，I 是输送电路上的电流。用电
15、高峰时，若输送电压不 变，则 I 为正常时的 2 倍，A 正确；输电线上损失的功率 PI2R线，则损失功 率变为正常时的 4 倍，B 错误；用电高峰时，若输送电压加倍，则 I 不变，与正 常时相同，C 错误；由 PI2R线，知损失的功率不变，D 错误。 答案 A 4(远距离高压输电的分析与计算)一小型发电站通过升压、降压变压器把电能 输给用户，已知发电机的输出功率为 500 kW，路端电压为 500 V，升压变压器 原、副线圈的匝数比为 15，两变压器间输电线的总电阻为 1.5 ，降压变压器 的输出电压为 220 V，不计变压器能量损耗，求： (1)升压变压器的副线圈两端电压； (2)输电导线上的功率损失； (3)降压变压器原、副线圈的匝数比； (4)用户得到的功率。 解析 输电线路原理图如图所示 (1)升压变压器的副线圈两端电压 U2n2U1 n1 2 500 V (2)输电导线上的电流 I2P2 U2 P1 U2200 A 输电导线上的功率损失 P损I22r线60 kW (3)输电导线上的电压 UI2r线300 V 降压变压器原线圈的电压 U3U2U2 200 V 降压变压器原、副线圈的匝数比为n3 n4 U3 U4101 (4)用户得到的功率 P用P1P损440 kW 答案 (1)2 500 V (2)60 kW (3)101 (4)440 kW