2019年高中物理第4章第3节电能的远距离传输讲义（含解析）鲁科版 9页

电能的远距离传输1．为什么要采用高压输电(1)两种输电方式损失比较两种损失原因分析大小表示减小办法电功率损失输电线有电阻，电流通过时会产生焦耳热ΔP＝I2R减小R；减小I电压损失输电线有电阻，输电线分担电压引起电压降低ΔU＝IR减小I；减小R(2)降低两种损失的途径——高压输电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。在电能的输送过程中，U为输电电压，r为输电线电阻，则输电线中电流为I＝，这种说法对吗？解析：不对。U为输电电压，而不是加在输电导线上的电压。2．高压交流输电(1)基本环节―→―→(2)电路原理图如图所示。3．高压直流输电(1)组成部分主要由整流站、直流线路和逆变站三部分组成。(2)原理图如图所示。n(3)主要用途主要用于远距离大功率输电、联系不同频率或相同频率但非同步运行的交流系统等。1．高压直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗(√)2．家庭照明线路的电线线芯通常是铜或铝(√)3．采用高压输电的优点是可加快输电的速度(×)解析：1.稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗，1正确。2．为了减小导线上的功率损失，家庭照明电路应选用电阻率小的材料，2正确。3．高压输电可减少输电线上的能量损失，与输电速度无关，3错误。1．输电线上的电功率损失(1)原因：输电导线有电阻R线，电流流过输电线时，电流的热效应引起电功率的损失。(2)计算式：①P线＝I2R线，②P线＝IU线，③P线＝。2．输电线上的电压损失若用U表示输电线始端电压，U′表示输电线末端电压，则U线＝U－U′或U线＝IR线。3．电压损失与输电电压的关系如果远距离输电的电功率P不变，输电电压为U，输电导线电阻为R线，则输电导线上发热损失的功率P损＝I2R线＝R线，因此输电电压若提高到nU，则P损将减为原来的。[典例1]　某变电站用220V的电压输电，导线上损失的功率为输送功率的20%。若要使导线上损失的功率降为输送功率的5%，则输电电压应为多少？[思路探究]n(1)明确两次输送功率相同。(2)理解输送电压220V，不是导线两端的电压。[解析]　设输送功率为P，输电电压U1＝220V时，损失功率ΔP1＝20%P又因为ΔP1＝IR线，I1＝解得ΔP1＝R线现要求ΔP2＝5%P，同理ΔP2＝R线因此可得＝所以U2＝2U1＝440V[答案]　440V1．(浙江高考)如图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，其末端间的电压为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(　　)A．用户端的电压为B．输电线上的电压降为UC．理想变压器的输入功率为IrD．输电线路上损失的电功率为I1U解析：选A　理想变压器输入和输出功率相同，设用户端得到的电压为U2，则有I1U1＝U2I2，U2＝，选项A正确；输电线上的电压降为ΔU＝I1r，或者ΔU＝U－U1，选项B错误；理想变压器的输入功率为P＝I1U1，选项C错误；输电线路上损失的电功率为ΔP＝Ir，选项D错误。1．三个回路电源回路、输送回路、用户回路(如图所示)。n2.基本关系式(1)功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P线＋P3。(2)电压、电流关系：＝＝，＝＝，U2＝U线＋U3，I2＝I3＝I线。(3)输电电流：I线＝＝＝。3．输电导线上损耗的电功率P线＝I线U线＝IR线＝2R线。[典例2]　如图所示，学校有一台应急备用发电机，内阻为r＝1Ω，升压变压器匝数比为n1∶n2＝1∶4，降压变压器的匝数比为n3∶n4＝4∶1，输电线总电阻为R线＝4Ω，全校有22间教室，每间教室安装“220V　40W”的电灯6盏，要求所有的电灯都正常发光，求：(1)输电线上损耗的电功率P损多大？(2)发电机的电动势E多大？[思路探究][解析]　(1)所有电灯正常发光时消耗的功率为P灯＝40×22×6W＝5280W＝P4由于灯正常发光时，降压变压器副线圈两端电压U4＝220V，所以降压变压器原线圈两n端电压U3＝U4＝×220V＝880V两变压器之间输电线上的电流为I线＝＝＝A＝6A输电线上损失的功率P损＝IR线＝62×4W＝144W(2)输电线上损失的电压U损＝I线R线＝6×4V＝24V升压变压器副线圈两端电压U2＝U3＋U损＝(880＋24)V＝904V升压变压器原线圈两端电压U1＝U2＝×904V＝226V升压变压器原线圈中的电流I1＝I线＝×6A＝24A发电机内阻上的电压Ur＝I1r＝24V发电机的电动势E＝U1＋Ur＝226V＋24V＝250V[答案]　(1)144W　(2)250V[总结提能]解决远距离输电问题的步骤(1)首先画出远距离输电的电路图，并将已知量和待求量写在电路图中的相应位置。(2)以变压器为界将整个输电电路划分为几个独立的回路，每个回路都可以用欧姆定律、串并联电路的特点和电功、电功率的公式等进行计算，联系各回路的桥梁是原、副线圈电压、电流与匝数的关系及输入功率和输出功率的关系。2．风力发电作为新型环保新能源，近几年来得到了快速发展，如图所示风车阵中发电机输出功率为100kW，输出电压是250V，用户需要的电压是220V，输电线电阻为10Ω。若输电线因发热而损失的功率为输送功率的4%，试求：n(1)在输电线路中设置的升、降压变压器原、副线圈的匝数比；(2)画出此输电线路的示意图；(3)用户得到的电功率是多少。解析：(1)P损＝IR线，I2＝＝A＝20AP＝U2I2，U2＝＝V＝5000V升压变压器原、副线圈匝数比＝＝＝U3＝U2－U损＝U2－I2R线＝4800V降压变压器原、副线圈匝数比＝＝＝(2)如图所示。(3)用户得到的电功率即降压变压器的输出功率，为P用＝P－P损＝P(1－4%)＝100×96%kW＝96kW答案：(1)1∶20　240∶11　(2)见解析图　(3)96kW思想方法计算输电线上功率损失的两种方法计算输电线上损失的功率时，要注意区分两个电压：输电电压(输电线始端的电压)U和输电线上的损失电压ΔU。(1)P损＝ΔUI＝，ΔU是输电线两端的电压，即ΔU是输电线上损失的电压。(2)P损＝2R，U是指输送电压，即从发电站发出后，经过变压器升高后的电压。[典例]　我国已投产运行的1000kV特高压输电是目前世界上电压最高的输电工程。n假设甲、乙两地原来用500kV的超高压输电，输电线上损耗的电功率为P。在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1000kV的特高压输电，若不考虑其他因素的影响，则输电线上损耗的电功率将变为(　　)A.　　　　B.　　　　C．2P　　　　D．4P[解析]　输电线上损耗的电功率P损＝I2R线＝R线，又输送电功率和输电线电阻都不变，可知输电线上损耗的电功率P损与输电电压U输的二次方成反比，有＝，改用1000kV的特高压输电时，输电电压增大为原来的2倍，输电线上损耗的电功率变为原来的，即为，A正确。[答案]　A[变式训练]某水电站用总电阻为2.5Ω的输电线输电给500km外的用户，其输出电功率是3×106kW。现用500kV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2.0×105AB．输电线上由电阻造成的电压损失为15kVC．若改用5kV电压输电，则输电线上损失的功率为9×108kWD．输电线上损失的功率为ΔP＝，U为输电电压，r为输电线的电阻解析：选B　输电线上输送的电流为I＝＝＝6000A，A错误；输电线上由电阻造成的电压损失为U损＝IR线＝6000×2.5V＝1.5×104V，B正确；输电线上损失的功率不可能大于输送的总功率3×106kW，C错误；ΔP＝中，U应当为输电线上损失的电压，D错误。1．远距离输电时，在输送功率不变的条件下(　　)A．只有增大导线的电阻，才能减小输电电流，提高输电效率B．提高输电电压，能减小输电电流，提高输电效率C．提高输电电压，势必增大输电导线上能量的损耗D．提高输电电压，势必增大输电导线上的电流n解析：选B　在输送功率一定的前提下，P输＝U输I输，P损＝IR线，η＝×100%，B正确。2．高压输电电压为U，输电线电阻为r，则下列说法正确的是(　　)A．若发电机输出功率不变，使输电电压变大，则输电线损失功率变小B．输电线上损失的功率为ΔP＝，故导线电阻越大，损失的功率越小C．通过输电线的电流为I＝，故输电电压越高，电流越大，损失的功率越大D．以上说法都不对解析：选A　ΔP＝I2r＝2r，ΔP与U2成反比，A正确；B、C混淆了输送电压U和损失电压ΔU，B、C错误。3．在远距离输电中，原来用电压U0输电，输电线上损失的电功率为P0，现在要使输电线上损失的电功率减小到原来的，则输电电压应为(　　)A．100U0　　　　　　　　B.U0C.D.解析：选B　P损＝I2r，I＝，解得P损＝r，所以P损∝，所以当P损为原来的时，U′0＝U0，B正确。4．下列关于远距离高压直流输电的说法中，正确的是(　　)①直流输电系统只在输电环节是直流，而发电环节和用电环节是交流　②直流输电系统只在发电环节和用电环节是直流，而输电环节是交流　③整流器将交流变直流，逆变器将直流变交流　④逆变器将交流变直流，整流器将直流变交流A．①③　　　B．②③　　　C．①④　　　D．②④解析：选A　直流输电系统由整流站、直流线路和逆变站3部分组成，在整流站通过整流器将交流电变为直流电，在逆变站利用逆变器将直流电变为交流电，因此说法①、③正确，A正确。5．某发电机的输出功率为10kW，输出电压为500V，输电导线总电阻为5Ω，允许输电导线上损失的功率为总功率的5%，用户所需电压为220V。请设计供电电路并计算升压变压器和降压变压器的匝数比。解析：输电电路如图所示。n发电机输出功率P＝10kW，设通过发电机的电流为I1，输电导线上电流为I2，则有P损＝5%×10×103W＝500WI1＝＝A＝20AI2＝＝A＝10A所以＝＝降压变压器原线圈电压U3＝U2－I2RU2＝U1＝×500V＝1000VU3＝U2－I2R＝1000V－10×5V＝950V所以降压变压器的匝数比＝＝＝答案：1∶2　95∶22