高中物理第4章远距离输电3电能的远距离传输课件鲁科版选修3_2-69张 69页

第 3 节 　电能的远距离传输 一、为什么要采用高压输电 1. 两种损失 : 两种损失 原因分析 大小表示 减小办法 电功率损失 电流产生 _______ ΔP=___ 减小 R 减小 I 电压损失 输电线电阻 和输电线 _____ ΔU=___ 减小 I 减小 R 热效应 I 2 R 电抗 IR 2. 高压输电 : 在保证输送电功率 P 不变的前提下提高输 送电压 , 会减小 _____, 从而减小导线上的电功率损失和 电压损失。 电流 二、高压交流输电和高压直流输电 1. 高压交流输电 : (1) 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 _____ 。 (2) 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 _____ 。 ②交变电流的频率必须 _____ 。 电容 相同 相同 2. 高压直流输电 : (1) 高压直流输电系统的组成 : 主要由整流站、直流线 路和 _______ 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 _______ 变成 _______, 用高压直流电进行 远距离传输 , 在用户区域由换流设备将 _______ 变为 ___ _____, 经变压器降压送给用户。 逆变站 交流电 直流电 直流电 交 流电 (3) 高压直流输电的优点 : ① 节约线材 ; 输电杆塔 _________, 占地面积小。 ②不存在 _____ 和 _____ 引起的损耗。 ③不需要考虑电网中各台交流发电机的 _________ 问 题。 结构简单 感抗 容抗 同步运行 【 思考辨析 】 (1) 远距离输送交变电流时 , 导线的电阻是影响电压损失的因素之一。 ( 　　 ) (2) 输电电压越高越好。 ( 　　 ) (3) 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= 。 ( 　　 ) (4) 由 P=UI 知 , 在输送功率一定的情况下 , 提高输电电压 , 同时输电电流一定减小。 ( 　　 ) (5) 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。 ( 　　 ) 提示 : (1)√ 。导线的电阻 , 输送交变电流时 , 输电线的感抗和容抗都是影响电压损失的因素。 (2)× 。输送电压越高 , 会增加绝缘难度 , 提高架线费用 , 还容易引起输电线路向大气放电 , 增加能量损失。因此 , 并不是输送电压越高越好。 (3)× 。 U 为输电电压 , 而不是加在输电导线上的电压 , 即 U≠Ir, 而输电电流可通过 P=UI 求得。 (4)√ 。输送功率一定时 , 提高输电电压 , 由 P=UI 知 , 输电电流一定减小。 (5)√ 。减小电能损失可以通过减小输电线的电阻来实现 , 铜的电阻率比较低 , 因此用铜导线 , 可以减小输电导线的电阻 , 从而减小电能损失。 一　输电线上的电压损失和功率损失 考查角度 1 计算输电线上的电压损失和功率损失 【 典例 1】 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 I 1 , 其末端间的电压为 U 1 。 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 I 2 。则 ( 　　 ) A. 用户端的电压为 B. 输电线上的电压降为 U C. 理想变压器的输入功率为 r D. 输电线路上损失的电功率为 I 1 U 【 解题探究 】 (1) 理想变压器 输入功率 _____ 输出 功率。 (2) 如何求解输电线上的电压降 ? 提示 : U 损 =I 线 r 线 。 (3) 如何求解输电线上的功率损失 ? 提示 : P 损 = r 。 等于 【 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 U 2 , 所以 I 1 U 1 =U 2 I 2 , 选项 A 正确 ; 输电 线上电压降为 ΔU=I 1 r, 或者 ΔU=U-U 1 , 选项 B 错误 ; 理想 变压器输入功率为 P=I 1 U 1 , 选项 C 错误 ; 损失的功率 ΔP = r, 选项 D 错误。 【 核心归纳 】 1. 电压损失 : 由于输电导线有电阻 , 电流通过输电导线时 , 会在线路上产生电势降落 , 致使输电线路末端的电压 U 3 比起始端电压要低 , 这就是输电线路上的电压损失 ,ΔU=U 2 -U 3 =IR 线 。对于交流电路 , 感抗和容抗也会造成电压损失 , 高中阶段暂不研究。 2. 功率损失 : 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。设输电电流为 I, 输电线的电阻为 R 线 , 则功率损失为 ΔP=I 2 R 线 。 考查角度 2 减小输电线上电压、功率损失的方法 【 典例 2】 (2018· 江苏高考 ) 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 , 输电电压应变为 【 解析 】 选 C 。输电线上损耗的功率 P=I 2 r, 为使输电线 上损耗的功率减小为原来的 , 电流 I 要减小为原来 的 , 当输送功率一定时 , 输电电压要升高为原来的 2 倍 , 选项 C 正确。 【 核心归纳 】 减小输电线路上电压损失和功率损失的方法 : 　　根据电压损失的表达式 ΔU=IR 线 和功率损失 ΔP=I 2 R 线 可知 , 要减少输电线上的电压损失和功率损失 , 有两种方法 : (1) 减小输电线的电阻 R 线 : 根据电阻定律可知 R 线 =ρ , 要减小输电线的电阻 R 线 , 可采用下述方法 : ① 减小材料的电阻率 ρ 。银的电阻率最小 , 但价格昂贵 , 目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线材料。 ②减小输电线的长度 l 不可行 , 因为要保证输电距离。 ③增加导线的横截面积。可适当增大横截面积 , 太粗不 可能 , 既不经济又架设困难。另外 , 用增大输电导线横 截面积的方法来减小电阻 , 对低压照明电路有效 , 在高 压线路中 , 因容抗和感抗造成的电压损失比电阻造成的还要大 , 故这种方法在高压输电中的应用效果不佳。 (2) 减小输电电流。 ①在输电功率一定的条件下 , 根据 P=UI 可知 , 要减小输 电线中的电流 I, 必须提高输电电压 U 。 ②在输送功率 P 一定 , 输电线电阻 R 线 一定的条件下 , 输 电电压提高到原来的 n 倍 , 根据 ΔU=IR 线 = R 线 知 , 输电 线上的电压损失将变为原来的 。 ③ 根据 ΔP=( ) 2 ·R 线 知 , 输电线上的功率损失将降为 原来的 。 所以减小输电电流 , 采用高压输电的方法比减小输电线 电阻的方法更有效。 【 特别提醒 】 计算输电线上功率损耗的三种方法 (1)ΔP=I 2 R,I 为输电线上的电流 ,R 为线路电阻。 (2)ΔP= ,U 为输电线上的电压 ,R 为线路电阻。 (3)ΔP=UI,U 为输电线上的电压 ,I 为输电线上的电流。 【 过关训练 】 1.2017 年 1 月 4 日 , 昌吉 ( 新疆 )- 古泉 ( 安徽宣城 ) 特高压输电工程跨越秦岭。 500 千伏超高压输电是我国目前正在实施的一项重大工程。若输送功率为 3 200 万千瓦 , 原来采用 200 千伏输电 , 由于输电线有电阻而损失的电功率为 P, 则采用 500 千伏超高压输电后 , 在输电线上损失的电功率为 ( 设输电线的电阻未变 ) ( 　　 ) A.0.4 P B.0.16 P C.2.5 P D.6.25 P 【 解析 】 选 B 。根据 I= , 输电线上的电流与输送的电 压成反比 , 即输电线上的电流将变为原来的 , 而在线 路上损失的功率为 ΔP=I 2 R, 损失的功率与电流的平方 成正比 , 即 ΔP 1 ∶ΔP 2 =25∶4, 所以采用 500 千伏超高压 输电后在输电线上损失的功率为 0.16 P 。 2.(2015· 福建高考 ) 如图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 n 1 、 n 2 , 在 T 的原线圈两端接入一电压 u=U m sinωt 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 ( 　　 ) A.( ) 　　　　　 B.( ) C.4( ) 2 ( ) 2 r D.4( ) 2 ( ) 2 r 【 解析 】 选 C 。由 I 1 = 和 得 I r =I 2 = , 则 输电线上损失的功率 P r = 2r=4( ) 2 ( ) 2 r, 故选 C 。 3.( 多选 ) 如图为远距离高压输电的示意图。关于远距离输电 , 下列表述正确的是 ( 　　 ) 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的 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 【 解析 】 选 A 、 B 、 D 。电路中的功率损耗 ΔP=I 2 R 线 , 而 R 线 =ρ , 增大输电线的横截面积 , 可减小输电线的电 阻 , 则能够减小输电线上的功率损耗 ,A 项正确 ; 由 P=UI 来看 , 在输送功率一定的情况下 , 输送电压 U 越大 , 则输 电电流越小 , 则功率损耗越小 ,B 项正确 ; 若输电电压一 定 , 输送功率越大 , 则电流 I 越大 , 电路中损耗的电功率 越大 ,C 项错误 ; 输电电压并不是电压越高越好 , 因为电压越高 , 对于安全和技术的要求越高 ,D 项正确。 【 补偿训练 】 　　 对在电能远距离输送中所造成的电压、功率损失 , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 只有输电线的电阻才造成电压损失 B. 只有输电线的电抗才造成电压损失 C. 只有变压器的铜损和铁损才造成了输送中的功率损失 D. 若用高压直流电输送 , 可以减小因电抗造成的电压、功率损失 【 解析 】 选 D 。远距离高压输电过程中 , 不仅线路上的电阻会损失电压 , 电抗也会损失电压 , 故 A 、 B 错误 ; 输电过程中的功率损失是指输电线上的功率损失 , 故 C 错误 ; 若用高压直流电输送 , 则只有电阻的影响 , 无电抗的影响 , 故 D 正确。 二　高压交流输电 考查角度 1 高压交流输电的关系式 【 典例 1】 (2019· 莆田高二检测 )( 多选 ) 远距离输电的 简化电路如图所示 , 发电厂的输出电压是 U, 两条输电线 输电的等效总电阻为 r, 输电线路中的电流是 I 1 , 其末端 间的电压为 U 1 。在输电线与用户间连有一理想降压变 压器 , 其原副线圈匝数比为 n 1 ∶n 2 , 流入用户端的电流是 I 2 ; 下列说法正确的是 ( 　　 ) A.U 、 I 1 、 r 之间满足 U=I 1 r B.I 1 、 I 2 之间满足 C. 输电线路上损失的电功率为 D. 理想变压器的输入功率为 UI 1 - r 【 解析 】 选 B 、 D 。线路上的电势降 U 损 =I 1 r=U-U 1 ,A 错误 ; 根据变压器电流比等于匝数的反比可知 ,B 正确 ; 线路上损耗的功率 P 损 =I 2 r=UI 1 -U 1 I,C 错误 ,D 正确。 【 核心归纳 】 1. 掌握五个关系式 : (1) 电压与匝数的关系 : , 。 (2) 功率关系 : 理想变压器的输入功率等于输出功率 , P 入 =P 出 。 (3) 电流大小关系 : 升压变压器原线圈的电流 I 1 = , 副 线圈的电流 I 2 = ,U 2 为输送电压。 (4) 功率损失 :ΔP= R 线 = ,P 2 =P 3 +ΔP 。 (5) 电压关系 :U 2 =I 2 R 线 +U 3 。 2. 远距离输电的三个物理量 : (1) 输电电流 I: 输电电压为 U, 输电功率为 P, 则输电电流 I= 。 (2) 电压损失 ΔU: 输电线始端电压 U 与输电线末端电压 U′ 的差值。 (3) 功率损失 : 远距离输电时 , 输电线有电阻 , 电流的热 效应引起功率损失 , 损失的功率① ΔP=I 2 R 线 , ②ΔP=IΔU,③ΔP= 。 考查角度 2 高压交流输电的应用 【 典例 2】 有一条河流 , 河水流量为 4 m 3 /s, 落差为 5 m, 现利用它来发 电， 发电效率为 50 ％ ① ， 发电机输出电压为 350 V ② ， 输电线总电阻为 4 Ω ③ ， 允许输电线上损耗功率为发电机输出功率的 5 ％ ④ ，而用户所需电压为 220 V ，求所用的升压变压器上原、副线圈的匝数比。（ g 取 9.8 m/s 2 ） 【 审题关键 】 序号 信息提取 ① 发电机的输入功率 P 1 =ηP 0 ② U 1 =350 V ③ R 线 =4 Ω ④ P 损 =5%P 1 【 解析 】 设河水重力做功的功率为 P 0 ,Q 为水流量 , P 0 = =ρgQh, 代入数值得 P 0 =1.96×10 5 W 发电机最大输出功率就是升压变压器的输入功率 P 1 , 依题意有 P 1 =ηP 0 =9.8×10 4 W 输电线上允许消耗的电功率为 P 损 =5%P 1 =4.9×10 3 W 由 P 损 = R 线 , 可得 I 2 = =35 A 升压变压器副线圈两端的电压为 U 2 = =2 800 V 所以升压变压器原、副线圈匝数比为 n 1 ∶n 2 =U 1 ∶U 2 =350∶2 800=1∶8 答案 : 1∶8 【 核心归纳 】 1. 远距离输电电路图 : 2. 弄清分析思路 : 将电路划分为几个独立的回路 , 每个回路均可以应用闭合电路欧姆定律及串、并联电路规律 , 而变压器的电压、电流、功率关系是联系不同回路的桥梁。 3. 远距离输电问题的解题步骤 : (1) 正确画出输电过程示意图并在图上标出各物理量。 (2) 抓住变压器变压前后各量间关系 , 求出输电线上的 电流。 (3) 计算电路功率问题时常用关系式 :P 损 = R 线 , 注意 输电线上的功率损失和电压损失。 (4) 电网送电遵循“用多少给多少”的原则 , 说明原线圈电流由副线圈电流决定。 【 过关训练 】 1. 如图所示 , 甲是远距离输电线路的示意图 , 乙是发电机输出电压随时间变化的图象 , 则 ( 　　 ) A. 用户用电器上交流电的频率是 100 Hz B. 发电机输出交流电的电压有效值是 500 V C. 输电线的电流只由降压变压器原副线圈的匝数比决定 D. 当用户用电器的总电阻增大时 , 输电线上损失的功率减小 【 解析 】 选 D 。由图乙可知交流电的周期为 0.02 s, 频 率为 50 Hz, 则 A 错误 ; 发电机输出电压的有效值是 V, 则 B 错误 ; 输电线上的电流由用户消耗的功率及降压变 压器原副线圈的匝数比共同决定 , 则 C 错误 ; 当用户用电 器的总电阻增大时 , 用户消耗功率变小 , 降压变压器输 入功率变小 ,I 线 变小 ,P 线 = R 线 ,R 线 未变 , 则输电线上 损失的功率减少 , 故 D 正确。 2.( 多选 ) 在图示的远距离输电电路图中 , 发电机通过升 压变压器 T 1 和降压变压器 T 2 向用户供电。已知升压变 压器的原、副线圈匝数之比为 1∶3, 输电线的总电阻 R=2.5 Ω, 降压变压器 T 2 的原、副线圈匝数之比为 5∶1, 降压变压器的副线圈与滑动变阻器组成闭合电路。当 负载 R 0 =1.1 Ω 时 , 降压变压器副线圈两端交变电压 u=220 sin 100πt(V) 。若将变压器视为理想变压 器 , 则 A. 通过 R 的电流为 25 A B. 升压变压器的输入功率为 4.8×10 4 W C. 发电机的输出电压为 400 V D. 当负载电阻 R 0 增大时 , 发电机的输出功率增大 【 解析 】 选 B 、 C 。用电器的电流为 I 4 = A=200A, 降压变压器原线圈的电流为 I 3 = I 4 =40 A, 所以 A 错 误。升压变压器的输入功率为 P 1 =ΔP+P 3 = R +U 4 I 4 =(40 2 ×2.5+220×200)W=4.8×10 4 W,U 3 = U 4 = 1 100 V, 发电机的输出电压即为升压变压器原线圈的 电压 U 1 , 因为 U 2 =ΔU+U 3 =(40×2.5+1 100) V=1 200 V, 所以 得 U 1 =400 V, 所以 B 、 C 正确。当用电器的 电阻 R 0 增大时 , 由于电压不变 , 电流减小 , 输出功率减小 , 得发电机的输出功率减小 , 故 D 错误 ; 故选 B 、 C 。 【 拓展例题 】 考查内容 : 远距离输电的综合问题 【 典例 】 某小型水电站的电能输送示意图如图所示 , 发电机通过升压变压器 T 1 和降压变压器 T 2 向用户供电。已知输电线的总电阻为 R, 降压变压器 T 2 的原、副线圈匝数之比为 4∶1, 降压变压器副线圈两端交变电压 u=220 sin100πt V, 降压变压器的副线圈与阻值 R 0 =11 Ω 的电阻组成闭合电路。若将变压器视为理想 变压器 , 则下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 通过 R 0 电流的有效值是 20 A B. 降压变压器 T 2 原、副线圈的电压之比为 4∶1 C. 升压变压器 T 1 的输出电压等于降压变压器 T 2 的输入 电压 D. 升压变压器 T 1 的输出功率等于降压变压器 T 2 的输入 功率 【 解析 】 选 B 。降压变压器副线圈两端交变电压有效值 为 220 V, 负载电阻为 11 Ω, 所以通过 R 0 电流的有效值 是 20 A, 故 A 错误 ; 降压变压器 T 2 的原、副线圈匝数之比 为 4∶1, 所以降压变压器 T 2 原、副线圈的电压比为 4∶1, 故 B 正确 ; 升压变压器 T 1 的输出电压等于降压变压器 T 2 的输入电压加上输电线上的电压 , 故 C 错误 ; 升压变压器 T 1 的输出功率等于降压变压器 T 2 的输入功率加上输电线上的功率 , 故 D 错误。