高中物理第二章交变电流7电能的输送课件-56张 56页

7. 电能的输送　 一、电能输送中的电压损失和电能损耗 1. 电压损失 : (1) 损失原因 : 导线自身存在电阻 r 。 (2) 电压损失大小 :U 损 =___ 。 Ir 2. 输电线上的功率损耗 : (1) 输电线上的功率损失 :P 损 =___,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 _____: 在输电距离一定的情况下 , 为了 减小 _____, 应当选用 _______ 小的金属材料 , 还要尽可 能增加导线的 _________ 。 I 2 r 电阻 电阻 电阻率 横截面积 ② 减小输电导线中的 _____: 为减小输电 _____, 同时又 要保证向用户提供一定的电功率 , 就要提高输电 _____ 。 电流 电流 电压 二、远距离输电系统 1. 基本环节 : 2. 电路原理图 ( 如图 ): 3. 线路分类 : (1) 低压线路 : 家庭用户电压为 ______ 。  (2) 高压线路 : 输电电压为 35 kV 。 (3) 超高压线路 : 输电电压超过 220 kV 。 220 V 三、直流输电 1. 直流输电的优点 : (1) 节约线材。 (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。 感抗 容抗 同步运行 2. 直流输电的基本过程 : 在发电站区域经变压器升压 , 由整流设备将 _______ 变成 _______, 用高压直流电进行 远距离传输 , 在用户区域由 _______ 将直流电变为交流 电 , 经变压器降压送给用户。 交流电 直流电 逆变器 【 思考辨析 】 (1) 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。 ( 　　 ) (2) 减小输电损失可通过减小输电线的电阻和降低输电 电流来实现。 ( 　　 ) (3) 由 P= 可知 , 输电电压越小 , 输电线上的损失就越 小。 ( 　　 ) (4) 减小输电线电流的方法是降低电压。 ( 　　 ) (5) 由 P= 知 , 输电线上的损失电压越少 , 损失的功率就越少。 ( 　　 ) 提示 : (1)√ 。由 P=I 2 r 可知 , 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。 (2)√ 。由 P=I 2 r 可知 , 减小输电损失可通过减小输电线的电阻和降低输电电流来实现。 (3)× 。输电电压越小 , 输电电流就越大 , 降落在输电线上的电压也就越大 , 输电线上的损失就越大。 (4)× 。在输送功率一定时 , 减小电流应增大电压。 (5)√ 。输电线电阻 r 一定 , 损失电压 U 越小 , 损失功率 P 也越小。 一　输电线上的电压和能量损失 【 典例 】 在远距离输电时 , 要考虑尽量减少输电线上的功率损失。有一个小型发电站 , 输送的电功率 P=500 kW, 当使用 U=5 kV 的电压输电时 , 测得安装在输电线路起点和终点处的两只电度表一昼夜示数相差 4 800 kW·h 。求 : (1) 输电效率 η 和输电线的总电阻 r 。 (2) 若想使输电效率提高到 98%, 又不改变输电线 , 那么发电站应使用多高的电压向外输电 ? 【 素养解读 】 核心 素养 素养 角度 素养任务 物理 观念 能量 观念 根据能量守恒定律提出 P 入 =P 出 +P 损 ,E 入 =E 出 + E 损 科学 思维 模型 构建 远距离输电模型 , 抽象出三个回路 , 并利用它们之间的关系 科学 推理 根据输电效率的决定因素 , 论证提高输送电压可减少电能损失 【 正确解答 】 (1) 输送功率 P=500 kW, 一昼夜输送电能 E=Pt=12 000 kW · h 输电线上损失的电能 ΔE=4 800 kW · h 终点得到的电能 E′=E-ΔE=7 200 kW · h, 所以输电效率 η= =60% 输电线上的电流 I= =100 A 输电线上损耗的功率 P r = =200 kW 输电线的电阻 r= =20 Ω 。 (2)P r =( ) 2 r 要求输电线上损耗的功率 P r ′=2%P=10 kW, 输电电压应调节为 U′= P=22.4 kV 。 答案 : (1)60% 　 20 Ω 　 (2)22.4 kV 【 核心归纳 】 1. 输电线上的电压损失 : (1) 电压损失 : 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比起始端电压要低 , 这就是输电线上的电压损失。 (2) 减少输电线路电压损失的两种方法。 ①减小输电线路电阻 : 由 R=ρ 可知 , 距离一定时 , 使 用电阻率小的材料 , 增大导线横截面积可减小电阻。 ②减小输电电流 : 由 I= 可知 , 当输送功率一定时 , 升 高电压可以减小电流。 2. 输电线上的电功率损失 : (1) 电功率损失。 ①原因 : 任何输电导线都有电阻 , 因此当电流通过输电导线向远方输送时 , 输电线因有电阻而发热。 ②功率损失的计算 :ΔP=I 2 R,I 为输电线路上的电流 ,R 为线路电阻。 (2) 减少功率损失的方法。 ①减小输电线的电阻 R: 根据 R=ρ , 减小电阻率 ρ, 目 前一般用电阻率较小的铜或铝作为导线材料 ; 增大导线 的横截面积 S, 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 I= , 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 , 根 据 P 损 =( ) 2 R 知 , 输电线上的功率损耗将降为原来 的 。 【 过关训练 】 1. 输电线的电阻为 r, 输送功率为 P, 送电电压为 U, 则用 户能得到的电功率为 ( 　　 ) A.P 　　　　　　　　　　 B.P- r C.P- D. r 【 解析 】 选 B 。由输送的电功率为 P 可得电流为 I= , 输电线的电阻为纯电阻 , 消耗功率为 :P′=I 2 R, 故用户 得到的功率为 P 用 =P-P′=P- r 。故选 B 。 2.( 多选 ) 远距离输送一定功率的交变电流 , 若输送电压升高为原来的 n 倍 , 关于输电线上由电阻造成的电压损失和功率损失的说法中 , 正确的是 ( 　　 ) A. 输电线上的电功率损失是原来的 B. 输电线上的电功率损失是原来的 C. 输电线上的电压损失是原来的 D. 输电线上的电压损失是原来的 n 倍 【 解析 】 选 B 、 C 。远距离输送一定功率的交变电流 , 若 输送电压升高为原来的 n 倍时 , 由于 P=UI, 输电线上的电 流为原来的 , 所以输电线上的电压损失 U 线 =IR, 即是 原来的 , 选项 C 正确 ,D 错误 ; 再由 P 线 =I 2 R 可知输电线 上的电功率损失是原来的 , 选项 B 正确 ,A 错误。 3.( 多选 ) 在如图所示的远距离输电电路图中 , 升压变压器和降压变压器均为理想变压器 , 发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变 , 随着发电厂输出功率的增大 , 下列说法中正确的有 ( 　　 ) A. 升压变压器的输出电压增大 B. 降压变压器的输出电压增大 C. 输电线上损耗的功率增大 D. 输电线上损耗的功率占总功率的比例增大 【 解析 】 选 C 、 D 。由题意可知升压变压器的输入电压不变 , 则输出电压不变 ,A 错误 ; 在电能输出过程中有 :I= ,U 线 =IR 线 ,U 3 =U 2 -U 线 , 因 P 变大 ,I 变大 , 所以 U 线 变大 , 所以降压变压器初级线圈电压 U 3 变小 , 则降压变压器的输出电压变小 ,B 错误 ; 由 P 线 =( ) 2 R 线 , 因 P 变大 , 所以 P 线 变大 ,C 正确 ; 根据 = = , 因 P 变大 , 所以比值变大 ,D 正确。 【 补偿训练 】 通过一理想变压器 , 经同一线路输送相同的电功率 P, 原 线圈的电压 U 保持不变 , 输电线路的总电阻为 R 。当副线 圈与原线圈的匝数比为 k 时 , 线路损耗的电功率为 P 1 , 若 将副线圈与原线圈的匝数比提高到 nk, 线路损耗的电功 率为 P 2 , 则 P 1 和 分别为 ( 　　 ) A. , 　 B.( ) 2 R, 　 C. , 　 D.( ) 2 R, 【 解析 】 选 D 。根据变压器的变压规律 , 得 =k, =nk, 所以 U 1 =kU,U 2 =nkU 。根据 P=UI, 知匝数比为 k 和 nk 的变压器副线圈的电流分别为 I 1 = = ,I 2 = = 。根据 P=I 2 R 知 , 输电线路损耗的电功率分别为 P 1 = R=( ) 2 R,P 2 = R=( ) 2 R, 所以 = 。选 项 D 正确 , 选项 A 、 B 、 C 错误。 二　高压输电过程的分析与计算 【 典例 】 风力发电作为新型环保新能源 , 近几年来得到了快速发展。如果风车阵中某发电机输出功率为 100 kW, 输出电压是 250 V, 先后经过一升压变压器和一降压变压器传输后送到用户 , 设用户得到的电压是 220 V, 输电线总电阻为 10 Ω 。若输电线中因发热而损失的功率为输送功率的 4%, 试求 : (1) 在输电线路中设置的升、降压变压器原、副线圈的匝数比各为多少 ? (2) 用户得到的电功率是多少 ? 【 规范解答 】 (1) 输电线中损失的功率为 :P 损 =P 1 ×4%= R 得 I 2 =20 A, 而 I 1 = 得 I 1 =400 A 故升压变压器原、副线圈匝数比为 : = 输电线上损失的电压为 :U 损 =I 2 R 得 U 损 =200 V 输送电压为 U 2 , 由 得 U 2 =5 000 V 降压变压器原线圈两端的电压为 :U 3 =U 2 -U 损 =4 800 V 故降压变压器原、副线圈匝数比为 : , 即 (2) 用户得到的电功率为 :P 用 =P 1 -P 损 , 即 P 用 =96 kW 。 答案 : (1)1∶20 　 240∶11 　 (2)96 kW 【 核心归纳 】 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 U 2 。 (2) 用户电压 : 最终用户得到的电压 , 如图中的 U 4 。 (3) 损失电压。 ①表示形式 : 输电线始端电压与末端电压的差值即 ΔU=U 2 -U 3 =I 2 R 。 ② 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。 3. 输电过程的几个基本关系 : (1) 功率关系 :P 1 =P 2 ,P 2 =P 线 +P 3 ,P 3 =P 4 。 (2) 电压、电流关系 : , ,U 2 =U 线 +U 3 ,I 2 =I 3 =I 线 。 (3) 输电电流 :I 线 = 。 (4) 输电导线上损耗的电功率 : P 线 =I 线 U 线 = R 线 =( ) 2 R 线 。 【 过关训练 】 1.(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 。 2.( 多选 ) 某小型水电站的电能输送示意图如图 , 发电机的输出电压为 220 V, 输电线总电阻为 r, 升压变压器原、副线圈匝数分别为 n 1 、 n 2 , 降压变压器原、副线圈匝数分别为 n 3 、 n 4 ( 变压器均为理想变压器 ) 。要使额定电压为 220 V 的用电器正常工作 , 则 ( 　　 ) A. > B. < C. 升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压 D. 升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率 【 解析 】 选 A 、 D 。根据变压器工作原理可知 , , 由于输电线上损失一部分电压 , 升压变压器的 输出电压大于降压变压器的输入电压 , 有 U 2 >U 3 , 所以有 > ,A 正确 ,B 、 C 错误。升压变压器的输出功率减 去输电线上损失的功率等于降压变压器的输入功率 , D 正确。 3.(2019· 泸州高二检测 ) 如图所示 , 某学校有一台应急备用发电设备 , 内阻不计。升压变压器匝数比为 n 1 ∶n 2 =1∶4, 降压变压器的匝数比为 n 3 ∶n 4 =4∶1, 输电线总电阻为 r=4 Ω, 其他导线电阻可忽略不计。全校有 22 间教室 , 每间教室安装“ 220 V 　 40 W” 的电灯 6 盏 , 要求所有的电灯都正常发光 , 求 : (1) 输电线上的电流是多大 ? (2) 升压变压器的输入电压多大 ? 【 解析 】 (1) 所有电灯正常发光时消耗的功率 为 :P=40×6×22 W=5 280 W=P 4 , 由于灯正常发光时 , 降压变压器副线圈两端的电 压 :U 4 =220 V, 所以降压变压器原线圈两端的电压为 :U 3 = U 4 = ×220 V=880 V, 则输电线上的电流为 :I 线 = A=6 A 。 (2) 输电线上损失的电压为 :U 损 =I 线 r=6×4 V=24 V, 则升压变压器副线圈两端的电压为 :U 2 =U 3 +U 损 =880+ 24 V=904 V, 则升压变压器原线圈两端的电压为 :U 1 = U 2 = ×904 V=226 V 。 答案 : (1)6 A 　 (2)226 V 【 补偿训练 】 以下对于电能输送的说法 , 正确的是 ( 　　 ) A. 输送电能的基本要求是经济实惠 B. 减小输电线上功率损失的唯一方法是高压输电 C. 减小输电线上电压损失的唯一方法是增大导线的横截面积 D. 实际输电时 , 要综合考虑各种因素 , 如输送功率大小、距离远近、技术和经济要求等 【 解析 】 选 D 。输送电能的基本要求是可靠、保质、经济 , 选项 A 错误 ; 减少输电线上的功率损失可采用高压输电或减小输电线电阻 , 即增大传输导线横截面积的方法 , 但不经济 , 且增加架设难度 , 选项 B 、 C 错误 ; 实际输电时 , 要综合考虑各种因素 , 选项 D 正确。 【 拓展例题 】 考查内容 : 输电电压和输电线上的损失 【 典例 】 输电线的电阻共计 1.0 Ω, 输送的电功率是 100 kW, 用 400 V 的低压输电 , 输电线上发热损失的功率是多少 ? 改用 10 kV 的高压输电 , 输电线上的功率损失又为多少 ? 【 正确解答 】 由 P=UI 知 , 输电线的电流 I= , 式中 P 是 输送的电功率 ,U 是输电电压。当用 400 V 的低压输电时 , 输电线上发热损失的功率 P 1 = R=( ) 2 R=( ) 2 ×1.0 W=6.25×10 4 W 当用 10 kV 的高压输电时 , 输电线上发热损失的功率 P 2 = R= ( ) 2 R=( ) 2 ×1.0 W=1.0×10 2 W 答案 : 6.25×10 4 W 　 1.0×10 2 W