高二物理下学期第3周远距离输电导学案

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第三节课远距离输电

一、从发电站到用户的输电线路

远距离输电过程：发电机输出的电压通过变压器升高到几十万伏，然后进行远距离输电．当电能被输送到用电区域后，再用变压器将电压降低．

二、为什么要用高压输电

减小电能损失的方法有两种：(1)减小导线的电阻．(2)减小输电导线中的电流，即提高输电的电压．

三、直流输电：现代的直流输电，只有输电这个环节使用高压直流，发电、用电及升、降电压仍然是交变电流．

一、降低输电损耗的两个途径 [问题设计]

如图1所示，假定输电线路中的电流是I，两条导线的总电阻是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)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：ΔP＝Ir，所以降低输电损耗的两个途径为：①减小输电线的电阻r；②减小输电电流I.

(3)因为发电厂的输出功率P是一定的，由P＝UI得，要减小输电电流I，必须提高输出电压U.

[要点提炼]

输电线上的电压损失和功率损失(设输电线上电阻为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．ΔU＝U－U′＝IR. 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ΔP＝IR. ΔU(2)若输电线上损失的电压为ΔU，则功率损失还可以表示为ΔP＝，ΔP＝ΔU·I.

R3．减小电压、功率损失的方法 (1)减小输电线的电阻

由R＝ρ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减小电阻． (2)减小输电电流I

由P＝UI可知，当输送功率一定时，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ΔU＝IR较大，用户得到的电压U－ΔU变低，达不到额定电压，因此白炽灯灯光较暗．

二、远距离输电电路中的各种关系 [问题设计]

某发电站向远处送电的示意图如图2所示，其中各部分的物理量已在图上标注，在这个电路中包括三个回路．

升压变压器降压变压器

图2

(1)结合闭合电路的知识，分别分析三个回路中各物理量之间的关系(发电机内阻、n1、

n2、n3、n4线圈的电阻均忽略不计)．

(2)每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系？答案 (1)第一个回路：P1＝U1I1

第二个回路：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝I线R＋P3 第三个回路：P4＝U4I4

(2)若两个变压器为理想变压器，则有：＝、＝、P1＝P2；＝、＝、P3＝P4. [要点提炼]

远距离输电问题的分析

U1n1I1n2U2n2I2n1U3n3I3n4U4n4I4n3

1．解决远距离输电问题时，应首先画出输电的电路图，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置(参考图2)．

2．分析三个回路，在每个回路中，变压器的原线圈是回路的用电器，而相应的副线圈是下一个回路的电源．

3．综合运用下面三方面的知识求解 (1)能量守恒：

P＝U1I1＝U2I2＝P用户＋ΔP

ΔP＝I2R

P用户＝U3I3＝U4I4.

(2)电路知识：U2＝ΔU＋U3 ΔU＝I2R

(3)变压器知识：＝＝

U1I2n1U2I1n2

U3I4n3＝＝. U4I3n4

其中ΔP＝I2R，ΔU＝I2R往往是解题的切入点．

一、输电线上功率损失的计算

例1 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)某处与电站间每根输电线的电阻为10欧，则输电线上损失的功率为多少？它占输出功率的几分之几？

(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？它占输出功率的几分之几？

P5×108 W

解析 (1)由P＝UI得I＝＝＝2 500 A

U2×105 V

(2)输电线上损失的功率ΔP＝I·2r＝2 500×2×10 W＝1.25×10 W ΔP1.25×101

损失功率与输出功率之比为＝8＝ P5×104

5×10 W

(3)将电压升高至50万伏时，I′＝＝＝1 000 A

U′5×105 V输电线上损失的功率ΔP′＝I′·2r＝1 000×2×10 W＝2×10 W

ΔP′2×101

损失功率与输出功率之比为＝＝ 8

P5×102518

答案 (1)2 500 A (2)1.25×10 W 4(3)1 000 A 2×10 W 二、远距离输电问题

例2 发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，输电导线的电阻为0.2 Ω，如果用原、副线圈匝数之比为1∶10的升压变压器升压，经输电线后，再用原、副线圈匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户，则：

(1)画出全过程的线路示意图； (2)求用户得到的电压和功率；

(3)若不经过变压而直接将电送到用户，求用户得到的电压和功率．解析 (1)示意图如图所示

1 25

(2)升压变压器的输出电压

n210

U2＝U1＝×220 V＝2 200 V

n11

根据升压变压器输出功率等于输入功率知，升压变压器输出电流为

P44×103

I2＝＝ A＝20 A

U22 200

输电线路上的电压损失和功率损失分别为

UR＝I2R＝20×0.2 V＝4 V

PR＝I22R＝20×0.2 W＝80 W

降压变压器上的输入电流和输入电压分别为

I3＝I2＝20 A

U3＝U2－UR＝2 200 V－4 V＝2 196 V

降压变压器上的输出电压和输出电流分别为

n41

U4＝U3＝×2 196 V＝219.6 V

n310

I4＝I3＝10×20 A＝200 A

用户得到的功率为

P4＝I4U4＝200×219.6 W＝4.392×104 W

(3)若不采用高压输电，用220 V低压直接供电时，电路如图所

P44×103

示，则输电电流I＝＝ A＝200 A，输电线路上的电压损失

U1220UR′＝IR＝200×0.2 V＝40 V

所以用户得到的电压为

U4′＝U1－UR′＝220 V－40 V＝180 V

用户得到的功率为P4′＝IU4′＝200×180 W＝3.6×10 W 答案 (1)见解析图 (2)219.6 V 4.392×10 W (3)180 V 3.6×10 W

第四节课远距离输电习题课

1．(输电线上功率损失的计算)(单选)中国已投产运行的1 000 kV特高压输电是目前世界上电压最高的输电工程．假设甲、乙两地原来用500 kV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1 000 kV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( )

4答案 A

2．(输电线上功率损失的计算)(双选)在远距离输电时，输送的电功率为P，输送电压为

B. 2

P C．2P D．4P

U，所用导线的电阻率为ρ，横截面积为S，总长度为L，输电线损失的电功率为P′，用户得

到的电功率为P用，则P′、P用的关系式正确的是 ( )

U2SA．P′＝

ρL

P2ρLB．P′＝2 USPρL) U2SU2SC．P用＝P－

ρL答案 BD

D．P用＝P(1－3．(远距离输电问题)(双选)在如图3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( )

图3