教科版高中物理选择性必修第二册第三章交流电第4节电能的传输课件(69页PPT)

(共69张PPT)
[学习目标]
1.理解远距离输电线上的能量损失与哪些因素有关。
2.应用理想变压器、电路知识对简单的远距离输电线路进行定量计算。
3.知道传输电能的基本要求及电网供电的优点，了解直流输电。
1.输送电能的基本要求
(1)可靠：保证供电线路可靠地工作，故障少。
(2)保质：保证电能的质量——电压和频率稳定。
(3)经济：输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。
2.输电线路的电压损失
输电线始端电压U与输电线末端电压U′的差值ΔU＝U－U′＝Ir＝____，其中I为输电线上的电流，r为输电线的电阻。
3.输电线路的功率损失
(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＝___。
I2r
(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＝ΔU·I＝_____
4.减小电压、功率损失的方法
(1)减小输电线的电阻r
增大
(2)减小输电电流I
提高到
[易错辨析]
(1)输电线上损失的电功率，与输电线的电阻成正比，与输电线电流的二次方成正比。( )
(2)增大输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失。( )
(3)由P＝可知，输电电压越小，输电线上损失的电功率就越小。( )
(4)在输送电压一定时，输送的电功率越大，则输电过程中的电能损失越大。( )
√
√
×
√
[例1]　(多选)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV的超高压向B处输电，输电线上损耗的电功率为ΔP，到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下，改用1 100 kV特高压输电，输电线上损耗的电功率变为ΔP′，到达B处时电压下降了ΔU′。不考虑其他因素的影响，则(　　)
AD
[例2]　(2025·眉山市高二期末)(多选)白鹤滩水电站采用的是特高压远距离输电方式。若保持输送电能总功率、输电距离不变的情况下，从原来的110 kV高压输电升级为1 100 kV的特高压输电，下列说法正确的是(　　)
AC
1.远距离输电的基本原理：在发电站附近用_____变压器升压，然后用输电线送到远方，在用电区域通过_____变压器降到所需的电压。
2.低压线路、高压线路、超高压线路和特高压线路
(1)我国家庭用户电压为220 V，称为低压线路，一般输电距离都控制在几百米范围内，输送功率在100 kW以内。
(2)输电距离在20 km以内的输电电压一般用35 kV，这就是高压线路。
(3)输送功率在10万 kW以上，输电距离超过500 km时，输电电压往往超过220 kV，这称为超高压线路。
(4)1 000 kV以上电压等级，称为特高压。
升压
降压
3.电网：通过网状的输电线、变电站，将许多电厂和广大用户连接起来，形成全国性或地区性的输电网络。
4.电网输电的优点
(1)降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益。
(2)减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡。
(3)合理调度电力，使电力的供应更加可靠，质量更高。
5.解决远距离高压输电问题的基本方法
(1)首先应画出远距离输电的电路图(如图)，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置。
U1I1
(2)厘清三个回路
回路1：P1＝_____
回路2：ΔU＝______＝I2R线，ΔP＝P2－P3＝IR线，I2＝I3
回路3：P4＝_____。
U2－U3
U4I4
(3)常用关系
①功率关系：P1＝P2，P2＝ΔP＋P3，P3＝P4。
ΔU＋U3
[思考探究]
远距离输电时，若升压变压器的匝数比为1∶n，降压变压器的匝数比为n∶1，则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压是否相等？
提示　不相等，因为在输电过程中存在电压损失和功率损耗。
[例3]　(2025·内江市高二月考)发电机两端的电压为220 V，输出功率为44 kW，输电线的总电阻为0.2 Ω，如果用原、副线圈匝数比为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，两个变压器均为理想变压器。
(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输送给用户，求用户得到的电压和功率。
答案　(1)见解析图　(2)219.6 V　4.392×104 W　(3)180 V　3.6×104 W
解析　(1)线路示意图如图甲所示。
(3)若直接给用户供电，线路示意图如图乙所示。
输电线路上的电压损失ΔU′＝I′R线＝200×0.2 V＝40 V
所以用户得到的电压U2′＝U1－ΔU′＝220 V－40 V＝180 V
用户得到的功率为P′＝U′2I′＝180×200 W＝3.6×104 W。
[例4]　(2023·山东卷)某节能储能输电网络如图所示，发电机的输出电压U1＝250 V，输出功率500 kW。降压变压器的匝数比n3∶n4＝50∶1，输电线总电阻R＝62.5 Ω。其余线路电阻不计，用户端电压U4＝220 V，功率88 kW，所有变压器均为理想变压器。下列说法正确的是(　　)
A.发电机的输出电流为368 A
B.输电线上损失的功率为4.8 kW
C.输送给储能站的功率为408 kW
D.升压变压器的匝数比n1∶n2＝1∶44
C
[例5]　图甲是目前世界上在建规模最大、技术难度最高的水电工程——白鹤滩水电站，是我国实施“西电东送”的大国重器，其发电量位居全世界第二，仅次于三峡水电站。白鹤滩水电站远距离输电电路示意图如图乙所示，如果升压变压器与降压变压器均为理想变压器，发电机输出电压恒定，R表示输电线电阻，则当用户功率增大时(　　)
A.A2示数增大，A1示数减小
B.V1、V2示数都减小
C.输电线上的功率损失增大
D.输电效率升高
C
1.随着电力工业的发展，交流输电呈现出一定的局限性。如当交流输电功率很大时，_____、电容引起的电压及电能损失很大；同一电网供电的发电机同步运行，技术上存在困难等。所以现在有些大功率输电线路已经开始采用________。
2.发电机发出的交流电，先通过变压器升高电压，然后使用________使它成为直流电，用输电线把高压直流电输送出去。到了用电地点附近，再使用______把直流电变回到交流电，并通过变压器降压后供用户使用(整流和逆变统称为____)。
电感
直流输电
整流设备
逆变器
换流
[例6]　(多选)我国已投产运行的1 100 kV特高压直流输电工程是目前世界上电压等级最高、输送距离最远、技术水平最先进的输电工程，输电容量可达1 200万千瓦。输电的简化流程可用下图展示。若直流输电的线路电阻为10 Ω，变压、整流过程中的电能损失忽略不计，直流和交流逆变时有效值不发生改变。当直流线路输电的电流为5×103 A时，下列说法正确的是(　　)
BD
A.输电功率为1.2×1010 W
B.输电导线上损失的功率为2.5×108 W，损失的电压为50 kV
C.降压变压器原、副线圈匝数比为2∶1
D.若保持输送功率不变，用550 kV高压输电时用户得到的功率比用1 100 kV特高压输电时减少7.5×108 W
1.(电能输送中的电压损失和电能损耗)为消除高压输电线上的冰凌，有人设计了利用电流的热效应除冰的思路。若在正常供电时，高压线上送电电压为U，电流为I，热耗功率为ΔP；除冰时，在输电功率、用户的输入电压和输电线电阻不变的情况下，通过自动调节高压输电变压器的变压比，使输电线上的热耗功率变为16ΔP，则除冰时(　　)
A
2.(远距离输电过程的计算)(多选)风力发电将风的动能转化为电能。某风力发电机的输出功率为10 kW，输出电压为250 V，用户得到的电压是220 V，输电线的电阻为20 Ω，输电线路的示意图如图所示。若输电线因发热而损失的功率为输送功率的5%，变压器均视为理想变压器，则下列说法正确的是(　　)
AC
A.用户得到的功率为9.5 kW
B.通过输电线的电流为4 A
C.升压变压器原、副线圈的匝数之比为1∶8
D.降压变压器原、副线圈的匝数之比为100∶11
3.(远距离输电过程的分析)(多选)白鹤滩水电站是我国实施“西电东送”的关键一环，其远距离输电电路简化示意图如图所示，升压变压器与降压变压器均为理想变压器，发电机输出电压恒定，R为输电线路总电阻，则当用户端用电器增加时(　　)
A.V1示数减小，A1示数增大
B.V2示数减小，A2示数增大
C.输电线上损失的功率减小
D.V1示数与A1示数的乘积增大
BD
解析　发电厂的输出电压恒定，升压变压器原、副线圈匝数不变，可知电压表V1示数不变，当用户端用电器增加时，发电机输出功率增大，可知电流表A1示数增大，故A错误；由于输电线上的电流变大，输电线上损失的电压增大，则降压变压器原线圈两端电压变小，降压变压器原、副线圈匝数不变，可知电压表V2示数减小，当用户端用电器增加时，可知电流表A2示数增大，故B正确；由于输电线上的电流变大，输电线电阻不变，可知输电线上损失的功率增大，故C错误；电压表V1示数不变，电流表A1示数增大，故V1示数与A1示数的乘积增大，故D正确。
4.(直流输电)(2023·浙江6月选考)我国1 100 kV特高压直流输电工程的送电端用“整流”设备将交流变换成直流，用户端用“逆变”设备再将直流变换成交流。下列说法正确的是(　　)
A.送电端先升压再整流
B.用户端先降压再变交流
C.1 100 kV是指交流电的最大值
D.输电功率由送电端电压决定
解析　升压和降压都需要在交流的时候才能进行，故送电端应该先升压再整流，用户端应该先变交流再降压，故A正确，B错误；1 100 kV指的是交流电的有效值，故C错误；输电的功率是由用户端负载的总功率来决定的，故D错误。
A
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[基础巩固练]
1.某发电站采用高压输电向外输送电能。若输送的总功率为P0，输电电压为U，输电线的总电阻为R线。下列说法正确的是(　　)
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2.如果用220 V和11 kV两种电压来输电，设输送的电功率、输电线上的功率损失、导线的长度和电阻率都相同，则两次输电导线的横截面积之比为(　　)
A.1∶2 500 B.2 500∶1
C.1∶250 D.250∶1
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3.某水电站，用总电阻为2.5 Ω的输电线输电给500 km 外的用户，其输出电功率是3×106 kW。现用500 kV电压输电，则下列说法正确的是(　　)
A.输电线上的电流大小为2×105 A
B.输电线上由电阻造成的损失电压为15 kV
C.若改用5 kV电压输电，则输电线上损失的功率为9×108 kW
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4.(多选)如图所示，电压为100 kV的主供电线路为某5G基站供电，基站用电器总功率为4 kW，线路电阻为40 Ω，线路损耗功率占总功率的20%(变压器均视为理想变压器)，则(　　)
A.输电线路中的电流为5 A
B.输电线路中的电流为2 500 A
C.高压变压器原、副线圈的匝数比为50∶1
D.高压变压器原、副线圈的匝数比为100∶1
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5.(2025·内江市高二月考)发电站通过升压变压器、输电线和降压变压器给用户供电，升压变压器输出端滑片P位置可以调动，发电机组输出交变电压的有效值恒定，两条输电线总电阻r保持不变。在下列条件下，增加用户端的用电器，则(　　)
C
A.若滑片P位置不变，则用户端电压升高
B.若滑片P位置不变，则输电线上损失的功率变小
C.若将滑片P下移，则用户端电压可能不变
D.若将滑片P下移，则输电线上损失的功率可能减小
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解析　增加用户端的用电器，即并入电路的负载增多，用户端总功率变大，负载总电阻减小，导致电路总电流增大，对应的输电线电流增大，发电站的输出电流也增大。输电线电流增大，由U＝Ir可得，输电线分压增大，即电压损失增多，降压变压器原线圈电压降低，对应的副线圈电压也降低，即用户获得的电压降低，故A错误；输电线电流增大，由P＝I2r可知，输电线上损失的功率变大，故B错误；若将滑片P下移，升压变压器副线圈匝数增加，则升压变压器输出电压U2增大，降压变压器输入电压U3＝U2－IR线，可知降压变压器输入电压可能不变，即用户得到的电压可能不变，故C正确，D错误。
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A.图示位置线圈的磁通量变化率为0
B.升压变压器原、副线圈的匝数比为2∶5
C.线框转动一圈过程中克服安培力做功22 J
D.若电动机突然卡住而不能转动，输电线上的损耗功率将增大
D
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7.(2025·运城市高二月考)有一台内阻为1 Ω的发电机，为一个学校提供照明用电，如图所示，升压变压器的匝数比为1∶4，降压变压器的匝数比为4∶1，输电线的总电阻R＝4 Ω。全校共22个班，每班有“220 V　40 W”的灯6盏，若保证全部电灯正常发光，则：
(1)发电机的输出功率为多大？
(2)发电机的电动势为多大？
(3)输电线损耗的电功率为多大？
(4)输电效率是多少？
(5)若使电灯数减半并正常发光，发电机的输出功率是否减半？为什么？
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答案　(1)5 424 W　(2)250 V　(3)144 W　(4)97.3%　(5)否　见解析
解析　(1)降压变压器输出的功率为P4＝22×6×40 W＝5 280 W
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[能力提升练]
8.(2024·湖南卷)根据国家能源局统计，截止到2023年9月，我国风电装机4亿千瓦，连续13年居世界第一位，湖南在国内风电设备制造领域居于领先地位。某实验小组模拟风力发电厂输电网络供电的装置如图所示。已知发电机转子以角速度ω匀速转动，升、降压变压器均为理想变压器，输电线路上的总电阻可简化为一个定值电阻R0。当用户端接一个定值电阻R时，R0上消耗的功率为P。不计其余电阻，下列说法正确的是(　　)
A
A.风速增加，若转子角速度增加一倍，则R0上消耗的功率为4P
B.输电线路距离增加，若R0阻值增加一倍，则R0消耗的功率为4P
C.若升压变压器的副线圈匝数增加一倍，则R0上消耗的功率为8P
D.若在用户端再并联一个完全相同的电阻R，则R0上消耗的功率为6P
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9.(多选)“西电东送”是我国实现经济跨区域可持续快速发展的重要保证，模拟远距离高压输电的示意图如图所示。已知升压变压器原、副线圈两端的电压分别为U1和U2，降压变压器原、副线圈两端的电压分别为U3和U4。在输电线路的起始端分别接入电压互感器和电流互感器，两个互感器原、副线圈的匝数比分别为20∶1和1∶20，各互感器和电表均为理想状态。下列说法正确的是(　　)
ABD
A.电压互感器起降压作用，电流互感器起减小电流作用
B.若电压表的示数为200 V，电流表的示数为5 A，则线路的输电功率为400 kW
C.若保持U1和用户数不变，仅将滑片Q下移，则输电线损耗功率减小
D.若保持U1不变，仅增加用户数，为保持U4不变，可将滑片P上移
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(1)输电线的总电阻R；
(2)升压变压器原、副线圈匝数比n1∶n2；
(3)发电机线圈绕轴的转速n。
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11.(2025·枣庄市高二期中)水力发电是获得清洁能源的重要途径之一。某条河流的河水流量为200 m3/s，落差为4 m。现利用它来发电，水电站的总效率为η＝50%，发电机的输出电压为500 V。水电站到用户之间要进行远距离高压输电，两地间输电线的总电阻为125 Ω，允许输电线上损耗的功率为发电机输出功率的5%，认为所用的变压器都是理想变压器。已知水的密度为ρ＝1×103 kg/m3，g取10 m/s2。求：
(1)发电机输出的功率；
(2)高压输电线路中设置的升压变压器的原、副线圈的匝数比n1∶n2；
(3)若采用特高压1 000 kV的方式输电，除了我们熟悉的电阻类损耗以外，还存在大约占总损耗功率60%的电晕类损耗。相比于高压输电，特高压输电节省的总功率是多少？
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解析　(1)Δt时间内流过水的质量为m＝ρQΔt
河水减少的重力势能为ΔEp＝mgh
发电机输出的功率为
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[拓展培优练]
12.(多选)某同学在实验室中研究远距离输电。由于输电线太长，他将每100 m导线卷成一卷，共卷成8卷来代替输电线路。第一次直接将输电线与学生电源及用电器相连，第二次采用如图所示的电路输电。其中变压器T1与电源相连，变压器T2与用电器相连。下列说法正确的是(　　)
A.第二次实验也可研究远距离直流输电
B.T1是升压变压器，T2是降压变压器
C.若输送功率一定，则第二次实验时输电线损失的电功率较小
D.实验可证明，增大输电电流能减少远距离输电的能量损失
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