第3节 电能的远距离传输
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解从变电站到用户的输电过程．
2.理解降低输电损耗的两个途径及其各自的优缺点．(重点)
3.知道高压输电原理，区别导线上的输电电压U和损失电压ΔU.(难点)
4.了解高压交流和高压直流输电的优缺点及两种系统的区别和联系.
为 什 么 采 用 高 压 输 电
[先填空]
1．电功率损失
由于电流的热效应会引起电功率的损失，且满足P损＝I2R线，可以通过减小输电线的电阻或减小输送电流来减小电功率的损失．
2．电压损失
3．高压输电
减小电阻要增粗导线，增粗导线又带来两个不利，其一，耗费更多的金属材料；其二，会使电抗更大，造成更大的电压损失．只有采用小电流输电才会避免上述问题，在保证输送功率不变的情况下，减小电流必须靠升高电压来实现．
[再判断]
1．输电线上的电压损失可用ΔU＝Ir计算，r为输电线的电阻．(√)
2．输电电压越高越好．(×)
3．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．(√)
[后思考]
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＝，对不对？为什么？
【提示】 不对．U为输电电压，而不是在输电导线上的电压，即U≠Ir，而输电电流可通过P＝UI求得．
[合作探讨]
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U1.
图4－3－1
探讨1：远距离大功率输电面临的困难是什么？
【提示】 在输电线上有功率损失．
探讨2：输电线上功率损失的原因？功率损失的表达式？减少输电损耗的两个途径？
【提示】 由于输电线有电阻，当有电流时，有一部分电能转化为电热而损失掉了；P损＝I2r；减少输电损耗两个途径：①减小输电电流I，②减小输电线电阻r.
探讨3：为什么远距离输电必须用高压呢？
【提示】 因为发电厂的输出功率P是一定的，由P＝UI知，要减小输电电流I，必须提高输出电压U.
[核心点击]
1．输电线上的功率损失
(1)输电过程中功率损失的原因
输电导线有电阻，因此当电能通过输电线送向远方，电流流过输电线时，因输电线有电阻而发热，电能必有一部分转化为内能而损失掉．
(2)计算输电导线上功率损失的方法
设输电导线的总电阻为R，输电电流为I，则损失功率为P损＝I2R.设输送的总电功率为P，输电电压为U，输电线的总长度为L，横截面积为S，电阻率为ρ，则输电电流I＝，输电线电阻R＝ρ，所以输电线上的功率损失可表示为P损＝()2ρ.
(3)减小输电线上的功率损失的方法
根据公式P损＝I2R可知，减小输电线路上功率损失的方法有两种：
①减小电阻
据R＝ρ判断：减小输电线的长度L，由于输电距离一定，所以在实际中不可能通过减小L来减小R；减小电阻率ρ，目前，一般用电阻率较小的铜或铝作为输电线材料；增大导线的横截面积S，这要多耗费金属材料，增大成本，同时给输电线的架设带来很大的困难．
②减小输电导线的电流I
据I＝判断：减小输送功率，在实际中不能通过用户少用或不用电来达到减少损耗的目的；提高输电电压U，在输送电功率P一定，输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，据P损＝()2R可知，输电线上的功率损耗将降为原来的.
2．输电线上的电压损失
(1)在输电线上存在电压损失的原因
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，这就是输电线上的电压损失．
(2)计算输电线上的电压损失的方法
如图4－3－2所示，U为发电厂的输出电压，P为发电厂的输出功率，U′为用电设备两端的电压，P′为用电设备的输入功率，则输电线上损失的电压为ΔU＝U－U′，且ΔU＝IR.
图4－3－2
(3)减少输电线路上的电压损失的方法
据ΔU＝IR可知，减小输电线路上电压损失的方法主要有两种：(1)减小输电线路的电阻；(2)减小输电电流I，即提高输电电压．
1．(多选)如图4－3－3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( )
图4－3－3
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
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】 根据输电原理，电路中的功率损耗ΔP＝I2R线而R线＝ρ，增大输电线的横截面积，输电线的电阻会减小，则能减小输电线上的功率损失，A对；由P＝UI可知，P一定的情况下，输送电压U越大，I越小，ΔP越小，B对；若输电电压一定，输送功率越大，则电流I越大，ΔP越大，C错；输电电压并不一定越高越好，因为电压越高，对于安全和技术的要求越高，D对．
【答案】 ABD
2．某小型实验水电站输出功率是20 kW，输电线路总电阻是6 Ω.
(1)若采用380 V电压输电，求输电线路损耗的功率和用户得到的电压；
(2)若改用5 000 V高压输电，用户端利用n1∶n2＝22∶1的变压器降压，求用户得到的电压．
【解析】 (1)输电线上的电流为：
I＝＝ A≈52.63 A
输电线路损耗的功率为：
P损＝I2r＝52.632×6 W≈16 620 W＝16.62 kW
用户得到的电压为：
U1＝U－Ir＝(380－52.63×6)V＝64.22 V.
(2)改用高压输电后，输电线上的电流变为：
I′＝＝ A＝4 A
用户端在变压器降压前获得的电压
U1′＝U′－I′r＝(5 000－4×6) V＝4 976 V
根据＝
用户得到的电压为U2′＝U1′＝×4 976 V≈226.18 V.
【答案】 (1)16.62 kW 64.22 V (2)226.18 V
计算输电线上功率损耗的方法
1．ΔP＝I2R，I为输电线上的电流，R为线路电阻．
2．ΔP＝，U线为输电线路上损失的电压，R为线路电阻．
3．ΔP＝U线·I，U线为输电线上损失的电压，I为线路上的电流．
高 压 交 流 输 电 和 高 压 直 流 输 电
[先填空]
1．高压交流输电
(1)基本环节
升压变压器 降压变压器
发电厂(站)―→高压输电线路―→用户
(2)电路原理图：(如图4－3－4所示)
图4－3－4
2．高压直流输电
(1)主要构造
整流站、直流线路和逆变站三部分．
(2)原理图：(如图4－3－5所示)
图4－3－5
(3)高压直流输电的优点
高压直流输电的过程是在高压交流输电的基础上完善而成的，它的主要优点有：
①节省材料，架设方便．
②不存在容抗和感抗引起的损耗．
③易于建设输电网，不需要考虑各发电机的同步问题．
[再判断]
1．在远距离输电线上的功率损失与输电线上电压损失的平方成正比．(√)
2．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．(√)
3．高压直流输电系统有两次换流过程．(√)
[后思考]
在直流输电系统中，换流站内换流器的作用是什么？
【提示】 换流器的作用是实现交流电与直流电的转换，是直流输电系统内的重要环节．
[合作探讨]
我们日常生活离不开电，电是由发电厂产生的．为了合理地利用自然资源，火力发电厂通常建在煤矿附近，水电站建在水力资源丰富的河流上，但用电的地方可能距离很远，需要将电能安全、保质地由发电厂送往远方，同时又不能浪费太多的电能．请探究以下几个问题：
探讨1：火力发电厂或水电站发出电的电压一定很高吗？怎样才能提高输送电压？
【提示】 电厂发出的电的电压最大值由公式Em＝NBSω决定，因机械制造等因素，电压不会很高，通常借助变压器将低电压变为高电压．
探讨2：电能的远距离传输一般要经过哪几个环节？
【提示】 一般要经历三个环节，即升压变压器升压、电能的输送线路、降压变压器降压．
探讨3：用户消耗的电功率和电厂发出的电功率相等吗？
【提示】 不相等，因为在电能的输送线路上有电阻要消耗部分电功率，所以电厂发出的电功率大于用户获取的电功率．
[核心点击]
1．高压交流输电线路
(1)结构示意图
图4－3－6
(2)基本关系
电压关系：＝，＝
电流关系：＝，＝
功率关系：P1＝P2，P3＝P4
损失电压：UR＝I2R＝I3R
损失功率：PR＝IR＝U/R
(3)重要关联关系
(4)高压交流输电技术的困难
①输送大功率电能，导线横截面积较大，电感的作用(感抗)超过电阻；
②电缆长度越长，电容器的旁路作用越强，甚至使交流无法输送；
③电流并网要求各台发电机交流相位相同，频率相同．
2．高压直流输电
(1)高压直流输电系统原理
图4－3－7
(2)高压直流输电的优越性
①输送相同功率的电能时，直流输电所用线材仅为交流输电的2/3；
②直流输电比同容量交流输电简单，占地面积小；
③稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的能量损耗；
④用直流输电不需要考虑电网中各台交流发电机的同步运行问题．
3．(多选)高压直流输电与高压交流输电相比( )
A．高压直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗
B．高压直流输电所需的设备比高压交流输电所需的设备经济
C．高压直流输电技术简单
D．高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统
【解析】 稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗，A正确；高压直流输电技术的要求高，所需的换流设备制造难价格高，B、C错误．高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统，D正确．故选A、D.
【答案】 AD
4．如图4－3－8所示，学校有一台应急备用发电机，内阻为r＝1 Ω，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＝4 Ω，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：
图4－3－8
(1)输电线上损耗的电功率P损为多大？
(2)发电机的电动势E为多大？
【解析】 (1)所有电灯正常发光时消耗的功率为
P灯＝40×22×6 W＝5 280 W＝P4
由于电灯正常发光时降压变压器副线圈两端电压U4＝220 V
所以降压变压器原线圈两端电压U3＝U4＝×220 V＝880 V
两变压器之间输电线上的电流为I线＝＝＝ A＝6 A
输电线上损失的功率P损＝IR线＝62×4 W＝144 W.
(2)输电线上损失的电压U损＝I线R线＝6×4 V＝24 V
升压变压器副线圈两端电压
U2＝U3＋U损＝(880＋24)V＝904 V
升压变压器原线圈两端电压U1＝U2＝×904 V＝226 V
升压变压器原线圈中的电流I1＝I线＝×6 A＝24 A
发电机内阻上的电压：Ur＝I1r＝24 V
发电机的电动势E＝U1＋Ur＝226 V＋24 V＝250 V.
【答案】 (1)144 W (2)250 V
处理远距离输电问题的方法
处理远距离输电问题的方法，关键是抓住一图三线，一图即输电的线路图，三线即三个关系：功率关系、电压关系和电流关系，抓住一图三线，按照从前到后或从后向前的顺序分析，即可找到突破口．
课件44张PPT。学业分层测评知识点一知识点二
第3节 电能的远距离传输为 什 么 采 用 高 压 输 电热效应 I2R线 电阻 容抗 感抗 电阻 升高电压 √ × √ 高 压 交 流 输 电 和 高 压 直 流 输 电整流站 逆变站 容抗 感抗 √ √ √
