2019~2020学年高中物理第2章交变电流第7节远距离输电学案粤教版

第七节　远距离输电
[学习目标]　1.知道从电厂到住宅的输电过程和输电线路.2.了解输电线上的功率损耗与何种因素有关及降低功率损耗的措施．知道高压输电的道理．(重点)3.了解高压交流和高压直流输电的优缺点.4.会利用变压器的规律和能量守恒的观点对简单的远距离输电进行定性分析和计算．(重点、难点)


一、高压输电原理
1．基本要求
既能安全、保质，又能减少电能损耗，降低输电系统成本．
2．输电线路
远距离输送电网基本结构：如图所示(输出功率为P，输出电压为U)．

3．功率损耗
输电导线损失的电功率：由P损＝IR线可推得P损＝()2R线．
4．两个关系
功率关系：P入＝P线＋P用．
电压关系：U2＝U线＋U3.
二、远距离输电
1．降低输电损耗的途径
(1)减小输电线的电阻：在输电距离一定的情况下，为减小电阻，应当选用电阻率小的金属材料，还要尽可能增加导线的横截面积．
(2)减小输电线中的电流：为了减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压．
2．高压直流输电
(1)直流输电的优点
不存在感抗和容抗引起的电能损失．
(2)直流输电的基本过程
在发电站区域经变压器升压，由换流设备将交流电变成直流电，用高压直流电进行远距离传输，在用户区域由换流设备将直流电变为交流电，经变压器降压送给用户．

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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．(√)
(4)远距离输电时，当输送电功率不变，提高输电电压，能减小电流，提高输电效率．(√)
(5)远距离输电，若用高压直流输送可以减小因感抗和容抗造成的损失．(√)
2．在远距离输电过程中，为减少输电线路上的电能损失，可采用的最佳方法是(　　)
A．使输电线粗一些 B．减小输电线长度
C．减少通电时间 D．采用高压输电
D　[从造成电能损失的原因分析，要减少电能损失，需要减小电阻、减小输电电流，减小电阻已达到目前技术的极限了，因此，应当采用高压输电，减小输电电流．]
3．输电导线的总电阻为R，输送电功率为P.现分别用U1和U2两种电压来输电，则两次输电线上损失的功率之比为 (　　)
A．U1∶U2 B．U∶U
C．U∶U D．U2∶U1
C　[由公式P＝IU得输电线中的电流I＝，输电线上损失的功率P损＝I2R＝，故P损1∶P损2＝U∶U，选项C正确．]


输电线功率损耗的计算

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
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，可用以下三式计算：
(1)ΔP＝I2R；
(2)ΔP＝IΔU；
(3)ΔP＝.
I为输电电流，R为输电线的电阻，ΔU为输电线上损失的电压．
3．减小电压、功率损失的方法
(1)减小输电线路的电阻
由R＝ρ可知，距离一定时，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．
【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？
思路点拨：①由I＝算电流，由P＝I2R算损耗功率．
②由算输出功率占总功率的几分之几．
[解析]　(1)由P＝UI得I＝＝ A＝2 500 A.
(2)输电线上损失的功率
ΔP＝I2·2r＝2 5002×2×10 W＝1.25×108 W
损失功率与输出功率之比为
＝＝.
(3)当电压升高至50万伏时
I′＝＝ A＝1 000 A
输电线上损失的功率为
ΔP′＝I′2·2r＝1 0002×2×10 W＝2×107 W
损失功率与输出功率之比为
＝＝.
[答案]　(1)2 500 A　(2)1.25×108 W　
(3)1 000 A　2×107 W　

计算输电导线上功率损失的三种方法
(1)ΔP＝I2R，I为输电导线中的电流，R为导线的电阻．
(2)ΔP＝，ΔU为输电导线上损失的电压，R为导线的电阻．
(3)ΔP＝ΔUI，ΔU为输电导线上损失的电压，I为导线中的电流．

1．某发电厂原来用11 kV的交变电压输电，后来改用升压变压器将电压升到220 kV输电，输送的电功率都是P.若输电线路的电阻为R，则下列说法中正确的是(　　)
A．根据公式I＝，提高电压后输电线上的电流降为原来的
B．根据公式I＝，提高电压后输电线上的电流增为原来的20倍
C．根据公式P损＝I2R＝R，提高电压后输电线上的功率损失减为原来的
D．根据公式P损＝，提高电压后输电线上的功率损失增大为原来的400倍
AC　[输电线上的电流为I＝，或者I＝，其中ΔU为输电线上电阻R两端的电压，而不是输送电压，故A对，B错；输电线上的功率损失P损＝I2R＝2R，C对；如果用P损＝，则U为R上的分压ΔU，故D错．]
,
远距离输电电路的分析与计算

1.远距离输电电路图(如图所示)

2．分析方法：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．远距离输电过程中的几个电压
(1)输送电压：输电线始端电压，如图中的U2.
(2)用户电压：最终用户得到的电压，如图中的U4.
(3)损失电压：
①大小：等于输电导线始端电压与末端电压的差值，即ΔU＝U2－U3＝I2R.
②形成原因：输电导线有电阻，有电流通过时，会在线路上产生电势降落，导致输电线路末端的电压低于始端的电压．
4．输电过程中的几个关系
(1)功率关系：P1＝P2，P2＝ΔP＋P3，P3＝P4.
(2)电压、电流关系：
＝＝，＝＝，
U2＝ΔU＋U3，I2＝I3.
(3)发电机输出的电流：I1＝.
(4)输电电流：I2＝＝＝.
(5)输电线损耗功率：ΔP＝ΔU·I2＝I·R＝2R.
【例2】　如图所示，某小型水电站发电机的输出功率为10 kW，输出电压为400 V，向距离较远的用户供电，为了减少电能损失，使用2 kV高压输电，最后用户得到220 V、9.5 kW的电力，求：

(1)水电站升压变压器的原、副线圈匝数比；
(2)输电线路导线电阻R；
(3)降压变压器的原、副线圈匝数比.
[解析]　已知输电功率为10 kW，而用户得到的功率为9.5 kW，所以损失的功率为0.5 kW，等于导线的电阻与输电电流的平方之积．
(1)升压变压器的原、副线圈匝数比
＝＝＝.
(2)由P损＝IR可知，输电线上损失的功率和导线电阻R及输电电流有关，而输电电流又取决于输电电压及输电功率，则有I2＝
所以R＝＝＝ Ω＝20 Ω.
(3)降压变压器原线圈上的电压
U3＝U2－I2R＝U2－R＝(2 000－×20)V＝1 900 V
所以降压变压器的原、副线圈匝数比＝＝.
[答案]　(1)　(2)20 Ω　(3)

远距离输电问题的分析方法
(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＝IR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．

2．图甲所示为远距离输电示意图，变压器均为理想变压器，升压变压器原、副线圈匝数比为1∶100，其输入电压如图乙所示，远距离输电线的总电阻为50 Ω.降压变压器右侧部分为火灾报警系统原理图，其中R1为一定值电阻，R2为用半导体热敏材料制成的传感器，当温度升高时其阻值变小，电压表V可以显示加在报警器两端的电压(报警器未画出)。未出现火警时，升压变压器的输入功率为660 kW.下列说法中正确的是(　　)

甲　　　　　　　　　乙
A．0.01 s时刻，电压表的示数是0 V
B．未出现火警时，远距离输电线路损耗的功率为45 kW
C．当传感器R2所在处出现火警时，电压表V的示数变大
D．当传感器R2所在处出现火警时，输电线上的电流变小
B　[电压表测量的为交流电的有效值，故不为零，故A错误；升压变压器输入端电压有效值为220 V，根据电压与匝数成正比知，副线圈两端电压为22 000 V，所以输电线中的电流I＝＝＝30 A，输电线损失的电压ΔU＝IR＝30×50 V＝1 500 V，输电线路损耗功率ΔP＝ΔUI＝1 500×30＝45 kW，故B正确；当传感器R2所在处出现火警时其阻值减小，副线圈中电流增大，定值电阻的分压增大，所以电压表V的示数减小，故C错误；当传感器R2所在处出现火警时，副线圈电流增大，可知输电线上的电流增大，故D错误．]

课 堂 小 结 知 识 脉 络
1.输送电能的基本要求是可靠、安全、保质、经济．2．根据P损＝I2r可知，减小输电线上的功率损失有两个途径：一是减小输电线的电阻，二是减小输电电流．3．在输送功率一定时，提高输送电压，可以减小输电电流.

1．关于电能输送的以下分析，正确的是(　　)
A．由公式P＝知，输电电压越高，输电线上功率损失越少
B．由公式P＝知，输电导线电阻越大，输电线上功率损失越少
C．由公式P＝I2R知，输电电流越大，输电导线上功率损失越大
D．由公式P＝UI知，输电导线上的功率损失与电流成正比
C　[输电线上损失的功率P损＝I2R线＝，U损指输电线上的分压，而不是输电电压，选项C正确．]
2．500千伏超高压输电是我国目前正在实施的一项重大工程，我省超高压输电工程正在紧张建设之中．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损，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．0.4P损　　　　 B．0.16P损
C．2.5P损 D．6.25P损
B　[根据P损＝r可知：当输电电压由200 kV升高到500 kV时，其线路损耗由P损减小到0.16P损，选项B正确．]
3．(多选)发电厂发电机输出电压为U1，发电厂到学校的输电导线总电阻为R，通过导线的电流为I，学校得到的电压为U2，则输电线上的损耗的电功率可表示为(　　)
A. B.
C．I2R D．I(U1－U2)
BCD　[输电线上的电压损失为U1－U2，即电阻R两端的电压为U1－U2，故其消耗的电功率为；流过导线中的电流为I，即流过电阻R的电流为I，故其消耗的电功率还可表示为I2R和I(U1－U2)，综上所述，选项B、C、D正确．]
4．图甲是高压输电的示意图，升压变压器的原线圈的输入电压U1＝240 V，输入电流i随时间t变化的正弦规律如图乙所示．已知输电线的总电阻R＝10 Ω，通过输电线的电流I＝10 A，且变压器均为理想变压器，则(　　)

甲　　　　　　　　　乙
A．升压变压器的原、副线圈匝数比n1∶n2＝1∶20
B．升压变压器的原、副线圈两端的电压比U1∶U2＝1∶20
C．降压变压器的原线圈的输入功率P3＝47 000 W
D．降压变压器的原线圈的输入功率P3＝48 000 W
C　[根据n1I1＝n2I2及图象可得n1∶n2＝1∶20，选项A错误；根据＝可知选项B错误；升压变压器的原线圈的输入功率P1＝U1I1＝48 000 W，则降压变压器的原线圈的输入功率P3＝P1－I2R＝47 000 W，选项C正确、D错误．]






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