(共33张PPT)
4.电能的输送
学习目标
1.理解输电线上电能的损失与哪些因素有关。
2.理解减小电能损失的两个途径以及高压输电的原理。
3.知道远距离输电的典型电路,并能利用变压器和电路的规律解决实际问题。
4.通过对远距离输电的学习,了解并体会物理学对经济、社会发展的贡献,培养学生的社会责任感。
思维导图
必备知识
自我检测
一、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。
二、降低输电损耗的两个途径
1.输电线上的功率损失:ΔP=I2r,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)减小输电线的电阻:在输电距离一定的情况下,为了减小电阻,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)减小输电导线中的电流:为减小输电电流,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。
必备知识
自我检测
三、电网供电
1.远距离输电基本原理:远距离输电的示意图,如图所示。
在发电站内用升压变压器升压到几百千伏,然后进行远距离输电。到达数百千米甚至数千千米之外的用电区之后,先后经“一次高压变电站”“二次变电站”降到10
kV左右,然后,一部分电能送往用电量大的工业用户,另一部分经低压变电站的降压变压器降压后供给其他用户。
必备知识
自我检测
2.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,这就是电网。
3.优点:
(1)减少发电设施的重复建设,降低一次能源的运输成本。
(2)可保证发电和供电的安全可靠,方便调整供需平衡,使电力供应更加可靠、质量更高。
必备知识
自我检测
1.正误判断。
(1)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。( )
解析:增加导线横截面积,减小了导线的电阻,发热功率减小。
答案:√
(2)高压输电是通过提高电压、减小输电电流来减少输送电路的发热损耗。( )
解析:输送功率一定的情况下,电压越高,输电电流越小,导线上发热功率越小。
答案:√
(3)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:电压越高,对输电电路和变压器的要求就越高,技术难度增大,建造与维护成本增大。
答案:√
必备知识
自我检测
(4)从发电厂发出的电输送到用户均需要采用高压输电。( )
解析:当发电厂与用户距离较近时可不用高压输电。
答案:×
(5)使用升压变压器和降压变压器进行远距离输电时,用户得到的电压可以高于发电机输出的电压。( )
解析:用户得到的电压取决于降压变压器。
答案:√
(6)远距离输电时,若升压变压器匝数比为1∶n,降压变压器匝数比为n∶1,则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等。( )
解析:由于输电导线有电阻,电路上电压会有损耗,升压变压器输入的电压大于降压变压器输出的电压。
答案:×
必备知识
自我检测
2.关于电能输送的以下分析,正确的是( )
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=IU知,输电导线上的功率损失与输电电压成正比
答案:C
必备知识
自我检测
3.如图所示是远距离输电的示意图,下列说法正确的是( )
A.a是升压变压器,b是降压变压器
B.a是降压变压器,b是升压变压器
C.a的输出电压等于b的输入电压
D.a的输出电压等于输电线上损耗的电压
解析:远距离输电先升压,后降压,选项A正确,选项B错误;由于输电线上有电压损耗,故a的输出电压等于b的输入电压与输电线上损耗的电压之和,选项C、D错误。
答案:A
探究一
探究二
随堂检测
远距离输电损耗的产生及减损方法
情境探究
中国的特高压直流输电技术世界领先。2018年10月16日,世界首个海拔4
000米以上的高海拔特高压直流试验线段工程——中国电力科学研究院西藏高海拔特高压直流试验线段顺利通过验收。该试验线段具备高海拔苛刻条件下±500千伏、±800千伏、±1
100千伏、±1
300千伏直流及1
000千伏交流特高压工程试验能力,当之无愧地成了目前世界上海拔最高、电压等级最高、功能最全的特高压试验基地。请思考下面的问题:如图所示,输送功率为P,发电厂输出的电压为U,两条导线的总电阻是r,在图中把导线电阻集中画为r,请思考:
探究一
探究二
随堂检测
(1)输电线中的电流为多少?在发电厂输送功率一定时,输电线中的电流与输电线电阻及用电器电阻有关系吗?
(2)输电线上功率损失的表达式是什么?
(3)为什么远距离输电必须用高压呢?
(3)因为发电厂的输出功率P是一定的,由P=UI得,要减小能量损耗,就要减小输电电流I,必须提高输出电压U。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
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=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
探究一
探究二
随堂检测
3.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。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例1(多选)在远距离输电时,输送的电功率为P,输送电压为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,则下列关系式正确的是( )
探究一
探究二
随堂检测
答案:BD
规律方法输送的功率(电压)、损失的功率(电压)、用户得到的功率(电压)分别对应于输电过程的“始”“中”“末”。只有理解好“输送”“损失”“得到”的含义,才能避免“张冠李戴”。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1我国已投产运行的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,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,不考虑其他因素的影响。则( )
A.输电电流变为原来的2倍
B.输电线上降落的电压将变为原来的2倍
探究一
探究二
随堂检测
答案:C
探究一
探究二
随堂检测
远距离输电电路的分析与计算
情境探究
某发电站向远处送电的示意图如图所示,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。(发电机内阻、n1、n2、n3、n4线圈的电阻均忽略不计)。请思考:
(1)用图中的电压和电流表示出四个功率和损耗功率,并写出它们间的关系。
(2)每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系?
探究一
探究二
随堂检测
要点提示:(1)P1=U1I1,P2=U2I2,P3=U3I3,P4=U4I4,ΔP=ΔUI2。P1=P2,P3=P4,ΔP=P2-P3。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
输送过程如图所示,可以划分为三个回路
探究一
探究二
随堂检测
(1)分析远距离输电线路的有效方法是理清三个回路,抓住两个联系,掌握一个定律,其关系如下表所示:
探究一
探究二
随堂检测
(1)注意区别:①输电电压U与输电线上降落的电压ΔU;②输电功率P与输电线上损失的功率ΔP。(2)抓住不变量:输送电功率不变,由P=UI判断出输电电流I的变化,从而由ΔU=IR、ΔP=I2R判断ΔU、ΔP的变化。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例2如图所示,发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到用户(升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器),若发电机的输出功率是100
kW,输出电压是250
V,升压变压器的原、副线圈的匝数比为1∶25。
(1)求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流。
(2)若输电导线中的电功率损失为输入功率的4%,求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压。
探究一
探究二
随堂检测
答案:(1)6
250
V 16
A (2)15.625
Ω 6
000
V
探究一
探究二
随堂检测
规律方法远距离输电问题的四个关键
(1)画出一个模型——远距离输电模型图。
(2)抓住输电的两端——电源和用电器。
(3)分析导线——输电导线。
(4)研究两次电压变换——升压和降压。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练2某交流发电机输出功率为5×105
W,输出电压为U=1.0×103V,假如输电线的总电阻R=10
Ω,在输电线上损失的电功率等于输电功率的5%,用户使用电压U用户=380
V。
(1)画出输电线路的示意图;(标明各部分的符号)
(2)所用升压和降压变压器的原、副线圈的匝数比是多少?(使用的变压器是理想变压器)
探究一
探究二
随堂检测
解析:(1)输电线路示意图如图所示。
答案:(1)见解析图 (2)1∶10 25∶1
探究一
探究二
随堂检测
1.(多选)发电厂发电机的输出电压为U1,发电厂至学校的输电线总电阻为R线,通过输电线的电流为I,学校输入电压为U2,下列计算输电线功率损耗的式子中,正确的是( )
答案:BCD
探究一
探究二
随堂检测
2.三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?
探究一
探究二
随堂检测
探究一
探究二
随堂检测
3.某小型水力发电站的发电输出功率为5×104
W,发电机的输出电压为250
V,输电线总电阻R线=5
Ω。为了使输电线上损失的功率为发电机输出功率的4%,必须采用远距离高压输电的方法,在发电机处安装升压变压器,而在用户处安装降压变压器。设用户所需电压为220
V,不计变压器的能量损失。求:
(1)输电线上的电流。
(2)升、降压变压器原、副线圈的匝数比。
(3)可供多少盏“220
V 40
W”的白炽灯正常工作?
探究一
探究二
随堂检测第三章交变电流
4.电能的输送
课后篇巩固提升
基础巩固
1.在电能输送过程中,若输送的电功率一定、输电线电阻一定,则在输电线上损耗的电功率( )
A.和输电电压的二次方成正比
B.和输送电流的二次方成反比
C.和输送电线上损失的电压的二次方成正比
D.和输送电流成正比
解析输电线上的功率损失ΔP=R,电压损失ΔU=U-U'=I线R线,输电电流I线=,所以ΔP=R线=R线,可见在输送功率P一定、输电线电阻一定时,ΔP与成正比,ΔP与ΔU2成正比,ΔP与U2成反比。
答案C
2.发电厂发电机的输出电压为U1,发电厂至学校的输电导线的总电阻为R,通过导线的电流为I,学校得到的电压为U2,则输电线上损耗的电压可表示为( )
A.U1
B.U1-IR
C.IR
D.U2
解析输电线的电压损失ΔU=U1-U2=IR,故B错误,C正确;U1为输出电压,U2为用户得到的电压,A、D错误。
答案C
3.如图,利用理想变压器进行远距离输电,发电厂的输出电压恒定,输电线路的电阻不变,当用电高峰到来时( )
A.输电线上损耗的功率减小
B.电压表V1的示数减小,电流表A1增大
C.电压表V2的示数增大,电流表A2减小
D.用户端功率与发电厂输出功率的比值减小
解析当用电高峰到来时,用户消耗的功率变大,则电流表A2读数变大,输电线上的电流变大,输电线上损耗的功率变大,选项A错误;电流表A1增大,因为发电厂的输出电压恒定,则升压变压器的次级电压不变,即电压表V1的示数不变,选项B错误;输电线上的电压损失变大,故降压变压器的初级电压减小,次级电压也减小,即电压表V2的示数减小,选项C错误;用户消耗的功率占发电厂输出功率的比例=1-=1-,因为输电线上的电流增大,故电压损失增大,U1不变,所以用户消耗的功率与发电厂输出功率的比值减小,故D正确。故选D。
答案D
4.照明供电线路的路端电压基本上是保持不变的,可是我们在晚上七八点钟用电高峰时开灯,电灯比深夜时要显得暗些,这是因为此时( )
A.总电阻比深夜时大,干路电流小,每盏灯分到的电压就小
B.总电阻比深夜时大,干路电流小,每一支路的电流就小
C.总电阻比深夜时小,干路电流大,输电线上损失的电压大
D.干路电流一定,支路比深夜时多,分去了一部分电压
解析此时用电器多,电阻小(因为用电器都是并联的),干路电流大,输电线上损失电压大,导致电灯两端电压减小,故比深夜时暗,故C正确。
答案C
5.“西电东送”工程中,为了减少输电损耗,必须提高输电电压。从西部某电站向华东某地区输送的电功率为106
kW,输电电压为1
000
kV,输电线电阻为100
Ω。若改用超导材料作为输电线,则可减少输电损耗的功率为( )
A.105
kW
B.104
kW
C.106
kW
D.103
kW
解析输电电流I=,输电线路损失的电功率P损=I2R=2R=1×105kW;当改用超导输电时,就不损失电能,因此减少输电损耗的功率就等于P损,A正确。
答案A
6.(多选)为了减少输电线路中的电力损失,发电厂发出的电通常是经过变电站升压后进行远距离输送,再经变电站将高压变为低压。某变电站把电压u0=11
000sin(100πt)
V的交变电流降为220
V供居民小区用电,则变电站变压器( )
A.原、副线圈匝数比为50∶1
B.副线圈中电流的频率是50
Hz
C.原线圈的导线比副线圈的要粗
D.输入原线圈的电流等于居民小区各用电器电流的总和
解析由u0=11000sin(100πt)V得电压的有效值为11000V,则原、副线圈之间的匝数之比等于两线圈的电压之比,即50∶1,A正确;由ω=100πrad/s可得频率为50Hz,变压器不改变电流的频率,因此,副线圈的频率也是50Hz,B正确;电流与匝数成反比,即原线圈的电流比副线圈电流要小,因此,副线圈的导线要比原线圈导线粗,C错误;居民小区各个用电器都是并联的,它们的电流总和等于副线圈中的电流,故D错误。
答案AB
能力提升
1.远距离输电线路的示意图如图所示,若发电机的输出电压不变,则下列叙述中正确的是( )
A.升压变压器的原线圈中的电流与用户用电设备消耗的功率无关
B.输电线中的电流只由升压变压器原、副线圈的匝数比决定
C.当用户用电器的总电阻减小时,输电线上损失的功率增大
D.升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压
解析变压器的输入功率、输入电流的大小是由次级线圈所接的负载消耗的功率大小决定的,A、B错误;用户用电器总电阻减小,据P=,消耗功率增大,输电线中电流增大,线路损失功率增大,C正确;升压变压器的输出电压等于输电线路电阻上损失的电压加上降压变压器的输入电压,D错误。
答案C
2.(多选)有人设计了这样的除冰思路:利用电流的热效应除冰。若在正常供电时,输电线上送电电压为U,电流为I,热耗功率为ΔP;除冰时,输电线上的热耗功率需变为9ΔP,则除冰时(认为输电功率和输电线电阻不变)( )
A.输电电流为3I
B.输电电流为9I
C.输电电压为3U
D.输电电压为U
解析输电线上的热耗功率ΔP=I2R线,若热耗功率变为9ΔP,则9ΔP=I'2R线,联立得I'=3I,A对;输送功率不变,即P=UI=U'I',得U'=U,所以D对。
答案AD
3.(多选)一台发电机最大输出功率为4
000
kW、输出电压为4
000
V,经变压器T1升压后向远方输电。输电线路总电阻R=1
kΩ。到目的地经变压器T2降压,负载为多个正常发光的灯泡(220
V 60
W)。若在输电线路上消耗的功率为发电机输出功率的10%,变压器T1和T2的损耗可忽略,发电机处于满负荷工作状态,则( )
A.T1原、副线圈电流分别为1
000
A和20
A
B.T2原、副线圈电压分别为1.8×105
V和220
V
C.T1和T2的变压比分别为1∶50和40∶1
D.有6×104盏灯泡(220
V 60
W)正常发光
解析远距离输电的电路如图所示,在升压变压器原线圈中有P=U1I1,故得原线圈中电流为1000A,在远距离输电线路中由ΔP=R线得T1副线圈中电流为20A,故选项A正确;在远距离输电线路中由P=U2I2和I线=I2得U2=2×105V,由ΔU=I线R线,ΔU=U2-U3可得T2原线圈电压为1.8×105V,由于灯泡能正常发光,故T2副线圈电压为220V,故选项B正确;由变压器变压特点知变压比与匝数成正比,故可得T1变压比为1∶50,而T2的变压比为9000∶11,故选项C错误;正常发光时每盏灯的功率为60W,由90%P=NP灯,可得N=6×104盏,故选项D正确。
答案ABD
4.(多选)某小型水电站的电能输送示意图如图所示,发电机的输出电压为200
V,输电线总电阻为r,升压变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2,降压变压器原、副线圈匝数分别为n3、n4(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
解析由于输电线上有电阻,所以要考虑电压损失,则有升压变压器的输出电压大于降压变压器的输入电压,根据变压器的电压与匝数之比的关系,可知,故A项对,B、C项错;考虑到输电线上也有电功率的损失,可知D项对。
答案AD
5.某小型实验水电站输出功率是20
kW,输电线总电阻是6
Ω。(保留四位有效数字)
(1)若采用380
V的电压输电,求输电线损耗的功率。
(2)若改用5
000
V高压输电,用户利用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
=52.63A
输电线路损耗的功率为P线=I2R=52.632×6W=16620W=16.62kW。
(2)改用高压输电后,输电线上的电流变为I'=A=4A
用户在变压器降压前获得的电压U1=U'-I'R=(5000-4×6)V=4976V
根据,用户得到的电压为
U2=U1=×4976V=226.2V。
答案(1)16.62
kW (2)226.2
V
6.以下是一段关于输电线损失功率的推导。将电能从发电站送到用户,在输电线上会损失一部分功率。设输电电压为U,则功率损失为P损=UI①
而U=Ir②
将②式代入①式,得到P损=③
由③式可知,要减小功率损失P损,就应当用低压送电和增大输电线的电阻r。这段推导错在哪里?
解析P损=UI和U=Ir都是错误的,U是输电电压,而非输电线上损失的电压。正确的推导应该是:设输电电压为U,输送的电功率为P。P损=I2r,I=,则P损=r,由此式可知,要减小功率损失,就应当用高压送电和减小输电线的电阻r。
答案见解析
