高中物理选修3-2人教版5.5电能的输送（32张PPT）

(共32张PPT)
第5节、电能的输送
物理选修3-2
第五章
1．电能输送的优点：
2．输送电能的基本要求：
可靠：是指保证供电线路可靠地工作，少有故障和停电。
保质：就是保证电能的质量，即电压和频率稳定。
经济：是指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗小。
可靠、保质、经济．
一、电能的输送
①
电能来源广泛。
②
电能便于输送。
③
电能使用方便。
④
电能是清洁能源。
【远距离输电面临的问题】
“西电东送”
，我国东西部距离远达数千公里，输电线上的电阻肯定很大，输电过程中的必然有损耗。
输电线电阻上消耗的功率：功率损失
输电线电阻上消耗的电压：电压损失
如何减少输电中的功率损失？
25A
250V
150V
6250W
3750W
二、输电线电阻上消耗的功率
１．功率损失:任何输电线都有电阻，必然消耗功率。
　　　设输电电流为I，输电线电阻为R，则输电线电阻上消耗的功率为：
P线=I2R
(1)减小导线电阻
(2)减小输电线中的电流
2、减少输电线上功率的方法
一般选用铝或铜
缩短输电距离
两地距离一定
不可行
增大导线的横截面
可行性思考
选用电阻率小的
金属作导线材料
导线太粗了、耗费材料、增加成本；架设困难。
？
由电阻定律：
（2）如果把输电线上的电流变为原来的
，P损变为原来的
。
通过以上计算，那种方法更有效？
【思考】如何减小输电线中的电流呢？
(1)根据输电线电阻上消耗的功率
=I2R，如果把输电线电阻减小为原来的
，
P线变为原来的_________。
试一试
（2）减小输电电流
I
　　　①减小输送功率P：电站的装机容量一定，故电站向外输送的电功率一定。即在实际中不可能以减少用户功率来减少输电线上的功率损失。
　　　②提高输电电压U：保持输送功率P一定，输电线电阻R一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，输电线上的功率损失降为原来的1/n2倍．
　　采用高压输电是减小输电线上功率损失的最有效、最经济的措施．
2.减小输电线上的电流:
提高输送电压
P总=UI
4000V
2.5A
25V
3975V
62.5W
9937.5W
P线=I2R
三、输电线路上的电压损失
１．电压损失：输电线路始端电压U跟末端电压U?的差值，称为输电线路上的电压损失，?U
＝
U
－U?
=IR线，如图所示：
P`=
U`I=(U?IR)I=UI?I2R=P?
?P
输电线上的功率损失
输入给用电设备的功率
?P=I2R线
输电线上的电压损失
?U=I
R线
发电站的输送功率
P=UI
输送给用电设备的电压
U`=U?IR
注意！输电电压与线路损失电压不同。
以后在计算时只考虑输电线电阻所造成的电压损失．
2．造成电压损失的因素
（1）输电线电阻造成电压损失?U＝IR．
（2）输电线的感抗和容抗造成电压损失．
3．减小输电线路上电压损失的方法
（1）减小输电线电阻R
　用增大输电导线的截面积来减小电阻对低压照明电路有效，对高压输电线路效果不佳。
（2）减小输电电流I
　　
在输送电功率不变的前提下，提高输电电压是有效的措施。
在远距离输电中，各国都采用了高压输电，而且输送功率越大，距离越远，电压就越高。
当然，也不是电压越高越好，电压越高，线路及变压器等设备的绝缘要求也越高，从而修建和维护输电线路及设备的费用也越高。在实际中，要综合考虑各种因素，选用合适的输电电压及相应的设计方案。
实际生活中的远距离输电
我国目前采用的远距离输电方式：
110kv
220kv
330kv
500kv
四、交流高压输电的基本环节
发电站
升压变压器
高压输电
降压变压器
用户
远距离输电示意图
输电线路中的参量关系
I2
I1
U损、P损
I4
I3
U4
~
U1
P1
U2
U3
P2
n1
n2
n4
n3
P3
P4
发电厂
用
户
1
4
2
2
3
U
U
U
U
R
I
F
用
线
r
I1
I3
I4
n1
n2
n3
n4
P1
P2
P3
P4
升压变压器
降压变压器
1、功率关系：
2、电压关系：
①升压变压器：
P1=P2
②降压变压器：P3=P4
③传输过程：P2=Pr+P3
①升压变压器：
②降压变压器：
③传输过程：
1
4
2
2
3
U
U
U
U
R
I
F
用
线
r
I1
I3
I4
n1
n2
n3
n4
P1
P2
P3
P4
升压变压器
降压变压器
3、电流关系：
③传输过程：
②降压变压器：
①升压变压器：
4、输电导线上损耗的功率：
练习1.发电厂发电机的输出电压为U1,发电厂至学校的输电线电阻为R,通过导线的电流为I,学校输入电压为U2,下列四个计算输电线损耗的式子中，不正确的是(
)
A.
B.
C.
D.
A
练习2.用10kV高压输送电功率为100kW的交流电，在输电线
上损失2％的电功率，输电线的总电阻为________Ω；若改
用5kV电压输送100kW的交流电，输电线上损失的电功率为
________kW.
练习3.从甲地通过某输电线向乙地输送1.0×105kW电功率，
如果用5.5×103V电压送电，输电线上损失的电功率为
4.0×l02kW;如果改用1.1×l05V电压送电，输电线上损失的
电功率为________kW，若要求两次损失的电功率相同，则两
次所用导线的横截面积之比为S1：S2=________.
20
8
1
400：1
科学漫步
1、直流输电技术
2、超导电缆输电
1
降低输电损耗的两个途径。
2
远距离交流高压输电。
3
知道电能输送的优点和基本要求。
4
了解电网供电及其优点。
5
学习建构物理模型。
6
节约用电，养成勤俭节约的好习惯。
课堂小节
功率关系
电压关系
电流关系
U2=
U损
+U3
P3=P4
I2=I3
P2=
P损+P3
P1=P2
输电线路中的参量关系
STS
交流输电还面临哪些问题？
大面积停电引发的思考？
存在直流输电吗？
【例1】将电厂发出的400V电压通过升压变压器，采用10kV电压输送10kW的电功率，线路总电阻为10欧。
（1）升压变压器的原副线圈匝数比是多少？
（2）输电导线中的电流是多少？线路损失的电压是？
若降压器的匝数比为45︰1，用户得到的电压是多少？
（3）输电线路中损失的电功率是多少？用户得到的功率有多少？
1︰25
1A
10V
220V
10W
9990W
简单输送电路的计算和步骤
①画出供电图
②以变压器铁心为界线分出各个回路,各回路可独立运用欧姆定律分析.
③各回路间通过线圈匝数比与电压比和电流比的关系,总功率不变等联系求解。
U1
U4
U2
U3
R用
I2
F
r线
I1
I3
I4
n1
n2
n3
n4
P1
P2
P3
P4
升压变压器
降压变压器
所用升压和降压变压器的原、副线圈的匝数比是多少?
例2、某交流发电机输出功率为5×105
W，输出电压为1.0×103
V，假如输电线的总电阻10Ω，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380
V，求：
解：输电线路上损耗的功率P损=P×5﹪=25000W
由P=I2R
得输电线路中电流I2=50A
又
P1=P2
U2=P/I2=10000V
U1=1000V
由
得n1:n2=1:10
线损U线=I2R线=50×10V=500V
U3=U2–U线=9500V
又U4=380V
由
得n3:n4=25:1
例3、一台发电机端电压为5000V，输出功率104kW，向400km外的用户输电，输电线的电阻率ρ＝1.7×10-8Ω/m，横截面积S＝0.85cm2，输电导线上的电功率损失要求不超过输出功率的4%，则在输电时，电压应升高到多少伏?所用的升压变压器的原、副线圈匝数比是多少?
1
4
2
2
3
U
U
U
U
R
I
F
用
线
r
I1
I3
I4
n1
n2
n3
n4
P1
P2
P3
P4
升压变压器
降压变压器
r线=ρ×2L/S=1.7×10-8×8×105/0.85×10-4=160Ω
U1=5000(v)
P1=107(W)
Pr=I22r==0.04P1=4×105(W)
I22=Pr/r=4×105/160
I2=2×102/4=50(A)
U2=P2/I2=P1/I2=107/50=2×
105(V)
n1/n2=U1/U2=5
×103/
2×105=1/40
若用户电压为220V,则降压变压器的原、副线圈
匝数比是多少?
U3=U2-Ur
Ur=I2r=8000(V)
U3=U2-Ur=200000-8000=192000(V)
n3/n4=U3/U4=192000/
220=96×103/11
例4.
有一条河流，河水流量为4m
3/s，落差为5m，现利用它来发电，使用的发电机总效率为50％，发电机输出电压为350V，输电线的电阻为4Ω，允许输电线上损耗功率为发电机输出功率的5％，而用户所需要电压为220V，求所用的升压、降压变压器上原、副线圈的匝数比．g=9.8m/s2
线路上损耗的功率为P
r=
4900
W，
∵P
r=I2
2
r,
∴电流为I2
=35A，
线路上的电压为Ur=I2
r=140V，
U2
=P2/I2
=2800V,
∴n1／n2
=U
1／U2
=350
／
2800=1
／8
U3=U2
-U
r=2660V
U4
=220V
n3／n4
=U
3／U4
=2660
／
220
≈
12
／1
机械功率P=mgh/t=1000×4
×
9.8
×5=1.96
×105W
发电机的输出功率P1=0.5
×P=
9.8×104W
1
4
2
2
3
U
U
U
U
R
I
F
用
线
r
I1
I3
I4
n1
n2
n3
n4
P1
P2
P3
P4
升压变压器
降压变压器
~
R
例5、
学校有一台应急备用发电机，内阻为r=1Ω，升压变压器匝数比为1∶4，降压变压器的匝数比为4∶1，输电线的总电阻为R=4Ω，全校22个教室，每个教室用“220V，40W”的灯6盏，要求所有灯都正常发光，则：⑴发电机的输出功率多大？⑵发电机的电动势多大？⑶输电线上损耗的电功率多大？输电效率多大？（4）若使用灯数减半并正常发光，则发电机的输出功率是否也减半？
⑴所有灯都正常工作的总功率为：P4=22×6×40=5280W，
用电器总电流为
输电线上的电流
降压变压器上：
U3=4U4=880V
输电线上的电压损失为：UR=IRR=24V
因此升压变压器的输出电压为
U2=UR+U3=904V，
输入电压为U1=U2/4=226V，
输入电流为I1=4I2=24A，
所以发电机输出功率为
P出=U1I1=5424W
⑵发电机的电动势E=U1+I1r=250V
⑶输电线上损耗的电功率PR=IR2R=144W
输电效率η
=P4/P1=5280/5424=97.3%
（4）
P′4=22×3×40=2640W
I′4=2640/220=12
I?2=I′4/4=3(A)
PR?=I?R2R=144/4=36(W)
P1?=P?4+P?r=2640+36=2676(W)
≠
P1/2
例6、发电站发电机端电压u＝5000
sin314tV，输出功率5000kW，远距离输电线的电阻为80Ω，输电线上功率损耗要求不超过总功率的4%，则
(1)所用升压变压器的原、副线圈匝数比多大?
(2)到达用户区使用匝数比为192：1的降压变压器，对负载电阻为10Ω的用电器供电，最多可接这样的用电器几个?
1
4
2
2
3
U
U
U
U
R
I
F
用
线
r
I1
I3
I4
n1
n2
n3
n4
P1
P2
P3
P4
升压变压器
降压变压器
(1)
U1=5000V
Pr=I22r=0.04P1=2×105W
P1=5×106W
I2=50(A)
I1=P1/U1=103
n1/n2=I2/I1=50/
1000=1/20
(2)
U2=n2U1/n1=105
U3=U2-Ur=105-50×80=96×103(v)
I4=n3I3/n4=192×50=9600(A)
R用=U4/I4=500/9600=10/n
n=
192
U4=n4U3/n3=96000/192=500V