4.3 电能的远距离传输 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）

《4.3 电能的远距离传输 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《4.3 电能的远距离传输 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）（12页珍藏版）》请在七七文库上搜索。

1、第第 3 节节 电能的远距离传输电能的远距离传输 学习目标 核心提炼 1.知道远距离输电时输电 线的损失与哪些因素有 关， 理解高压输电的道理。 2 个降低电损的途径 减小输电线的电阻 提高输送电压 3 个输电回路 发电机回路 输送回路 输出（用户）回路 2 种输电方式 高压交流输电 高压直流输电 2.知道远距离输电线路的 基本构成，会对简单的远 距离输电线路进行定量计 算。 一、为什么要采用高压输电 阅读教材第 7576 页， 知道电能在远距离传输过程中有功率损失和 电压损失，并知道减少这两种损失的方法。 1.两种损失比较 两种损失 主要原因 大小表示 减小办法 电功率损失 输电线有电阻，

2、电流 产生焦耳热 PI2R 减小电阻 R 减小电流 I 电压损失 输电线电阻上的电 压降 UIR 2.降低两种损失的途径高压输电 在保证输送电功率不变的前提下提高输电电压，会减小输电电流，从 而减小导线上的电功率损失和电压损失。 思考判断 (1)输电电压越高越好。( ) (2)输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电电流的平 方成正比。() (3)由 PU 2 r 可知，输电电压越小，输电线上的损失就越小。( ) (4)由 PI2r 可知， 减小输电线的电阻和降低输电电流可减小输电损失。 () (5)高压输电是通过提高电压，减小输电电流来减少电路发热损耗的。 () 二、高压交流输电

3、阅读教材第 7678 页，了解高压交流输电流程和基本环节。 1.基本环节 发电厂（站） 升压变压器 高压输 电线路 降压变压器 用户 2.电路原理图 3.交流输电并网的要求 (1)并联输电线中的交变电流相位必须相同。 (2)交变电流的频率必须相同。 4.交流输电的缺陷：交流输电电路中不仅有电阻，而且还有电感和电 容。 思维拓展 “提高输电电压，减小输电电流”是否与欧姆定律相矛盾？ 答案 不矛盾。欧姆定律 IU R是对纯电阻元件成立的定律，而“提高 输电电压，减小输电电流”是从输电角度，由 PUI 且在 P 一定的条 件下得出的结论，两者没有必然联系。 三、高压直流输电 阅读教材第 79 页，了

4、解直流输电的基本过程和优点。 1.高压直流输电系统的组成：主要由整流站、直流线路和逆变站三部 分组成。 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。 3.高压直流输电的优点 (1)节约线材；输电杆塔结构简单，占地面积小。 (2)不存在感抗和容抗引起的损耗。 (3)不需要考虑电网中各台交流发电机的同步运行问题。 思维拓展 高压直流输电网中各交流发电机可以不同步吗？ 答案 可以。高压直流输电网中的发电机均为交流发电机，经整流设 备把交流变为直流，直流入网时不需要考虑同步

5、问题。 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题 1 问题 2 降低输电损耗的两个途径 要点归纳 减小输电线路上功率损失的方法主要有两种 (1)减小输电线的电阻 R。根据 R l S可知： 减小输电线长度 l：由于输电距离一定，所以在实际中不可能用减 小 l 来减小 R。 减小电阻率 ：目前一般用电阻率较小的铜或铝作导线材料。 增大导线的横截面积 S：这要耗费更多金属材料，增加成本，同时 给输电线的架设带来很大的困难。 (2)减小输电电流 I。根据 IP U可知： 减小输送功率 P：在实际中不能以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： 在输送功率 P 一定，

6、输电线电阻 R 一定的条件下， 输电电压提高到原来的 n 倍，据 P损 P U 2R 知，输电线上的功率损耗 将降为原来的 1 n2。故采用高压输电是减小输电线上功率损耗最有效、 最经济的措施。 易错提醒 (1)输电电压是指加在高压输电线起始端的电压 U，损失电压是指降落 在输电线路上的电压 UIR。 (2)输送功率是指高压输电线起始端输出的功率，损失功率是输电线上 消耗的功率。 (3)无论从减少输电线路上的功率损失，还是减小电压损失来看，都要 求提高输电电压，以减小输电电流。 精典示例 例 1 中国已投产运行的 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

7、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 C.输电线上降落的电压将变为原来的1 2 D.输电线上损耗的电功率将变为原来的1 2 解析 根据输送电功率 P输U输I输及 P输不变，可知，输电电流 I输 P输 U输 1 U输，当 U 输变为原来的 2 倍时，I输变为原来的1 2，选项 A 错误； 输电线上降落的电压 U降I输R线I输，所以，当输电电流变为原来的 1 2时，输电线上降落的电压也变为原来的 1 2，选项

8、 B 错误，C 正确；输 电线上损耗的电功率 P损I2输R线I2输，所以输电线上损耗的电功率将 变为原来的1 4，选项 D 错误。 答案 C 输电线上电压和功率损失的计算方法 (1)U损IR线P UR 线UU用户。 (2)P损I2R线 P U 2 R线PP用户。 针对训练 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( ) A.U 2 1 R线 B.（U 1U2） 2 R线 C.I2R线 D.I(U1U2) 解析 输电线功率损耗 P损I2R线U 2 线 R线IU 线，

9、其中 U线U1U2， 故 选项 B、C、D 正确。 答案 BCD 高压交流输电的电路分析方法 要点归纳 1.输电过程示意图 2.高压输电过程的几个电压的区别 (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 表示形式： 输电线始端电压与末端电压的差值即 UU2U3I2R。 形成原因：输电线上的电压损失原因是输电导线有电阻，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。 高压输电过程示意图 3.输电过程的几个基本关系 (1)功率关系：P1P2，P2P线P3，P3P4。 (2)电压关系：U

10、1 U2 n1 n2，U2U 线U3， U3 U4 n3 n4。 (3)电流关系：I1 I2 n2 n1，I2I 线I3，I 3 I4 n4 n3。 (4)输电电流：I线P2 U2 P3 U3 U2U3 R线 。 (5)输电导线上损耗的电功率： P线I线U线I2线R线 P2 U2 2 R线。 精典示例 例 2 发电机两端的电压为 220 V，输出功率 44 kW，输电导线的总 电阻为 0.2 ，如果用原、副线圈匝数比为 110 的升压变压器升压， 经输电线后，再用原、副线圈匝数比为 101 的降压变压器降压供给 用户。 (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

11、经过变压而直接送到用户，求用户得到的电压和功率。 解析 (1)线路示意图如图所示。 (2)由图可知， 升压变压器副线圈两端的输出电压 U2n2 n1U12 200 V。 据理想变压器 P 入P出，则升压变压器副线圈的输出电流 I2 P U2 44 103 2 200 A20 A，输电线上的功率损失和电压损失分别为 P损I2 2R线20 2 0.2 W80 W。 U损I2R线20 0.2 V4 V。 所以降压变压器原线圈的输入电压和电流为 U3U2U损2 200 V4 V2 196 V， I3I220 A。 降压变压器副线圈的输出电压和电流为 U4n4 n3U3 1 10 2 196 V219.

12、6 V， I4n3 n4I310 20 A200 A。 用户得到的功率为 P4U4I4219.6 200 W4.392 104 W。 (3)若直接用 220 V 低压供电， 线路示意图如图所示， 则输电电流 I P U1 44 103 220 A200 A。 输电线路上的电压损失 UIR线200 0.2 V 40 V。 所以用户得到的电压 U2U1U220 V40 V180 V， 用户得到的功率为 PU2I180 200 W3.6 104 W。 答案 (1)见解析图 (2)219.6 V 4.392 104 W (3)180 V 3.6 104 W 远距离输电问题的四个关键 (1)画出一个模型

13、远距离输电模型图。 (2)抓住输电的两端电源和用电器。 (3)分析两条导线输电导线。 (4)研究两次电压变换升压和降压。 针对训练 2 如图 1 为远距离输电示意图， 两变压器均为理想变压器， 升压变压器 T 的原、副线圈匝数分别为 n1、n2，在 T 的原线圈两端接 入一电压 uUmsin t 的交流电源， 若输送电功率为 P， 输电线的总电 阻为 2r，不考虑其他因素的影响，则输电线上损失的电功率为( ) 图 1 A.(n1 n2) U2 m 4r B.(n2 n1) U2 m 4r C.4(n1 n2) 2( P Um) 2r D.4(n2 n1) 2( P Um) 2r 解析 T 的输

14、入电压 U1Um 2，则 PU1I1，I1 P U1 2P Um ，又因为I1 I2 n2 n1， 所以 I2 n1 n2I1 2 n1P n2Um， 则输电线上损失的电功率 P 损I22 2r4 n1 n2 2 P Um 2r，选项 C 正确。 答案 C 1.(输电线上的电能损失)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 解析 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。故选项

15、D 正确。 答案 D 2.(输电线上的损耗)(多选)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，则下列说法正确的是( ) A.根据公式 IP U，提高电压后输电线上的电流降为原来的 1 20 B.根据公式 IU R，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I2RP 2 U2R， 提高电压后输电线上的功率损失减为原来 的 1 400 D.根据公式 PU 2 R ，提高电压后输电线上的功率损耗将增大为原来的 400 倍 解析 输电线上电流为 IP U，也可以用 I U R 来

16、表示，其中 U 为输 电线上电阻 R 两端的电压，而不是输送电压，选项 A 正确，B 错误； 输电线上的功率损失为P损I2RP 2 U2R， 选项C正确； 如果用P 损U 2 R ， 则 U 应为 R 上的分压 U，选项 D 错误。 答案 AC 3.(远距离输电)如图 2 所示为远距离交流输电的简化电路图。 发电厂的 输出电压是 U，用等效总电阻是 r 的两条输电线输电，输电线路中的 电流是I1， 其末端的电压为U1。 在输电线与用户间连有一理想变压器， 流入用户端的电流为 I2。则( ) 图 2 A.用户端的电压为I1U1 I2 B.输电线上的电压降为 U C.理想变压器的输入功率为 I2

17、1r D.输电线路上损失的电功率为 I1U 解析 理想变压器的输入功率等于输出功率，则有 I1U1I2U2，得出 U2I1U1 I2 ， 故选项 A 正确； 发电厂的输出电压是 U， 由欧姆定律可知， 输电线上的电压降为 I1r，故选项 B 错误；输电线上损失的电功率为 I2 1r，故选项 C、D 错误。 答案 A 4.(远距离输电)如图 3 甲是远距离输电线路示意图， 图乙是用户端电压 随时间变化的图象，则( ) 图 3 A.发电机产生的交流电的频率是 100 Hz B.降压变压器输出的电压有效值是 340 V C.输电线的电流仅由输送功率决定 D.仅增加升压变压器的副线圈匝数，其他条件不变，输电线损失的功 率减小 解析 由乙图可知交流电的周期 T0.02 s，则频率 f1 T50 Hz，变 压器不改变交流电的周期与频率，则选项 A 错误；由乙图可知 Um 340 V，有效值 UUm 2340 V，则选项 B 错误；输电线的电流由输送 功率和输送电压共同决定，则选项 C 错误；当仅增加升压变压器的副 线圈匝数时，则输电电压增大，由 PUI 可知，输电电流减小，再由 PI2R 可知输电线上损失的功率减小，则选项 D 正确。 答案 D