新人教版高中物理选修32电能的输送.docx

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新人教版高中物理选修32电能的输送

一、降低输电损耗的两个途径┄┄┄┄┄┄┄┄①

1．输送电能的基本要求

（1）可靠：

指保证供电线路可靠地工作，少有故障。

（2）保质：

保证电能的质量——电压和频率稳定。

（3）经济：

指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。

2．降低输电损耗的两个途径

要减少输电线路上的功率损失，由公式P损＝I2R线知，必须减小输电线电阻或减小输电电流。

（1）要减小电阻，从R＝ρ看，在输电距离一定的情况下，可以增大导线的横截面积，但过粗的导线会耗费太多的金属材料，同时也给铺设线路带来困难；还可以选用电阻率较小的金属材料。

（2）从公式P＝IU来看，在保证功率不改变的情况下，要减小输送电流就必须提高输电电压。

前一种方法的作用十分有限，一般采用后一种方法。

[注意]

（1）现代远距离输电都采用高压输电。

目前我国远距离送电采用的电压有110kV,220kV,330kV，输电干线已采用550kV，西北电网甚至达到750kV。

（2）输电电压并不是越高越好。

电压越高，对输电线路绝缘性能和变压器的要求就越高，线路修建费用会增多。

（3）实际输送电能时，要综合考虑输送功率、距离、技术和经济要求等选择合适的电压。

①[判一判]

1．仅仅从减少能量损失的角度看，输送功率一定的情况下，输电电压越高，损失的能量越少（√）

2．在输送功率和输电电压一定，使用同种材料的导线时，越粗的导线损失的电压越小（√）

3．输电线电阻为R，输电电压为U，则功率损失ΔP＝（×）

4．一般情况下高压输电的导线是铜铝合金而不是银，原因是同种情况下，使用银材料，输电线损失的功率大（×）

二、电网供电┄┄┄┄┄┄┄┄②

1．远距离输电基本原理

在发电站内用升压变压器升压，然后进行远距离输电，在用电区域通过降压变压器降到所需的电压。

2．电网

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。

3．电网输电的优点

（1）降低一次能源的运输成本，获得最大经济效益。

（2）减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡，保障供电的质量。

（3）合理调度电力，使电力的供应更加可靠，质量更高。

[说明]

（1）电能输送的三个回路

电源回路、输送回路、用户回路（如图所示）。

（2）发电机把机械能转化为电能，并通过导线将能量输送给线圈1（升压变压器的原线圈），线圈1上的能量就是远程输电的总能量，在输送过程中，先被输送回路上的导线电阻损耗一小部分，剩余的绝大部分通过降压变压器和用户回路被用户使用消耗，所以其能量关系为：

P1＝P损＋P用户。

②[判一判]

1．从发电厂发出的电输送到用户均需要采用高压输电（×）

2．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（√）

3．高压交流输电不存在感抗和容抗引起的损耗（×）

4．采用高压输电的优点是可加快输电的速度（×）

1.输电线上的电压损失

（1）电压损失：

输电导线有电阻，电流通过输电导线时，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）减少电压损失的两种方法

①减小输电线路电阻：

由R＝ρ可知，距离一定时，使用电阻率小的材料，增大导线横截面积可减小电阻；

②减小输电电流：

由I＝可知，当输送功率一定时，升高电压可以减小电流。

2．输电线上的功率损失

（1）功率损失

①原因：

任何输电线都有电阻，因此当电流通过输电线向远方输送时，输电线因有电阻而发热；

②功率损失的计算：

ΔP＝I2R，I为输电线路上的电流，R为线路电阻。

（2）减少功率损失的方法

①减小输电线的电阻R：

根据R＝ρ，减小电阻率ρ，目前一般用电阻率较小的铜或铝作为导线材料；增大导线的横截面积S，这要多耗费金属材料，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I＝，在输送功率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，根据P损＝2R知，输电线上的功率损失将降为原来的。

[注意]

交流输电时，导线不但有电阻，还有线路的电感、电容产生的感抗和容抗，但高中阶段计算中，可将输电线路视为纯电阻电路，不考虑感抗和容抗对交流电路的影响。

[典型例题]

例1.甲、乙两地原来用500kV的超高压输电，输电线上损耗的电功率为P。

在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1000kV的特高压输电，若不考虑其他因素的影响，则输电线上损耗的电功率将变为（　　）

A.　　　　B.　　　　C．2P　　　　D．4P

[解析]　输电线上损耗的电功率P损＝I2R线＝R线，又输送电功率和输电线电阻都不变，可知输电线上损耗的电功率P损与输电电压U输的二次方成反比，有＝，改用1000kV的特高压输电时，输电电压增大为原来的2倍，输电线上损耗的电功率变为原来的，即为，A正确。

[答案]　A

例2.某变电站用220V的电压输电，导线上损失的功率为输送功率的20%。

若要使导线上损失的功率降为输送功率的5%，则输电电压应为多少？

[解析]　设输送功率为P，输电电压U1＝220V时，损失功率

ΔP1＝20%P

又因为ΔP1＝I12R线，I1＝

解得ΔP1＝R线

现要求ΔP2＝5%P，同理ΔP2＝R线

因此可得＝＝

解得U2＝2U1＝440V。

[答案]　440V

[点评]　计算输电线上功率损失的两种方法

计算输电线上损失的功率时，要注意区分两个电压：

输电电压（输电线始端的电压）U和输电线上的损失电压ΔU。

（1）P损＝ΔUI＝，ΔU是输电线上损失的电压。

（2）P损＝2R，U是指输送电压，即从发电站发出后，经过变压器升高后的电压。

[即时巩固]

1．[多选]（2018·大连十一中期末）在远距离输电中，当输电线的电阻和输送的电功率不变时，那么（　　）

A．输电线路上损失的电压与输电电流成正比

B．输电电压越高，输电线路上损失的电压越大

C．输电线路上损失的功率跟输电电压的平方成反比

D．输电线路上损失的功率跟输电线上的电流成正比

解析：

选AC　输电线路上损失的电压ΔU＝Ir，在r一定时，ΔU和I成正比；若U越高，I＝，I越小，那么ΔU越小；输电线路上损失的功率ΔP＝I2r，当P一定时，I＝，所以ΔP＝2r，即ΔP和U的平方成反比，跟I的平方成正比，故选项A、C正确，B、D错误。

1.远距离输电的几个基本关系式

（1）功率关系：

P1＝P2，P2＝P损＋P3，P3＝P4。

（2）电压关系：

＝，U2＝U损＋U3，＝。

（3）电流关系：

＝，I2＝I线＝I3，＝。

（4）输电电流：

I线＝＝＝＝。

（5）输电导线上损耗的电功率

P损＝P2－P3＝I线2R线＝＝U损I线。

（6）输电导线上的电压损失

U损＝I线R线＝U2－U3。

2．两个联系

（1）线圈1（匝数为n1）和线圈2（匝数为n2）中各个量间的关系是：

＝，I1n1＝I2n2，P1＝P2。

（2）线圈3（匝数为n3）和线圈4（匝数为n4）中各个量间的关系是：

＝，I3n3＝I4n4，P3＝P4。

[典型例题]

例3.发电机的输出电压为220V，输出功率为44kW，每条输电线的电阻为0.2Ω，问：

（1）此时用户得到的电压和电功率各为多少？

（2）如果发电站先用变压比为1∶10的升压变压器将电压升高，经同样的输电线路后经10∶1的降压变压器将电压降低后供给用户，则用户得到的电压和电功率各是多少？

[解析]　

（1）输电线上的电流

IR＝＝A＝200A

损失的电压

UR＝IRR＝200×2×0.2V＝80V

损失的功率

PR＝URIR＝80×200W＝16kW

故用户得到的电压

U用户＝U－UR＝140V

用户得到的功率为

P用户＝P－PR＝28kW。

（2）已知升压变压器的匝数比

n1∶n2＝1∶10

输入电压U1＝220V

因此，升压变压器的输出电压

U2＝U1＝2200V

输电线上的电流

IR′＝＝A＝20A

损失的电压

UR′＝IR′R＝20×2×0.2V＝8V

损失的功率

PR′＝UR′IR′＝8×20W＝160W

因此，降压变压器的输入电压

U3＝U2－UR′＝2192V

已知降压变压器的匝数比

n3∶n4＝10∶1

所以用户得到的电压

U4＝U3＝219.2V

用户得到的功率

P用户′＝P－PR′＝43.84kW。

[答案]　

（1）140V　28kW　

（2）219.2V　43.84kW

[点评]　解决远距离输电问题的步骤

（1）首先画出远距离输电的电路图，并将已知量和待求量写在电路图中的相应位置。

（2）以变压器为界将整个输电电路划分为几个独立的回路，每个回路都可以用欧姆定律、串并联电路的特点和电功、电功率的公式等进行计算，联系各回路的桥梁是原、副线圈电压、电流与匝数的关系及输入功率和输出功率的关系。

[即时巩固]

2．如图所示为某发电站电能输送示意图，已知发电机的输出电压、输电线的电阻及理想升压、降压变压器的匝数均不变。

若用户电阻R0减小，下列说法正确的是（　　）

A．发电机的输出功率减小

B．输电线上的功率损失减小

C．用户得到的电压减小

D．输电线输电电压减小

解析：

选C　若用户电阻减小，则降压变压器输出功率增大，导致发电机的输出功率增大，选项A错误；若用户电阻减小，则降压变压器输出功率增大，导致输电线上电流增大，输电线上损失的电压增大，输电线上的功率损失增大，选项B错误；若用户电阻减小，则降压变压器原线圈输入电压减小，由于降压变压器的原、副线圈匝数比不变，故降压变压器副线圈输出电压（即用户得到的电压）减小，选项C正确；发电机的输出电压不变，则升压变压器的原线圈输入电压不变，由于升压变压器的原、副线圈匝数不变，则输电线输电电压不变，选项D错误。

1．远距离输电时，在输送功率不变的条件下（　　）

A．只有增大导线的电阻，才能减小输电电流，提高输电效率

B．提高输电电压，能减小输电电流，提高输电效率

C．提高输电电压，势必增大输电导线上能量的损耗

D．提高输电电压，势必增大输电导线上的电流

解析：

选B　在输送功率一定的前提下，P输＝U输I输，P损＝I输2R线，η＝×100%，由此分析各选项可知，B正确。

2．超导是当今高科技研究的热点，利用超导材料可实现无损耗输电。

现有一直流电路，输电总电阻为0.4Ω，它提供给用电器的电功率为40kW，电压为800V。

若用临界温度以下的超导电缆代替原来的输电线，保持供给用电器的功率和电压不变，那么节约的电功率为（　　）

A．1kWB．1.6×103kW

C．1.6kWD．10kW

解析：

选A　节约的电功率即为普通电路输电时损耗的电功率，I＝＝A＝50A，P线＝I2R＝502×0.4W＝1000W，故节约的电功率为1kW,A项正确。

3．[多选]（2018·商丘一高检测）远距离输电装置如图所示，升压变压器和降压变压器均是理想变压器，发电机的输出电压恒定。

当S由2改接为1时，下列说法正确的是（　　）

A．电压表读数变大B．电流表读数变大

C．电流表读数变小D．输电线损失的功率减小

解析：

选AB　由题图知，S改接为1时，升压变压器的原线圈匝数不变，副线圈匝数变大，所以输电电压变大，降压变压器的输入电压和输出电压均变大，电压表读数变大，选项A正确；降压变压器的输出电压变大时，流过灯泡的电流I灯也变大，输电线上的电流I线随着I灯的变大而变大，所以电流表读数变大，选项B正确，C错误；I线变大，输电线损失的功率P线＝I线2R变大，选项D错误。

4．（2018·临沂中学检测）如图所示，某小型发电站发电机输