教育资料 第4章 第3节 电能的远距离传输学习专用.docx
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教育资料第4章第3节电能的远距离传输学习专用
第3节 电能的远距离传输
学习目标
知识脉络
1.了解从变电站到用户的输电过程.
2.理解降低输电损耗的两个途径及其各自的优缺点．（重点）
3.知道高压输电原理，区别导线上的输电电压U和损失电压ΔU.（难点）
4.了解高压交流和高压直流输电的优缺点及两种系统的区别和联系.
[自主预习·探新知]
[知识梳理]
一、为什么采用高压输电
1．电功率损失
由于电流的热效应会引起电功率的损失，且满足P损＝I2R线，可以通过减小输电线的电阻或减小输送电流来减小电功率的损失．
2．电压损失
3．高压输电
减小电阻要增粗导线，增粗导线又带来两个不利，其一，耗费更多的金属材料；其二，会使电抗更大，造成更大的电压损失．只有采用小电流输电才会避免上述问题，在保证输送功率不变的情况下，减小电流必须靠升高电压来实现．
二、高压交流输电和高压直流输电
1．高压交流输电
（1）基本环节
升压变压器 降压变压器
―→
―→
（2）电路原理图：
（如图4 3 1所示）
图4 3 1
2．高压直流输电
（1）主要构造
整流站、直流线路和逆变站三部分．
（2）原理图：
（如图4 3 2所示）
图4 3 2
（3）高压直流输电的优点
高压直流输电的过程是在高压交流输电的基础上完善而成的，它的主要优点有：
①节省材料，架设方便．
②不存在容抗和感抗引起的损耗．
③易于建设输电网，不需要考虑各发电机的同步问题．
[基础自测]
[思考判断]
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．在远距离输电线上的功率损失与输电线上电压损失的平方成正比．（√）
5．由P＝UI知，在输送功率一定的情况下，提高输电电压，同时输电电流一定减小．（√）
6．高压直流输电系统有两次换流过程．（√）
[合作探究]
1．在电能的输送过程中，U为输电电压，r为输电线电阻，则输电线中电流为I＝
，对不对？
为什么？
【提示】 不对．U为输电电压，而不是在输电导线上的电压，即U≠Ir，而输电电流可通过P＝UI求得．
2．在直流输电系统中，换流站内换流器的作用是什么？
【提示】 换流器的作用是实现交流电与直流电的转换，是直流输电系统内的重要环节．
[合作探究·攻重难]
为什么采用高压输电
1．输电线上的功率损失
（1）输电过程中功率损失的原因
输电导线有电阻，因此当电能通过输电线送向远方，电流流过输电线时，因输电线有电阻而发热，电能必有一部分转化为内能而损失掉．
（2）计算输电导线上功率损失的方法
设输电导线的总电阻为R，输电电流为I，则损失功率为P损＝I2R.设输送的总电功率为P，输电电压为U，输电线的总长度为L，横截面积为S，电阻率为ρ，则输电电流I＝
，输电线电阻R＝ρ
，所以输电线上的功率损失可表示为P损＝（
）2ρ
.
（3）减小输电线上的功率损失的方法
根据公式P损＝I2R可知，减小输电线路上功率损失的方法有两种：
①减小电阻
据R＝ρ
判断：
减小输电线的长度L，由于输电距离一定，所以在实际中不可能通过减小L来减小R；减小电阻率ρ，目前，一般用电阻率较小的铜或铝作为输电线材料；增大导线的横截面积S，这要多耗费金属材料，增大成本，同时给输电线的架设带来很大的困难．
②减小输电导线的电流I
据I＝
判断：
减小输送功率，在实际中不能通过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，在输送电功率P一定，输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，据P损＝（
）2R可知，输电线上的功率损耗将降为原来的
.
2．输电线上的电压损失
（1）在输电线上存在电压损失的原因
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，这就是输电线上的电压损失．
（2）计算输电线上的电压损失的方法
如图4 3 3所示，U为发电厂的输出电压，P为发电厂的输出功率，U′为用电设备两端的电压，P′为用电设备的输入功率，则输电线上损失的电压为ΔU＝U－U′，且ΔU＝IR.
图4 3 3
（3）减少输电线路上的电压损失的方法
据ΔU＝IR可知，减小输电线路上电压损失的方法主要有两种：
（1）减小输电线路的电阻；
（2）减小输电电流I，即提高输电电压．
已投产运行的1000kV特高压输电项目，是目前世界上输电电压最高的输电工程．假设甲、乙两地原来用500kV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1000kV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．输电线上损失的电压将变为原来的2倍
C．输电线上损失的电功率将变为原来的
D．输电线上损失的电压将变为原来的
思路点拨：
当输电电压变化时，输电线上的电流也发生变化，输电线上损失的电功率发生变化，计算出输电线上的电流，就能计算出输电线上损失的电功率．
D [设输电线的电阻为R，当输电线上的电流为I0时，损失的电功率为P0＝I
R.当输电电压提高为1000kV时，由I＝
可知输电线上的电流变为
，输电线上损失的电压为原来的
，输电线上损失的电功率为P损＝
2R＝
.故选项D正确．]
计算输电线上功率损耗的方法
（1）ΔP＝I2R，I为输电线上的电流，R为线路电阻．
（2）ΔP＝
，U线为输电线路上损失的电压，R为线路电阻．
（3）ΔP＝U线·I，U线为输电线上损失的电压，I为线路上的电流．
[针对训练]
1．（多选）如图4 3 4为远距离高压输电的示意图，关于远距离输电，下列表述正确的是（ ）
【导学号：
11452095】
图4 3 4
A．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
B．高压输电是通过减小输电电流来减小电路的发热损耗
C．在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越小
D．高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好
ABD [根据输电原理，电路中的功率损耗ΔP＝I2R线而R线＝ρ
，增大输电线的横截面积，输电线的电阻会减小，则能减小输电线上的功率损失，A对；由P＝UI可知，P一定的情况下，输送电压U越大，I越小，ΔP越小，B对；若输电电压一定，输送功率越大，则电流I越大，ΔP越大，C错；输电电压并不一定越高越好，因为电压越高，对于安全和技术的要求越高，D对．]
2．某小型实验水电站输出功率是20kW，输电线路总电阻是6Ω.
（1）若采用380V电压输电，求输电线路损耗的功率和用户得到的电压；
（2）若改用5000V高压输电，用户端利用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损＝I2r＝52.632×6W≈16620W＝16.62kW
用户得到的电压为：
U1＝U－Ir＝（380－52.63×6）V＝64.22V.
（2）改用高压输电后，输电线上的电流变为：
I′＝
＝
A＝4A
用户端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≈226.18V.
【答案】
（1）16.62kW 64.22V
（2）226.18V
高压交流输电和高压直流输电
1.高压交流输电线路
（1）结构示意图（图4 3 5）
图4 3 5
（2）基本关系
电压关系：
＝
，
＝
电流关系：
＝
，
＝
功率关系：
P1＝P2，P3＝P4
损失电压：
UR＝I2R＝I3R
损失功率：
PR＝I
R＝U
/R
（3）重要关联关系
（4）高压交流输电技术的困难
①输送大功率电能，导线横截面积较大，电感的作用（感抗）超过电阻；
②电缆长度越长，电容器的旁路作用越强，甚至使交流无法输送；
③电流并网要求各台发电机交流相位相同，频率相同．
2．高压直流输电
（1）高压直流输电系统原理（图4 3 6）
图4 3 6
（2）高压直流输电的优越性
①输送相同功率的电能时，直流输电所用线材仅为交流输电的2/3；
②直流输电比同容量交流输电简单，占地面积小；
③稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的能量损耗；
④用直流输电不需要考虑电网中各台交流发电机的同步运行问题．
某电厂要将电能输送给较远的用户，输送的总功率为9.8×104W，电厂输出的电压仅为350V，为减少输送功率的损失，先用一升压变压器将电压升高再输送，在输送途中，输电线路的总电阻为4Ω，损失的功率为输送功率的5%.求用户所需电压为220V时，升压、降压变压器的原、副线圈的匝数比各是多少？
思路点拨：
依题意可画出远距离输电的电路如图所示，导线上损耗的功率P损＝I2R，所以可求出输电导线中的电流．根据理想变压器的规律和能量守恒定律，可算出升压变压器的输出电压和降压变压器的输入电压，进而可得匝数比．
【解析】 电路中损失的功率P损＝5%P总＝I
R
故输电线路中的电流为
I2＝
＝
A＝35A
升压变压器的输出电压为
U2＝
＝
V＝2800V
所以升压变压器原、副线圈的匝数比为
＝
＝
＝
降压变压器的输入功率为P3＝P总－P损＝P总－5%P总＝95%P总＝0.95×9.8×104W＝9.31×104W
所以降压变压器原线圈两端的电压为
U3＝
＝
V＝2600V
故降压变压器原、副线圈的匝数比为
＝
＝
＝
.
【答案】 1∶8 133∶11
处理远距离输电问题的方法
处理远距离输电问题的方法，关键是抓住一图三线，一图即输电的线路图，三线即三个关系：
功率关系、电压关系和电流关系，抓住一图三线，按照从前到后或从后向前的顺序分析，即可找到突破口．
[针对训练]
3．如图4 3 7所示是远距离输电示意图，若发电机的输出电压不变，则下列叙述正确的是（ ）
【导学号：
11452096】
图4 3 7
A．升压变压器原线圈中的电流与用户用电设备消耗的功率无关
B．输电线路中的电流只由升压变压器的匝数比决定
C．当用户消耗的总功率增大时，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
C [因输入功率等于输出功率，而发电机输出的电压不变，所以选项A、B错误；当用户消耗的总功率增大时，输电线中的电流增大，根据P＝I2R，输电线上损耗的功率增大，选项C正确；因为输电线上也有电压降，所以升压变压器的输出电压大于降压变压器的输入电压，选项D错误．]
4．如图4 3 8所示，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n1∶n2＝1∶4，降压变压器的匝数比为n3∶n4＝4∶1，输电线总电阻为R线＝4Ω，全校有22间教室，每间教室安装“220V 40W”的电灯6盏，要求所有的电灯都正常发光，求：
图4 3 8
（1）输电线上损耗的电功率P损为多大？
（2）发电机的电动势E为多大？
【解析】
（1）所有电灯正常发光时消耗的功率为
P灯＝40×22×6W＝5280W＝P4
由于电灯正常发光时降压变压器副线圈两端电压
U4＝220V
所以降压变压器原线圈两端电压
U3＝
U4＝
×220V＝880V
两变压器之间输电线上的电流为
I线＝
＝
＝
A＝6A
输电线上损失的功率P损＝I
R线＝62×4W＝144W.
（2）输电线上损失的电压U损＝I线R线＝6×4V＝24V
升压变压器副线圈两端电压
U2＝U3＋U损＝（880＋24）V＝904V
升压变压器原线圈两端电压
U1＝
U2＝
×904V＝226V
升压变压器原线圈中的电流I1＝
I线＝
×6A＝24A
发电机内阻上的电压：
Ur＝I1r＝24V
发电机的电动势E＝U1＋Ur＝226V＋24V＝250V.
【答案】
（1）144W
（2）250V
[当堂达标·固双基]
1．交流输电线路中导致功率损失的主要原因（ ）
A．一定是输电导线具有电阻
描写学习态度的成语B．一定是输电导线具有容抗
最大的书阅读答案C．一定是输电导线具有感抗
D．以上说法均不正确
有趣的线造型美术教案A [电能的主要损耗是电热，由ΔP＝I2R可知A选项正确．]
描写学习态度的成语2．远距离输电，输电功率一定，当输电电压为U0时，输电线上的电流为I0，损失的电功率为P0.则当输电电压提高为2U0时（ ）
【导学号：
11452097】
A．由I＝
得，输电线上的电流变为2I0
教师的专业成长pptB．由I＝
得，输电线上的电流变为
C．由P＝
得，输电线上损失的电功率为4P0
D．由P＝IU得，输电线上损失的电功率为2P0
B [设输电线的电阻为R，当输电线上的电流为I0时，损失的电功率为P0＝I
R.当输电电压提高为2U0时，由I＝
可知输电线上的电流变为
，输电线上损失的电功率为P损＝
2R＝
，故选项B正确．]
3．（多选）高压直流输电与高压交流输电相比（ ）
A．高压直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗
最大的书阅读答案B．高压直流输电所需的设备比高压交流输电所需的设备经济
C．高压直流输电技术简单
D．高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统
AD [稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗，A正确；高压直流输电技术的要求高，所需的换流设备制造难，价格高，B、C错误．高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统，D正确．故选A、D.]
4．在远距离输电时，如果输电电压为2000V，输电功率为10kW，输电线的电阻为20Ω，试计算：
（1）输电线上损失的电功率和损失的电压；
教师的情绪管理
（2）用户得到的电功率和电压．
教学诊断【解析】
（1）由P＝IU可得输电电流为
概率论期末试卷及答案I＝
＝
A＝5A
植物细胞教学设计第二课时所以输电线上损失的电功率为
P损＝I2R＝52×20W＝500W
损失的电压为U损＝IR＝5×20V＝100V.
（2）用户得到的电功率为P用＝P－P损＝9500W
用户得到的电压为U用＝U－U损＝1900V.
【答案】
（1）500W 100V
（2）9500W 1900V
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