2020版高中物理 第4章 远距离输电 3 电能的远距离传输课件 鲁科版选修3-2

第3节电能的远距离传输一、为什么要采用高压输电1.两种损失:两种损失原因分析大小表示减小办法电功率损失电流产生_______ΔP=___减小R减小I电压损失输电线电阻和输电线_____ΔU=___减小I减小R热效应I2R电抗IR2.高压输电:在保证输送电功率P不变的前提下提高输送电压,会减小_____,从而减小导线上的电功率损失和电压损失。电流二、高压交流输电和高压直流输电1.高压交流输电:(1)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_____。(2)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_____。②交变电流的频率必须_____。电容相同相同2.高压直流输电:(1)高压直流输电系统的组成:主要由整流站、直流线路和_______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_______变成_______,用高压直流电进行远距离传输,在用户区域由换流设备将_______变为________,经变压器降压送给用户。逆变站交流电直流电直流电交流电(3)高压直流输电的优点:①节约线材;输电杆塔_________,占地面积小。②不存在_____和_____引起的损耗。③不需要考虑电网中各台交流发电机的_________问题。结构简单感抗容抗同步运行【思考辨析】(1)远距离输送交变电流时,导线的电阻是影响电压损失的因素之一。()(2)输电电压越高越好。()(3)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=。()Ur(4)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。()(5)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。()提示:(1)√。导线的电阻,输送交变电流时,输电线的感抗和容抗都是影响电压损失的因素。(2)×。输送电压越高,会增加绝缘难度,提高架线费用,还容易引起输电线路向大气放电,增加能量损失。因此,并不是输送电压越高越好。(3)×。U为输电电压,而不是加在输电导线上的电压,即U≠Ir,而输电电流可通过P=UI求得。(4)√。输送功率一定时,提高输电电压,由P=UI知,输电电流一定减小。(5)√。减小电能损失可以通过减小输电线的电阻来实现,铜的电阻率比较低,因此用铜导线,可以减小输电导线的电阻,从而减小电能损失。一输电线上的电压损失和功率损失考查角度1计算输电线上的电压损失和功率损失【典例1】如图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,其末端间的电压为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()世纪金榜导学号A.用户端的电压为B.输电线上的电压降为UC.理想变压器的输入功率为rD.输电线路上损失的电功率为I1U112IUI21I【解题探究】(1)理想变压器输入功率_____输出功率。(2)如何求解输电线上的电压降?提示:U损=I线r线。(3)如何求解输电线上的功率损失?提示:P损=r。等于2I线【解析】选A。理想变压器输入和输出功率相同,设用户端得到的电压为U2,所以I1U1=U2I2,选项A正确;输电线上电压降为ΔU=I1r,或者ΔU=U-U1,选项B错误;理想变压器输入功率为P=I1U1,选项C错误;损失的功率ΔP=r,选项D错误。21I【核心归纳】1.电压损失:由于输电导线有电阻,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U3比起始端电压要低,这就是输电线路上的电压损失,ΔU=U2-U3=IR线。对于交流电路,感抗和容抗也会造成电压损失,高中阶段暂不研究。2.功率损失:由于输电线有电阻,当有电流流过输电线时,有一部分电能转化为电热而损失掉了,这是输电线上功率损失的主要原因。设输电电流为I,输电线的电阻为R线,则功率损失为ΔP=I2R线。考查角度2减小输电线上电压、功率损失的方法【典例2】(2018·江苏高考)采用220kV高压向远方的城市输电。当输送功率一定时,为使输电线上损耗的功率减小为原来的,输电电压应变为世纪金榜导学号()A.55kVB.110kVC.440kVD.880kV14【解析】选C。输电线上损耗的功率P=I2r,为使输电线上损耗的功率减小为原来的,电流I要减小为原来的,当输送功率一定时,输电电压要升高为原来的2倍,选项C正确。1214【核心归纳】减小输电线路上电压损失和功率损失的方法:根据电压损失的表达式ΔU=IR线和功率损失ΔP=I2R线可知,要减少输电线上的电压损失和功率损失,有两种方法:(1)减小输电线的电阻R线:根据电阻定律可知R线=ρ,要减小输电线的电阻R线,可采用下述方法:Sl①减小材料的电阻率ρ。银的电阻率最小,但价格昂贵,目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线材料。②减小输电线的长度l不可行,因为要保证输电距离。③增加导线的横截面积。可适当增大横截面积,太粗不可能,既不经济又架设困难。另外,用增大输电导线横截面积的方法来减小电阻,对低压照明电路有效,在高压线路中,因容抗和感抗造成的电压损失比电阻造成的还要大,故这种方法在高压输电中的应用效果不佳。(2)减小输电电流。①在输电功率一定的条件下,根据P=UI可知,要减小输电线中的电流I,必须提高输电电压U。②在输送功率P一定,输电线电阻R线一定的条件下,输电电压提高到原来的n倍,根据ΔU=IR线=R线知,输电线上的电压损失将变为原来的。PU1n③根据ΔP=()2·R线知,输电线上的功率损失将降为原来的。所以减小输电电流,采用高压输电的方法比减小输电线电阻的方法更有效。PU21n【特别提醒】计算输电线上功率损耗的三种方法(1)ΔP=I2R,I为输电线上的电流,R为线路电阻。(2)ΔP=,U为输电线上的电压,R为线路电阻。(3)ΔP=UI,U为输电线上的电压,I为输电线上的电流。2UR【过关训练】1.2017年1月4日,昌吉(新疆)-古泉(安徽宣城)特高压输电工程跨越秦岭。500千伏超高压输电是我国目前正在实施的一项重大工程。若输送功率为3200万千瓦,原来采用200千伏输电,由于输电线有电阻而损失的电功率为P,则采用500千伏超高压输电后,在输电线上损失的电功率为(设输电线的电阻未变)()A.0.4PB.0.16PC.2.5PD.6.25P【解析】选B。根据I=,输电线上的电流与输送的电压成反比,即输电线上的电流将变为原来的,而在线路上损失的功率为ΔP=I2R,损失的功率与电流的平方成正比,即ΔP1∶ΔP2=25∶4,所以采用500千伏超高压输电后在输电线上损失的功率为0.16P。PU252.(2015·福建高考)如图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u=Umsinωt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()A.()B.()C.4()2()2rD.4()2()2r【解析】选C。由I1=和得Ir=I2=,则输电线上损失的功率Pr=2r=4()2()2r,故选C。12nn21nn12nn21nnmPUmPUm2PU1221InIn12mn2PnU2rI12nnmPU2mU4r2mU4r3.(多选)如图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()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的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【解析】选A、B、D。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,可减小输电线的电阻,则能够减小输电线上的功率损耗,A项正确;由P=UI来看,在输送功率一定的情况下,输送电压U越大,则输电电流越小,则功率损耗越小,B项正确;若输电电压一定,输送功率越大,则电流I越大,电路中损耗的电功率Sl越大,C项错误;输电电压并不是电压越高越好,因为电压越高,对于安全和技术的要求越高,D项正确。【补偿训练】对在电能远距离输送中所造成的电压、功率损失,下列说法中正确的是()A.只有输电线的电阻才造成电压损失B.只有输电线的电抗才造成电压损失C.只有变压器的铜损和铁损才造成了输送中的功率损失D.若用高压直流电输送,可以减小因电抗造成的电压、功率损失【解析】选D。远距离高压输电过程中,不仅线路上的电阻会损失电压,电抗也会损失电压,故A、B错误;输电过程中的功率损失是指输电线上的功率损失,故C错误;若用高压直流电输送,则只有电阻的影响,无电抗的影响,故D正确。二高压交流输电考查角度1高压交流输电的关系式【典例1】(2019·莆田高二检测)(多选)远距离输电的简化电路如图所示,发电厂的输出电压是U,两条输电线输电的等效总电阻为r,输电线路中的电流是I1,其末端间的电压为U1。在输电线与用户间连有一理想降压变压器,其原副线圈匝数比为n1∶n2,流入用户端的电流是I2;下列说法正确的是()A.U、I1、r之间满足U=I1rB.I1、I2之间满足C.输电线路上损失的电功率为D.理想变压器的输入功率为UI1-r1221InIn21Ur21I【解析】选B、D。线路上的电势降U损=I1r=U-U1,A错误;根据变压器电流比等于匝数的反比可知,B正确;线路上损耗的功率P损=I2r=UI1-U1I,C错误,D正确。1221InIn【核心归纳】1.掌握五个关系式:(1)电压与匝数的关系:,。(2)功率关系:理想变压器的输入功率等于输出功率,P入=P出。(3)电流大小关系:升压变压器原线圈的电流I1=,副线圈的电流I2=,U2为输送电压。1212UUnn＝3434UUnn＝11PU22PU(4)功率损失:ΔP=R线=,P2=P3+ΔP。(5)电压关系:U2=I2R线+U3。22I223UUR线（）2.远距离输电的三个物理量:(1)输电电流I:输电电压为U,输电功率为P,则输电电流I=。(2)电压损失ΔU:输电线始端电压U与输电线末端电压U′的差值。PU(3)功率损失:远距离输电时,输电线有电阻,电流的热效应引起功率损失,损失的功率①ΔP=I2R线,②ΔP=IΔU,③ΔP=。2UR考查角度2高压交流输电的应用【典例2】有一条河流,河水流量为4m3/s,落差为5m,现利用它来发电，发电效率为50％①，发电机输出电压为350V②，输电线总电阻为4Ω③，允许输电线上损耗功率为发电机输出功率的5％④，而用户所需电压为220V，求所用的升压变压器上原、副线圈的匝数比。（g取9.8m/s2）【审题关键】序号信息提取①发电机的输入功率P1=ηP0②U1=350V③R线=4Ω④P损=5%P1【解析】设河水重力做功的功率为P0,Q为水流量,P0==ρgQh,代入数值得P0=1.96×105W发电机最大输出功率就是升压变压器的输入功率P1,依题意有P1=ηP0=9.8×104WWgQthtt输电线上允许消耗的电功率为P损=5%P1=4.9×103W由P损=R线,可得I2==35A升压变压器副线圈两端的电压为U2==2800V所以升压变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2=U1∶U2=350∶2800=1∶8答案:1∶822IPR损线12PI【核心归纳】1.远距离输电电路图:2.弄清分析思路:将电路划分为几个独立的回路,每个回路均可以应用闭合电路欧姆定律及串、并联电路规律,而变压器的电压、电流、功率关系是联系不同回路的桥梁。3.远距离输电问题的解题步骤:(1)正确画出输电过程示意图并在图上标出各物理量。(2)抓住变压器变压前后各量间关系,求出输电线上的电流。(3)计算电路功率问题时常用关系式:P损=R线,注意输电线上的功率损失和电压损失。2I线(4)电网送电遵循“用多少给多少”的原则,说明原线圈电流由副线圈电流决定。【过关训练】1.如图所示,甲是远距离输电线路的示意图,乙是发电机输出电压随时间变化的