2021-2022学年高中物理 第二章 交变电流 7 电能的输送学案 教科版选修3-2

1、2021-2022学年高中物理 第二章 交变电流 7 电能的输送学案 教科版选修3-22021-2022学年高中物理 第二章 交变电流 7 电能的输送学案 教科版选修3-2年级：姓名：- 15 -电能的输送 必备知识自主学习一、电能输送中的电压损失和电能损耗1.电压损失:(1)损失原因:导线自身存在电阻r。(2)电压损失大小:u损=ir。2.输电线上的功率损耗:(1)输电线上的功率损失:p损=i2r,i为输电电流,r为输电线的电阻。(2)降低输电损耗的两个途径。减小输电线的电阻:在输电距离一定的情况下,为了减小电阻,应当选用电阻率小的金属材料,还要尽可能增加导线的横截面积。减小输电导线中的电流

2、:为减小输电电流,同时又要保证向用户提供一定的电功率,就要提高输电电压。二、远距离输电系统远距离输电系统的优点有哪些?提示:(1)经济便于使用大容量发电机组,降低运输成本;(2)保质减少断电风险,调剂供需平衡;(3)可靠根据不同“电源”的特点,合理调度电力。1.基本环节:2.电路原理图(如图):3.线路分类:(1)低压线路:家庭用户电压为220 v。(2)高压线路:输电电压为35 kv。(3)超高压线路:输电电压超过220 kv。三、直流输电1.直流输电的优点:(1)节约线材。(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。2.直流输电的基本过程:在发电站

3、区域经变压器升压,由整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,在用户区域由逆变器将直流电变为交流电,经变压器降压送给用户。 关键能力合作学习知识点一输电线上的电压和能量损失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)减少输电线路电压损失的两种方法。减小输电线路电阻:由r=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。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.输电线上的电功率损失:(1)电功率损失。原因:任何

4、输电导线都有电阻,因此当电流通过输电导线向远方输送时,输电线因有电阻而发热。功率损失的计算:p=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。减小输电线的电阻r:根据r=,减小电阻率,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。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,输电线上的功率损耗将降为原来的。远距离输电时,输电线可看作纯电阻,可用哪些公式求功率损失?提示:若输电线电阻为r,输电电流为i,输电线上的损失电压

5、为u,则常用的公式有:(1)p=i2r(2)p=iu(3)p=【典例】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c.输电线上降落的电压将变为原来的2倍d.输电线上损耗的电功率将变为原来的【解析】选b。根据输送电功率p输=u输i输,因p输不变,故当u输变为原来的2倍时,i输变为原来的,选项a错误;输电线上降落的电压u降=i输r,所以当输电电流变为原来的时,

6、输电线上降落的电压也变为原来的,选项b正确,选项c错误;输电线上损耗的电功率p损=r,所以当输电电流变为原来的时,输电线上损耗的电功率将变为原来的,选项d错误。1.当远距离高压输送一定电功率时,输电线上损耗的功率与电路中的()a.输送电压成正比b.输送电压的平方成正比c.输电线中的电流成正比d.输电线中电流的平方成正比【解析】选d。根据电功率p=iu输电线上损耗的功率p=i2r由式解得p=输电线上损耗的功率与输送电压的平方成反比,故a、b错误;根据输电线上损耗的功率p=i2r,可知输电线上损耗的功率与输电线中电流的平方成正比,故d正确,c错误。故选d。2.某电站向某地输送一定功率的电能,若将输

7、送电压提高到原来的 10 倍,其他不变, 则输电线电能损失为()a.减为原来的b.增为原来的 10 倍c.减为原来的d.增为原来的 100 倍【解析】选c。输电线输送功率为p=ui功率损耗为p=i2r联立解得p=()2r现在电压增加为原来的10倍,其他不变,故输电线上损失的电功率变为原来的。故选c。3.(多选)(2020宝鸡高二检测)高压输电是减小输电电能损耗和电压损失的有效途径,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、乙两地原采用500 kv的超高压输电,输电线上损耗的电功率为p=100 kw,损失的电压为u=40 v。在保持输送电功率和输电线电阻都

8、不变的条件下,改用1 000 kv特高压输电,若不考虑其他因素的影响, 输电线上损耗的电功率变为p,损失的电压变为u,则()a.p=25 kwb.p=50 kwc.u=10 vd.u=20 v【解析】选a、d。输电的电流为i=,则输电的损失功率为p=i2r=()2r,损失的电压为u=ir=r;保持输送功率p和输电线上的电阻r不变,而把总电压从500 kv提高为1 000 kv,即变为原来的2倍,则输电电流变为原来的,有p=p=25 kw,u=u=20 v;故b、c错误;a、d正确。【加固训练】通过一理想变压器,经同一线路输送相同的电功率p,原线圈的电压u保持不变,输电线路的总电阻为r。当副线圈

9、与原线圈的匝数比为k时,线路损耗的电功率为p1,若将副线圈与原线圈的匝数比提高到nk,线路损耗的电功率为p2,则p1和分别为()a., b.()2r, c., d.()2r,【解析】选d。根据变压器的变压规律,得=k,=nk,所以u1=ku,u2=nku。根据p=ui,知匝数比为k和nk的变压器副线圈的电流分别为i1=,i2=。根据p=i2r知,输电线路损耗的电功率分别为p1=r=()2r,p2=r=()2r,所以=。选项d正确,选项a、b、c错误。知识点二高压输电过程的分析与计算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

10、: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u=u2-u3=i2r。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。3.输电过程的几个基本关系:(1)功率关系:p1=p2,p2=p线+p3,p3=p4。(2)电压、电流关系:=,=,u2=u线+u3,i2=i3=i线。(3)输电电流:i线=。(4)输电导线上损耗的电功率:p线=i线u线=r线=()2r线。【典例】如图所示,发电机输出功率p1=100 kw,输出电压u1=250 v,用户需要的电压u4=220 v,

11、输电线总电阻为10 。若输电线中因发热而损失的功率为输送功率的4%,试求:(1)发电机的输送电流i1是多少?(2)在输电线路中设置的升、降压变压器原、副线圈的匝数比?(3)用户得到的电功率p4是多少?【解析】(1)根据p1=u1i1得发电机的输出电流i1= a=400 a(2)输电线上损失的功率p损=r=4%p1解得i2= a=20 a则=输电线上的电压损失u=i2r=2010 v=200 v升压变压器的输出电压u2=u120=5 000 v降压变压器的输入电压u3=u2-u=(5 000-200) v=4 800 v则=(3)用户得到的电功率p4=96%p1=96 kw答案:(1)400 a

12、(2)(3)96 kw分析输电类问题时要注意的三点(1)在高压输电中,一般是通过电流来计算相关的电压、功率或热量等。(2)结合欧姆定律、焦耳定律和变压器的相关知识来解出正确答案。(3)若已知输送电压和输送功率,一般是根据要求从前向后逐步进行;若已知用户得到的电压和功率,则一般是根据题目要求从后向前逐步进行。1.(多选)(2020石嘴山高二检测)如图所示是一远距离输电示意图,图中均为理想变压器,输电导线总电阻为r。则下列关系式正确的是()a.输电导线中的电流强度i2=b.热损失的功率p=(u2-u3)i3c.两变压器线圈匝数比满足i3【解析】选a、b。因该变压器为理想变压器,则p1=p2,根据i

13、=可知,输电导线中的电流强度i2=,故a正确;因输送电路不是纯电阻电路,输送的功率为p损=p2-p3=(u2-u3)i3,故b正确;是升压变压器,则n1n4,所以,故c错误;变压器的输出电流i2和变压器的输入电流i3相等,故d错误。2.(多选)(2020盐城高二检测)为了减少电能损失,某小型水电站用变压比n1n2=15的升压变压器向距离较远的用户供电,如图所示,已知发电机的输出功率为46 kw,输电线路导线电阻为5 ,最后用户得到220 v、44 kw的电力,则下列数据正确的是()a.发电机的输出电压是2 300 vb.输送的电流是100 ac.输电线上损失的电压是100 vd.用户降压变压器

14、原、副线圈匝数比n3n4=101【解析】选c、d。对于升压变压器,输入功率等于输出功率,所以升压变压器的输出功率为p2=46 kw降压变压器的输入功率为p3=44 kw所以输电线损耗的功率为p=2 kw则输电线损失的电压为u=100 v输电线电流为i=i2=20 a对于理想变压器,电流与匝数成反比,则升压变压器中原线圈的电流为i1=i2=100 a则发电机的输出电压为u1=460 v其中p1=p2所以c正确,a、b错误;对于升压变压器的输出电压为u2=u1=2 300 v则降压变压器的输入电压为u3=u2-u=2 200 v由题意可知,降压变压器的输出电压为u4=220 v则降压变压器的匝数比

15、为=所以d正确。故选c、d。3.(2020浙江7月选考)如图所示,某小型水电站发电机的输出功率p=100 kw,发电机的电压u1=250 v,经变压器升压后向远处输电,输电线总电阻r线=8 ,在用户端用降压变压器把电压降为u4=220 v。已知输电线上损失的功率p线=5 kw,假设两个变压器均是理想变压器,下列说法正确的是()a.发电机输出的电流i1=40 ab.输电线上的电流i线=625 ac.降压变压器的匝数比n3n4=19011d.用户得到的电流i4=455 a【解析】选c。发电机的输出电流i1 = = a=400 a,选项a错误。输电线上的电流i线 = = a=25 a,选项b错误。升

16、压变压器的副线圈输出电压u2 = = v=4103 v,输电线损耗电压u=i线r=258 v=200 v,降压变压器的原线圈电压u3=u2-u= 3 800 v,故降压变压器的匝数比=,选项c正确。降压变压器的功率p4=p3=p-p线=95 kw,故用户得到的电流i4= = a=431.8 a,选项d错误。【拓展例题】考查内容:输电电压和输电线上的损失【典例】输电线的电阻共计1.0 ,输送的电功率是100 kw,用400 v的低压输电,输电线上发热损失的功率是多少?改用10 kv的高压输电,输电线上的功率损失又为多少?【解析】由p=ui知,输电线的电流i=,式中p是输送的电功率,u是输电电压。

17、当用400 v的低压输电时,输电线上发热损失的功率p1=r=()2r=()21.0 w=6.25104 w当用10 kv的高压输电时,输电线上发热损失的功率p2=r= ()2r=()21.0 w=1.0102 w答案:6.25104 w1.0102 w 课堂检测素养达标1.党的十九大以来,习近平总书记多次强调,要精准扶贫。某些边远落后农村电价过高,农民负担过重,其中客观原因是电网陈旧老化,供电部门要进行农村电网改造。为了减少远距离输电线路上的电能损耗而降低电费价格,以下措施中切实可行的是()a.提高输电电压b.用超导材料做输电线c.提高输送功率d.减小输电线的横截面【解析】选a。提高输电电压,

18、根据i=知输送电流较小,根据p损=i2r知损失的功率较小,故a正确;应用超导材料做输电线,根据p损=i2r知损失的功率为0,但成本太高,故b错误;提高输送功率,根据i=知输送电流较大,根据p损=i2r知损失的功率较大,故c错误;减小输电线的横截面积,根据电阻定律r=可知电阻增大了,根据p损=i2r知损失的功率较大,故d错误。故选a。2.某高压变电所通过变压器向一工厂送电,输送电压为u,输送功率为p,导线电阻为r,下列说法正确的是()a.如果输送功率与导线电阻不变,输送电压变为原来的2倍,则损失功率变为原来的四倍b.如果输送功率与输送电压不变,导线电阻变为原来的2倍,则损失功率变为原来的二分之一

19、c.输送功率为p的具体数值由工厂的用电情况决定d.输送功率为p的具体数值由变电所决定,与工厂的用电情况无关【解析】选c。如果输送功率与导线电阻不变,输送电压变为原来的2倍,则输送电流变为原来的二分之一,据p损=i2r可知,损失功率变为原来的四分之一,选项a错误;同理,如果输送功率与输送电压不变,导线电阻变为原来的2倍,则损失功率变为原来的二倍,选项b错误;输送功率为p的具体数值由工厂的用电情况决定,如果机器不工作,变电所将输不出电来,选项c正确,d错误。故选c。3.(多选)(2020重庆高二检测)我国“西电东送”采用高压直流输电,继三峡至常州500 kv直流输电工程后,又实现了三峡至广东的50

20、0 kv直流输电工程。这种输电方式是在高压交流远距离输电的基础上,增加了把交流变为直流的“整流”设备,用户端用专用的“逆变”设备把直流变为交流。关于高压近距离直流输电,下列说法正确的有()a.“整流”设备应放在升压变压器后,而“逆变”设备放在降压变压器前b.有利于消除输电线路中感抗和容抗的影响c.可以实现不同频率的交流电网络之间的电力传输d.高压远距离直流输电对输电线路绝缘性能无要求【解析】选a、b、c。变压器只对交流电起到变压的作用,故“整流”设备应放在升压变压器后,而“逆变”设备放在降压变压器前,故a正确;高压恒定的直流输电消除了输电线中感抗和容抗的影响,故b正确;直流电无频率,所以可实现不同频率的交流电网络之间的电力传输,故c正确;高压直流输电没有降低输电线路绝缘性能的要求,故d错误。4.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=umsint