高中物理第五章交变电流第5节电能的输送教学案新人教版选修3_2

第5节 电能的输送1.输送电能的基本要求是可靠、保质、经济。2根据P损I2r可知，减小输电线上的功率损失有两个途径：一是减小输电线的电阻，二是减小输电电流。3在输送功率一定时，提高输送电压，可以减小输电电流。 一、降低输电损耗的两个途径 1输送电能的基本要求(1)可靠：指保证供电线路可靠的工作，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导体。(2)从公式PIU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。3高压输电(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110 kV,220 kV,330 kV，输电干线已采用500 kV，西北电网甚至达到750 kV。(2)高压输电并不是越高越好。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、技术和经济等要求选择合适的电压。二、电网供电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)减少断电的风险，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。1自主思考判一判(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)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。()(4)从发电厂发出的电输送到用户均需要采用高压输电。()(5)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。()(6)远距离输电时，若升压变压器匝数比为1n，降压变压器匝数比为n1，则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等。()2合作探究议一议(1)输电电压与输电线路上损失的电压有何不同？提示：输电线路上损失的电压是指降落在输电线电阻上的电压；输电电压是输电线路两端的总电压，它等于降落在输电线电阻上的电压与输电线末端的电压之和。(2)输电电压越高越好吗？提示：输电电压并不是越高越好。输电电压越高，输电线路方面，对导线的绝缘要求越高，安全问题要求也越高，线路修建的费用也会越高；变压器方面，升压变压器输出的电压越高，变压器在绝缘、结构方面的制作要求也相应提高。因此，实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输电功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，依据不同情况选择合适的输电电压。(3)利用超导线输电可以很大程度地减少输电损耗，从输送电能的要求分析，我国现在为什么不大规模使用超导线输电。提示：利用超导线输电，材料比较贵重，不经济，技术要求也比较高，所以现在我国不能大规模使用。输电线上电压和功率损失的计算典例(多选)在电能输送过程中，若输送的电功率、输电线电阻一定，则在输电线上损耗的电功率()A和输送电压的二次方成反比B和输送电流的二次方成反比C和输送电线上的电压降的二次方成正比D和输送电流的二次方成正比解析此题考查了输电线上的功率损失和导线电阻、输送电压、导线上的电压损失、输电电流的关系。输电线上的功率损失PI2R，电压损失UUUIR，输电电流I，所以PI2R2R。可见，在输送功率P、输电线电阻R一定时，P与I2成正比，与U2成正比，与U2成反比。答案ACD输电线上电压和功率损失的计算方法(1)U损IR线R线UU用户。(2)P损I2R线2R线PP用户。 1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()A由I得，输电线上的电流变为2I0B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4P0D由PIU得，输电线上损失的电功率为2P0解析：选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P0I02R。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。2关于电能输送的以下分析，正确的是()A由公式P知，输电电压越高，输电线上功率损失越少B由公式P知，输电导线电阻越大，输电线上功率损失越少C由公式PI2R知，输电电流越大，输电线上功率损失越大D由公式PUI知，输电导线上的功率损失与电流成正比解析：选C输电导线上损失的功率P损I2R，U指输电线上损失的电压，而不是输电电压。故C正确。3输电导线的电阻为R，输送电功率为P。现分别用U1和U2两种电压来输电，则两次输电线上损失的功率之比为()AU1U2BU12U22CU22U12 DU2U1解析：选C由PUI得输电线中的电流I。输电线上损失的功率P损I2R2R。即在输送功率和输电线电阻不变的情况下，损失的功率与输电电压的平方成反比。所以两次输电线上损失的功率之比为U22U12。C正确。远距离输电1远距离输电示意图图5512正确理解几个基本关系(1)功率关系：P1P2，P2P损P3，P3P4。(2)电压关系：，U2U线U3，。(3)电流关系：，I2I线I3，。(4)输电电流：I线。(5)功率损耗：P损P2P3I线2R线U线I线。(6)电压损失：U线U2U3I线R线。典例发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，每条输电线的电阻为0.2 ，求：(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110的升压变压器将电压升高，经同样的输电线路后经101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？思路点拨解析(1)输电线上的电流IR A200 A损失的电压URIRR20.2200 V80 V损失的功率PRURIR80200 W16 kW故用户得到的电压U用户UUR140 V用户得到的功率为P用户PPR28 kW。(2)已知升压变压器的匝数比n1n2110输入电压U1220 V因此，升压变压器的输出电压U2U12 200 V输电线上的电流IR A20 A损失的电压URIRR20.220 V8 V损失的功率PRURIR820 W160 W因此，降压变压器的输入电压U3U2UR2 192 V已知降压变压器的匝数比n3n4101所以用户得到的电压U4U3219.2 V用户得到的功率P用户PPR43.84 kW。答案(1)140 V28 kW(2)219.2 V43.84 kW处理远距离输电的方法技巧(1)画好一张图远距离输电示意图；(2)抓住电两端发电站和用户；(3)分析一条线输电线；(4)研究两次变升压变压器升压和降压变压器降压；(5)区分三个量输送电压(功率)、损失电压(功率)、用户电压(功率)。 1(多选)一项名为“1 100 千伏特高压隔离开关”的“破冰实验”在我国大兴安岭漠河县取得成功，标志着我国特高压输电技术已突破低温环境制约。为消除高压输电线上的冰，假设利用电流的热效应除冰。若在正常供电时，高压线上输电电压为U，电流为I，热消耗功率为P损；除冰时，输电线上的热功率需要变为9P损，则除冰时(认为输电功率和输电线电阻不变)()A输电电流为3I B输电电流为9IC输电电压为3U D输电电压为U解析：选AD输电线上的功率损失为P损I2R线2R线，由该式可知要使P损增大到原来的9倍，输电电流应变为原来的3倍或输电电压应变为原来的，故A、D正确。2输送4.0106 W的电能，若发电机输出电压为2 000 V，选用变压器升压后应用横截面积为4.25 cm2的铜导线，把电能送到400 km远处，线路损耗的功率为5.0105 W。若已知铜的电阻率1.7108 m，求：(1)应选用匝数比为多少的升压变压器；(2)在用户方使用降压变压器，其原线圈两端的电压为多大。解析：(1)由PI2R得I，式中P为线路损耗功率，R为线路总电阻，两条导线总电阻R，则R1.7108 32 所以I125 A因为P输入P输出，所以在升压变压器副线圈两端的电压为U23.2104 V故。(2)设U2为降压变压器原线圈两端的电压，则U2U2IR2.8104 V。答案：(1)116(2)2.8104 V1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减短输电线长度C减少通电时间 D采用高压输电解析：选D从造成电能损失的原因分析，要减少电能损失，需要减小电阻或减小输电电流。减小电阻的方法实现起来较困难，因此应当采用高压输电，减小输电电流。2远距离输送一定功率的交变电流，若输电电压提高到原来的n倍，则下列说法中正确的是()A输电线上的电流变为原来的n倍B输电线上的电压损失变为原来的C输电线上的电功率损失变为原来的D若输电线上的电功率损失不变，输电线路长度可变为原来的n2倍解析：选DPUI，当U变为原来的n倍时，I变为原来的；输电线上的电压损失：UR线电功率损失：P损2R线输电线电阻R线，当l变为原来的n2倍时，电阻增大为原来的n2倍，由式知P损不变。3(多选)发电厂发电机的输出电压是U1，发电厂至学校的输电导线总电阻为R，导线中的电流为I，学校得到的电压为U2，则输电线上损失的功率下列表达式正确的是()A. B.CI2R DI(U1U2)解析：选BCD用P求电阻上损失的功率时，U要与电阻R相对应，选项A中的U1是输出电压不是输电线上的电压，故选项A是错误的。选项B中的U1U2是输电线上的电压，因此，选项B是正确的。选项C、D中的电流I是输电线中的电流，故选项C、D都是正确的。4输电线的电阻共计为r，输送的电功率为P，用电压U送电，则用户能得到的电功率为()AP BPrCP D.r解析：选B用户能得到的电功率为输送的电功率与输电线上损失的热功率之差，所以P用户P2r，选项B正确。5用U1和U2两种电压通过相同长度和材料的导线输电，若输送的电功率相等，在输电导线上损失的电功率也相同，则在两种情况下输电导线截面积之比S1S2为()A. B.C.2 D.2解析：选C由输送的电功率PIU，损失的电功率PI2R，得PR。由题意知，R1R2，由此得，因为R，所以。6远距离输电线路的示意图如图1所示，若发电机的输出电压不变，则下列叙述中正确的是()图1A升压变压器的原线圈中的电流与用户用电设备消耗的功率无关B输电线中的电流只由升压变压器原、副线圈的匝数比决定C当用户用电器的总电阻减少时，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解析：选C变压器的输入功率、输入电流的大小是由次级负载消耗的功率大小决定的，选项A、B错误；用户用电器总电阻减少，根据P，消耗功率增大，输电线中电流增大，线路损失功率增大，C项正确；升压变压器的输出电压等于输电线路电阻上损失的电压加上降压变压器的输入电压，D项错误。7把功率为220 kW的电能用铝导线(铝的电阻率2.7108 m)输送到10 km外的地方，要使功率损失不超过输送功率的10%。(1)如果采用220 V的电压输电，导线的横截面积至少要多大？采用这样的导线切合实际吗？(2)若采用110 kV的电压输电，导线的横截面积是多大？(3)对于同种输电导线，若分别采用110 kV和220 V输电，损失的功率之比是多少？解析：(1)如果采用220 V的电压输电，则通过导线的电流I A103 A。由于功率损失P10%P022 kW22103 W，且PI2R，因此导线的电阻R 0.022 。根据R可得，导线的横截面积S m22.46102 m2。所以，导线横截面的半径r8.85 cm。由上述计算可知，采用这样粗的导线是不切实际的。(2)若采用110 kV的电压输电，则通过导线的电流I A2 A。同理，可计算出导线横截面的半径r0.02 cm。(3)对于同种输电导线，若分别采用110 kV和220 V输电，损失的功率之比为2。答案：见解析8(多选)某小型水电站的电能输送示意图如图2所示，发电机通过升压变压器T1和降压变压器T2向用户供电。已知输电线的总电阻为R，降压变压器T2的原、副线圈匝数之比为41，降压变压器副线圈两端交变电压u220sin 100t V，降压变压器的副线圈与阻值R011 的电阻组成闭合电路。若将变压器视为理想变压器，则下列说法中正确的是()图2A通过R0电流的有效值是20 AB降压变压器T2原、副线圈的电压之比为41C升压变压器T1的输出电压等于降压变压器T2的输入电压D升压变压器T1的输出功率等于降压变压器T2的输入功率解析：选ABT2副线圈两端交流电压u220sin 100t V，电压有效值为220 V，则通过R0的电流有效值I A20 A，A项正确；由原、副线圈电压与匝数的关系知B项正确；由于输电线有电阻，所以升压变压器T1的输出电压和输出功率大于降压变压器T2的输入电压和输入功率，C、D两项均错。9(多选)某小型水电站的电能输送示意图如图3所示，发电机的输出电压为200 V，输电线总电阻为r，升压变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2，降压变压器原、副线圈匝数分别为n3、n4(变压器均为理想变压器)。要使额定电压为220 V的用电器正常工作，则()图3A.B.C升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压D升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率解析：选AD由于输电线上的功率损耗，故升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率，P出P损P入，故D正确。，因为U1200 VU4220 V，U2U3U2U线，故，选项A正确。10某小型发电站的发电机输出交流电压为500 V，输出电功率为50 kW，如果用电阻为3 的输电线向远处用户送电，这时用户获得的电压和电功率是多少？若要求输电线上损失的电功率是输电功率的0.6%，则发电站要安装一个升压变压器，到达用户前再用降压变压器变为220 V供用户使用，不考虑变压器的能量损失，这两个变压器原、副线圈的匝数比各是多少？解析：用500 V电压送电时示意图如图甲所示，输电功率为50 kW时输电线上的电流甲I0 A100 A。用户获得电压U1U0I0R(5001003) V200 V，因此用户获得的功率P1I0U12104 W。改用高压输送时，示意图如图乙所示。要求P损0.6%P，即P损501030.6% W300 W。乙输电电