2018版高中物理 第4章 遠(yuǎn)距離輸電 4.3 電能的遠(yuǎn)距離傳輸學(xué)案 魯科版選修3-2.docx

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第3講　電能的遠(yuǎn)距離傳輸 [目標(biāo)定位]　1.了解遠(yuǎn)距離輸電線上的能量損失與哪些因素有關(guān).2.應(yīng)用理想變壓器、電路知識(shí)對(duì)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)距離輸電線路進(jìn)行定量計(jì)算.3.了解交變電流從變電站到用戶的輸電過(guò)程及電網(wǎng)設(shè)計(jì).4.了解高壓直流輸電的原理． 一、為什么要采用高壓輸電 1．電功率損失 (1)損失的電功率P＝I2R，即在輸電線上因發(fā)熱而損耗的電功率與電阻成正比，與電流的二次方成正比． (2)在輸送電功率不變的前提下，要減少電功率損失，只能采取減小導(dǎo)線中電流的方法． 2．電壓損失：在輸送電功率不變的前提下，要減少電壓損失，只能采取減小輸電電流的方法，或減小輸電線電阻的方法． 3．高壓輸電：由P＝UI知，在保證P不變的情況下，必須提高輸送電壓U，才能減小電流I. 二、高壓交流輸電 1．遠(yuǎn)距離輸電的基本思路．如圖1所示． 在發(fā)電站內(nèi)用升壓變壓器升高電壓．然后進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，在用電區(qū)域通過(guò)降壓變壓器降壓． 圖1 2．電網(wǎng) 通過(guò)網(wǎng)狀的輸電線、變電站，將許多電廠和廣大用戶連接起來(lái)，形成全國(guó)性或地區(qū)性的輸電網(wǎng)絡(luò)． 3．電網(wǎng)送電的優(yōu)點(diǎn) (1)降低一次能源的運(yùn)輸成本，獲得最大經(jīng)濟(jì)效益． (2)合理地調(diào)度電力，使電力的供應(yīng)更加可靠，質(zhì)量更高． 三、高壓直流輸電 直流輸電系統(tǒng)只在輸電這個(gè)環(huán)節(jié)是直流，發(fā)電和用電環(huán)節(jié)仍是交流；輸電過(guò)程中只用兩根導(dǎo)線．整流器和逆變器可以實(shí)現(xiàn)交流電和直流電的轉(zhuǎn)換. 一、降低輸電損耗的兩個(gè)途徑 1．輸電導(dǎo)線上的功率損失 (1)損失功率計(jì)算：設(shè)輸電電流為I，輸電線電阻為R線，則輸電線上的功率損失為ΔP＝I2R線． (2)減小輸電線上功率損失的方法： ①減小輸電線的電阻R線：由R線＝ρ得，要減小R線，在l保持不變的情況下，可以減小ρ，增大S. ②減小輸電電流I：由P＝UI得，在輸送功率一定的情況下，提高輸電電壓，即可減小輸電電流． 采用高壓輸電是減小輸電線上功率損失最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施． 2．輸電線上的電壓損失 (1)輸電線路始端電壓U跟末端電壓U′的差值，稱為輸電線路上的電壓損失，ΔU＝U－U′，如圖2所示，電壓損失還可以表示為ΔU＝IR線＝R線． 圖2 (2)減少輸電線上電壓損失的方法： ①減小輸電線的電阻． ②提高輸送電壓． 例1　遠(yuǎn)距離輸送一定功率的交變電流，若輸電電壓升高為原來(lái)的n倍，關(guān)于輸電線上的電壓損失和功率損失正確的是(不考慮電抗產(chǎn)生的損失)(　　) A．功率損失是原來(lái)的B．功率損失是原來(lái)的 C．電壓損失是原來(lái)的D．電壓損失是原來(lái)的n倍 答案　BC 解析　設(shè)輸電電壓為U，所輸送的功率為P，輸電線路總電阻為R線，則輸電電流I線＝，線路的功率損失ΔP＝IR線＝，可知ΔP∝，當(dāng)輸電電壓U升高為原來(lái)的n倍時(shí)，功率損失變?yōu)樵瓉?lái)的，故選項(xiàng)B正確；線路上的電壓損失ΔU＝I線R線＝，可知ΔU∝，當(dāng)輸電電壓升高為原來(lái)的n倍時(shí)，電壓損失變?yōu)樵瓉?lái)的，故選項(xiàng)C正確． 針對(duì)訓(xùn)練　發(fā)電廠發(fā)電機(jī)的輸出電壓為U1，發(fā)電廠至學(xué)校的輸電線總電阻為R線，通過(guò)導(dǎo)線的電流為I，學(xué)校輸入電壓為U2，下列計(jì)算輸電線功率損耗的式子中，正確的是(　　) A.　　　　　　　　B. C．I2R線 D．I(U1－U2) 答案　BCD 解析　輸電線功率損耗P損＝I2R線＝＝IU線，其中U線＝U1－U2，故B、C、D正確． 二、遠(yuǎn)距離輸電及基本關(guān)系 1．輸電線路的構(gòu)成 由發(fā)電機(jī)、升壓變壓器、輸電導(dǎo)線、降壓變壓器、用電器構(gòu)成． 2．遠(yuǎn)距離輸電的基本關(guān)系(如圖3所示) 圖3 (1)功率關(guān)系 P1＝P2，P3＝P4，P2＝ΔP＋P3→能量守恒 (2)電壓、電流關(guān)系 ＝＝，＝＝→理想變壓器 U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I線→串聯(lián)電路中電壓、電流關(guān)系 (3)輸電導(dǎo)線中電流：I線＝＝＝. (4)輸電導(dǎo)線上損耗的電功率： ΔP＝ΔUI線＝IR線＝2R線． 3．特別強(qiáng)調(diào) (1)升壓變壓器副線圈的電壓U2不等于降壓變壓器原線圈的電壓U3，輸電線上的電壓損失ΔU＝I線R線，輸電線上的功率損耗ΔP＝IR線． (2)計(jì)算輸電線的電阻時(shí)，應(yīng)注意輸電線長(zhǎng)度為距離的兩倍． (3)處理遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題． 首先要畫出輸電線路示意圖，并將已知量和待求量寫在電路圖的相應(yīng)位置； 其次解題時(shí)要抓“兩頭”——電源、用電器．要注意“中間兩條線”——輸電線，以變壓器為界將整個(gè)輸電電路劃分為三個(gè)獨(dú)立的回路．以變壓器為聯(lián)系的紐帶將“兩頭”與中間“輸電線”聯(lián)系起來(lái)，利用能量守恒、變壓比、變流比等規(guī)律進(jìn)行分析與計(jì)算． 例2　發(fā)電機(jī)兩端電壓為220V，輸出功率44kW，輸電導(dǎo)線的總電阻為0.2Ω，如果用原、副線圈匝數(shù)之比為1∶10的升壓變壓器升壓，經(jīng)輸電線后，再用原、副線圈匝數(shù)比為10∶1的降壓變壓器降壓供給用戶． (1)畫出全過(guò)程的線路示意圖； (2)求用戶得到的電壓和功率； (3)若不經(jīng)過(guò)變壓而直接送到用戶，求用戶得到的電壓和功率． 答案　見(jiàn)解析 解析　(1)示意圖如圖所示． (2)由圖可知，升壓變壓器副線圈兩端的輸出電壓U2＝U1＝2200V．據(jù)理想變壓器P入＝P出，則升壓變壓器副線圈的輸出電流I2＝＝A＝20A，輸電線上的功率損失和電壓損失分別為 P損＝IR線＝2020.2W＝80W. U損＝ΔU＝I2R線＝200.2V＝4V. 所以降壓變壓器原線圈的輸入電壓和電流為 U3＝U2－U損＝2200V－4V＝2196V， I3＝I2＝20A. 降壓變壓器副線圈的輸出電壓和電流為 U4＝U3＝2196V＝219.6V， I4＝I3＝1020A＝200A. 用戶得到的功率為P4＝U4I4＝219.6200W＝4.392104W. (3)若直接用220V低壓供電，電路如圖所示，則輸電電流I′＝＝A＝200A．輸電線路上的電壓損失ΔU′＝I′R線＝2000.2V＝40V. 所以用戶得到的電壓U2′＝U1－ΔU′＝220V－40V＝180V， 用戶得到的功率為P′＝U2′I′＝180200W＝3.6104W. 輸電線上損耗的問(wèn)題 1．某發(fā)電廠原來(lái)用電壓為U1的交流電輸電，后改用變壓比為1∶50的升壓器將電壓升高為U2后輸電，輸送的電功率保持不變．若輸電線路的總電阻為R線，則下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．由公式I＝可知，提高電壓后輸電線上的電流降為原來(lái)的 B．由公式I＝可知，提高電壓后輸電線上的電流增為原來(lái)的50倍 C．由公式P＝I2R線可知，提高電壓后輸電線上的功率損耗減為原來(lái)的 D．由公式P＝可知，提高電壓后輸電線上的功率損耗增大為原來(lái)的2500倍 答案　AC 解析　由＝可知，U2＝50U1，輸送功率不變，由公式I＝可知，輸電線中的電流變?yōu)樵瓉?lái)的，選項(xiàng)A正確；由P＝I2R線＝2R線可知，輸電線上的功率損耗減為原來(lái)的，C選項(xiàng)正確；B、D選項(xiàng)中的U2應(yīng)為損失的電壓，所以選項(xiàng)B、D是錯(cuò)誤的． 2．某水電站，用總電阻為2.5Ω的輸電線輸電給500km外的用戶，其輸出電功率是3106kW.現(xiàn)用500kV電壓輸電，則下列說(shuō)法正確的是(　　) A．輸電線上輸送的電流大小為2105A B．輸電線上由電阻造成的損失電壓為15kV C．若改用5kV電壓輸電，則輸電線上損失的功率為9108kW D．輸電線上損失的功率為ΔP＝，U為輸電電壓，R為輸電線的電阻 答案　B 解析　輸電線上輸送的電流為I＝＝A＝6103A，A錯(cuò)；輸電線上損失的電壓為U損＝IR＝61032.5V＝1.5104V＝15kV，B項(xiàng)正確；當(dāng)用5kV電壓輸電時(shí)，輸電線上損失的功率若超過(guò)3106kW，與實(shí)際情況相矛盾，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；當(dāng)用公式ΔP＝計(jì)算損失的功率時(shí)，U為輸電線上損失的電壓而不是輸電電壓，D項(xiàng)錯(cuò)誤． 遠(yuǎn)距離高壓輸電的應(yīng)用 3．某小型水電站的電能輸送示意圖如圖4所示，發(fā)電機(jī)的輸出電壓為200V，輸電線總電阻為r，升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2，降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n3、n4(變壓器均為理想變壓器)．要使額定電壓為220V的用電器正常工作，則(　　) 圖4 A.＞ B.＜ C．升壓變壓器的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓 D．升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率 答案　AD 解析　由于輸電線上有電阻，所以考慮到電壓損失，則有升壓變壓器的輸出電壓大于降壓變壓器的輸入電壓，根據(jù)變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系，可知要讓用電器正常工作，必須有＞，故A項(xiàng)對(duì)，B、C項(xiàng)錯(cuò)；考慮到輸電線上也有電功率的損失，可知D項(xiàng)也正確． 4．在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，要考慮盡量減少輸電線上的功率損失．有一個(gè)電站，輸送的電功率為P＝500kW，當(dāng)使用U＝5kV的電壓輸電時(shí)，測(cè)得安裝在輸電線路起點(diǎn)和終點(diǎn)處的兩只電度表一晝夜示數(shù)相差4800度．求： (1)這時(shí)的輸電效率η和輸電線的總電阻R線； (2)若想使輸電效率提高到98%，又不改變輸電線，那么電站應(yīng)使用多高的電壓向外輸電？ 答案　(1)60%　20Ω　(2)22.4kV 解析　(1)由于輸送功率為P＝500kW，一晝夜輸送電能E＝Pt＝12000度，終點(diǎn)得到的電能E′＝7200度，因此效率η＝60%.輸電線上的電流可由I＝計(jì)算，為I＝100A，而輸電線損耗功率可由P損＝I2R線計(jì)算，其中P損＝kW＝200kW，因此可求得R線＝20Ω. (2)輸電線上損耗功率P損＝2R線∝，原來(lái)P損＝2200kW，現(xiàn)在要求P損′＝10kW，計(jì)算可得輸電電壓應(yīng)調(diào)節(jié)為U′＝22.4kV.