第四節(jié)　遠(yuǎn)距離輸電[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)科學(xué)思維了解輸電線上的功率損耗與何種因素有關(guān)及降低功率損耗的措施。知道高壓輸電的原因；會(huì)利用變壓器的規(guī)律和能量守恒的觀點(diǎn)對(duì)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)距離輸電進(jìn)行定性分析和計(jì)算物理觀念了解高壓交流和高壓直流輸電的優(yōu)缺點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)一　遠(yuǎn)距離輸電中的電功率和電壓損耗1．兩種損失比較。兩種損失主要原因大小表示減小辦法電功率損失輸電線有電阻產(chǎn)生焦耳熱ΔP＝I2R減小R減小I電壓損失輸電線電阻的電壓降ΔU＝IR2．降低兩種損失的途徑——高壓輸電。輸送一定功率電能，輸電電壓越高，輸電線中電流越小，導(dǎo)線因發(fā)熱而損耗的電能越少，線路上電壓的損失也越少。知識(shí)點(diǎn)二　高壓交流輸電1．降低輸電損耗的途徑。(1)減小輸電線的電阻：在輸電距離一定的情況下，為減小電阻，應(yīng)當(dāng)選用電阻率小的金屬材料，還要盡可能增加導(dǎo)線的橫截面積。(2)減小輸電線中的電流：為了減小輸電電流，同時(shí)又要保證向用戶提供一定的電功率，就要提高輸電電壓。2．輸電線路。遠(yuǎn)距離輸送電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)：如圖所示(輸出功率為P，輸出電壓為U)。3．功率損耗。輸電導(dǎo)線損失的電功率：由P損＝IR線可推得P損＝R線。4．兩個(gè)關(guān)系。功率關(guān)系：P入＝P線＋P用。電壓關(guān)系：U2＝U線＋U3。知識(shí)點(diǎn)三　直流輸出1．采用高壓直流輸電的原因。當(dāng)交流輸電功率很大時(shí)，導(dǎo)線的電感、電容引起的電壓及電能損失很大；同一電網(wǎng)供電的發(fā)電機(jī)需同步運(yùn)行，技術(shù)上也存在困難。2．高壓直流輸電系統(tǒng)的工作程序：交變電流升壓后輸送到整流器，把高壓交變電流變換成高壓直流電流，經(jīng)由高壓直流線路輸送到用電地區(qū)后，逆變器將高壓直流電流變換成高壓交變電流，再經(jīng)降壓變壓器降壓。3．高壓直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。(1)不存在感抗和容抗引起的損耗。(2)節(jié)省材料，輸電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小。(3)不需要考慮電網(wǎng)中的各發(fā)電機(jī)的同步運(yùn)行問(wèn)題。1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)為了減少能量損失，要高壓輸電，而且越高越好。 (×)(2)輸送功率一定時(shí)，提高輸送電壓，可以減少功率損失。 (√)(3)電壓損失ΔU＝IR線和電功率損失ΔP＝I2R線中I可以通過(guò)I＝ 求得。 (√)(4)負(fù)載越多，即用電高峰期，ΔU、ΔP也越大。 (√)(5)高壓直流輸電與高壓交流輸電的區(qū)別在于輸送環(huán)節(jié)。 (√)2．中央電視臺(tái)《焦點(diǎn)訪談》多次報(bào)道某些邊遠(yuǎn)落后農(nóng)村電價(jià)過(guò)高，農(nóng)民負(fù)擔(dān)過(guò)重，其中客觀原因是電網(wǎng)陳舊老化。近來(lái)進(jìn)行農(nóng)村電網(wǎng)改造，為減少遠(yuǎn)距離輸電的損耗而降低電費(fèi)價(jià)格，可采取的措施有(　　)A．提高輸送功率B．減小輸電導(dǎo)線的長(zhǎng)度C．提高輸電的電壓D．減小輸電導(dǎo)線的橫截面積C　[為減少遠(yuǎn)距離輸電的損耗，可以提高輸電的電壓，故C項(xiàng)正確；提高輸送功率不能減少遠(yuǎn)距離輸電的損耗，減小輸電導(dǎo)線的長(zhǎng)度的方法不可取，減小輸電導(dǎo)線的橫截面積反而會(huì)增大損耗，故A、B、D錯(cuò)誤。]3．輸電線的電阻共計(jì)為r，輸送的電功率為P，用電壓U送電，則用戶能得到的電功率為(　　)A．P B．P－ rC．P－ D． rB　[輸電電流I＝，輸電線上損耗功率為ΔP＝I2r＝r，用戶得到功率為P用＝P－ΔP＝P－I2r＝P－r，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。] 考點(diǎn)1　輸電線上電壓和功率損失的計(jì)算如圖所示的輸電線路，為什么在用電高峰期家中的白熾燈燈光較暗？怎樣才能減小導(dǎo)線上損失的電壓呢？[提示]　用電高峰期高壓輸電線和變壓器到家庭的輸電線中電流較大，有較大的電壓損失，因此加在白熾燈上的電壓變低，達(dá)不到額定功率，因此白熾燈燈光較暗；為減小導(dǎo)線上損失的電壓可減小輸電線電阻，提高輸電電壓。1．功率損失的原因。在電能輸送過(guò)程中，電流流過(guò)輸電線時(shí)，因輸電線有電阻而發(fā)熱，電能必有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而損失掉。2．若輸電線的電阻為R線，輸電電流為I，輸電線始端和末端的電壓分別為U和U′，則：(1)電壓損失ΔU＝U－U′＝IR線；(2)功率損失ΔP＝I2R線＝IΔU＝。3．若輸電功率P不變，輸電電壓提高到nU，可使輸電電流減小到，則：(1)電壓損失減小到；(2)功率損失減小到。【典例1】　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)小型發(fā)電站，輸送的電功率P＝500 kW，當(dāng)使用U＝5 kV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4 800 kW·h。求：(1)輸電效率η和輸電線的總電阻r。(2)若想使輸電效率提高到98%，又不改變輸電線，那么發(fā)電站應(yīng)使用多高的電壓向外輸電？[思路點(diǎn)撥]　輸電線上損失的功率為P損＝I2r，輸電功率P＝UI，要提高輸電效率，就要提高輸電電壓。[解析]　(1)輸送功率P＝500 kW，一晝夜輸送電能E＝Pt＝12 000 kW·h，輸電線上損失的電能ΔE＝4 800 kW·h，終點(diǎn)得到的電能E′＝E－ΔE＝7 200 kW·h，所以輸電效率η＝×100%＝60%，輸電線上的電流I＝＝100 A，輸電線上損耗的功率Pr＝＝200 kW，輸電線的電阻r＝＝20 Ω。(2)Pr＝r，要求輸電線上損耗的功率Pr′＝2%P＝10 kW，輸電電壓應(yīng)調(diào)節(jié)為U′＝P＝22.4 kV。[答案]　(1)60%　20 Ω　(2)22.4 kV計(jì)算輸電線上功率損失的兩種方法計(jì)算輸電線上損失的功率時(shí)，要注意區(qū)分兩個(gè)電壓：輸電電壓(輸電線始端的電壓)U和輸電線上的損失電壓ΔU。(1)P損＝ΔUI＝，ΔU是輸電線兩端的電壓，即輸電線上損失的電壓。(2)P損＝R線，U是指輸送電壓，即從發(fā)電站發(fā)出后，經(jīng)過(guò)變壓器升高后的電壓。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．下列關(guān)于減小遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)線上熱損耗的說(shuō)法中，正確的是(　　)A．因?yàn)闊峁β?/span>P＝，所以應(yīng)降低輸送的電壓，增大輸電導(dǎo)線的電阻，才能減小輸電導(dǎo)線上的熱損耗B．因?yàn)闊峁β?/span>P＝IU，所以應(yīng)采用低電壓、小電流輸電，才能減小輸電導(dǎo)線上的熱損耗C．因?yàn)闊峁β?/span>P＝I2R，所以可采用減小輸電線電阻或減小輸送電流的方法來(lái)減小輸電導(dǎo)線上的熱損耗D．以上說(shuō)法均不正確C　[不能盲目看公式，要注意其物理意義的表達(dá)，在求熱損耗時(shí)：P損＝IR線或用P損＝U線I線，也可用P損＝，但U必須為輸電線兩端的電壓(即損失電壓)。故選C。] 考點(diǎn)2　高壓輸電線路的分析與計(jì)算我們?nèi)粘Ｉ铍x不開(kāi)電，電是由發(fā)電廠產(chǎn)生的。為了合理地利用自然資源，火力發(fā)電廠通常建在煤礦附近，水電站建在水力資源豐富的河流上，但用電的地方可能距離很遠(yuǎn)，需要將電能安全、保質(zhì)地由發(fā)電廠送往遠(yuǎn)方，同時(shí)又不能浪費(fèi)太多的電能?；鹆Πl(fā)電廠或水電站發(fā)出的電壓一定很高嗎？怎樣才能提高輸送電壓？用戶消耗的電功率和電廠發(fā)出的電功率相等嗎？[提示]　電廠發(fā)出的電壓最大值由公式Em＝NBSω決定，因機(jī)械制造等因素，電壓不會(huì)很高，通常借助變壓器將低電壓變?yōu)楦唠妷?。用戶消耗的電功率和電廠發(fā)出的電功率不相等，因?yàn)樵陔娔艿妮斔途€路上有電阻要消耗部分電功率，所以電廠發(fā)出的電功率大于用戶獲取的電功率。1．遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題的分析方法。處理遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題的關(guān)鍵是抓住一圖三關(guān)系，一圖即輸電的電路圖，三關(guān)系即：功率關(guān)系、電壓關(guān)系和電流關(guān)系，抓住一圖三關(guān)系，按照從前到后或從后向前的順序，即可找到突破口。2．遠(yuǎn)距離輸電電路圖。3．基本關(guān)系式。(1)功率關(guān)系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝ΔP＋P3。(2)電壓、電流關(guān)系：＝＝，＝＝，U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I線。(3)輸電電流：I線＝＝＝。(4)輸電線上損耗的電功率：ΔP＝I線ΔU＝IR線＝R線。【典例2】　如圖所示，某小型水電站發(fā)電機(jī)的輸出功率為10 kW，輸出電壓為400 V，向距離較遠(yuǎn)的用戶供電，為了減少電能損失，使用2 kV高壓輸電，最后用戶得到220 V、9.5 kW的電力，求：(1)水電站升壓變壓器的原、副線圈匝數(shù)比；(2)輸電線路導(dǎo)線電阻R；(3)降壓變壓器的原、副線圈匝數(shù)比。[解析]　已知輸電功率為10 kW，而用戶得到的功率為9.5 kW，所以損失的功率為0.5 kW，等于導(dǎo)線的電阻與輸電電流的平方之積。(1)升壓變壓器的原、副線圈匝數(shù)比＝＝＝。(2)由P損＝IR可知，輸電線上損失的功率和導(dǎo)線電阻R及輸電電流有關(guān)，而輸電電流又取決于輸電電壓及輸電功率，則有I2＝，所以R＝＝＝ Ω＝20 Ω。(3)降壓變壓器原線圈上的電壓U3＝U2－I2R＝U2－R＝(2 000－×20)V＝1 900 V，所以降壓變壓器的原、副線圈匝數(shù)比＝＝。[答案]　(1)　(2)20 Ω　(3)遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題的分析方法(1)正確畫出輸電過(guò)程示意圖并在圖上標(biāo)出各物理量。(2)抓住變壓器變壓前后各量間關(guān)系，求出輸電線上的電流。(3)計(jì)算電路功率問(wèn)題時(shí)常用關(guān)系式：P損＝IR線，注意輸電線上的功率損失和電壓損失。(4)電網(wǎng)送電遵循“用多少給多少”的原則，說(shuō)明原線圈電流由副線圈電流決定。[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．圖甲所示為遠(yuǎn)距離輸電示意圖，變壓器均為理想變壓器，升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比為1∶100，其輸入電壓如圖乙所示，遠(yuǎn)距離輸電線的總電阻為50 Ω。降壓變壓器右側(cè)部分為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)原理圖，其中R1為一定值電阻，R2為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，當(dāng)溫度升高時(shí)其阻值變小，電壓表V可以顯示加在報(bào)警器兩端的電壓(報(bào)警器未畫出)。未出現(xiàn)火警時(shí)，升壓變壓器的輸入功率為660 kW。下列說(shuō)法正確的是(　　)甲　　　　　　　　　　　乙A．0.01 s時(shí)刻，電壓表的示數(shù)是0 VB．未出現(xiàn)火警時(shí)，遠(yuǎn)距離輸電線路損耗的功率為45 kWC．當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火警時(shí)，電壓表V的示數(shù)變大D．當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火警時(shí)，輸電線上的電流變小B　[電壓表測(cè)量的為交流電的有效值，故不為零，故A錯(cuò)誤；升壓變壓器輸入端電壓有效值為220 V，根據(jù)電壓與匝數(shù)成正比知，副線圈兩端電壓為22 000 V，所以輸電線中的電流I＝＝ A＝30 A，輸電線損失的電壓ΔU＝IR＝30×50 V＝1 500 V，輸電線路損耗功率ΔP＝ΔUI＝1 500×30 W＝45 kW，故B正確；當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火警時(shí)其阻值減小，副線圈中電流增大，定值電阻的分壓增大，所以電壓表V的示數(shù)減小，故C錯(cuò)誤；當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火警時(shí)，副線圈電流增大，可知輸電線上的電流增大，故D錯(cuò)誤。]1．關(guān)于電能輸送的以下分析，正確的是(　　)A．由公式P＝知，輸電電壓越高，輸電線上功率損失越少B．由公式P＝知，輸電導(dǎo)線電阻越大，輸電線上功率損失越少C．由公式P＝I2R知，輸電電流越大，輸電導(dǎo)線上功率損失越大D．由公式P＝UI知，輸電導(dǎo)線上的功率損失與電流成正比C　[輸電線上損失的功率P損＝I2R線＝，U損指輸電線上的分壓，而不是輸電電壓，選項(xiàng)C正確。]2．500千伏超高壓輸電是我國(guó)目前正在實(shí)施的一項(xiàng)重大工程，我省超高壓輸電工程正在緊張建設(shè)之中。若輸送功率為3 200萬(wàn)千瓦，原來(lái)采用200千伏輸電，由于輸電線有電阻而損失的電功率為P損，則采用500千伏超高壓輸電后，在輸電線上損失的電功率為(設(shè)輸電線的電阻未變)(　　)A．0.4P損　　　　　　 B．0.16P損C．2.5P損 D．6.25P損B　[根據(jù)P損＝r可知：當(dāng)輸電電壓由200 kV升高到500 kV時(shí)，其線路損耗由P損減小到0.16P損，選項(xiàng)B正確。]3．(多選)發(fā)電廠發(fā)電機(jī)輸出電壓為U1，發(fā)電廠到學(xué)校的輸電導(dǎo)線總電阻為R，通過(guò)導(dǎo)線的電流為I，學(xué)校得到的電壓為U2，則輸電線上的損耗的電功率可表示為(　　)A． B．C．I2R D．I(U1－U2)BCD　[輸電線上的電壓損失為U1－U2，即電阻R兩端的電壓為U1－U2，故其消耗的電功率為；流過(guò)導(dǎo)線中的電流為I，即流過(guò)電阻R的電流為I，故其消耗的電功率還可表示為I2R和I(U1－U2)，綜上所述，選項(xiàng)B、C、D正確。]4．圖甲是高壓輸電的示意圖，升壓變壓器的原線圈的輸入電壓U1＝240 V，輸入電流i隨時(shí)間t變化的正弦規(guī)律如圖乙所示。已知輸電線的總電阻R＝10 Ω，通過(guò)輸電線的電流I＝10 A，且變壓器均為理想變壓器，則(　　)甲　　　　　　　　　乙A．升壓變壓器的原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝1∶20B．升壓變壓器的原、副線圈兩端的電壓比U1∶U2＝1∶20C．降壓變壓器的原線圈的輸入功率P3＝47 000 WD．降壓變壓器的原線圈的輸入功率P3＝48 000 WC　[根據(jù)n1I1＝n2I2及圖像可得n1∶n2＝1∶20，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)＝可知選項(xiàng)B錯(cuò)誤；升壓變壓器的原線圈的輸入功率P1＝U1I1＝48 000 W，則降壓變壓器的原線圈的輸入功率P3＝P1－I2R＝47 000 W，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。]5．風(fēng)力發(fā)電作為新型環(huán)保新能源，近幾年來(lái)得到了快速發(fā)展，如圖所示風(fēng)車陣中發(fā)電機(jī)輸出功率為100 kW，輸出電壓是250 V，用戶需要的電壓是220 V，輸電線電阻為10 Ω。若輸電線因發(fā)熱而損失的功率為輸送功率的4%，試求：(1)在輸電線路中設(shè)置的升、降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比；(2)畫出此輸電線路的示意圖；(3)用戶得到的電功率是多少。[解析]　由(1)P損＝IR線，得I2＝＝  A＝20 A，由P＝U2I2，得U2＝＝ V＝5 000 V，升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比 ＝＝＝，U3＝U2－U損＝U2－I2R線＝4 800 V，降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比 ＝＝＝。(2)如圖所示。(3)用戶得到的電功率即降壓變壓器的輸出功率，為P用＝P－P損＝P(1－4%)＝100×96% kW＝96 kW。[答案]　(1)1∶20　240∶11　(2)見(jiàn)解析圖　(3)96 kW  

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第四節(jié) 遠(yuǎn)距離輸電

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