2019年高中物理 第二章 交变电流 第七节 远距离输电讲义（含解析）粤教版选修3-2.doc

远距离输电1电能输送中线路上的功率损失PI2R线，电压损失UIR线。2减小电能损耗的方法是：采用高压输电和减小导线电阻。3高压直流输电能够减少电感和电容引起的电能损失。一、从发电站到用户的输电线路1大型发电机发出十几千伏的电压，在发电站区域通过变压器升高到几十万伏，然后进行远距离输电，当电能被输送到用电区域后，再根据不同的用电需求，用变压器将电压降低，这就是远距离输电。2实验表明：在输电导线的电阻不变的前提下，提高输电的电压，减小输电电流，可以达到减少输电过程中的功率损耗，更有效地输送电能的目的。二、为什么要采用高压输电1电功率损失：输电导线上有电阻，当电流通过时，由于电流的热效应会引起电功率的损失。可以考虑通过减小输电导线的电阻或减小输送电流来减少电功率的损失。2高压输电：减小电阻要增粗导线，增粗导线又带来两个不利：其一，耗费更多的金属材料；其二：会使导线太重，给架线带来很大困难。只有采用小电流输电才会避免上述问题，在保证输送功率不变的情况下，减小电流必须靠提升电压来实现。三、直流输电1过程发电机发出的交变电流经变压器升压后，由换流设备将交变电流变为直流，用高压直流进行远距离传输，在用户区域由换流设备将直流变为交变电流，经变压器降压送给用户。2优点消除电容、电感引起的电能损失，线路损耗小。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P0IR。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()AU1U2BUUCUU 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UU。C正确。远距离输电1远距离输电示意图图2712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P2P3IR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02 ，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URIRR202200 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URIRR20220 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U4U32192 V用户得到的功率P用户PPR4384 kW。答案(1)140 V28 kW(2)2192 V4384 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40106 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425 cm2的铜导线，把电能送到400 km远处，线路损耗的功率为50105 W。若已知铜的电阻率17108 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R17108 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U232104 V故。(2)设U2为降压变压器原线圈两端的电压，则UU2IR28104 V。答案：(1)116(2)28104 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 BCI2R 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 Dr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 BC2 D2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27108 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 0022 。根据R可得，导线的横截面积S m2246102 m2。所以，导线横截面的半径r885 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r002 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3ABC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06%，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06%P，即P损5010306% W300 W。乙输电电流I A10 A。发电站升压后输电电压U V5 000 V。升压变压器匝数比。输电线上损失的电压UIR103 V30 V。到达用户输入变压器电压U2UU(5 00030)V4 970 V。故降压变压器的匝数比。答案：见解析11某学校有一台应急备用发电机，内阻为R1 ，升压变压器的匝数比为14，降压变压器的匝数比为41，输电线的总电阻为r4 ，全校22个教室，每个教室用“220 V40 W”的灯泡6盏，要求所有灯都正常发光，则(1)输电线上损耗的电功率多大？(2)发电机的输出功率多大？(3)发电机的电动势多大？解析：(1)根据题意，画出从发电机到教室灯泡之间的输电过程，如图所示。所有灯都正常工作的总功率为P222640 W5 280 W用电器都正常工作时的总电流I2 A24 A两个变压器之间输电线上的电流IrI26 A故输电线上损耗的电功率PrIr144 W。(2)升压变压器的输出功率P1PrP25 424 W。而发电机输出功率即为升压变压器的输入功率P出P1P15 424 W。(3)降压变压器上的输入电压U24U2880 V输电线上的电压损失UrIrr24 V因此升压变压器的输出电压U1UrU2904 V升压变压器的输入电压U1226 V升压变压器的输入电流I14Ir24 A发电机的电动势EU1I1R226 V241 V250 V。答案：(1)144 W(2)5 424 W(3)250 V