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文本内容:
5 电能的输送[学习目标]
1.理解输电线上电能的损失与哪些因素有关.
2.理解减小电能损失的两个途径以及高压输电的原理.
3.知道远距离输电的典型电路,并能利用变压器和电路的规律解决实际问题.
一、降低输电损耗的两个途径1.输送电能的基本要求1可靠保证供电线路可靠地工作,少有故障.2保质保证电能的质量——电压和频率稳定.3经济输电线路建造和运行的费用低,电能损耗小.2.输电线上的功率损失ΔP=I2r,I为输电电流,r为输电线的电阻.3.降低输电损耗的两个途径1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.2减小输电线中的电流为减小输电电流,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、电网供电1.远距离输电的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,获得最大的经济效益.2减小断电的风险,调节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.[即学即用]1.判断下列说法的正误.1输电线上电功率的损失,与输电线的电阻成正比,与输电线电流的平方成正比. √ 2由P=可知,输电电压越小,输电线上电功率的损失就越小. × 3使用变压器进行远距离输电,用户得到的电压可以高于发电机输出的电压. √ 4远距离输电时,若升压变压器匝数比为1∶n,降压变压器匝数比为n∶1,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.输电线的总电阻为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________.答案 U22∶U12
一、降低输电损耗的两个途径[导学探究] 如图1所示,假定发电厂输出的电压为U,输送功率为P,输电线路中的电流是I,两条导线的总电阻是r在图中把导线电阻集中画为r.那么图11用户两端的电压是多大?2用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗?3输电线上功率损失的原因是什么?功率损失的表达式是什么?降低功率损耗有哪些途径?答案 1U′=U-ΔU=U-r.2不相等,由能量守恒知,发电厂输出的电能等于用户得到的电能与输电线上损失的电能之和.3由于输电线有电阻,当有电流流过输电线时,有一部分电能转化为电热而损失掉了,这是输电线上功率损失的主要原因.功率损失表达式ΔP=I2r=r,所以降低功率损耗的两个途径为
①减小输电线的电阻r;
②减小输电电流I,即提高输送电压U.[知识深化]1.输电线上的电压损失ΔU=U-U′=Ir=r.2.输电线上的功率损失1ΔP=I2r,其中I为输电线上的电流.2ΔP=ΔU·I或ΔP=,其中ΔU为输电线上的电压损失.3.减少电压损失和功率损失的方法1减小输电线的电阻r,根据r=ρ,可减小电阻率ρ,目前一般用电阻率较小的铜或铝作为导线材料;也可增大导线的横截面积S,但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.2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,输送电流可减为原来的,输电线上的功率损耗将降为原来的.例1 三峡电站某机组输出的电功率为50万千瓦.1若输出的电压为20万伏,则输电线上的电流为多少?2在1情况下,某处与电站间每根输电线的电阻为10欧,则输电线上损失的功率为多少?它占输出功率的几分之几?3若将电压升高至50万伏,输电线上的电流为多少?输电线上损失的功率又为多少?它占输出功率的几分之几?答案 12500A
21.25×108W 31000A 2×107W 解析 1由P=UI得I===2500A2输电线上损失的功率ΔP=I2·2r=25002×2×10W=
1.25×108W损失功率与输出功率之比为==3将电压升高至50万伏时,I′===1000A输电线上损失的功率ΔP′=I′2·2r=10002×2×10W=2×107W损失功率与输出功率之比为==.例2 多选发电厂发电机的输出电压为U1,发电厂至学校的输电线总电阻为R线,通过输电线的电流为I,学校输入电压为U2,下列计算输电线功率损耗的式子中,正确的是 A.B.C.I2R线D.IU1-U2答案 BCD解析 输电线功率损耗P损=I2R线==IU线,其中U线=U1-U2,故B、C、D正确.P损=I2r==ΔU·I.式中必须注意,ΔU为输电线路上的电压损失,而不是输电电压.
二、远距离高压输电电路中的各种关系[导学探究] 某发电站向远处送电的示意图如图2所示,其中各部分的物理量已在图上标注,在这个电路中包括三个回路.图21结合闭合电路的知识,分别分析三个回路中各物理量之间的关系发电机内阻、n
1、n
2、n
3、n4线圈的电阻均忽略不计.2若两个变压器均为理想变压器,则每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系?答案 1第一个回路P1=U1I1第二个回路U2=ΔU+U3,P2=ΔP+P3=I线2R+P3第三个回路P4=U4I42=、=、P1=P2;=、=、P3=P
4.[知识深化]解决远距离输电问题时,需要画输电的电路图,理清三个回路,抓住两个联系,掌握一个定律.1.画图、理清三个回路如图3所示图32.抓住两个联系1理想升压变压器联系回路1和回路2即=,I1n1=I2n2,P1=P
2.2理想降压变压器联系回路2和回路3即=,I3n3=I4n4,P3=P
4.3.掌握一个定律根据能量守恒定律得P2=ΔP+P
3.例3 如图4所示,发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到用户升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器,若发电机的输出功率是100kW,输出电压是250V,升压变压器的原、副线圈的匝数比为1∶25,图41求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流;2若输电导线中的电功率损失为输入功率的4%,求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压.答案 16250V 16A
215.625Ω 6000V解析 1对升压变压器,据公式=,有U2=U1=×250V=6250VI2===A=16A2P损=I22R线,P损=
0.04P1所以R线==
15.625Ω因为ΔU=U2-U3=I2R线所以U3=U2-I2R线=6000V.1.输电线上功率损失的计算夏天由于用电器的增多,每年夏天都会出现“用电荒”,只好拉闸限电.若某发电站在供电过程中,用电高峰时输电的功率是正常供电的2倍,输电线电阻不变,下列说法正确的是 A.若输送电压不变,则用电高峰时输电电流为正常供电时的2倍B.若输送电压不变,则用电高峰时输电线上损失的功率为正常供电时的2倍C.若用电高峰时的输送电压变为正常供电的2倍,则此时输电电流为正常供电时的4倍D.若用电高峰时的输送电压变为正常供电的2倍,则此时输电线损失的功率为正常供电时的4倍答案 A解析 高压输电时P=UI,I是输送电路上的电流.用电高峰时,若输送电压不变,则I为正常时的2倍,A正确;输电线上损失的功率ΔP=I2R线,则损失功率变为正常时的4倍,B错误;用电高峰时,若输送电压加倍,则I不变,与正常时相同,C错误;由ΔP=I2R线,知损失的功率不变,D错误.2.输电线上功率损失的计算多选在如图5所示的远距离输电电路图中,升压变压器和降压变压器均为理想变压器,发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变,随着发电厂输出功率的增大,下列说法中正确的有 图5A.升压变压器的输出电压增大B.降压变压器的输出电压增大C.输电线上损耗的功率增大D.输电线上损耗的功率占总功率的比例增大答案 CD解析 发电厂的输出电压不变,升压变压器的输入电压不变,输出电压不变,选项A错误;随着发电厂输出功率的增大,输电线中电流增大,输电线上损失的电压ΔU=IR增大,降压变压器的输入电压减小,降压变压器的输出电压减小,选项B错误;随着发电厂输出功率的增大,输电线中电流增大,输电线上损耗的功率ΔP=I2R增大,选项C正确;输电线上损耗的功率ΔP=I2R=2R,输电线上损耗的功率占总功率的比例=P输,增大,选项D正确.3.远距离高压输电的分析与计算如图6所示为远距离交流输电的简化电路图.发电厂的输出电压是U,用等效总电阻是r的两条输电线输电,输电线路中的电流是I1,其末端间的电压为U
1.在输电线与用户间连有一理想变压器,流入用户端的电流是I
2.则 图6A.用户端的电压为B.输电线上的电压降为UC.理想变压器的输入功率为I12rD.输电线路上损失的电功率为I1U答案 A解析 根据理想变压器的工作原理,得I1U1=I2U2,所以用户端的电压U2=,选项A正确;输电线上的电压降U′=I1r=U-U1,选项B错误;变压器的输入功率P1=I1U-I12r=I1U1,选项C错误;输电线路上损失的电功率P′=I12r=I1U-U1,选项D错误.4.远距离高压输电的分析与计算多选如图7为远距离输电示意图,发电机的输出电压U1和输电线的总电阻r、理想变压器匝数均不变,且n1∶n2=n4∶n
3.当用户用电器的总电阻减小时 图7A.U1∶U2=U4∶U3B.用户的电压U4增加C.输电线上的损失功率增大D.用户消耗的功率等于发电机的输出功率答案 AC解析 根据=,=以及n1∶n2=n4∶n3,知U1∶U2=U4∶U3,故A正确.用户用电器总电阻减小,则电流增大,所以输电线上的电流增大,根据P损=I2r知,输电线上损耗的功率增大,根据ΔU=Ir知,输电线上的电压损失变大,发电机的输出电压不变,则升压变压器的输出电压不变,降压变压器的输入电压变小,用户的电压U4减小,故B错误,C正确.用户消耗的功率等于发电机的输出功率与输电线上损失的功率之差,故D错误.5.远距离高压输电的分析与计算一小型发电站通过升压、降压变压器把电能输给用户,已知发电机的输出功率为500kW,路端电压为500V,升压变压器原、副线圈的匝数比为1∶5,两变压器间输电线的总电阻为
1.5Ω,降压变压器的输出电压为220V,不计变压器能量损耗,求1升压变压器的副线圈两端电压;2输电导线上的功率损失;3降压变压器原、副线圈的匝数比;4用户得到的功率.答案 12500V 260kW 310∶1 4440kW解析 输电线路原理图如图所示1升压变压器的副线圈两端电压U2==2500V.2输电导线上的电流I2===200A输电导线上的功率损失P损=I22r线=60kW3输电导线上的电压ΔU=I2r线=300V降压变压器原线圈的电压U3=U2-ΔU=2200V,降压变压器原、副线圈的匝数比为==10∶14用户得到的功率P用=P1-P损=440kW。