高中物理选修3-2人教版学案设计 5.5《电能的输送》

电能的输送
诱学·导入·点拨
材料：“西电东送”工程是西部大开发的标志性工程，也是西部大开发的骨干工程。

“西电东送”指开发贵州、云南、广西、四川、内蒙古、山西、陕西等西部省区的电力资源，将其输送到电力紧缺的广东、上海、江苏、浙江和京、津、唐地区。

“西电东送”是国家实施西部大开发战略作出的重大决策，将把西部丰富的资源优势转化为经济优势，充分利用西部地区得天独厚的自然资源，获得西部大开发所急需的启动资金；为东部地区提供清洁、优质、可靠、廉价的电力，促进东部地区的经济发展。

问题：
（1）发电厂为什么建在贵州、云南、广西、四川、内蒙古、山西、陕西等西部省区？
（2）怎样将电能远距离地输送到电力紧缺的广东、上海、江苏、浙江和京、津、唐地区？
（3）怎样才能使输送电能的过程中确保电能的可靠、保质、经济？
导入点拨：为了合理地利用自然资源，水电站要建在水库大坝上，火电站最好建在煤矿附近，但用电的地方可能距离很远，因此常常要把电能输送到远方，这就涉及电能的输送，而在远距离电能的输送过程中又要确保电能的可靠、保质、经济，利用高压输电。

知识·巧学·升华
一、远距离输电
1.为什么要进行远距离输电？
为了合理地利用自然资源，水电站要建在水库大坝上，火电站最好建在煤矿附近，但用电的地方可能距离很远，因此常常要把电能输送到远方。

2.输送电能的基本要求：可靠、保质、经济。

关键词分析可靠，是指保证供电线路可靠地工作，少有故障；保质，就是保证电能的电压和频率稳定；经济，是指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。

二、降低输电损耗的两个途径
1.输电线路的构成
（1）线路图如图所示。

误区警示升压变压器副线圈的电流和降压变压器的电流是相等的，但升压变压器副线圈
的电压和降压变压器的电压是不等的，计算导线的电阻时长度应是双距离的长度。

2.物理量的计算
（1）功率关系：P 1=P 2，P 1′=P 2′,P 2=P 2′+P 线。

（2）电流、电压关系：2121n n U U ==12I I ,''=''=''12212
1I I n n U U ,U 2=U 1′+U 线，I 2=I 1′=I 线。

（3）输电电流：I 2=线R U U U P U P '-=''=121
122。

（4）输电导线上损耗的电功率：P 耗=P 2-P 1′=I 2（U 2-U 1′）=22
22212U P R U U ＝）（'-R 。

疑点突破关于输电线路上的功率损耗的计算，主要考虑因导线电阻的存在而发热造成的损失，输电线上的电压不能和输送电压与用户得到电压之差混为一谈。

3.减少输电线的电阻
（1）原理：输电线的功率损失ΔP ＝I 2r ，在I 一定时，ΔP ∝r 。

（2）方法：在输电距离一定时，减少输电线的电阻，即选用电阻率小的金属材料，如铜、铝等；尽可能的增加导线的横截面积。

知识拓展电阻率较小的金、银是贵重金属，经济不容许；增加横截面积使导线过粗而耗费太多的材料，并且太重太粗给铺设带来困难。

4.减少输电导线的电流
（1）原理：输电线的功率损失ΔP ＝I 2r ，在r 一定时，ΔP ∝I 2。

（2）方法：一般发电厂输送的电功率一定，由P=UI 可知，减少电流，就必须使用高压输电。

知识拓展电压越高，对输电线路绝缘性能的要求就越高，对变压器的要求也越高。

5.远距离输电采用高压输电
（1）探究：在输电电流一定时，如果线路的电阻减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的二分之一；在线路电阻一定时，如果输电电流减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的四分之一。

（2）结论：可见减少输电导线的电流对于降低输电线路的损耗更为有效，所以要减少输电导线的电流，就要提高输送电压，使用高压输电。

三、电网供电
1.输电过程示意图如图所示：
注：发电厂用升压变压器升压到几百千伏后再向远距离送电，到达用电区由“一次高压变电站”降到一百千伏左右，在更接近用户的地点再由“二次变电站”降到十千伏左右，然后，一部分送往工业用户，另一部分经低压变电站降至220 V或380 V，送给一般用户。

2.电网
（1）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，形成全国性或地域性的输电网络，就是电网。

（2）电网送电，可以在一次能源产地使用大容量的发电机组，降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益；可以减少断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡，保障供电质量；可以据火电、水电、核电的特点，合理地调度电力。

方法点拨理解远距离输电问题时，要依据输电过程示意图，抓住输电的两头——电源和用电器；分析一条线——输电线；研究两次电压变换——升压变压器和降压变压器。

问题·思路·探究
问题大家知道：远距离输送电能所损失的电能主要考虑输电线上的热损失，方法之一就是减少输电线的电阻，而减少输电线的电阻，一是选用电阻率小的金属材料，如铜、铝等；二是增加导线的横截面积。

除了这两种方法外，还有什么方法
来减少输电线的电阻？
请用你所学的物理知识思考。

思路：超导电缆输电。

减小输电线路的电阻是降低输电损失的重要途径。

许多导体在温度特别低时电阻可以降到零，这个现象叫做超导现象。

例如，铝在 1.39 K(-271.76 ℃)、铅在7.20 K（-265.95 ℃)以下，都能出现超导现象。

近年来已经开发出一些“高温”超导材料，它们在100 K（-173 ℃）左右电阻就能超导电缆基本结构降为零。

探究：由于目前保持低温的主要方法是利用液态氮甚至液态氦，所以超导体输电还处于试验阶段。

图是一种超导电缆的结构。

超导电缆基本结构
2004年4月，我国云南昆明普吉变电站三相交流33.5 m、35 kV/2 kA超导电缆系统成功实现并网式运行，这标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。

近期，高温超导电缆在以下几个方面可能有比较大的优势：一是在城市大厦群中，原来的常规电缆容量不够，又没有更大的增设空间；二是在金属冶炼等大电流、短距离、小空间的应用场合；三是用来制造发电厂或变电站内大电流的传输母线。

这些情况下，都可以在原有的电缆管道内把旧电缆更换为超导电缆，使供电容量提高三至五倍。

典题·热题·新题
例1远距离输电线路的示意图如图所示，若发电机的输出电压不变，则下列叙述中正确的是（）
A. 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小时，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
思路解析：一般发电机到升压变压器的距离比较小，导线的电压降比较小，导线上的电能损耗比较小，发电机的输出功率等于升压变压器的输入功率，等于远距离输电线损失功率加上降压变压器的输入功率，而降压变压器的输入功率由用户的实际功率来决定。

所以用户的实际功率决定了升压变压器输出和输入功率，因此升压变压器的输入电流与用户的实际功率有关。

A、B选项错。

用户的电阻减小功率增大，输电线上的电流增大，损耗增加。

C正确。

由于远距离送电，导线的电阻不能忽略不计，导线上的电压降不能忽略，升压变压器的输出电压大于降压变压器上的输入电压。

D错。

答案： C
误区警示解决远距离输电时，有些人认为发电厂输送多少功率用户就得消耗多少功率，其实变压器的输入功率、输入电流的大小是由次级负载消耗的功率大小决定的，实际用户的电器要求有稳定的电压，消耗的功率增大，输电线中的电流增大，线路损失功率增大，使输送功率就增加。

例2发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，每条输电线电阻为0.2 Ω，求用户得到的电压和电功率各是多少？如果发电站先用变压比为1∶10的升压变压器将电压升高，经同样输电线路，后经过10∶1的降压变压器降压后供给用户，则用户得到的电压和电功率各是多少？
（1）若不经过变压而直接送到用户，求用户得到的电压和电功率各是多少？
（2）若经过变压而直接送到用户，求用户得到的电压和电功率又各是多少？
思路解析：本题考查电能的输送过程中输电线上的功率损失的计算，画输送电路示意图是理清思路、解决问题的关键，弄清输电线的电流、分压及相互联系是考查的重难点，通过对比，加深对高压输电的理解。

解：
（1）在用220 V 低压直接供电时，电路如图5-5-5所示，则有 I=00U P =22010443
A=200 A, U ′线=Ir 线=200×(2×0.2) V=80 V,
U ′用=U 0-U ′线=220 V-80 V=140 V （用户得到的电压），
P ′线=IU ′线=200×80 W=16×103 W,
P ′用=P 0-P ′线=44×103 W-16×103 W=28×103 W(用户得到的功率）。

（2）在采用高压供电时，电路如图所示：
U 2=U 012n n =220×1
10V=2 200 V , I 1=20U P =44×2200
103
`A=20 A, U 线=I 2r 线=20×（2×0.2) V=8 V ,
所以U 3=U 2-U 线=2 200 V-8 V=2 192 V ，
所以U 4=U 33
4n n =2 192×101V=219.2 V(用户得到的电压）， P 线=I 2U ′线=20×8 W=160 W,
P 用=P 0-P 线=44×103 W-160 W=43 840 W(用户得到的功率）。

方法归纳本题是远距离输电线路的处理方法和变压器原理相结合的综合应用题，在计算输电电路问题时，要画出供电电路图，输配电回路间可通过变压器的电压比，电流比和初、次级功率相同的关系相联系，注意输电线上的电流、电压等关系的区别和联系。

例3如图所示，某小型水电站发电机的输出功率为10 kW，输出电压为400 V，向距离较远的用户供电，为了减少电能损失，使用2 kV高压输电，最后用户得到220 V、9.5 kW 的电力，求：
（1）水电站升压变压器原、副线圈匝数比n1/n2；
（2）输电线路导线电阻R；
（3）用户降压变压器原、副线圈匝数比n3/n4。

思路解析：综合考查电能的输送过程和变压器的相关知识，由输送电路示意图是理清思路、解决问题的关键，弄清输电线的电流、分压及相互联系是考查的重难点。

解：（1）由题可知U1=400 V U2=2 kV=2 000 V
所以n1∶n2= U1∶U2=400∶2 000=1∶5。

（2）由P1= U1I1得I1= P1/U1=10×103/400 A=25 A，
而I1∶I2= n2∶n1,
所以I2= n1I1/ n2=5 A。

因为P损=P1-P4=10 000-9 500=500 W,而P损= I22R
所以：R=P损/ I22=500/25=20 Ω。

（3）由P3=U3I3, I3=I2,得U3= P3/I3=9 500/5 V=1 900 V,
n3∶n4=U3∶U4=1 900∶220=95∶11。

深化升华这是一个远距离输电工程技术中的具体问题，关键梳理好变压器的电流、电压、功率等的关系，再熟知用户消耗的功率决定发电厂的输送功率的关系。