高中物理第4章远距离输电第3节电能的远距离传输教学案鲁科选修3-2

第3节 电能的远距离传输

一、为什么要采用高压输电 1．两种损失比较

两种损失 主要原因 大小表示

减小办法 电功率损失 输电线有电阻电流产生焦耳热

ΔP ＝I 2

R 减小R 减小I

电压损失

输电线电阻的电压降

ΔU ＝IR

2．降低两种损失的途径——高压输电

在保证输送电功率不变的前提下提高输电电压，会减小输电电流，从而减小导线上的电功率损失和电压损失。

二、高压交流输电 1．基本环节 发电厂站

――→升压变压器高压输电线路

――→降压变压器

用户

2．电路原理图

图 4­3­1

1.电能在远距离传输过程中有电功率和电压损失，减小电阻不经济，减小电流最合算。

2．在输送电功率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，据ΔP ＝⎝⎛⎭⎫P U 2

R 知，输电线

上的电功率损失将降为原来的1

n

2。

3．在电能远距离传输中，可将回路划分为几个独立的回路，每个回路均可以应用闭合电路欧姆定律和串、并联电路的规律，而变压器的电压、电流、功率关系是联系不同回路的桥梁。

三、高压直流输电 1．组成部分

高压直流输电系统主要由整流站、直流线路和逆变站三部分构成。实际上直流输电系统只在输电这个环节是直流，发电环节和用电环节仍是交流，输电过程中只用两根导线。

2．优越性

(1)节省材料，输电结构简单，占地面积小。 (2)不存在感抗和容抗引起的损耗。

(3)不需要考虑电网中的各发电机的同步运行问题。

1．自主思考——判一判

(1)为了减少能量损失，要高压输电，而且越高越好。(×) (2)输送功率一定时，提高输送电压，可以减少功率损失。(√) (3)电压损失ΔU ＝IR 线和电功率损失ΔP ＝I 2

R 线中I 可以通过I ＝P 送

U 送

求得。(√) (4)负载越多，即用电高峰期，ΔU 、ΔP 也越大。(√) (5)高压直流输电与高压交流输电的区别在于输送环节。(√) 2．合作探究——议一议

(1)电能的输送要达到什么要求？输送电压是不是越高越好？ 提示：①输送电能要达到三个方面的要求： a ．可靠：保证供电线路正常工作，少有故障。 b ．保质：保证电能质量，即电压、频率稳定。 c ．经济：线路架设和运行费用低，能耗少，电价低。

②电压升高，导线会对空气放电，对导线的绝缘性能提出更高的要求，另外，高压输电对变压器也提出了更高的要求，因此，输电电压并不是越高越好。

(2)在电能的输送过程中，U 为输电电压，r 为输电线电阻，则输电线中电流为I ＝U r

，对不对？为什么？

提示：不对。U 为输电电压，而不是加在输电导线上的电压，即U ≠Ir ，而输电电流可通过P ＝UI 求得。

(3)“提高输电电压，减小输电电流”是否与欧姆定律相矛盾？

提示：不矛盾。欧姆定律I ＝U R

是对纯电阻元件成立的定律，而“提高输电电压，减小输电电流”是从输电角度，由P ＝UI ，且在P 一定的条件下得出的结论，两者没有必然联系。

输电线路上的电压损失和功率损失

1．若输电线的电阻为R 线，输电电流为I ，输电线始端和末端的电压分别为U 和U ′，则：

(1)电压损失ΔU ＝U －U ′＝IR 线； (2)功率损失ΔP ＝I 2

R 线＝I ΔU ＝

ΔU

2

R 线

。

2．若输电功率P 不变，输电电压提高到nU ，可使输电电流减小到I n

，则： (1)电压损失减小到ΔU

n

；

(2)功率损失减小到ΔP

n

2。

[特别提醒]

(1)输电电压是指加在输电线起始端的电压，电压损失是指输电线上的电压降。 (2)输送功率是指加在输电线起始端的功率，功率损失是输电线上消耗的功率。 (3)减小输电线上的功率损失和电压损失的有效途径是：提高输电电压，以减小输电电流。

1．(多选)在远距离输电时，输送的电功率为P ，输送电压为U ，所用导线电阻率为ρ，横截面积为S ，总长度为L ，输电线损失的电功率为P ′，用户得到的电功率为P 用，则P ′、

P 和P 用的关系式正确的是( )

A ．P ′＝U 2S

ρL

B ．P ′＝P 2ρL

U 2S

C ．P 用＝P －U 2S

ρL

D ．P 用＝P ⎝

⎛⎭

⎪⎫

1－

PρL U 2S 解析：选BD 输电线电阻R ＝ρL S

，输电线中电流I ＝P U

，故输电线上损失的电功率为P ′

＝I 2

R ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫P U 2ρL S ＝P 2

ρL U 2S ，用户得到的电功率为P 用＝P －P ′＝P ⎝

⎛⎭⎪⎫1－PρL U 2S 。

2．在远距离输电时，如果升压变压器输出电压是2 000 V ，输出功率是10 kW ，输电线

电阻是20 Ω，求：

(1)输电线上损失的功率和损失的电压； (2)用户能得到的功率和电压。

解析：(1)由P 出＝I 线U 出，得I 线＝P 出U 出＝10×103

2 000

A ＝5 A 。

则输电线上损失的功率P 损＝I 线2

r ＝52

×20 W＝500 W 。 损失的电压U 损＝I 线r ＝5×20 V＝100 V 。 (2)降压变压器得到的电压和功率分别为：

U 用＝U 出－U 损＝(2 000－100) V ＝1 900 V ， P 用＝P 出－P 损＝(10×103－500) W ＝9 500 W 。

答案：(1)P 损＝500 W U 损＝100 V (2)P 用＝9 500 W U 用＝1 900 V

远距离输电的电路分析

1．远距离输电问题的分析方法

处理远距离输电问题的关键是抓住一图三线，一图即输电的电路图，三线即三个关系：功率关系、电压关系和电流关系，抓住一图三线，按照从前到后或从后向前的顺序，即可找到突破口。

2．远距离输电电路图

图4­3­2

3．基本关系式 (1)功率关系

P 1＝P 2，P 3＝P 4，P 2＝ΔP ＋P 3。

(2)电压、电流关系

U 1U 2＝n 1n 2＝I 2I 1，U 3U 4＝n 3n 4＝I 4I 3

U 2＝ΔU ＋U 3，I 2＝I 3＝I 线。

(3)输电电流：I 线＝P 2U 2＝P 3U 3＝

ΔU

R 线

。