1819 第5章 5 电能的输送.docx
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1819第5章5电能的输送
5 电能的输送
学习目标
知识脉络
1.了解交变电流从发电站到用户的输电过程.
2.知道远距离输电时决定电能损失的因素,了解高压输电的原因.(重点)
3.知道远距离输电线路的基本构成,能够对简单的远距离输电线路进行计算.(难点)
[自主预习·探新知]
[知识梳理]
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:
指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:
指输电线路建造和运行的费用低,电能损耗少.
2.降低输电损耗的两个途径
要减少输电线路上的功率损失,由公式P损=I2R线知,必须减小输电线电阻或减小输电电流.
(1)要减小电阻,从R=ρ看,在输电距离一定的情况下,可以增大导线的横截面积,但过粗的导线会耗费太多的金属材料,同时也给铺设线路带来困难;还可以选用电阻率较小的导体.
(2)从公式P=IU来看,在保证功率不改变的情况下,要减小输送电流就必须提高输电电压.
前一种方法的作用十分有限,一般采用后一种方法.
3.高压输电
(1)现代远距离输电都采用高压输电.目前我国远距离送电采用的电压有110kV,220kV,330kV,输电干线已采用500kV,西北电网甚至达到750kV.
(2)高压输电并不是越高越好.电压越高,对输电线路绝缘性能和变压器的要求就越高,线路修建费用会增多.
(3)实际输送电能时要综合考虑输送功率、距离、技术和经济等要求选择合适的电压.
二、电网供电
1.远距离输电基本原理
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,获得最大经济效益.
(2)减少断电的风险,调剂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.
[基础自测]
1.思考判断
(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)从发电厂发出的电输送到用户均需要采用高压输电.(×)
(4)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.(√)
(5)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.中央电视台《焦点访谈》多次报道某些边远落后农村电价过高,农民负担过重,其中客观原因是电网陈旧老化.近来进行农村电网改造,为减少远距离输电的损耗而降低电费价格,可采取的措施有( )
A.提高输送功率B.减小输电导线的长度
C.提高输电的电压D.减小输电导线的横截面积
【解析】 为减少远距离输电的损耗,可以提高输电的电压,故C项正确;提高输送功率不能减少远距离输电的损耗,减小输电导线的长度的方法不可取,减小输电导线的横截面积反而会增大损耗,故A、B、D错误.
【答案】 C
3.远距离输电中,当输送的电功率为P,输送电压为U时,输电线上损失的电功率为ΔP,若输送的电功率增加为4P,而输电线中损失的电功率减为,(输电线电阻不变)那么输电电压应增为( )
【导学号:
57272124】
A.32U B.16UC.8U D.4U
【解析】 根据题意知:
ΔP=2·r,ΔP=2·r得U′=8U.
【答案】 C
[合作探究·攻重难]
输电线上电压和功率损失的计算
1.输电线上的电功率损失
(1)原因:
输电导线有电阻R线,电流流过输电线时,电流的热效应引起电功率的损失.
(2)计算式:
①P线=I2R线;②P线=IU线;③P线=.
2.输电线上的电压损失
若用U表示输电线始端电压,U′表示输电线末端电压,则U线=U-U′或U线=IR线.
3.电压损失与输电电压的关系
如果远距离输电的电功率P不变,输电电压为U,输电导线电阻为R线,则输电导线上发热损失的功率P损=I2R线=R线,因此输电电压若提高到nU,则P损将减为原来的.
[注意] 交流输电时,导线不但有电阻,还有线路的电感、电容产生的感抗和容抗,但高中阶段计算中,可将输电线看作纯电阻电路,不再考虑感抗和容抗对交流电路的影响.
中国已投产运行的1000kV特高压输电,是目前世界上电压最高的输电工程.假设甲、乙两地原来用500kV的超高压输电,在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下,现改用1000kV特高压输电,不考虑其他因素的影响.则( )
A.输电电流变为原来的2倍
B.输电线上降落的电压将变为原来的2倍
C.输电线上降落的电压将变为原来的
D.输电线上损耗的电功率将变为原来的
【解析】 根据输送电功率P输=U输I输及P输不变,可知,输电电流I输=∝,当U输变为原来的2倍时,I输变为原来的,选项A错误;输电线上降落的电压U降=I输R线∝I输,所以,当输电电流变为原来的时,输电线上降落的电压也变为原来的,选项B错误,C正确;输电线上损耗的电功率P损=IR线∝I,所以输电线上损耗的电功率将变为原来的,选项D错误.
【答案】 C
某变电站用220V的电压输电,导线上损失的功率为输送功率的20%.若要使导线上损失的功率降为输送功率的5%,则输电电压应为多少?
【解析】 设输送功率为P,输电电压U1=220V时,损失功率ΔP1=20%P
又因为ΔP1=IR线,I1=
解得ΔP1=R线
现要求ΔP2=5%P,同理ΔP2=R线
因此可得==
所以U2=2U1=440V.
【答案】 440V
计算输电线上功率损失的两种方法
计算输电线上损失的功率时,要注意区分两个电压:
输电电压(输电线始端的电压)U和输电线上的损失电压ΔU.
(1)P损=ΔUI=,ΔU是输电线两端的电压,即输电线上损失的电压.
(2)P损=2R,U是指输送电压,即从发电站发出后,经过变压器升高后的电压.
[针对训练]
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2I0
B.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4P0
D.由P=IU得,输电线上损失的电功率为2P0
【解析】 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P0=IR.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.
【答案】 B
远距离输电
1.远距离输电的几个基本关系式
图551
(1)功率关系:
P1=P2,P2=P损+P3,P3=P4.
(2)电压关系:
=,U2=U线+U3,=.
(3)电流关系:
=,I2=I线=I3,=.
(4)输电电流:
I线====.
(5)输电导线上损耗的电功率
P损=P2-P3=IR线==U线I线.
(6)输电导线上的电压损失
U线=I线R线=U2-U3.
2.两个联系
(1)线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是:
=,I1n1=I2n2,P1=P2.
(2)线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是:
=,I3n3=I4n4,P3=P4.
发电机的输出电压为220V,输出功率为44kW,每条输电线的电阻为0.2Ω,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1∶10的升压变压器将电压升高,经同样的输电线路后经10∶1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==A=200A
损失的电压UR=IRR=2×0.2×200V=80V
损失的功率PR=URIR=80×200W=16kW
故用户得到的电压U用户=U-UR=140V
用户得到的功率为P用户=P-PR=28kW.
(2)已知升压变压器的匝数比n1∶n2=1∶10
输入电压U1=220V
因此,升压变压器的输出电压U2=U1=2200V
输电线上的电流IR′==A=20A
损失的电压UR′=IR′R=2×0.2×20V=8V
损失的功率PR′=UR′IR′=8×20W=160W
因此,降压变压器的输入电压U3=U2-UR′=2192V
已知降压变压器的匝数比n3∶n4=10∶1
所以用户得到的电压U4=U3=219.2V
用户得到的功率P用户′=P-PR′=43.84kW.
【答案】
(1)140V 28kW
(2)219.2V 43.84kW
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)
[针对训练]
2.输送4.0×106W的电能,若发电机输出电压为2000V,选用变压器升压后应用横截面积为4.25cm2的铜导线,把电能送到400km远处,线路损耗的功率为5.0×105W.若已知铜的电阻率ρ=1.7×10-8Ω·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.
【导学号:
57272125】
【解析】
(1)由P=I2R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=ρ=ρ,
则R=1.7×10-8×Ω=32Ω
所以I==125A
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
U2==3.2×104V
故==.
(2)设U′2为降压变压器原线圈两端的电压,则U′2=U2-IR=2.8×104V.
【答案】
(1)1∶16
(2)2.8×104V
[当堂达标·固双基]
1.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P=I2R知,输电电流越大,输电导线上功率损失越大
D.由公式P=UI知,输电导线上的功率损失与电流成正比
【解析】 输电线上损失的功率P损=I2R线=,U损指输电线上的分压,而不是输电电压,选项C正确.
【答案】 C
2.某用电器离供电电源的距离为l,线路上的电流为I.若要求线路上的电压降不超过U.已知输电导线的电阻率为ρ,那么该输电导线的横截面积的最小值是( )
A. B.I2ρ C. D.
【解析】 因为导线的总长度为2l,所以电压降U=IR=Iρ,解得S=,故选项C正确.
【答案】 C
3.(多选)某小型水电站的电能输送示意图如图552所示,发电机的输出电压为200V,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220V的用电器正常工作,则( )
图552
A.>
B.<
C.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】 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U1=200V<U4=220V,U2>U3=U2-U线,故>,选项B、C错误,A正确.
【答案】 AD
4.如图553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U1.在输电线与用户间连有一理想变压器,流入用户端的电流为I2,则( )
图553
A.用户端的电压为
B.输电线上的电压降为U
C.理想变压器的输入功率为Ir
D.输电线路上损失的电功率为I1U
【解析】 理想变压器输入和输出功率相同,设用户端得到的电压为U2,则有I1U1=U2I2,U2=,选项A正确;输电线上的电压降为ΔU=I1r,或者ΔU=U-U1,选项B错误;理想变压器的输入功率为P=I1U1,选项C错误;输电线路上损失的电功率为ΔP=Ir,选项D错误.
【答案】 A
5.(多选)如图554为模拟远距离输电电路,两理想变压器的线圈匝数n1=n4 图554 A.A1、A3的示数相等 B.A1、A2、A3的示数相等 C.A1的示数大于A2的示数 D.A2的示数大于A3的示数 【解析】 因为=,=,n1=n4 I1=I4,即A1、A3的示数相等,选项A、C正确,B、D错误. 【答案】 AC
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