2018版高中物理 第4章 遠(yuǎn)距離輸電 4.3 電能的遠(yuǎn)距離傳輸學(xué)案 魯科版選修3-2.docx
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第3講 電能的遠(yuǎn)距離傳輸 [目標(biāo)定位] 1.了解遠(yuǎn)距離輸電線上的能量損失與哪些因素有關(guān).2.應(yīng)用理想變壓器、電路知識(shí)對(duì)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)距離輸電線路進(jìn)行定量計(jì)算.3.了解交變電流從變電站到用戶的輸電過程及電網(wǎng)設(shè)計(jì).4.了解高壓直流輸電的原理. 一、為什么要采用高壓輸電 1.電功率損失 (1)損失的電功率P=I2R,即在輸電線上因發(fā)熱而損耗的電功率與電阻成正比,與電流的二次方成正比. (2)在輸送電功率不變的前提下,要減少電功率損失,只能采取減小導(dǎo)線中電流的方法. 2.電壓損失:在輸送電功率不變的前提下,要減少電壓損失,只能采取減小輸電電流的方法,或減小輸電線電阻的方法. 3.高壓輸電:由P=UI知,在保證P不變的情況下,必須提高輸送電壓U,才能減小電流I. 二、高壓交流輸電 1.遠(yuǎn)距離輸電的基本思路.如圖1所示. 在發(fā)電站內(nèi)用升壓變壓器升高電壓.然后進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電,在用電區(qū)域通過降壓變壓器降壓. 圖1 2.電網(wǎng) 通過網(wǎng)狀的輸電線、變電站,將許多電廠和廣大用戶連接起來,形成全國(guó)性或地區(qū)性的輸電網(wǎng)絡(luò). 3.電網(wǎng)送電的優(yōu)點(diǎn) (1)降低一次能源的運(yùn)輸成本,獲得最大經(jīng)濟(jì)效益. (2)合理地調(diào)度電力,使電力的供應(yīng)更加可靠,質(zhì)量更高. 三、高壓直流輸電 直流輸電系統(tǒng)只在輸電這個(gè)環(huán)節(jié)是直流,發(fā)電和用電環(huán)節(jié)仍是交流;輸電過程中只用兩根導(dǎo)線.整流器和逆變器可以實(shí)現(xiàn)交流電和直流電的轉(zhuǎn)換. 一、降低輸電損耗的兩個(gè)途徑 1.輸電導(dǎo)線上的功率損失 (1)損失功率計(jì)算:設(shè)輸電電流為I,輸電線電阻為R線,則輸電線上的功率損失為ΔP=I2R線. (2)減小輸電線上功率損失的方法: ①減小輸電線的電阻R線:由R線=ρ得,要減小R線,在l保持不變的情況下,可以減小ρ,增大S. ②減小輸電電流I:由P=UI得,在輸送功率一定的情況下,提高輸電電壓,即可減小輸電電流. 采用高壓輸電是減小輸電線上功率損失最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施. 2.輸電線上的電壓損失 (1)輸電線路始端電壓U跟末端電壓U′的差值,稱為輸電線路上的電壓損失,ΔU=U-U′,如圖2所示,電壓損失還可以表示為ΔU=IR線=R線. 圖2 (2)減少輸電線上電壓損失的方法: ①減小輸電線的電阻. ②提高輸送電壓. 例1 遠(yuǎn)距離輸送一定功率的交變電流,若輸電電壓升高為原來的n倍,關(guān)于輸電線上的電壓損失和功率損失正確的是(不考慮電抗產(chǎn)生的損失)( ) A.功率損失是原來的B.功率損失是原來的 C.電壓損失是原來的D.電壓損失是原來的n倍 答案 BC 解析 設(shè)輸電電壓為U,所輸送的功率為P,輸電線路總電阻為R線,則輸電電流I線=,線路的功率損失ΔP=IR線=,可知ΔP∝,當(dāng)輸電電壓U升高為原來的n倍時(shí),功率損失變?yōu)樵瓉淼?,故選項(xiàng)B正確;線路上的電壓損失ΔU=I線R線=,可知ΔU∝,當(dāng)輸電電壓升高為原來的n倍時(shí),電壓損失變?yōu)樵瓉淼模蔬x項(xiàng)C正確. 針對(duì)訓(xùn)練 發(fā)電廠發(fā)電機(jī)的輸出電壓為U1,發(fā)電廠至學(xué)校的輸電線總電阻為R線,通過導(dǎo)線的電流為I,學(xué)校輸入電壓為U2,下列計(jì)算輸電線功率損耗的式子中,正確的是( ) A. B. C.I2R線 D.I(U1-U2) 答案 BCD 解析 輸電線功率損耗P損=I2R線==IU線,其中U線=U1-U2,故B、C、D正確. 二、遠(yuǎn)距離輸電及基本關(guān)系 1.輸電線路的構(gòu)成 由發(fā)電機(jī)、升壓變壓器、輸電導(dǎo)線、降壓變壓器、用電器構(gòu)成. 2.遠(yuǎn)距離輸電的基本關(guān)系(如圖3所示) 圖3 (1)功率關(guān)系 P1=P2,P3=P4,P2=ΔP+P3→能量守恒 (2)電壓、電流關(guān)系 ==,==→理想變壓器 U2=ΔU+U3,I2=I3=I線→串聯(lián)電路中電壓、電流關(guān)系 (3)輸電導(dǎo)線中電流:I線===. (4)輸電導(dǎo)線上損耗的電功率: ΔP=ΔUI線=IR線=2R線. 3.特別強(qiáng)調(diào) (1)升壓變壓器副線圈的電壓U2不等于降壓變壓器原線圈的電壓U3,輸電線上的電壓損失ΔU=I線R線,輸電線上的功率損耗ΔP=IR線. (2)計(jì)算輸電線的電阻時(shí),應(yīng)注意輸電線長(zhǎng)度為距離的兩倍. (3)處理遠(yuǎn)距離輸電問題. 首先要畫出輸電線路示意圖,并將已知量和待求量寫在電路圖的相應(yīng)位置; 其次解題時(shí)要抓“兩頭”——電源、用電器.要注意“中間兩條線”——輸電線,以變壓器為界將整個(gè)輸電電路劃分為三個(gè)獨(dú)立的回路.以變壓器為聯(lián)系的紐帶將“兩頭”與中間“輸電線”聯(lián)系起來,利用能量守恒、變壓比、變流比等規(guī)律進(jìn)行分析與計(jì)算. 例2 發(fā)電機(jī)兩端電壓為220V,輸出功率44kW,輸電導(dǎo)線的總電阻為0.2Ω,如果用原、副線圈匝數(shù)之比為1∶10的升壓變壓器升壓,經(jīng)輸電線后,再用原、副線圈匝數(shù)比為10∶1的降壓變壓器降壓供給用戶. (1)畫出全過程的線路示意圖; (2)求用戶得到的電壓和功率; (3)若不經(jīng)過變壓而直接送到用戶,求用戶得到的電壓和功率. 答案 見解析 解析 (1)示意圖如圖所示. (2)由圖可知,升壓變壓器副線圈兩端的輸出電壓U2=U1=2200V.據(jù)理想變壓器P入=P出,則升壓變壓器副線圈的輸出電流I2==A=20A,輸電線上的功率損失和電壓損失分別為 P損=IR線=2020.2W=80W. U損=ΔU=I2R線=200.2V=4V. 所以降壓變壓器原線圈的輸入電壓和電流為 U3=U2-U損=2200V-4V=2196V, I3=I2=20A. 降壓變壓器副線圈的輸出電壓和電流為 U4=U3=2196V=219.6V, I4=I3=1020A=200A. 用戶得到的功率為P4=U4I4=219.6200W=4.392104W. (3)若直接用220V低壓供電,電路如圖所示,則輸電電流I′==A=200A.輸電線路上的電壓損失ΔU′=I′R線=2000.2V=40V. 所以用戶得到的電壓U2′=U1-ΔU′=220V-40V=180V, 用戶得到的功率為P′=U2′I′=180200W=3.6104W. 輸電線上損耗的問題 1.某發(fā)電廠原來用電壓為U1的交流電輸電,后改用變壓比為1∶50的升壓器將電壓升高為U2后輸電,輸送的電功率保持不變.若輸電線路的總電阻為R線,則下列說法中正確的是( ) A.由公式I=可知,提高電壓后輸電線上的電流降為原來的 B.由公式I=可知,提高電壓后輸電線上的電流增為原來的50倍 C.由公式P=I2R線可知,提高電壓后輸電線上的功率損耗減為原來的 D.由公式P=可知,提高電壓后輸電線上的功率損耗增大為原來的2500倍 答案 AC 解析 由=可知,U2=50U1,輸送功率不變,由公式I=可知,輸電線中的電流變?yōu)樵瓉淼?,選項(xiàng)A正確;由P=I2R線=2R線可知,輸電線上的功率損耗減為原來的,C選項(xiàng)正確;B、D選項(xiàng)中的U2應(yīng)為損失的電壓,所以選項(xiàng)B、D是錯(cuò)誤的. 2.某水電站,用總電阻為2.5Ω的輸電線輸電給500km外的用戶,其輸出電功率是3106kW.現(xiàn)用500kV電壓輸電,則下列說法正確的是( ) A.輸電線上輸送的電流大小為2105A B.輸電線上由電阻造成的損失電壓為15kV C.若改用5kV電壓輸電,則輸電線上損失的功率為9108kW D.輸電線上損失的功率為ΔP=,U為輸電電壓,R為輸電線的電阻 答案 B 解析 輸電線上輸送的電流為I==A=6103A,A錯(cuò);輸電線上損失的電壓為U損=IR=61032.5V=1.5104V=15kV,B項(xiàng)正確;當(dāng)用5kV電壓輸電時(shí),輸電線上損失的功率若超過3106kW,與實(shí)際情況相矛盾,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;當(dāng)用公式ΔP=計(jì)算損失的功率時(shí),U為輸電線上損失的電壓而不是輸電電壓,D項(xiàng)錯(cuò)誤. 遠(yuǎn)距離高壓輸電的應(yīng)用 3.某小型水電站的電能輸送示意圖如圖4所示,發(fā)電機(jī)的輸出電壓為200V,輸電線總電阻為r,升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2,降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n3、n4(變壓器均為理想變壓器).要使額定電壓為220V的用電器正常工作,則( ) 圖4 A.> B.< C.升壓變壓器的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓 D.升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率 答案 AD 解析 由于輸電線上有電阻,所以考慮到電壓損失,則有升壓變壓器的輸出電壓大于降壓變壓器的輸入電壓,根據(jù)變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系,可知要讓用電器正常工作,必須有>,故A項(xiàng)對(duì),B、C項(xiàng)錯(cuò);考慮到輸電線上也有電功率的損失,可知D項(xiàng)也正確. 4.在遠(yuǎn)距離輸電時(shí),要考慮盡量減少輸電線上的功率損失.有一個(gè)電站,輸送的電功率為P=500kW,當(dāng)使用U=5kV的電壓輸電時(shí),測(cè)得安裝在輸電線路起點(diǎn)和終點(diǎn)處的兩只電度表一晝夜示數(shù)相差4800度.求: (1)這時(shí)的輸電效率η和輸電線的總電阻R線; (2)若想使輸電效率提高到98%,又不改變輸電線,那么電站應(yīng)使用多高的電壓向外輸電? 答案 (1)60% 20Ω (2)22.4kV 解析 (1)由于輸送功率為P=500kW,一晝夜輸送電能E=Pt=12000度,終點(diǎn)得到的電能E′=7200度,因此效率η=60%.輸電線上的電流可由I=計(jì)算,為I=100A,而輸電線損耗功率可由P損=I2R線計(jì)算,其中P損=kW=200kW,因此可求得R線=20Ω. (2)輸電線上損耗功率P損=2R線∝,原來P損=2200kW,現(xiàn)在要求P損′=10kW,計(jì)算可得輸電電壓應(yīng)調(diào)節(jié)為U′=22.4kV.- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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