2020版高中物理 第3章 电能的输送与变压器 3

2020版高中物理 第3章 电能的输送与变压器 3

‎3.1　高压输电原理 ‎[目标定位] 1.掌握输电过程中降低输电损耗的两个途径.2.理解高压输电的原理.3.会对简单的远距离输电线路进行定量计算.‎ 一、远距离输电为什么要用高电压 如图1所示，假定输电线路中的电流为I，两条导线的总电阻为R，在图中导线电阻集中画为R，输送功率为P，发电厂输出的电压为U.那么：‎ 图1‎ ‎(1)远距离大功率输电面临的困难是什么？‎ ‎(2)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？降低输电损耗的两个途径是什么？‎ ‎(3)为什么远距离输电必须用高压呢？‎ 答案　(1)在输电线上有功率损失.‎ ‎(2)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，所以降低输电损耗的两个途径为：①减小输电线的电阻R；②减小输电电流I.‎ ‎(3)因为发电厂的输出功率P是一定的，由P＝UI得I＝，ΔP＝R，要减小输电电流I，必须提高输出电压U.‎ ‎[要点总结]‎ 输电线上的电压损失和功率损失(设输电线的电阻为R，电流为I)‎ ‎1.电压损失 输电线始端电压U与输电线末端电压U′的差值.ΔU＝U－U′＝IR.‎ ‎2.功率损失 ‎(1)远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损失，损失的电功率ΔP＝I2R.‎ ‎(2)若输电线上损失的电压为ΔU，则功率损失还可以表示为ΔP＝，ΔP＝ΔU·I.‎ ‎3.减小电压、功率损失的方法 5‎ ‎(1)减小输电线的电阻R 由R＝ρ可知，距离L一定时，使用电阻率小的材料，增大导体横截面积可以减小电阻.‎ ‎(2)减小输电电流I 由P＝UI可知，当输送功率一定时，ΔP＝r，升高电压可以减小电流.‎ ‎[延伸思考]　为什么在用电高峰期家中的白炽灯灯光较暗？‎ 答案　用电高峰期到用户家中的输电线电流I较大，输电线上损失的电压ΔU＝Ir较大，用户得到的电压U－ΔU较低，达不到额定功率，因此白炽灯灯光较暗.‎ 例1　(多选)如图2所示为远距离高压输电的示意图，关于远距离输电，下列表述正确的是(　　)‎ 图2‎ A.增加输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失 B.高压输电是通过减小输电电流来减小电路的发热损耗 C.在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越小 D.高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好 答案　ABD 解析　由P损＝I2R和R＝ρ知S越大，R越小，P损越小，所以A正确.由P＝UI及P损＝I2R知B正确，C错误.电压越高，对输电线路绝缘性能和对变压器的要求越高，实际输送电能时，要综合考虑各种因素，所以D正确.‎ 例2　发电厂发电机直接向学校供电，发电机输出电压为U1，发电厂至学校的输电导线总电阻为R，导线的电流为I，学校得到的电压为U2，则下列关于输电线损失的功率的式子中错误的是(　　)‎ A. B. C.I2R D.I(U1－U2)‎ 答案　A 5‎ 解析　用P＝求电阻上损失的功率时，U要与电阻R相对应，选项A中的U1是输出电压不是输电线上的电压，故A是错误的.B中的(U1－U2)是输电线上的电压，因此，B是正确的.C、D中的电流I是输电线中的电流，故C、D都是正确的.‎ 例3　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)若输出的电压为20万伏，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？它占输出功率的百分比是多少？‎ ‎(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？它占输出功率的百分比是多少？‎ 答案　(1)2 ‎500 A　(2)1.25×108 W　25% (3)1 ‎000 A　2×107 W　4%‎ 解析　(1)由P＝UI得I＝＝＝2 ‎‎500 A ‎(2)输电线上损失的功率ΔP＝I2·2r＝2 5002×2×10 W＝1.25×108 W 损失功率与输出功率之比为＝＝＝25%‎ ‎(3)将电压升高至50万伏时，I′＝＝＝1 ‎‎000 A 输电线上损失的功率ΔP′＝I′2·2r＝1 0002×2×10 W＝2×107 W 损失功率与输出功率之比为＝＝＝4%‎ 针对训练　某水电站，用总电阻为2.5 Ω的输电线输电给‎500 km外的用户，其输出电功率是3×106 kW.现用500 kV电压输电，则下列说法正确的是(　　)‎ A.输电线上输送的电流大小为2.0×‎‎105 A B.输电线上由电阻造成的损失电压为15 kV C.若改用5 kV电压输电，则输电线上损失的功率为9×108 kW D.输电线上损失的功率为ΔP＝，U为输电电压，R为输电线的电阻 答案　B 解析　输电线上输送的电流为I＝＝ A＝6×‎103 A，A项错误；输电线上损失的电压为U损＝IR＝6×103×2.5 V＝1.5×104 V＝15 kV，B项正确；当用5 kV电压输电时，输电线上损失的功率超过3×106 kW，与实际情况相矛盾，故C项错误；当用公式ΔP＝计算损失的功率时，U为输电线上损失的电压而不是输电电压，D项错误.‎ 二、交流输配电网 发电机发出的交变电流先送到升压变电站，将电压升高到220‎ 5‎ ‎ kV以上，由高压输电线向远处输送.在用电区，先由第一级变电站将电压降到110 kV，再输送到第二级变电站，将电压降到10 kV，送到用电区.对普通生活用电，则还要用变压器进一步将电压降到220 V. ‎ ‎1.(降低输电损耗的途径)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，其客观原因是电网陈旧老化.近来，农村进行电网改造，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.增大输送电流 C.提高输电电压 D.减小输电导线的横截面积 答案　C 解析　电费高低与线路损耗有关，损耗越大，电费越高，减少损耗的途径：(1)减小输电导线中的电流，即可提高输电电压；(2)减小输电线的电阻，即增大输电导线的横截面积，故C正确.‎ ‎2.(输电线上功率损失的计算)(多选)在我国北方部分地区经常出现低温雨雪冰冻天气，高压输电线因结冰而造成严重损毁，如图3所示，为消除高压输电线上的冰凌，有人设计了这样的融冰思路：利用电流的热效应除冰.在正常供电时，高压线上送电电压为U，电流为I，热耗功率为ΔP；若输电功率和输电线电阻不变，除冰时，需要输电线上热耗功率为9ΔP，则除冰时(　　)‎ 图3‎ A.输电电流为3I B.输电电流为9I C.输电电压为3U D.输电电压为U 答案　AD 解析　高压线上的热耗功率为ΔP＝I2R线 ①‎ 若热耗功率变为9ΔP，则9ΔP＝I′2R线 ②‎ 由①②得I′＝3I，A对.又输送功率不变，P＝UI＝U′I′，得U′＝U，所以D对.‎ ‎3.(输电线上功率损失的计算)远距离输电，原来用电压U0输送，输电线上损失的功率为P0‎ 5‎ ‎，现要使输电线路上损失的功率减少到原来的1%，在保持输送功率不变的情况下，输电电压变为____U0.‎ 答案　10‎ 解析　设输送功率为P，则P0＝()2R线，0.01P0＝()2R线，所以U＝10 U0.‎ ‎4.(输电线上功率损失的计算)一座小型发电站，用总电阻是0.5 Ω的输电线把电输送给用户，发电站输送的电功率是20 kW.假如用250 V的电压输电，估算输电导线上的功率损失和用户得到的功率.假如改用500 V的电压输电，输电线上的功率损失和用户得到的功率又各是多少？‎ 答案　3.2 kW　16.8 kW　0.8 kW　19.2 kW 解析　假如用250 V的电压输电，输电线上的功率损失为P损＝()2R＝()2×0.5 W＝3.2 kW 用户得到的功率为 P用＝P－P损＝20 kW－3.2 kW＝16.8 kW 假如改用500 V的电压输电，输电线上的功率损失为 P损′＝()2R＝()2×0.5 W＝0.8 kW 用户得到的功率为 P用′＝P－P损′＝20 kW－0.8 kW＝19.2 kW.‎ 5‎