2022-2022学年高中物理第3章电能的输送与变压器1高压输电原理精练含解析沪教版选修3-2.doc

高压输电原理1知道“便于远距离输送是电能的优点，知道输电过程2知道降低输电损耗的两个途径(重点难点)3了解电网供电的优点和意义一、远距离输电为什么要用高电压1案例探索：如何降低输电损耗？(1)理论分析：设输电电流为I，输电线的电阻为r，那么功率损失PI2r根据此式，要减少P，一是减小输电线的电阻；另一个途径是减小输电导线中的电流(2)措施分析：要减小输电线的电阻，根据电阻定律R可知，就要增大导线横截面积S和用电阻率较小的材料要减小输电线中的电流，在输送的总功率一定时，由PIU可知，必须提高电压才能减小I2高压输电：远距离输电时，为了降低输电线路中的损耗，就要减小输电电流，同时又保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压高压输电时，电压越高越好吗？提示：不是电压越高，对输电线路及其设备的绝缘性能要求也越高二、交流输配电网建造电能输配电网是为了确保电能的输送经济、可靠，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 kV以上，进行高压送电；在用电区，先由第一级变电站将电压降到110 kV，再送到第二级变电站，将电压降到10 kV送到用电区对普通生活用电，那么要用降压变压器进一步降到 220V，如下图远距离输电电功率损失分析1原因：输电导线有电阻，电流通过导线时要发热，输电过程中有一局部电能转化成内能而损失掉2损失电功率的大小：损失的电功率P损I2R，I为输电线上流过的电流，R为输电线的电阻3减少电功率损失的方法：据P损I2R可知，减少输电线路上电功率损失的方法主要有两种：(1)减小输电线的电阻R根据R知：减小输电线长度L：由于输电距离一定，所以在实际中不可能用减小L来减小R减小电阻率：目前一般用电阻率较小的铜或铝作为输电导线材料增大导线的横截面积S：这要多消耗金属材料，增加本钱，同时给输电线的架设带来很大困难(2)减小输电电流I根据I知：减小输送电功率P：在实际中不能以用户少用或不用电来到达减少电功率损失的目的提高输电电压U：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P损R知，输电线上的电功率损失将降为原来的(多项选择)用变压器进行远距离输电，输送的电功率为P，输送电压为U，输电导线的电阻率为，导线横截面积为S，导线总长为L，输电导线损耗的电功率为P1，用户得到的电功率为P2，那么()AP1BP1CP2P DP2P思路点拨 解此题的关键有两点：(1)输电线电阻的计算R；(2)区分三种功率解析输电线电阻R，输电电流I，故输电线上损失的电功率为P1I2R用户得到的电功率为P2PP1P答案BD远距离输电时，涉及到三个功率：输送功率P；损耗功率P1；用户功率P2，它们的关系：PP1P2，要求用户得到的功率P2，关键是确定损耗功率P1与输送功率P的关系：P1I2RR远距离输电时，在输送电功率不变的前提条件下()A只有增大导线的电阻，才能减小电流，提高输电效率B提高输电电压，能减小电流，提高输电效率C提高输电电压势必增大输电导线上的能量损耗D提高输电电压势必增大输电导线上的电流解析：选B在输出功率一定时，由PUI可知，当U增大时，I减小，输电线的损耗功率P损I2R将减小，从而提高输电效率，减少输电线上的损耗输电线上电压损失分析1交流输配电网模型示意图2电压损失(1)电压损失U：输电导线有电阻，电流通过输电导线时，会在导线上产生电势降落，致使输电线路末端的电压U比起始端电压U低，差值UUU称为输电线路上的电压损失(2)造成电压损失的因素输电线有电阻造成电压损失输电线的感抗和容抗造成电压损失(3)减少输电线路上电压损失的方法减小输电线路电阻：用增大输电导线横截面积来减小电阻，对低压照明电路有效，在高压线路中，因容抗和感抗造成的电压损失比电阻造成的还要大，故这种方法对高压输电效果不佳减小输电电流I：因为I，在输送电功率P一定的前提下，提高输电电压U是有效措施高压输电既能减小功率损失，也能减小电压损失，但在实际输送电能时，还需综合考虑各种因素，依照不同的情况，选择适宜的输电电压在远距离输电时，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 ，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思路点拨 先利用PUI求出输送电流，然后求出其他量解析(1)由P出I线U出，得I线 A5 A那么输电线上损失的功率P损Ir5220 W500 W损失的电压U损I线r520 V100 V(2)用户得到的电压和功率分别为：U用U出U损(2 000100) V1 900 V，P用P出P损(10103500) W9 500 W答案(1)500 W100 V(2)9 500 W1 900 V计算输电损失时应注意的问题(1)输电电压是指加在高压输电线始端的电压U，损失电压是指降落在输电线路上的电压U损IR(2)无论从减小输电线路上功率损失，还是减小电压损失来看，都要求提高输电电压，以减小输电电流【通关练习】1(多项选择)如图为发电厂向远处用户的输电电路示意图，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变假设输送功率增大，以下说法中正确的选项是()A升压变压器的输出电压增大B降压变压器的输出电压增大C输电线上损耗的功率增大D输电线上损耗的功率占总功率的比例增大解析：选CD发电厂的输出电压不变，升压变压器的原、副线圈匝数比不变，那么由知，升压变压器的输出电压U2不变，A错；假设输送功率增大，输电电压U2不变，那么由PU2I2知，输电线上电流I2增大，又输电线的电阻不变，由U损I2R知输电线上损失电压增大，那么降压变压器输出电压减小，B错；因输电电流增大，那么由PIR知，输电线上损耗的功率变大，C对；输电线上损耗功率占总功率的比例增大，D对2把功率为220 kW的电能用铝导线(铝0027 mm2/m)输送到10 km 外的地方，要使功率损失在输送功率的10%以内(1)如果采用 220 V的电压输电，导线的横截面积至少要多大？采用这样的导线现实吗？为什么？(2)采用110 kV的电压输电，导线的横截面积多大？(3)假设用同种导线输电，那么用 110 kV 和220 V 电压输电损失的功率之比是多少？解析：(1)用220 V 的电压输电，输电电流I A103A，由I2R10%P，得R 22102 ，又R，所以S mm225104 mm2半径将近10 cm，采用这种导线是不现实的，一是浪费材料，二是导线无法架设(2)假设采用110 kV的电压输电，输电电流I A2 A，R 55103 ，S mm20098 mm2(3)由P损I2R，得答案：见解析随堂检测1关于减小远距离输电线上的功率损耗，以下说法正确的选项是()A由功率PU2/R，应降低输电电压，增大导线电阻B由PIU，应该用低电压小电流输电C由PI2R，应减小导线电阻或减小输电电流D上述说法均不对解析：选C假设根据PU2/R和PIU两公式计算输电线上的功率损失，U都表示输电线上的损失电压，应降低输电线上损失的电压而不是输电电压，A错；只有提高输电电压才能减小损失的电压，B错；由PI2R，减小导线电阻或减小输电电流能够减小输电线上的功率损失，C对2远距离输送一定功率的交流电，假设输送电压提高到n倍，那么()A输电线上的电压损失增大B输电线上的电能损失增大C输电线上的电压损失不变D输电线上的电能损失减少到原来的解析：选D在输送功率一定时，由I知，电压提高到n倍，那么电流变为原来的，电压损失减为原来的，故A、C错误；由P损I2R知，功率损失减为原来的，故B错误，D正确3(多项选择)发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至用户的输电导线的总电阻为R，通过输电导线的电流为I，输电线末端的电压为U2，以下选项中表示输电导线上损耗的功率的是()ABCI2R DI(U1U2)解析：选BCD输电线上的功率损耗PI2RIU，而UU1U2，应选项B、C、D正确4某水电站，用总电阻为25 的输电线输电给500 km外的用户，其输出电功率是3106 kW，现用500 kV电压输电，那么以下说法正确的选项是()A输电线上输送的电流大小为20105AB输电线上由电阻造成的损失电压为15 kVC假设改用5 kV电压输电，那么输电线上损失的功率为9108 kWD输电线上损失的功率为P，U为输电电压，R线为输电线的电阻解析：选B由P输U输I输，可见用500 kV电压输电时，输电电流为I A6103 A，A错误；输电线上的电压损耗U损I输R线600025 V15 kV，B正确；输电线上的功率损耗应该使用P损IR线U损I输来计算，假设用P来计算，U为损耗电压才可以，D错误；假设改用 5 kV电压输电，那么输电线上损失的功率为9108 kW，损失功率不可能大于输出功率，C错误5分别用33 kV和110 kV的电压输电，输送的电功率相同，导线的材料和送电的距离也都相同，并且要求损失的功率相等，求所用导线的横截面积之比假设用110 kV电压输电时，导线横截面积为4 mm2，那么用33 kV电压输电的导线横截面积为多大？解析：设输送的电功率为P，输电电压为U，送电距离为l，导线的横截面积为S，电阻率为那么导线上损失的电功率P2I2r(r为一根导线的电阻)由于PUI，r，所以P2现在P、l相同，且要求P相等，那么S，所以1 1111即用33 kV电压输电的导线的横截面积是用110 kV电压输电导线横截面积的1 111倍当S24 mm2时，S11 111S24 444 mm2答案：1 11114 444 mm2课时作业一、单项选择题1以下关于电能输送的说法不正确的选项是()A输送电能的根本要求是可靠、保质、经济B减小输电导线上功率损失的唯一方法是要采用高压输电C增大导线的横截面积可以减小输电导线上的功率损失D实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率大小、距离远近、技术和经济条件等解析：选B输送电能的根本要求是可靠、保质、经济减小输电线上的功率损失可采用高压输电，也可以减小输电线电阻，即增大导线横截面积，但不经济实际输电时，应综合考虑各种因素应选B2远距离输电，原来用电压U0输电，在输电线上损失的电功率为P0，现在要使输电线上损失的电功率减小到原来的，那么输电电压应为()A100U0BU0C D解析：选B输电线上损失功率P损IR，而I线，所以P损R，当P送和R一定时，有P损，由此，UU03中国已投产运行的1 000 kV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500 kV的超高压输电，输电线上的损耗电功率为P在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1 000 kV特高压输电，假设不考虑其他因素的影响，那么输电线上损耗的电功率变为()AP/4 BP/2C2P D4P解析：选A由PUI可知由500 kV超高压输电变为1 000 kV特高压输电时，输电线电流变为原来的1/2，再据P线I2R线可得输电线上损耗的电功率将变为P/4，应选A4水电站向小山村输电，输送电功率为50 kW，假设以1 100 V送电，那么线路损失为10 kW，假设以3 300 V送电，那么线路损失可降为()A33 kW B11 kWC30 kW D11 kW解析：选B由PUI，PI2R可得：PR，所以当输送电压增大为原来3倍时，线路损失变为原来的，即P11 kW5一个小水电站输出电功率为20 kW，输电线总电阻为05 ，如果先用400 V的电压送电，后改用2 000 V电压输电，那么输电电压提高后输电线上损失的电功率的变化情况是()A减少50 W B减少1 200 WC减少768 W D增加768 W解析：选B由公式P损R线得：P损05 W1 250 WP损05 W50 W，所以P1 250 W50 W1 200 W二、多项选择题6对在电能远距离输送中所造成的电压损失，以下说法中正确的选项是()A只有输电线的电阻才造成电压损失B只有输电线的电抗才造成电压损失C输电线的电阻和电抗都造成了电压损失D假设用高压直流电输送，可以减小因电抗造成的损失解析：选CD远距离高压输电过程中，不仅线路上的电阻会损失电压，电容、电感的电抗也会损失电压假设用直流输电时，只有电阻的影响，无电抗的影响，故C、D正确7在电能远距离输送中，发电机发出的电要先送到升压变电站升高电压，到达目的地后，把电能输送到用电区时，为了保证用电平安，还要把电压降低，才能供用户使用如果保持输电线路电阻不变，在使用不同输电电压时，有()A输电电流强度跟输电电压成反比B输电线路损失的电压跟输电电压成反比C输电线路消耗的电功率跟输电电压成反比D输电线路消耗的电能跟输电电压成反比解析：选AB解决远距离输电问题的关键是抓住输送功率保持不变，在此根底上研究其他物理量的变化情况，根据功率公式：PUI，当功率保持不变时，输电电流跟输电电压成反比在输电线上损失的电压的表达式为UIRR，损失的电压跟输电电压成反比根据PI2RR，输电线上消耗的电功率跟输电电压的二次方成反比8某发电站采用高压输电向外输送电能，假设输送的总功率为P0，输电电压为U，输电导线的总电阻为R那么以下说法正确的选项是()A输电线上的电流IB输电线上的电流IC输电线上损失的功率PRD输电线上损失的功率P解析：选BC由PUI知，输电线电流I，故A错，B对；由PI2R知，损失功率PR，故C对，D错9发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至学校的输电导线的总电阻为R，通过导线的电流为I，学校得到的电压为U2，那么输电线上损耗的电压可表示为()AU1 BU1U2CIR DU2解析：选BC输电线的电压损失UIRU1U2，故B、C对；U1为输出电压，U2为用户得到的电压，故A、D错10如图为远距离高压输电的示意图关于远距离输电，以下表述正确的选项是()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解析：选ABD依据输电原理，电路中的功率损耗PI2R线，而R线，增大输电线的横截面积，可减小输电线的电阻，那么能够减小输电线上的功率损耗，A正确由PUI来看在输送功率一定的情况下，输送电压U越大，那么输电电流I越小，那么功率损耗越小，B正确假设输电电压一定，输送功率越大，那么输电电流I越大，电路中损耗的电功率越大，C错误输电电压并不是越高越好，因为电压越高，对于平安和技术的要求越高，因此并不是输电电压越高越好，D正确三、非选择题11如下图，一小型发电机通过升压、降压变压器把电能输送给用户，发电机的输出功率P150 kW，输出电压U1500 V，升压变压器原、副线圈匝数比为n1n215，两个变压器间的输电导线的总电阻R15 ，降压变压器的输出电压U4220 V，变压器本身的损耗忽略不计，求：(1)升压变压器副线圈两端的电压U2；(2)输电线上损耗的电功率P损；(3)降压变压器原、副线圈的匝数比n3n4解析：(1)升压变压器的输出电压：U2U12 500 V(2)传输电流：I2 A20 A损失的功率：P损IR20215 W6 000 W(3)降压变压器的输入电压为：U3U2I2R2 500 V2015 V2 200 V降压变压器的原副线圈匝数比：答案：(1)2 500 V(2)6 000 W(3)10112一台125105 kW的发电机发出的电，假设采用500 kV的超高压输电，输电线上的电流将有多大？假设两条输电线每千米的电阻是01 ，那么，电流在5 km的距离上将产生多大的热功率？输电距离为500 km时，输电线路上产生的热功率占发电机输出功率的百分之几？解析：用500 kV高压输电时，输电线上的电流I A250 A这个电流在5 km的输电线上产生的热功率P损I2R2502501 W31 250 W3125 kW在500 km的距离上产生的热功率P损I2R250250001 W3125106 W100%100%25%答案：250 A31 250 W25%10