2021学年第4节 电能的远距离输送评课课件ppt

第4节　电能的远距离输送

[核心素养·明目标]

知识点一　常用高压输电的原因

1．两种损失比较

2．降低两种损失的途径－－高压输电

输送一定功率电能，输电电压越高，输电线中电流越小，导线因发热而损耗的电能越少，线路上电压的损失也越少。

　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＝，这种说法是否正确？

提示：不对，U为输电电压，而不是加在输电导线上的电压。

1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(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＝I2R线中I可以通过I＝ 求得。 (√)

知识点二　高压交流输电与直流输电

1．高压交流输电系统

(1)输电环节：在发电站附近用升压变压器升高电压，用输电线输送到远方，在用电地区附近，用降压变压器降到所需电压。

(2)远距离输电电路图如图所示：

2．高压直流输电

(1)采用高压直流输电的原因

当交流输电功率很大时，导线的电感、电容引起的电压及电能损失很大；同一电网供电的发电机同步运行，技术上也存在困难。

(2)高压直流输电系统的工作程序：交变电流升压后输送到整流器，把高压交变电流变换成高压直流电流，经由高压直流线路输送到用电地区后，将高压直流电流变换成高压交变电流，再经降压变压器降压。

(3)高压直流输电系统的优点

①不存在感抗和容抗引起的损耗。

②节省材料，输电结构简单，占地面积小。

③不需要考虑电网中的各发电机的同步运行问题。

　在交变电流电路中感抗、容抗类似于电阻对电流的阻碍作用。

2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)高压直流输电与高压交流输电的区别在于输送环节。 (√)

(2)在直流输电中，不要求供电的所有发电机同步运行。 (√)

知识点三　电能的利用与社会发展

1．发电机、电动机在工业上的运用，克服了蒸汽机在使用过程中存在的不少难题，体现出许多优越性。与蒸汽机相比，电动机灵活、小巧、适应力强，更加广泛地应用于工业生产领域。

2．目前使用的电能，主要来自热能、水能、原子能、风能等其他形式的能量，这些能量转换为电能都离不开发电机。火力发电，是利用石油、煤炭和天然气等燃料燃烧时产生的热能将水加热，产生高压水蒸气，推动汽轮机转动，带动发电机的转子转动，将机械能转化为电能，再通过外电路把电能输送出去；水力发电和风力发电则是直接利用水和风带动发电机的转子转动，将机械能转化为电能。高铁、动力机械等，都是利用电动机的通电线圈受到磁场的力的作用而发生转动，将电能转化为机械能。

3．电能的利用提高了劳动生产率，解放了劳动者。

　电能通过发电厂和电力网实现了集中生产，分散使用，便于传输和分配。

3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)电能是一次能源，可以再生。 (×)

(2)输电线的电阻共计为r，输送的电功率为P，用电压U送电，则用户能得到的电功率为P－r。              (√)

考点1　输电线上电压和功率损失的计算

1．功率损失的原因

在电能输送过程中，电流流过输电线时，因输电线有电阻而发热，电能必有一部分转化为内能而损失掉。

2．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＝I2R线＝IΔU＝。

3．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，则：

(1)电压损失减小到；

(2)功率损失减小到。

【典例1】　在远距离输电时，要考虑尽量减少输电线上的功率损失。有一个小型发电站，输送的电功率P＝500 kW，当使用U＝5 kV的电压输电时，测得安装在输电线路起点和终点处的两只电度表一昼夜示数相差4 800 kW·h。求：

(1)输电效率η和输电线的总电阻r；

(2)若想使输电效率提高到98%，又不改变输电线，那么发电站应使用多高的电压向外输电？

思路点拨：输电线上损失的功率为P损＝I2r，输电功率P＝UI，要提高输电效率，就要提高输电电压。

[解析]　(1)输送功率P＝500 kW，一昼夜输送电能E＝Pt＝12 000 kW·h

输电线上损失的电能ΔE＝4 800 kW·h

终点得到的电能E′＝E－ΔE＝7 200 kW·h

所以输电效率η＝×100%＝60%

输电线上的电流I＝＝100 A

输电线上损耗的功率Pr＝＝200 kW

输电线的电阻r＝＝20 Ω。

(2)Pr＝r

要求输电线上损耗的功率Pr′＝2%P＝10 kW

输电电压应调节为U′＝P≈22.4 kV。

[答案]　(1)60%　20 Ω　(2)22.4 kV

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＝R线，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。

[跟进训练]

1．(多选)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV的超高压向B处输电，输电线上损耗的电功率为ΔP，到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下，改用1 100 kV特高压输电。输电线上损耗的电功率变为ΔP′，到达B处时电压下降了ΔU′。不考虑其他因素的影响，则(　　)

A．ΔP′＝ΔP　　 B．ΔP′＝ΔP

C．ΔU′＝ΔU   D．ΔU′＝ΔU

AD　[若采用550 kV的超高压输电，输电线上的功率损耗ΔP＝·r，输电线路损失的电压ΔU＝·r，若改用1 100 kV的特高压输电，同理有ΔP′＝·r，ΔU′＝·r，可得ΔP′＝，ΔU′＝，故B、C项错误，A、D项正确。]

考点2　高压输电线路的分析与计算

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关系，一图即输电的电路图，三关系即：功率关系、电压关系和电流关系，抓住一图三关系，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

3．基本关系式

(1)功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝ΔP＋P3。

(2)电压、电流关系：＝＝，＝＝，U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I线。

(3)输电电流：I线＝＝＝。

(4)输电线上损耗的电功率：ΔP＝I线ΔU＝IR线＝R线。

【典例2】　发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，每条输电线的电阻为0.2 Ω，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＝200 A

损失的电压UR＝IRR＝2×0.2×200 V＝80 V

损失的功率PR＝URIR＝80×200 W＝16 kW

故用户得到的电压U用户＝U－UR＝140 V

用户得到的功率为P用户＝P－PR＝28 kW。

(2)已知升压变压器的匝数比n1∶n2＝1∶10

输入电压U1＝220 V

因此，升压变压器的输出电压U2＝U1＝2 200 V

输电线上的电流I′R＝＝ A＝20 A

损失的电压U′R＝I′RR＝2×0.2×20 V＝8 V

损失的功率P′R＝U′RI′R＝8×20 W＝160 W

因此，降压变压器的输入电压U3＝U2－U′R＝2 192 V

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＝219.2 V

用户得到的功率P′用户＝P－PR′＝43.84 kW。

[答案]　(1)140 V　28 kW　(2)219.2 V　43.84 kW

远距离输电问题的分析思路

(1)明确远距离输电的过程，画出输电的过程图。

(2)清楚远距离输电过程图的三个独立的回路。

(3)变压器是连接三个回路的关键，明确各个回路的电压、电流间的关系。

(4)利用输电电压、输电功率或输电线的功率损失与输电线的电阻计算输电电流。

(5)分清输电电压和输电线上的电压，确定输电功率、输电线损失功率和用户得到的功率。

(6)根据欧姆定律确定用户回路中各个元件的电压、电流和功率。

[跟进训练]

2．如图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(　　)

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

A　[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。]

1．(多选)高压直流输电与高压交流输电相比(　　)

A．高压直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗

B．高压直流输电所需的设备比高压交流输电所需的设备经济

C．高压直流输电技术简单

D．高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统

AD　[稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗，A正确；高压直流输电技术的要求高，所需的换流设备制造难、价格高，B、C错误；高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统，D正确。故选AD。]

2．(多选)远距离输送交流电都采用高压输电，其优点是(　　)

A．可节省输电线的铜材料

B．可根据需要调节交流电的频率

C．可减少输电线上的能量损失

D．可加快输电的速度

AC　[由P＝IU得I＝，输送的电功率P一定，采用高压输电，输电线中的电流就小，由P线＝I2r，要求输电线损耗一定的情况下，就可选横截面积较小的输电线，从而可以节省输电线的铜材料。若输电线确定，则可减少输电线上的能量损失，故A、C正确；交流电的频率是一定的，升高电压无法改变交流电的频率，输电的速度就是电磁波的传播速度，是一定的，故B、D错误。]

3．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电压损失为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

B　[输电线上输送的电流为I＝＝＝6 000 A，A错误；输电线上由电阻造成的电压损失为U损＝IR线＝6 000×2.5 V＝1.5×104 V，B正确；输电线上损失的功率不可能大于输送的总功率3×106 kW，C错误；ΔP＝中，U应当为输电线上损失的电压，D错误。]

4．(新情境题，以“学校用电”为背景，考查远距离交流输电)如图所示是备用发电机。升压变压器的匝数比为1∶4，降压变压器的匝数比为4∶1，输电线的总电阻为R＝4 Ω，全校共有22间教室，每间教室用“220 V　40 W”的灯6盏，所有灯都正常发光。

问题：(1)学校应备多大输出功率的发电机？

(2)输电线上损耗的电功率多大？

[解析]　(1)所有灯都正常工作时的总功率P2＝22×6×40 W＝5 280 W

用电器总电流I3＝＝24 A

输电线上的电流I2＝＝6 A

降压变压器上的输入电压U3＝4U4＝880 V

输电线上的电压损失U损＝I2R＝24 V

因此，升压变压器的输出电压U2＝U损＋U3＝904 V

输入电压U1＝＝226 V

输入电流I1＝4I2＝24 A

所以发电机的输出功率P1＝U1I1＝5 424 W。

(2)输电线上损耗的电功率P损＝IR＝144 W。

[答案]　(1)5 424 W　(2)144 W

回归本节知识，自我完成以下问题：

1．试写出高压交流输电的电压、功率损失的表达式？

提示：电压损失：U损＝I线R线；功率损失：P损＝IR线。

2．减小高压输电过程中能量损失的办法有哪些？

提示：减小输电线的电阻，减小输电电流。

3．试画出高压交流输电的简化电路图？

提示：

超导电缆输电

超导电缆基本结构

减小输电线路的电阻是降低输电损失的重要途径。

许多导体在温度特别低时电阻可以降到0，这个现象叫作超导现象。例如，铝在1.39 K(－271.76 ℃)、铅在7.20 K(－265.95 ℃)以下，都能出现超导现象。近年来已经开发出一些“高温”超导材料，它们在100 K(－173 ℃)左右电阻就能降为0。

由于目前保持低温的主要方法是利用液态氮甚至液态氦，所以超导体输电还处于试验阶段。上图是一种超导电缆的结构。

近期内，高温超导电缆在以下几个方面可能有比较大的优势：一是在城市大厦群中，原来的常规电缆容量不够，又没有更大的增设空间；二是在金属冶炼等大电流、短距离、小空间的应用场合；三是用来制造发电厂或变电站内大电流的传输母线。这些情况下，都可以在原有的电缆管道内把旧电缆更换为超导电缆，使供电容量提高三至五倍。

　超导电缆输电有什么优点？又有什么困难？

提示：优点：没有电阻耗能，能提供更多的电能。

困难：需要的温度太低。