3.4电能的输送 课件-2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

第三章 交变电流 人教物理选择性必修第二册 Start! 3.4 电能的输送 第三章 交变电流 3.4 电能的输送 3.4 电能的输送 为什么要输送电能？ 发电厂 （多建在能源聚集的地方） 用电量大的城市 输送 3.4 电能的输送 3.4 电能的输送 用导线把电源和用电设备连起来，就可以输送电能了这是电能的一个突出优点。 怎样输送电能？ 运煤火车 用导线连接 发电厂 用户 便于远距离输电 3.4 电能的输送 输送电能的基本要求是可靠、保质、经济。可靠，是指保证供电线路可靠地工作，故障少。保质，就是保证电能的质量——电压和频率稳定。各种用电设备都是按照一定的工作电压设计的，电压过低或过高，用电器都不能正常工作，甚至会造成损坏。使用交流的用电器还要求频率稳定。经济，则是指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。 输送电能的基本要求 3.4 电能的输送 一 降低输电损耗的两个途径 设输电电流为 I，输电线的电阻为 r，则输电线上的功率损失为 P＝I2r。由此可知，有两个途径能减少输电损耗。 发电厂 用户 3.4 电能的输送 一个途径是减小输电线的电阻。在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，应当选用电阻率小的金属材料，例如铜、铝来制造输电线 (图3.4-1)。此外，还要尽可能增加导线的横截面积。但是，导线横截面积的增加是有一定限度的。过粗的导线会耗费太多的金属材料，而且输电线太重、太粗也给铺设工程带来困难。 另一个途径是减小输电导线中的电流。 3.4 电能的输送 发电厂 用户 I r U损 P P损 P用 U用 U 输电线上的电压和功率损失是多少？ 3.4 电能的输送 假定输电线路中的电流是 I，用户端的电压是 U，两条导线的总电阻是 r。在图3.4-2中，导线的电阻集中画为一个电阻 r。 1.怎样计算输电线路损失的功率? 输电线路损失的功率为 ∆P＝I2r. 3.4 电能的输送 2.在输电电流一定的情况下，如果线路的电阻减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的几分之一?在线路电阻一定的情况下，如果输电电流减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的几分之一? 输电电流一定，即 I 一定，线路的电阻减为原来的一半，即变为 ，由 ∆P＝I2r 可知，线路上损失的功率减为原来的 ；在线路电阻 r 一定的情况下，如果输电电流减为原来的一半，即变为 ，那么由 ∆P＝I2r 可知，线路上损失的功率减为原来的 . 3.4 电能的输送 3.通过第2步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更有效? 4.怎样计算用户消耗的功率 P ? 通过2中的两项计算发现，第二个途径更为有效，即减小输电电流. 用户消耗的功率 P＝IU . 3.4 电能的输送 5.在用户的用电功率一定的前提下，怎样才能减小输电电流? 在保证用户的用电功率一定的前提下，通过提高输电电压，才能减小输电电流. 3.4 电能的输送 降低输电损耗的两个途径 （1）减小输电线的电阻 （2）减小输电导线中的电流 3.4 电能的输送 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；为了减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压。现代远距离输电的电压都很高。 3.4 电能的输送 （1）减小输电线的电阻 根据电阻定律，  ：选用电阻率小的金属材料 (银的电阻率最小，但价格昂贵，目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线) L：输电距离一定 S：适当增大导线的横截面积 (可适当增大横截面积，太粗不可能，既不经济又架设困难) 3.4 电能的输送 （2）减小输电导线中的电流 若发电厂输送的总功率为P，输电电压为U，则输电电流 I ＝ 为了减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压。 P损 ＝I2r＝()2r ，P损变为1/n2 。 U提高n倍 ，I降低为1/n ，p不变 提高输电电压是降低电能损耗的有效途径! 3.4 电能的输送 目前我国远距离输电采用的电压有110kV、220 kV、330kV，输电干线已经采用500kV和750kV的超高压，西北电网甚至达到1100kV的特高压。 特高压 3.4 电能的输送 输电电压也不是越高越好。电压越高，对输电线路绝缘性能的要求就越高，线路修建费用就会增多。输电电压越高，变压器上的电压也越高，对变压器的要求也相应提高。实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，依照不同情况选择合适的输电电压。 3.4 电能的输送 电能输送的基本模型 升压变压器 降压变压器 3.4 电能的输送 二 电网供电 一般发电机组输出的电压在10kV左右，不符合远距离送电的要求。因此，要用升压变压器升压到几百千伏后再向远距离送电。到达数百千米甚至数千千米之外的用电区之后，先在“一次高压变电站”降到100kV左右，在更接近用户的地点再由“二次高压变电站”降到10kV左右。然后-部分电能送往用电量大的工业用户，另一部分经过低压变电站降到220V/380V，送给其他用户(图3.4-3)。 3.4 电能的输送 10千伏 几百千伏 1000千伏左右 10千伏左右 220伏 缺陷：产能浪费，不能合理调度电力 3.4 电能的输送 现在世界各国都不采用一个电厂与一批用户的“一对一”的供电方式，而是通过网状的输电线、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，这就是电网。 优点：合理调度电力，减少断电风险 3.4 电能的输送 采用电网送电，是输电技术的重要发展。这样可以在-次能源产地使用大容量的发电机组，降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益。电网可以减小断电的风险调剂不同地区电力供需的平衡。使用电网，可以根据火电，水电、核电的特点，合理地调度电力，这就使得电气化社会的主要能源—电力的供应更加可靠，质量更高。 3.4 电能的输送 输电技术的发展 1882年，爱迪生在美国修建了第一个电力照明系统，用直流电点亮了几千益电灯。那时，输电距离很近，每隔3km 左右就要建立一个发电厂，否则灯泡因电压过低而不能发光。同一年一个法国工程师修建了第一条远距离输电电路，将一个水电站发出的电送到57km之外的慕尼黑，在博览会上用来驱动一台水泵，造了一个人工喷泉。 1886年，发明家威斯汀豪斯利用变压器成功地在6km的线路上实现了交流输电。 3.4 电能的输送 1891年，德国建成170 km的15~30 kV的高压输电线路，效率高达70% ~ 80%。1893年美国修建尼亚加拉水电站时，经过反复论证，决定采用交流供电系统。1909~1912年，美国、德国建造100 kV的高压输电线路，从此高压输电技术迅速普及。 3.4 电能的输送 随着电力系统的扩大，交流输电遇到了一些技术困难。例如，用甲、乙两台交流发电机给同一条线路供电，如果某时刻甲达到正的最大值时，乙恰好是负的最大值，它们发的电在电路里恰好互相抵消，不仅电路无法工作，甚至会烧毁设备。要使电路正常工作，给同一条线路供电的所有发电机都必须同步运行，即同时达到正的最大值，同时达到负的最大值。现代的供电系统是把许多电站连成一个电网，要使电网内的许多发电机同步运行，技术上有一定困难。此外，长距离输电时，线路上的电容、电感对交变电流的影响也不能忽略，有时它们引起的电能损耗甚至大于导线电阻引起的电能损耗。 3.4 电能的输送 为了减少感抗和容抗，在输电这个环节可以使用直流，但发电机产生的仍是交流，用户使用的也主要是交流(图3.4-4)。为此，在送电端有专用的“整流”设备将交流变换为直流，在用户端也有专用的“逆变”设备再将直流变换为交流。制造大功率的整流和逆变设备在过去有很大困难，目前已经逐步解决，因此直流输电技术已得到应用。 3.4 电能的输送 新疆昌吉至安徽古泉段 ±1 100 kV特高压直流输电工程 这是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。 3.4 电能的输送 1. 采用110kV高压输电，输送电功率为4 800kW的电能，输电导线中的电流是多少?如果用110V电压输送同样功率的电能，输电导线中电流是多少? 我们在初中曾经做过类似的题目，那时是用直流电路的知识来处理的。在纯电阻的交流电路中，同样有公式U＝IR和P＝UI。想想看这里的U和I的含义与初中有什么不同? 解：电功率 P＝IU，所以 I＝PU，当 U＝110 kV时，导线中的电流 I＝ A＝43.6A； 3.4 电能的输送 当 U＝110V 时，导线中的电流 I＝ A ＝4.36×104A. 公式 U＝IR 中的 U、I、R 是对应于同一段电路的物理量，同理，公式 P＝UI 中的 P、U、I 也是对应于同一段电路的物理量. 在此题中的功率 P 并不是输电线上消耗的功率，而是发电机的输出功率，也是输电线和用户消耗的总功率，U 是输电线上输送的电压，I是流经输电线的电流. 如果输电线的电阳为 R，则 U≠IR，原因是 U 并非输电线上损失的电压. 3.4 电能的输送 2. 以下是一段关于输电线损失功率的推导将电能从发电站送到用户，在输电线上会损失一部分功率。设输电电压为U，则功率损失为 P损＝UI (1) 而 U＝IR (2) 将 (2) 式代入 (1) 式，得到 P损＝ (3) 由(3)式可知，要减小功率损失P损，就应当用低压送电和增大输电线的电阻R。 这段推导错在哪里? 3.4 电能的输送 解：公式(1) P损＝UI 和公式(2) U＝IR 都是错误的，是输电电压，而非输电线上损失的电压. 正确的推导应该是：设输电电压为U，输送的电功率为 P， P损＝I2R ①， I＝ ②， 将②式代入①式，得到 P损＝R， 由③式可知，要减小功率损失P损，就应当用高压输电或减小输电线的电阻R. 3.4 电能的输送 3. 从发电站输出的功率为 200kW，输电线的总电阻为 0.05 Ω ，用 1100 V 和 11 kV 两种电压输电。试估算两种情况下输电线上由电阻造成的电压损失。 解：用1100 V电压输电，输电线上电流 I1＝＝181.8A， 输电线上由电阻造成的电压损失为 U1＝I1R＝9.09 V. 用11 kV电压输电，输电线上电流 I2＝＝18.2 A， 输电线上由电阻造成的电压损失为 U2＝I2R＝0.91V. 3.4 电能的输送 4.如果用220 V和11 kV两种电压来输电，设输送的电功率、输电线上功率损失、导线的长度和电阻率都相同，求导线的横截面积之比。 解：设输送的电功率为P、输电电压为U、输电线上的功率损失为 ∆P、导线长度为 l、导线的电阻率为 ρ 、导线的横截面积为 S， 则有 ∆P＝I2R＝()2ρ， 因为 P、 ∆P、l、 ρ 各量都是相同的，所以横截面积 S 与输电电压 U 的二次方成反比， 所以有 ＝＝＝2500∶1 . 3.4 电能的输送 5. 某个小水电站发电机的输出功率为100kW，发电机的电压为250V。通过升压变压器升压后向远处输电，输电线的总电阻为89在用户端用降压变压器把电压降为220V。要求在输电线上损失的功率控制在5kW(即用户得到的功率为95 kW)。请你设计两个变压器的匝数比。为此，请你计算： (1)降压变压器输出的电流为多少?输电线上通过的电流是多少? (2)输电线损失的电压为多少?升压变压器输出的电压是多少? (3)两个变压器的匝数比各应等于多少? 3.4 电能的输送 (1)降压变压器输出的电流为多少?输电线上通过的电流是多少? 解：输电原理如图所示. 降压变压器输出的电流，也就是用户得到的电流 I用＝＝ A＝4.32×102A， 输电线上通过的电流为I2，因为∆P＝I22r，所以I2＝＝A＝25A. 3.4 电能的输送 (2)输电线损失的电压为多少?升压变压器输出的电压是多少? 解：输电线上损失的电压为 U损，U损＝I2r＝25×8 V＝200 V，又升压变压器的输入功率等于输出功率， 故 P1＝P2＝I2U2. 所以 U2＝＝ V＝4×103V. 3.4 电能的输送 (3)两个变压器的匝数比各应等于多少? 解：升、降压变压器的匝数比分别为 ＝＝ ＝， ＝＝＝ ＝. 3.4 电能的输送 结束 人教物理选择性必修第二册 End! 3.4 电能的输送 $