1、4.电能的输送课 程 标 准素 养 目 标知道远距离输电时通常采用高压输电的原因。1.了解输电线上电能损失的影响因素和远距离高压输电的原理。（物理观念）2.知道远距离输电线路的基本构成，会对简单的远距离输电线路进行计算。（科学思维）3.探究电压损失、功率损失的关系。（科学探究）4.知道交变电流从发电站到用户的输电过程。（科学态度与责任）必备知识自主学习一、降低输电损耗的两个途径我国很多发电厂建在能源聚集的西部地区，而用电量大的城市多在东部沿海地区。探讨：从发电厂到用电量大的区域的远距离输电中，如何减少电能的损耗？提示：（1）减少输电线的电阻。（2）减少输电线中的电流。1.输送电能的基本要求：（
2、1）可靠：指保证_可靠地工作，少有故障。（2）保质：保证电能的质量电压和_稳定。（3）经济：指输电线路建造和运行的费用_，电能损耗_。供电线路频率低少2.降低输电损耗的两个途径：要减少输电线路上的功率损失，由公式P损I2R线知，必须减小输电线_或减小输电_。（1）要减小电阻，从R看，在输电距离一定的情况下，可以增大导线的_，但过粗的导线会耗费太多的金属材料，同时也给铺设线路带来困难；还可以选用_较小的导体。（2）从公式PUI来看，在保证功率不改变的情况下，要减小输电电流就必须提高_。Sl电阻电流横截面积电阻率输电电压3.高压输电：（1）现代远距离输电都采用高压输电。目前我国远距离送电采用的电压
3、有110 kV、220 kV、330 kV，输电干线已采用500 kV和750 kV的超高压，西北电网甚至达到1 100 kV的特高压。（2）高压输电并不是越高越好。电压越高，对输电线路绝缘性能和变压器的要求就越高，线路修建费用会增多。（3）实际输送电能时要综合考虑输送功率、距离、技术和经济等要求选择合适的输电电压。二、电网供电1.远距离输电基本原理：在发电站内用_变压器升压，然后进行远距离输电，在用电区域通过_变压器降到所需的电压。2.电网：通过网状的输电线、_，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_。升压降压变电站网络3.电网输电的优点：（1）降低一次能源的运输成本，获得
4、最大的经济效益。（2）减小_的风险，调剂不同地区电力供需的平衡，保障供电的质量。（3）合理调度电力，使_的供应更加可靠，质量更高。断电电力（4）关于电能的输送解释符合科学实际的有：_。输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电线电流的平方成正比。由P可知，输电电压越小，输电线上电功率的损失就越小。使用变压器进行远距离输电，用户得到的电压可以高于发电机输出的电压。远距离输电时，若升压变压器匝数比为1n，降压变压器匝数比为n1，则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等。2Ur【易错辨析】（1）输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电线电流的平方成正比。（）（2）由P可知，
5、输电电压越小，输电线上的电功率损失就越小。（）（3）使用变压器进行远距离输电，用户得到的电压可以高于发电机输出的电压。（）（4）远距离输电时，若升压变压器匝数比为1n，降压变压器匝数比为n1，则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等。（）2Ur关键能力合作学习知识点一 电能输送中的电压损失和电能损耗1.输电线上的电功率损失：（1）原因：输电导线有电阻 R 线，电流流过输电线时，电流的热效应引起电功率的损失。（2）计算式：P 线I2R 线；P 线U 线 I；P 线U2线R线。2.输电线上的电压损失：若用 U 表示输电线始端电压，U表示输电线末端电压，则 U 线UU或U 线IR 线。3.电
6、压损失与输电电压的关系：如果远距离输电的电功率 P 不变，输电电压为 U，输电导线电阻为 R 线，则输电导线上发热损失的功率 P 损I2R 线（PU）2R 线，因此输电电压若提高到 nU，则 P 损将降低为原来的 1n2。如图所示，假定发电厂输出的电压为 U，输送功率为 P，输电线路中的电流是 I，两条导线的总电阻是 r（在图中把导线电阻集中画为 r）。（1）用户两端的电压是多大？（2）用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗？（3）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？降低功率损耗有哪些途径？提示：（1）UUUUPU r。（2）不相等，由能量守恒知，发电厂输出的电能等于用户得到
7、的电能与输电线上损失的电能之和。（3）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：PI2rP2U2 r，所以降低功率损耗的两个途径为：减小输电线的电阻 r；减小输电电流 I，即提高输电电压 U。【典例】某变电站用 220 V 的电压输电，导线上损失的功率为输送功率的 20%。若要使导线上损失的功率降为输送功率的 5%，则输电电压应为多少？【解题探究】降低功率损耗方便、可行的途径是什么？提示：减小输电电流 I，即提高输电电压 U。【解析】设输送功率为 P，输电电压 U1220 V 时，损失功率 P120%P又因为 P1
8、I21 R 线，I1 PU1解得 P1 P2U21R 线现要求 P25%P，同理 P2 P2U22R 线因此可得P1P2 20%5%U22U21所以 U22U1440 V。答案：440 V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 U。（1）P 损UIU2R线，U 是输电线两端的电压，即输电线上损失的电压。（2）P 损（PU）2R 线，U 是指输电电压，即从发电站发出后，经过变压器升高后的电压。1.（母题追问）在【典例】中，若输电电压不变，输电线的电阻应变为原来的多少倍？提示：PI2R 线，则P1P2 20%
9、5%R线1R线241输电线的电阻应变为原来的14。2.中国输电工程目前是世界上电压最高的，假设甲、乙两地原来用 500 kV 的超高压输电，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，不考虑其他因素的影响。则（）A输电电流变为原来的 2 倍B输电线上降落的电压将变为原来的 2 倍C输电线上降落的电压将变为原来的12D输电线上损耗的电功率将变为原来的12【解析】选 C。根据输送电功率 P 输U 输 I 输及 P 输不变可知，输电电流 I 输P输U输1U输，当 U 输变为原来的 2 倍时，I 输变为原来的12，选项 A 错误；输电线上降落的电压 U 降I 输
10、R 线I 输，所以，当输电电流变为原来的12 时，输电线上降落的电压也变为原来的12，选项 B 错误，C 正确；输电线上损耗的电功率 P 损I2输 R 线I2输，所以输电线上损耗的电功率将变为原来的14，选项 D 错误。3.（多选）（2020全国卷）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 P，到达 B 处时电压下降了 U。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 P，到达 B 处时电压下降了
11、 U。不考虑其他因素的影响，则（）AP14 P BP12 PCU14 U DU12 U【解析】选 A、D。由电功率公式得 PI2R，输电线上电压下降 UIR，输电电流为 IPU，在输送的电功率和输电线电阻都不变时，U 变为原来的 2 倍，电流变为原来的12，则 P14 P，U12 U，选项 A、D 正确，B、C 错误。【加固训练】远距离输电，输电功率一定，当输电电压为 U0 时，输电线上的电流为 I0，损失的电功率为 P0。则当输电电压提高为 2U0 时（）A由 IUR 得，输电线上的电流变为 2I0B由 IPU 得，输电线上的电流变为I02C由 PU2R 得，输电线上损失的电功率为 4P0D
12、由 PUI 得，输电线上损失的电功率为 2P0【解析】选 B。设输电线的电阻为 R，当输电线上的电流为 I0 时，损失的电功率为P0I20 R。当输电电压提高为 2U0 时，由 IPU 可知输电线上的电流变为I02，输电线上损失的电功率为 P 损（I02）2RP04，故选项 B 正确。知识点二 远距离高压输电过程的分析与计算1.远距离输电的几个基本关系式：（1）功率关系：P1P2，P2P 损P3，P3P4。（2）电压关系：U1U2 n1n2，U2U 线U3，U3U4 n3n4。（3）电流关系：I1I2 n2n1，I2I 线I3，I3I4 n4n3。（4）输电电流：I 线P2U2 P3U3 U线
13、R线U2U3R线。（5）输电导线上损耗的电功率：P 损P2P3I2线 R 线U2线R线U 线 I 线。（6）输电导线上的电压损失：U 线I 线 R 线U2U3。2.两个联系：（1）线圈 1（匝数为 n1）和线圈 2（匝数为 n2）中各个量间的关系是：U1U2 n1n2，I1n1I2n2，P1P2。（2）线圈 3（匝数为 n3）和线圈 4（匝数为 n4）中各个量间的关系是：U3U4 n3n4，I3n3I4n4，P3P4。3.掌握一个定律：根据能量守恒定律得 P2PP3。某发电站向远处送电的示意图如图所示，其中各部分的物理量已在图上标注，在这个电路中包括三个回路。（1）结合闭合电路的知识，分别分析
14、三个回路中各物理量之间的关系（发电机内阻、n1、n2、n3、n4 线圈的电阻均忽略不计）。（2）若两个变压器均为理想变压器，则每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系？提示：（1）第一个回路：P1U1I1第二个回路：U2UU3，P2PP3I2线 RP3第三个回路：P4U4I4（2）U1U2 n1n2、I1I2 n2n1、P1P2；U3U4 n3n4、I3I4 n4n3、P3P4【典例】发电机两端的电压为220 V，输出功率为44 kW，输电导线的总电阻为0.2，如果用原、副线圈匝数比为 110 的升压变压器升压，经输电线后，再用原、副线圈匝数比为 101 的降压变压器降压供给用户。（1）画出全
15、过程的线路示意图；（2）求用户得到的电压和功率；（3）若不经过变压而直接送给用户，求用户得到的电压和功率。【审题关键】序号解题依据信息提取交变电流的规律输电电压 220 V理想变压器的规律输出功率 4.4104 W电阻的特点输电线电阻 R 线0.2【解析】（1）线路示意图如图甲所示（2）由图甲可知，升压变压器副线圈两端的输出电压U2n2n1 U12 200 V。据理想变压器 P 入P 出，则升压变压器副线圈的输出电流I2 PU2 441032 200 A20 A，输电线上的功率损失和电压损失分别为P 损I22 R 线2020.2 W80 W，U 损I2R 线200.2 V4 V，所以降压变压器
16、原线圈的输入电压和电流分别为U3U2U 损2 200 V4 V2 196 V，I3I220 A降压变压器副线圈的输出电压和电流分别为U4n4n3 U3 110 2 196 V219.6 V，I4n3n4 I31020 A200 A用户得到的功率为P4U4I4219.6200 W4.392104 W。（3）若直接给用户供电，线路示意图如图乙所示，则输电电流 I PU1 44103220 A200 A。输电线路上的电压损失 U损IR 线2000.2 V40 V。所以用户得到的电压U2U1U损220 V40 V180 V。用户得到的功率为PU2I180200 W3.6104 W答案：（1）见解析图（
17、2）219.6 V 4.392104 W（3）180 V 3.6104 W处理远距离输电的方法技巧（1）画好一张图远距离输电示意图（2）抓住电两端发电站和用户（3）分析一条线输电线（4）研究两次变升压变压器升压和降压变压器降压（5）区分三个量输送电压（功率）、损失电压（功率）、用户电压（功率）1.（2021江苏适应性测试）小明分别按照图 1 和图 2 电路探究远距离输电的输电损耗，将长导线卷成相同的两卷 A、B 来模拟输电线路，忽略导线的自感作用。其中 T1 为理想升压变压器，T2 为理想降压变压器，两次实验中使用的灯泡相同，灯泡的电压相等。两次实验中（）A.都接直流电源BA 两端的电压相等C
18、A 损耗的功率相等D图 1 中 A 的电流较大【解析】选 D。变压器不能改变直流电电压，A 错误；两次灯泡电压相等，电流也一定相等，因为n1n2 I2I1 所以图 1 流过 A 的电流大于图 2 流过 A 的电流，PI2R，图 1线圈 A 消耗的功率大于图 2 线圈 A 消耗的功率，C 错误，D 正确；由 UIR 可知图1A 两端的电压大，B 错误。2.（2021济南高二检测）如图所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压及输电线的电阻 R 均不变。在用电高峰期，发电厂输出功率将增大，下列说法正确的是（）A.升压变压器副线圈中电流变小B降压变压器副线圈中电
19、流变小C输电线上损耗的功率减小D用户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例减小【解析】选 D。发电厂输出功率增大，根据 PUI 知，输出电压不变，则升压变压器原线圈中的电流增大，则副线圈中的电流也增大，故 A 错误；用电高峰期时，用电器增多，则降压变压器中电流变大，故 B 错误；升压变压器副线圈中的电流等于输电线中的电流，则输电线中的电流增大，根据 P 损I2R 知，输电线上损失的功率增大，故 C 错误；用户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例PP损P1I2RU2I 1UU2，因为输电线上的电流增大，则电压损失增大，U2 不变，所以用户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例减小，故 D 正确。【加固训练
20、】如图所示，某发电厂通过升压变压器和降压变压器向远距离输送电能，假设输电线路电阻发热是电能损失的唯一原因。若远距离输电电压加倍，其他条件不变，下列说法正确的是（）A.输电线上的电流加倍B输电线上的电能损失加倍C输电线上的电能损失是原来的12D输电线上的电能损失是原来的14【解析】选 D。输电线上输送的功率一定，根据 PUI 知输电电压越高，输电电流越小，若输送电压提高到原来的 2 倍，则输电线上的电流减小到原来的12，根据 P 损I2R 可知，输电线上的电能损失为原来的14，故 D 正确，A、B、C 错误。【拓展例题】考查内容：远距离输电与交变电流图像的综合应用【典例】如图甲是远距离输电线路示
21、意图，图乙是用户端电压随时间变化的图像，则（）A.发电机产生的交流电的频率是 100 HzB降压变压器输出的电压有效值是 340 VC输电线中的电流仅由输送功率决定D仅增加升压变压器的副线圈匝数，其他条件不变，输电线上损失的功率减小【解析】选 D。根据电压随时间变化的关系，由图乙可知，T0.02 s，故 f1T 10.02 Hz50 Hz，故 A 错误；由图像可知交流电压的最大值为 Um340 V，因此其有效值为 U3402 V，故 B 错误；根据 PUI，输电线中的电流与输送功率和输电电压有关，故 C 错误；保持升压变压器原线圈匝数不变，增加副线圈匝数，输出电压增大，损失的功率为 P（PU输
22、）2R，损失功率减小，故 D 正确。情境模型素养北京奥运会场馆的建设体现了“绿色奥运”的理念。作为北京奥运会主场馆之一的国家体育馆“鸟巢”拥有 9.1 万个座位，其扇形屋面和大面积的玻璃幕墙不仅给人以赏心悦目之感，还隐藏着一座年发电量约为 98 550 kWh 的太阳能光伏发电系统，供给体育馆内的照明灯等使用。假如该发电系统的输出功率为 1105 W。探究：（1）按平均每天太阳照射 6 h 计，该发电系统一年（365 天计）能输出多少电能？（2）假若发电系统的输出电压为 250 V，现准备向远处输电。所用输电线的总电阻为 R 线8，要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的 5%，用户
23、获得 220 V 电压。求应选用匝数比为多大的升压变压器和降压变压器。【解析】（1）由题意可以知道：P1.0105 W，时间为：t3656 h36563 600 s，一年能输出电能为 EPt1.010536563 600 J7.8841011 J（2）依题意作出如图输电示意图当输电线上损失的电功率为输送电功率的 5%时，输电线中的电流为 I2，I1 P250 400 A，根据 5%PI22 R 线，解得 I225 A，升压变压器的匝数比为n1n2 I2I1 25400 116，降压变压器 T2 副线圈中电流 I4，即为提供给所有用户的总电流 I 总，用户获得的总功率为 P 用P5%P95%P，
24、又 P 用U4I 总U4I4，所以 I495%PU40.951105220431.8 A，其原线圈中电流 I3I225 A，降压变压器的匝数比为n3n4 I4I3 431.82517.31。答案：（1）7.8841011 J（2）升压变压器的匝数比为：116 降压变压器的匝数比为：17.31近年来为响应国家“精准扶贫，产业扶贫”的战略，投资 2.35 亿建设 30 兆瓦光伏发电，光伏发电成为精准扶贫的新途径。如图是所建光伏发电项目，该项目一期光伏发电机总输出功率为 8 000 kW，输出电压为 500 V，先后经过升压变压器和降压变压器传输到用户。设输电线的总电阻为 8，要求输电线中因发热而损
25、失的功率为输送功率的4%，用户需要的电压为 220 V，不计变压器的能量损耗。探究：（1）升压变压器的输出电压；（2）升压变压器和降压变压器原、副线圈的匝数比。【解析】（1）损失的功率：P4%P4%8106 W3.2105 W设输电线上的电流为 I2，根据 PI22 r 得 I2200 A升压变压器的输出电压为：U2PI2 8106200 V4104 V（2）升压变压器原、副线圈的匝数比为：n1n2 U1U2 50040 000 180电线上损失的电压为：UI2r2008 V1 600 V降压变压器原线圈两端的电压为：U3U2U3.84104 V降压变压器原、副线圈的匝数比为：n3n4 U3U
26、4 3.841042201 92011答案：（1）4104 V（2）180 1 92011课堂检测素养达标1.某水电站，用总电阻为 5 的输电线给 940 km 外的用户送电，其输出电功率是3.3105 kW。现用 110 kV 的电压输电，则下列说法正确的是（）A输电线上输送的电流大小为 3105 AB输电线上损失的电压为 15 kVC该输电系统的输电效率为 95%D若改用 11 kV 电压输电，则输电线上损失的功率为 4.5108 kW【解析】选 B。IPU 3.31081.1105 A3103 A，故 A 错误；U 损IR31035 V15 kV，故 B 正确；P 损I2R（3103）2
27、5 W4.5107 W，PP损P100%86%，故 C 错误；损失的功率大于输出的功率，所以 D 错误。2.超高压输电是指使用 5001 000 kV 电压等级输送电能。超高压输电与普通高压输电（500 kV 以下）在建设和输送成本方面有大幅度降低。如果输送相同的电功率，则（）A超高压输电电流更大B超高压输电频率更高C超高压输电电能损耗会更多D电能损耗相同的情况下，超高压输电线截面积可以更小【解析】选 D。根据 PU 输 I 线输送相同的电功率，当输电电压增大时，则电流变小，A 错误；输电频率与输送电压无关，B 错误；根据 P 损I2线 R 线，线上电流减小，损失减小，C 错误；超高压输电线截
28、面积变小，根据 RlS 电阻增大，根据 P 损I2线R 线输电电压增大时，则电流变小，电阻增大，则电能损耗可以相同，D 正确。3.（多选）（2021青岛高二检测）某小型水电站的电能输送示意图如图所示，发电机的输出电压为200 V，输电线总电阻为 r，升压变压器原、副线圈匝数分别为 n1、n2。降压变压器原、副线圈匝数分别为 n3、n4（变压器均为理想变压器）。要使额定电压为 220 V 的用电器正常工作，则（）A.n2n1 n3n4Bn2n1 n3n4C升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压D升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率【解析】选 A、D。U2U1 n2n1，U3U4 n
29、3n4，因为 U1200 VU4220 V，U2U3U2U 线，故n2n1 n3n4，选项 B、C 错误，A 正确；由于输电线上的功率损耗，故升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率。P 出P 损P 入，故 D 正确。【加固训练】远距离输电的原理图如图所示，升压变压器原、副线圈的匝数分别为 n1、n2，电压分别为 U1、U2，电流分别为 I1、I2，输电线上的电阻为 R。降压变压器原、副线圈的匝数分别为 n3、n4，电压分别为 U3、U4，电流分别为 I3、I4。变压器为理想变压器，则下列关系式中正确的是（）A.I1I2 n1n2B输入用户的电功率为 I2U2I23 RC夜间用户用电量增大
30、时，I3 会变小DI1U1I3U3【解析】选 B。升压变压器电流之比等于匝数的反比；故有I1I2 n2n1，选项 A 错误；升压变压器副线圈的功率 P2I2U2，输电线上损耗的功率 P 损I22 RI23 R，所以降压变压器原线圈的功率 P3I2U2I23 R，输入用户的电功率等于降压变压器原线圈的功率 P4P3I2U2I23 R，选项 B 正确；如果用户用电功率增加，使得电路中的电流强度 I4 增大，降压变压器匝数不变，则 I3 会增大，选项 C 错误；升压变压器原线圈的输出功率等于副线圈的电功率，有 I1U1I2U2，I3U3I4U4，而 I3U3I2U2I23 R，所以 I1U1I3U3
31、，选项 D 错误。4.（2021烟台高二检测）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，发电机输出的电功率为 P500 kW，当使用 U5 kV 的电压输电时，测得安装在输电线起点和终点处的两只电度表一昼夜示数相差 4 800 kWh。（1）求输电线上的电流 I、输电线的总电阻 r 和输电线上损失的电压 U 损。（2）若想把损失功率控制为输送功率的 1.6%，又不改变输电线，那么发电站应使用多高的电压向外输电？输电线上损失的电压是多少？【解析】（1）输电线上损失的功率P 损W损t4 80024 kW200 kW输电线上的电流 IPU 100 A由输电线上损失的功率 P 损I2r得输电线的总电阻 r20 输电线上损失的电压 U 损Ir2 000 V；（2）由题意知损失功率 P 损P1.6%8 kW，由 P 损I2r得输电线上的电流 I20 A输送电压 UPI 25 kV输电线上损失的电压 U 损Ir400 V。答案：（1）100 A 20 2 000 V（2）25 kV 400 V
