資源簡介

4．電能的傳輸
1．理解遠距離輸電時決定電能損耗的因素，理解高壓輸電的原因。
2．知道遠距離輸電線路的基本構成，會對簡單的遠距離輸電線路進行計算。
3．知道直流輸電的優點和意義。
知識點一　電能輸送中的電壓損失和電能損耗
1．電壓損失
(1)損失原因：導線自身存在電阻r。
(2)電壓損失大小：U損＝Ir。
2．輸電線上的功率損耗
(1)輸電線上的功率損耗：P損＝I2r，I為輸電電流，r為輸電線的電阻。
(2)降低輸電損耗的兩個途徑
①減小輸電線的電阻，即在輸電線長度l和材料一定的情況下，通過增大導線橫截面積S來實現。
②減小輸電電流I，即在輸送功率一定的情況下，由P＝UI知，可以通過提高輸電電壓U來減小I。
知識點二　遠距離輸電系統
1．基本環節
2．電路原理圖
　用戶得到的電能與發電站輸出的電能相等嗎？
提示：不相等，在送電過程中輸電線上有電阻，損失一部分電能。
知識點三　直流輸電
1．直流輸電的優點：不存在電感和電容引起的電壓及電能損失。
2．直流輸電的基本過程：在發電站區域經變壓器升壓，由整流設備將交流電變成直流電，用高壓直流電進行遠距離傳輸，在用戶區域由逆變器將直流電變回交流電，經變壓器降壓送給用戶。
3．直流輸電示意圖
　高壓交流輸電和高壓直流輸電的優缺點？
提示：高壓交流輸電方便升壓、降壓，缺點是受電容、電感影響較大，同一電網發電機必須同步運行。高壓直流輸電不受電容、電感影響，但不方便升壓、降壓。
[預習體驗]
思考辨析(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)僅僅從減少能量損耗的角度看，輸送功率一定的情況下，輸電電壓越高，損耗的能量越少。 (√)
(2)在輸送功率和輸電電壓一定，使用同種材料的導線時，越粗的導線損失的電壓越小。 (√)
(3)直流輸電的優點是不存在電能損失。 (×)
(4)直流輸電過程中電路中始終是直流電。 (×)
中國的特高壓直流輸電技術世界領先。世界首個海拔4 000米以上的高海拔特高壓直流試驗線段工程——中國電力科學研究院西藏高海拔特高壓直流試驗線段順利通過驗收。該試驗線段具備高海拔苛刻條件下±500千伏、±800千伏、±1 100千伏、±1 300千伏直流及1 000千伏交流特高壓工程試驗能力，當之無愧地成了目前世界上海拔最高、電壓等級最高、功能最全的特高壓試驗基地。如圖所示，輸送功率為P，發電廠輸出的電壓為U，兩條導線的總電阻是r，在圖中把導線電阻集中畫為r，請思考：
(1)輸電線中的電流為多少？在發電廠輸送功率一定時，輸電線中的電流與輸電線電阻及用電器電阻有關系嗎？
(2)輸電線上功率損失的表達式是什么？
(3)為什么遠距離輸電必須用高壓呢？
提示：(1)發電廠相當于一個電源，由P＝UI可知，輸電線中電流為I＝，在發電廠輸送功率一定時，輸電線中的電流與輸電線電阻及用電器電阻無關。
(2)功率損失表達式ΔP＝I2r＝r。
(3)因為發電廠的輸出功率P是一定的，由P＝UI得，要減小能量損耗，就要減小輸電電流I，必須提高輸出電壓U。
考點1　輸電線上電壓和功率損失的計算
1．輸電線上的電功率損失
(1)原因：輸電導線有電阻R線，電流流過輸電線時，電流的熱效應引起電功率的損失。
(2)計算式：①P線＝I2R線；②P線＝IU線；③P線＝。
2．輸電線上的電壓損失
若用U表示輸電線始端電壓，U′表示輸電線末端電壓，則U線＝U－U′或U線＝IR線。
3．電壓損失與輸電電壓的關系
如果遠距離輸電的電功率P不變，輸電電壓為U，輸電導線電阻為R線，則輸電導線上發熱損失的功率P損＝I2R線＝R線，因此輸電電壓若提高到nU，則P損將減為原來的。
4．注意：交流輸電時，導線不但有電阻，還有線路的電感、電容產生的感抗和容抗，但高中階段計算中，可將輸電線看作純電阻電路，不再考慮感抗和容抗對交流電路的影響。
【典例1】　某變電站用220 V的電壓輸電，導線上損失的功率為輸送功率的20%。若要使導線上損失的功率降為輸送功率的5%，則輸電電壓應為多少？
[解析]　設輸送功率為P，輸電電壓U1＝220 V時，損失功率ΔP1＝20%P
又因為ΔP1＝R線，I1＝
解得ΔP1＝R線
現要求ΔP2＝5%P，同理ΔP2＝R線
因此可得
所以U2＝2U1＝440 V。
[答案]　440 V
[母題變式]　
在[典例1]中，若輸電電壓不變，輸電線的電阻應變為原來的多少倍？
提示：ΔP＝I2R線
則
輸電線的電阻應變為原來的。
[答案]　
　計算輸電線上損失的功率時，要注意區分兩個電壓：輸電電壓(輸電線始端的電壓)U和輸電線上的損失電壓ΔU。
(1)P損＝ΔUI＝，ΔU是輸電線兩端的電壓差，即輸電線上損失的電壓。
(2)P損＝R線，U是指輸送電壓，即從發電站發出后，經過變壓器升高后的電壓。
[跟進訓練]
1．分時電價政策把全天用電分成高峰、平段、低谷三個時間段，按用電的不同時段來收取不同價格的電費，起到優化用電方式的作用。若發電站向某城市輸電時，用電高峰段的輸送功率是低谷段的n倍，假設輸電線電阻不變，若要使輸電線損失功率不變，則高峰段輸送電壓為低谷段輸送電壓的(　　)
A．n倍　 　B．n2倍　 　C．倍　 　D．倍
A　[輸電線上的損失功率為P損＝I2r線，若要使輸電線損失功率不變，則輸電線中的電流保持不變，由于高峰段的輸送功率為低谷段的n倍，根據P＝UI可知，高峰段輸送電壓變為低谷段的n倍。故選A。]
考點2　遠距離輸電
1．遠距離輸電的幾個基本關系式
(1)功率關系：P1＝P2，P2＝P損＋P3，P3＝P4。
(2)電壓關系：，U2＝U線＋U3，。
(3)電流關系：，I2＝I線＝I3，。
(4)輸電電流：I線＝。
(5)輸電導線上損耗的電功率：
P損＝P2－P3＝R線＝＝U線I線。
(6)輸電導線上的電壓損失：
U線＝I線R線＝U2－U3。
2．兩個聯系
(1)線圈1(匝數為n1)和線圈2(匝數為n2)中各個量間的關系是：，I1n1＝I2n2，P1＝P2。
(2)線圈3(匝數為n3)和線圈4(匝數為n4)中各個量間的關系是：，I3n3＝I4n4，P3＝P4。
【典例2】　風力發電作為新型環保新能源，近幾年來得到了快速發展，風車陣中發電機輸出功率為100 kW，輸出電壓是250 V，用戶需要的電壓是220 V，輸電線電阻為10 Ω。若輸電線因發熱而損失的功率為輸送功率的4%，試求：
(1)在輸電線路中設置的升、降壓變壓器原、副線圈的匝數比；
(2)用戶得到的電功率是多少。
[解析]　(1)輸電線損失的功率P損＝P×4%＝100 kW×4%＝4 kW
輸電線電流I2＝ A＝20 A
升壓變電器輸出電壓U2＝ V＝5×103 V
升壓變壓器原、副線圈匝數比
電壓損失U損＝I2R線＝20×10 V＝200 V
降壓變壓器原線圈兩端電壓U3＝U2－U損＝4 800 V
降壓變壓器原、副線圈匝數比。
(2)用戶得到的電功率即降壓變壓器的輸出功率為
P用＝P－P損＝P(1－4%)＝100×96% kW＝96 kW。
[答案]　(1)1∶20　240∶11　(2)96 kW
　處理遠距離輸電的方法技巧
(1)畫好一張圖——遠距離輸電示意圖
(2)抓住電兩端——發電站和用戶
(3)分析一條線——輸電線
(4)研究兩次變——升壓變壓器升壓和降壓變壓器降壓
(5)區分三個量——輸送電壓(功率)、損失電壓(功率)、用戶電壓(功率)
[跟進訓練]
2．現輸送4.0×106 W的電能，若發電機輸出電壓為2 000 V，選用變壓器升壓后應用橫截面積為4.25 cm2的銅導線，把電能送到400 km遠處，線路損耗的功率為5.0×105 W。若已知銅的電阻率ρ＝1.7×10－8 Ω·m，則：
(1)應選用匝數比為多少的升壓變壓器？
(2)在用戶方使用降壓變壓器，其原線圈兩端的電壓為多大？
[解析]　(1)由P＝I2R得I＝，式中P為線路損耗功率，R為線路總電阻，兩條導線總電阻R＝
則R＝1.7×10-8× Ω＝32 Ω
所以I＝＝125 A
因為P輸入＝P輸出，所以在升壓變壓器副線圈兩端的電壓為U2＝＝3.2×104 V
故。
(2)設U2′為降壓變壓器原線圈兩端的電壓，則
U2′＝U2－IR＝2.8×104 V。
[答案]　(1)1∶16　(2)2.8×104 V
1．在遭遇特大冰雪災害時，高壓電線覆冰后有成人大腿般粗，為清除高壓輸電線上的凌冰，有人設計了這樣的融冰思路：利用電流的熱效應除冰。若在正常供電時，高壓線上送電電壓為U，電流為I，熱損耗功率為ΔP；除冰時，輸電線上的熱損耗功率需變為9ΔP，假定輸電功率及輸電線電阻均不變，則除冰時(　　)
A．輸電電流為3I 　 B．輸電電流為9I
C．輸電電壓為3U 　 D．輸電電壓為0.5U
A　[由變壓器原理可知輸入功率與輸出功率是相同的。在正常供電即輸入電功率不變的情況下，輸出電功率也是不變的，即P＝UI恒定；在正常供電時有ΔP＝I2R，除冰時有9ΔP＝I′2R，聯立解得I′＝3＝3I，又P＝UI，可知當功率不變的情況下，電流變成原來的3倍時電壓縮小3倍，即U′＝，故A選項正確，B、C、D選項錯誤。]
2．下列關于減小遠距離輸電導線上熱損耗的說法中，正確的是(　　)
A．因為熱功率P＝，所以應降低輸送電壓，增大輸電導線電阻，才能減小輸電導線上的熱損耗
B．因為熱功率P＝IU，所以應采用低電壓、小電流輸電，才能減小輸電導線上的熱損耗
C．因為熱功率P＝I2R，所以可采用減小輸電線電阻或減小輸送電流的方法來減小輸電導線上的熱損耗
D．以上說法均不正確
C　[輸電導線上的熱損耗若用P＝或P＝IU公式表示，則U必須為輸電線上等效電阻兩端的電壓，并不是輸電電壓，選項A、B均錯誤；輸電導線上的熱損耗若用P＝I2R，I為輸電電流、R為輸電線電阻，所以減小輸電線電阻或減小輸送電流的方法可以減小輸電導線上的熱損耗，選項C正確，選項D錯誤。]
3．一臺柴油發電機給災民臨時安置區供電，如圖所示。發電機到安置區的距離是400 m，輸電線路中的火線和零線均為GBCZ60型單股銅導線，該型號導線單位長度的電阻為2.5×10-4 Ω，安置區家用電器的總功率為44 kW，當這些額定電壓為220 V的家用電器都正常工作時，(已知該柴油發電機發出的是正弦交變電流)求：
(1)輸電線路中的電流；
(2)輸出電壓最大值；
(3)在輸電線路上損失的電功率。
型號 AED6500S
輸出電壓范圍 220～300 V
最大輸出功率 60 kW
[解析]　(1)當這些額定電壓為220 V的家用電器都正常工作時，輸電線路中的電流為I＝＝200 A。
(2)導線電阻為R＝2.5×10-4×400×2 Ω＝0.2 Ω
則發電機的實際輸出電壓為U輸＝U＋IR＝260 V
其輸出電壓的最大值是Um＝U輸≈368 V。
(3)在輸電線路上損失的電功率為P損＝I2R＝8 kW。
[答案]　(1)200 A　(2)368 V　(3)8 kW
回歸本節知識，自我完成以下問題：
(1)減小輸電線功率損失有哪些方法？
提示：采用高壓輸出，降低輸電電流或者減小輸電電阻以減小輸電線功率損失。
(2)遠距離輸電過程中功率關系怎樣？若用戶消耗的功率增大，輸送功率和損耗的功率怎么變化？
提示：P輸＝P損＋P用，用戶消耗的功率增大，輸送功率和損耗的功率都增加。
課時分層作業(十二)　電能的傳輸
?題組一　輸電線上電壓和功率損失的計算
1．“西電東輸”工程中，為了減少輸電損耗，必須提高輸電電壓。從西部某電站向華東某地區輸送的電功率為106 kW，輸電電壓為1 000 kV，輸電線電阻為100 Ω。若改用超導材料作為輸電線，則可減少輸電損耗的功率為(　　)
A．105 kW 　B．104 kW 　C．106 kW 　D．103 kW
A　[輸電電流I＝，輸電線路損耗的電功率P損＝I2r＝r＝1×105 kW；當改用超導材料輸電時，無電能損失，因此減少的輸電損耗就等于P損，A正確。]
2．用電壓U和KU分別輸送相同的電功率，且在輸電線上損耗的功率相同，導線長度和材料也相同，此兩種情況下導線的橫截面積之比為(　　)
A．K∶1 　B．1∶K 　C．K2∶1 　D．1∶K2
C　[由R＝ρ、P＝UI、ΔP＝I2R得ΔP＝，可見在其他物理量一定時，S與U2成反比，故C正確。]
3．若發電機產生的電壓經升壓變壓器后升高到100 kV，以10萬千瓦的功率(始終不變)經輸電線遠距離送往變電站，輸電線上損耗的功率為3000千瓦，則輸電線的總電阻為(　　)
A．3 Ω 　B．6 Ω 　C．9 Ω 　D．30 Ω
A　[根據題意可知變壓器的輸出電壓為100 kV，功率為10萬千瓦，則輸電線上的電流為I＝＝1 000 A，輸電線上損耗的功率P損＝I2R，解得R＝3 Ω，故選A。]
4．某用電器離供電電源的距離為l，線路上的電流為I。若要求線路上的電壓降不超過U。已知輸電導線的電阻率為ρ，那么該輸電導線的橫截面積的最小值是(　　)
A． 　B．I2ρ 　C． 　D．
C　[因為導線的總長度為2l，所以電壓降U＝IR＝，解得S＝，故選項C正確。]
5．發電站利用輸電線路遠距離輸送一定功率的交流電，若輸送電壓提高到原來的n倍，則(　　)
A．輸電線上損失的電壓減少到原來的
B．輸電線上損失的電壓減少到原來的
C．輸電線上損失的電能減少到原來的
D．輸電線上損失的電能不變
B　[輸送的功率一定，根據P＝UI可知輸電電壓越高，輸電電流越小，若輸送電壓提高到原來的n倍，則電流減小到原來的，根據ΔU＝Ir，可知輸電線上損失的電壓減少到原來的，故A錯誤，B正確；根據P損＝I2r可知輸電線上損失的功率減少到原來的，則輸電線上損失的電能減少到原來的，故C、D錯誤。]
?題組二　遠距離輸電
6．如圖所示為遠距離交流輸電的原理示意圖，其中各個物理量已經在圖中標出，下列說法正確的是(　　)
A．變壓器線圈的匝數關系為n1>n2，n3B．升壓變壓器可以提高輸電電壓，從而提高輸電總功率
C．輸電電路中的電流關系為I1>I線>I4
D．輸送功率不變時，輸電電壓越高，輸電線上損失的功率越小
D　[根據，又U1I線；根據，又U3>U4，則n3>n4，I線7．高壓輸電線是遠距離傳輸電能的重要組成部分，下列關于高壓輸電線的說法正確的是(　　)
A．輸電線應選用電阻率大的金屬材料制作
B．高壓輸電線比普通導線粗，目的是增大導線電阻
C．輸電線上方還有兩條導線，其作用是把高壓線屏蔽起來免遭雷擊
D．在輸送功率一定時，輸電線上損失的功率跟輸送電壓平方成正比
C　[輸電線應選用電阻率小的金屬材料制作，故A錯誤；高壓輸電線比普通導線粗，目的是減小導線電阻，故B錯誤；輸電線上方還有兩條導線，其作用是把高壓線屏蔽起來免遭雷擊，故C正確；在輸送功率一定時，電流I＝，則輸電線上損失的功率P′＝I2r＝r，輸電線上損失的功率跟輸送電壓的平方反比，故D錯誤。故選C。]
8．(多選)某小型水電站的電能輸送示意圖如圖所示，發電機通過升壓變壓器T1和降壓變壓器T2向用戶供電。已知輸電線的總電阻為R，降壓變壓器T2的原、副線圈匝數之比為4∶1，降壓變壓器副線圈兩端交變電壓u＝220 sin 100 πt(V)，降壓變壓器的副線圈與阻值R0＝11 Ω的電阻組成閉合電路。若將變壓器視為理想變壓器，則下列說法正確的是(　　)
A．通過R0電流的有效值是20 A
B．降壓變壓器T2原、副線圈的電壓之比為4∶1
C．升壓變壓器T1的輸出電壓等于降壓變壓器T2的輸入電壓
D．升壓變壓器T1的輸出功率等于降壓變壓器T2的輸入功率
AB　[T2副線圈兩端交流電壓u＝220sin 100πt(V)，電壓有效值為220 V，則通過R0的電流有效值I＝ A＝20 A，A正確；由原、副線圈電壓與匝數的關系知B正確；由于輸電線有電阻，所以升壓變壓器T1的輸出電壓和輸出功率大于降壓變壓器T2的輸入電壓和輸入功率，C、D錯誤。]
9．如圖甲所示，一個小型水力發電站，發電機輸出電壓U0＝250 V，內電阻可以忽略不計，最大輸出功率為Pm＝30 kW，它通過總電阻r線＝2.0 Ω的輸電線直接向遠處的居民區供電，設居民區所有用電器都是額定電壓U用＝220 V的白熾燈，總功率為P用＝22 kW，不計燈絲電阻隨溫度的變化。
(1)當居民區的電燈全部使用時，電燈兩端的電壓是多少伏？發電機實際輸出的電功率多大？
(2)若采用高壓輸電，在發電機端用升壓變壓器，在用戶端用降壓變壓器，且不計變壓器和用戶線路的損耗，已知用戶變壓器的降壓比為40∶1，如圖乙所示。當全部用戶電燈正常發光時，輸電線上損耗的功率多大？
[解析]　(1)由P用＝求得用戶總的電阻R用＝2.2 Ω
電路中的電流為I＝≈59.5 A
U燈＝IR用≈131 V
P輸＝U0I≈14.9 kW。
(2)P用＝U4I4，U4＝220 V
I4＝＝100 A
＝2.5 A
P損＝r線＝12.5 W。
[答案]　(1)131 V　14.9 kW　(2)12.5 W
10．(多選)我國西部山區建有許多水電站，極大改善了當地居民的生產、生活，如圖所示為某水電站遠距離輸電的原理圖。T1為升壓變壓器，其原、副線圈匝數比為k1，輸電線總電阻為R，T2為降壓變壓器，其原、副線圈匝數比為k2，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發電機輸出的電壓恒為U，若由于用戶端用戶數量變化，使得輸電線輸送電流增加ΔI。則下列說法正確的是(　　)
A．輸電線損失的功率增加(ΔI)2R
B．用戶端電壓減少了ΔI·R
C．發電機輸送功率增加k1UΔI
D．用戶端電壓減少量與用戶端電流增加量的比值不隨ΔI的變化而變化
BD　[根據焦耳定律，輸電線損失的功率為P＝I2R，則輸電線損失的功率增加量為ΔP＝(I＋ΔI)2R－I2R＝ΔI2R＋2ΔIIR，故A錯誤；根據理想變壓器的規律有＝k2，由閉合電路歐姆定律有U2＝IR＋U3，聯立得＝IR＋k2U4，電流增加ΔI，則有＝(I＋ΔI)R＋k2U′4，兩式相減得ΔU4＝U4－U′4＝，故B正確；根據理想變壓器的規律有，則I1＝I，ΔI1＝·ΔI，發電機輸送功率的增加量為ΔP＝UI′1－UI1＝U·ΔI1＝U，故C錯誤；用戶端電壓減少量與用戶端電流增加量的比值為·R，可知用戶端電壓減少量與用戶端電流增加量的比值不隨ΔI的變化而變化，故D正確。故選BD。]
11．(多選)如圖所示，高鐵的供電流程是將220 kV或110 kV高壓經過牽引變電所進行變壓(可視作理想變壓器)，降至27.5 kV，通過接觸網上的電線與車頂上的受電器進行接觸而完成受電，機車最終獲得25 kV的電力使高鐵機車運行，以下說法正確的是(　　)
A．若電網的電壓為220 kV，則變電所的變壓器原、副線圈匝數比n1∶n2＝8∶1
B．若電網的電壓為110 kV，則變電所的變壓器原、副線圈匝數比n1∶n2＝1∶4
C．如果高鐵機車功率為8 000 kW，牽引變電所至機車間的線路損耗的電功率為800 kW
D．如果高鐵機車功率為8 000 kW，則自牽引變電所至機車間線路的等效電阻約為85.9 Ω
AC　[若電網的電壓為220 kV，根據，可得，故A正確；若電網的電壓為110 kV，則有，故B錯誤；如果高鐵機車功率為8 000 kW，通過線路的電流大小為I＝＝320 A，牽引變電所至機車間的線路損耗的電功率為P′＝(U2－U)I＝800 kW，自牽引變電所至機車間線路的等效電阻約為R＝＝7.812 5 Ω，故C正確，D錯誤。故選AC。]
12．某水電站的水位落差為20 m，通過水輪機的流量為10 m3/s，發電效率為20%。水流通過水輪機時，使水輪機以25 rad/s的轉速轉動。水輪機帶動的線圈共1 000匝，線圈面積0.2 m2，線圈置于磁感應強度為0.1 T的勻強磁場中，線圈電阻不計。發電機先經過匝數比為1∶10的升壓變壓器后經輸電線輸送到遠處，再由降壓變壓器降壓后給用戶供電。若按最大功率供電時輸電線路損耗的功率為發電機最大輸出功率的2%，用戶電壓為220 V。g取10 N/kg，求：
(1)輸電線的總電阻；
(2)降壓變壓器的匝數比。
[解析]　(1)發電機的輸出電壓的有效值U＝
代入數據得U＝500 V
最大輸出功率P＝＝ρQghη
代入數據得P＝4×105 W
發電機的最大輸出電流的有效值為I＝＝800 A
輸電線中的電流有效值與發電機輸出電流有效值的關系
r＝P×2%
代入數據得r＝1.25 Ω。
(2)升壓變壓器副線圈的電壓為U2，則
降壓變壓器原線圈的電壓為U3，則U2＝U3＋I線r
降壓變壓器原、副線圈電壓關系為
代入數據得。
[答案]　(1)1.25 Ω　(2)245∶11
13．北京奧運場館的建設體現了“綠色奧運”的理念。作為北京奧運會主場館之一的國家體育館“鳥巢”擁有9.1萬個座位，其扇形屋面和大面積的玻璃幕墻不僅給人以賞心悅目之感，還隱藏著一座太陽能光伏發電系統，供給體育館內的照明燈等使用。假如該發電系統的輸出功率為1×105 W。
(1)按平均每天太陽照射6 h計，該發電系統一年(365天計)能輸出多少電能？
(2)假若發電系統的輸出電壓為250 V，現準備向遠處輸電。所用輸電線的總電阻為R線＝8 Ω，要求輸電時在輸電線上損失的電功率不超過輸送電功率的5%。求應選用匝數比多大的升壓變壓器。
[解析]　(1)由題意可知P＝1.0×105 W，時間t＝365×6 h，一年能輸出電能為E＝Pt＝7.884×1011 J。
(2)依題意作出如圖輸電示意圖
當輸電線上損失的電功率為輸送電功率的5%時，輸電線中的電流為I2
I1＝＝400 A
根據5%P＝R
解得I2＝25 A
升壓變壓器的匝數比為。
[答案]　(1)7.884×1011 J　(2)1∶16(共59張PPT)
4．電能的傳輸
第三章　交流電
必備知識·自主預習儲備
知識點一　電能輸送中的電壓損失和電能損耗
1．電壓損失
(1)損失原因：導線自身存在電阻r。
(2)電壓損失大?。篣損＝__。
2．輸電線上的功率損耗
(1)輸電線上的功率損耗：P損＝____，I為輸電電流，r為輸電線的電阻。
Ir
I2r
(2)降低輸電損耗的兩個途徑
①減小輸電線的____，即在輸電線長度l和材料一定的情況下，通過增大導線橫截面積S來實現。
②減小_________，即在輸送功率一定的情況下，由P＝UI知，可以通過提高__________來減小I。
電阻
輸電電流I
輸電電壓U
知識點二　遠距離輸電系統
1．基本環節
2．電路原理圖
思考　用戶得到的電能與發電站輸出的電能相等嗎？
提示：不相等，在送電過程中輸電線上有電阻，損失一部分電能。
知識點三　直流輸電
1．直流輸電的優點：不存在____和____引起的電壓及電能損失。
2．直流輸電的基本過程：在發電站區域經變壓器升壓，由整流設備將______變成______，用高壓直流電進行遠距離傳輸，在用戶區域由______將直流電變回交流電，經變壓器降壓送給用戶。
3．直流輸電示意圖
電感
電容
交流電
直流電
逆變器
思考　高壓交流輸電和高壓直流輸電的優缺點？
提示：高壓交流輸電方便升壓、降壓，缺點是受電容、電感影響較大，同一電網發電機必須同步運行。高壓直流輸電不受電容、電感影響，但不方便升壓、降壓。
[預習體驗]
思考辨析(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)僅僅從減少能量損耗的角度看，輸送功率一定的情況下，輸電電壓越高，損耗的能量越少。 (　)
(2)在輸送功率和輸電電壓一定，使用同種材料的導線時，越粗的導線損失的電壓越小。 (　)
(3)直流輸電的優點是不存在電能損失。 (　)
(4)直流輸電過程中電路中始終是直流電。 (　)
√
√
×
×
關鍵能力·情境探究達成
中國的特高壓直流輸電技術世界領先。世界首個海拔4 000米以上的高海拔特高壓直流試驗線段工程——中國電力科學研究院西藏高海拔特高壓直流試驗線段順利通過驗收。該試驗線段具備高海拔苛刻條件下±500千伏、±800千伏、±1 100千伏、±1 300千伏直流及1 000千伏交流特高壓工程試驗能力，當之無愧地成了目前世界上海拔最高、電壓等級最高、功能最全的特高壓試驗基地。如圖所示，輸送功率為P，發電廠輸出的電壓為U，兩條導線的總電阻是r，在圖中把導線電阻集中畫為r，請思考：
(1)輸電線中的電流為多少？在發電廠輸送功率一定時，輸電線中的電流與輸電線電阻及用電器電阻有關系嗎？
(2)輸電線上功率損失的表達式是什么？
(3)為什么遠距離輸電必須用高壓呢？
【典例1】　某變電站用220 V的電壓輸電，導線上損失的功率為輸送功率的20%。若要使導線上損失的功率降為輸送功率的5%，則輸電電壓應為多少？
[答案]　440 V
[母題變式]　
在[典例1]中，若輸電電壓不變，輸電線的電阻應變為原來的多少倍？
A　[輸電線上的損失功率為P損＝I2r線，若要使輸電線損失功率不變，則輸電線中的電流保持不變，由于高峰段的輸送功率為低谷段的n倍，根據P＝UI可知，高峰段輸送電壓變為低谷段的n倍。故選A。]
√

【典例2】　風力發電作為新型環保新能源，近幾年來得到了快速發展，風車陣中發電機輸出功率為100 kW，輸出電壓是250 V，用戶需要的電壓是220 V，輸電線電阻為10 Ω。若輸電線因發熱而損失的功率為輸送功率的4%，試求：
(1)在輸電線路中設置的升、降壓變壓器原、副線圈的匝數比；
(2)用戶得到的電功率是多少。
(2)用戶得到的電功率即降壓變壓器的輸出功率為
P用＝P－P損＝P(1－4%)＝100×96% kW＝96 kW。
[答案]　(1)1∶20　240∶11　(2)96 kW
規律方法　處理遠距離輸電的方法技巧
(1)畫好一張圖——遠距離輸電示意圖
(2)抓住電兩端——發電站和用戶
(3)分析一條線——輸電線
(4)研究兩次變——升壓變壓器升壓和降壓變壓器降壓
(5)區分三個量——輸送電壓(功率)、損失電壓(功率)、用戶電壓(功率)
[跟進訓練]
2．現輸送4.0×106 W的電能，若發電機輸出電壓為2 000 V，選用變壓器升壓后應用橫截面積為4.25 cm2的銅導線，把電能送到400 km
遠處，線路損耗的功率為5.0×105 W。若已知銅的電阻率ρ＝1.7×10－8 Ω·m，則：
(1)應選用匝數比為多少的升壓變壓器？
(2)在用戶方使用降壓變壓器，其原線圈兩端的電壓為多大？
[答案]　(1)1∶16　(2)2.8×104 V
學習效果·隨堂評估自測
√
1．在遭遇特大冰雪災害時，高壓電線覆冰后有成人大腿般粗，為清除高壓輸電線上的凌冰，有人設計了這樣的融冰思路：利用電流的熱效應除冰。若在正常供電時，高壓線上送電電壓為U，電流為I，熱損耗功率為ΔP；除冰時，輸電線上的熱損耗功率需變為9ΔP，假定輸電功率及輸電線電阻均不變，則除冰時(　　)
A．輸電電流為3I 　 B．輸電電流為9I
C．輸電電壓為3U 　 D．輸電電壓為0.5U
√
3．一臺柴油發電機給災民臨時安置區供電，如圖所示。發電機到安置區的距離是400 m，輸電線路中的火線和零線均為GBCZ60型單股銅導線，該型號導線單位長度的電阻為2.5×10-4 Ω，安置區家用電器的總功率為44 kW，當這些額定電壓為220 V的家用電器都正常工作時，(已知該柴油發電機發出的是正弦交變電流)求：
(1)輸電線路中的電流；
(2)輸出電壓最大值；
(3)在輸電線路上損失的電功率。
型號 AED6500S
輸出電壓范圍 220～300 V
最大輸出功率 60 kW
[答案]　(1)200 A　(2)368 V　(3)8 kW
回歸本節知識，自我完成以下問題：
(1)減小輸電線功率損失有哪些方法？
提示：采用高壓輸出，降低輸電電流或者減小輸電電阻以減小輸電線功率損失。
(2)遠距離輸電過程中功率關系怎樣？若用戶消耗的功率增大，輸送功率和損耗的功率怎么變化？
提示：P輸＝P損＋P用，用戶消耗的功率增大，輸送功率和損耗的功率都增加。
題號
課時分層作業(十二)　電能的傳輸
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?題組一　輸電線上電壓和功率損失的計算
1．“西電東輸”工程中，為了減少輸電損耗，必須提高輸電電壓。從西部某電站向華東某地區輸送的電功率為106 kW，輸電電壓為
1 000 kV，輸電線電阻為100 Ω。若改用超導材料作為輸電線，則可減少輸電損耗的功率為(　　)
A．105 kW 　B．104 kW 　C．106 kW 　D．103 kW
題號
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2．用電壓U和KU分別輸送相同的電功率，且在輸電線上損耗的功率相同，導線長度和材料也相同，此兩種情況下導線的橫截面積之比為(　　)
A．K∶1 　B．1∶K 　C．K2∶1 　D．1∶K2
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3．若發電機產生的電壓經升壓變壓器后升高到100 kV，以10萬千瓦的功率(始終不變)經輸電線遠距離送往變電站，輸電線上損耗的功率為3000千瓦，則輸電線的總電阻為(　　)
A．3 Ω 　B．6 Ω 　C．9 Ω 　D．30 Ω
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?題組二　遠距離輸電
6．如圖所示為遠距離交流輸電的原理示意圖，其中各個物理量已經在圖中標出，下列說法正確的是(　　)

A．變壓器線圈的匝數關系為n1>n2，n3B．升壓變壓器可以提高輸電電壓，從而提高輸電總功率
C．輸電電路中的電流關系為I1>I線>I4
D．輸送功率不變時，輸電電壓越高，輸電線上損失的功率越小
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7．高壓輸電線是遠距離傳輸電能的重要組成部分，下列關于高壓輸電線的說法正確的是(　　)
A．輸電線應選用電阻率大的金屬材料制作
B．高壓輸電線比普通導線粗，目的是增大導線電阻
C．輸電線上方還有兩條導線，其作用是把高壓線屏蔽起來免遭雷擊
D．在輸送功率一定時，輸電線上損失的功率跟輸送電壓平方成正比
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9．如圖甲所示，一個小型水力發電站，發電機輸出電壓U0＝250 V，內電阻可以忽略不計，最大輸出功率為Pm＝30 kW，它通過總電阻r線＝2.0 Ω的輸電線直接向遠處的居民區供電，設居民區所有用電器都是額定電壓U用＝220 V的白熾燈，總功率為P用＝22 kW，不計燈絲電阻隨溫度的變化。
(1)當居民區的電燈全部使用時，電燈兩端的電壓是多少伏？發電機實際輸出的電功率多大？
(2)若采用高壓輸電，在發電機端用升壓變壓器，在用戶端用降壓變壓器，且不計變壓器和用戶線路的損耗，已知用戶變壓器的降壓比為40∶1，如圖乙所示。當全部用戶電燈正常發光時，輸電線上損
耗的功率多大？
題號
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[答案]　(1)131 V　14.9 kW　(2)12.5 W

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10．(多選)我國西部山區建有許多水電站，極大改善了當地居民的生產、生活，如圖所示為某水電站遠距離輸電的原理圖。T1為升壓變壓器，其原、副線圈匝數比為k1，輸電線總電阻為R，T2為降壓變壓器，其原、副線圈匝數比為k2，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發電機輸出的電壓恒為U，若由于用戶端用戶數量變化，使得輸電線輸送電流增加ΔI。則下列說法正確的是(　　)
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11．(多選)如圖所示，高鐵的供電流程是將220 kV或110 kV高壓經過牽引變電所進行變壓(可視作理想變壓器)，降至27.5 kV，通過接觸網上的電線與車頂上的受電器進行接觸而完成受電，機車最終獲得25 kV的電力使高鐵機車運行，以下說法正確的是(　　)
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A．若電網的電壓為220 kV，則變電所的變壓器原、副線圈匝數比n1∶n2＝8∶1
B．若電網的電壓為110 kV，則變電所的變壓器原、副線圈匝數比n1∶n2＝1∶4
C．如果高鐵機車功率為8 000 kW，牽引變電所至機車間的線路損耗的電功率為800 kW
D．如果高鐵機車功率為8 000 kW，則自牽引變電所至機車間線路的等效電阻約為85.9 Ω
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[答案]　(1)1.25 Ω　(2)245∶11
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13．北京奧運場館的建設體現了“綠色奧運”的理念。作為北京奧運會主場館之一的國家體育館“鳥巢”擁有9.1萬個座位，其扇形屋面和大面積的玻璃幕墻不僅給人以賞心悅目之感，還隱藏著一座太陽能光伏發電系統，供給體育館內的照明燈等使用。假如該發電系統的輸出功率為1×105 W。
(1)按平均每天太陽照射6 h計，該發電系統一年(365天計)能輸出多少電能？
(2)假若發電系統的輸出電壓為250 V，現準備向遠處輸電。所用輸電線的總電阻為R線＝8 Ω，要求輸電時在輸電線上損失的電功率不超過輸送電功率的5%。求應選用匝數比多大的升壓變壓器。
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[答案]　(1)7.884×1011 J　(2)1∶16

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