普通高中物理选择性必修二 第三章第4节 电能的输送

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• 普通高中物理选择性必修二 第三章第4节 电能的输送
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第二册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 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。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？
• 降低输电损耗的两个途径
• 电能的一个突出优点：用导线把电源和用电设备连起来，就可输送电能了。
• 输送电能的基本要求
  • 可靠
    • 保证供电线路可靠地工作，故障少。
  • 保质
    • 保证电能的质量——电压和频率的稳定。
      • 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
    • 输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。
• 降低输电损耗的途径
  • 输电电流为I， 输电线的电阻为r。
    • 减小输电线的电阻
      • 在输电距离一定的情况下，应当选用电阻率小的金属材料，例如铜、铝来制造输电线。
      • 尽可能增加导线的横截面积，但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为困难。
    • 减小输电导线中的电流
• 思考与讨论 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。
  • 怎样计算输电线路损失的功率？
  • 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？
  • 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？
  • 怎样计算用户消耗的功率P?
  • 在用户的用电功率一定的前提下，怎样才能减少输电电流？
• 高压送电
  • 原理
    • 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。
  • 应用
    • 现代远距离输电的电压都很高。目前我国远距离输电采用的电压有110KV、220KV、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。
  • 注意事项
    • 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。
• 电网供电
• 输电过程
  • 发电机组 10kV左右
    • 升压变压器 几百千伏输电
      • 一次高压变电站 100kV左右
        • 二次高压变电站10kV左右
          • 用电量大的工业用户
          • 低压变电站 220V/380V，其他用户
• 电网供电
  • 电网
    • 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
    • 可以在一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。
    • 可以减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡。
    • 可以根据火电、水电、核电的特点，合理地调度电力，使得电力的供应更加可靠，质量更高。
• STSE 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盏电灯。
    • 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。
  • 1882年，同年，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，选了一个人工喷泉。
  • 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。
  • 1891年，德国建成170km的15~30kV的高压输电线路，效率高压70%~80%。
  • 1893年，美国修建尼亚加拉水电站时，经过反复认证，决定采用交流供电系统。
  • 1909~1912年，美国、德国建造100kV的高压输电线路，从此高压输电技术迅速普及。
• 交流输电技术困难
  • 同步
    • 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，同时达到负的电大值。
    • 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，技术有一定困难。
  • 容抗感抗
    • 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。
  • 解决方法
    • 为减小容抗与感抗，在输电这个环节可以使用直流。
    • 发电机产生的仍然是交流，用户使用的也主要是交流。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”设备再将直流变换成交流。
    • 制造大功率的整流和逆变设备在过去有很大困难，现已经逐步解决，因此直流输电技术已得到应用。
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