處理遠距離輸電問題的錦囊妙計

處理遠距離輸電問題的“錦囊妙計”

對于遠距離輸電問題，因其電路結構復雜、涉及的物理量眾多，學生在處理時常發(fā)生物理量之間相互混淆、張冠李戴的現(xiàn)象。對于此類問題，解決的關鍵就是理清脈絡——“熟知一個流程、明確三個回路，抓住兩個關系，掌握兩種損耗”，現(xiàn)介紹如下。一、熟知一個流程電能由發(fā)源地（發(fā)電站）到目的地（用戶），需要經(jīng)歷一個“漫長”的過程，在腦海里必須熟練地知道工作流程，首先要畫出一個簡易的流程圖，如圖1所示，實際輸電要復雜得多，中學范圍只要求掌握最為簡易的情況。圖1二、理清三個回路如圖2所示為遠距離輸電的簡化電路原理圖，可劃分為三個回路。圖2回路1：由發(fā)電機和輸電線路的升壓變壓器的原線圈1組成，稱為發(fā)電機電路（或輸入電路）。在這個電路中，發(fā)電機是電源，線圈1相當于用電器，導線的直流電阻可以忽略。通過線圈1中的電流等于發(fā)電機中的電流，線圈1兩端的電壓等于發(fā)電機的端電壓，線圈1輸入的電功率等于發(fā)電機輸出的電功率，即?；芈?：由輸電線路的升壓變壓器的副線圈2和降壓變壓器的原線圈3組成，稱為輸送電路。在這個電路中，線圈2相當于電源，而線圈3相當于用電器，由于線圈2與線圈3相距較遠，輸電線路的電阻R不可忽略，故也是該回路中的一個用電器。設通過線圈2、線圈3和輸電線路的電流分別為和，線圈2、線圈3兩端的電壓分別為，線路中損失的電壓為，線圈2的輸出功率為，線圈3的輸入功率為，線路的損失功率為，顯然有：?；芈?：由用戶與降壓變壓器的副線圈4組成，稱為輸出電路。在這個電路中，線圈4相當于電源，由它向用戶供電，考慮到變壓器與用戶相距較近，線路中導線的電阻可忽略不計，設通過線圈4和用戶的電流為，線圈4兩端的電壓和用戶使用電壓為，線圈4輸出的功率和用戶消耗的功率分別為，則有：。三、抓住兩個關系以上三個回路是相對獨立的，彼此之間并沒有直接相通。回路中的電能之所以像接力棒似的在不同的回路中傳承，靠的就是兩個變壓器所搭建起的過渡“橋梁”。1.理想的升壓變壓器聯(lián)系了回路1和回路2，由變壓器工作原理可得：線圈1（匝數(shù)為）和線圈2（匝數(shù)為）中各個量間的關系是：。2.理想的降壓變壓器聯(lián)系了回路2和回路3，由變壓器工作原理可得：線圈3（匝數(shù)為）和線圈4（匝數(shù)為）中各個量間的關系是：。四、掌握兩種損耗1.電壓損耗：輸電線上的電阻導致，升壓變壓器的輸出電壓和降壓變壓器的輸入電壓的差就是電壓損失，即。2.功率損耗：輸電線上電阻發(fā)熱導致功率損失，升壓變壓器輸出功率和降壓變壓器的輸入功率的差即為功率損失，即。輸電線上的能量損耗是熱損耗，計算時只能用，而不能亂用。特別重要的是輸電線上的功率損失。例1（2009年山東卷第19題）某小型水電站的電能輸送示意圖如圖3所示。發(fā)電機的輸出電壓為200V，輸電線總電阻為r，升壓變壓器原副線圈匝數(shù)分別為。降壓變壓器原副線匝數(shù)分別為（變壓器均為理想變壓器）。要使額定電壓為220V的用電器正常工作，則()。圖3C.升壓變壓器的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓D.升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率解析本題考查變壓器工作原理及遠距離輸電知識。根據(jù)變壓器工作原理可知，由于輸電線上損失一部分電壓，升壓變壓器的輸出電壓大于降壓變壓器的輸入電壓，有，所以。而升壓變壓器的輸出功率等于降壓變壓器的輸入功率加上輸電線損失功率，故正確答案為A、D。例2（2009年廣東卷第9題）如圖4為遠距離高壓輸電的示意圖。關于遠距離輸電，下列表述正確的是()。A.增加輸電導線的橫截面積有利于減少輸電過程中的電能損失B.高壓輸電是通過減小輸電電流來減小電路的發(fā)熱損耗C.在輸送電壓一定時，輸送的電功率越大，輸電過程中的電能損失越小D.高壓輸電必須綜合考慮各種因素，不一定是電壓越高越好圖4解析依據(jù)輸電原理，電路中的功率損耗，而，增大輸電線的橫截面積，可減小輸電線的電阻，從而能夠減小輸電線上的功率損耗；由P=UI來看在輸送功率一定的情況下，輸送電壓U越大，則輸電電流越小，功率損耗越?。蝗糨旊婋妷阂欢?，輸送功率越大，則電流I越大，電路中損耗的電功率越大；輸電電壓并不是越高越好，因為電壓越高，對于安全和技術的要求越高，正確答案為A、B、D。例3某小型水電站，水以3m/s的速度流入水輪機，而以1m/s的速度流出。流出水位比流入水位低1.6m，水流量為。如果水流能量的75%供給發(fā)電機。求：(1)若發(fā)電機效率為80%，則發(fā)電機的輸出功率為多大？(2)發(fā)電機的輸出電壓為240V，輸電線路的電阻為19.2Ω，許可損耗功率為2%，用戶所需電壓為220V，則所用升壓變壓器和降壓變壓器的原、副線圈匝數(shù)的比各是多少？解析(1)每秒鐘流過發(fā)電機的水的質量為每秒鐘水流機械能的損失為發(fā)電機的輸出功率(2)發(fā)電機經(jīng)變壓器到用戶的供電線路如圖5所示。圖中為升壓變壓器，為降壓變壓器。圖5輸電線上損失功率為而，所以因為，所以，從而得出