Передача электроэнергии. Физика. 11 класс.
Передача электроэнергии. Физика. 11 класс.
Комментарии преподавателя
Передача электроэнергии на расстояние
Схема электропередачи
В общем случае схему электропередачи (рис. 1) можно представить в виде простой замкнутой цепи. Источник ЭДС (ɛ) обладает внутренним сопротивлением r0. Всех потребителей тока можно представить как общую нагрузку сопротивлением R. Соединительные провода линий передач обладают электрическим сопротивлением r.
Рис. 1
Согласование сопротивлений
Значение тока в цепи будет определяться законом Ома для полной цепи.
(1)
Обычно внутренним сопротивлением источника можно пренебречь, поскольку оно намного меньше сопротивлений проводов и нагрузки.
(2)
Так, ЭДС источника можно определить по соотношению 3.
(3)
Если умножим уравнение 13.3. на величину тока, получим соотношение 4.
(4)
Каждое из слагаемых в выражении 4 имеет определённый смысл. Так, в левой части равенства стоит мощность сторонних сил или мощность источника. Первое слагаемое в правой части равенства представляет собой мощность, передаваемую потребителям, – полезную мощность. Второе слагаемое – потеря мощности.
При передаче электроэнергии важно максимально увеличить полезную мощность, сведя к минимуму при этом потери. Попытаемся этого достичь. Зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки R имеет вид:
(5)
Можно показать, что полезная мощность как функция сопротивления нагрузки будет иметь максимум при условии равенства сопротивления нагрузки и сопротивления подводящих проводов – согласование сопротивлений.
(6)
Если сопротивление источника сопоставимо с сопротивлением проводов, то условие максимума полезной мощности будет представлять собой равенство сопротивления нагрузки и суммы сопротивлений проводов и источника. Таким образом, потребителю доставляется максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно сумме сопротивлений подводящих проводов и источника.
Причины потерь мощности
Рассмотрим причины, от которых зависят потери мощности. При заданной мощности источника ток в цепи будет равен отношению мощности источника к ЭДС.
(7)
Если внутренним сопротивлением источника пренебречь, то напряжение на полюсах источника будет равно ЭДС источника.
(8)
Тогда мощность потерь в проводах будет пропорциональна квадрату мощности источника и обратно пропорциональна квадрату напряжения на источнике.
(9)
Из выражения 13.9. видим, что для уменьшения мощности потерь необходимо либо уменьшать сопротивление подводящих проводов, либо увеличивать напряжение на электростанции.
Экономические расчёты потерь мощности
Рассмотрим, почему так важно уменьшать потери. Крупный город потребляет мощность порядка 50 МВт. Из-за потерь мощности станция должна вырабатывать существенно больше, чем 50 МВт. Сопротивление одного км проводов линий электропередач равно примерно 1 Ом. При передаче электроэнергии при напряжении 220 В потери мощности в проводах составят около 107 кВт/км. При передаче на 1000 км потери мощности составят за один час 1010 кВт∙ч. При стоимости 2,5 руб./кВт∙ч потери мощности составят 25 миллиардов рублей в час. Чтобы избежать таких колоссальных потерь, целесообразно существенно повысить предаваемое напряжение. Например, если повысить передаваемое напряжение с 220 В до 400 кВ, то указанные потери уменьшатся в 4 млн. раз. Поэтому передача электроэнергии на расстояние требует повышения напряжения до 400 или 500 кВ, затем его снижения до потребительского уровня 220 В. Однако, сконструировать электростанции, вырабатывающие сразу высокое напряжение, затруднительно. Электростанции вырабатывают, как правило, невысокое напряжение порядка 20 кВ. Поэтому сначала необходимо повысить напряжение до 400 кВ, а затем снизить до 220 В. Подобные модификации представляют собой технически крайне сложную задачу при использовании постоянного тока. В случае же переменного тока эта задача решается гораздо проще. Именно этим объясняется то, что все электростанции и линии передач работают на переменном токе.
К занятию прикреплен файл «Это интересно!». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.
Использованные источники:
- http://interneturok.ru/ru/school/physics/11-klass/
- http://www.youtube.com/watch?v=fXU7iQ3aIos
- http://www.youtube.com/watch?v=sfG98AFVjrA