短路原理是什么意思(短路 原理)
這個問題很有挑戰(zhàn)性。在大學(xué)課堂上，供配電系統(tǒng)、電工學(xué)、工廠供電、發(fā)電廠電氣部分等課程中都出現(xiàn)了短路問題。分析短路的原理和過程并不難。但提問者希望用初中生能理解的知識來解釋短路。由于初中的知識比較狹窄，所以我就用中學(xué)的知識來回答這個問題。
1.短路指的是什么？
首先我們要明白，短路是指電源的短路，而不是某個元件的短路。
我們看下圖：
圖1：短路與短路的區(qū)別。圖1左圖中，當(dāng)開關(guān)K閉合時，我們用導(dǎo)線將電阻R1短接?？傠娏鱅會增加，但并不是短路。
圖12右圖中，當(dāng)開關(guān)K閉合時，我們同樣用導(dǎo)線將電源正極（A端）和負(fù)極（B端）短路。這就是短路。此時，電源短路。
2.針對圖1來分析一個實例
我們看一個例子：假設(shè)電池電動勢E=3V，內(nèi)阻r=0.4歐姆，電阻R1、R2均為10歐姆，短路線為帶交叉的銅線。截面S=1平方毫米，長度L=1米。我們來計算一下短路前后的電流變化。當(dāng)然，此時R1不能用短線短路。
首先求出外部電路的總電阻：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)='R=R1+R2=10+10=20#x03A9;'角色='演示'R=R1+R2=10+10=20R=R_1+R_2=10+10=20\
特別需要指出的是，我們中學(xué)時學(xué)過的整個電路的歐姆定律的確切名稱是基爾霍夫電壓定律KVL。
圖2：基爾霍夫簡介（來自《電路分析導(dǎo)論》第12版）下面我們使用基爾霍夫第二定律來求解正常工作電流。
正常工作電流：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='I=Er+R=30.4+20=0.125A'角色='演示'I=Er+R=30.4+20=0.125AI=\frac{E}{r+R}=\frac{3}{0.4+20}=0.125A
此時路端電壓：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='U=IR=0.125#x00D7;20=2.5V'角色='演示'U=IR=0.=2.5VU=IR=0.125\times20=2.5V。
現(xiàn)在我們在A點和B點之間連接短路線，此時，通過短路線的電阻Rx將電源短路。請注意，Rx本質(zhì)上與負(fù)載電阻R并聯(lián)。為此，我們首先找到短路線的電阻：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='Rx=#x03C1;LS=1.7#x00D7;10#x2212;8#x00D7;11#x00D7;10#x2212;6=0.017#x03A9;'角色='演示'Rx=LS=1.=0.017R_x=\rho\frac{L}{S}=1.7\times10^{-8}\times\frac{1}{1\乘以10^{-6}}=0.017\歐米茄
短路線Rx與負(fù)載電阻R并聯(lián)的阻值為：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='Rx//R=RxRRx+R=0.017#x00D7;200.017+20#x2248;0.#x03A9;'角色='演示'Rx//R=RxRRx+R=0..017+200.R_x//R=\frac{R_xR}{R_x+R}=\frac{0.017\times20}{0.017+20}\約0.\歐米茄
我們看到，當(dāng)短路線與負(fù)載電阻并聯(lián)時，總電阻幾乎等于短路電阻。
我們再求一下短路電流Ik。同樣根據(jù)基爾霍夫電壓定律，我們有：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='Ik=Er+Rx//R=30.4+0.#x2248;7.1944A'角色='演示'Ik=Er+Rx//R=30.4+0..1944AI_k=\frac{E}{r+R_x//R}=\frac{3}{0.4+0.}\約7.1944A
這就是短路電流。
我們來看一下短路線Rx和負(fù)載電阻R中的短路電流的具體值。由于短路線Rx和負(fù)載電阻R是并聯(lián)的，所以短路線Rx和負(fù)載電阻R的電流是并聯(lián)的。兩條并聯(lián)支路按總電流乘以另一支路電阻與總電阻之比進(jìn)行分配，故有：
流過短線的電流：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'數(shù)據(jù)-mathml='IRx=IkRR+Rx=7.1944#x00D7;2020+0.#x2248;7.1883A'角色='演示'IRx=IkRR+Rx=7.+0..1883AI_{R_x}=I_k\frac{R}{R+Rx}=7.1944\times\frac{20}{20+0.}\約7.1883A
流過負(fù)載電阻的電流：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='IR=Ik#x2212;IRx=7.1944#x2212;7.1883=0.0061A'角色='演示'IR=IkIRx=7..1883=0.0061AI_R=I_k-I_{R_x}=7.1944-7.1883=0.0061A
流經(jīng)短路的電流占總短路電流的百分比為：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)='100#x00D7;7.1883/7.1944#x0025;#x2248;99.9152#x0025;'角色='演示'1007.1883/7.1944%99.91520\times7.1883/7.1944\%\約99.9152\%
可以看出，幾乎所有的短路電流都流經(jīng)短路線，負(fù)載電阻上的電流完全可以忽略不計。
現(xiàn)在我們來計算一下電源內(nèi)阻r和短路線Rx上產(chǎn)生的短路發(fā)熱功率。
電源內(nèi)阻r上產(chǎn)生的加熱功率：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='Pr=Ik2r=7.#x00D7;0.4=20.7037W'角色='演示'Pr=Ik2r=7..4=20.7037WP_r=I_k^2r=7.1944^2\times0.4=20.7037W
短線Rx上產(chǎn)生的加熱功率：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'數(shù)據(jù)-mathml='PRx=IRx2Rx=7.#x00D7;0.#x2248;0.8779W'角色='演示'PRx=IRx2Rx=7...8779WP_{R_x}=I_{R_x}^2R_x=7.1883^2\times0.\約0.8779W
可見，大部分加熱功率落在電源（電池）上。電源（電池）會劇烈發(fā)熱并爆炸，電線也會發(fā)熱發(fā)紅，甚至燒毀。
提問者可能想問：電線的溫度會升到多高？我給你一個計算公式。由于這個公式的來源推導(dǎo)需要用到高等數(shù)學(xué)中的積分運算，所以我們可以忽略公式的來源，直接進(jìn)行計算。公式如下：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='#x03B8;k=1#x03B1;0[(1+#x03B1;0#x03B8;0)e#x03C1;0#x03B1;0tkIk2S2c#x03B3;#x2212;1]'角色='演示'k=10[(1+00)e00tkIk2S2c1]\theta_{k}=\frac{1}{\alpha_{0}}[(1+\alpha_{0}\theta_{0})e^{\frac{\rho_{0}\alpha_{0}t_{k}I_{k}^{2}}{S^2c\gamma}}-1]，公式1
式1中，k為短路后導(dǎo)線的溫度，0為零度時的電阻溫度系數(shù)，0為短路前導(dǎo)線的溫度，Ik為短路電流，tk為短路電流。短路時間，S為導(dǎo)線截面積，c為導(dǎo)線材質(zhì)。比熱容，是線材的密度。
我們假設(shè)短路前電線的溫度為25度，短路時間為1秒。我們將銅的其他參數(shù)代入公式1，我們得到：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)='#x03B8;k=1#x03B1;0[(1+#x03B1;0#x03B8;0)e#x03C1;0#x03B1;0tkIk2S2c#x03B3;#x2212;1]=10.0043#x00D7;[(1+0.0043#x00D7;25)e1.7#x00D7;10#x2212;8#c'角色='演示'k=10[(1+00)e00tkIk2S2c1]=10.0043[(1+0.)e1...(1106).]25.28C\theta_{k}=\frac{1}{\alpha_{0}}[(1+\alpha_{0}\theta_{0})e^{\frac{\rho_{0}\alpha_{0}t_{k}I_{k}^{2}}{S^2c\gamma}}-1]\\=\frac{1}{0.0043}\times[(1+0.0043\times25)e^{\frac{1.7\times10^{-8}\times0.0043\times1\times7.1883^2}{{(1\times10^{-6})}^2\times395\times8.9\times10^3}}-1]\\\約25.28^\circC
我們可以看到，即使發(fā)生短路，這根1米長、截面積為1平方毫米的銅芯線溫度也只上升了5.28，而電源內(nèi)阻（電池）發(fā)熱功率大，會爆炸。這只是1秒的通電時間。隨著時間的增加，短路將承受更大的熱影響。
我們看一下短路點的電壓：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='U=IK(Rx//R)=7.1944#x00D7;0.#x2248;0.1222V'角色='演示'U=IK(Rx//R)=7...1222VU=I_K(R_x//R)=7.1944\times0.\約0.1222V
實際上，U是短路時的電路端電壓，它與電源電動勢的比例為：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)='100#x00D7;0.#x0025;#x2248;4.15#x0025;'角色='演示'1000.%4.150\times\frac{0.}{3}\%\approx4.15\%.
與工作時電路端電壓2.5V和短路后電路端電壓0.1222V相比，相差20.5倍！
從例子中我們可以看出，短路后損壞的主要來源是電源，因此必須對電路采取保護(hù)措施。圖1中開關(guān)K之前必須串聯(lián)熔斷器。對于較高的直流電壓，還可以配備直流斷路器來切斷短路故障電路。
至此，我們已經(jīng)對圖1中的短路進(jìn)行了深入的分析。
3.有關(guān)直流電源短路的知識擴(kuò)展——無限大容量電源系統(tǒng)
現(xiàn)在，讓我們對圖1和上面的示例進(jìn)行一些深入分析。
如果我們盡量降低電源的內(nèi)阻r，那么短路對電源造成的損害當(dāng)然就會減少。如果我們能讓電源的內(nèi)阻小于或等于短路電阻的1/50，見下圖：
圖3：無限大容量供電系統(tǒng)的短路分析。我們根據(jù)基爾霍夫電壓定律分析圖3，路端電壓U的表達(dá)式為：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='U=ERkr+Rk=ErRk+1'角色='演示'U=ERkr+Rk=ErRk+1U=\frac{ER_k}{r+R_k}=\frac{E}{\frac{r}{R_k}+1}
將r=Rk/50代入上式可得：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='U=ErRk+1=ERk50#x00D7;Rk+1#x2248;0.98E#x2248;E'角色='演示'U=ErRk+1=ERk50Rk+10.98EEU=\frac{E}{\frac{r}{R_k}+1}=\frac{E}{\frac{R_k}{50\timesR_k}+1}\約0.98E\約E，公式2
公式2告訴我們一個重要事實：如果電源內(nèi)阻小于或等于短路點電阻的1/50，則短路前后系統(tǒng)的電路端電壓基本不變。此時的電源稱為無限大容量電源系統(tǒng)。
特別是在無限大容量的供電系統(tǒng)中發(fā)生短路時，即使短路持續(xù)，電源也不會過熱，但負(fù)載和連接導(dǎo)線會過熱甚至著火，造成嚴(yán)重事故。
4.交流配電網(wǎng)的短路現(xiàn)象分析
在交流配電網(wǎng)中，無限大容量配電網(wǎng)的概念與上面第3節(jié)討論的類似。我們看下圖：
圖4：交流配電網(wǎng)無限大容量配電系統(tǒng)短路電流波形分析。如何分析圖4中的電流波形？讓我們仔細(xì)看看。
第一：我們看到短路前（t=0的左端）的正弦電壓和正弦電流波形，我們看到電流i取零值，即將正向上升。此時，電壓u已達(dá)到或接近正最大值。值，表明電壓超前電流近90，這是感性負(fù)載的典型特征。事實上，交流配電網(wǎng)中的變壓器和交流電機(jī)都是感性負(fù)載，這當(dāng)然會造成電壓超前電流。
第二：當(dāng)發(fā)生短路時以及隨后的短路過程中，我們看到電壓u的波形不受影響，說明這是一個無限大容量的配電系統(tǒng)。
第三：發(fā)生短路時（t=0），由于電壓基本不變，而短路點的電阻（阻抗）很小，根據(jù)歐姆定律，短路電流很大。因為電壓是正弦波，所以短路電流也是正弦波。我們將此短路電流稱為短路電流的交流分量ip。
第四：當(dāng)發(fā)生短路時（t=0），電源變壓器會釋放磁場能量，即電源變壓器繞組的反向電動勢產(chǎn)生的電流。由于它的方向不會改變，并且會隨著時間的推移而迅速衰減，我們把這個電流稱為短路電流的直流分量Ig。
第五：短路后10毫秒（0.01秒），短路電流的交流分量ip和短路電流的直流分量ig疊加，形成峰值沖擊短路電流ipk，即短路電流的最大值。
第六：短路電流的直流分量ig衰減后，如果線路中的開關(guān)不采取保護(hù)措施，短路電流將進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值ik，ik的值將等于到ip。
第七：我們把短路電流的直流分量ig的衰減時間稱為短路電流的暫態(tài)過程，然后稱為短路電流的穩(wěn)態(tài)過程。
以上七點非常重要。它們描述了交流配電網(wǎng)的短路原理和短路過程。
5.發(fā)生短路后熔斷器熔絲的表面溫度k計算式是如何推得的？（比較難哦，不知道初中生能否看懂！）
我們看下圖：
圖5：保險絲進(jìn)行短路保護(hù)時表面溫度k的公式是如何推導(dǎo)的？圖5左圖中，我們在t=0時刻閉合熔絲開關(guān)K，電路接通并開始運行。注意，電流I流過開關(guān)K的保險絲，導(dǎo)致保險絲產(chǎn)生一定的溫度。對于熔斷器來說，電流I產(chǎn)生的熱量Q1為：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='Q1=I2Rt=I2#x03C1;LSt'role='presentation'Q1=I2Rt=I2LStQ_1=I^2Rt=I^2\rho\frac{L}{S}t，公式3
式3中，為保險絲的電阻率，L為保險絲的長度，S為保險絲的截面積，t為保險絲的通電時間。
熔斷器的表面溫度經(jīng)歷從環(huán)境溫度0到工作溫度u的過程。我們假設(shè)保險絲的比熱容為C，其質(zhì)量為m。根據(jù)我們初中物理所學(xué)的知識，我們可以列出保險絲升溫所消耗的熱量Q2：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='Q2=Cm(#x03B8;u#x2212;#x03B8;0)'role='presentation'Q2=Cm(u0)Q_2=Cm(\theta_u-\theta_0)，方程4
當(dāng)保險絲表面溫度高于環(huán)境溫度0時，兩者之間的溫差稱為溫升。當(dāng)溫度升高0時，保險絲開始散熱。偉大的科學(xué)家牛頓告訴我們，散熱功率為：P=KtA，其中Kt稱為綜合散熱系數(shù)，A為散熱面積。對于電線或保險絲，A等于不包括兩個端面的表面積。因此，保險絲散發(fā)的熱量Q3為：
rametabindex='0'style='font-size:100%;display:內(nèi)聯(lián)塊；相對位置：color:綠色；'data-mathml='Q3=Pt=KtA#x03C4;t=KtML#x03C4;t'角色='演示'Q3=Pt=KtAt=KtMLtQ_3=Pt=K_tA\taut=K_tML\taut，公式5
等式5中的M是保險絲的橫截面周長，L是保險絲的長度。
當(dāng)電流繼續(xù)流過保險絲和保險絲時
的表面溫度已經(jīng)趨于穩(wěn)定，此時Q2=0，Q1=Q3，也即：
rame"tabindex="0"style="font-size:100%;display:inline-block;position:relative;color:green;"data-mathml="Q1=Q3?I2ρLSt=KtMLτt"role="presentation">Q1=Q3?I2ρLSt=KtMLτtQ_1=Q_3\LeftrightarrowI^2\rho\frac{L}{S}t=K_tML\taut。我們進(jìn)一步化簡，消除掉等號左右兩側(cè)的長度L和時間t，由此得到熔絲的載流量表達(dá)式和溫升表達(dá)式：
熔絲的載流量表達(dá)式：rame"tabindex="0"style="font-size:100%;display:inline-block;position:relative;color:green;"data-mathml="I=KtMSτρ"role="presentation">I=KtMSτρI=\sqrt{\frac{K_tMS\tau}{\rho}}，式6
熔絲的溫升表達(dá)式：rame"tabindex="0"style="font-size:100%;display:inline-block;position:relative;color:green;"data-mathml="τ=I2ρKtMS"role="presentation">τ=I2ρKtMS\tau=\frac{I^2\rho}{K_tMS}，式7
式6不但適用于熔絲，也適用于一般的導(dǎo)線。我們看到它們的額定載流量僅與導(dǎo)線截面積S有關(guān)，與導(dǎo)線的長度無關(guān)。所以我們在查閱導(dǎo)線載流量表時，無需考慮導(dǎo)線的長度。
我們看下圖：
圖6：導(dǎo)線的載流量表我們從圖6中看到導(dǎo)線的載流量與它的截面積有關(guān)，與導(dǎo)線的長度無關(guān)，其原因就是式6的表現(xiàn)形式。
現(xiàn)在發(fā)生了短路，熔絲的溫度迅速由θ0上升到θk。由于短路電流存在的時間很短，熔絲根本來不及散熱，也即Q1=Q2，或者：rame"tabindex="0"style="font-size:100%;display:inline-block;position:relative;color:green;"data-mathml="Q1=Q2?I2ρLSt=Cm(θu?θ0)"role="presentation">Q1=Q2?I2ρLSt=Cm(θu?θ0)Q_1=Q_2\LeftrightarrowI^2\rho\frac{L}{S}t=Cm(\theta_u-\theta_0)。注意到此時比熱容也是溫度的函數(shù)，我們借助于積分推導(dǎo)，可以推得θk的表達(dá)式，就是前面的式1。這就是式1的來源。
式1不但適用于熔絲，也適用于導(dǎo)線和母線，它是一個通用表達(dá)式。
6.結(jié)論
題主要求用初中的知識來解答上述短路過程，我給題主一個結(jié)論性概述吧。短路，一定指的是電源性的短接事故，其特征就是沖擊性電流很大，造成電源和連接導(dǎo)線劇烈發(fā)熱，并可能引起電氣火災(zāi)。
短路點的電壓與短路點電阻相對電源內(nèi)阻之比有關(guān)。如果電源內(nèi)阻只有短路點電阻的1/50，則短路點的電壓與未短路前的電壓幾乎一致，都等于電源電動勢。可見，配電網(wǎng)末端的短路事故幾乎不會影響到電網(wǎng)的正常供電，線路只需把故障處切斷即可。這和電池供電的系統(tǒng)形成對比。所以，低壓配電網(wǎng)供電系統(tǒng)為準(zhǔn)無限大容量配電系統(tǒng)，而電池供電的系統(tǒng)則為普通系統(tǒng)。
短路往往伴隨著劇烈的電弧燒蝕和線纜嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象，這也是區(qū)別于普通供電的特征之一。