短路原理是什么？能不能用初中知识解答一下? 第1页

这个问题很有挑战性。在高校课堂中，短路问题出现在供配电系统、电器学、工厂供电、发电厂电气部分等课程中，解析短路原理和过程并非难事。然而，题主期望用初中生能看懂的知识来解释短路。由于初中的知识面相对较窄，我用中学的知识来解答一下吧。

1.短路指的是什么？

首先我们要弄清，短路指的是电源的短路，而不是某个元件的短接。

我们看下图：

图1的左图中，我们在开关K已经闭合的情况下，把电阻R1用导线短接，总电流I会因此而增大一些，但不是短路。

图12的右图中，我们同样在开关K已经闭合的情况下把电源的正端（A端）和负端（B端）用导线短接，这就是短路线，此时电源发生了短路。

2.针对图1来分析一个实例

我们来看一个实例：设电池电动势E=3V，内阻r=0.4欧姆，电阻R1和R2均为10欧，短路线为截面S=1平方毫米长度为L=1米的铜线。我们来算一算短路前后的电流变化，当然此时R1不能用短接线短路。

先求外电路总电阻：

需要特别指出，中学里我们学到的全电路的欧姆定律，它的准确名称是基尔霍夫电压定律KVL。

以下我们用基尔霍夫第二定律来求解正常运行电流。

正常运行电流：

此时的路端电压： 。

现在我们把短路线接在A点与B点之间，此时电源被短接导线的电阻Rx给短路。注意，Rx实质上是与负载电阻R并联的，为此我们先求出短路导线的电阻：

短路线Rx与负载电阻R并联后的电阻为：

我们看到，短路线与负载电阻并联后，总电阻几乎就等于短接线电阻。

我们再来求短路电流Ik。同样根据基尔霍夫电压定律，我们有：

这就是短路电流了。

我们再来看看短路电流在短路线Rx和负载电阻R中的具体数值。由于短路线Rx与负载电阻R是并联的，因此两并联支路的电流是按总电流乘以对方支路电阻与总电阻之比来分配的，因此有：

流过短接线的电流：

流过负载电阻的电流：

流过短接线的电流占总短路电流的百分位数为：

可见，短路电流几乎全部流过短路线，负载电阻上的电流完全可以忽略。

现在，我们来计算电源内阻r和短路线Rx上产生的短路发热功率。

电源内阻r上产生的发热功率：

短路线Rx上产生的发热功率：

可见，发热功率绝大多数是落在电源（电池）上，电源（电池）将剧烈发热并炸毁，而导线也会发热发红，甚至烧断。

题主也许要问：导线的温度到底会上升到多少度？我给个计算式吧。由于此式的来源推导需要用到高等数学的积分运算，我们就忽略公式的来源吧，直接进行计算即可。公式如下：

，式1

式1中，θk就是短路后导线的温度，α0是零度时的电阻温度系数，θ0是短路前导线的温度，Ik是短路电流，tk是短路时间，S是导线截面积，c是导线材料的比热容，γ是导线材料的密度。

我们设导线在短路前的温度为25度，短路时间是1秒，我们把铜的其它参数一并代入式1，有：

我们看到，即使发生了短路，这1米长截面积为1平方毫米的铜芯导线温度仅仅上升5.28℃，而电源（电池）内阻承担了很大的发热功率，将炸裂。这只是通电时间为1秒，随着时间加长，短路线路将承担更大的发热冲击。

我们再来看看短路点的电压是多少：

其实U就是短路时的路端电压，它相对电源电动势的占比是：

。

运行时的路端电压2.5V与短路后的路端电压0.1222V相比，相差20.5倍！

从例子中我们看到，短路后发生破坏作用的主要是电源，所以一定要对线路采取保护措施。图1中的开关K之前要串联保险丝。对于较高的直流电压，也可配直流断路器来切断短路故障电路。

至此，我们对图1的短路已经做了深入分析。

3.有关直流电源短路的知识扩展——无限大容量电源系统

现在，我们对图1和上例做一点深入分析。

如果我们设法降低电源内阻r，短路对电源的破坏当然就随之减轻。如果我们能做到电源内阻小于或者等于短路电阻的1/50，见下图：

我们按基尔霍夫电压定律来分析图3，求得路端电压U的表达式为：

我们把r=Rk/50代入到上式中，得到：

，式2

式2告诉我们一个重要事实：如果电源的内阻小于或者等于短路点的电阻的1/50，则短路前后系统的路端电压基本不变。此时的电源叫做无限大容量电源系统。

特别地，当在无限大容量电源系统中发生短路时，即使短路持续下去，电源也不会发生过热，而负载以及连接导线这会发生过热，甚至起火燃烧，造成严重事故。

4.交流配电网的短路现象分析

在交流配电网中，无限大容量配电网的概念与上述第3中的论述差不多。我们来看下图：

怎么分析图4的电流波形？我们来仔细分析一下。

第一：我们在短路前（t=0的左端）看到了正弦电压和正弦电流波形，并且看到电流i取零值且即将往正方向上升，此时电压u已经到达或者接近了正向最大值，说明电压超前电流近90°，这是感性负载的典型特征。事实上，交流配电网中的变压器和交流电机，它们都是感性负载，当然会引起电压超前电流。

第二：当发生短路时以及在之后的短路过程中，我们看到电压u的波形未受到影响，说明这是无限大容量配电系统。

第三：当发生短路瞬间（t=0），由于电压基本不变，而短路点的电阻（阻抗）很小，根据欧姆定律可知，短路电流很大。因为电压是正弦波，所以短路电流也是正弦波，我们把此短路电流叫做短路电流的交流分量ip。

第四：当发生短路瞬间（t=0），电力变压器会释放磁场能，也即电力变压器绕组的反向电动势产生的电流，由于它的方向不会改变，并且随着时间迅速衰减，我们把此电流叫做短路电流的直流分量Ig。

第五：在短路后10毫秒（0.01秒），短路电流的交流分量ip与短路电流的直流分量ig迭加形成了冲击短路电流峰值ipk，它是短路电流的最大值。

第六：当短路电流的直流分量ig衰减完毕后，如果线路中的开关未采取保护措施，则短路电流进入到稳态值ik，ik的值就等于ip。

第七：我们把短路电流直流分量ig的衰减时间叫做短路电流的暂态过程，之后叫做短路电流的稳态过程。

以上这七条很重要，它们刻画了交流配电网的短路原理以及短路的过程。

5.发生短路后熔断器熔丝的表面温度θk计算式是如何推得的？（比较难哦，不知道初中生能否看懂！）

我们看下图：

在图5的左图中，我们在t=0时刻把熔断器开关K合上，电路接通并开始运行。注意到电流I流过开关K的熔断器，使得熔丝产生一定的温度。对于熔丝来说，电流I所产生的发热热量Q1为：

，式3

式3中，ρ是熔丝的电阻率，L是熔丝的长度，S是熔丝的截面积，t是熔丝的通电时间。

熔丝的表面温度经历了从环境温度θ0变成运行温度θu的过程。我们设熔丝的比热容为C，它的质量为m，按我们在初中物理中学过的知识，我们可以列写出熔丝升温所消耗的热量Q2：

，式4

当熔丝的表面温度θ高于环境温度θ0后，两者的温度差叫做温升τ。当温升τ>0后熔丝开始对外散热。伟大科学家牛顿告诉我们，散热的功率为：P=KtAτ，这里的Kt叫做综合散热系数，A是散热面积，对于导线或者熔丝来说，A就等于不包括两个端面的表面积。于是，熔丝散发的热量Q3为：

，式5

式5中的M是熔丝的截面周长，L是熔丝的长度。

当电流持续流过熔丝且熔丝的表面温度已经趋于稳定，此时Q2=0，Q1=Q3，也即：

。我们进一步化简，消除掉等号左右两侧的长度L和时间t，由此得到熔丝的载流量表达式和温升表达式：

熔丝的载流量表达式： ，式6

熔丝的温升表达式： ，式7

式6不但适用于熔丝，也适用于一般的导线。我们看到它们的额定载流量仅与导线截面积S有关，与导线的长度无关。所以我们在查阅导线载流量表时，无需考虑导线的长度。

我们看下图：

我们从图6中看到导线的载流量与它的截面积有关，与导线的长度无关，其原因就是式6的表现形式。

现在发生了短路，熔丝的温度迅速由θ0上升到θk。由于短路电流存在的时间很短，熔丝根本来不及散热，也即Q1=Q2，或者： 。注意到此时比热容也是温度的函数，我们借助于积分推导，可以推得θk的表达式，就是前面的式1。这就是式1的来源。

式1不但适用于熔丝，也适用于导线和母线，它是一个通用表达式。

6.结论

题主要求用初中的知识来解答上述短路过程，我给题主一个结论性概述吧。

短路，一定指的是电源性的短接事故，其特征就是冲击性电流很大，造成电源和连接导线剧烈发热，并可能引起电气火灾。

短路点的电压与短路点电阻相对电源内阻之比有关。如果电源内阻只有短路点电阻的1/50，则短路点的电压与未短路前的电压几乎一致，都等于电源电动势。可见，配电网末端的短路事故几乎不会影响到电网的正常供电，线路只需把故障处切断即可。这和电池供电的系统形成对比。所以，低压配电网供电系统为准无限大容量配电系统，而电池供电的系统则为普通系统。

短路往往伴随着剧烈的电弧烧蚀和线缆严重发热现象，这也是区别于普通供电的特征之一。