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问题

短路原理是什么？能不能用初中知识解答一下?

回答
咱们聊聊“短路”，其实这玩意儿在家居生活里最常见，电灯不亮了，开关跳闸了，插座冒火花了，十有八九都跟它有关。用初中学的那些知识，其实也能把它说明白。

什么是短路？

想象一下，我们平常用的电路，就像给电器“铺好”的水管。电流呢，就像水流，顺着这根“水管”乖乖地流到电器那里，让它工作。这个“水管”就是我们常说的“导线”，而电器就是我们家里的灯、电视、冰箱什么的。

短路，就是电流走了“近路”。

本来电流应该老老实实地流过电器，经过电器的“磨损”或者说“消耗”，力量减弱一点，然后回到电源。但是，如果在电路的某个地方，电流绕过了正常的通路（也就是电器），直接从电源的正极（就像水泵的高压出口）连到了电源的负极（就像水泵的低压回水口），这就叫短路。

你可以想象成，本来需要水经过一个磨坊才能流到田里，结果有人在磨坊前面挖了个沟，把水直接引回了水泵的吸水口。这样一来，水就不用经过磨坊，而是直接回来了。

为什么短路这么危险？

这就得说说电流的“脾气”了。

1. 电流巨大化： 你想想，本来电流是要流过电器，经过电器的阻碍（电阻），它的流量是有限的，就像水流经过水轮机，要让水轮机转起来，但不会把水管冲破。短路的时候，电流没有了电器的阻碍，它就像脱缰的野马，瞬间变大到非常非常大的程度。这就像水泵本来是往水管里打水，结果它自己管道里的一个地方突然破了个洞，水就哗啦啦地从这个洞里冲出来了，而且因为没有阻碍，冲出来的水会非常猛。

2. 发热效应： 初中我们学过，电流通过导体时会发热，这个叫做焦耳效应。发热的多少跟电流的平方、电阻和时间都有关系（Q = I²Rt）。在正常工作时，电流不大，发热也不明显，所以电线不会很烫。但是，短路时电流变得极其巨大，哪怕是导线的电阻很小，巨大的电流平方一乘，瞬间产生的热量就不得了。这就好比你用很小的火慢慢烧一壶水，和直接用喷枪对着水壶猛烧，效果完全不一样。短路产生的热量，足以把导线烧得通红，甚至融化，引燃周围的易燃物，比如塑料绝缘层、木头家具等等。这就是为什么短路容易引起火灾。

3. 对电源的损害： 巨大的电流从电源涌出，会给电源本身带来巨大的压力，长此以往，可能会损坏电源。

短路是怎么发生的？

短路的原因有很多，但归根结底都是因为电路的“正常通路”被破坏了，出现了电流逃逸的情况。

绝缘层老化或损坏： 咱们家里用的电线外面都有塑料或橡胶做的绝缘层，用来隔开带电的铜线。时间长了，这些绝缘层可能会老化、龟裂，或者因为挤压、摩擦导致破损。如果两根裸露的电线（比如火线和零线）互相碰到了，或者带电的铜线碰到了金属外壳（比如电器外壳），就会形成短路。
异物进入电器： 有时候，比如金属钥匙、回形针、甚至是小昆虫，可能会掉进插座或者电器内部，它们作为导电体，连接了本来不应该连接的部分，就造成了短路。
电器本身故障： 电器内部的元件损坏，也可能导致内部短路。
安装不当： 电线接头没有接好，绝缘没做好，也可能埋下短路的隐患。

怎么防止短路？

咱们生活中常用的保险丝和空气开关（断路器），就是专门用来对付短路的“卫士”。

保险丝（熔断器）： 它就像电路里的一根“牺牲品”，里面有一根很细的金属丝，它的电阻比电路里的其他导线都要大，而且熔点比较低。在正常工作时，电流不大，保险丝安然无恙。一旦发生短路，巨大的电流流过保险丝，瞬间产生的高温就会把里面的细金属丝烧断，“啪”地一声，电路就被切断了，电流就无法继续流过，也就避免了更大的危险。这就好像有人在水泵前面放了一个很容易被冲破的薄膜，水流一旦太大，这个薄膜就破了，把水管堵住，也把水流给截断了。
空气开关（断路器）： 这个更智能一些，它也是根据电流大小来工作的。当电流超过设定的安全值时（比如短路时），它会自动“跳闸”，切断电路。有些空气开关还有漏电保护功能，能检测到电流悄悄“跑掉”（漏电）的情况，也能及时断开。

总结一下，用初中知识来说，短路就是：

电流本来应该乖乖地流过用电器，但因为电路被破坏，电流找到了一个电阻非常小（几乎为零）的“近路”，直接从电源的一极流向另一极。这样一来，电流会瞬间变得非常巨大，巨大的电流会产生强大的热量，把导线烧毁，甚至引起火灾。保险丝和空气开关就是利用这一点，在电流过大的时候自动切断电路，保护我们。

所以，下次看到电灯不亮，或者开关跳闸，就知道可能是电流贪玩，走了“近路”，需要好好检查一下电路是不是哪里出了问题。

网友意见

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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：短接与短路的区别

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。

图2：基尔霍夫简介（摘自《电路分析导论》第十二版）

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：

图3：无限大容量电源系统的短路分析

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：

图4：交流配电网的无限大容量配电系统短路电流波形分析

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：

图5：熔丝执行短路保护时它的表面温度θk公式是如何推得的？

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：

图6：导线的载流量表

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。

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