短路原理是什么意思(短路 原理)

这个问题很有挑战性。在大学课堂上，供配电系统、电工学、工厂供电、发电厂电气部分等课程中都出现了短路问题。分析短路的原理和过程并不难。但提问者希望用初中生能理解的知识来解释短路。由于初中的知识比较狭窄，所以我就用中学的知识来回答这个问题。

1.短路指的是什么？

首先我们要明白，短路是指电源的短路，而不是某个元件的短路。

我们看下图：

图1：短路与短路的区别。图1左图中，当开关K闭合时，我们用导线将电阻R1短接。总电流I会增加，但并不是短路。

图12右图中，当开关K闭合时，我们同样用导线将电源正极（A端）和负极（B端）短路。这就是短路。此时，电源短路。

2.针对图1来分析一个实例

我们看一个例子：假设电池电动势E=3V，内阻r=0.4欧姆，电阻R1、R2均为10欧姆，短路线为带交叉的铜线。截面S=1平方毫米，长度L=1米。我们来计算一下短路前后的电流变化。当然，此时R1不能用短线短路。

首先求出外部电路的总电阻：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:内联块；相对位置：color:绿色；'数据数学='R=R1+R2=10+10=20#x03A9;'角色='演示'R=R1+R2=10+10=20R=R_1+R_2=10+10=20\

特别需要指出的是，我们中学时学过的整个电路的欧姆定律的确切名称是基尔霍夫电压定律KVL。

图2：基尔霍夫简介（来自《电路分析导论》第12版）下面我们使用基尔霍夫第二定律来求解正常工作电流。

正常工作电流：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:内联块；相对位置：color:绿色；'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

此时路端电压：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:内联块；相对位置：color:绿色；'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。

现在我们在A点和B点之间连接短路线，此时，通过短路线的电阻Rx将电源短路。请注意，Rx本质上与负载电阻R并联。为此，我们首先找到短路线的电阻：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'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\欧米茄

短路线Rx与负载电阻R并联的阻值为：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'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}\约0.\欧米茄

我们看到，当短路线与负载电阻并联时，总电阻几乎等于短路电阻。

我们再求一下短路电流Ik。同样根据基尔霍夫电压定律，我们有：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'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.}\约7.1944A

这就是短路电流。

我们来看一下短路线Rx和负载电阻R中的短路电流的具体值。由于短路线Rx和负载电阻R是并联的，所以短路线Rx和负载电阻R的电流是并联的。两条并联支路按总电流乘以另一支路电阻与总电阻之比进行分配，故有：

流过短线的电流：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:内联块；相对位置：color:绿色；'数据-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.}\约7.1883A

流过负载电阻的电流：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:内联块；相对位置：color:绿色；'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

流经短路的电流占总短路电流的百分比为：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:内联块；相对位置：color:绿色；'数据数学='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\%\约99.9152\%

可以看出，几乎所有的短路电流都流经短路线，负载电阻上的电流完全可以忽略不计。

现在我们来计算一下电源内阻r和短路线Rx上产生的短路发热功率。

电源内阻r上产生的加热功率：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:内联块；相对位置：color:绿色；'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

短线Rx上产生的加热功率：rame'tabindex='0'style='font-size:100%；display:内联块；相对位置：color:绿色；'数据-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.\约0.8779W

可见，大部分加热功率落在电源（电池）上。电源（电池）会剧烈发热并爆炸，电线也会发热发红，甚至烧毁。

提问者可能想问：电线的温度会升到多高？我给你一个计算公式。由于这个公式的来源推导需要用到高等数学中的积分运算，所以我们可以忽略公式的来源，直接进行计算。公式如下：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'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为短路后导线的温度，0为零度时的电阻温度系数，0为短路前导线的温度，Ik为短路电流，tk为短路电流。短路时间，S为导线截面积，c为导线材质。比热容，是线材的密度。

我们假设短路前电线的温度为25度，短路时间为1秒。我们将铜的其他参数代入公式1，我们得到：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'数据数学='#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]\\\约25.28^\circC

我们可以看到，即使发生短路，这根1米长、截面积为1平方毫米的铜芯线温度也只上升了5.28，而电源内阻（电池）发热功率大，会爆炸。这只是1秒的通电时间。随着时间的增加，短路将承受更大的热影响。

我们看一下短路点的电压：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'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.\约0.1222V

实际上，U是短路时的电路端电压，它与电源电动势的比例为：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'数据数学='100#x00D7;0.#x0025;#x2248;4.15#x0025;'角色='演示'1000.%4.150\times\frac{0.}{3}\%\approx4.15\%.

与工作时电路端电压2.5V和短路后电路端电压0.1222V相比，相差20.5倍！

从例子中我们可以看出，短路后损坏的主要来源是电源，因此必须对电路采取保护措施。图1中开关K之前必须串联熔断器。对于较高的直流电压，还可以配备直流断路器来切断短路故障电路。

至此，我们已经对图1中的短路进行了深入的分析。

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，让我们对图1和上面的示例进行一些深入分析。

如果我们尽量降低电源的内阻r，那么短路对电源造成的损害当然就会减少。如果我们能让电源的内阻小于或等于短路电阻的1/50，见下图：

图3：无限大容量供电系统的短路分析。我们根据基尔霍夫电压定律分析图3，路端电压U的表达式为：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'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}

将r=Rk/50代入上式可得：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'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}\约0.98E\约E，公式2

公式2告诉我们一个重要事实：如果电源内阻小于或等于短路点电阻的1/50，则短路前后系统的电路端电压基本不变。此时的电源称为无限大容量电源系统。

特别是在无限大容量的供电系统中发生短路时，即使短路持续，电源也不会过热，但负载和连接导线会过热甚至着火，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面第3节讨论的类似。我们看下图：

图4：交流配电网无限大容量配电系统短路电流波形分析。如何分析图4中的电流波形？让我们仔细看看。

第一：我们看到短路前（t=0的左端）的正弦电压和正弦电流波形，我们看到电流i取零值，即将正向上升。此时，电压u已达到或接近正最大值。值，表明电压超前电流近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都是感性负载，这当然会造成电压超前电流。

第二：当发生短路时以及随后的短路过程中，我们看到电压u的波形不受影响，说明这是一个无限大容量的配电系统。

第三：发生短路时（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，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。我们将此短路电流称为短路电流的交流分量ip。

第四：当发生短路时（t=0），电源变压器会释放磁场能量，即电源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，并且会随着时间的推移而迅速衰减，我们把这个电流称为短路电流的直流分量Ig。

第五：短路后10毫秒（0.01秒），短路电流的交流分量ip和短路电流的直流分量ig叠加，形成峰值冲击短路电流ipk，即短路电流的最大值。

第六：短路电流的直流分量ig衰减后，如果线路中的开关不采取保护措施，短路电流将进入稳态值ik，ik的值将等于到ip。

第七：我们把短路电流的直流分量ig的衰减时间称为短路电流的暂态过程，然后称为短路电流的稳态过程。

以上七点非常重要。它们描述了交流配电网的短路原理和短路过程。

5.发生短路后熔断器熔丝的表面温度k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：保险丝进行短路保护时表面温度k的公式是如何推导的？图5左图中，我们在t=0时刻闭合熔丝开关K，电路接通并开始运行。注意，电流I流过开关K的保险丝，导致保险丝产生一定的温度。对于熔断器来说，电流I产生的热量Q1为：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'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，为保险丝的电阻率，L为保险丝的长度，S为保险丝的截面积，t为保险丝的通电时间。

熔断器的表面温度经历从环境温度0到工作温度u的过程。我们假设保险丝的比热容为C，其质量为m。根据我们初中物理所学的知识，我们可以列出保险丝升温所消耗的热量Q2：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'data-mathml='Q2=Cm(#x03B8;u#x2212;#x03B8;0)'role='presentation'Q2=Cm(u0)Q_2=Cm(\theta_u-\theta_0)，方程4

当保险丝表面温度高于环境温度0时，两者之间的温差称为温升。当温度升高0时，保险丝开始散热。伟大的科学家牛顿告诉我们，散热功率为：P=KtA，其中Kt称为综合散热系数，A为散热面积。对于电线或保险丝，A等于不包括两个端面的表面积。因此，保险丝散发的热量Q3为：

rametabindex='0'style='font-size:100%;display:内联块；相对位置：color:绿色；'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是保险丝的横截面周长，L是保险丝的长度。

当电流继续流过保险丝和保险丝时

的表面温度已经趋于稳定，此时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：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

熔丝的温升表达式：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：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。