電源短路的實質是什麼？

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老師說，若將一個乾電池用一根導線正負連接起來，電池將會發熱損壞，稱其我為短路。若將電路上安裝一個用電器，則電池不會損壞，即不短路。眾所周知，用電器有電阻，在電路中消耗電能；導線也有電阻，在電路中也消耗電能。所以我覺得短路的條件不是在於電路上是否有電阻的問題。所以我的猜想有二：一是短路是有一個短路點，即電路上電流或某個電路上的值大於某個定量則電池短路；二是短路是一種籠統的說法，只是電路中的電阻過低，電流過高，消耗電能過大。我比較傾向於第二種猜想，但是如果這樣電池壽命縮短可以理解，不過電池發熱就不懂了。
初三學生黨的幼稚問題可能讓各位見笑了、不過真心求教

好象是2013年的問題，而且是一位初三學生提出來的，這位學生現在應當已經在高二了吧。

儘管問題很簡單，但簡單的問題解答卻往往有很深的道理。

不知為何，我對這個問題有點興趣，不妨在問題提出3年後，也來談談這個話題。當然，我不僅僅只回答這位同學的問題，而是把它略加深入進行探討。

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第一：什麼是無限大容量配電網

我們來看下圖：

先看圖1，左邊是電源部分，右邊是負載部分，中間有一個斷路器用作保護。圖1中，r是電源內阻，Ik是短路電流，R是短路後負載網路的線路電阻。

我們來計算負載網路的路端電壓U：

$U=ER/(r+R)=E/(1+r/R)$

注意這裡出現了r/R的比值。

若r小於或者等於R的1/50，或者直接令r=0.02R，則有：

$U=E/(1+0.02R/R)approx 0.98E$

這個式子說明什麼？說明如果電源內阻小於負載側短路電阻的1/50，則：

短路前後電壓基本不變。

我們看到，圖2和圖1是類似的，只不過圖2是交流電源而已。

在國家標準中，把符合這種條件的配電網稱為無限大容量的配電網。

這個概念非常重要，它是分析短路現象的重要條件。

第二：在交流電路中的電感

我們都知道，電感具有感抗，當流過電感的電流發生變化時，它能產生反向電動勢。如下：

$U_{L} =-Ldi_{L} /dt$

也就是說，當發生短路的瞬間，電流發生了很大的變化，交流線路中的電感會產生反向電動勢，以試圖抵消這種變化。同時，電感還會把儲存的磁場能釋放出來，形成了逐漸衰減的直流電流。

值得注意的是，這裡的電感就是配電網中的電力變壓器繞組，這是低壓配電網中的最大電感。

第三：短路電流波形分析

1）我們看到短路前後，電壓U不變。這說明，此配電網是無限大容量配電網。

2）短路後，負載側的電阻大幅度地減小，事實上就是短路點前的線路電阻與短路處電阻之和。由於短路前後電壓基本不變，因此短路電流很大。U的變化符合正弦規律，短路電流當然也符合正弦規律。我們把這個電流稱為短路電流的周期分量Ip，或者叫做短路電流的交流分量。

3）短路前的運行電流處於負半波，所以變壓器電感反向電動勢產生的電流一定處於正半波。同時，電感中的磁場能隨著時間逐步衰減，因此由變壓器電感反向電動勢產生的電流被稱為短路電流的非周期分量Ig，或者叫做短路電流的直流分量。

4）短路全電流Ish是的交流分量和直流分量疊加的結果。Ish在短路後10毫秒時出現的最大值Ipk，被稱為衝擊短路電流峰值。

衝擊短路電流峰值決定了短路電流的電動力衝擊作用，它是計算和衡量開關電器動穩定性的基礎。

GB 14048.2-2009《低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器》中規定，將動穩定性電流除以峰值係數n，得到的電流稱為短時耐受電流，此電流決定了短路電流的熱衝擊作用，它是計算和衡量開關電器熱穩定性的基礎。

5）隨著直流分量的減弱消失，短路電流最後只剩下交流分量。

在這裡，我們可以看到直流分量的曲線是指數函數，並且它按時間常數T而衰減，在5T時基本上已經衰減完畢。時間常數T為系統電感量與系統電阻的比值。

這些參量中最重要的就是短路電流的交流分量或者短路電流的穩態分量、衝擊短路電流峰值以及它出現的時間。

對於低壓配電網，在IEC 60947-1:2009和GB 24048.1-2012《低壓開關設備和控制設備第1部分：總則》中規定，衝擊短路電流峰值與短路電流穩態分量的比值是峰值係數n，n的範圍是：

這裡的試驗電流I就是短路電流穩態分量。

舉例：若電力變壓器的容量為2000kVA，低壓側線電壓為400V，阻抗電壓為6%，則有：

變壓器額定電流： $I_{ｎ} =S_{n} /(sqrt{3} U_{d} )=2000X10^{3} /(1.732X400)approx 2887A$

變壓器的短路電流穩態分量： $I_{k} =I_{n} /U_{k} =2887 X10^{-3} /0.06approx 48.1kA$

由表中查得，此時的峰值係數：n=2.1，故有：

變壓器的衝擊短路電流峰值： $I_{pk} =nI_{k} =2.1 X 48.1approx 101kA$

衝擊短路電流峰值出現的時間是短路後10毫秒。

從計算中我們看不出當Ipk=101kA時會發生什麼問題。我們不妨來計算一下。由畢奧。薩法爾定律我們可以得到母線間的電動力計算式，如下：

$F=0.2X10^{-7} I^{2} L/A$ ，這裡I就是短路電流，L是母線長度，A是母線中心距。若母線長度為12m，母線中心距為0.2m，電流就是101kA，我們代入表達式後得到：

$F=0.2 imes 10^{-7} imes 101000^{2} imes 12/0.2approx 12241.2Napprox 1249kgf$

也就是這兩支母線中流過101kA的短路電流時，兩支母線之間的短路電動力為1249千克力，摺合1.25噸的短路電動力！這個力足以把普通的開關櫃給撕裂解體。

第四：討論題主的問題

題主的問題是，用一根導線把電池的正負極短路後所發生的情況分析。

由於導線的電阻很小，不妨假定導線電阻R與電池內阻r相等。於是此時流過導線和電池內阻的電流為： $I_{k} =E/2r$

顯然，短路電流Ik的值很大，將造成電池劇烈發熱，外部短路導線也劇烈發熱，電池將因此而損壞。

舉例：1.5V電池的內阻是10 $mOmega$ ，所以有：

$I_{k} =1.5/(2X0.01)=75A$

這麼大的電流流過區區導線，導線將發熱發紅而焚毀，電池也因為劇烈發熱而損毀。

當然，要充分注意電池的內阻條件。電池容量越小，它的內阻越高，短路後的發熱作用就越低。我們把一顆紐扣電池用導線加以短路，應當不會發生什麼劇烈的發熱現象。原因就是電池的內阻大，產生了限流作用使得電流不會大幅增加。

當負載是正常負荷時，負荷電流是正常值，因而對電池不會發生任何影響。

第五：交流配電系統發生短路時會有什麼現象

一台1250kVA的變壓器，一次中壓側是6kV，二次低壓側為0.4kV,，變壓器的阻抗電壓是6%，額定電流是1804A，短路電流是30.1kA。低壓進線斷路器的額定電流是2000A，長延時過載保護整定在0.8In=1600A，短延時短路保護整定在5In=10kA，瞬時短路保護整定值為8In=16kA。

某日低壓開關櫃的抽屜與分支母線接插處發生短路故障，且故障持續時間有半個多小時。在此期間中壓斷路器未保護動作，最後由低壓進線斷路器執行了保護動作。故障發生時天氣良好，溫度也不高，低壓開關櫃運行正常。

事故首先是一台400A抽屜出現短暫電弧，但低壓主進線斷路器和400A抽屜中的斷路器均未跳閘保護。現場人員將抽屜斷路器緊急分斷後抽出檢查，未發現明顯的問題。推入後繼續運行。

第二次短暫電弧並未引起操作人員注意，直到第三次強烈電弧引起低壓進線斷路器跳閘保護。事後發現低壓開關櫃的分支母線已經被嚴重損毀。

我們來看第一次故障錄波記錄：

從故障錄波看，事故發生時在故障點出現了三相短路。其中電流最高瞬時值是B相的500A，也即低壓系統B相的7.5kA。短路故障持續了160毫秒。

事後檢查，發現低壓開關櫃中一套400A的抽屜迴路與分支母線接插處的絕緣支撐件發生嚴重的燒蝕破壞。因此可以斷定，第一次故障是因為過熱和灰塵引起爬電擊穿造成的。事故發生後，電弧將灰塵吹掉使得爬電擊穿現象自動停止。

我們來看第二次故障錄波記錄：

我們看到一個現象：B相和C相的電流波形是重合的，而且與A相反相。此波形說明A相出現了相對地短路，即單相接地故障。

我們看到A相電流的最大值是850A左右，乘以變壓器變比15後得到低壓A相的單相接地故障電流是12.75kA，故障存在的時間是180毫秒。

由前邊的描述可知，第二次故障發生在操作人員再次合閘運行之後。由於第一次故障電弧使得分支母線的絕緣支撐件絕緣能力受到嚴重破壞，所以第二次故障的原因就是單相接地故障。雖然故障電弧僅存在了很短暫的一段時間，但分支母線的絕緣支撐件其絕緣能力已經被完全破壞了。

我們再看第三次故障錄波記錄：

第三次故障錄波波形就是單純的三相短路，6kV側的電流最大值是1150A，摺合到400V低壓側相當於17.25kA。此電流值已經超過低壓進線斷路器的瞬時整定值16kA了，於是當三相短路電流最大值連續出現了5個周波100毫秒後，斷路器執行了短路保護。

因為短路發生在分支母線上，所以處於故障點下游的400A抽屜中的斷路器當然不會跳閘。

值得注意的是：低壓開關櫃的維護和保養十分重要，應當定期地去清掃開關櫃內各個部件上面的繪成，特別是各類絕緣件上面的灰塵；定期檢查低壓開關櫃的運行狀況，一旦發現絕緣件有問題應當立即更換，消除事故隱患。

這個例子說明，在分析配電系統中出現的短路現象時，既需要有記錄分析，也要有一定的經驗配套，這樣才能得到相對完整的故障分析和結論。

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我對這個題目的探討和延伸，到此就結束了。顯見，我的這個回答並不是針對學生的，更不是針對初三的學生，而是與有一定工作經驗的電氣工作者進行對話，並且期望能與電氣工作者們深入探討。

謝謝大家！

嘛一句話就可以說清的問題……

真正的像電池這樣的電壓源並不像理想電壓源一樣可以通過任意大的電流，它自己有一個電阻叫做內阻，當電流形成迴路的時候，迴路中的電流同樣從電池負極流入，電壓源像個泵一樣把這些電荷從電勢低的地方輸送到了電勢高的地方，但我們知道不管是電勢差帶來的電流還是電壓源這個「泵」的效果帶來的電流，電流都還是電流，電流從電池負極流到正極，負極到正極之間也會有電阻，這個電阻就是電池的內阻。作為一個優秀的電池，它的內阻是非常小的，通常小於1歐姆，但仍然還是存在的。

那麼實際電路中有負載的情況下，電池的開路電壓是在內阻和負載電阻（外阻，實際上還包括導線電阻）之間分壓。在正常情況下，負載電阻遠大於內阻，這時候絕大部分電壓都加在負載上，電池內阻上的電壓很小；而短路的時候，外阻接近甚至小於內阻，這時候絕大部分電壓都會加在內阻上，外部電路的輸出電壓降低。可以用分壓的公式來表示這件事：

$U_r = frac{r}{r+R}U$

r是內阻，R是外阻，U為電源的開路電壓。如果R遠大於r，則Ur接近於0；如果R非常小，那麼Ur的值就會接近U。

內阻也是電阻，也有焦耳效應，我們知道在給定電壓的情況下發熱功率可以寫為：

$W = frac{U_r^2}{r}$

內阻上的電壓越大，內阻的發熱也就越明顯，尤其由於內阻非常小，所以當短路發生的時候，電池內阻上的電壓過大，發熱功率也就很高，會燒壞電池。

總結來說：短路就是電源的大部分電壓都加到了電源內阻上的一種現象。

這種問題，正面直接回答吧。題主最核心的問題，是不知道什麼才叫短路。。

短路的定義為： 把電路中原本設計為有電壓差的兩個節點的直接連在了一起.

A short circuit is an abnormal connection between two nodes of an electric circuit intended to be at different voltages.

「老師說，若將一個乾電池用一根導線正負連接起來，電池將會發熱損壞，稱其我為短路」。

將一個乾電池正負連接起來，完全符合短路的定義，因為正負極這兩個節點在正常電路都應該是有電壓差的，而你的這個連接把它們連在了一起. 所以這個稱為是短路。

而「電池會發熱損壞」，是短路造成的後果，這個不是短路的定義。也就是說，電池是否發熱損壞並不能定義是否短路。

這樣是不是清楚了很多 ^^

至於電池為啥會發熱，這個是另外一個問題了，基本的焦耳定律就可以解決。

關於題主的兩個猜想：

1. 不成立，沒有定值這個說法。

2. 你說的這種情況稱為電路過載，在普通電路上面也會發生，特別是穩壓電源一類的。

電池內阻遠遠大於外阻, 同時電流過大，導致電源內部熱量過高。

物理老師路過，幫你簡單理理。

你的第二種想法接近正確答案，但也是錯的。

因為初中不學電池內阻（非電池電源在此不討論，初中電源大部分是指電池。）

好的，電池內阻有這麼幾個特點，1，它在電路中，2，它的阻值一般很小，低正常情況下，低於1歐姆。然後，你用電功率的知識算一下就知道，如果電路中沒有其他電阻，那麼電路的功率將會非常大。然後，發熱，且發熱位置在電池上。所以燒壞電池。

電池本事其實是有電阻的，叫做內阻，這個電阻可以看作是串聯在電路中的一個小電阻。只不過它通常很小（小於1歐），而電路中其他電阻通常比較大，所以初中的書不提這個電阻，將它忽略，這是簡化的模型，因為這樣分析起來比較方便不會太亂。既然實際的電池有電阻，那流過電流就會發熱，發熱功率跟電流的平方成正比。短路的時候外部電阻非常小，所以電路中電流（也就是流過電池內阻的電流）就很大，電池發熱就會很大，然後就是燒壞電池了。

關於這部分知識高中課本就有，可以借去看看。

一池子水(電荷)，用水管(電阻越大，水管越細)從高處往低處放水。你現在把水管拿掉，直接換成城市下水管道(短路的電線),瞬間池水就流完了。而且如果下水道不夠結實，極有可能被沖毀。

器件被短路的本質是該器件端電壓為0，或近似為0，通過該器件電流的大小則無法確定，需要通過外電路才能知道；

先考慮理想電源和理想導線，理想電源內阻為零，亦即無論通過該電源的電流多大，其端電壓始終不變；理想導線電阻值為零；用理想導線連接理想電源，將會導致矛盾：導線端電壓即為電源電壓，而導線電阻值為零，根據歐姆定律，通過導線的電流無窮大，在現實物理世界中不存在無窮大的量。

實際的電源內阻不為零，實際的導線電阻值也不為零，一般來說，導線的電阻值相對於電源內阻要小得多。

用實際的導線連接實際的電源，可以等效為用理想導線連接理想電源和兩個電阻，其中一個電阻表示電源內阻，另一個電阻表示導線電阻。串聯電路中，各電阻的端電壓與其電阻值成正比，由於導線電阻值比電源內阻小得多，所以代表導線阻值的電阻端電壓幾乎為零，而代表電源內阻值的電阻端電壓則接近電源電壓。

另一方面，理想電源與代表其內阻的電阻構成一個整體，亦即實際的電源，現在考察該實際電源的端電壓，該實際電源用理想導線連接著代表導線電阻值的電阻，上一段中得知，該電阻的端電壓接近於零，而該電壓值正是實際電源的端電壓值。亦即，電源的端電壓值接近於零，所以電源被短路！

發熱問題：

如果在上面討論的電路中，再串聯一個電阻，假設該電阻阻值至少大於電源內阻，根據歐姆定律可以知道，這個電路的電流值比之前電路的電流值要小至少兩倍。

注意電源內阻是固定不變的。電阻消耗的能量與其阻值成正比，與流過它的電流的平方成正比。電源內阻不變，於是電流越大，消耗能量越大，電阻消耗的能量體現為熱能，亦即，電流越大，發熱就越快，在相同時間內，熱量越高。

所以如果電源被短路，將會在短時間內發熱。

短路就是電源未經過負載而直接由導線接通成閉合迴路。就是這麼簡單，別多想。唯一需要注意的是：理想電路和現實中的電路，短路之後表現略有不同。

課本上的電源是理想的，沒有內阻。課本上的導線是理想的，電阻為零。這時候如果用理想導線連接這個理想電源，那產生的效果就是無窮大的電流不停地在這個閉合迴路裡面繞圈圈。

現實情況就沒這麼美好了，現實中電池的內阻0.5歐左右，假如有根直徑1mm，長1m的導線，根據計算大致能算出導線電阻為0.02歐。假如拿這根線去短接1.5V的乾電池，可以計算出電流為2.9A。進而可以計算出內阻消耗功率4.2W，導線消耗功率0.17W。可見能量大多消耗在內阻上。至於這些功率會產生多少熱量，這些熱量會提高多少溫度，提高的溫度會引起什麼化學反應，是否會爆炸，牽扯的物理化學知識太多，無法作答了。這裡可以看到，由於乾電池電壓很低，所以計算出來的短路電流也不是很大。如果是幾百V的電壓呢？短路電流會相當大，而功率又是和電流的平方成比例……

隨便想了一下，我覺得提問者很愛思考，值得鼓勵！可是這不是你這個階段的見識所可以想透的，換句話說吧，隨著你的年齡的增長，慢慢會加深這個認識！我沒有高票回答的張工那麼細緻。我就站在理論模型的角度給你說一下。

先看上圖，有一個元件（理解成某個東西吧！）它有兩個端1、2接到某個電路里，如果1、2間的電壓為0，而且如果通過1流出電路的電流等於通過2流入電路的電流（大小和方向），那麼稱接入A元件的兩個埠段路了

如上圖，就是可以說埠①和②短路了。

暫時回答這些，希望大家批評指正

不知道誰能從固體物理方向講講？

「如果這樣電池壽命縮短可以理解，不過電池發熱就不懂了」

這個問題非常簡單：

因為一個串聯電路，耗能和電阻成正比。

當短路的時候，導線電阻很小，相對來說，電源的電阻就大了。

也就是：電路的能量，都在電池那裡。

可以用簡單的數學，小學數學，來證明它。

寫起來比較麻煩，你自己算算看吧。

籠統地說，當一個用電器和導線並聯的情況都可稱為短路。對於電源來說，不經過負載即用電設備，用導線直接連接其正負極即構成短路。僅僅是中學階段的話，那麼根據歐姆定律，電池電動勢除以迴路總電阻即為電流。短路情況下，迴路總電阻很小，從而導致短路電流很大。根據焦爾定律，導體發熱功率與其電阻成正比，與電流平方成正比。所以熱量會集中在電池內電阻上，導致電池急劇發熱。