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為什麽導線明明經過用電器還是會短路?

2021-07-05知識

看到懇請這兩個字,我來回答吧。

我設想了題主的疑問可能有兩個意思,以下按兩種意思來解答。

第一種解釋

我們看下圖:

圖1:短接線對電源實施了短路

我猜想,題主的意思可能是說導線1和導線2明明把電源電壓引入到負載燈泡上,為何短接線能把電源給短路而不讓電流流過負載燈泡?這種問題的解答很簡單,做個簡單計算立刻就明白了。

我們設想,電池是6V的,它的內阻是0.1Ω。燈泡是0.5W的,電壓當然也是6V。短接線的長度是1米,截面為1平方毫米的銅線。我們來計算短接線接入前後燈泡兩端的電壓和流過燈泡的電流:

首先計算燈泡的電阻:R_{HL}=\frac{U_N^2}{P}=\frac{6^2}{0.5}=72\Omega ,於是短接線接入前燈泡兩端的電壓和流過的電流分別為:

燈泡兩端的電壓: U_{HL}=\frac{ER_{HL}}{r+R_{HL}}=\frac{6\times 72}{0.1+72}\approx 5.9917V

流過燈泡的電流為: I_{HL}=\frac{E}{r+R_{HL}}=\frac{6}{0.1+72}\approx 0.08322A

現在我們把短接線接入,先計算短接線的電阻:

R_L=\rho\frac{L}{S}=1.7\times 10^{-8}\times\frac{1}{1\times 10^{-6}}=0.17\Omega

短接線與燈泡並聯,實際上就是短路。我們首先來計算短接線與燈泡並聯後的電阻:

R_K=\frac{R_LR_{HL}}{R_L+R_{HL}}=\frac{0.17\times 72}{0.17+72}\approx 0.1696\Omega

我們看到並聯後的總電阻與短接線的電阻非常接近。事實上,如果兩只電阻的阻值相差10倍,可以近似地認為並聯後的總電阻就是較小的電阻阻值。這叫做十倍原則,在電氣工程的速算中套用很普遍。

我們來算此時的短路電流:

I_K=\frac{E}{r+R_K}=\frac{6}{0.1+0.1696}\approx22.2552A

此時流過燈泡的電流為:

I_{K.HL}=\frac{I_KR_L}{R_L+R_{HL}}=\frac{22.2552\times 0.17}{0.17+72}\approx 0.0524A

流過短接線的電流為:

I_{K.L}=\frac{I_KR_{HL}}{R_L+R_{HL}}=\frac{22.2552\times 72}{0.17+72}\approx 22.2028A

我們看到短接線中流過的短路電流占總短路電流的99.76%。由此可見,短路電流主要流經短接線,而負載(用電電器)中的電流微乎其微。

那麽原因是什麽?很簡單:因為短接線與燈泡是並聯的,其中之一的並聯支路之電流與另外支路的電阻與各支路電阻之和成比例。短接線的電阻遠遠小於燈泡電阻,故短路電流主要流經短接線,而負載中的電流極小。

第二種解釋

對於一般的配電網,用電電器的外殼是接地的,如果用電電器內部發生了碰殼事故,則等效於相線與地線之間發生了短接。

我們看下圖:

圖2:居家配電的TN-C-S接地系統

圖中電冰箱的外殼是接地的,而地線(黃綠色線)在戶外與零線相接並且重復接地。因此電冰箱一旦發生漏電,等效於相線(火線)對地線(零線)短路。此時,電冰箱所接的開關QF2會執行過電流保護。

這種情況很類似第一種解釋,只不過短接線在電器的內部,而且是電器自身的零部件發生電擊穿或者碰殼造成的。

特別地當電冰箱發生漏電後,人體一旦接觸到冰箱外殼就會被電擊,所以電冰箱電路的前端會安裝漏電保護器RCD,它的靈敏度高於開關,只要漏電流超過30毫安會驅動開關執行開斷操作。

在供配電技術中,我們把TN接地系統叫做大電流接地系統,指的就是漏電後的漏電電流近似等於相線對中性線的短路電流。

我估計,題主是初中生,對第二種解釋的理解會有一定的困難。但仔細看圖2,應當還是能夠看懂的。

最後給題主一個提醒:以後遇見此類問題,一定要自己動手計算確認,立馬就得到結果,比到網上尋求似是而非的答案要好很多。這就是動手能力。動手能力是自我培養出來的,提高了動手能力不但對我們當前的學習大有好處,對我們走進大學校園學習專業課也大有好處。另外,動手能力的提高對於我們日後在職場工作時也益處極大。

動手能力既包括計算能力,也包括實操能力,是我們解決問題的基本技能之一。

回答到此結束。