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为什么导线明明经过用电器还是会短路?

2021-07-05知识

看到恳请这两个字,我来回答吧。

我设想了题主的疑问可能有两个意思,以下按两种意思来解答。

第一种解释

我们看下图:

图1:短接线对电源实施了短路

我猜想,题主的意思可能是说导线1和导线2明明把电源电压引入到负载灯泡上,为何短接线能把电源给短路而不让电流流过负载灯泡?这种问题的解答很简单,做个简单计算立刻就明白了。

我们设想,电池是6V的,它的内阻是0.1Ω。灯泡是0.5W的,电压当然也是6V。短接线的长度是1米,截面为1平方毫米的铜线。我们来计算短接线接入前后灯泡两端的电压和流过灯泡的电流:

首先计算灯泡的电阻:R_{HL}=\frac{U_N^2}{P}=\frac{6^2}{0.5}=72\Omega ,于是短接线接入前灯泡两端的电压和流过的电流分别为:

灯泡两端的电压: U_{HL}=\frac{ER_{HL}}{r+R_{HL}}=\frac{6\times 72}{0.1+72}\approx 5.9917V

流过灯泡的电流为: I_{HL}=\frac{E}{r+R_{HL}}=\frac{6}{0.1+72}\approx 0.08322A

现在我们把短接线接入,先计算短接线的电阻:

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

短接线与灯泡并联,实际上就是短路。我们首先来计算短接线与灯泡并联后的电阻:

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

我们看到并联后的总电阻与短接线的电阻非常接近。事实上,如果两只电阻的阻值相差10倍,可以近似地认为并联后的总电阻就是较小的电阻阻值。这叫做十倍原则,在电气工程的速算中应用很普遍。

我们来算此时的短路电流:

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

此时流过灯泡的电流为:

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

流过短接线的电流为:

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

我们看到短接线中流过的短路电流占总短路电流的99.76%。由此可见,短路电流主要流经短接线,而负载(用电电器)中的电流微乎其微。

那么原因是什么?很简单:因为短接线与灯泡是并联的,其中之一的并联支路之电流与另外支路的电阻与各支路电阻之和成比例。短接线的电阻远远小于灯泡电阻,故短路电流主要流经短接线,而负载中的电流极小。

第二种解释

对于一般的配电网,用电电器的外壳是接地的,如果用电电器内部发生了碰壳事故,则等效于相线与地线之间发生了短接。

我们看下图:

图2:居家配电的TN-C-S接地系统

图中电冰箱的外壳是接地的,而地线(黄绿色线)在户外与零线相接并且重复接地。因此电冰箱一旦发生漏电,等效于相线(火线)对地线(零线)短路。此时,电冰箱所接的开关QF2会执行过电流保护。

这种情况很类似第一种解释,只不过短接线在电器的内部,而且是电器自身的零部件发生电击穿或者碰壳造成的。

特别地当电冰箱发生漏电后,人体一旦接触到冰箱外壳就会被电击,所以电冰箱电路的前端会安装漏电保护器RCD,它的灵敏度高于开关,只要漏电流超过30毫安会驱动开关执行开断操作。

在供配电技术中,我们把TN接地系统叫做大电流接地系统,指的就是漏电后的漏电电流近似等于相线对中性线的短路电流。

我估计,题主是初中生,对第二种解释的理解会有一定的困难。但仔细看图2,应当还是能够看懂的。

最后给题主一个提醒:以后遇见此类问题,一定要自己动手计算确认,立马就得到结果,比到网上寻求似是而非的答案要好很多。这就是动手能力。动手能力是自我培养出来的,提高了动手能力不但对我们当前的学习大有好处,对我们走进大学校园学习专业课也大有好处。另外,动手能力的提高对于我们日后在职场工作时也益处极大。

动手能力既包括计算能力,也包括实操能力,是我们解决问题的基本技能之一。

回答到此结束。