可否解释一下短路和断路？

一位知友把这个问题贴用私信发给我，他说：“我是刚入职1年多的新人，读的是软件工程，现在的工作是设计开关设备的监控系统，但我傻傻的连短路和断路都搞不清，……。短路了开关就会执行开断操作，线路不就是断路了吗？短路、断路与断路器的开断能力是什么关系？”。

这个问题与我的专业有关，我来回答这位知友的问题吧，顺带着给知友们科普相关的知识。

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1.关于短路

（1）有关短路的几个要点

我们看下图：

图1中，我们看到了电源E，开关K，还有负载电阻Rz，它们之间用导线连接。

注意到几个要点：

第一：电源是有内阻的，它相当于电压源Us和电源内阻r的串联。

第二：线路也是有电阻的，虽然它的值很小。我们设线路电阻是Rx，注意这里的Rx是电源、负载间连接线路的线路电阻。单相交流电和三相交流电线路电阻有何区别？为何单相交流电的线路电阻要乘以2？

第三：开关K的接触电阻被认为等于零。

现在，我们来看看负载电阻Rz两端的电压U的形式，电压U其实就是负载侧的路端电压，如下：

U=ERzr+Rx+RZ=Er+RxRz+1U=\frac{ER_z}{r+R_x+R_Z}=\frac{E}{\frac{r+R_x}{R_z}+1}

上式是根据负载电阻Rz的分压原理得到的。之所以要写成分式的形式，是因为分析起来比较方便。

注意看上式的分母，在一般情况下线路电阻与电源内阻之和r+Rx相对负载电阻Rz来说非常小，(r+Rx)/Rz近乎等于零，所以我们得到： U≈EU\approx E 。这个结论很重要。

值得注意的是，由于配电网是交流电，因此上式中的电阻要换成阻抗。我们用Zr表示电源内阻抗，用Zx表示线路阻抗，用Zz表示负载阻抗，则上式变成：

U=EZr+ZxZz+1≈EU=\frac{E}{\frac{Z_r+Z_x}{Z_z}+1}\approx E ，式1

现在我们让负载侧发生短路。注意到一个很重要的事实：对于中压和高压输送电电网和配电网，电源和线路阻抗必须小于线路末端短路阻抗的1/50。我们把此参数代入到式1中，得到：

U=EZr+ZxZz+1≈E150+1≈0.98E≈EU=\frac{E}{\frac{Z_r+Z_x}{Z_z}+1}\approx \frac{E}{\frac{1}{50}+1}\approx 0.98E\approx E

这告诉我们一个重要信息：在中压和高压配电网中发生短路时，短路前后线路上的电压基本不变！这一点非常重要。

（2）配电网上的短路电流波形以及它的主要参数

我们已经知道短路点的阻抗很小，而电压又基本不变，根据欧姆定律，我们知道短路电流会很大。由于交流电的电压和电流波形符合正弦规律，我们把此电流叫做短路电流的周期分量（交流分量）ip，它的表达式如下：

ip=2Ipsin⁡(ωt+α−φk)i_p=\sqrt{2}I_p\sin(\omega t+\alpha-\varphi_k)

我们还知道，配电网的电源其实就是电力变压器。电力变压器的绕组具有感性，我们由楞次定律可知，当发生短路的瞬间，系统的电流由正常运行电流上升到短路电流的周期分量，电力变压器的绕组电感会产生反向电动势以及逐步衰减的短路电流非周期分量（直流分量）ig，其初始值就是ip的瞬时值，但方向相反。

短路电流的周期分量ip和非周期分量ig叠加在一起，构成了短路电流的全电流ish。短路全电流的表达式如下：

ish=2Isnsin⁡(ωt+α−φk)−2Isnsin⁡(α−φk)e−tτi_{sh}=\sqrt{2}I_{sn}\sin(\omega t+\alpha-\varphi_k)-\sqrt{2}I_{sn}\sin(\alpha-\varphi_k)e^{-\frac{t}{\tau}} ，式2

式2中，Ish是短路全电流的有效值， ω\omega 是电源角频率，α是t=0时电压的初相角， φk\varphi_k 是电流与电压的初相角，τ是时间常数，它的值为： τ=ΣXΣR\tau=\frac{\Sigma X}{\Sigma R} ，这里的X是电抗值，主要是感抗值，而R是电阻值。

在我的书《低压电器技术精讲》和《低压成套开关设备的原理及其控制技术》中，有一幅关于短路电流的波形图，此图是我用CAD绘制的，且在知乎上多次引用，如下：

图2中，纵坐标是电流和电压，横坐标是时间。短路就发生在时刻0，以下我们就从时刻0开始讨论。

1）在t=0的左侧是正常运行状态，我们看到了正常运行电流，它与电压的相位差角是φ。

2）在t=0时刻发生了短路。我们看到了周期分量（交流分量）ip的初始值ip(0)，注意到它是负值。我们还看到了非周期分量（直流分量）的初始值ig(0)，注意到它与ip(0)大小相等方向相反。

3）对比t=0时刻的左侧和右侧，我们发现短路前后电压U基本不变，电压波形丝毫没有受到影响。

4）在短路后0.01秒，短路全电流ish出现了最大值，我们把它叫做冲击短路电流峰值ipk。

5）短路电流的非周期分量（直流分量）的衰减期间叫做短路的暂态过程，之后短路就进入到稳态过程。我们看到，稳态过程中只剩下了短路电流的周期分量（交流分量），我们把此时的短路电流叫做短路电流的稳态值，它的有效值用Ik表示。

6）冲击短路电流峰值ipk决定了短路电流的短路电动力，短路电流稳态值Ik决定了短路电流的发热作用。

7）冲击短路电流峰值Ipk与短路电流稳态值Ik之比叫做峰值系数n。在国家标准GB7251.1-2013《低压成套开关设备和控制设备 第1部分：总则》和GB14048.1-2012《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》中有下表：

有了峰值系数表，我们很容易计算出导线之间的短路电动力。

（3）一个有关短路计算的例子

设某开关设备的母线长度是15米，母线中心距是50毫米。已知电力变压器的容量是2000kVA，阻抗电压是6%，电力变压器低压侧的线电压是400V。我们来计算母线间的短路电动力。

第一步：计算电力变压器的额定电流：

In=Sn3Un=20000001.732×400≈2887AI_n=\frac{S_n}{\sqrt{3}U_n}=\frac{2000000}{1.732\times 400}\approx 2887A

第二步：计算电力变压器的短路电流和冲击短路电流峰值：

Ik=InUk%=28870.06×10−3≈48.1kAI_k=\frac{I_n}{U_k\%}=\frac{2887}{0.06}\times 10^{-3}\approx 48.1kA

查图3的表，在倒数第二行我们看到48.1满足试验电流20kA到50kA这个条件，所以峰值系数n=2.1。由此得到：

Ipk=nIk=2.1×48.1≈101kAI_{pk}=nI_k=2.1\times 48.1\approx 101kA

第三步，求母线间的短路电动力：

由毕奥萨法尔定律以及截面系数的关系，母线间的短路电动力F为：

F=10−7Ipk2Kc2Ld=10−7×1010002×1.2×2×150.05≈734472N≈74946kgfF=10^{-7}I_{pk}^2K_c\frac{2L}{d}=10^{-7}\times 101000^2\times 1.2\times \frac{2\times 15}{0.05}\approx 734472N\approx 74946kgf

差不多有75吨的短路电动力作用在母线上，可想而知开关柜的结构和母线夹将承担多大的瞬态冲击力。如果开关柜结构不稳定，则开关柜将解体，产生更大的危害！

我们再来看看母线流过短路电流后的最高温度。

首先看看计算母线在流过短路电流后的最高温度计算式：

θk=1α0[(1+α0θ0)eρ0α0tkIk2S2cγ−1]\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] ，式3

式3中的 θk\theta_k 就是母线的最高温度。

由于母线发热与母线规格有关，而各厂家生产的开关柜母线规格并不统一。我按ABB的母线规格来计算（不想透露母线规格参数），若母线的初始温度是40+60=100℃，计算表明，当母线流过48.1kA的稳态短路电流且持续时间为1秒，母线的温度可达210℃，这个温度值是满足母线的瞬态最高允许温升要求的。

通过这一段内容的表述，我们看到短路不是一件很简单的概念。短路有它的过程，也有它的电动力作用和发热作用。我们把开关设备承受短路电流电动力冲击和热冲击的能力叫做开关设备的动热稳定性。动热稳定性是开关设备的最重要技术指标之一。

2.关于断路

（1）短路和断路的关系

我们看下图：

图4中我们看到了低压配电系统中发生的短路，从前级到末端共有7种短路，越往后短路电流越小。不管是哪一级的短路，短路出现后开关设备经过一段很短的时间后就把短路线路给切断了，此时电路呈现的状态就是断路。

（2）断路过程中出现的电弧现象

我们知道开关设备开断线路需要一定的时间。在这段时间内，电路中发生了什么现象？也就是说，电路的断路过程是怎样的？

我们还可以想象，当用电电器的插头从插座中拔出的瞬间，插头与插座接触簧片之间会出现电弧，电弧的发展过程又是怎样的？我们看下图：

图5左上角我们看到了插头从插座中拔出瞬间，在插头的左侧产生了电弧。

电弧产生的条件是：电压高于20V，电流大于0.2A，所以一般的电器插头硬性地从插座中拔出时，就会产生电弧。

图5的右上角我们看到了两个效应。

第一个效应是场致发射，它发生在插头和插座簧片上，它的起因是材料表面不平整，又因为E=U/d，这里的U是电源电压，d是插头和插座开断瞬间在尖端处的最短距离。由于距离d很小，所以电场强度E很大，电子从材料中逸出。

第二个效应是空间电离，它发生在插头与插座簧片中间的间隙中。当电子从阴极（瞬态的负极）向阳极（瞬态的正极）运动的过程中，撞击间隙中的中性粒子并使之电离，电离后的正负粒子也向两极运动。这种效应当电场强度很强时发展得很迅速也很强烈。

空间电离产生的正离子撞击阴极，造成电子的逸出，我们把它叫做二次发射。二次发射又进一步加强了电极发射电子的数量。

在以上这几种效应的影响下，空间中的电子数量增多。电子与部分阳离子复合会产生光和热，进一步引起空间激发，并产生一种特殊的空间离子结构——电子崩，这就是断路时产生的放电现象。放电现象进一步加剧，电子崩会发展成为流注，并生成电弧。

下图是直流气体放电管中的电子崩，以及电弧放电区域：

图6中左侧是直流气体放电管的电路图，图中可见电子崩。右图是放电区域，其中蓝色的是非自持放电区域，其中的击穿电压与海拔高度有关，与空气的介电特性有关；黄色区域是辉光放电区域，就是日光灯灯管放电现象所对应的特性；红色的就是弧光放电区，也就是我们很熟悉的电弧放电。

注意一个事实：从图6右侧的气体放电管伏安特性曲线看，气体放电区间的电压降越高电流就越小，温度也越低；电弧放电时放电区间的电压降最低，但温度最高，电流也越大。

这一切，都发生在线路断开瞬间，也即断路时所发生的现象。

（3）交流电弧的波形以及断路过程

那么真实的交流电弧波形是什么样的？我们看下图：

图7是我带着学生在电器学实验室做电弧实验时拍摄的。图中的上半波和下半波合在一起的时间就是一个完整的工频交流电正弦波形时间，也即20毫秒。

图7怎么看？我们看下图：

图8的左侧，在t0时刻，断路器的触头分开了，也就是电路的断路过程起始点，电弧正式登场。我们看到电流i的负半波波形越来越接近时间轴，也即电流的绝对值越来越小，电弧的温度越来越低，电弧的电压降幅值越来越高。当电流即将过零前，电弧电压降的值最高，我们把它叫做熄弧尖峰Uxh。在图7中我们能看到熄弧尖峰。此后，电弧熄灭，此时的时间是t1。

过了t1，电流i开始加大。因为过零期间弧隙的温度降低，所以当电弧重新起燃时，又出现了一个电压最高值，我们把它叫做燃弧尖峰Urh，并且Urh>Uxh。

我们把熄弧尖峰与燃弧尖峰之间的区域叫做零休时刻，相当于交流电弧在电流过零时休息了一段时间。

当电弧重新燃烧后，电弧电压迅速降低，温度也迅速提高。由于此时触头之间的距离比之前要大，因此在t1到t2段，电弧的温度比之前要低，电压值略高。电弧在t2前后出现零休，并在之后重燃。

到了t3阶段，触头之间的距离更大，弧隙中间的介质温度更低，过零后电弧已经不能再重燃了。不过，此时有一个很有意思的现象出现，就是线路中的电感和分布电容产生衰减性振荡，并寄生在电压曲线上。之后，电弧彻底地熄灭，断路过程至此结束。

我们可以设想要熄灭断路过程中出现的电弧，应当采取的措施，当然就是加强熄灭电弧的措施了。由于熄弧方法和具体措施与主题无关，此处忽略。

（4）直流电弧熄灭时产生的过电压

我们看下图：

图9中粉色区域是电弧电流Ih，注意到它对时间的变化率，Ih越接近于零，Ih对时间的变化率 dIh/dtdI_h/dt 越大。如果系统中有感性负荷，则感性负荷产生的过电压就越强。图9中我们能看到过电压的峰值，近乎为电源电压的三倍。

所以直流电路的断路过程中，最让人头疼的就是过电压。在实际线路中，若熄弧较快，则线路中一定要配套抑制过电压的具体措施。

（5）交流电路的断路过程中，如果执行开断操作的是限流断路器，它会产生过电压吗？

答案是肯定的。

因为限流型断路器的开断时间不到1/4周波，加上灭弧时间也不会超过1/2周波，如果系统中有感性负载或者隔离变压器，则会产生过电压。

3.短路、断路和开关电器的关系

在配电网中一旦发生了短路事故，能主动地执行开断电路操作的元件就是熔断器或者断路器，其它所有元器件都只能被动地承受短路电流的冲击。也因此，熔断器和断路器又叫做主动元件，其它元件叫做被动元件。

对于短路而言，它执行短路开断电路的操作需要有一定的时间，所以冲击短路电流峰值Ipk必定会流过断路器。为此，断路器除了要具有短路保护特性参数外，还需要有极限短路分断能力这个参数。我们来了解一下。

（1）断路器用于短路保护操作的2个参数

这两个参数分别是短路短延时保护S参数，以及短路瞬时保护I参数。

S参数一般用于较小规模的短路保护，它具有延时特性，以便与后级断路器实现短路的选择性配合保护关系。

当短路电流较小时，S参数的延迟时间较长；当短路电流较大时，S参数的延迟时间较短。短路短延时特性又叫做短路保护的短延时保护特性。

I参数用于较大规模的短路保护，它不具有延时特性，开断时间都是固定的。

我们看下图：

图10中，绿色的线就是短路短延时S参数保护安秒特性曲线。注意看绿色线的动作时间（纵坐标数据）随着电流（横坐标数据）的增大而减小。

图10中，黄色的线就是短路保护I参数的曲线，我们看到不管短路电流的大小，断路器的动作时间都是一样的。

我们已经知道当出现冲击短路电流峰值时，由于断路器尚未完成断开电路的操作，所以断路器必须承受冲击短路电流Ipk的冲击。短路对应的参数是短路接通能力Icm，Icm又叫做断路器的动稳定性。

断路器的触头在开断短路电流时，必须要承受电弧的烧蚀。断路器能够承受的极限短路电流参数是极限短路分断能力Icu。

断路器的触头导电排（杆）在承受短路电流冲击时，它的温升必须满足标准要求，且承受热冲击所对应的时间一般是1秒。这个参数是短时耐受电流Icw。

显见，短时耐受电流必须满足稳态短路电流Ik的热冲击，而短路接通能力必须满足冲击短路电流峰值Ipk的冲击。因此，断路器的Icm与Icw的比值就是峰值系数n，见图3。

注意看图11中从Icw开始到Icm的几个参数，它们与短路有何关系？与断路又有何关系？

另外，图11中的I2就是短路短延时参数，I3就是短路瞬时参数，它们与短路有何关系？如果没弄懂，请看前面的表述。

另外，断路器的电寿命，它与超程有关。而超程，当然与断路时出现的电弧烧蚀有关。

4.短路与断路的关系

短路与断路是联系在一起的。短路指的是电路中出现的过电流状态和现象，断路则是指电路最终的结果。可见，电路中发生短路后的结果一般就是电路的断路，而引起断路的原因则并不一定是短路，正常运行也会发生断路。

与短路过程和断路过程相伴随的就是电弧。所以，理解电弧产生的原因、电弧维持的条件以及灭弧措施显得格外重要。

关于短路和灭弧，建议参阅任何一本《供配电系统》，或者《电器学》。前面这本书讲的比较泛，后面这本书讲得比较深入。知友们可根据自己的情况选择性阅读。

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回答完毕。