1.6 电路的3种状态及电气设备的额定值

1.6.1 电路的3种状态

在实际用电过程中，根据不同的需要和不同的负载情况，电路可分为3种不同的状态。了解并掌握使电路处于不同状态的条件和特点，是正确用电和安全用电的前提。

1.开路状态

开路又称为断路，是电源和负载未接通时的工作状态。典型的开路状态如图1-32所示。当开关S断开时，电源与负载断开（外电路的电阻无穷大），未构成闭合回路，电路中无电流，电源不能输出电能，电路的功率等于零。

开路状态有两种情况。一种是正常开路，如检修电源或负载不用电的情况；另一种是故障开路，如电路中的熔断器等保护设备断开的情况，应尽量避免故障开路。

大多数情况下，电源开路是允许的，但也有些电路不允许开路。例如，测量大电流的电流互感器，它的副边线圈绝对不允许开路，否则将产生过电压，危及人身设备的安全。

电源开路时的电路特征如下。

①电路中的电流I= 0。

②电源两端的开路电压UOC=E，负载两端的电压U=0。

③电源产生的功率与负载转换的功率均为零，即PE=P=0，这种电路状态又称为电源的空载状态。

2.短路状态

电路中任何一部分负载被短接，使其两端电压降为零，这种情况称电路处于短路状态。图1-33（a）所示电路是电源被短接的情况，其等效电路如图1-33（b）所示。

短路状态有两种情况。一种是将电路的某一部分或某一元件的两端用导线连接，称为局部短路。有些局部短路是允许的，称为工作短路，常称为“短接”，如电焊机工作时焊条与工件的短接，以及电流表完成测量时的短接等。另一种短路是故障短路，如电源被短路或一部分负载被短路。最严重的情况是电源被短路，其短路电流用表示。因为电源内阻很小，很大，是正常工作电流的很多倍。短路时外电路电阻为零，电源和负载的端电压均为零，故电源输出功率及负载取用的功率均为零。

电源短路状态的特征如下。

②电源的端电压U=0。

③ 电源发出及负载转换的功率均为零，即P=0；电源产生的功率全消耗在内阻上，即。

当R0=0时，ISC=∞，将烧毁电源，因此短路是一种严重的事故状态。它会使电源或其他电气设备因为严重发热而烧毁，用电操作中应注意避免。电压源不允许短路！

造成电源短路的原因主要是绝缘损坏或接线不当。因此，工作中要经常检查电气设备和线路的绝缘情况，正常连接电路。

电源短路的保护措施是：在电源侧接入熔断器和自动断路器，当发生短路时，能迅速切断故障电路，防止电气设备的进一步损坏。

3.有载工作状态

在图1-34（a）所示电路中，开关S闭合后，电源与负载接通构成回路，电路中产生了电流，并向负载输出电功率，即电路中开始了正常的功率转换，电路的这种工作状态称为有载工作状态。

①电路中的电流：。

电路有载工作状态的特征如下。

② 负载端电压：U=IR=E-IR0，当R＞＞R0时，U E≈ 。

电源的外特性曲线如图1-34（b）所示。

③功率平衡关系：P=PE-∆P。

电源输出的功率：P=UI=I2R。

电源产生的功率：。

内阻消耗的功率：∆P=I2R0。

*例1-4 在图1-35所示电路中，I=1A，U1=10V， U2=6V，U3=4V。求各元件的功率，并分析电路的功率平衡关系。

解：该电路处于通路状态。

元件A：非关联方向，， P1＜0，产生10W的功率，为电源。

元件B：关联方向，P2=U2I=6×1=6(W)，P2＞0，吸收6W的功率，为负载。

元件C：关联方向，P3=U3I=4×1=4(W)，P3＞0，吸收4W的功率，为负载。

P1+P2+P3=-10+6+4=0，功率平衡。

1.6.2 电气设备的额定值

任何电气元件或设备它所能承受的电压或电流都有一定的限额。当电流过大时，将使导体发热、温升过高，导致烧坏导体。当电压过高时，可能超过设备内部绝缘强度，影响设备寿命，甚至发生击穿现象，造成设备及人身安全事故。为了使电气设备能长期安全、可靠地运行，必须给它规定一些必要的数值。

1.额定值

电气设备在给定的工作条件下正常运行而规定的容许值称为额定值。电气设备的额定值一般包括额定电压UN、额定电流和额定功率（对电源而言称为额定容量）。

① 额定电流：电气设备在一定的环境温度条件下，长期连续工作所容许通过的最佳安全电流。

② 额定电压：电气设备正常工作时的端电压。

③额定功率：电气设备正常工作时的输出功率或输入功率。

电阻类负载的额定值因为与电阻R之间有确定的关系，一般给出其中的两个即可。

电气设备的额定值一般都标注在设备的铭牌上或列入产品说明书中。电气设备在实际运行时应严格遵守额定值的规定。电源输出的功率和电流由负载决定。

2.额定工作状态

若电气设备正好在额定值下运行，这种在额定情况下的有载工作状态称为额定工作状态。这是一种使设备得到充分利用的经济、合理的工作状态。

电气设备工作在非额定状态时有以下两种情况。

①欠载：若电气设备在低于额定值的状态下运行称为欠载。这种状态下设备不能被充分利用，还有可能使设备工作不正常，甚至损坏设备。

②过载：电气设备在高于额定值（超负荷）下运行称为过载。若超过额定值不多，且持续时间不长，一般不会造成明显的事故；若电气设备长期过载运行，必将影响设备的使用寿命，甚至损坏设备，造成电火灾等事故。一般不允许电气设备长时间过载工作。

例1-5 在图1-36所示电路中，电源额定功率=22k W，额定电压UN=220V，内阻R0=0.2Ω，R为可调节的负载电阻。求：

（1）电源的额定电流；

（2）电源开路电压U0；

（3）电源在额定工作情况下的负载电阻RN；

（4）负载发生短路时的短路电流。

解：

（1）电源的额定电流为

（2）电源开路电压为

（3）电源在额定状态时的负载电阻为

（4）由于短路时负载电阻R=0，因此短路电流为

这么大的短路电流必将引起电路的保护设备动作—切断电源，当保护设备失灵时将引起电源设备及负载的损坏。