1.6 電路的3種狀態及電氣設備的額定值

1.6.1 電路的3種狀態

在實際用電過程中，根據不同的需要和不同的負載情況，電路可分為3種不同的狀態。了解并掌握使電路處于不同狀態的條件和特點，是正確用電和安全用電的前提。

1.開路狀態

開路又稱為斷路，是電源和負載未接通時的工作狀態。典型的開路狀態如圖1-32所示。當開關S斷開時，電源與負載斷開（外電路的電阻無窮大），未構成閉合回路，電路中無電流，電源不能輸出電能，電路的功率等于零。

開路狀態有兩種情況。一種是正常開路，如檢修電源或負載不用電的情況；另一種是故障開路，如電路中的熔斷器等保護設備斷開的情況，應盡量避免故障開路。

大多數情況下，電源開路是允許的，但也有些電路不允許開路。例如，測量大電流的電流互感器，它的副邊線圈絕對不允許開路，否則將產生過電壓，危及人身設備的安全。

電源開路時的電路特征如下。

①電路中的電流I= 0。

②電源兩端的開路電壓UOC=E，負載兩端的電壓U=0。

③電源產生的功率與負載轉換的功率均為零，即PE=P=0，這種電路狀態又稱為電源的空載狀態。

2.短路狀態

電路中任何一部分負載被短接，使其兩端電壓降為零，這種情況稱電路處于短路狀態。圖1-33（a）所示電路是電源被短接的情況，其等效電路如圖1-33（b）所示。

短路狀態有兩種情況。一種是將電路的某一部分或某一元件的兩端用導線連接，稱為局部短路。有些局部短路是允許的，稱為工作短路，常稱為“短接”，如電焊機工作時焊條與工件的短接，以及電流表完成測量時的短接等。另一種短路是故障短路，如電源被短路或一部分負載被短路。最嚴重的情況是電源被短路，其短路電流用表示。因為電源內阻很小，很大，是正常工作電流的很多倍。短路時外電路電阻為零，電源和負載的端電壓均為零，故電源輸出功率及負載取用的功率均為零。

電源短路狀態的特征如下。

②電源的端電壓U=0。

③ 電源發出及負載轉換的功率均為零，即P=0；電源產生的功率全消耗在內阻上，即。

當R0=0時，ISC=∞，將燒毀電源，因此短路是一種嚴重的事故狀態。它會使電源或其他電氣設備因為嚴重發熱而燒毀，用電操作中應注意避免。電壓源不允許短路！

造成電源短路的原因主要是絕緣損壞或接線不當。因此，工作中要經常檢查電氣設備和線路的絕緣情況，正常連接電路。

電源短路的保護措施是：在電源側接入熔斷器和自動斷路器，當發生短路時，能迅速切斷故障電路，防止電氣設備的進一步損壞。

3.有載工作狀態

在圖1-34（a）所示電路中，開關S閉合后，電源與負載接通構成回路，電路中產生了電流，并向負載輸出電功率，即電路中開始了正常的功率轉換，電路的這種工作狀態稱為有載工作狀態。

①電路中的電流：。

電路有載工作狀態的特征如下。

② 負載端電壓：U=IR=E-IR0，當R＞＞R0時，U E≈ 。

電源的外特性曲線如圖1-34（b）所示。

③功率平衡關系：P=PE-?P。

電源輸出的功率：P=UI=I2R。

電源產生的功率：。

內阻消耗的功率：?P=I2R0。

*例1-4 在圖1-35所示電路中，I=1A，U1=10V， U2=6V，U3=4V。求各元件的功率，并分析電路的功率平衡關系。

解：該電路處于通路狀態。

元件A：非關聯方向，， P1＜0，產生10W的功率，為電源。

元件B：關聯方向，P2=U2I=6×1=6(W)，P2＞0，吸收6W的功率，為負載。

元件C：關聯方向，P3=U3I=4×1=4(W)，P3＞0，吸收4W的功率，為負載。

P1+P2+P3=-10+6+4=0，功率平衡。

1.6.2 電氣設備的額定值

任何電氣元件或設備它所能承受的電壓或電流都有一定的限額。當電流過大時，將使導體發熱、溫升過高，導致燒壞導體。當電壓過高時，可能超過設備內部絕緣強度，影響設備壽命，甚至發生擊穿現象，造成設備及人身安全事故。為了使電氣設備能長期安全、可靠地運行，必須給它規定一些必要的數值。

1.額定值

電氣設備在給定的工作條件下正常運行而規定的容許值稱為額定值。電氣設備的額定值一般包括額定電壓UN、額定電流和額定功率（對電源而言稱為額定容量）。

① 額定電流：電氣設備在一定的環境溫度條件下，長期連續工作所容許通過的最佳安全電流。

② 額定電壓：電氣設備正常工作時的端電壓。

③額定功率：電氣設備正常工作時的輸出功率或輸入功率。

電阻類負載的額定值因為與電阻R之間有確定的關系，一般給出其中的兩個即可。

電氣設備的額定值一般都標注在設備的銘牌上或列入產品說明書中。電氣設備在實際運行時應嚴格遵守額定值的規定。電源輸出的功率和電流由負載決定。

2.額定工作狀態

若電氣設備正好在額定值下運行，這種在額定情況下的有載工作狀態稱為額定工作狀態。這是一種使設備得到充分利用的經濟、合理的工作狀態。

電氣設備工作在非額定狀態時有以下兩種情況。

①欠載：若電氣設備在低于額定值的狀態下運行稱為欠載。這種狀態下設備不能被充分利用，還有可能使設備工作不正常，甚至損壞設備。

②過載：電氣設備在高于額定值（超負荷）下運行稱為過載。若超過額定值不多，且持續時間不長，一般不會造成明顯的事故；若電氣設備長期過載運行，必將影響設備的使用壽命，甚至損壞設備，造成電火災等事故。一般不允許電氣設備長時間過載工作。

例1-5 在圖1-36所示電路中，電源額定功率=22k W，額定電壓UN=220V，內阻R0=0.2Ω，R為可調節的負載電阻。求：

（1）電源的額定電流；

（2）電源開路電壓U0；

（3）電源在額定工作情況下的負載電阻RN；

（4）負載發生短路時的短路電流。

解：

（1）電源的額定電流為

（2）電源開路電壓為

（3）電源在額定狀態時的負載電阻為

（4）由于短路時負載電阻R=0，因此短路電流為

這么大的短路電流必將引起電路的保護設備動作—切斷電源，當保護設備失靈時將引起電源設備及負載的損壞。