知乎日报:为什么打开白炽灯的一瞬间灯丝最容易熔断?

  题主的这个问题与我在工作中的两次经历有点关系。

  第一次经历:

  某日,电工班的班长来办公室找我,说厂里的照明灯灯泡(200W)大量烧毁,能不能想个办法,减少灯泡的损失量,降低成本。

  我到电工班去了解情况,看了拆下来的坏灯泡,发现灯泡损坏有两种情况:第一种就是题主所说的送电时烧毁,第二种是点燃后烧毁。

  我把灯泡敲碎,取下损坏的灯丝到实验室,在观察金相组织的显微镜下,能看到断点都存在熔融现象

  我们知道,灯丝其实就是电阻丝,材质一般为钨丝。灯丝其实是很长的,制造时将它绕成螺旋状再安装到支架上。

  我们还知道,电阻公式为:

  ,这里的ρ0 是零摄氏度时材料的电阻率,α是电阻温度系数, θ是温度。

  温度越高,电阻就越大。一般地,灯丝从常温升至工作状态,它的电阻会增加 4 倍。

  白炽灯其实是利用灯丝通过电流加热高温出现的发光现象。

  另外,灯丝的直径并不均匀,存在粗细现象。当通过一定电流后,灯丝细的地方会比粗的地方温度更高。

  温度升高需要一定的时间,也即存在过渡过程,过渡时间依灯具的不同而不同。对于白炽灯,过渡过程大约为几十毫秒;对于钠灯,过渡过程可能长达 1 分钟,甚至更长。

  所以,送电伊始,灯丝电阻小,在灯丝最细处,完全可能存在局部过热现象。

  由于灯丝在使用过程中,它的温度很高,在 2000 度左右。白炽灯点燃后,钨丝会升华,使得灯丝越来越细。最后的结果就是在某次送电时,灯丝最细处熔断。

  所以,在国家标准 GB50054《低压配电设计规范》中,规定照明开关的配备必须考虑到送电初始时刻的冲击电流。

  那么解决的办法是什么?

  两个办法:

  第一:送电后,在 2 秒钟时间内电压只加载到额定值的一半,即 100V 左右;

  第二:点燃后,白炽灯的工作电压控制在 200V,使得灯丝的温度在 1900 度左右。此工作电压可调,从 100V 到 220V 分档调节。

  这样一来,虽然照度略小,但完全不影响夜间照明。

  我设计了一个很小的也很便宜的电子装置,实现上述功能。大面积使用后,极大地提高了白炽灯的工作寿命。

  不过,这已经是很久以前我在老国企所经历的事情。眼下,白炽灯已经绝迹,应当都换成既节能又美观的照明灯具了吧。我早已离开这家老国企,不知道现在如何。

  第二次经历:

  看过我写的帖子的知友们,一定记得我设计的钢化玻璃电炉。电炉的功率是 1000kW,配套的电力变压器是 1250kVA 的。电炉内的炉丝是铁铬铝 Ge25Al5,含铁达 70%。炉温 800 摄氏度。

  此电炉一旦启用,一个工作周期是一个月。据操作人员告诉我,当电炉再次升温时很容易断炉丝,而换炉丝需要半天的时间,再加上降温过程,对生产产生很大的影响。

  于是我来到电炉旁检查炉丝断掉的情况,发现原因很简单:就是题主描述的现象:电炉丝在常温下电阻阻值较小,而电压不变,于是流过电炉丝的电流较大,于是炉丝较脆弱的地方就会因为局部高温而断裂。

  电炉丝在使用前,上车床弯绕加工成类似弹簧的电炉炉丝元件。

  我们知道,电炉升温当然需要时间,炉丝也不例外,它和炉体一起升温。

  但对于电炉炉丝元件来说,它的局部温度高于平均温度是完全可能的。这些局部温度较高的点一般就是炉丝元件的薄弱点。例如弯绕的特别紧密处,炉丝直径较细处,炉丝材料电阻率较高处等等。

  于是送电后,这些薄弱点就成为炉丝潜在的折断点。待炉丝使用了一段时间后,一旦出现电流冲击,则这些薄弱点就会断裂。

  那么解决的办法是什么呢?

  因为电炉的升温功率 P 与炉温有关系,而炉温是受到测控系统控制的,它按 PID 曲线(比例、积分和微分)实施控制。

  另外,炉丝材料在低温时硬度很大,但温度升高后会有一定程度的软化,抵御折断的能力自然也加强了。

  我修改了自控系统的控制程序,在升温初期,让电流缓慢地增加,让炉丝躲过危险期。待电炉的温度升到一定水平后,再让测控系统按 PID 策略实施加速升温。

  这样处理后,效果良好,炉丝很少折断了。

  这两件事情,第一件与题主的主题直接相关,第二件则有一些关系,但两件事都与电热丝的发热有关。

  同时,我们也看到,任何一件事情,只要认真去做,细致地解析问题,就一定能得到完美的结果。

  另外,照明灯具的寿命,还与电网谐波密切相关。由于此内容与题主的主题无关,此处略去。

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