題主的這個問題與我在工作中的兩次經歷有點關係。
第一次經歷:
某日,電工班的班長來辦公室找我,說廠裡的照明燈燈泡(200W)大量燒燬,能不能想個辦法,減少燈泡的損失量,降低成本。
我到電工班去了解情況,看了拆下來的壞燈泡,發現燈泡損壞有兩種情況:第一種就是題主所說的送電時燒燬,第二種是點燃後燒燬。
我把燈泡敲碎,取下損壞的燈絲到實驗室,在觀察金相組織的顯微鏡下,能看到斷點都存在熔融現象。
我們知道,燈絲其實就是電阻絲,材質一般為鎢絲。燈絲其實是很長的,製造時將它繞成螺旋狀再安裝到支架上。
我們還知道,電阻公式為:
,這裡的ρ0 是零攝氏度時材料的電阻率,α是電阻溫度係數, θ是溫度。
溫度越高,電阻就越大。一般地,燈絲從常溫升至工作狀態,它的電阻會增加 4 倍。
白熾燈其實是利用燈絲透過電流加熱高溫出現的發光現象。
另外,燈絲的直徑並不均勻,存在粗細現象。當透過一定電流後,燈絲細的地方會比粗的地方溫度更高。
溫度升高需要一定的時間,也即存在過渡過程,過渡時間依燈具的不同而不同。對於白熾燈,過渡過程大約為幾十毫秒;對於鈉燈,過渡過程可能長達 1 分鐘,甚至更長。
所以,送電伊始,燈絲電阻小,在燈絲最細處,完全可能存在區域性過熱現象。
由於燈絲在使用過程中,它的溫度很高,在 2000 度左右。白熾燈點燃後,鎢絲會升華,使得燈絲越來越細。最後的結果就是在某次送電時,燈絲最細處熔斷。
所以,在國家標準 GB50054《低壓配電設計規範》中,規定照明開關的配備必須考慮到送電初始時刻的衝擊電流。
那麼解決的辦法是什麼?
兩個辦法:
第一:送電後,在 2 秒鐘時間內電壓只加載到額定值的一半,即 100V 左右;
第二:點燃後,白熾燈的工作電壓控制在 200V,使得燈絲的溫度在 1900 度左右。此工作電壓可調,從 100V 到 220V 分檔調節。
這樣一來,雖然照度略小,但完全不影響夜間照明。
我設計了一個很小的也很便宜的電子裝置,實現上述功能。大面積使用後,極大地提高了白熾燈的工作壽命。
不過,這已經是很久以前我在老國企所經歷的事情。眼下,白熾燈已經絕跡,應當都換成既節能又美觀的照明燈具了吧。我早已離開這家老國企,不知道現在如何。
第二次經歷:
看過我寫的帖子的知友們,一定記得我設計的鋼化玻璃電爐。電爐的功率是 1000kW,配套的電力變壓器是 1250kVA 的。電爐內的爐絲是鐵鉻鋁 Ge25Al5,含鐵達 70%。爐溫 800 攝氏度。
此電爐一旦啟用,一個工作週期是一個月。據操作人員告訴我,當電爐再次升溫時很容易斷爐絲,而換爐絲需要半天的時間,再加上降溫過程,對生產產生很大的影響。
於是我來到電爐旁檢查爐絲斷掉的情況,發現原因很簡單:就是題主描述的現象:電爐絲在常溫下電阻阻值較小,而電壓不變,於是流過電爐絲的電流較大,於是爐絲較脆弱的地方就會因為區域性高溫而斷裂。
電爐絲在使用前,上車床彎繞加工成類似彈簧的電爐爐絲元件。
我們知道,電爐升溫當然需要時間,爐絲也不例外,它和爐體一起升溫。
但對於電爐爐絲元件來說,它的區域性溫度高於平均溫度是完全可能的。這些區域性溫度較高的點一般就是爐絲元件的薄弱點。例如彎繞的特別緊密處,爐絲直徑較細處,爐絲材料電阻率較高處等等。
於是送電後,這些薄弱點就成為爐絲潛在的折斷點。待爐絲使用了一段時間後,一旦出現電流衝擊,則這些薄弱點就會斷裂。
那麼解決的辦法是什麼呢?
因為電爐的升溫功率 P 與爐溫有關係,而爐溫是受到測控系統控制的,它按 PID 曲線(比例、積分和微分)實施控制。
另外,爐絲材料在低溫時硬度很大,但溫度升高後會有一定程度的軟化,抵禦折斷的能力自然也加強了。
我修改了自控系統的控制程式,在升溫初期,讓電流緩慢地增加,讓爐絲躲過危險期。待電爐的溫度升到一定水平後,再讓測控系統按 PID 策略實施加速升溫。
這樣處理後,效果良好,爐絲很少折斷了。
這兩件事情,第一件與題主的主題直接相關,第二件則有一些關係,但兩件事都與電熱絲的發熱有關。
同時,我們也看到,任何一件事情,只要認真去做,細緻地解析問題,就一定能得到完美的結果。
另外,照明燈具的壽命,還與電網諧波密切相關。由於此內容與題主的主題無關,此處略去。