为什么在打开白炽灯开关的一瞬间其灯丝容易熔断?

本人对一个初中物理电学题中出现的一个问题表示非常地疑惑。题中问到:“为什么白织灯在打开开关的一瞬间容易烧断灯丝?” 这是一个选择题,它正确的答案是“开始时灯丝温度低,其电阻受温度影响,因而电阻小,在220V电压下,通过其电流大,因此易烧断。” 看上去好像没什么问题,但是我一想,烧断的原因是因为温度过高达到灯丝的熔点因而灯丝熔断。同时,温度高,电阻也会随之而高,因而通过其电流也会随之而少,那题中所谓的电…
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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,发现灯泡除去漏气和破损之外,烧毁损坏有两种情况:第一种就是题主所说的送电时烧毁,第二种是点燃后烧毁。从电工班巡视记录看,第一种情况的损坏率远大于第二种情况。
我把若干只灯泡敲碎,取下灯丝到实验室,在观察金相组织的显微镜下,能看到断点都存在熔融现象。这说明,灯丝的烧毁的确是因为局部过热而熔断。
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:R=\rho _{0} (1+\alpha \theta )\frac{L}{S} ,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Gr25Al5,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,同时又非常脆,很容易断裂。当炉内温度上升后,炉丝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。
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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。
最后给个针对题主主题的结论:
初中老师的说法接近实情,但高中老师的说法则是错误的。
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看到这篇帖子被日报转载,同时在回答区和评论区也有些不同意见,我来补充一下:
当年我就职的这家老国企,是从事于玻璃制造的。厂区面积很大,人员众多,有近5万职工。厂内分为三个区域:第一个区域是平板玻璃制造,一条浮法玻璃生产线;第二个区域是玻璃纤维制造生产线,将玻璃抽丝并织纺成玻璃布,用作玻璃钢的材料;第三个区域是玻璃马赛克和钢化玻璃生产线。
工厂配有火车专线,用以运输大宗的重油、海砂和其它原料,以及运走玻璃产品。
厂区比邻电厂,由电厂直接引三条专线供电。全厂的供电当然也就分为三大块。其中浮法玻璃生产线的耗电量最大,玻璃纤维次之。
从供电情况看,浮法玻璃生产线的情况最好,电压和电流波形完整;钢化玻璃生产线因为有大功率电炉的原因,配套的调功器晶闸管有过零触发的,也有移相触发的,虽然感性负载少,但电流和电压波形畸变严重,存在大量的谐波。
最严重的就是玻璃纤维生产线,因为有大量的抽丝机,均采用晶闸管移相触发控制玻璃液温度,电压和电流波形畸变十分严重,三次谐波和五次谐波十分明显。
我们再来看照明情况:
在整个厂区内,照明灯分为两类,一类是长明灯,安装在走廊等阴暗处;另一类就是道路的夜间照明。
从统计看,长明灯的损坏率最小,而普通道路照明灯的损坏率较高;浮法玻璃生产线的照明灯具损坏较小,玻璃纤维区域的照明灯具损坏严重;钢化玻璃和马赛克区域的照明灯具损坏居中。
从统计结果看:
1)长明灯损坏很少,可以判断白炽灯的烧毁与感性负载基本没有关系。
2)白炽灯的损坏明显与谐波含量有关。
不但如此,玻璃纤维区域的电动机损坏也十分严重。该区域有一个电工班,任务就是维修电机。
3)从道路照明白炽灯的损坏率远大于长明灯来看,频繁的送电与断电,对白炽灯的损害起到关键作用。
看的出来,本帖的主要内容其实就是第三条的具体阐述而已。
由于厂内的电动机损毁太过严重,并且电缆发热、控制设备的不稳定性以及照明灯具的损坏也无法容忍,厂内专门停产维修,改造供电方式,采取对应的谐波抑制措施;同时对厂内的各种配电设备和控制设备,以及DCS和SCADA控制系统,也都做了改造和升级。
照明灯具的改造也属于其中的一部分,重点就是加装我设计的小电路。
此次改造颇有名气,不知道有多少篇论文也从中总结出来。我曾经写过两篇论文,其一就是照明灯具的改造。
通过这段文字的说明,我相信,坚持感性负载会影响到白炽灯工作状态的知友,应当会有一定的认识了。
谢谢大家!
看了大家的回答,主要有三种说法:
1.电阻分布不均匀,局部高温熔断。2.热应力与热疲劳导致的机械效应。3.线圈电感导致的机械效应。


应该说原因3的理由是基本不成立的,即使有作用,其影响的大小与前两个原因也要差上数个数量级。
而原因1和原因2其实都是直接原因,而导致他们产生作用的根本原因,实际上是热升华造成的灯丝变细。
灯丝的制作材料是钨,是典型的难熔金属,熔点高达3410摄氏度。但作为灯丝,为了显色性和色温好,工作温度通常都高达3000K左右,在这个温度下即使是钨,其升华作用也是不可忽视的了,灯丝上的钨会升华成蒸汽,而升华的钨蒸汽会在温度相对低温的玻璃壳上凝华,大家如果留心看的话,会发现用久了的白炽灯泡玻璃会变黑,其实就是凝华的钨蒸镀在了玻璃上。
在持续升华作用下,灯丝会逐渐变细,而因为灯丝本身的制造工艺,本来就不能保证处处粗细均匀,这样一来,就会造成较细较密的部分工作温度较高,升华作用更明显,形成了一个正反馈——越热的地方变细更快,越细的地方就更热。持续下去,总有一个地方会薄弱到经受不起点灯时热冲击的作用,在热应力下拉开,并在拉断前快速变细熔融。这个现象,如果做过测量材料的温度-抗拉强度曲线测定的朋友们应该都会见到。
也就是说,原因2才是主因,原因1虽然能看到现象,但实际上是原因2的作用。

这是白炽灯的宿命,有没有延寿的办法呢?有的,为了延长白炽灯寿命,人们发明了卤素灯这种新型白炽灯。一般的白炽灯内是充氮气的或抽真空的。而卤素灯,内部填充的是卤素元素,最常见的是碘(碘钨灯)和溴(溴钨灯)
有什么作用呢?打字太累我直接引用百科吧:
卤素灯泡与其他白炽灯的最大差别在于一点,就是卤素灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体(通常是碘或溴),其工作原理为:当灯丝发热时,钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动,当接近玻璃管壁时,钨蒸气被冷却到大约800℃并和卤素原子结合在一起,形成卤化钨(碘化钨或溴化钨)。卤化钨向玻璃管中央继续移动,又重新回到被氧化的灯丝上,由于卤化钨是一种很不稳定的化合物,其遇热后又会重新分解成卤素蒸气和钨,这样钨又在灯丝上沉积下来,弥补被蒸发掉的部分。通过这种再生循环过程,灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长(几乎是白炽灯的4倍),同时由于灯丝可以工作在更高温度下,从而得到了更高的亮度,更高的色温和更高的发光效率
卤钨灯的基本发光原理和白炽灯相同,都是热辐射光源。不同的地方在于卤钨灯里面充入了特殊的工作气体,其成分是95%的混合气(二溴甲烷和氪气)以及5%的高纯氮,这些气体在灯泡内
卤素灯泡
建立了卤钨循环。具体过程是灯丝中的钨挥发出来后,会向温度较低的地方移动,然后在管壁处和Br2结合生成WBr2;而在温度较高处,WBr2又会分解,生成的W会回到灯丝上,Br回到工作气体中,这就是整个卤钨循环的过程。通过这样的卤钨循环,灯丝上的钨不会逐渐挥发,由于“热点”效应而使灯丝烧断,也不会因为钨在灯泡壳上沉积而发黑,其寿命得到大大延长。
  1、卤素灯的功能是设置了一个可逆的化学反应,与钨从灯丝蒸发。
  2、在普通的白炽灯,这主要是沉积在钨灯泡。卤素循环保持灯泡清洁,并在一生中几乎保持恒定的光输出。
  3、在中等温度下,蒸发的钨与卤素反应,卤化形成的左右移动,在充入惰性气体。在一段时间内,将达到较高的温度区域,在那里它离解,释放钨和释放卤素,重复该过程。
  4、对于该反应,以便操作,整体球温度必须高于在传统的白炽灯。在灯泡必须熔融二氧化硅(石英)或高的熔点的玻璃(如铝硅酸盐玻璃)制成的。

也就是这些卤素元素不断的把升华的钨又搬运回灯丝上,为它不断的+1s


另外,炉丝和灯丝不是一回事,材料性能工作条件都不是一回事,不要混为一谈。灯丝为了色温,是工作在3000K上下的,材料是钨或者碳,而炉丝工作只是为了加热,所以一般其工作温度低的多并且没有保护气体,以上面张工 @Patrick Zhang提到的HRE铁铬铝合金电炉丝为例,工作温度不会超过1400摄氏度。
电炉丝主要有铁铬铝合金和镍合金两大类,另外有特殊需要的(主要是高温炉丝)会用到钨丝和钼丝。
其中铁铬铝合金是铁素体基底,在高温下工作会相变成奥氏体,长时间工作还会造成组织过度发育,晶体粗大,性能脆化。再冷却下经过相变来内部还会积攒不少内应力,再次加热时,较细的地方在热应力和电磁力(没错这里应该考虑电磁力的)的作用下容易断裂。

为什么炉丝需要考虑电磁力呢?虽然相对于电阻来说,炉丝的感抗很小,但是电炉,尤其是大功率的电炉,其炉丝的电流和长度都很大,螺旋数远比灯丝要大,在通电时刻足够产生一个不可忽视的拉力,这个拉力在整个炉丝中是串联的,不会被平均掉,而且要注意在温度到居里点之前铁铬铝炉丝是铁磁性的,电磁力会成倍放大。再加上热冲击,和材料脆化,就会在最脆弱的地方断裂。

解决办法也有,最简单是用镍基合金电炉丝,是奥氏体基底的,退火效应不明显,无磁性,效率高,就是贵不少。

再提一句 : R=\rho _{0} (1+\alpha \theta )\frac{L}{S} 这个电阻公式在较短温度区间内是可以用的,在室温到3000K这个大区间不合适。
为什么?