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…
关注者
266
被浏览
96208
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。
================
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。
=====================
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!