被常見光源聚光燈照射物體溫升的分析及在標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用

鄭少鋒 馮小軍 韓 強(qiáng)

(東莞出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣東東莞523071)

1 引言

國際電工委員會(huì)(IEC)制定的燈具安全標(biāo)準(zhǔn)IEC60598中關(guān)于被聚光燈照射的物體(以下簡稱:被照射物)要求涉及兩個(gè)方面，一個(gè)是警告標(biāo)識(shí)，另一個(gè)是溫升要求，包括正常溫升和異常溫升(如:可移式燈具傾倒后)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，所有使用鎢絲燈泡(包括鹵鎢燈)的燈具進(jìn)行安規(guī)測(cè)試時(shí)都需要考核被照射物的溫升，也就是說，在進(jìn)行發(fā)熱試驗(yàn)和異常發(fā)熱試驗(yàn)時(shí)，被照射物點(diǎn)的溫升一定需要進(jìn)行測(cè)試。

日常使用中，由于鈉燈、汞燈、金屬鹵化物燈、管型鹵鎢燈等與杯形鹵鎢燈一樣屬于發(fā)熱明顯大于鎢絲燈的光源，其通常都需要進(jìn)行標(biāo)識(shí)被照射物距離，其距離的選定需要通過復(fù)雜的試驗(yàn)進(jìn)行判定歸類。而管型熒光燈、LED燈等的發(fā)熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鎢絲燈。因此，本文總結(jié)了上述有代表性的光源(常見鎢絲燈和杯狀鹵鎢燈)引起被照射物溫升的特點(diǎn)和規(guī)律，研究最合理的與被照物距離，以給予測(cè)試過程和試驗(yàn)判定一定的指導(dǎo)。

2 標(biāo)準(zhǔn)要求

燈具標(biāo)準(zhǔn)IEC60598—1∶2008中，關(guān)于與被照物距離的要求主要是以下兩個(gè)方面。

條款3.2.13:“適用的話，與被照物體的最小距離的符號(hào)，例如由于使用的燈泡型號(hào)、反射器形狀、可調(diào)節(jié)安裝方法或安裝說明書上規(guī)定的安裝位置可以使被照物過熱的燈具。所標(biāo)的最短距離由12.4.1j)條的溫度試驗(yàn)確定?！?/p>

條款12.4:“熱試驗(yàn)(正常工作)燈具不應(yīng)使被照射物體過分受熱。

12.4.1 j)3.2.13所屬的燈具射出的光束射向類似于附錄D中所述的涂黑的無光澤的垂直木表面。燈具安裝于燈具上標(biāo)出的距該面的距離上。試驗(yàn)期間，應(yīng)按第13章試驗(yàn)要求測(cè)量絕緣部件的溫度。”

關(guān)于被照物溫升溫度限制值(最高溫度)標(biāo)準(zhǔn)要求為90℃(試驗(yàn)面)。

3 被照射物溫升試驗(yàn)與結(jié)果分析

常見的幾種鎢絲燈的功率規(guī)格比較統(tǒng)一，如15W、40W、60W、100W的普通鎢絲燈和35W、50W的杯狀鹵鎢燈，且應(yīng)用非常廣泛。

3.1 普通鎢絲燈

通過多次的溫升測(cè)試，我們得出了如表1所示各種功率和特性的鎢絲燈裸燈泡(230V)與被照射物距離在0.1m到1m之間的試驗(yàn)面溫度值(環(huán)境溫度25℃)。

表1 在常見鎢絲燈泡(230V)照射下被照射物溫度與照射距離的關(guān)系(單位:℃)

3.1.1 距被照射物0.1m時(shí)的溫升曲線

隨著當(dāng)前國內(nèi)居民用電量的增大，生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活質(zhì)量水平的不斷增強(qiáng)，也為我國電力行業(yè)的未來發(fā)展提供便利的條件。當(dāng)前國內(nèi)對(duì)用電需求量的提升也使得電力系統(tǒng)擴(kuò)大電網(wǎng)的覆蓋面積。處于這種時(shí)代背景下的電力系統(tǒng)，相關(guān)從業(yè)人員就要不斷增強(qiáng)其運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和有效性，進(jìn)而才可以不斷滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)的信息化發(fā)展要求。在本質(zhì)上來看我國經(jīng)濟(jì)體系發(fā)展，人民日常生活和電力能源產(chǎn)生直接聯(lián)系，因此相關(guān)領(lǐng)域人員要有效掌控電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，滿足人民對(duì)于電能日益增長的使用需求。除此之外，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中對(duì)于信息化技術(shù)的大力應(yīng)用也可以對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行期間的故障問題進(jìn)行有效判斷。

通過表1里面的數(shù)值，描述出來不同功率梨形鎢絲燈燈泡與被照射物距離0.1m時(shí)的溫升曲線圖，如圖1所示?？梢钥闯?，溫升值隨著功率值的增加而增大，但是增加的速率卻是遞減的。這一方面是發(fā)射光線隨著功率增大在過程中損耗也在加大，另一個(gè)方面是被照物本身與環(huán)境溫度差的梯度增加，散熱也明顯的結(jié)果。按該曲線趨勢(shì)，即便是在150W時(shí)，0.1m的被照物距離溫度值也不會(huì)超過65℃，小于90℃的溫度限值。

圖1 被照物距標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈(梨形鎢絲燈燈泡)0.1m時(shí)候的溫升曲線

3.1.2 不同功率下溫升隨被照物距離變化

由表1數(shù)值描繪出在不同功率標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈(梨形鎢絲燈泡)照射下被照物溫升隨距離變化曲線(見圖2)。

從圖中的四組曲線可以看出，隨著功率的增加，在0.5m到0.1m的區(qū)間內(nèi)，溫度在30℃到52℃之間變化。而在0.5m到1.0m的距離間，溫度變化非常小，且?guī)捉M曲線差異不大。因此，如果需要標(biāo)識(shí)被照物距離，那么0.5m是比較好的選擇。一方面溫升值限制在比較小的范圍，另一方面距離區(qū)間比較符合實(shí)際使用的情況。

圖2 在不同功率標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈(梨形鎢絲燈燈泡)照射下被照物溫升隨被照物距離變化曲線

3.1.3 熒光粉對(duì)溫升的影響

通過表1所示值，描繪出100W的梨形鎢絲燈燈泡，添加了熒光粉與無添加的曲線，如圖3所示。由該圖可知，添加熒光粉后，一部分的熱量通過熒光輻射出去，使得溫升值略微的下降了，100W鎢絲燈0.1m被照射物距離溫升也只是降低了3℃。因此可以判定，添加熒光粉后，溫升值會(huì)略微降低，但差異性不大。

圖3 梨形鎢絲燈燈泡100W塗熒光粉與不塗熒光粉對(duì)被照物溫升的影響

3.1.4 球形燈泡和梨形燈泡的差異

圖4描繪出了兩款同是40W梨形和球形的鎢絲燈燈泡，引起被照物溫升的差異曲線。從表1中的數(shù)值和圖4中的曲線重疊程度來看，可以得出這樣的結(jié)論:兩者差異極小，即使在距離非常近的溫升值也相差無幾。那么在較大功率下距離不是特別近如0.1m，0.2m時(shí)，考慮一定的試驗(yàn)誤差，兩曲線的值基本可以相互取代。

造成這種結(jié)果的原因主要是因?yàn)闊襞輧?nèi)結(jié)構(gòu)是一致的，只是外層的玻璃形狀發(fā)生變化，對(duì)于光的輻射影響并不明顯。該結(jié)論也同樣地適用于橢圓形的燈泡。

圖4 球形燈泡和梨形燈泡引起的被照物溫升差異

3.1.5 反射型燈泡

反射型燈泡:在玻殼內(nèi)專門裝有反光器，或在適當(dāng)形狀玻殼的內(nèi)表面部分地覆以金屬反射層，使之具有定向發(fā)光性能的燈泡。

帶反光鏡的T形燈泡(見圖5)屬于反射型燈泡，由于其輻射角度縮小在較小的角度內(nèi)，熱量也得到了集中，因此，在0.2m到0.1m的區(qū)間內(nèi)，燈泡的70%以上熱量集中在被照物上，并且在功率為40W時(shí)被照物溫升最終超過了90℃(見圖6)。

圖5 帶反光鏡的T形燈泡

圖6 帶反光鏡的T形燈泡引起的被照物的溫升差異

該類燈泡受燈具外殼的影響很小，即實(shí)際使用時(shí)的被照物溫升與裸泡的溫升差異很小，基本可以忽略。而40W的該類燈泡在距被照物0.1m時(shí)被照物溫度為97.2℃，同時(shí)39W、38W…35W的該系列燈泡也不存在(實(shí)際未生產(chǎn))，30W的該類燈泡已經(jīng)達(dá)不到90℃的溫升限值(只有約74℃)，所以，40W的該類燈泡為溫升的警戒點(diǎn)。也就是說，40W即以上的該類燈泡，需要滿足標(biāo)準(zhǔn)條款3.2.13的要求，對(duì)被照物距離進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

另一方面，T形的燈泡的墻壁安裝(壁燈安裝方式)時(shí)，對(duì)垂直方向的溫升值與普通梨形燈泡的曲線相當(dāng)?shù)慕咏Ｒ不究梢韵嗷ト〈?/p>

3.1.6 其他

磨砂燈泡、乳白燈泡和彩色燈泡由于在表面玻璃的處理上發(fā)生改變，使得光的發(fā)熱輻射效果降低，轉(zhuǎn)換為其他視覺效果。這種情況下，溫升值也會(huì)不同程度的下降，對(duì)幾組磨砂燈泡和紅色涂層燈泡進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果磨砂燈泡溫升值降低7%;紅色涂層燈泡約降低23%。

由于這些燈泡的溫升值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)無處理的燈泡溫升值是不同程度的降低，所以很難進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。但是由于其低于標(biāo)準(zhǔn)燈泡的溫升特性，在標(biāo)準(zhǔn)判定考慮時(shí)，可以將其納入到標(biāo)準(zhǔn)燈泡的考核范圍。

3.2 鹵鎢燈

與普通鎢絲燈相比，鹵鎢燈的發(fā)熱特性要明顯許多。通過對(duì)常見的35W和50W的杯狀鹵鎢燈(GU10)進(jìn)行試驗(yàn)，具體溫升數(shù)值見表2。

表2 35W和50W的杯狀鹵鎢燈(GU10)引起被照物溫升與被照距離的關(guān)系(單位:℃)

通過描繪這些溫升值的曲線(見圖7)，可以看出以下的特性:

a) 兩者都超過了90℃的溫度限值(0.1m以上時(shí));

b) 兩組曲線在0.5m的被照物距離內(nèi)溫升值快速上升;

c) 兩個(gè)函數(shù)分別接近于

35W:y=－0.5059x3+10.456x2－68.992x+176.48(1)

50W:y=－0.4994x3+10.681x2－74.575x+206.4(2)

式中y——溫度值(℃);x——被照物距離(10cm)。

d) 35W和50W的該類燈泡90℃溫度限值點(diǎn)分別是在16.5cm和20cm附近。

4 實(shí)際應(yīng)用中的差異

在實(shí)際使用時(shí)，燈具通常會(huì)配備不同類型的外罩。包括玻璃外罩、塑料外罩和金屬外罩等類型。而玻璃外罩和塑料外罩一般情況下反射效果不明顯，大部分的熱量也是給透出或吸收，對(duì)被照物溫升的影響不大。而金屬外罩也是以非鏡面反射為主，通常為表面涂漆，一般還有通孔進(jìn)行散熱，外罩的寬度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比T形的反射內(nèi)鏡要大。加上金屬本身的吸熱，金屬外罩對(duì)溫升的貢獻(xiàn)值也不會(huì)太大。

圖7 35W和50W的杯狀鹵鎢燈(GU10)被照物溫升曲線及函數(shù)

通過對(duì)幾組使用金屬外罩的臺(tái)燈進(jìn)行溫升試驗(yàn)，100W燈泡作用下，外罩在非鏡面反射，被照物的溫升均不超過30%的差異。綜合2.1.1的描述，可以知道在一般使用環(huán)境情況下，即便是150W燈泡同樣也不超過90℃的溫度限值。

5 結(jié)束語

綜上所述，在一般使用環(huán)境下，常見燈具的普通鎢絲燈光源引起被照物溫度值并不會(huì)超過90℃的溫度限值;而燈泡的玻璃外形對(duì)光源溫升可忽略，熒光粉、磨砂等措施則是不同程度的降低了溫升值。40W及以上的T形反射燈泡及杯形等鹵鎢燈需標(biāo)注被照射物距離符號(hào)，以0.5m以上為比較合適標(biāo)識(shí)內(nèi)容。

通過掌握這些光源的一些被照射物規(guī)律，便可以給予被照射物點(diǎn)的溫升充分的參照值，即不用試驗(yàn)也可以對(duì)這些條款進(jìn)行一定判定，同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，還可以考慮將常用的光源(低功率普通鎢絲燈、節(jié)能燈和冷光源燈)在這些條款進(jìn)行豁免。相反地，對(duì)于鹵鎢燈、汞燈、鈉燈、金屬鹵化物燈等，則可強(qiáng)制要求其標(biāo)識(shí)被照射物距離，在一些條款(如3.2.13)中，強(qiáng)調(diào)被照射物距離的一些特殊試驗(yàn)和要求。

［1］IEC 60598—1 7 Th edition．Luminaries-Part 1:General requirements and tests［S］:36，88～93．2008-04．