被常见光源聚光灯照射物体温升的分析及在标准中应用

郑少锋 冯小军 韩 强

(东莞出入境检验检疫局，广东东莞523071)

1 引言

国际电工委员会(IEC)制定的灯具安全标准IEC60598中关于被聚光灯照射的物体(以下简称:被照射物)要求涉及两个方面，一个是警告标识，另一个是温升要求，包括正常温升和异常温升(如:可移式灯具倾倒后)。根据标准要求，所有使用钨丝灯泡(包括卤钨灯)的灯具进行安规测试时都需要考核被照射物的温升，也就是说，在进行发热试验和异常发热试验时，被照射物点的温升一定需要进行测试。

日常使用中，由于钠灯、汞灯、金属卤化物灯、管型卤钨灯等与杯形卤钨灯一样属于发热明显大于钨丝灯的光源，其通常都需要进行标识被照射物距离，其距离的选定需要通过复杂的试验进行判定归类。而管型荧光灯、LED灯等的发热远远小于钨丝灯。因此，本文总结了上述有代表性的光源(常见钨丝灯和杯状卤钨灯)引起被照射物温升的特点和规律，研究最合理的与被照物距离，以给予测试过程和试验判定一定的指导。

2 标准要求

灯具标准IEC60598—1∶2008中，关于与被照物距离的要求主要是以下两个方面。

条款3.2.13:“适用的话，与被照物体的最小距离的符号，例如由于使用的灯泡型号、反射器形状、可调节安装方法或安装说明书上规定的安装位置可以使被照物过热的灯具。所标的最短距离由12.4.1j)条的温度试验确定。”

条款12.4:“热试验(正常工作)灯具不应使被照射物体过分受热。

12.4.1 j)3.2.13所属的灯具射出的光束射向类似于附录D中所述的涂黑的无光泽的垂直木表面。灯具安装于灯具上标出的距该面的距离上。试验期间，应按第13章试验要求测量绝缘部件的温度。”

关于被照物温升温度限制值(最高温度)标准要求为90℃(试验面)。

3 被照射物温升试验与结果分析

常见的几种钨丝灯的功率规格比较统一，如15W、40W、60W、100W的普通钨丝灯和35W、50W的杯状卤钨灯，且应用非常广泛。

3.1 普通钨丝灯

通过多次的温升测试，我们得出了如表1所示各种功率和特性的钨丝灯裸灯泡(230V)与被照射物距离在0.1m到1m之间的试验面温度值(环境温度25℃)。

表1 在常见钨丝灯泡(230V)照射下被照射物温度与照射距离的关系(单位:℃)

3.1.1 距被照射物0.1m时的温升曲线

随着当前国内居民用电量的增大，生产力的发展和人民生活质量水平的不断增强，也为我国电力行业的未来发展提供便利的条件。当前国内对用电需求量的提升也使得电力系统扩大电网的覆盖面积。处于这种时代背景下的电力系统，相关从业人员就要不断增强其运行的安全性、稳定性和有效性，进而才可以不断满足当前电力系统的信息化发展要求。在本质上来看我国经济体系发展，人民日常生活和电力能源产生直接联系，因此相关领域人员要有效掌控电力系统运行的稳定性和安全性，满足人民对于电能日益增长的使用需求。除此之外，电气自动化系统中对于信息化技术的大力应用也可以对电力系统运行期间的故障问题进行有效判断。

通过表1里面的数值，描述出来不同功率梨形钨丝灯灯泡与被照射物距离0.1m时的温升曲线图，如图1所示。可以看出，温升值随着功率值的增加而增大，但是增加的速率却是递减的。这一方面是发射光线随着功率增大在过程中损耗也在加大，另一个方面是被照物本身与环境温度差的梯度增加，散热也明显的结果。按该曲线趋势，即便是在150W时，0.1m的被照物距离温度值也不会超过65℃，小于90℃的温度限值。

图1 被照物距标准钨丝灯(梨形钨丝灯灯泡)0.1m时候的温升曲线

3.1.2 不同功率下温升随被照物距离变化

由表1数值描绘出在不同功率标准钨丝灯(梨形钨丝灯泡)照射下被照物温升随距离变化曲线(见图2)。

从图中的四组曲线可以看出，随着功率的增加，在0.5m到0.1m的区间内，温度在30℃到52℃之间变化。而在0.5m到1.0m的距离间，温度变化非常小，且几组曲线差异不大。因此，如果需要标识被照物距离，那么0.5m是比较好的选择。一方面温升值限制在比较小的范围，另一方面距离区间比较符合实际使用的情况。

图2 在不同功率标准钨丝灯(梨形钨丝灯灯泡)照射下被照物温升随被照物距离变化曲线

3.1.3 荧光粉对温升的影响

通过表1所示值，描绘出100W的梨形钨丝灯灯泡，添加了荧光粉与无添加的曲线，如图3所示。由该图可知，添加荧光粉后，一部分的热量通过荧光辐射出去，使得温升值略微的下降了，100W钨丝灯0.1m被照射物距离温升也只是降低了3℃。因此可以判定，添加荧光粉后，温升值会略微降低，但差异性不大。

图3 梨形钨丝灯灯泡100W塗荧光粉与不塗荧光粉对被照物温升的影响

3.1.4 球形灯泡和梨形灯泡的差异

图4描绘出了两款同是40W梨形和球形的钨丝灯灯泡，引起被照物温升的差异曲线。从表1中的数值和图4中的曲线重叠程度来看，可以得出这样的结论:两者差异极小，即使在距离非常近的温升值也相差无几。那么在较大功率下距离不是特别近如0.1m，0.2m时，考虑一定的试验误差，两曲线的值基本可以相互取代。

造成这种结果的原因主要是因为灯泡内结构是一致的，只是外层的玻璃形状发生变化，对于光的辐射影响并不明显。该结论也同样地适用于椭圆形的灯泡。

图4 球形灯泡和梨形灯泡引起的被照物温升差异

3.1.5 反射型灯泡

反射型灯泡:在玻壳内专门装有反光器，或在适当形状玻壳的内表面部分地覆以金属反射层，使之具有定向发光性能的灯泡。

带反光镜的T形灯泡(见图5)属于反射型灯泡，由于其辐射角度缩小在较小的角度内，热量也得到了集中，因此，在0.2m到0.1m的区间内，灯泡的70%以上热量集中在被照物上，并且在功率为40W时被照物温升最终超过了90℃(见图6)。

图5 带反光镜的T形灯泡

图6 带反光镜的T形灯泡引起的被照物的温升差异

该类灯泡受灯具外壳的影响很小，即实际使用时的被照物温升与裸泡的温升差异很小，基本可以忽略。而40W的该类灯泡在距被照物0.1m时被照物温度为97.2℃，同时39W、38W…35W的该系列灯泡也不存在(实际未生产)，30W的该类灯泡已经达不到90℃的温升限值(只有约74℃)，所以，40W的该类灯泡为温升的警戒点。也就是说，40W即以上的该类灯泡，需要满足标准条款3.2.13的要求，对被照物距离进行标识。

另一方面，T形的灯泡的墙壁安装(壁灯安装方式)时，对垂直方向的温升值与普通梨形灯泡的曲线相当的接近。也基本可以相互取代。

3.1.6 其他

磨砂灯泡、乳白灯泡和彩色灯泡由于在表面玻璃的处理上发生改变，使得光的发热辐射效果降低，转换为其他视觉效果。这种情况下，温升值也会不同程度的下降，对几组磨砂灯泡和红色涂层灯泡进行试验，结果磨砂灯泡温升值降低7%;红色涂层灯泡约降低23%。

由于这些灯泡的温升值相对于标准无处理的灯泡温升值是不同程度的降低，所以很难进行统计。但是由于其低于标准灯泡的温升特性，在标准判定考虑时，可以将其纳入到标准灯泡的考核范围。

3.2 卤钨灯

与普通钨丝灯相比，卤钨灯的发热特性要明显许多。通过对常见的35W和50W的杯状卤钨灯(GU10)进行试验，具体温升数值见表2。

表2 35W和50W的杯状卤钨灯(GU10)引起被照物温升与被照距离的关系(单位:℃)

通过描绘这些温升值的曲线(见图7)，可以看出以下的特性:

a) 两者都超过了90℃的温度限值(0.1m以上时);

b) 两组曲线在0.5m的被照物距离内温升值快速上升;

c) 两个函数分别接近于

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——温度值(℃);x——被照物距离(10cm)。

d) 35W和50W的该类灯泡90℃温度限值点分别是在16.5cm和20cm附近。

4 实际应用中的差异

在实际使用时，灯具通常会配备不同类型的外罩。包括玻璃外罩、塑料外罩和金属外罩等类型。而玻璃外罩和塑料外罩一般情况下反射效果不明显，大部分的热量也是给透出或吸收，对被照物温升的影响不大。而金属外罩也是以非镜面反射为主，通常为表面涂漆，一般还有通孔进行散热，外罩的宽度也远远比T形的反射内镜要大。加上金属本身的吸热，金属外罩对温升的贡献值也不会太大。

图7 35W和50W的杯状卤钨灯(GU10)被照物温升曲线及函数

通过对几组使用金属外罩的台灯进行温升试验，100W灯泡作用下，外罩在非镜面反射，被照物的温升均不超过30%的差异。综合2.1.1的描述，可以知道在一般使用环境情况下，即便是150W灯泡同样也不超过90℃的温度限值。

5 结束语

综上所述，在一般使用环境下，常见灯具的普通钨丝灯光源引起被照物温度值并不会超过90℃的温度限值;而灯泡的玻璃外形对光源温升可忽略，荧光粉、磨砂等措施则是不同程度的降低了温升值。40W及以上的T形反射灯泡及杯形等卤钨灯需标注被照射物距离符号，以0.5m以上为比较合适标识内容。

通过掌握这些光源的一些被照射物规律，便可以给予被照射物点的温升充分的参照值，即不用试验也可以对这些条款进行一定判定，同时在标准制定时，还可以考虑将常用的光源(低功率普通钨丝灯、节能灯和冷光源灯)在这些条款进行豁免。相反地，对于卤钨灯、汞灯、钠灯、金属卤化物灯等，则可强制要求其标识被照射物距离，在一些条款(如3.2.13)中，强调被照射物距离的一些特殊试验和要求。

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