金属卤化物灯国家标准与相关标准的技术参数比较和分析

　　【摘要】：论文通过比较金属卤化物灯的国家标准GB 18661―2002、美国ANSI C78系列标准和国际CEI IEC 61167标准等相关标准和技术要求，探讨分析金属卤化物灯技术参数。

　　【关键词】：金属卤化物灯；标准；技术参数

　　中图分类号：P2文献标识码：A文章编号：1997-0668（2008）061042-09

　　

　　现行的GB 18661―2002《单端金属卤化物灯（175W~1500W钪钠系列）》国家标准（下简称“GB”）是从1997年开始起草的，标准制订先后历时四年。考虑到我国金卤灯主要生产厂家都从美国引进设备和技术生产，有条件达到美国国家标准要求，因此GB 18661是在非等效采用ANSI C78.1375～1379系列标准（下简称“ANSI”）的基础上，参考美国主要金卤灯生产企业的产品样本、产品实样的实测数据以及国内主要金卤灯生产厂家的企业标准，同时结合我国近来金卤灯的实际发展情况而制定了本标准中的各项技术指标值，适用于功率为175W~1500W透明玻壳的钪钠系列单端金属卤化物灯。

　　由于起草标准期间我国小功率金属卤化物灯正在发展之中、其性能有待进一步的完善，同时小功率金卤灯在ANSI中主要的技术参数和内容很多为待定，因此GB制定时品种没有覆盖35~150w小功率单端灯，也没有覆盖G12 单端灯（拇指灯）、双端灯以及大于1500w以上功率的灯以及钠铊铟系列、镝灯系列和其他卤化物系列等金卤灯。

　　ANSI C78系列标准包括单端50W~1500W和双端70W/150W灯，并按照每种规格分类，每种功率灯单独一个标准，形成系列标准。ANSI只规定灯的电参数和特性参数以及测试要求，没有规定光参数、颜色参数和寿命要求。

　　IEC 61167 Metal halide lamps标准（下简称“IEC”）规定35W、70W和150WG12单端和双端金卤灯的尺寸和电气、稳定、颜色、基准镇流器等特性以及镇流器和灯具设计数据，没有规定光参数、寿命以及特性参数和测试要求。

　　

　　一、金属卤化物灯相关标准

　　

　　1. 产品标准

　　GB 18661―2002单端金属卤化物灯（175W~1500W钪钠系列）；

　　ANSI C78.137270-Watt, M98 Single―Ended Metal-Halide Lamps ；

　　ANSI C78.137450-Watt, M110 Single―Ended Metal-Halide Lamps ；

　　ANSI C78.1375400-Watt, M59 Single―Ended Metal-Halide Lamps ；

　　ANSI C78.13761000-W, M47 Single―Ended Metal-Halide Lamps ；

　　ANSI C78.1377175-Watt, M57 Single―Ended Metal-Halide Lamps ；

　　ANSI C78.1378250-Watt, M58 Single―Ended Metal-Halide Lamps ；

　　ANSI C78.13791500-Watt, M48 Single―Ended Metal-Halide Lamps ；

　　ANSI C78.1382100-Watt, M90 Single―Ended Metal-Halide Lamps ；

　　ANSI C78.1384150-Watt, M102 Single―Ended Metal-Halide Lamps ；

　　ANSI C78.138170-Watt,M85 Double―Ended Metal halide lamp ；

　　ANSI C78.1383150-Watt, M81 Double―Ended Metal halide lamp ；

　　IEC 61167 Metal halide lamps。

　　2. 其他相关标准

　　ANSI C78.387 Metal-Halide Lamps―Methods of Measuring Characteristics；

　　ANSI C82.9 for high-intensity-discharge and low-pressure sodium lamps，ballasts, and transformers―definitions；

　　QB/T 2515―2001金属卤化物灯光电性能测试方法；

　　QB/T 2511―2001单端金属卤化物灯用LC顶蜂超前式镇流器性能要求；

　　GB 20054-2006 金属卤化物灯能效限定值及能效等级；

　　GB 20053-2006 金属卤化物灯用镇流器能效限定值及能效等级；

　　IEC 62035：1999放电灯（荧光灯除外）安全要求以及2003年修订件1；

　　IEC 60923 Auxiliaries for lamps―Ballasts for discharge lamps (excluding tubular fluorescent lamps)―Performance requirements。

　　

　　二、金属卤化物灯基本参数

　　

　　1. 灯电特性 Electrical characteristics

　　GB中的电参数与ANSI C78中规定的一致，175W~1500W单端金卤灯燃点100h后的基本参数应符合表1的规定；表1增加了ANSI中50W~150W小功率灯的电参数内容、表2为ANSI规定的70W和150W双端灯电参数内容。测量时, 使用基准镇流器并在电源电压220V50Hz以及测试环境温度为25±5℃的条件下进行。其中单端金卤灯如无特殊说明，ED型、BT型玻壳灯泡均为垂直燃点, 灯头在上；T型、TT型玻壳灯泡应水平燃点；双端灯燃点位置为水平±5°。

　　

　　　

　　IEC标准中规定的G12 单端金卤灯和双端金卤灯的电特性见表3，并规定单端灯试验位置为灯头垂直向下±5°、双端灯试验位置为水平±5°（下同）。

　　2. 灯光特性Lumens characteristics

　　ANSI没有规定光参数。GB的光参数额定值按美国主要金属卤化物灯生产企业产品样本提供的数据确定；极限值是根据我国主要生产厂家企标确定，其中175W的极限值为额定值的75%，250W~1500W的极限值为额定值的80%，GB规定的光参数详见表1。表1、表2中小功率和双端灯也是参照同样原则确定。

　　金属卤化物灯能效标准适用产品范围与GB一致，能效等级分为3级，各等级的初始光效值不应低于表4的规定，同时流明维持率应符合GB规定（见表11）。其中1级能效最高、2级为节能评价值、3级为能效限定值。1级光效值比2级节能评价值提高约10%；2级节能评价值参照GB初始光通量额定值与额定功率之比值，其中175W和250W下调2lm/w；3级能效限定值参照GB初始光通量极限值与额定功率之比值，其中250W和1500W是小数点进位数据。

　　表4 能效等级与GB光效

　　3. 灯颜色特性 Colour characteristics（nominal）

　　ANSI也没有规定灯的颜色特性。GB的色参数是根据美国主要金属卤化物灯生产企业产品样本数据确定色温和显色指数的额定值，而显色指数的极限值是根据我国主要生产厂家的企标确定。175~1500W单端金卤灯的颜色特性见表1，另外表1和表2中小功率和双端灯的色参数要求也是参照我国主要生产厂家的企标确定。

　　IEC规定的G12 单端金卤灯(试验位置为灯头垂直向下±5°)和双端金卤灯(试验位置为水平±5°)的颜色特性见表5。与GB相比，其显色指数明显高得多，这主要是IEC适合的金卤灯与美标金卤灯所采用的金属卤化物不同，IEC为稀土金属型（Dy，Ho，Tm），有较好的显色性能；ANSI为Sc-Na型，具有较高的光效和较长的寿命。

　　

　　

　　四、金属卤化物灯特性参数

　　

　　1. 灯再启动电压尖峰 lamp re-ignition voltage spike（Vp）

　　金卤灯再启动电压尖峰（也有翻译成“重复着火电压”）是指灯泡在温升初期、在电流过零后瞬间由于电弧管内部化学作用出现一个在短暂时间内先上升后下降、窄度　　

　　表6测试灯泡再启动特性的镇流器特性参数及灯泡的再启动电压尖峰　

　　再启动电压尖峰的特性随不同放电管及配套镇流器而不同，对于一个给定设计以及点灯线路的放电管来说，与放电管内引入的游离碘有关，碘与Hg或H2结合产生HgI2或HI可俘获自由电子，减少可供下一个半周开始时再度电离气体用的自由电子数，所以在半周开始灯两端的电压降必须高。在灯升温到工作气压过程中，再启动时要求的电压随时间而大幅度地变化。在温升开始，HgI2蒸发较少对再启动影响较小。随着温度上升，Hgl2浓度不断增加，在灯燃点约20～25s左右，工作波形开始伸出尖而高的再启动峰线，整个波峰成为一条垂直窄线并稳定延伸，在波形的两边上下对称发展，在达到临界温度时，两边峰线几乎同时伸至最高点。该最高点即再启动电压尖峰．也称碘再启动电压尖峰。随着温度进一步升高，超过临界温度后，碘离子就失去稳定，再启动峰线也就很快下降，最后演变成正常波形。

　　标准中规定的灯泡再启动电压尖峰测定是采用规定的可调电抗镇流器。测试时再启动电压一般应在灯起弧后15~45s内达到最大值。测试前, 灯泡应在额定功率±10%范围内至少老练5min。在两次测试之间, 灯泡应在室温下静止空气中冷却。

　　2. 灯再启动电压 lamp re-ignition voltage（Vr）

　　金卤灯再启动电压Vr是指灯泡工作电压波形处于稳定状态时，灯电压从上半周向下半周跃迁时的最大峰值，可参见GB 18661中图1所示，Vr测试采用基准镇流器。Vr定义解释Y也取自ANSI C82.9-1996，GB也同样采用该定义。实际生产控制过程中经常把金卤灯再启动电压Vr与灯泡再启动电压尖峰Vp二个概念相混淆。在整个寿命期间的灯泡再启动电压Vr最大值在ANSI和GB中待定，表7为本企业随机检测的涂复放电管再启动电压Vr数据，仅供参考。

　　

　　

　　3. 灯最小电压 lamp minimum voltage（Vmin）

　　金属卤化物灯在点亮后瞬间，其工作电压从起跳瞬间的高电压很快下降到一个最低值，之后随着放电管的温升，导致更多汞蒸发，工作电压又慢慢回升，直至接近灯正常工作电压Vop趋于稳定。灯启动初期的这个工作电压最低值被称为最小电压Vmin。最小电压Vmin控制参数在GB和其他相关标准中并没有规定，但在实际生产中也是制造商常用的评价和控制内在质量比较有效的参数之一。影响Vmin值的因素很多，包括氩气填充气压、电极不同设计、电极极距以及引入杂质的程度等等。但对一个设计已定的放电管来说，Vmin值主要取决于放电管引入氢的程度。在实际生产测试时也常用Vmin值衡量放电管引入潮气或氢的程度。一般Vmin值越小，内管引入氢量也少，相对来说其内在性能也越好。表8为我们在实际生产中控制的Vmin要求。

　　4. 灯启动电压 lamp starting voltage （Vs）

　　与其他HID灯(高压钠灯和高压汞灯)的产品标准不同，ANSI和GB中规定的金卤灯启动电压是检测灯泡两端的启动性能，而不是电源输入电压。

　　对于不要求辅助启动的线路，ANSI和GB中规定175w~1500w单端灯在整个额定寿命期间的启动电压要求在表9中规定的正弦开路测试电压及表中温度条件下，灯泡在规定的位置（灯头在上并呈垂直状态）燃点时在2min内均应启动。而50w~150w单端灯在ANSI中待定。

　　对于要求辅助启动线路的灯泡的启动电压要求，175w~1500w单端灯在ANSI和GB中均没有规定；而50w~150w单端灯在ANSI中规定在标准要求的镇流器和启动脉冲以及使用235V60Hz正弦电源等测试条件下要求在10℃±1℃温度下10 Sec内启动、在-30℃±1℃下120 Sec内启动。

　　灯泡的启动试验条件：1)不管被试的灯泡是新的还是曾作过启动试验的，都应在室温下老练30分钟，电弧管内的凝聚物要少，要求有方向性，以求得测试结果的一致性和重复性。文章中所述的老练，是指灯泡在用基准镇流器燃点时功率的变化在±10%范围内。2)试验前灯泡应在试验温度下至少存放6h，最好是在试验前的一个夜晚。

　　5. 灯泡的温升要求 lamp warm-up requirements

　　对于175W～1500W灯泡，GB温升要求规定如下：任一裸灯在25℃±5℃、无对流风的环境中和在GB 18661附录A2.2规定的最小启动电流下达到灯规定最小工作电压的95%的所需时间不超出10min。而对于50W～150W小功率灯的温升要求，ANSI规定灯泡在25℃±5℃、无对流风的环境中和在规定的最小启动电流下达到灯规定最小工作电压的95%的时间不超出2min。对于70W和150W双端灯，ANSI分别要求在5min和2min内达到至少80V管压。灯泡温升时间计算是指从起弧时至灯泡电压达到规定值的时间。

　　IEC衡量灯的温升要求的类似参数是在标称电源电压下金卤灯的稳定特性（run-up characteristics at nominal supply voltage），考核的是在额定输入电压、指定的燃点位置和环境条件下达到标称光通量的90%所需要的最长时间(Max. time to 90% lumens)，测试的灯泡应已经过100h老练。对于不同类型的金属卤化物灯，IEC规定的最长时间也不同，见表10。

　　GE lighting样本中对应参数是启动特性（Start Characteristics），声称金属卤化物灯达到标称光通量的90%所需要的时间为2~5min。其中G12 单端金卤灯Run-up不超出2min.，70W/150W双端金卤灯Run-up不超出4min.。

　　五、额定寿命 Rated life

　　ANSI C78没有规定寿命的内容，GB规定的平均寿命和流明维持率主要参考美国主要金属卤化物灯生产企业产品样本数据以及国内主要金卤灯生产厂家的企业标准确定，见表11。灯泡的平均寿命和流明维持率试验在额定电压下进行，采用工作镇流器和50Hz交流电源，其电压波动应不大于±2%。寿命试验中，灯泡应按照规定位置燃点；灯泡每昼夜关闭二次，每次不少于1h。平均寿命的计算方法：当受试灯泡为奇数时，由灯泡失效顺序中处于中间位置的灯泡寿命确定；当受试灯泡为偶数时，由灯泡失效顺序中处于n/2和（n/2）+1位置的灯泡寿命之算术平均值确定。

　　 GE和Venture Lighting公司还规定“中间流明”（Mean Lumen）要求，是指在灯额定寿命的40%时光输出（lamp light output at 40% of rated lamp life）。

　　GE lighting 对寿命的定义和相关规定如下：额定寿命值是指在实验室测试的特定条件下一批灯在指定特性的镇流器下工作时间，燃点时要求每10小时关灯一次（operation at 10 hours per start）。不同燃点条件也会影响灯的寿命。如果额定寿命小于24000小时，也是灯预期的中值寿命值，即在正常工作条件下初始安装的一组灯的50%数量仍在燃点的工作时间。如果额定寿命大于24000小时，预期在24000小时时仍有67%的灯在燃点。如果每次燃点周期比10小时短，中值寿命也将相应缩短：点灯周期每次5小时，寿命大约为额定的75%；点灯周期每次2.5小时，寿命大约为额定的56%；点灯周期每次1.25小时，寿命大约为额定的42%。

　　Venture Lighting 对额定寿命的定义和相关规定如下：额定或平均寿命值是指在实验室条件和额定电压下一批代表性灯在认可的镇流器下燃点值，每启动一次燃点周期为10小时（an operating cycle of 10 hours per start）。平均寿命是指初始安装灯的50%（中值）仍在燃点的工作时间；而对于320W和450W脉冲启动灯泡，要求仍有70%的初始安装灯在燃点。不同燃点条件也会影响灯的寿命。其中最重要的因素为燃点位置，一般标明任意燃点的灯泡的额定寿命都是指在垂直燃点位置；对于工作在水平位置的任意燃点的灯泡，其额定寿命为垂直位置的75%。对于大多数灯，其寿命随燃点周期的缩短而减少。如果每次燃点周期小于10小时，寿命也将相应如下缩短：点灯周期每次5小时，寿命大约为额定的75%；点灯周期每次2.5小时，寿命大约为额定的55%；点灯周期每次1.25小时，寿命大约为额定的40%。Venture Lighting引入经济寿命（Economic Life）概念，指的是设计的一个灯在最佳的光输出、色质量和能耗情况下燃点时间。用经济寿命衡量灯实际寿命比额定寿命更合理，因为额定寿命没有考虑随着灯燃点的流明下降和色漂移。经济寿命一般为额定寿命的60%~70%。

　　Philips公司也有两种寿命定义：1、平均寿命：某批灯有50%完结时的时间。2、使用寿命：结合多数灯的流明衰减，考虑到光源失效的危险，用户定义的替换（所有）光源的最佳时间。（有时光源还可以运行，但是初始亮度已经下降到用户觉得不再舒服的程度）。除了光源的寿命，预期寿命的可靠性也很关键。越来越多的专业终端用户选择集体换灯（所有光源同时更换而不是每次仅替换个别失效的灯），所以预测替换光源的最佳时间是非常重要的。Philips指出不仅要着眼于延长光源寿命，同时着力于保证预期寿命的可靠性。

　　六、基准镇流器的技术参数Reference Ballast Characteristics

　　ANSI和GB标准中规定的基准镇流器的特性参数符合表12和表13的规定。

　　

　　ANSI和IEC标准中对应规格的双端金卤灯基准镇流器的基本参数是一致的。

　　七、结束语

　　文章介绍了GB 18661―2002、ANSI C78和IEC 1167等标准中引入的金属卤化物灯参数以及对应的技术要求，并加以对比分析。关于IEC和ANSI对灯的物理特性、灯配套的镇流器设计数据和灯具设计数据分别有相应的技术要求，可参照相关标准，文章中没有陈述。

　　近年来，金属卤化物灯生产技术发展很快、新品种和新技术不断涌现，各种先进的技术参数及其评价方式在金卤灯生产和研发中不断得到推广应用，同时相应的产品标准和技术规范更新也很快，ANSI C78的2005版本也已经发布，我国相应地在2007年又重新修订了GB 18661，现正在报批中，相信随着制灯技术进一步提高和内在质量的改善，金卤灯必将得到更进一步发展，应用范围也将更加广泛。

　　

　　参考文献

　　[1] J．F．Waymouth，“Electric Discharge Lamps”.

　　[2] 吴永强，凌应明.“金属卤化物灯特性参数分析和测试”《第三届全国电光源科技研讨会论文集》.

　　3、沈季平，“HID灯对镇流器的要求及工作电路的选择”《第三届全国电光源科技研讨会邀请报告》；

　　4、吴永强 沈季平等，GB 18661―2002“单端金属卤化物灯（175W～1500W钪钠系列）”。