舞臺(tái)燈光系統(tǒng)中性線截面積選擇的分析

曹月東+羅斐+杜克儉+龔奎成

【摘 要】 介紹不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于調(diào)光系統(tǒng)配電回路中性線截面選擇規(guī)定的差異，對(duì)于三相四線配電系統(tǒng)中中性線的截面選擇進(jìn)行理論分析，對(duì)于調(diào)光系統(tǒng)中性線的選擇給出建議。

【關(guān)鍵詞】 舞臺(tái)燈光系統(tǒng)；晶閘管；調(diào)光；標(biāo)準(zhǔn)；中性線；三相四線配電；諧波

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.11.002

【Abstract】This paper introduces different standards for the dimming system power distribution circuit neutral wire cross-sectional area selection rules， theoretical analysis of three-phase four-wire power distribution system in the neutral wire cross- sectional area selection， and recommendations on the choice of neutral wire in dimming system.

【Key Words】stage lighting system； thyristor； light-dimmer； standard； neutral wire ； Three-phase Four-wire Power Distribution； harmonique

1 前言

目前劇場(chǎng)及電視演播室中仍大量采用白熾（鹵鎢）光源燈具，晶閘管調(diào)光裝置也被廣泛使用，在采用三相四線配電時(shí)，中性線（N線）截面的計(jì)算和選擇是需重點(diǎn)關(guān)注的問題；尤其是共存的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其要求不盡相同的情況下，這個(gè)研究非常有意義。本文從晶閘管調(diào)光原理、中性線相關(guān)選擇標(biāo)準(zhǔn)以及理論分析等方面，對(duì)中性線的選擇給出分析和建議。

2 晶閘管燈光工作原理

晶閘管調(diào)光器（又被稱為可控硅調(diào)光器）是目前舞臺(tái)上的主流調(diào)光器。晶閘管調(diào)光器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)單相的相位控制交流調(diào)壓器。工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，并有較為嚴(yán)重的三相不平衡出現(xiàn)，對(duì)外界的影響主要為諧波干擾。

在正弦交流電壓過零后的某一時(shí)刻t1（或某一相位角ωt1），在晶閘管的門極上加一觸發(fā)脈沖，使晶閘管導(dǎo)通，這一導(dǎo)通將維持到正弦波正半周結(jié)束。因此，在正弦波的正半周（即0?P區(qū)間）中，0?ωt1范圍可控硅不導(dǎo)通，這一范圍稱為控制角，常用α表示；而在ωt1?P間可控硅導(dǎo)通，這一范圍稱為導(dǎo)通角，常用φ表示。

同理，在正弦交流電壓的負(fù)半周，對(duì)處于反向聯(lián)接的另一個(gè)晶閘管（對(duì)兩個(gè)單向晶閘管反并聯(lián)而言）在t2時(shí)刻（即相位角ωt2）施加觸發(fā)脈沖，使其導(dǎo)通。如此周而復(fù)始，對(duì)正弦波的每一半周期控制其導(dǎo)通，獲得相同的導(dǎo)通角。如改變觸發(fā)脈沖的施加時(shí)間（或相位），即改變了導(dǎo)通角φ或控制角α的大小。導(dǎo)通角越大調(diào)光器輸出的電壓越高，燈就越亮。從上述晶閘管調(diào)光原理可知，調(diào)光器輸出的電壓波形已經(jīng)不再是正弦波（見圖1）。

3 中性線選擇的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于晶閘管調(diào)光系統(tǒng)三相四線電源線路中性線截面選擇問題，在不同的標(biāo)準(zhǔn)中均有規(guī)定，但要求差異很大：

● WH/T 40-2011《舞臺(tái)燈光系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（簡(jiǎn)稱WH/T 40-2011）中，5.6.4規(guī)定零線截面積宜為相線的2倍。

● GY 5045-2006《電視演播室燈光系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱GY 5045-2006）中第4.6.1條中規(guī)定：變電所燈光專用配電柜至調(diào)光器室低壓配電柜的電纜，應(yīng)采用阻燃銅芯五芯電力電纜，相線和零線為等截面。

● JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱JGJ 16-2008）第9.6.3條第2款要求：當(dāng)共用中性導(dǎo)體時(shí)，中性導(dǎo)體截面不應(yīng)小于相導(dǎo)體截面的2倍。

● GB/T 16895.6-2014《低壓電氣裝置 第5-52部分：電氣設(shè)備的選擇和安裝 布線系統(tǒng)》附錄E“三相平衡系統(tǒng)中的諧波電流效應(yīng)”（簡(jiǎn)稱GB/T 16895.6-2014附錄E）的規(guī)定中，給出了關(guān)于三次諧波電流在四芯和五芯電纜中的換算降低系數(shù)（見表1），要求根據(jù)換算后的相線電流或中性線電流兩者中的大值，作為選擇四芯（等截面）電纜的依據(jù)。

● 在選擇電纜截面時(shí)，電纜的容許載流量還必須滿足GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱GB 50054-2011）6.3.3條中IB≤In≤IZ保護(hù)配合的規(guī)定。

式中：

IB——回路計(jì)算電流（A）；

In——熔斷器熔體額定電流或斷路器額定電流或整定電流（A）；

IZ——導(dǎo)體容許持續(xù)載流量（A）；

另外，在實(shí)際工作中，一些國(guó)外的設(shè)計(jì)公司提出對(duì)調(diào)光系統(tǒng)電源線路中性導(dǎo)體截面要按3倍相線截面選擇。

本次研究在充分研究相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的基礎(chǔ)上，給出了中性線選擇的合理建議。

4 對(duì)中性線截面選擇的建議

（1）如果認(rèn)同IEC60364國(guó)際電工委員TC64主席Roiand Talon在《電氣裝置應(yīng)用（設(shè)計(jì)）指南》一書中給出的曲線（見圖2），即調(diào)光功率為全功率的一半（50%）時(shí)，三次諧波電流為計(jì)算電流（全電流）的45%。

這時(shí)電源線路的中性線電流IN為三相的三次諧波在中性線上的疊加，是計(jì)算電流（IB）的1.35倍（1.35=0.45×3，相位差為120°的三相基波電流的三次諧波相序相同，即三相的三次諧波電流在中性線中為零序疊加）。按附錄E規(guī)定（見表1），應(yīng)當(dāng)以IN=1.35IB選擇四芯等截面電纜。

（2）對(duì)GB 50054-2011中6.3.3條IB≤In≤IZ線路保護(hù)配合關(guān)系式予以適當(dāng)賦值后，用來作為直接選擇電源線路截面為上策。

如果在工程設(shè)計(jì)中按照GB 50054-2011中IB≤In≤IZ的規(guī)定，取In=1.2IB，IZ=1.2In時(shí)，那么就同時(shí)滿足了：

● GB 50054-2011中導(dǎo)線過載保護(hù)的配合IB≤In≤IZ的規(guī)定；

● GY 5045-2006中第4.6.1條中“相線和零線為等截面”的規(guī)定；

● GB/T 16895.6-2014附錄E的“三相平衡系統(tǒng)中的諧波電流效應(yīng)”換算系數(shù)表按中性線電流選擇四芯等截面電纜規(guī)定。

（3）如果認(rèn)同JGJ 16-2008中10.9.10條文說明中給出的三相四線調(diào)光系統(tǒng)中性線最大電流INMAX=1.23IB的測(cè)算數(shù)據(jù)是可靠的，在工程設(shè)計(jì)中如果取In=1.2IB IZ=1.2In或IZ=1.44IB>1.43IB時(shí)（式中1.43=1.23/0.86），那么，就同時(shí)滿足了GB 50054-2011中IB≤In≤IZ規(guī)定的電源線路與其保護(hù)開關(guān)的配合要求，以及GY 5045-2006中4.6.1條“相線和零線為等截面”的規(guī)定和其附錄C的電流換算規(guī)定。

（4）以上討論為三相平衡時(shí)的情況，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常存在三相不平衡的情況，此時(shí)中性線中的電流計(jì)算較為復(fù)雜，應(yīng)為三相基波電流相量和與三次諧波電流共同作用的結(jié)果。此處以三相不平衡的較劣情況即缺一相供電的情況，此時(shí)中性線的基波電流應(yīng)為兩相基波電流的相量和，當(dāng)兩相電流數(shù)值相等時(shí)，中線電流數(shù)值與相電流相同。則中性線電流為相電流中的基波電流和三次諧波電流共同作用的結(jié)果。根據(jù)《電氣裝置應(yīng)用（設(shè)計(jì)）指南》中“調(diào)光功率為全功率的一半（50%）時(shí)，三次諧波電流為計(jì)算電流（全電流）的45%”和GB/T 16895.6-2014附錄E表1三相平衡時(shí)降低系數(shù)為0.86。當(dāng)三相不平衡時(shí)，GB/T 16895.6-2014附錄E中規(guī)定“如果相間不平衡達(dá)到50%，可能使用更低的降低系數(shù)”。此處筆者采用了更低的0.7作為降低系數(shù)，則中性線電流INMAX=1.51IB，（式中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，基波電流按照全波電流的55%取值），那么工程設(shè)計(jì)中取In=1.23IB，IZ=1.23In或IZ=1.51IB，即能滿足要求。

5 結(jié)論

（1）在工程設(shè)計(jì)中，取IZ=1.51IB，選電源線路（四芯等截面電纜）是安全的，滿足GB/T 16895.6-2014和GY 5045-2006的要求。

（2）如果相線截面積依據(jù)IB≤In選擇，中性線截面積依據(jù)INMAX=1.51IB選擇為相線截面積的2倍也是安全的，滿足WH/T 40-2011和JGJ 16-2008的要求。

作者簡(jiǎn)介：

曹月東，博士，自動(dòng)控制專業(yè)，高級(jí)工程師，萬(wàn)達(dá)文化旅游規(guī)劃研究院劇場(chǎng)設(shè)備所副所長(zhǎng)，主要從事秀場(chǎng)和劇場(chǎng)等演出設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)管理工作，參與萬(wàn)達(dá)漢秀、傣秀、南昌萬(wàn)達(dá)城室內(nèi)外劇場(chǎng)和大湖秀等。

羅斐，中國(guó)傳媒大學(xué)畢業(yè)，研究生，工程師，供職于萬(wàn)達(dá)文化旅游規(guī)劃研究院劇場(chǎng)設(shè)備所，主要從事秀場(chǎng)、劇院、主題樂園等業(yè)態(tài)的音視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)管理工作。參與國(guó)家大劇院、國(guó)家會(huì)議中心、福建大劇院、萬(wàn)達(dá)青島東方影都等項(xiàng)目。

杜克儉，研究員級(jí)高級(jí)工程師。原中元國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院電氣專業(yè)總工程師、中國(guó)電工技術(shù)委員會(huì)電熱專業(yè)委員會(huì)委員、全國(guó)電氣工程標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)電熱專業(yè)委員會(huì)委員、全國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)強(qiáng)電專家委員會(huì)委員。參與多項(xiàng)電氣工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編寫及審查工作。

龔奎成，萬(wàn)達(dá)文化旅游規(guī)劃研究院首席設(shè)備師，高級(jí)工程師，主要從事劇場(chǎng)設(shè)備、游樂設(shè)備、電影設(shè)備等的技術(shù)管控工作。中國(guó)演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會(huì)演出場(chǎng)館設(shè)備專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員，《演藝科技》編委，中國(guó)照明學(xué)會(huì)舞臺(tái)電影電視照明專業(yè)委員會(huì)委員，文化部專家?guī)鞂＜摇?/p>

作者簡(jiǎn)介：

曹月東，博士，自動(dòng)控制專業(yè)，高級(jí)工程師，萬(wàn)達(dá)文化旅游規(guī)劃研究院劇場(chǎng)設(shè)備所副所長(zhǎng)，主要從事秀場(chǎng)和劇場(chǎng)等演出設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)管理工作，參與萬(wàn)達(dá)漢秀、傣秀、南昌萬(wàn)達(dá)城室內(nèi)外劇場(chǎng)和大湖秀等。

羅斐，中國(guó)傳媒大學(xué)畢業(yè)，研究生，工程師，供職于萬(wàn)達(dá)文化旅游規(guī)劃研究院劇場(chǎng)設(shè)備所，主要從事秀場(chǎng)、劇院、主題樂園等業(yè)態(tài)的音視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)管理工作。參與國(guó)家大劇院、國(guó)家會(huì)議中心、福建大劇院、萬(wàn)達(dá)青島東方影都等項(xiàng)目。

杜克儉，研究員級(jí)高級(jí)工程師。原中元國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院電氣專業(yè)總工程師、中國(guó)電工技術(shù)委員會(huì)電熱專業(yè)委員會(huì)委員、全國(guó)電氣工程標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)電熱專業(yè)委員會(huì)委員、全國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)強(qiáng)電專家委員會(huì)委員。參與多項(xiàng)電氣工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編寫及審查工作。

龔奎成，萬(wàn)達(dá)文化旅游規(guī)劃研究院首席設(shè)備師，高級(jí)工程師，主要從事劇場(chǎng)設(shè)備、游樂設(shè)備、電影設(shè)備等的技術(shù)管控工作。中國(guó)演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會(huì)演出場(chǎng)館設(shè)備專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員，《演藝科技》編委，中國(guó)照明學(xué)會(huì)舞臺(tái)電影電視照明專業(yè)委員會(huì)委員，文化部專家?guī)鞂＜摇?/p>

（編輯 張冠華）