舞臺燈光系統供配電設計探討

何順明

重慶市璧山區綠島中心，重慶 402760

專業劇場劇院是展演文藝創作精品、豐富群眾文化生活的重要場所，也是傳承優秀傳統文化、弘揚社會主義核心價值觀的重要陣地。近年來，我國專業劇場劇院發展迅速，已經成為推動藝術市場繁榮發展的重要力量。目前劇院舞臺燈光設計仍大量采用白熾（鹵鎢） 光源燈具，調光裝置嚴重依賴晶閘管的現象還沒有改變，由于晶閘管對電源的污染，使得舞臺燈光供配電設計不同于一般的民用建筑，如果忽視其特殊性，設計就會出現缺陷，輕則影響劇場演出，重則將會埋下嚴重的安全隱患，因此對其的研究非常有意義。本文從劇場燈光的工作原理及理論分析等方面，以璧山文化藝術中心大劇院為例，對劇場燈光系統的供配電設計給出分析和建議。

1 舞臺燈光特點

1.1 設計先進

璧山文化中心大劇院為設計1700座的乙等特大型劇院，需同時滿足一流的國內外各類大型歌劇、舞劇、話劇、音樂會、綜藝演出、會議等使用要求，適應國內外燈光設計和燈光操作人員的管理和使用，能滿足電視現場直播和錄像的要求，符合國際先進的舞臺燈光系統使用、控制理念，潮流和趨勢。作為國內一流劇場，整體系統配置既要滿足現代劇場要求，又考慮擴充余量，并要求有合理的性能價格化，保證劇場在相當長時間內不會落伍，滿足各類演出團體的使用要求。供電系統需提供全系列的標準連接方案，符合國際標準：IEC60439-1，充分保證運行的可靠性和操作安全性。

1.2 須進行諧波抑制

晶閘管調光器是目前舞臺上的主流調光器，實質上就是一個單相的相位控制交流調壓器，屬于非線性負荷。工作過程中非線性負荷接入電網系統時將產生諧波電壓，并引起電壓畸變，諧波電流造成電氣設備、電纜過熱，對靈敏數字系統、電子保護、控制系統造成程序動作異常和數據的丟失，同時對音響視聽設備產生干擾和噪聲，調光設備作為燈光系統的控制咽喉，本身的穩定和調光控制系統的可靠將直接影響到整個系統的正常運行和演出效果，璧山文化中心大劇院設計選用正弦波調光模塊，可以盡量減少對電網的污染，增加設備可靠性，同時在配電設計時需采取措施進行諧波抑制。

1.3 安裝功率大，負荷分散

實際上，舞臺燈光系統安裝功率要遠遠大于實際需要的功率，這取決于劇院中的裝置自身，也就是說，要將功率分布在許多點上，以便燈光工程師可以有最大自由來選擇布燈位置，實現燈光效果。設計最大瞬時功率為供應每個場所的（調光和直通） 電力線，這些電力線將為以下這些地方的布燈點提供電力：觀眾席天棚、舞臺前部拱墻、樂池、主舞臺及其附屬建筑空間，和演出承辦方放置設計中設備的所有點，負荷分散，安裝功率很大。同時晶閘管調光器有較為嚴重的三相不平衡出現。

2 舞臺燈光供配電設計

2.1 電氣設計條件

舞臺工藝設計院提出璧山文化中心大劇院舞臺燈光專業電氣設計條件，主要內容如下：

① 本工程設有燈光控制室一間、調光硅柜室一間，由控制臺遠程控制舞臺燈光硅控室，調光硅柜室內共有調光立柜9臺。燈光控制室內有主備調光控制臺、電腦燈控制臺、信號中繼站等。

② 燈光電源來自低壓配電室，接地形式采用TN-S系統，中心線與接地線嚴格分開。電壓380V、三相五線。

③ 舞臺燈光調光立柜室設調光柜9個，N1-N8調光柜每個配電容量小于240kW，各輸出正弦波調光回路96個，共768回路，每回路裝機容量3kW；場燈作為演出燈光的一部分，有必要將場燈控制部分歸到舞臺燈光控制臺進行控制，與演出燈光進行完整的結合，所以N9調光柜設計為場燈調光柜，容量不小于120kW，輸出正弦波調光回路48個，每回路裝機容量3kW。進線電纜進入調光硅柜，其中進線電纜、室內的供電柜、燈光控制室/舞臺備用電源配電箱部分由建筑電氣設計單位設計。

④ 舞臺燈光備用電源進線回路7回，每回路的容量不小于裝機容量，其中一層天橋上場口預留100kW；一層天橋下場口預留100kW；上場口側臺前側墻預留50kW；下場口側臺前側墻預留50kW；上場口側臺后側墻預留100kW；下場口側臺后側墻預留100kW。

⑤ 導線線徑。調光回路、直放回路每回導線型號：4平方三芯線纜。所有設備、裝置外導電部分、燈具外殼、橋架的金屬部分均須可靠的接地連接。

2.2 調光設備用電容量的設計

計算容量：Pjs=K×Pe

式中，Pjs—計算容量（kW）；K—（需要系數）；Pe—設備容量（kW）。

根據《民用建筑電氣設計規范》 （JGJ 16-2008） 中9.6.8條的規定，舞臺照明負荷宜采用需要系數法計算，需要系數宜符合表9.6.8的規定，式中K取0.25；

Pe（常用） =（768+48） ×3=2448kW（正弦波調光，每回路最大輸出功率3kW，最大裝機容量達2448kW。）

Pjs（常用） =0.25×2448=612kW

視在容量：Sjs=Pjs/cosΦ（根據規范cosΦ取0.90）

表1 表9.6.8需要系數

2.3 備用電源容量設計

由于劇院演出具有多樣性，部分演出單位為了保證在不同的劇院演出都能達到預期的效果，需要自帶部分光源在劇院臨時安裝，舞臺燈光配電就需要設計備用電源接口，根據舞臺工藝設計院提供的燈光專業備用電源配置要求：

式中，Pjs—計算容量（kW）；K—（需要系數）；Pe—預留容量（kW）。

根據規范式中K取0.5：

Pe（預留） =100+100+50+50+100+100=500kW

Pjs（預留） =0.5×500=250kW

視在容量：Sjs=Pjs/cosΦ（根據規范cosΦ取0.90）

2.4 總配電計算

Pjs（總） =Pjs（常用） +Pjs（預留） =680+278=956kVA

根據以上公式計算，綜合考慮，該劇院燈光系統供電容量最小不低于950kVA。

璧山文化藝術中心大劇院根據劇院規模按照規范，舞臺燈光屬于一級負荷，設計高壓電源分別來自兩座變電站，低壓配電室從變壓器到硅控室的舞臺燈光配電柜均進行主備設計，硅控室配電柜設置切換開關進行自動切換。

2.5 中性線選擇

在選擇電纜截面時，電纜的容許載流量須滿足GB 50054—2011《低壓配電設計規范》 （簡稱GB 50054—2011） 6.3.3條中IB≤In≤IZ保護配合的規定。式中：

IB—回路計算電流（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—導體容許持續載流量（A） 。

考慮到諧波分量的作用，相關規范有如下規定：

WH/T 40—2011《舞臺燈光系統工藝設計導則》 （簡稱WH/T40—2011） 中，5.6.4規定零線截面積宜為相線的2倍。

JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規范》 （簡稱JGJ 16—2008） 第9.6.3條第2款要求：由晶閘管調光裝置配出的舞臺照明線路宜采用單相配電。當采用三相配電時，宜每相分別配置中性導體，當共用中性導體時，中性導體截面不應小于相導體截面的2倍。

璧山文化藝術中心大劇院的配電室設在負一樓，舞臺燈光硅控室設在五樓，需要從低壓配電室采用TN-S系統向舞臺燈光硅控室供電，中性導體截面配電設計為相導體截面的2倍。

2.6 諧波抑制

根據《民用建筑電氣設計規范》 （JGJ 16—2008） 中9.6.7條的規定，為了防止供電電源對舞臺的電聲、電視轉播設備產生干擾，影響其正常運行，要求電聲、電視轉播設備的電源不宜接在舞臺照明變壓器上，即舞臺照明和舞臺音響分別由不同的變壓器供電。因此璧山文化藝術中心大劇院專設兩臺1250kVA變壓器分別為舞臺照明及舞臺機械電力設備等負荷供電，另外2臺1000kVA變壓器為其它照明、動力、空調、舞臺音響等負荷供電，和舞臺機械、舞臺照明及舞臺音響等重要負荷的供電采用兩路電源末端切換，以保證重要負荷的供電安全可靠。為有效抑制諧波，在變配電所供舞臺機械、舞臺照明及舞臺音響的配電干線上，設置配電抗器的功率因數補償電容器組，還加設了有源濾波裝置。

3 結語

表演藝術發展到今天，表現手段趨于多樣化，舞臺作為歌劇、舞劇、戲曲等項目的表演場合，仍然在表演藝術中占有首位位置。隨著藝術的發展，對舞臺燈光也提出了更高的要求。劇院舞臺燈光系統的配電設計有許多特殊要求需要我們不斷學習和應用，以滿足現代藝術對舞臺燈光的要求，有必要合理考慮配電容量、加大中性線線徑、采用諧波抑制技術等措施，做好劇院舞臺燈光系統的配電設計工作，以保障演出工作。

[1] JGJ 16—2008, 民用建筑電氣設計規范[S].

[2] WH/T 40—2011, 舞臺燈光系統工藝設計導則[S].

[3] 胡雁.淺談大型劇院舞臺燈光設計[J].科學與財富，2013（3） ：71.

[4] 曹月東.羅斐.杜克儉, 等.舞臺燈光系統中性線截面積選擇的分析[J].演藝科技，2016（11）：5-7.