舞台灯光系统供配电设计探讨

何顺明

重庆市璧山区绿岛中心，重庆 402760

专业剧场剧院是展演文艺创作精品、丰富群众文化生活的重要场所，也是传承优秀传统文化、弘扬社会主义核心价值观的重要阵地。近年来，我国专业剧场剧院发展迅速，已经成为推动艺术市场繁荣发展的重要力量。目前剧院舞台灯光设计仍大量采用白炽（卤钨） 光源灯具，调光装置严重依赖晶闸管的现象还没有改变，由于晶闸管对电源的污染，使得舞台灯光供配电设计不同于一般的民用建筑，如果忽视其特殊性，设计就会出现缺陷，轻则影响剧场演出，重则将会埋下严重的安全隐患，因此对其的研究非常有意义。本文从剧场灯光的工作原理及理论分析等方面，以璧山文化艺术中心大剧院为例，对剧场灯光系统的供配电设计给出分析和建议。

1 舞台灯光特点

1.1 设计先进

璧山文化中心大剧院为设计1700座的乙等特大型剧院，需同时满足一流的国内外各类大型歌剧、舞剧、话剧、音乐会、综艺演出、会议等使用要求，适应国内外灯光设计和灯光操作人员的管理和使用，能满足电视现场直播和录像的要求，符合国际先进的舞台灯光系统使用、控制理念，潮流和趋势。作为国内一流剧场，整体系统配置既要满足现代剧场要求，又考虑扩充余量，并要求有合理的性能价格化，保证剧场在相当长时间内不会落伍，满足各类演出团体的使用要求。供电系统需提供全系列的标准连接方案，符合国际标准：IEC60439-1，充分保证运行的可靠性和操作安全性。

1.2 须进行谐波抑制

晶闸管调光器是目前舞台上的主流调光器，实质上就是一个单相的相位控制交流调压器，属于非线性负荷。工作过程中非线性负荷接入电网系统时将产生谐波电压，并引起电压畸变，谐波电流造成电气设备、电缆过热，对灵敏数字系统、电子保护、控制系统造成程序动作异常和数据的丢失，同时对音响视听设备产生干扰和噪声，调光设备作为灯光系统的控制咽喉，本身的稳定和调光控制系统的可靠将直接影响到整个系统的正常运行和演出效果，璧山文化中心大剧院设计选用正弦波调光模块，可以尽量减少对电网的污染，增加设备可靠性，同时在配电设计时需采取措施进行谐波抑制。

1.3 安装功率大，负荷分散

实际上，舞台灯光系统安装功率要远远大于实际需要的功率，这取决于剧院中的装置自身，也就是说，要将功率分布在许多点上，以便灯光工程师可以有最大自由来选择布灯位置，实现灯光效果。设计最大瞬时功率为供应每个场所的（调光和直通） 电力线，这些电力线将为以下这些地方的布灯点提供电力：观众席天棚、舞台前部拱墙、乐池、主舞台及其附属建筑空间，和演出承办方放置设计中设备的所有点，负荷分散，安装功率很大。同时晶闸管调光器有较为严重的三相不平衡出现。

2 舞台灯光供配电设计

2.1 电气设计条件

舞台工艺设计院提出璧山文化中心大剧院舞台灯光专业电气设计条件，主要内容如下：

① 本工程设有灯光控制室一间、调光硅柜室一间，由控制台远程控制舞台灯光硅控室，调光硅柜室内共有调光立柜9台。灯光控制室内有主备调光控制台、电脑灯控制台、信号中继站等。

② 灯光电源来自低压配电室，接地形式采用TN-S系统，中心线与接地线严格分开。电压380V、三相五线。

③ 舞台灯光调光立柜室设调光柜9个，N1-N8调光柜每个配电容量小于240kW，各输出正弦波调光回路96个，共768回路，每回路装机容量3kW；场灯作为演出灯光的一部分，有必要将场灯控制部分归到舞台灯光控制台进行控制，与演出灯光进行完整的结合，所以N9调光柜设计为场灯调光柜，容量不小于120kW，输出正弦波调光回路48个，每回路装机容量3kW。进线电缆进入调光硅柜，其中进线电缆、室内的供电柜、灯光控制室/舞台备用电源配电箱部分由建筑电气设计单位设计。

④ 舞台灯光备用电源进线回路7回，每回路的容量不小于装机容量，其中一层天桥上场口预留100kW；一层天桥下场口预留100kW；上场口侧台前侧墙预留50kW；下场口侧台前侧墙预留50kW；上场口侧台后侧墙预留100kW；下场口侧台后侧墙预留100kW。

⑤ 导线线径。调光回路、直放回路每回导线型号：4平方三芯线缆。所有设备、装置外导电部分、灯具外壳、桥架的金属部分均须可靠的接地连接。

2.2 调光设备用电容量的设计

计算容量：Pjs=K×Pe

式中，Pjs—计算容量（kW）；K—（需要系数）；Pe—设备容量（kW）。

根据《民用建筑电气设计规范》 （JGJ 16-2008） 中9.6.8条的规定，舞台照明负荷宜采用需要系数法计算，需要系数宜符合表9.6.8的规定，式中K取0.25；

Pe（常用） =（768+48） ×3=2448kW（正弦波调光，每回路最大输出功率3kW，最大装机容量达2448kW。）

Pjs（常用） =0.25×2448=612kW

视在容量：Sjs=Pjs/cosΦ（根据规范cosΦ取0.90）

表1 表9.6.8需要系数

2.3 备用电源容量设计

由于剧院演出具有多样性，部分演出单位为了保证在不同的剧院演出都能达到预期的效果，需要自带部分光源在剧院临时安装，舞台灯光配电就需要设计备用电源接口，根据舞台工艺设计院提供的灯光专业备用电源配置要求：

式中，Pjs—计算容量（kW）；K—（需要系数）；Pe—预留容量（kW）。

根据规范式中K取0.5：

Pe（预留） =100+100+50+50+100+100=500kW

Pjs（预留） =0.5×500=250kW

视在容量：Sjs=Pjs/cosΦ（根据规范cosΦ取0.90）

2.4 总配电计算

Pjs（总） =Pjs（常用） +Pjs（预留） =680+278=956kVA

根据以上公式计算，综合考虑，该剧院灯光系统供电容量最小不低于950kVA。

璧山文化艺术中心大剧院根据剧院规模按照规范，舞台灯光属于一级负荷，设计高压电源分别来自两座变电站，低压配电室从变压器到硅控室的舞台灯光配电柜均进行主备设计，硅控室配电柜设置切换开关进行自动切换。

2.5 中性线选择

在选择电缆截面时，电缆的容许载流量须满足GB 50054—2011《低压配电设计规范》 （简称GB 50054—2011） 6.3.3条中IB≤In≤IZ保护配合的规定。式中：

IB—回路计算电流（A） ；

In—熔断器熔体额定电流或断路器额定电流或整定电流（A） ；

IZ—导体容许持续载流量（A） 。

考虑到谐波分量的作用，相关规范有如下规定：

WH/T 40—2011《舞台灯光系统工艺设计导则》 （简称WH/T40—2011） 中，5.6.4规定零线截面积宜为相线的2倍。

JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》 （简称JGJ 16—2008） 第9.6.3条第2款要求：由晶闸管调光装置配出的舞台照明线路宜采用单相配电。当采用三相配电时，宜每相分别配置中性导体，当共用中性导体时，中性导体截面不应小于相导体截面的2倍。

璧山文化艺术中心大剧院的配电室设在负一楼，舞台灯光硅控室设在五楼，需要从低压配电室采用TN-S系统向舞台灯光硅控室供电，中性导体截面配电设计为相导体截面的2倍。

2.6 谐波抑制

根据《民用建筑电气设计规范》 （JGJ 16—2008） 中9.6.7条的规定，为了防止供电电源对舞台的电声、电视转播设备产生干扰，影响其正常运行，要求电声、电视转播设备的电源不宜接在舞台照明变压器上，即舞台照明和舞台音响分别由不同的变压器供电。因此璧山文化艺术中心大剧院专设两台1250kVA变压器分别为舞台照明及舞台机械电力设备等负荷供电，另外2台1000kVA变压器为其它照明、动力、空调、舞台音响等负荷供电，和舞台机械、舞台照明及舞台音响等重要负荷的供电采用两路电源末端切换，以保证重要负荷的供电安全可靠。为有效抑制谐波，在变配电所供舞台机械、舞台照明及舞台音响的配电干线上，设置配电抗器的功率因数补偿电容器组，还加设了有源滤波装置。

3 结语

表演艺术发展到今天，表现手段趋于多样化，舞台作为歌剧、舞剧、戏曲等项目的表演场合，仍然在表演艺术中占有首位位置。随着艺术的发展，对舞台灯光也提出了更高的要求。剧院舞台灯光系统的配电设计有许多特殊要求需要我们不断学习和应用，以满足现代艺术对舞台灯光的要求，有必要合理考虑配电容量、加大中性线线径、采用谐波抑制技术等措施，做好剧院舞台灯光系统的配电设计工作，以保障演出工作。

[1] JGJ 16—2008, 民用建筑电气设计规范[S].

[2] WH/T 40—2011, 舞台灯光系统工艺设计导则[S].

[3] 胡雁.浅谈大型剧院舞台灯光设计[J].科学与财富，2013（3） ：71.

[4] 曹月东.罗斐.杜克俭, 等.舞台灯光系统中性线截面积选择的分析[J].演艺科技，2016（11）：5-7.