浅谈大型山体灯光秀的电气设计

2022-12-02卢加新

现代建筑电气 2022年6期

卢加新

(良业科技集团股份有限公司, 北京 101500)

0 引言

山体灯光秀涉及11座山体及3.5 km江岸,山体最高海拔500 m,总覆盖山体约950万m2,观众在游船上及江对岸观看表演。运用投光灯、点光源、激光灯、光束灯及音响等主要表现设备;投光灯勾勒出各山体的山脊线,主山山沟区域由山脚至山顶的18块大型点光源阵幕(点光源间距1 m,幕最宽410 m,高72 m)组成光瀑布,按照光瀑布的形状设计动画,并在幕的两侧与动画配合通过灯光投出背景色,将山体轮廓融入到动画中。项目安装点光源16万余颗,大功率投光灯14 000余套,大功率光束灯140余套,大功率激光灯30余套,除激光灯外均采用LED光源。

为完成如此大规模的山体灯光秀电气设计,必须确保电气设计的严谨性,依据国家相关标准,同时更要符合复杂的山体地形条件,选择适合的系统形式,把可能出现的安全隐患充分考虑在内,再通过经济性比较,做出最适合项目自身情况的最优方案。

1 配电系统设计

1.1 负荷等级

根据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》规定,并结合项目经济性考虑,确定按三级负荷设计。

1.2 供电变压器的设置

供电变压器的设置:原则是靠近负荷中心。灯具分布图如图1所示。

由图1可以看出,光瀑布处负荷较为集中,山体及光束阵区域负荷较为分散。经负荷计算,光瀑布区域设置(2×400+2×630)kVA箱变,其中山脚及山顶处各1台,半山腰处2台;3.5 km江岸共设置2台200 kVA箱变;其他山体区域,初步设计时有两套方案,方案一:变压器分散在各山头设置,低压就近供电;方案二:变压器相对集中设置,AC 400 V长距离供电,最远供电点在1 000 m以内。经过分析,大量负荷都集中在山体A5、A6、A7、A11区域,其余区域较分散,通过与当地供电部门人员一起进行大量的实地勘察,发现现场悬崖峭壁较多,坡度大,搬运箱变上山难度特别大,在测算过经济指标后,最终选择了方案二,在A5、A6、A7区域单独设置箱变(2台630 kVA+1台400 kVA负责A5,A6区域,2台315 kVA负责A7区域),在A4区域集中设置2台500 kVA箱变负责为A1、A2、A3、A4供电,在A8区域集中设置2台800 kVA箱变负责为A8、A9、A10、A11区域供电。

1.3 配电支路设计

配电系统采用TN-S接地型式,山体地形由于植被茂密相比一般环境湿度,灯光秀设备均处于潮湿环境中,运行时间久了,更容易发生非金属接地故障,此时接地电阻达到200 kΩ,甚至更高[1]。为保证此时能可靠地运行,配电断路器除了应配置过电流脱扣器外,还需要配置RCD脱扣器,从而构成过电流保护+RCD剩余电流保护双重保护措施。RCD应选用A型或B型电磁式,当电缆长度不大于1 000 m时,RCD 整定动作电流为100 mA,动作时间0.1 s[1]。

光瀑布区域的点光源安装在钢索网上,间距为上、下、左、右均1 m,光源类型为LED,工作电压DC 24 V,因其工作电压低,压降大,相对AC 220 V供电距离大大缩短。根据JGJ/T 163—2008《城市夜景照明设计规范》中的要求,对于线路末端灯具端电压,应该控制在额定电压的90%以上,DC 24 V需根据负荷距计算电压降。以最不利的高度72 m光幕为例,灯间距为1 m,即一列有72颗点光源,按一台开关电源给2列灯供电的方式,采取“分负荷,分两段,中间接”的方法尽量降低电压降,经实测满足电压降要求。点光源接线图如图2所示。

1.4 线缆敷设与线缆选型

山体区别于一般的安装条件,具有地形复杂、起伏不定、悬崖峭壁、无法开挖等特点,给线缆敷设增加很多难度。尤其是碰到山沟区域,线缆如果沿着山沟走势埋地敷设,会大大增加电缆长度,并且影响工程造价、工期。经过现场试验,决定采取钢索配线方式。在山沟两侧安装支架,利用钢绞线连通两端,电缆沿钢绞线敷设。采用钢铰线作为钢索,其截面积应根据实际跨距、荷重及机械强度选择,最小截面不小于10 mm2,且不得有背扣、松股、断股、抽筋等现象[2]。如采用镀锌圆钢作为钢索,其直径不应小于10 mm。本工程采用120 mm2钢绞线,经结构受力计算,符合规范要求。

山体中有很多裸露的坚硬石头区域,此类区域无法开挖敷设管线,又非山沟区域,不能采取钢索配线方式,因此采用架空线槽及水泥包封的方式将线缆埋于地下。同时山中有很多野生动物,为防止咬坏线缆并且出于保护动物的角度考虑,除埋地、穿钢管、线槽内敷设的线缆外,均用防鼠咬管缠绕。

在电缆选型方面,大多数线路敷设埋于地下,并且在投光灯灯杆下部有线路接头,因此线路自身存在着一定的自然剩余电流。为了降低线路剩余电流,建议选用剩余电流较小的YJY-0.6/1 kV型电力电缆[3]。

2 防雷接地系统的设计

2.1 投光灯区域

安装投光灯的每根灯杆采用金属材质,灯杆顶部横担上设置接闪杆,要求高于灯具并且能保护到横档上的灯具。灯杆下部基础螺栓与接地扁铁连通,接地扁铁沿电缆沟连通,每5根灯杆设置1个接地极,接地极采用长2.5 m的L50×50×4热镀锌角钢埋入地下。

2.2 光瀑布区域

光瀑布采用的安装网即为钢索网,利用钢索网作为接闪器,地面上的拉紧构件与接地极做好联通,实测接地电阻小于4 Ω,满足规范要求。考虑到光瀑布是整个山体秀的重点、亮点,需加强防雷措施。经综合考量,按图集15D501《建筑物防雷设施安装》中的做法架设接闪杆塔,分别在山体A5、A6、 A11区域处各架设25 m,35 m,40 m高的接闪杆塔共3座。

2.3 重复接地与剩余电流保护

对于山体秀的TN-S接地系统,普遍供电回路线路较长,采取PE线重复接地做法。供电回路的PE线首末端均必须接地,中间每隔30 m至50 m,PE线重复接地一次。要求首末端重复接地的好处是任何一处的接地连(PE线)故障断开还能保证每个灯具的良好接地。在供电回路前端加装剩余电流动作断路器,当灯具剩余电流发生时,灯具的可靠接地能够避免人身伤害,同时剩余电流保护开关迅速切断电源,保护人身安全。所以,良好的接地和剩余电流保护是山体秀必不可少的安全措施[4]。

3 控制系统的设计

山体秀的控制分为强电控制及弱电控制。强电控制即利用智能控制模块等设备实现回路的通、断;弱电控制大多利用DMX512技术实现灯具的色彩变化,从而呈现出各种各样的动画效果。

3.1 强电控制系统

按不同用途的回路进行分组,以实现不同时段不同回路的控制要求。通过采用光控、时控和远程智能控制方式,并具备手动控制功能,同时根据使用情况设置平日、节假日、重大节日等不同的开灯控制模式。

3.2 弱电控制系统

投光灯及光瀑布为标准DMX512协议,每个山头设置1台主控器,以150 m半径设置分控器。分控器至首灯超过80 m时,为防止信号传输衰减,需在首灯前加装信号放大器。选用线缆也与常规亮化不同,常规亮化工程多使用超五类网线,缺点是线芯细、硬,信号衰减大、容易折断,山体则选用RVVPS线,线芯粗,电阻小,有利于信号传输的更远,同时护套厚、线芯软,有利于在复杂的地形敷设。

3.3 总控平台的设计

总体控制平台系统以智能、可靠、安全为设计原则,采取总控、区域主控、现场分控三级架构,以实现远程、现场均可方便控制。总控室设有2间,在山脚下就近设有1间,为实施过程中调试方便使用;另外在江对岸设有1间,力求与观众同一角度观看表演,调试出最佳效果。两总控室均就近接入电信运营商专网,通过VPN组网,从而实现两地均可控制。

3.4 光瀑布片源安全性的保障措施

光瀑布面积大,可成像,特别的需要考虑到片源安全问题。为防止黑客入侵等危险行为,首先在接入互联网处设置高级别防火墙;其次把项目设备均组成一个封闭的局域网,不允许其他IP地址的设备进入;再次,项目初期即确定,片源绝不允许远程上传,均采用专人用U盘传输,片源的更换不会特别频繁,此方案是可行的。通过以上措施,可基本做到片源的安全性处于可控范围。