舞臺燈光系統中性線截面積選擇的分析

曹月東+羅斐+杜克儉+龔奎成

【摘 要】 介紹不同的標準對于調光系統配電回路中性線截面選擇規定的差異，對于三相四線配電系統中中性線的截面選擇進行理論分析，對于調光系統中性線的選擇給出建議。

【關鍵詞】 舞臺燈光系統；晶閘管；調光；標準；中性線；三相四線配電；諧波

文章編號： 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

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

2 晶閘管燈光工作原理

晶閘管調光器（又被稱為可控硅調光器）是目前舞臺上的主流調光器。晶閘管調光器實質上就是一個單相的相位控制交流調壓器。工作過程中會產生大量的諧波，并有較為嚴重的三相不平衡出現，對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刻t1（或某一相位角ωt1），在晶閘管的門極上加一觸發脈沖，使晶閘管導通，這一導通將維持到正弦波正半周結束。因此，在正弦波的正半周（即0?P區間）中，0?ωt1范圍可控硅不導通，這一范圍稱為控制角，常用α表示；而在ωt1?P間可控硅導通，這一范圍稱為導通角，常用φ表示。

同理，在正弦交流電壓的負半周，對處于反向聯接的另一個晶閘管（對兩個單向晶閘管反并聯而言）在t2時刻（即相位角ωt2）施加觸發脈沖，使其導通。如此周而復始，對正弦波的每一半周期控制其導通，獲得相同的導通角。如改變觸發脈沖的施加時間（或相位），即改變了導通角φ或控制角α的大小。導通角越大調光器輸出的電壓越高，燈就越亮。從上述晶閘管調光原理可知，調光器輸出的電壓波形已經不再是正弦波（見圖1）。

3 中性線選擇的相關標準

關于晶閘管調光系統三相四線電源線路中性線截面選擇問題，在不同的標準中均有規定，但要求差異很大：

● WH/T 40-2011《舞臺燈光系統工藝設計導則》（簡稱WH/T 40-2011）中，5.6.4規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設計規范》（簡稱GY 5045-2006）中第4.6.1條中規定：變電所燈光專用配電柜至調光器室低壓配電柜的電纜，應采用阻燃銅芯五芯電力電纜，相線和零線為等截面。

● JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規范》（簡稱JGJ 16-2008）第9.6.3條第2款要求：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。

● GB/T 16895.6-2014《低壓電氣裝置 第5-52部分：電氣設備的選擇和安裝 布線系統》附錄E“三相平衡系統中的諧波電流效應”（簡稱GB/T 16895.6-2014附錄E）的規定中，給出了關于三次諧波電流在四芯和五芯電纜中的換算降低系數（見表1），要求根據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。

● 在選擇電纜截面時，電纜的容許載流量還必須滿足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）；

另外，在實際工作中，一些國外的設計公司提出對調光系統電源線路中性導體截面要按3倍相線截面選擇。

本次研究在充分研究相關標準及規范的基礎上，給出了中性線選擇的合理建議。

4 對中性線截面選擇的建議

（1）如果認同IEC60364國際電工委員TC64主席Roiand Talon在《電氣裝置應用（設計）指南》一書中給出的曲線（見圖2），即調光功率為全功率的一半（50%）時，三次諧波電流為計算電流（全電流）的45%。

這時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規定（見表1），應當以IN=1.35IB選擇四芯等截面電纜。

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

如果在工程設計中按照GB 50054-2011中IB≤In≤IZ的規定，取In=1.2IB，IZ=1.2In時，那么就同時滿足了：

● GB 50054-2011中導線過載保護的配合IB≤In≤IZ的規定；

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

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

（3）如果認同JGJ 16-2008中10.9.10條文說明中給出的三相四線調光系統中性線最大電流INMAX=1.23IB的測算數據是可靠的，在工程設計中如果取In=1.2IB IZ=1.2In或IZ=1.44IB>1.43IB時（式中1.43=1.23/0.86），那么，就同時滿足了GB 50054-2011中IB≤In≤IZ規定的電源線路與其保護開關的配合要求，以及GY 5045-2006中4.6.1條“相線和零線為等截面”的規定和其附錄C的電流換算規定。

（4）以上討論為三相平衡時的情況，實際應用中經常存在三相不平衡的情況，此時中性線中的電流計算較為復雜，應為三相基波電流相量和與三次諧波電流共同作用的結果。此處以三相不平衡的較劣情況即缺一相供電的情況，此時中性線的基波電流應為兩相基波電流的相量和，當兩相電流數值相等時，中線電流數值與相電流相同。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果。根據《電氣裝置應用（設計）指南》中“調光功率為全功率的一半（50%）時，三次諧波電流為計算電流（全電流）的45%”和GB/T 16895.6-2014附錄E表1三相平衡時降低系數為0.86。當三相不平衡時，GB/T 16895.6-2014附錄E中規定“如果相間不平衡達到50%，可能使用更低的降低系數”。此處筆者采用了更低的0.7作為降低系數，則中性線電流INMAX=1.51IB，（式中，為簡化計算，基波電流按照全波電流的55%取值），那么工程設計中取In=1.23IB，IZ=1.23In或IZ=1.51IB，即能滿足要求。

5 結論

（1）在工程設計中，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IB≤In選擇，中性線截面積依據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。

作者簡介：

曹月東，博士，自動控制專業，高級工程師，萬達文化旅游規劃研究院劇場設備所副所長，主要從事秀場和劇場等演出設備系統的設計管理工作，參與萬達漢秀、傣秀、南昌萬達城室內外劇場和大湖秀等。

羅斐，中國傳媒大學畢業，研究生，工程師，供職于萬達文化旅游規劃研究院劇場設備所，主要從事秀場、劇院、主題樂園等業態的音視頻系統的設計管理工作。參與國家大劇院、國家會議中心、福建大劇院、萬達青島東方影都等項目。

杜克儉，研究員級高級工程師。原中元國際工程設計研究院電氣專業總工程師、中國電工技術委員會電熱專業委員會委員、全國電氣工程標準化協會電熱專業委員會委員、全國工程建設標準化委員會強電專家委員會委員。參與多項電氣工程設計標準和行業標準的編寫及審查工作。

龔奎成，萬達文化旅游規劃研究院首席設備師，高級工程師，主要從事劇場設備、游樂設備、電影設備等的技術管控工作。中國演藝設備技術協會演出場館設備專業委員會常務委員，《演藝科技》編委，中國照明學會舞臺電影電視照明專業委員會委員，文化部專家庫專家。

作者簡介：

曹月東，博士，自動控制專業，高級工程師，萬達文化旅游規劃研究院劇場設備所副所長，主要從事秀場和劇場等演出設備系統的設計管理工作，參與萬達漢秀、傣秀、南昌萬達城室內外劇場和大湖秀等。

羅斐，中國傳媒大學畢業，研究生，工程師，供職于萬達文化旅游規劃研究院劇場設備所，主要從事秀場、劇院、主題樂園等業態的音視頻系統的設計管理工作。參與國家大劇院、國家會議中心、福建大劇院、萬達青島東方影都等項目。

杜克儉，研究員級高級工程師。原中元國際工程設計研究院電氣專業總工程師、中國電工技術委員會電熱專業委員會委員、全國電氣工程標準化協會電熱專業委員會委員、全國工程建設標準化委員會強電專家委員會委員。參與多項電氣工程設計標準和行業標準的編寫及審查工作。

龔奎成，萬達文化旅游規劃研究院首席設備師，高級工程師，主要從事劇場設備、游樂設備、電影設備等的技術管控工作。中國演藝設備技術協會演出場館設備專業委員會常務委員，《演藝科技》編委，中國照明學會舞臺電影電視照明專業委員會委員，文化部專家庫專家。

（編輯 張冠華）