大剧院电气设计实例介绍与分析 PDF 论文下载

0 引言

　　剧院电气设计涉及较多的舞台工艺，具有一定的特殊性、复杂性和多样性。笔者参与或主持了重庆大剧院、天津大剧院和宜兴大剧院(如图1所示)的电气设计。下面借此三个剧院的设计实例，做些系统性的介绍和分析比较，抛砖引玉。

1 工程实例介绍(如表1~4所示)

2 比较与分析

　　2.1建筑等级和负荷供电以上设计按照JGJ57-2000《剧院建筑设计规范》第1.0.4和1.0.5条(2017年3月1日以后设计的剧院应按照JGJ57-2016新版规范考量)，按照剧院座位数和建筑等级区分：重庆大剧院为特大型甲等剧场;天津大剧院为大型甲等剧场;宜兴大剧院为中型甲等剧场。项目供电必须结合当地市政供电情况考虑，比如重庆10kV、天津35kV、宜兴20kV供电。因三个项目均属于一级负荷，且有一级负荷中特别重要的负荷，故均设柴油发电机作为第三路电源。

　　一级负荷中特别重要的负荷增设UPS，持续供电时间不低于1h。

　　2.2负荷分析重庆大剧院因为利用了江水源热泵和冰蓄冷技术，故无冷冻机房;天津大剧院处在天津文化中心园区内，由园区能源中心集中供冷热，故其亦无冷冻机房;宜兴大剧院没有市政或新能源供暖，自设冷冻机房。若考虑电制冷功耗，根据经验单位耗电量在40~50VA/m2，则三个剧院的单位建筑面积用电指标在110~200VA/m2。为何三个剧院指标相差较大，本文将在后面做一简要分析。

　　2.3火灾自动报警系统三个剧院均为一级保护要求，均采用集中报警系统。其公共空间、剧院观众厅和舞台内部空间高度均超过12m，空间结构层次复杂或分布诸多舞台设备，为防止误报警并尽早发现火灾隐患，故采用极早期火灾自动报警系统作为大空间智能火灾报警。比如双波段和光截面图像火灾探测器在与消防水炮灭火系统联动情况下，比较适合公共空间、观众厅和音乐厅这样的高大空间，既避免盲区死角又能较早期发现火灾隐患，可定向瞄准着火点主动灭火，并控制喷水事故面。对于舞台区域，其高度在20~30m，并不适合传统的感烟/温火灾探测器;舞台上方为安装灯光和吊杆设备等设有多层栅架，容易遮挡，也不适合红外探测器;双波段、光截面图像类火灾探测器分布时必须考虑避开栅架，布置有难度。而吸气型空气采样探测器可通过对空气中烟雾的含量进行分析来判断火灾隐患，并联动舞台专用的雨淋和防火幕设备进行消防灭火，在剧院应用有其优势。需要注意的是，在舞台剧演出中若包含烟火类表演，在演出时空气采样报警系统需暂时关闭，避免误报影响演出。

　　2.4电能质量管理控制近几年变频设备、电子设备、整流设备和LED等设备的大量运用给电网带来了巨大的谐波污染。在剧院电气中，这一情况尤为突出。大量的舞台灯光采用可控硅调光，舞台机械采用变频控制，此类非线性设备大量运用，在一场演出中，谐波电流的大肆泛滥(特别是大量单相的舞台灯光整流调光造成的3次及3的倍数次谐波在中性线上叠加)容易引起线路电缆过热绝缘老化、零序保护误动跳闸;对调光设备、电视转播、电声、舞台工控设备和通信系统等重要电子设备形成电磁干扰无法正常运行;对电网来说，谐波电流易与补偿电容器发生并联或串联谐振，损坏电容、电抗组件;增大设备及线路损耗，降低使用效率;并使继电保护和自动装置出现误动作，仪表和电能计量出现较大误差等一系列电能质量问题。故针对舞台灯光和舞台机械等集中大容量用电设备，就地设置集中的滤波设备———有源滤波器。我们可计算谐波电流的大小进行有源滤波器设计。但实际谐波畸变率需实地检测，最终合适的有源滤波器的安装容量需按照实测值进行调整。按照笔者的经验，舞台工艺相关的有源滤波器的补偿电流宜按照舞台设备最大同时运行电流的15%~30%考虑，并在舞台工艺投入运行后根据实测谐波电流进行调整，以确保安装了有源滤波器后，电压总谐波畸变率控制在5%以内。

　　2.5三大剧院定位、工艺负荷和系统设计首先，舞台工艺(包含灯光、机械、电声等)均由舞台工艺相关的专项设计方提供其负荷容量和使用参数情况。而设计方在对其舞台工艺供配电设计时，必须结合工艺电气资料和业主对舞台演出的定位要求进行设计。

　　按照建设方对重庆大剧院的定位，其技术含量、技术标准等同于国家大剧院，建筑规模和投资规模仅次于国家大剧院，其内部大、中型剧场各设有一套配置非常完备的演出灯光和全机械化舞台系统，可同时进行高规格的两场舞台剧演出，且需确保演出不受市政断电影响。为达到上述目标，大剧场和中剧场单独设置变压器，相互之间不交叉供电，舞台灯光、机械等相关工艺都采用柴油发电机作为第三路电源。大剧场舞台灯光(1078+580)kW，舞台机械(1328+840)kW，根据可靠性要求，采用两路市电在变电所自动切换，并设柴油发电机作为第三路电源，为减小大负荷市电切换的冲击电流对电网及变压器的影响，设4×2000kVA变压器为大剧场供电(一组为舞台灯光供电，另一组为舞台机械供电)。同理，中剧场舞台灯光(638+455)kW，舞台机械(733+603)kW，另设4×1600kVA变压器为中剧场供电，柴油发电机作为第三路电源。

　　天津大剧院的大剧场定位为综艺剧院，可演出大型舞台剧、话剧、歌舞剧等，其演出灯光和舞台机械化程度较高(但略次于重庆大剧院的大剧场);音乐厅定位主要为音乐会、演奏会，多功能厅定位为话剧或排练厅，这两个演出场所的灯光和机械化要求均较低，整个剧院要求能够在一路市电失电情况下照常演出，故舞台灯光和机械等均采用两路市电自切供电。大剧院舞台灯光(900+350)kW，舞台机械(379+793)kW;音乐厅舞台灯光120kW，舞台机械(35+70)kW;多功能厅舞台灯光300kW，舞台机械(70+100)kW，因音乐厅和多功能厅工艺电量较小，故以上工艺的两路供电分布在2×2500kVA变压器组中，电声等电子设备和非工艺用电在另一组2×2000kVA变压器组中(减小工艺负荷的谐波电流对电子设备的干扰)，所有工艺负荷就地进行双电源自切。

　　宜兴大剧院作为地方性综合剧院，其大剧院和音乐厅定位略次于天津大剧院。大剧院舞台灯光1000kW，舞台机械321kVA;音乐厅舞台灯光150kW，舞台机械51kVA。因舞台灯光工艺设计方曾表明大剧院所采用的大量电脑灯在快速自切情况下易发生故障，故大剧院舞台灯光采用两路市电分段供电，中间设置手动母联，一旦一路市电发生故障或失电，可手动合上母联确保演出继续进行。以上工艺供电分布在2×2000kVA变压器组中，电声等电子设备和非工艺用电在另一组2×2000kVA变压器组中(减小工艺负荷的谐波电流对电子设备的干扰)，除大剧院舞台灯光以外其它工艺负荷就地进行双电源自切。

　　2.6工艺供电系统设计简要分析以上三大剧院，通过考虑其负荷的重要性定位，一方面可以确定采用两路市电供电或增设第三路柴油发电机电源，另一方面针对其变压器的容量大小(大容量工艺负荷占变压器的负载率高低)和对负荷断电时间要求可确定工艺负荷是双电源自切或母联手动切换。自切开关的选择缩短了断电时间，但对变压器易产生冲击，需考虑其工艺负荷占变压器的负载率高低;手动母联牺牲了断电时间，但减轻了对变压器冲击影响，也可确保电脑灯具等不受冲击影响。

　　重庆大剧院定位最高，天津大剧院和宜兴大剧院次之。故单位建筑面积用电指标重庆居首，其一部分原因在于重庆大剧院的舞台工艺标准高于天津和宜兴，工艺提资中舞台灯光和舞台机械负荷极大，故从不同变压器组供电;且重庆的中剧场舞台工艺负荷可以与天津和宜兴的大剧场相当，远大于音乐厅少量的舞台负荷，故变压器总装机容量差异较大。且重庆大中剧场为确保同时演出互不干扰，各自采用专用变压器组分开供电，天津和宜兴的大剧院和音乐厅共用变压器组，这一比较也对变压器装机容量和负载率提出了较高的要求。另一方面，大量的舞台灯光双电源切换产生的冲击负荷，需要较大容量的变压器组进行缓冲。综上所述，重庆大剧院的单位建筑面积用电指标远高于天津和宜兴。

3 结语

　　以上三个剧院设计实例，为中国高速发展的演艺建筑群中的零星代表，笔者希望通过此文抛砖引玉，与众多电气设计师分享并共同思考。