舞台灯光系统中性线截面积选择的分析

曹月东+罗斐+杜克俭+龚奎成

【摘 要】 介绍不同的标准对于调光系统配电回路中性线截面选择规定的差异，对于三相四线配电系统中中性线的截面选择进行理论分析，对于调光系统中性线的选择给出建议。

【关键词】 舞台灯光系统；晶闸管；调光；标准；中性线；三相四线配电；谐波

文章编号： 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

目前剧场及电视演播室中仍大量采用白炽（卤钨）光源灯具，晶闸管调光装置也被广泛使用，在采用三相四线配电时，中性线（N线）截面的计算和选择是需重点关注的问题；尤其是共存的多个标准中对其要求不尽相同的情况下，这个研究非常有意义。本文从晶闸管调光原理、中性线相关选择标准以及理论分析等方面，对中性线的选择给出分析和建议。

2 晶闸管灯光工作原理

晶闸管调光器（又被称为可控硅调光器）是目前舞台上的主流调光器。晶闸管调光器实质上就是一个单相的相位控制交流调压器。工作过程中会产生大量的谐波，并有较为严重的三相不平衡出现，对外界的影响主要为谐波干扰。

在正弦交流电压过零后的某一时刻t1（或某一相位角ωt1），在晶闸管的门极上加一触发脉冲，使晶闸管导通，这一导通将维持到正弦波正半周结束。因此，在正弦波的正半周（即0?P区间）中，0?ωt1范围可控硅不导通，这一范围称为控制角，常用α表示；而在ωt1?P间可控硅导通，这一范围称为导通角，常用φ表示。

同理，在正弦交流电压的负半周，对处于反向联接的另一个晶闸管（对两个单向晶闸管反并联而言）在t2时刻（即相位角ωt2）施加触发脉冲，使其导通。如此周而复始，对正弦波的每一半周期控制其导通，获得相同的导通角。如改变触发脉冲的施加时间（或相位），即改变了导通角φ或控制角α的大小。导通角越大调光器输出的电压越高，灯就越亮。从上述晶闸管调光原理可知，调光器输出的电压波形已经不再是正弦波（见图1）。

3 中性线选择的相关标准

关于晶闸管调光系统三相四线电源线路中性线截面选择问题，在不同的标准中均有规定，但要求差异很大：

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

● GY 5045-2006《电视演播室灯光系统设计规范》（简称GY 5045-2006）中第4.6.1条中规定：变电所灯光专用配电柜至调光器室低压配电柜的电缆，应采用阻燃铜芯五芯电力电缆，相线和零线为等截面。

● 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：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。

● GB/T 16895.6-2014《低压电气装置 第5-52部分：电气设备的选择和安装 布线系统》附录E“三相平衡系统中的谐波电流效应”（简称GB/T 16895.6-2014附录E）的规定中，给出了关于三次谐波电流在四芯和五芯电缆中的换算降低系数（见表1），要求根据换算后的相线电流或中性线电流两者中的大值，作为选择四芯（等截面）电缆的依据。

● 在选择电缆截面时，电缆的容许载流量还必须满足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）；

另外，在实际工作中，一些国外的设计公司提出对调光系统电源线路中性导体截面要按3倍相线截面选择。

本次研究在充分研究相关标准及规范的基础上，给出了中性线选择的合理建议。

4 对中性线截面选择的建议

（1）如果认同IEC60364国际电工委员TC64主席Roiand Talon在《电气装置应用（设计）指南》一书中给出的曲线（见图2），即调光功率为全功率的一半（50%）时，三次谐波电流为计算电流（全电流）的45%。

这时电源线路的中性线电流IN为三相的三次谐波在中性线上的叠加，是计算电流（IB）的1.35倍（1.35=0.45×3，相位差为120°的三相基波电流的三次谐波相序相同，即三相的三次谐波电流在中性线中为零序叠加）。按附录E规定（见表1），应当以IN=1.35IB选择四芯等截面电缆。

（2）对GB 50054-2011中6.3.3条IB≤In≤IZ线路保护配合关系式予以适当赋值后，用来作为直接选择电源线路截面为上策。

如果在工程设计中按照GB 50054-2011中IB≤In≤IZ的规定，取In=1.2IB，IZ=1.2In时，那么就同时满足了：

● GB 50054-2011中导线过载保护的配合IB≤In≤IZ的规定；

● GY 5045-2006中第4.6.1条中“相线和零线为等截面”的规定；

● GB/T 16895.6-2014附录E的“三相平衡系统中的谐波电流效应”换算系数表按中性线电流选择四芯等截面电缆规定。

（3）如果认同JGJ 16-2008中10.9.10条文说明中给出的三相四线调光系统中性线最大电流INMAX=1.23IB的测算数据是可靠的，在工程设计中如果取In=1.2IB IZ=1.2In或IZ=1.44IB>1.43IB时（式中1.43=1.23/0.86），那么，就同时满足了GB 50054-2011中IB≤In≤IZ规定的电源线路与其保护开关的配合要求，以及GY 5045-2006中4.6.1条“相线和零线为等截面”的规定和其附录C的电流换算规定。

（4）以上讨论为三相平衡时的情况，实际应用中经常存在三相不平衡的情况，此时中性线中的电流计算较为复杂，应为三相基波电流相量和与三次谐波电流共同作用的结果。此处以三相不平衡的较劣情况即缺一相供电的情况，此时中性线的基波电流应为两相基波电流的相量和，当两相电流数值相等时，中线电流数值与相电流相同。则中性线电流为相电流中的基波电流和三次谐波电流共同作用的结果。根据《电气装置应用（设计）指南》中“调光功率为全功率的一半（50%）时，三次谐波电流为计算电流（全电流）的45%”和GB/T 16895.6-2014附录E表1三相平衡时降低系数为0.86。当三相不平衡时，GB/T 16895.6-2014附录E中规定“如果相间不平衡达到50%，可能使用更低的降低系数”。此处笔者采用了更低的0.7作为降低系数，则中性线电流INMAX=1.51IB，（式中，为简化计算，基波电流按照全波电流的55%取值），那么工程设计中取In=1.23IB，IZ=1.23In或IZ=1.51IB，即能满足要求。

5 结论

（1）在工程设计中，取IZ=1.51IB，选电源线路（四芯等截面电缆）是安全的，满足GB/T 16895.6-2014和GY 5045-2006的要求。

（2）如果相线截面积依据IB≤In选择，中性线截面积依据INMAX=1.51IB选择为相线截面积的2倍也是安全的，满足WH/T 40-2011和JGJ 16-2008的要求。

作者简介：

曹月东，博士，自动控制专业，高级工程师，万达文化旅游规划研究院剧场设备所副所长，主要从事秀场和剧场等演出设备系统的设计管理工作，参与万达汉秀、傣秀、南昌万达城室内外剧场和大湖秀等。

罗斐，中国传媒大学毕业，研究生，工程师，供职于万达文化旅游规划研究院剧场设备所，主要从事秀场、剧院、主题乐园等业态的音视频系统的设计管理工作。参与国家大剧院、国家会议中心、福建大剧院、万达青岛东方影都等项目。

杜克俭，研究员级高级工程师。原中元国际工程设计研究院电气专业总工程师、中国电工技术委员会电热专业委员会委员、全国电气工程标准化协会电热专业委员会委员、全国工程建设标准化委员会强电专家委员会委员。参与多项电气工程设计标准和行业标准的编写及审查工作。

龚奎成，万达文化旅游规划研究院首席设备师，高级工程师，主要从事剧场设备、游乐设备、电影设备等的技术管控工作。中国演艺设备技术协会演出场馆设备专业委员会常务委员，《演艺科技》编委，中国照明学会舞台电影电视照明专业委员会委员，文化部专家库专家。

作者简介：

曹月东，博士，自动控制专业，高级工程师，万达文化旅游规划研究院剧场设备所副所长，主要从事秀场和剧场等演出设备系统的设计管理工作，参与万达汉秀、傣秀、南昌万达城室内外剧场和大湖秀等。

罗斐，中国传媒大学毕业，研究生，工程师，供职于万达文化旅游规划研究院剧场设备所，主要从事秀场、剧院、主题乐园等业态的音视频系统的设计管理工作。参与国家大剧院、国家会议中心、福建大剧院、万达青岛东方影都等项目。

杜克俭，研究员级高级工程师。原中元国际工程设计研究院电气专业总工程师、中国电工技术委员会电热专业委员会委员、全国电气工程标准化协会电热专业委员会委员、全国工程建设标准化委员会强电专家委员会委员。参与多项电气工程设计标准和行业标准的编写及审查工作。

龚奎成，万达文化旅游规划研究院首席设备师，高级工程师，主要从事剧场设备、游乐设备、电影设备等的技术管控工作。中国演艺设备技术协会演出场馆设备专业委员会常务委员，《演艺科技》编委，中国照明学会舞台电影电视照明专业委员会委员，文化部专家库专家。

（编辑 张冠华）