探讨大功率LED在Ⅵ级体育场馆场地照明中的应用

李晓彬

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

现行的行业标准JGJ 153-2016《体育场馆照明设计及检测标准》(以下简称“《照明检测标准》”)已于2016年底发布，并于今年6月正式实施，较07版，其中的一个重要修订内容是补充了LED应用的技术参数和要求，为LED在体育场馆照明中的应用提供了设计参考依据。自规范实施以来，笔者陆续接触了若干HDTV转播重大赛事的Ⅵ级体育场馆照明设计，且无一例外均选用大功率LED作为场地照明。因此本文从规范条文入手，结合LED灯的自身特性，通过总结提出个人认为较为合理的应用大功率LED的场地照明配电方案，以期对日后工程设计有一定的借鉴作用。

1 体育场馆场地照明标准值中的新指标R9

《照明检测标准》对几乎所有室内、外场地照明标准值均有规定，凡是照明等级为Ⅵ级的体育场馆，当采用LED作为场地照明光源时，LED必须满足特殊显色指数R9>20的规定。

众所周知，特殊显色指数是CIE选定的第 9～15种标准颜色样品的显色指数，而R9是这7个样品之一的饱和红色的显色指数，其余6种颜色分别为饱和黄色、饱和绿色、饱和蓝色、白种人皮肤色、叶绿色、亚洲人皮肤色，统一用符号Ri表示。那么为什么选用LED就必须满足特殊显色指数的要求？为什么选择了其中之一的R9?为什么要求Ⅵ级体育场馆照明应用LED时R9>20?下面笔者将一一解释。

首先，在以往相关的照明规范中只有对一般显色指数Ra的规定，而随着LED应用的广泛普及，越来越多的研究发现，单纯用Ra来评价LED照明的显色性存在明显的局限性，其问题之一便是有些LED光源对饱和色显色性非常差，而Ra值却很高，这主要是因LED自身光谱不连续，且Ra对高饱和度颜色描述存在偏差等原因造成的。

即使用显色指数(CRI)的定义来评价LED也是存在缺陷的，因为CRI的算法是简单地将所有色样的色差进行算术平均。即使LED对某个饱和色显色性很差，也会被其他颜色样品平均，指数也会很高。因此，无论Ra还是CRI都不太适合作为LED照明显色指数的评价值，只有在Ra的基础上加入对特殊显色指数的要求，才能对LED的显色性有完整准确的评价。

其次，选择特殊显色指数R9是因为通过人们的主观评价以及相关实验表明，R9对人皮肤的显色性有比较明显的影响，R9值越高，肤色显得就越自然，而R9取值20左右的位置是对皮肤色表显色性做出积极和消极评价的临界值。另外，在针对LED光源的测评中发现，一般显色指数Ra值为80和90的两组灯，其视觉差异较小；而同样是Ra值为90左右的两个LED光源，若其中之一R9<20，则会被评价为显色性较差。由此可见，特殊显色指数R9是评价LED显色性的重要指标之一，在HDTV转播的Ⅵ级体育场馆照明中应用LED，除了满足Ra的标准值，R9>20甚至是更为重要的评价标准。

2 Ⅵ级体育场馆照明中的另一个新指标频闪比

《照明检测标准》4.4.4条规定：HDTV转播重大比赛有超高速摄像要求时，摄像机方向的垂直照度不应低于1 800lx，场地照明的频闪比不宜大于6%。这其中，频闪比这个概念之前规范中并没有规定。从定义来看是在某一频率下，灯具输出光通量的最大值与最小值之差比最大值与最小值之和的百分数，而实际上，频闪比就是频闪效应的评价值。在2007版《照明检测标准》中仅是通过某项改善频闪效应措施的条款在条文说明里提到了频闪效应这个概念，其还有一个评价指标叫频闪指数，二者的表达涵义如图1所示。

图1 评价频闪效应的指标定义图

随着电视转播技术的发展，频闪效应对体育照明的影响凸显，尤其当HDTV转播重大体育赛事采用超高速摄像机时，如田径终点线或其他需要的场所，转播需要将高速摄像机录下的镜头通过慢镜头或超慢镜头回放，在这个过程中极易产生画面抖动的现象，这就表明场地照明灯产生了频闪，通过超高速摄像机记录下来的同时传递到转播画面。当频闪比达到某个量值时就会让人无法忍受，频闪比大小对人视觉的影响可参见表1。

表1 频闪比大小对人视觉的影响

传统气体放电灯广泛应用于体育场馆场地照明，但其自身的特点决定了它的频闪较严重，最主要的原因就是其供电电源为50Hz交流电，交流电以正弦波的形式在波峰和波谷之间来回波动就产生了频闪，某品牌金卤灯和LED灯的频闪测量值可参见表2。

表2 某品牌金卤灯和LED灯的频闪测量值

通过对比可以发现，LED确实在频闪方面比气体放电灯更有优势，因此若想改善气体放电灯频闪效应带来的影响，在设计时需采用一些特殊处理，比如规范中提出的“同一照明区域的灯具分相序接线”等方法，而这样做无疑增加了施工的难度和布灯的局限性，所以规范认为当HDTV转播重大比赛有超高速摄像要求时，选用由高质量直流系统供电的LED作为场地照明无疑是更合适的。

虽然相较而言LED在控制频闪方面做得更好，通过实测在国内外若干采用LED的体育场馆均满足要求，比如英超阿森纳俱乐部的主场酋长体育场，LED的实测频闪比<0.5%；国内CBA新疆广汇俱乐部的主场红山体育馆，LED的实测频闪比也<1%。但这些并不能说明LED不会产生频闪，相反表2中重度频闪的LED，其频闪比也是远远大于标准值的，需要说明的是只有满足一定条件的LED才能真正克服频闪。

2.1 LED频闪的产生

LED通过驱动电源将交流转化为直流，直流纹波是频闪的根源，纹波系数决定直流电中的交流含义。所以《照明检测标准》8.1.9条第2款中规定，LED采取纹波比不大于12%的直流系统供电。

而导致LED频闪的另外一个诱因便是其引以为豪的调光。研究表明，采用不当的调光方法或者选用廉价不可靠的驱动设备等都会造成LED很大的闪烁。

2.2 如何降低LED的频闪

选用高质量的直流供电系统是最基本和重要抑制频闪的方法，针对上述LED频闪产生的原因，可采取如下措施来解决频闪问题。

1)选择一个好的驱动电源

驱动对于LED的重要性不可否认，好的驱动不仅为LED供电和整流，同时还可以减小在整流过程中形成的波纹，尽可能给LED提供一个恒定干净的直流电源。

2)选择合适的调光方式

尽量避免选用可控硅调光，又称前沿切相控制调光，此类调光器会令驱动电源产生震荡，进而形成频闪；可以选用脉宽调制(PWM)调光，前提是需要配合可靠优质的电源驱动形成高频率(最好200Hz以上)的电流脉冲以消除视觉频闪，同时在保证散热的前提下尽量将驱动离灯距离近一些，有利于减轻频闪。

若经济条件允许，Ⅵ级体育场馆照明选用LED调光建议采用数字调光系统(譬如0～10V、DALI、DMX512等现阶段广泛应用的调光方式)，同时配合相互兼容的可靠电源驱动，达到规范中规定的6%是很容易实现的，上述提到的酋长体育场及红山体育馆均是选用LED照明配合数字调光系统的大型体育场馆，频闪比实测的结果相当不错。

3)LED灯、驱动电源及调光器之间需要兼容

即使是DMX512这样强大的驱动，配合可控硅调光控制器也一定会产生非常高的频闪比率，所以选用何种类型的调光器就要搭配相应的电源驱动。

3 Ⅵ级体育场馆照明配电方案的探讨

体育场馆照明配电除了遵循《照明检测标准》之外，还要依据现行的JGJ 354-2014《体育建筑电气设计规范》。结合两本规范内容，笔者认为，照明等级为Ⅵ级的体育场馆，其场地照明配电方式需根据体育建筑等级、赛事等级等多方面综合考虑，才能既不保守也不超标，合理制定配电方案。根据规范及以往工程经验，Ⅵ级的体育场馆照明的配电原则如表3所示，相应的照明配电方案主接线如图2～3所示。

当采用50%场地照明配电方式时，有几点需要特别说明。

1)将场灯按奇偶顺序均匀分为两组，各50%的灯具分别接入两段独立的低压母线，保证这两段母线不同时发生故障。

表3 Ⅵ级体育场馆照明的配电原则

图2 特级体育场Ⅵ级场地照明配电主接线图

图3 甲级体育场Ⅵ级场地照明配电主接线图

2)需按供电半径及区域划分，将各50%的灯具负荷拆分成最低事故面来配置供电干线。

3)场地照明配电箱至灯具的出线需按分区交叉供电。

图4为某Ⅵ级体育场照明配电点分布示意图，由于体育场灯具布置跨度大、距离远，故分成4个区域配电(图中云线所圈)，每个区域设置一对配电箱(图4中标注)并接入不同低压母线段，每对配电箱承担25%的照明负荷，且配电箱距所负责区域最远端的灯具均不超过100m，很大程度上保障了场地照明供电的可靠性，同时有效降低了事故发生的故障面。

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图4 某Ⅵ级体育场场地照明配电点分布示意图

4 比赛场地照明灯具的两个电压指标

1)JGJ354-2014《体育建筑电气设计规范》3.5.2条规定特级和甲级体育建筑比赛场地照明灯具端子处的电压偏差允许值宜为±2%。这条主要是对气体放电灯制定的，众所周知，电压对金卤灯光通量的输出影响较大，当供电电压为380V时，电压变化±10%，灯具光通量输出变化为-22%～+23%，可能会因为电压偏差使得垂直照度不够影响重大赛事的HDTV转播。

因此场地照明需要对较长的线路进行电压损失校验，通过缩短配电距离，放大线缆截面等方式达到规定的允许值。除此之外，选用LED作为场地照明也可以很大程度避免电压偏差带来的光通量突变，因为LED的光通量是受电流影响的，只要输入电压的变化不影响到恒流驱动的输出电流，就不会影响LED的光输出。

2)JGJ 153-2016《照明检测标准》8.1.5条第2款规定由灯控室配出的同一供电线路上最近端与最远端照明灯具的端电压差不宜大于2%。这条是要求校验一下最近端和最远端灯具的电压损失，由电压损失计算公式可知，其值与供电长度、负荷功率成正比，与供电线缆截面成反比。

众所周知，Ⅵ级体育场馆照明所用灯具的功率均较大，以往体育场选用金卤灯大都是2kW，体育馆也需要1.4kW。LED高效节能功率小些，结合以往实际工程案例，Ⅵ级场地照明体育场多采用1～1.5kW的LED，体育馆则是0.6～1.2kW居多。以体育馆为例，选用0.6kW的LED在150m的范围内用2.5mm2的电缆供电，经计算其电压损失不到2%，前提是采用单灯单回路供电，若供电回路带了两套灯具或直接改用1.2kW的场灯，通过计算(见表4)，除非将电缆截面放大，否则不能满足规范要求。

综上所述，当Ⅵ级体育场馆照明选用LED时，控制灯具电压损失的方法如下。

1)配电点和灯具的距离要适中，避免供电距离过长加大电压损失。

2)尽量采用单灯单控的配电方式，一灯一回路，对大功率的单相LED尤为必要。

5 探讨LED的启动电流

LED的瞬时启动特性是其优势之一，但是近些年的试验表明，LED在启动过程中存在高达数十倍甚至更高的峰值电流，且启动时间短，易造成照明配电线路出现跳闸、烧毁接触器触头等现象。现阶段可通过以下方法解决此类问题。

表4 电压损失计算表

1)在Ⅵ级体育场馆照明中应用大功率LED时，推荐选用单灯单回路的配电方式。

2)参考《体育建筑电气设计规范》7.4.3条，配电回路中的保护开关、接触器、线缆截面等与场地照明灯具的特性应相匹配。

3)从LED自身入手，选择带有软启动功能的驱动电路，可避免较大的启动电流，从而有效保护灯具。

然而，当HDTV转播重大体育赛事时，不推荐选用具有软启功能的LED灯具，原因是当电源故障时，LED的软启动功能会造成数秒的启动延时，带来比赛和电视转播的短暂中断，从而造成恶劣的影响和不可挽回的损失。所以在Ⅵ级体育场馆照明设计时，针对大功率LED的启动特性，在采取上述办法的同时还要考虑设置在线式UPS等不间断电源来保证供电的连续性。

通过上述场地照明对电压指标的要求，结合LED的频闪和启动特性，总结出一个相对合理、可靠的大功率LED末端配电系统。

6 结束语

近些年LED在大多数建筑照明领域的推广及应用已相当成熟，随着其技术的不断发展和规格的日渐完善，大功率LED正逐步进入体育照明领域，并凭借其自身的节能、调光、电压、频闪、瞬启等特性，渐渐有取代传统气体放电灯的趋势。但同样由于大功率LED在产品性能和规范制定等方面尚未完全成熟，譬如灯具的散热问题、启动特性、眩光控制、产品规格不统一等，所以大功率LED应用在Ⅵ级体育场馆照明中的实际工程案例仍比较少，但本身LED的出现具有划时代的意义。本文对实际工程案例中遇到的问题做出分析和总结，其中部分观点和结论不一定完全正确且有待论证，仅起到抛砖引玉的作用，望各位同行前辈提出宝贵意见并给予指正。

[1] JGJ 153-2016体育场馆照明设计及检测标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[2] JGJ 354-2014 体育建筑电气设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[3] 北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册第三版[M].北京:中国电力出版社,2016.

[4] 北京市建筑设计研究院有限公司.建筑电气专业技术措施第二版[M].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[5] 中建国际设计顾问有限公司.体育照明设计手册[M].北京:中国电力出版社,2009.

[6] 杨波. LED在体育照明中的应用[J].照明工程学报,2016,27(4):132-139.