探討大功率LED在Ⅵ級體育場館場地照明中的應(yīng)用

李曉彬

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 153-2016《體育場館照明設(shè)計(jì)及檢測標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱“《照明檢測標(biāo)準(zhǔn)》”)已于2016年底發(fā)布，并于今年6月正式實(shí)施，較07版，其中的一個(gè)重要修訂內(nèi)容是補(bǔ)充了LED應(yīng)用的技術(shù)參數(shù)和要求，為LED在體育場館照明中的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考依據(jù)。自規(guī)范實(shí)施以來，筆者陸續(xù)接觸了若干HDTV轉(zhuǎn)播重大賽事的Ⅵ級體育場館照明設(shè)計(jì)，且無一例外均選用大功率LED作為場地照明。因此本文從規(guī)范條文入手，結(jié)合LED燈的自身特性，通過總結(jié)提出個(gè)人認(rèn)為較為合理的應(yīng)用大功率LED的場地照明配電方案，以期對日后工程設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

1 體育場館場地照明標(biāo)準(zhǔn)值中的新指標(biāo)R9

《照明檢測標(biāo)準(zhǔn)》對幾乎所有室內(nèi)、外場地照明標(biāo)準(zhǔn)值均有規(guī)定，凡是照明等級為Ⅵ級的體育場館，當(dāng)采用LED作為場地照明光源時(shí)，LED必須滿足特殊顯色指數(shù)R9>20的規(guī)定。

眾所周知，特殊顯色指數(shù)是CIE選定的第 9～15種標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品的顯色指數(shù)，而R9是這7個(gè)樣品之一的飽和紅色的顯色指數(shù)，其余6種顏色分別為飽和黃色、飽和綠色、飽和藍(lán)色、白種人皮膚色、葉綠色、亞洲人皮膚色，統(tǒng)一用符號Ri表示。那么為什么選用LED就必須滿足特殊顯色指數(shù)的要求？為什么選擇了其中之一的R9?為什么要求Ⅵ級體育場館照明應(yīng)用LED時(shí)R9>20?下面筆者將一一解釋。

首先，在以往相關(guān)的照明規(guī)范中只有對一般顯色指數(shù)Ra的規(guī)定，而隨著LED應(yīng)用的廣泛普及，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，單純用Ra來評價(jià)LED照明的顯色性存在明顯的局限性，其問題之一便是有些LED光源對飽和色顯色性非常差，而Ra值卻很高，這主要是因LED自身光譜不連續(xù)，且Ra對高飽和度顏色描述存在偏差等原因造成的。

即使用顯色指數(shù)(CRI)的定義來評價(jià)LED也是存在缺陷的，因?yàn)镃RI的算法是簡單地將所有色樣的色差進(jìn)行算術(shù)平均。即使LED對某個(gè)飽和色顯色性很差，也會被其他顏色樣品平均，指數(shù)也會很高。因此，無論Ra還是CRI都不太適合作為LED照明顯色指數(shù)的評價(jià)值，只有在Ra的基礎(chǔ)上加入對特殊顯色指數(shù)的要求，才能對LED的顯色性有完整準(zhǔn)確的評價(jià)。

其次，選擇特殊顯色指數(shù)R9是因?yàn)橥ㄟ^人們的主觀評價(jià)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，R9對人皮膚的顯色性有比較明顯的影響，R9值越高，膚色顯得就越自然，而R9取值20左右的位置是對皮膚色表顯色性做出積極和消極評價(jià)的臨界值。另外，在針對LED光源的測評中發(fā)現(xiàn)，一般顯色指數(shù)Ra值為80和90的兩組燈，其視覺差異較小；而同樣是Ra值為90左右的兩個(gè)LED光源，若其中之一R9<20，則會被評價(jià)為顯色性較差。由此可見，特殊顯色指數(shù)R9是評價(jià)LED顯色性的重要指標(biāo)之一，在HDTV轉(zhuǎn)播的Ⅵ級體育場館照明中應(yīng)用LED，除了滿足Ra的標(biāo)準(zhǔn)值，R9>20甚至是更為重要的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 Ⅵ級體育場館照明中的另一個(gè)新指標(biāo)頻閃比

《照明檢測標(biāo)準(zhǔn)》4.4.4條規(guī)定：HDTV轉(zhuǎn)播重大比賽有超高速攝像要求時(shí)，攝像機(jī)方向的垂直照度不應(yīng)低于1 800lx，場地照明的頻閃比不宜大于6%。這其中，頻閃比這個(gè)概念之前規(guī)范中并沒有規(guī)定。從定義來看是在某一頻率下，燈具輸出光通量的最大值與最小值之差比最大值與最小值之和的百分?jǐn)?shù)，而實(shí)際上，頻閃比就是頻閃效應(yīng)的評價(jià)值。在2007版《照明檢測標(biāo)準(zhǔn)》中僅是通過某項(xiàng)改善頻閃效應(yīng)措施的條款在條文說明里提到了頻閃效應(yīng)這個(gè)概念，其還有一個(gè)評價(jià)指標(biāo)叫頻閃指數(shù)，二者的表達(dá)涵義如圖1所示。

圖1 評價(jià)頻閃效應(yīng)的指標(biāo)定義圖

隨著電視轉(zhuǎn)播技術(shù)的發(fā)展，頻閃效應(yīng)對體育照明的影響凸顯，尤其當(dāng)HDTV轉(zhuǎn)播重大體育賽事采用超高速攝像機(jī)時(shí)，如田徑終點(diǎn)線或其他需要的場所，轉(zhuǎn)播需要將高速攝像機(jī)錄下的鏡頭通過慢鏡頭或超慢鏡頭回放，在這個(gè)過程中極易產(chǎn)生畫面抖動的現(xiàn)象，這就表明場地照明燈產(chǎn)生了頻閃，通過超高速攝像機(jī)記錄下來的同時(shí)傳遞到轉(zhuǎn)播畫面。當(dāng)頻閃比達(dá)到某個(gè)量值時(shí)就會讓人無法忍受，頻閃比大小對人視覺的影響可參見表1。

表1 頻閃比大小對人視覺的影響

傳統(tǒng)氣體放電燈廣泛應(yīng)用于體育場館場地照明，但其自身的特點(diǎn)決定了它的頻閃較嚴(yán)重，最主要的原因就是其供電電源為50Hz交流電，交流電以正弦波的形式在波峰和波谷之間來回波動就產(chǎn)生了頻閃，某品牌金鹵燈和LED燈的頻閃測量值可參見表2。

表2 某品牌金鹵燈和LED燈的頻閃測量值

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，LED確實(shí)在頻閃方面比氣體放電燈更有優(yōu)勢，因此若想改善氣體放電燈頻閃效應(yīng)帶來的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需采用一些特殊處理，比如規(guī)范中提出的“同一照明區(qū)域的燈具分相序接線”等方法，而這樣做無疑增加了施工的難度和布燈的局限性，所以規(guī)范認(rèn)為當(dāng)HDTV轉(zhuǎn)播重大比賽有超高速攝像要求時(shí)，選用由高質(zhì)量直流系統(tǒng)供電的LED作為場地照明無疑是更合適的。

雖然相較而言LED在控制頻閃方面做得更好，通過實(shí)測在國內(nèi)外若干采用LED的體育場館均滿足要求，比如英超阿森納俱樂部的主場酋長體育場，LED的實(shí)測頻閃比<0.5%；國內(nèi)CBA新疆廣匯俱樂部的主場紅山體育館，LED的實(shí)測頻閃比也<1%。但這些并不能說明LED不會產(chǎn)生頻閃，相反表2中重度頻閃的LED，其頻閃比也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值的，需要說明的是只有滿足一定條件的LED才能真正克服頻閃。

2.1 LED頻閃的產(chǎn)生

LED通過驅(qū)動電源將交流轉(zhuǎn)化為直流，直流紋波是頻閃的根源，紋波系數(shù)決定直流電中的交流含義。所以《照明檢測標(biāo)準(zhǔn)》8.1.9條第2款中規(guī)定，LED采取紋波比不大于12%的直流系統(tǒng)供電。

而導(dǎo)致LED頻閃的另外一個(gè)誘因便是其引以為豪的調(diào)光。研究表明，采用不當(dāng)?shù)恼{(diào)光方法或者選用廉價(jià)不可靠的驅(qū)動設(shè)備等都會造成LED很大的閃爍。

2.2 如何降低LED的頻閃

選用高質(zhì)量的直流供電系統(tǒng)是最基本和重要抑制頻閃的方法，針對上述LED頻閃產(chǎn)生的原因，可采取如下措施來解決頻閃問題。

1)選擇一個(gè)好的驅(qū)動電源

驅(qū)動對于LED的重要性不可否認(rèn)，好的驅(qū)動不僅為LED供電和整流，同時(shí)還可以減小在整流過程中形成的波紋，盡可能給LED提供一個(gè)恒定干凈的直流電源。

2)選擇合適的調(diào)光方式

盡量避免選用可控硅調(diào)光，又稱前沿切相控制調(diào)光，此類調(diào)光器會令驅(qū)動電源產(chǎn)生震蕩，進(jìn)而形成頻閃；可以選用脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光，前提是需要配合可靠優(yōu)質(zhì)的電源驅(qū)動形成高頻率(最好200Hz以上)的電流脈沖以消除視覺頻閃，同時(shí)在保證散熱的前提下盡量將驅(qū)動離燈距離近一些，有利于減輕頻閃。

若經(jīng)濟(jì)條件允許，Ⅵ級體育場館照明選用LED調(diào)光建議采用數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)(譬如0～10V、DALI、DMX512等現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的調(diào)光方式)，同時(shí)配合相互兼容的可靠電源驅(qū)動，達(dá)到規(guī)范中規(guī)定的6%是很容易實(shí)現(xiàn)的，上述提到的酋長體育場及紅山體育館均是選用LED照明配合數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)的大型體育場館，頻閃比實(shí)測的結(jié)果相當(dāng)不錯(cuò)。

3)LED燈、驅(qū)動電源及調(diào)光器之間需要兼容

即使是DMX512這樣強(qiáng)大的驅(qū)動，配合可控硅調(diào)光控制器也一定會產(chǎn)生非常高的頻閃比率，所以選用何種類型的調(diào)光器就要搭配相應(yīng)的電源驅(qū)動。

3 Ⅵ級體育場館照明配電方案的探討

體育場館照明配電除了遵循《照明檢測標(biāo)準(zhǔn)》之外，還要依據(jù)現(xiàn)行的JGJ 354-2014《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》。結(jié)合兩本規(guī)范內(nèi)容，筆者認(rèn)為，照明等級為Ⅵ級的體育場館，其場地照明配電方式需根據(jù)體育建筑等級、賽事等級等多方面綜合考慮，才能既不保守也不超標(biāo)，合理制定配電方案。根據(jù)規(guī)范及以往工程經(jīng)驗(yàn)，Ⅵ級的體育場館照明的配電原則如表3所示，相應(yīng)的照明配電方案主接線如圖2～3所示。

當(dāng)采用50%場地照明配電方式時(shí)，有幾點(diǎn)需要特別說明。

1)將場燈按奇偶順序均勻分為兩組，各50%的燈具分別接入兩段獨(dú)立的低壓母線，保證這兩段母線不同時(shí)發(fā)生故障。

表3 Ⅵ級體育場館照明的配電原則

圖2 特級體育場Ⅵ級場地照明配電主接線圖

圖3 甲級體育場Ⅵ級場地照明配電主接線圖

2)需按供電半徑及區(qū)域劃分，將各50%的燈具負(fù)荷拆分成最低事故面來配置供電干線。

3)場地照明配電箱至燈具的出線需按分區(qū)交叉供電。

圖4為某Ⅵ級體育場照明配電點(diǎn)分布示意圖，由于體育場燈具布置跨度大、距離遠(yuǎn)，故分成4個(gè)區(qū)域配電(圖中云線所圈)，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一對配電箱(圖4中標(biāo)注)并接入不同低壓母線段，每對配電箱承擔(dān)25%的照明負(fù)荷，且配電箱距所負(fù)責(zé)區(qū)域最遠(yuǎn)端的燈具均不超過100m，很大程度上保障了場地照明供電的可靠性，同時(shí)有效降低了事故發(fā)生的故障面。

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圖4 某Ⅵ級體育場場地照明配電點(diǎn)分布示意圖

4 比賽場地照明燈具的兩個(gè)電壓指標(biāo)

1)JGJ354-2014《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》3.5.2條規(guī)定特級和甲級體育建筑比賽場地照明燈具端子處的電壓偏差允許值宜為±2%。這條主要是對氣體放電燈制定的，眾所周知，電壓對金鹵燈光通量的輸出影響較大，當(dāng)供電電壓為380V時(shí)，電壓變化±10%，燈具光通量輸出變化為-22%～+23%，可能會因?yàn)殡妷浩钍沟么怪闭斩炔粔蛴绊懼卮筚愂碌腍DTV轉(zhuǎn)播。

因此場地照明需要對較長的線路進(jìn)行電壓損失校驗(yàn)，通過縮短配電距離，放大線纜截面等方式達(dá)到規(guī)定的允許值。除此之外，選用LED作為場地照明也可以很大程度避免電壓偏差帶來的光通量突變，因?yàn)長ED的光通量是受電流影響的，只要輸入電壓的變化不影響到恒流驅(qū)動的輸出電流，就不會影響LED的光輸出。

2)JGJ 153-2016《照明檢測標(biāo)準(zhǔn)》8.1.5條第2款規(guī)定由燈控室配出的同一供電線路上最近端與最遠(yuǎn)端照明燈具的端電壓差不宜大于2%。這條是要求校驗(yàn)一下最近端和最遠(yuǎn)端燈具的電壓損失，由電壓損失計(jì)算公式可知，其值與供電長度、負(fù)荷功率成正比，與供電線纜截面成反比。

眾所周知，Ⅵ級體育場館照明所用燈具的功率均較大，以往體育場選用金鹵燈大都是2kW，體育館也需要1.4kW。LED高效節(jié)能功率小些，結(jié)合以往實(shí)際工程案例，Ⅵ級場地照明體育場多采用1～1.5kW的LED，體育館則是0.6～1.2kW居多。以體育館為例，選用0.6kW的LED在150m的范圍內(nèi)用2.5mm2的電纜供電，經(jīng)計(jì)算其電壓損失不到2%，前提是采用單燈單回路供電，若供電回路帶了兩套燈具或直接改用1.2kW的場燈，通過計(jì)算(見表4)，除非將電纜截面放大，否則不能滿足規(guī)范要求。

綜上所述，當(dāng)Ⅵ級體育場館照明選用LED時(shí)，控制燈具電壓損失的方法如下。

1)配電點(diǎn)和燈具的距離要適中，避免供電距離過長加大電壓損失。

2)盡量采用單燈單控的配電方式，一燈一回路，對大功率的單相LED尤為必要。

5 探討LED的啟動電流

LED的瞬時(shí)啟動特性是其優(yōu)勢之一，但是近些年的試驗(yàn)表明，LED在啟動過程中存在高達(dá)數(shù)十倍甚至更高的峰值電流，且啟動時(shí)間短，易造成照明配電線路出現(xiàn)跳閘、燒毀接觸器觸頭等現(xiàn)象。現(xiàn)階段可通過以下方法解決此類問題。

表4 電壓損失計(jì)算表

1)在Ⅵ級體育場館照明中應(yīng)用大功率LED時(shí)，推薦選用單燈單回路的配電方式。

2)參考《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》7.4.3條，配電回路中的保護(hù)開關(guān)、接觸器、線纜截面等與場地照明燈具的特性應(yīng)相匹配。

3)從LED自身入手，選擇帶有軟啟動功能的驅(qū)動電路，可避免較大的啟動電流，從而有效保護(hù)燈具。

然而，當(dāng)HDTV轉(zhuǎn)播重大體育賽事時(shí)，不推薦選用具有軟啟功能的LED燈具，原因是當(dāng)電源故障時(shí)，LED的軟啟動功能會造成數(shù)秒的啟動延時(shí)，帶來比賽和電視轉(zhuǎn)播的短暫中斷，從而造成惡劣的影響和不可挽回的損失。所以在Ⅵ級體育場館照明設(shè)計(jì)時(shí)，針對大功率LED的啟動特性，在采取上述辦法的同時(shí)還要考慮設(shè)置在線式UPS等不間斷電源來保證供電的連續(xù)性。

通過上述場地照明對電壓指標(biāo)的要求，結(jié)合LED的頻閃和啟動特性，總結(jié)出一個(gè)相對合理、可靠的大功率LED末端配電系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

近些年LED在大多數(shù)建筑照明領(lǐng)域的推廣及應(yīng)用已相當(dāng)成熟，隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展和規(guī)格的日漸完善，大功率LED正逐步進(jìn)入體育照明領(lǐng)域，并憑借其自身的節(jié)能、調(diào)光、電壓、頻閃、瞬啟等特性，漸漸有取代傳統(tǒng)氣體放電燈的趨勢。但同樣由于大功率LED在產(chǎn)品性能和規(guī)范制定等方面尚未完全成熟，譬如燈具的散熱問題、啟動特性、眩光控制、產(chǎn)品規(guī)格不統(tǒng)一等，所以大功率LED應(yīng)用在Ⅵ級體育場館照明中的實(shí)際工程案例仍比較少，但本身LED的出現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義。本文對實(shí)際工程案例中遇到的問題做出分析和總結(jié)，其中部分觀點(diǎn)和結(jié)論不一定完全正確且有待論證，僅起到拋磚引玉的作用，望各位同行前輩提出寶貴意見并給予指正。

[1] JGJ 153-2016體育場館照明設(shè)計(jì)及檢測標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[2] JGJ 354-2014 體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[3] 北京照明學(xué)會照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會.照明設(shè)計(jì)手冊第三版[M].北京:中國電力出版社,2016.

[4] 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司.建筑電氣專業(yè)技術(shù)措施第二版[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[5] 中建國際設(shè)計(jì)顧問有限公司.體育照明設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國電力出版社,2009.

[6] 楊波. LED在體育照明中的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào),2016,27(4):132-139.