淺談大型山體燈光秀的電氣設(shè)計(jì)

盧 加 新

(良業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司, 北京 101500)

0 引 言

山體燈光秀涉及11座山體及3.5 km江岸,山體最高海拔500 m,總覆蓋山體約950萬(wàn)m2,觀眾在游船上及江對(duì)岸觀看表演。運(yùn)用投光燈、點(diǎn)光源、激光燈、光束燈及音響等主要表現(xiàn)設(shè)備;投光燈勾勒出各山體的山脊線,主山山溝區(qū)域由山腳至山頂?shù)?8塊大型點(diǎn)光源陣幕(點(diǎn)光源間距1 m,幕最寬410 m,高72 m)組成光瀑布,按照光瀑布的形狀設(shè)計(jì)動(dòng)畫,并在幕的兩側(cè)與動(dòng)畫配合通過(guò)燈光投出背景色,將山體輪廓融入到動(dòng)畫中。項(xiàng)目安裝點(diǎn)光源16萬(wàn)余顆,大功率投光燈14 000余套,大功率光束燈140余套,大功率激光燈30余套,除激光燈外均采用LED光源。

為完成如此大規(guī)模的山體燈光秀電氣設(shè)計(jì),必須確保電氣設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性,依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)更要符合復(fù)雜的山體地形條件,選擇適合的系統(tǒng)形式,把可能出現(xiàn)的安全隱患充分考慮在內(nèi),再通過(guò)經(jīng)濟(jì)性比較,做出最適合項(xiàng)目自身情況的最優(yōu)方案。

1 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 負(fù)荷等級(jí)

根據(jù)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,并結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性考慮,確定按三級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)。

1.2 供電變壓器的設(shè)置

供電變壓器的設(shè)置:原則是靠近負(fù)荷中心。燈具分布圖如圖1所示。

由圖1可以看出,光瀑布處負(fù)荷較為集中,山體及光束陣區(qū)域負(fù)荷較為分散。經(jīng)負(fù)荷計(jì)算,光瀑布區(qū)域設(shè)置(2×400+2×630)kVA箱變,其中山腳及山頂處各1臺(tái),半山腰處2臺(tái);3.5 km江岸共設(shè)置2臺(tái)200 kVA箱變;其他山體區(qū)域,初步設(shè)計(jì)時(shí)有兩套方案,方案一:變壓器分散在各山頭設(shè)置,低壓就近供電;方案二:變壓器相對(duì)集中設(shè)置,AC 400 V長(zhǎng)距離供電,最遠(yuǎn)供電點(diǎn)在1 000 m以內(nèi)。經(jīng)過(guò)分析,大量負(fù)荷都集中在山體A5、A6、A7、A11區(qū)域,其余區(qū)域較分散,通過(guò)與當(dāng)?shù)毓╇姴块T人員一起進(jìn)行大量的實(shí)地勘察,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)懸崖峭壁較多,坡度大,搬運(yùn)箱變上山難度特別大,在測(cè)算過(guò)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)后,最終選擇了方案二,在A5、A6、A7區(qū)域單獨(dú)設(shè)置箱變(2臺(tái)630 kVA+1臺(tái)400 kVA負(fù)責(zé)A5,A6區(qū)域,2臺(tái)315 kVA負(fù)責(zé)A7區(qū)域),在A4區(qū)域集中設(shè)置2臺(tái)500 kVA箱變負(fù)責(zé)為A1、A2、A3、A4供電,在A8區(qū)域集中設(shè)置2臺(tái)800 kVA箱變負(fù)責(zé)為A8、A9、A10、A11區(qū)域供電。

1.3 配電支路設(shè)計(jì)

配電系統(tǒng)采用TN-S接地型式,山體地形由于植被茂密相比一般環(huán)境濕度,燈光秀設(shè)備均處于潮濕環(huán)境中,運(yùn)行時(shí)間久了,更容易發(fā)生非金屬接地故障,此時(shí)接地電阻達(dá)到200 kΩ,甚至更高[1]。為保證此時(shí)能可靠地運(yùn)行,配電斷路器除了應(yīng)配置過(guò)電流脫扣器外,還需要配置RCD脫扣器,從而構(gòu)成過(guò)電流保護(hù)+RCD剩余電流保護(hù)雙重保護(hù)措施。RCD應(yīng)選用A型或B型電磁式,當(dāng)電纜長(zhǎng)度不大于1 000 m時(shí),RCD 整定動(dòng)作電流為100 mA,動(dòng)作時(shí)間0.1 s[1]。

光瀑布區(qū)域的點(diǎn)光源安裝在鋼索網(wǎng)上,間距為上、下、左、右均1 m,光源類型為L(zhǎng)ED,工作電壓DC 24 V,因其工作電壓低,壓降大,相對(duì)AC 220 V供電距離大大縮短。根據(jù)JGJ/T 163—2008《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求,對(duì)于線路末端燈具端電壓,應(yīng)該控制在額定電壓的90%以上,DC 24 V需根據(jù)負(fù)荷距計(jì)算電壓降。以最不利的高度72 m光幕為例,燈間距為1 m,即一列有72顆點(diǎn)光源,按一臺(tái)開(kāi)關(guān)電源給2列燈供電的方式,采取“分負(fù)荷,分兩段,中間接”的方法盡量降低電壓降,經(jīng)實(shí)測(cè)滿足電壓降要求。點(diǎn)光源接線圖如圖2所示。

1.4 線纜敷設(shè)與線纜選型

山體區(qū)別于一般的安裝條件,具有地形復(fù)雜、起伏不定、懸崖峭壁、無(wú)法開(kāi)挖等特點(diǎn),給線纜敷設(shè)增加很多難度。尤其是碰到山溝區(qū)域,線纜如果沿著山溝走勢(shì)埋地敷設(shè),會(huì)大大增加電纜長(zhǎng)度,并且影響工程造價(jià)、工期。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),決定采取鋼索配線方式。在山溝兩側(cè)安裝支架,利用鋼絞線連通兩端,電纜沿鋼絞線敷設(shè)。采用鋼鉸線作為鋼索,其截面積應(yīng)根據(jù)實(shí)際跨距、荷重及機(jī)械強(qiáng)度選擇,最小截面不小于10 mm2,且不得有背扣、松股、斷股、抽筋等現(xiàn)象[2]。如采用鍍鋅圓鋼作為鋼索,其直徑不應(yīng)小于10 mm。本工程采用120 mm2鋼絞線,經(jīng)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算,符合規(guī)范要求。

山體中有很多裸露的堅(jiān)硬石頭區(qū)域,此類區(qū)域無(wú)法開(kāi)挖敷設(shè)管線,又非山溝區(qū)域,不能采取鋼索配線方式,因此采用架空線槽及水泥包封的方式將線纜埋于地下。同時(shí)山中有很多野生動(dòng)物,為防止咬壞線纜并且出于保護(hù)動(dòng)物的角度考慮,除埋地、穿鋼管、線槽內(nèi)敷設(shè)的線纜外,均用防鼠咬管纏繞。

在電纜選型方面,大多數(shù)線路敷設(shè)埋于地下,并且在投光燈燈桿下部有線路接頭,因此線路自身存在著一定的自然剩余電流。為了降低線路剩余電流,建議選用剩余電流較小的YJY-0.6/1 kV型電力電纜[3]。

2 防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 投光燈區(qū)域

安裝投光燈的每根燈桿采用金屬材質(zhì),燈桿頂部橫擔(dān)上設(shè)置接閃桿,要求高于燈具并且能保護(hù)到橫檔上的燈具。燈桿下部基礎(chǔ)螺栓與接地扁鐵連通,接地扁鐵沿電纜溝連通,每5根燈桿設(shè)置1個(gè)接地極,接地極采用長(zhǎng)2.5 m的L50×50×4熱鍍鋅角鋼埋入地下。

2.2 光瀑布區(qū)域

光瀑布采用的安裝網(wǎng)即為鋼索網(wǎng),利用鋼索網(wǎng)作為接閃器,地面上的拉緊構(gòu)件與接地極做好聯(lián)通,實(shí)測(cè)接地電阻小于4 Ω,滿足規(guī)范要求。考慮到光瀑布是整個(gè)山體秀的重點(diǎn)、亮點(diǎn),需加強(qiáng)防雷措施。經(jīng)綜合考量,按圖集15D501《建筑物防雷設(shè)施安裝》中的做法架設(shè)接閃桿塔,分別在山體A5、A6、 A11區(qū)域處各架設(shè)25 m,35 m,40 m高的接閃桿塔共3座。

2.3 重復(fù)接地與剩余電流保護(hù)

對(duì)于山體秀的TN-S接地系統(tǒng),普遍供電回路線路較長(zhǎng),采取PE線重復(fù)接地做法。供電回路的PE線首末端均必須接地,中間每隔30 m至50 m,PE線重復(fù)接地一次。要求首末端重復(fù)接地的好處是任何一處的接地連(PE線)故障斷開(kāi)還能保證每個(gè)燈具的良好接地。在供電回路前端加裝剩余電流動(dòng)作斷路器,當(dāng)燈具剩余電流發(fā)生時(shí),燈具的可靠接地能夠避免人身傷害,同時(shí)剩余電流保護(hù)開(kāi)關(guān)迅速切斷電源,保護(hù)人身安全。所以,良好的接地和剩余電流保護(hù)是山體秀必不可少的安全措施[4]。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

山體秀的控制分為強(qiáng)電控制及弱電控制。強(qiáng)電控制即利用智能控制模塊等設(shè)備實(shí)現(xiàn)回路的通、斷;弱電控制大多利用DMX512技術(shù)實(shí)現(xiàn)燈具的色彩變化,從而呈現(xiàn)出各種各樣的動(dòng)畫效果。

3.1 強(qiáng)電控制系統(tǒng)

按不同用途的回路進(jìn)行分組,以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段不同回路的控制要求。通過(guò)采用光控、時(shí)控和遠(yuǎn)程智能控制方式,并具備手動(dòng)控制功能,同時(shí)根據(jù)使用情況設(shè)置平日、節(jié)假日、重大節(jié)日等不同的開(kāi)燈控制模式。

3.2 弱電控制系統(tǒng)

投光燈及光瀑布為標(biāo)準(zhǔn)DMX512協(xié)議,每個(gè)山頭設(shè)置1臺(tái)主控器,以150 m半徑設(shè)置分控器。分控器至首燈超過(guò)80 m時(shí),為防止信號(hào)傳輸衰減,需在首燈前加裝信號(hào)放大器。選用線纜也與常規(guī)亮化不同,常規(guī)亮化工程多使用超五類網(wǎng)線,缺點(diǎn)是線芯細(xì)、硬,信號(hào)衰減大、容易折斷,山體則選用RVVPS線,線芯粗,電阻小,有利于信號(hào)傳輸?shù)母h(yuǎn),同時(shí)護(hù)套厚、線芯軟,有利于在復(fù)雜的地形敷設(shè)。

3.3 總控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

總體控制平臺(tái)系統(tǒng)以智能、可靠、安全為設(shè)計(jì)原則,采取總控、區(qū)域主控、現(xiàn)場(chǎng)分控三級(jí)架構(gòu),以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、現(xiàn)場(chǎng)均可方便控制。總控室設(shè)有2間,在山腳下就近設(shè)有1間,為實(shí)施過(guò)程中調(diào)試方便使用;另外在江對(duì)岸設(shè)有1間,力求與觀眾同一角度觀看表演,調(diào)試出最佳效果。兩總控室均就近接入電信運(yùn)營(yíng)商專網(wǎng),通過(guò)VPN組網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)兩地均可控制。

3.4 光瀑布片源安全性的保障措施

光瀑布面積大,可成像,特別的需要考慮到片源安全問(wèn)題。為防止黑客入侵等危險(xiǎn)行為,首先在接入互聯(lián)網(wǎng)處設(shè)置高級(jí)別防火墻;其次把項(xiàng)目設(shè)備均組成一個(gè)封閉的局域網(wǎng),不允許其他IP地址的設(shè)備進(jìn)入;再次,項(xiàng)目初期即確定,片源絕不允許遠(yuǎn)程上傳,均采用專人用U盤傳輸,片源的更換不會(huì)特別頻繁,此方案是可行的。通過(guò)以上措施,可基本做到片源的安全性處于可控范圍。

4 結(jié) 語(yǔ)

山體燈光秀的電氣設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,既需要整體統(tǒng)籌考慮,又需要對(duì)配電系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)、控制系統(tǒng)分項(xiàng)逐一分解,還需要通過(guò)實(shí)地踏勘充分掌握地形資料,才能做出合理的方案。