小型剧场电气系统设计 供配电 防雷接地 火灾自动报警 智能化 楼宇自控 谐波治理设计特点及要点
0 引言
近年来，为满足人们日益增长的精神文化需求，越来越多的中小型剧场陆续设计并建成。下文以某具体工程项目为例，针对剧场供配电系统、谐波抑制及治理、智能化系统、火灾自动报警系统等存在的设计特点，介绍剧场电气系统的设计，供同行参考。
1 工程概况
该剧场项目位于上海市陆家嘴区域，是一个老厂房改建项目，该厂房原为船厂造机车间，东西长198m，南北宽45m，高24m，原建筑面积9000m2，为上世纪五、六十年代建筑，框架结构大空间，带有明显的历史特点。改建后将基本保留老厂房原有外观风貌，并对内部空间重新划分，建筑面积增加至地上约26800m2，地下约9000m2，地上5层(局部4层)，地下1层。
该项目主要功能为文化产业及配套商业，在保留老厂房特色的同时，添加新的建筑功能，其中，建筑内包括1座小型剧场，主要用于室内音乐会、音乐剧、企业产品发布会、表演秀等。剧场内观众座位数为670个，建筑面积为18000m2，地下一层为剧场的运景平台及库房，一层为入口大堂、化妆间、录音室、后台用房等，二～四层为剧场入口、观演区、硅控室、休息厅等。项目效果图见图1所示。
2 供配电系统设计
2.1 负荷等级及供电电源
本工程为多层民用公共建筑，由1个小型、丙级剧场和商业组成，其中，消防负荷用电、电信机房用电、排污泵及生活水泵用电、公共走道照明、电视转播、安保系统等用电按一级负荷要求供电，乘客电梯及自动扶梯用电、空调用电、舞台照明、舞台机械、剧场放映、灯光及音控、变电所用电为二级负荷，其他均为三级负荷。从上级变电站引入双重10kV电源。安防等弱电系统设置UPS电源，备用时间≥2h。
2.2 变配电所的设置
高低压变配电所设置于地下一层，变配电所下方设置深1.2m电缆沟。电缆沟内采取排水措施，通过排水管接至邻近集水井，并采取变配电所区域局部地坪抬高的方式，同时变配电所外邻近处设集水井，以预防洪水、消防水或积水从其他渠道淹渍变配电所。变配电所内设机械进、排风设备，并设置降湿设备。设置2台容量为1600kVA变压器。项目主要的负荷容量如表1所示。
2.3 高低压变配电系统
10kV中压主接线采用单母线分段方式。0.4kV低压主接线采用单母线分段，设母联开关，采用手动联络方式，设置电气及机械联锁，平时分列运行，当一路10kV电源故障或10/0.4kV变压器故障或检修时，由另一台10/0.4kV变压器承担60%以上的所有负荷供电，并保证全部的一、二级负荷运行。剧场一般用电负荷采用放射式和树干式相结合的配电形式供电，消防负荷采用放射式配电形式供电，配置两个供电回路，在最末一级配电箱处自动切换。剧场与商业功能区分别设置独立的垂直竖井以便管理。
2.4 谐波抑制与治理
变压器采用一次侧三角形接法，D，yn11接线，可以隔绝零序谐波。变配电所内低压集中无功补偿柜采用电容器串联电抗器的方式，即消谐式无功补偿，组成一个无源滤波器，此方法仅能隔绝部分频率谐波。
考虑到舞台调光装置在工作过程中产生的谐波干扰将妨碍声像系统工作，因此，音响功放、电视转播设备的电源取自与舞台照明不同的变压器。另外，舞台演出过程中可能频繁开启交流电动机，当其启动冲击电流引起电源电压波动超过3%时，宜采用与舞台照明负荷分开的变压器供电。基于以上两点考虑，提供至剧场的两路电源分别来自两台不同变压器，其中一路电源供舞台照明及调光装置，另一路供音响功放、电视转播设备、舞台机械及运景平台机械等。
剧场内舞台调光装置是比较主要的谐波源，这些调光设备造成的谐波污染不仅影响剧场配电系统电能质量，还可能造成系统其他用电设备故障，因此，在剧场舞台照明及调光设备用的配电柜处加装有源电力滤波器，即就地设置有源电力滤波器，以确保项目向公共连接点注入的谐波电流分量及谐波电压不超过规范的允许值。剧场作为公共连接点的其中一个用户，向电网注入的谐波电流允许值按剧场在该点的用电容量与项目总用电容量之比进行分配。2.5智能疏散照明系统为便于火灾发生时人员安全、迅速地选择安全通道逃生，设置了智能疏散照明系统，可根据建筑防火分区和消防通道等变化情况灵活、方便地设定控制区域、疏散路线、系统参数、灯具等设备的工作状态(包括开/关、方向、语音、频闪等)。火灾发生时，控制系统根据火灾自动报警系统的信息联动所有消防应急灯具转入应急状态，由应急照明集中电源提供备用电源，生成最佳疏散路径，疏散指示灯始终指向最近的安全疏散出口处，保证在最短时间内使人员安全地撤离危险区域，防止因恐慌心理造成的其他灾害。
3 防雷接地系统设计
经过防雷计算，本剧场建筑属第二类防雷建筑物，按照第二类防雷建筑设防。
3.1接闪器
设计考虑到建筑专业对屋顶的改造采用了铝合金板与节能玻璃结合的方式，铝合金板屋顶与玻璃屋顶固定件之间已具备可靠连接，设计选用建筑的金属屋面作为接闪器，屋面应满足GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中的相关规定。铝合金屋面应与原屋顶框架檩条内钢筋可靠连通，檩条内钢筋与屋架内钢筋可靠连通。屋架内钢筋与引下线可靠焊接。
3.2 引下线
设计沿建筑物四周均匀对称布置专设引下线，相邻引下线间距≤18m。
3.3防侧击雷和等电位措施
为防侧击雷，室外地坪以上部分外墙上的所有金属栏杆、金属门窗、玻璃幕墙等金属物直接或通过预埋件与均压环相连，采用等电位联结措施。
3.4幕墙防雷
采取幕墙防雷措施，幕墙预埋件与防雷系统作可靠电气连通，幕墙立柱与幕墙预埋件作可靠电气连通，幕墙内部横竖梁之间及与幕墙立柱作可靠电气连通。
3.5电子信息系统防雷
根据GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》，经过计算，电子信息系统雷电防护等级定为B级。为减少电磁脉冲对电子设备的破坏程度，在电源系统(包括变电所内低压侧总配电柜、分配电柜及重要电子设备末端)加装三级浪涌保护器保护，信号线路、天馈线路亦须加装浪涌保护器。
3.6 接地
采用联合接地方式，利用基础桩基及承台内主钢筋作接地极，并围绕建筑物外围利用主钢筋敷设环形接地体，作为总等电位连接体使用。低压配电系统的接地形式采用TN-S形式。
4 火灾自动报警系统设计
火灾自动报警系统防护等级为二级，采用控制中心集中报警形式。消防控制中心设置于地下一层，采用全面保护方式。
除按规范设置常规的点型火灾探测器及手动报警装置等联动控制较为常规的消防系统外，还根据剧场建筑设计的特点，在消防系统及相应的火灾自动报警系统联动控制设计上采用了如下几种特殊设计。
(1)在净空高度＞12m的商业中庭大空间区域和剧场观众席上方设置自动扫描射水的水炮灭火装置，该系统的探测装置、报警装置、控制及联动控制装置、灭火装置、监视及图形显示装置自成系统，当灭火装置完成自动跟踪定位时，发出声光报警，并能向火灾自动报警系统和其他联动控制设备传送报警和控制信号。
(2)剧场舞台葡萄架下按严重危险Ⅱ级设计，设置雨淋喷水灭火系统，该系统的联动控制方式:由同一报警区域内的两只或以上独立的感温火灾探测器或一只感温火灾探测器与一只手动火灾报警按钮的报警信号作为雨淋阀组开启的联动触发信号，由消防联动控制器控制雨淋阀组的开启;该系统的手动控制设置方式:将雨淋消防泵控制箱的启动和停止按钮、雨淋阀组的启动和停止按钮，用专用线路直接连接至设置在消防控制中心内的消防联动控制器的手动控制盘，直接手动控制雨淋消防泵的启/停及雨淋阀组的开启;水流指示器、压力开关、雨淋阀组、雨淋消防泵的启动和停止的动作信号应反馈至消防联动控制器。
因水炮装置的体积较大，设计及施工时需与装修单位协调配合，在满足消防设计规范及消防验收要求的同时又能达到较好的装修效果。
5 弱电系统设计
本项目除设计及采用了相对常规的智能化系统(如高清视频监控、紧急报警、门禁、物业无线对讲、巡更等安防系统，综合布线、移动通信覆盖、信息发布及查询、背景音乐及紧急广播、有线电视等信息化应用相关系统，能源计量及管理、智能照明控制、楼宇自控等楼宇设备管理相关系统)之外，还基于剧场的运营和管理需求，设置了以下相对有剧场设计特点的系统。
(1)安检门、安检机，用于特殊活动时的安保需要。
(2)多功能厅内设会议系统、投影系统、音响系统。
(3)剧场入口外墙面设置实时监控系统，用于供迟到的观众在大堂收听、收看演出节目。
(4)票务系统，设置LED显示屏，设置自助取票机。
(5)无线网络覆盖(Wi-Fi)系统，供观众及顾客免费连接互联网。
6 楼宇自控系统设计
楼宇自控系统对建筑内的新风机组、空调机组、风机、热交换系统、水泵、电梯、照明控制系统、能源管理系统等所有机电系统及设备进行监控和管理。系统平台兼容工业标准(如Lonwork、BACnet、AＲCnet，Ethernet)，能通过开放的协议及通讯接口(如ＲS232、ＲS485、TCP/IP、Modbus、BACnet、Lonwork、OPC等)接入第三方控制系统。以通讯接口形式接入的系统包括:中央冷源监测控制系统(本项目冷热源外供，由设置本项目冷热源的相邻地块引来)、中央热源监测控制系统(本项目冷热源外供，由设置本项目冷热源的相邻地块引来)、电梯控制系统、电力监控系统、智能疏散照明控制系统、能源管理系统。另外，针对剧场舞台区域的特殊控制需求，在楼宇自控系统的设计上有如下相对特殊的控制方案。
(1)舞台区域送风阀控制方案。舞台区域空调送风系统设计选用了侧送风口(侧喷口)及下送风口(圆形散流器)，平时使用为侧喷口全开状态，但为防止舞台两侧侧喷口的送风对舞台幕布或道具产生影响，对侧喷口风阀和圆形散流器风阀在楼宇自控系统内增加了以下控制逻辑要求:当侧喷口风阀全开时，圆形散流器上风阀全关;当圆形散流器上风阀全开时，侧喷口风阀全关。即不允许出现风阀全开的情况，根据演出需要甚至可选择关闭全部风阀。
(2)舞台区域排风系统控制方案。舞台区域的排风系统平时为常闭状态，可根据时间表或演出需要(舞台指令)进行启/停控制，同时，对服务舞台的2台四管制空调处理机组(AHU)及1台排风风机在楼宇自控系统内增加了以下控制逻辑要求:当排风风机开启时，空调处理机组自动切换至最大新风量运行模式，新风阀开至最大开度，回风阀开至最小开度，同时，排风风机与空调处理机组风机及新风、回风风阀设置联锁。
7 结束语
本文简要介绍和分享了小型剧场项目的供配电系统、防雷接地系统、火灾自动报警系统、弱电系统、楼宇自控系统设计的特点，仅是笔者对剧场项目设计的一些体会，希望能对同行有所借鉴。
近年来，为满足人们日益增长的精神文化需求，越来越多的中小型剧场陆续设计并建成。下文以某具体工程项目为例，针对剧场供配电系统、谐波抑制及治理、智能化系统、火灾自动报警系统等存在的设计特点，介绍剧场电气系统的设计，供同行参考。
1 工程概况
该剧场项目位于上海市陆家嘴区域，是一个老厂房改建项目，该厂房原为船厂造机车间，东西长198m，南北宽45m，高24m，原建筑面积9000m2，为上世纪五、六十年代建筑，框架结构大空间，带有明显的历史特点。改建后将基本保留老厂房原有外观风貌，并对内部空间重新划分，建筑面积增加至地上约26800m2，地下约9000m2，地上5层(局部4层)，地下1层。
该项目主要功能为文化产业及配套商业，在保留老厂房特色的同时，添加新的建筑功能，其中，建筑内包括1座小型剧场，主要用于室内音乐会、音乐剧、企业产品发布会、表演秀等。剧场内观众座位数为670个，建筑面积为18000m2，地下一层为剧场的运景平台及库房，一层为入口大堂、化妆间、录音室、后台用房等，二～四层为剧场入口、观演区、硅控室、休息厅等。项目效果图见图1所示。
2.1 负荷等级及供电电源
本工程为多层民用公共建筑，由1个小型、丙级剧场和商业组成，其中，消防负荷用电、电信机房用电、排污泵及生活水泵用电、公共走道照明、电视转播、安保系统等用电按一级负荷要求供电，乘客电梯及自动扶梯用电、空调用电、舞台照明、舞台机械、剧场放映、灯光及音控、变电所用电为二级负荷，其他均为三级负荷。从上级变电站引入双重10kV电源。安防等弱电系统设置UPS电源，备用时间≥2h。
2.2 变配电所的设置
高低压变配电所设置于地下一层，变配电所下方设置深1.2m电缆沟。电缆沟内采取排水措施，通过排水管接至邻近集水井，并采取变配电所区域局部地坪抬高的方式，同时变配电所外邻近处设集水井，以预防洪水、消防水或积水从其他渠道淹渍变配电所。变配电所内设机械进、排风设备，并设置降湿设备。设置2台容量为1600kVA变压器。项目主要的负荷容量如表1所示。
10kV中压主接线采用单母线分段方式。0.4kV低压主接线采用单母线分段，设母联开关，采用手动联络方式，设置电气及机械联锁，平时分列运行，当一路10kV电源故障或10/0.4kV变压器故障或检修时，由另一台10/0.4kV变压器承担60%以上的所有负荷供电，并保证全部的一、二级负荷运行。剧场一般用电负荷采用放射式和树干式相结合的配电形式供电，消防负荷采用放射式配电形式供电，配置两个供电回路，在最末一级配电箱处自动切换。剧场与商业功能区分别设置独立的垂直竖井以便管理。
2.4 谐波抑制与治理
变压器采用一次侧三角形接法，D，yn11接线，可以隔绝零序谐波。变配电所内低压集中无功补偿柜采用电容器串联电抗器的方式，即消谐式无功补偿，组成一个无源滤波器，此方法仅能隔绝部分频率谐波。
考虑到舞台调光装置在工作过程中产生的谐波干扰将妨碍声像系统工作，因此，音响功放、电视转播设备的电源取自与舞台照明不同的变压器。另外，舞台演出过程中可能频繁开启交流电动机，当其启动冲击电流引起电源电压波动超过3%时，宜采用与舞台照明负荷分开的变压器供电。基于以上两点考虑，提供至剧场的两路电源分别来自两台不同变压器，其中一路电源供舞台照明及调光装置，另一路供音响功放、电视转播设备、舞台机械及运景平台机械等。
剧场内舞台调光装置是比较主要的谐波源，这些调光设备造成的谐波污染不仅影响剧场配电系统电能质量，还可能造成系统其他用电设备故障，因此，在剧场舞台照明及调光设备用的配电柜处加装有源电力滤波器，即就地设置有源电力滤波器，以确保项目向公共连接点注入的谐波电流分量及谐波电压不超过规范的允许值。剧场作为公共连接点的其中一个用户，向电网注入的谐波电流允许值按剧场在该点的用电容量与项目总用电容量之比进行分配。2.5智能疏散照明系统为便于火灾发生时人员安全、迅速地选择安全通道逃生，设置了智能疏散照明系统，可根据建筑防火分区和消防通道等变化情况灵活、方便地设定控制区域、疏散路线、系统参数、灯具等设备的工作状态(包括开/关、方向、语音、频闪等)。火灾发生时，控制系统根据火灾自动报警系统的信息联动所有消防应急灯具转入应急状态，由应急照明集中电源提供备用电源，生成最佳疏散路径，疏散指示灯始终指向最近的安全疏散出口处，保证在最短时间内使人员安全地撤离危险区域，防止因恐慌心理造成的其他灾害。
3 防雷接地系统设计
经过防雷计算，本剧场建筑属第二类防雷建筑物，按照第二类防雷建筑设防。
3.1接闪器
设计考虑到建筑专业对屋顶的改造采用了铝合金板与节能玻璃结合的方式，铝合金板屋顶与玻璃屋顶固定件之间已具备可靠连接，设计选用建筑的金属屋面作为接闪器，屋面应满足GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中的相关规定。铝合金屋面应与原屋顶框架檩条内钢筋可靠连通，檩条内钢筋与屋架内钢筋可靠连通。屋架内钢筋与引下线可靠焊接。
3.2 引下线
设计沿建筑物四周均匀对称布置专设引下线，相邻引下线间距≤18m。
3.3防侧击雷和等电位措施
为防侧击雷，室外地坪以上部分外墙上的所有金属栏杆、金属门窗、玻璃幕墙等金属物直接或通过预埋件与均压环相连，采用等电位联结措施。
3.4幕墙防雷
采取幕墙防雷措施，幕墙预埋件与防雷系统作可靠电气连通，幕墙立柱与幕墙预埋件作可靠电气连通，幕墙内部横竖梁之间及与幕墙立柱作可靠电气连通。
3.5电子信息系统防雷
根据GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》，经过计算，电子信息系统雷电防护等级定为B级。为减少电磁脉冲对电子设备的破坏程度，在电源系统(包括变电所内低压侧总配电柜、分配电柜及重要电子设备末端)加装三级浪涌保护器保护，信号线路、天馈线路亦须加装浪涌保护器。
3.6 接地
采用联合接地方式，利用基础桩基及承台内主钢筋作接地极，并围绕建筑物外围利用主钢筋敷设环形接地体，作为总等电位连接体使用。低压配电系统的接地形式采用TN-S形式。
4 火灾自动报警系统设计
火灾自动报警系统防护等级为二级，采用控制中心集中报警形式。消防控制中心设置于地下一层，采用全面保护方式。
除按规范设置常规的点型火灾探测器及手动报警装置等联动控制较为常规的消防系统外，还根据剧场建筑设计的特点，在消防系统及相应的火灾自动报警系统联动控制设计上采用了如下几种特殊设计。
(1)在净空高度＞12m的商业中庭大空间区域和剧场观众席上方设置自动扫描射水的水炮灭火装置，该系统的探测装置、报警装置、控制及联动控制装置、灭火装置、监视及图形显示装置自成系统，当灭火装置完成自动跟踪定位时，发出声光报警，并能向火灾自动报警系统和其他联动控制设备传送报警和控制信号。
(2)剧场舞台葡萄架下按严重危险Ⅱ级设计，设置雨淋喷水灭火系统，该系统的联动控制方式:由同一报警区域内的两只或以上独立的感温火灾探测器或一只感温火灾探测器与一只手动火灾报警按钮的报警信号作为雨淋阀组开启的联动触发信号，由消防联动控制器控制雨淋阀组的开启;该系统的手动控制设置方式:将雨淋消防泵控制箱的启动和停止按钮、雨淋阀组的启动和停止按钮，用专用线路直接连接至设置在消防控制中心内的消防联动控制器的手动控制盘，直接手动控制雨淋消防泵的启/停及雨淋阀组的开启;水流指示器、压力开关、雨淋阀组、雨淋消防泵的启动和停止的动作信号应反馈至消防联动控制器。
因水炮装置的体积较大，设计及施工时需与装修单位协调配合，在满足消防设计规范及消防验收要求的同时又能达到较好的装修效果。
5 弱电系统设计
本项目除设计及采用了相对常规的智能化系统(如高清视频监控、紧急报警、门禁、物业无线对讲、巡更等安防系统，综合布线、移动通信覆盖、信息发布及查询、背景音乐及紧急广播、有线电视等信息化应用相关系统，能源计量及管理、智能照明控制、楼宇自控等楼宇设备管理相关系统)之外，还基于剧场的运营和管理需求，设置了以下相对有剧场设计特点的系统。
(1)安检门、安检机，用于特殊活动时的安保需要。
(2)多功能厅内设会议系统、投影系统、音响系统。
(3)剧场入口外墙面设置实时监控系统，用于供迟到的观众在大堂收听、收看演出节目。
(4)票务系统，设置LED显示屏，设置自助取票机。
(5)无线网络覆盖(Wi-Fi)系统，供观众及顾客免费连接互联网。
6 楼宇自控系统设计
楼宇自控系统对建筑内的新风机组、空调机组、风机、热交换系统、水泵、电梯、照明控制系统、能源管理系统等所有机电系统及设备进行监控和管理。系统平台兼容工业标准(如Lonwork、BACnet、AＲCnet，Ethernet)，能通过开放的协议及通讯接口(如ＲS232、ＲS485、TCP/IP、Modbus、BACnet、Lonwork、OPC等)接入第三方控制系统。以通讯接口形式接入的系统包括:中央冷源监测控制系统(本项目冷热源外供，由设置本项目冷热源的相邻地块引来)、中央热源监测控制系统(本项目冷热源外供，由设置本项目冷热源的相邻地块引来)、电梯控制系统、电力监控系统、智能疏散照明控制系统、能源管理系统。另外，针对剧场舞台区域的特殊控制需求，在楼宇自控系统的设计上有如下相对特殊的控制方案。
(1)舞台区域送风阀控制方案。舞台区域空调送风系统设计选用了侧送风口(侧喷口)及下送风口(圆形散流器)，平时使用为侧喷口全开状态，但为防止舞台两侧侧喷口的送风对舞台幕布或道具产生影响，对侧喷口风阀和圆形散流器风阀在楼宇自控系统内增加了以下控制逻辑要求:当侧喷口风阀全开时，圆形散流器上风阀全关;当圆形散流器上风阀全开时，侧喷口风阀全关。即不允许出现风阀全开的情况，根据演出需要甚至可选择关闭全部风阀。
(2)舞台区域排风系统控制方案。舞台区域的排风系统平时为常闭状态，可根据时间表或演出需要(舞台指令)进行启/停控制，同时，对服务舞台的2台四管制空调处理机组(AHU)及1台排风风机在楼宇自控系统内增加了以下控制逻辑要求:当排风风机开启时，空调处理机组自动切换至最大新风量运行模式，新风阀开至最大开度，回风阀开至最小开度，同时，排风风机与空调处理机组风机及新风、回风风阀设置联锁。
7 结束语
本文简要介绍和分享了小型剧场项目的供配电系统、防雷接地系统、火灾自动报警系统、弱电系统、楼宇自控系统设计的特点，仅是笔者对剧场项目设计的一些体会，希望能对同行有所借鉴。
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