青年力量优秀论文选编：浅析马达加斯加国家体育场改扩建工程电气设计

1 电气主要系统简介

该项目原始情况如下：原建筑面积 22818.89 ㎡，拥有坐席 14762 座，改造后建筑面积为 38170.45 ㎡，拥有坐席 40002 座，无罩棚。由于在主席台至主球场有一条阅兵通道，故该体育场被划分为包含主席台的主看台 A 段和包含观众看台的 B 段。如下图所示：

1.1 变配电系统

1.1.1 负荷分级

根据我国《供配电系统设计规范》、《体育建筑设计规范》、《民用建筑电气设计规范》，本工程的用电负荷分为一级负荷、二级负荷和其他负荷。一级负荷中主要包括消防设备、比赛场地及其他重要赛事照明、重要的赛事弱电负荷及其他重要弱电负荷；二级负荷为普通照明、普通办公用电、客梯、生活泵等；其他负荷即为非一级、二级负荷。

1.1.2 供电电源

该体育场原始仅有一路 22kV 市政电源，电源容量约为 300kVA ，能基本维持体育场的运维。当夜间开启体育照明后，需关闭部分其他负荷。且当地市政电源极不稳定，短时间停电的现象时有发生。经了解，当地市政电力还在规划中，为本工程能配置几路市政，每路市政的容量均不得而知。为了保障 2020 年 6 月举行国庆大典，本工程在设计之初暂不考虑市政电源能按时接入，仅预留好土建条件。

根据需要系数法进行的负荷计算，本工程设置了一组 3x900kVA( 基本功率 ) 柴油发电机组并机运行进行供电。为了节省土建投资，柴油发电机选用了室外集装箱型静音机组。在场地外侧的相对隐蔽处的绿地内设置柴发机组，在柴发机组室外地坪下直埋 1 个 10m 3的室外油罐，总储油时间可满足所有负荷供电不少于 20 个小时。

在改造主体内设置 1 个变配电室。市政电力如果是低压引入，需采用电缆埋地方式接入变配电室低压开关柜内。市政电力如果是高压引入，需经高压配电后采用电缆埋地方式引入变配电室，变配电室内预留有变压器安装位置，市政高压引入后增设相应变压器。

1.1.3 配电系统

变配电室内的 0.23/0.4kV 侧一次接线采用单母线分段接线方式。变配电室内均为赛后的市电接入预留 2 段母线。

低压配电系统采用放射式与树干式相结合的方式，对于单台容量较大的负荷或重要负荷如：电梯，场地照明等采用放射式供电；对于一般负荷采用树干式与放射式相结合的供电方式。

对于消防控制室、消防水泵房、防烟与排烟风机房的消防用电设备，电视转播机房、评论控制室、新闻发布厅、功放控制室、计时计分显示装置、照明控制室、数据网络、通信机房、安防系统等重要的赛事弱电负荷和中央监控室等其他重要弱电负荷，在其配电线路的最末一级配电箱处设置自动切换装置。

应急照明采用单回路 +EPS 应急电源的供电方式。

比赛场地照明，新闻发布厅照明，总统包厢等重要赛事照明均设置两个照明配电箱，各负责 50% 照明负荷。

二级负荷和其他负荷采用单回路供电。

1.2 体育照明系统

在场地四周设置 4 根高杆灯对体育场进行比赛照明。

体育场的体育照明设计最高需满足国际足联（ FIFA ）《足球场地建设的推荐技术和要求》中所规定的Ⅳ级转播要求即 TV 转播国家比赛等级对垂直照度、照度均匀度、照度梯度、眩光、显色性及色温等方面的要求。

1.3 防雷系统

本项目按国内第二类防雷建筑进行设计。体育场的防雷装置满足防直击雷、防闪电电涌侵入和防雷击电磁脉冲，并设置总等电位联结。为降低比赛时场地内运动员遭受雷击的风险，在体育场照明灯杆上设置提前放电避雷针。

2 电气系统重、难点、与国内差异浅析

本项目与国内同类型体育场相比，在主要电气系统设置上有如下差异，这主要是考虑到了缩减成本。

下面将针对主要的三个系统进行重难点、与国内系统的差异进行分析。

2.1 供电电源

如前文所述，本工程将柴油发电机组为重要活动或比赛的主用电源，其优点如下：当多台机组并联时，电压、频率等较为稳定，亦可以承受大功率负荷投切时给电源带来的冲击。根据体育场电力负荷需求，如平时、赛时，机组可以灵活地调整投入发电机台数，以保证单台发电机保持在最佳运行状态，这样也可以减少发电机组的燃油和润滑油损耗，便于维护，延长发电机的寿命，为业主带来良好的经济收益。

电源系统的供电单线图如下：

如图所示， A-1QF 为 1# 市电电源接入预留的开关， A-2QF 为 2# 市电电源接入预留的开关。当市电未接入时，发电机输入柜的低压断路器 AG-1QF~AG-3QF 、发电机输出柜的低压断路器 AG-3QF 、低压母排 A-I 段和 A-II 段的母联柜断路器 A-3QF 处于合闸状态， A-ATS 双电源转换开关接入 a ，当每台发电机控制柜在检测到电压、频率等各项参数指标合格后方可投入并机，为整段低压母线供电。

当有市电接入后，各路电源运行逻辑如下：

平时由两路市电进行供电，双电源 A-ATS 打到 b 档，当 A-1# 电源失电时， A-1QF 断开，母联断路器 A-3QF 合闸，由 A-2# 电源对两段母线进行供电；当 A-2# 电源失电时， A-2QF 断开，母联断路器 A-3QF 合闸，由 A-1# 电源对两段母线进行供电；当两路电源均失电或电压降至设定的阈值时，并机控制模块检测到异常，自动启动柴油发电机组，系统控制其中一台柴发自动合闸开始带载运行，另外两台柴油发电机控制模块自动跟踪已启动的发电机频率和相位，当其各项参数完全一致时，控制模块发出合闸指令，进行并机运行，负载均衡器将自动分配荷载，同时双电源 A-ATS 打到 a 档 , 断路器 A-1QF 和 A-2QF 断开，由柴发机组对两段母线进行供电。当市电电压恢复时，发电机组也可自动解列，进入停机状态。以上逻辑的运行均采取自动控制，因为机组并机的操作相对复杂，对操作人员技术素质要求较高，一旦发生误操作，极易造成机组及零部件损坏。采用自动并机、自动启停、自动功率分配控制可有效避免人为误操作。

在国内，类似项目的供电方案一般为两路或一路市电主用，一路发电机作为备用，当市电失电时，由发电机对部分重要负荷进行供电。而本工程的供电方案为一路发电机作为主用电源，市电仅作为备用电源。

综上所述，在遇到一些区域基础设施不完善、电力条件较差的情况下，当建筑等级较高或需要举办重要活动时，发电机组作为主要电源是较为合理的供电方案。

2.2 体育照明系统

本工程场地照明选用 360 套 1500W 大功率 LED 灯，观众席和场地应急照明选用 120 套 800W 大功率 LED 灯。灯具采用单灯就地补偿，要求补偿后的功率因数大于 0.9 。灯具防护等级为 IP65 。灯具布置于场地四周的高杆灯上，灯具投射角控制在 65 度以内，每个灯具瞄准点至少有来自三个方向照明光线，且场地上任一点均应有来自 L1 、 L2 、 L3 三相灯具的光线，以抑制频闪。体育照明采用智能照明控制系统，把所有灯具按非转播训练和娱乐活动，非转播联赛和俱乐部比赛，非转播国家比赛， TV 转播国家比赛等使用条件规划为多种开关模式，以满足电视转播、比赛及训练、维护的照明要求。计算机可以模拟现场开灯状态，自动检测灯具是否正常工作、是否有漏电电流，并反馈显示故障灯的位置，降低系统的管理维护工作量，提高系统的可靠性。

2.2.1 巧用计算缩减体育照明初投资

由于非洲世界杯的比赛还在申请中，且未来举办国际赛事的机会较少，为了节省投资，在体育照明的配电设计和照明设计中巧用了灯具维护系数值，对初投资进行了节省。

按照国际足联的要求，该体育场既然要申办国际赛事，其体育照明的设计应按照Ⅴ级 TV 转播国际比赛进行设计，而Ⅴ级与Ⅳ级的对比如下：

由上表可以看出，Ⅴ级与Ⅳ级在水平照度最高值、最小垂直照度值有所差距，在照度均匀度上有微小差别，但是差别不大。故在Ⅴ级与Ⅳ级设计时主要考虑垂直照度与水平照度值限值。

本工程在设计时按照Ⅳ级转播要求进行设计，灯具维护系数取 0.7 ，当设计完成后，以现有设计的灯具布置和数量，按照灯具维护系数 0.95 进行了校核，发现现有设计能满足Ⅴ级转播要求。这是因为新采购灯具光效高、灯罩洁净，其维护系数可以达到 0.95 。随着使用时间的增加，灯具材质老化、 LED 芯片光效降低、环境尘埃对灯具表面造成污染，使得灯具的光通量减少，灯具维护系数下降。

为了保险起见，在体育照明招标过程中，要求投标厂家均按照Ⅳ级转播要求进行设计，然后再按照Ⅴ级转播要求进行校核。

这样在工程投入初期既满足比赛需求又可以节省投资，若后期再申办一些国际性比赛，只需要在赛前更换灯具即可。 该解决方案得到了业主的强烈认可。实际上在国内许多体育项目中，许多业主盲目提高转播等级，这将增加配电投资、灯具投资，殊不知在未来真正举办赛事的时候，都需要对场地照明进行检测，许多场馆由于维护不当，基本上几年就需要整体更换灯具。

2.2.2 国内、外体育照明设计的几点差异

2.2.2.1 灯具投射控制角

《足球场地建设的推荐技术和要求》中规定灯具投射方向与场地中心点之间的夹角不大于 70 °。

《体育场馆照明设计及检测标准》 JGJ 153-2016 中规定灯具投射方向与场地近边线之间的夹角不大于 65 °或 60 °。

由此可见，我国对于灯具投射方向比 FIFA 更为严格。

2.2.2.2FIFA 与国内最高转播等级对比

由上表可见，我国对于水平照度的照度均匀度比国际足联要高一个等级。在照度方面，与国际足联一致。在一般显色指数和 R9 饱和红色显色指数上要比国际足联要求严格。总体来看，我国的转播要求标准已经达到世界先进水平，甚至可以说，在色彩还原方面，我国的要求更为苛刻。

随着 LED 产品的普及，在此我们也着重提出对 R9 值的控制。在讨论高显指的 LED 时，我们不仅仅考虑一般显色指数 Ra ，对于饱和红色的特殊显色指数 R9 也应重点考虑。因为研究发现一般显色指数 Ra 对 LED 的显色性评价存在与视觉评价不一致的问题。一般显色指数 Ra 较低的 LED 白光在视觉上的显色性可能并不一定较差，反之， Ra 较高的 LED 白光在视觉上显色性并不一定较好。因此只有 Ra 和 R9 同时具有较高值时才能保证 LED 的高显色性。

2.2.2.3 近年足球场场地照明标准的变化

需要说明 FIFA 2002 版有慢动作摄像机和移动摄像机，而 2007 版、 2011 版只有场内摄像机，两类摄像机性质不同，本文选取 FIFA 2002 版中慢动作摄像机方向上的垂直照度 1800lx 参与比较。

固定摄像机方向上的垂直照度 2002 版为 1400lx ，但是到了 2007 版，垂直照度突然涨到了 2400lx ，比之前的数值上涨了 70% ，到了 2011 年，此数值回落到 2000lx 。

而我国标准《体育场馆照明设计及检测标准》在 2007 和 2016 两个版本上一致，场内摄像机方向上的垂直照度基本持平没有变化。国际足联对场地照明的光源色度参数的要求也在变化。如下表所示：

其中光源的色度参数对电视转播至关重要，主要有显色性和色温两个指标， FIFA 从 2002 年到 2007 年将一般显示指数 RA 的下限值由 80 调低到 65 ，且以后一直维持下线值为 65 。相关色温从 5500K 下调到 4000K 。我国的相关色温与国际足联 2002 版一致，且一致沿用至今。

2.3 防雷系统

马达加斯加首都塔那那利佛海拔约 1200 米，属于热带雨林气候，受季风的影响，全岛 4-10 月为旱季， 11 月 - 次年 3 月为雨季。在纬度位置上，与我国三亚比较属于南北半球对称的关系。故在考虑本工程防雷计算时，可参考三亚的相关数据进行推演。

本工程除了在保护建筑本身外，还需考虑保护在看台上的观众以及球场上正在比赛的运动员。历史上，在无罩棚的足球场上，被闪电击中的运动员比比皆是，尤其是在非洲和岛国，由于其独特的地理位置和气候条件，经常会出现雷电交加的天气。故本工程设置的防雷设施应能全范围的覆盖整个球场，尤其是场心。这与国内规范《体育建筑电气设计规范》 JGJ 354-2014 的第 12 ． 1 ． 2 条室外体育场的比赛场地可不在建筑物防雷设施的保护范围内的条文做法有明显的差异。

2.3.1 国内计算及做法

若按照《体育建筑电气设计规范》中避雷针保护半径来计算，通过《建筑物防雷设计规范》 GB 50057-2010 附录 D 中滚球法的计算公式，避雷针的保护半径公式：

其中 r x 为避雷针保护半径； h 为避雷针尖距被保护平面的高度，在本工程中即为 55 米； hx 为被保护物的高度，本工程选取地面高度，即 0 ； hr 为滚球半径，本工程为第二类防雷建筑，取 45 米。则避雷针的保护半径 r x 为：

就本工程避雷针的安装高度，按国内规范进行计算，避雷针的保护半径仅为 43.8 米，远远不能满足保护场心的要求。

2.3.2 国外计算及做法

按照法国标准《法国（建筑物）防雷标准》 NF C17-102 ： 2011-09 相关公式（因马达加斯加曾是法属殖民地，在建设过程中有部分标准是按照法国的国家标准进行执行），当将普通避雷针更换为提前放电避雷针时，其保护半径的计算公式如下：

其中 h 为 E.S.E 闪电导体针尖距被保护平面的高度，本工程取 55 米； D 为滚球半径，根据法标要求本工程取 45 米；

△ L （米） =V （米／微秒） * △ T （微秒），式中△ L 为启动先导向上发射的距离；△ T 为启动抢先时间 52 微秒（由北京雷电防护装置测试中心按《法国（建筑物）防雷标准》 NF C17-102 ： 2011-09 测试后提供）。当提前放电避雷针的启动抢先时间 52 微秒， V=1m/ μ S ，代入公式 2 得△ L=52m 。则：

米

由以上计算可知，当使用提前放电避雷针时， 4 根避雷针的保护区域互相重叠，完全覆盖整个看台及比赛场地，不留任何雷击死角，满足了业主对于比赛球员保护的要求。

3 总结

对于国外的 EPC 工程，一般都属于限额设计。如何在有限的工程费用下，既满足业主要求，又满足国内外的参考规范，是需要设计师针对不同项目进行分析。就本工程而言，主要有三大系统与国内同类型工程有所不同：

a. 本工程采用箱式柴油发电机组为主电源，为建筑提供电力。柴油发电机组可通过控制模块实现具有自动切换、自动并机、自动解列的全自动供电系统，为整个建筑提供稳定的电力供给。

b. 本工程体育照明设计按国际足联Ⅳ级国家级大型体育赛事的转播进行设计。但其灯具初装时，满足国际足联Ⅴ级国际大型体育赛事转播的指标要求。既可满足承办非洲世界杯的要求，也为业主减少了建设成本。

c. 本工程使用了提前放电避雷针，并按照法国标准进行计算。最终在避雷针同样的高度下，提前放电避雷针可实现保护球场内所有人员，包括场地中心的参赛人员。

随着建筑行业的发展，对设计提出了比以往更高的要求，既要减少投资，又要设计安全，还要设计周期短。面临如此大的挑战，设计师们应以包容、开放的心态学习国外成熟、良好的设计理念与技术，同时我们也应对自己更加严格要求，提高技术水平与项目管理能力。其实我们在项目设计过程中还不够精细，不够严谨，我们可上升的空间还很大。希望同行们一起努力，让我们的工程设计与工程实践能在世界的舞台上经得起检验。

参考文献：

[1] 《体育建筑电气设计规范》 JGJ 354-2014

[2] 《建筑物防雷设计规范》 GB 50057-2010

[3] 《民用建筑电气设计规范》 JGJ 16-2008

[4] 《法国（建筑物）防雷标准》   NF C17-102 ： 2011-09

[5] 李炳华，董青 . 体育照明设计手册 .[M]. 中国电力出版社 2009

[6] 李炳华，岳云涛 . 现代照明技术及设计指南 [M]. 中国建筑工业出版社 2019

[7] 国际足联（ FIFA ）《足球场地建设的推荐技术和要求》

[8] 谭长安，中东地区电气专业深化设计介绍 [J]. 建筑电气， 2008 （ 7 ）： 15-20