聚焦“体育照明”|体育场馆场地照明专用电源切换时间的研究

中国建筑设计研究院 李炳华 王振声 李战赠 马名东 王烈

摘 要：体育场馆场地照明专用电源装置是场地应急照明关键设备之一，其核心参数是切换时间。本文给出了切换时间的定义、含义，通过试验确定了场地照明专用电源装置切换时间的特性，从中得出关于切换时间的重要结论。

关键词：体育场馆 场地照明 专用电源装置PSFL 切换时间T1和T2 金属卤化物灯

1概念

1.1 场地照明应急供电方案

对于甲级、特级的体育场馆，其场地照明分别为一级负荷和特别重要的一级负荷，因此，对其供电应能保证供电的可靠性和连续性。除市电和柴油发电机组外，还应有其它保障措施，目前这些措施主要有采用热触发装置、UPS（不间断电源系统）、EPS（应急电源供电）。三种解决方案的特点见表1。

由表1可知，UPS可以保证场地照明灯供电的连续性，但UPS应降容使用，这是因为UPS专门为计算机类负荷设计，这类负荷是容性负荷，而场地照明灯多为金属卤化物灯，它们是电感性负荷，两者不匹配。EPS切换时间过长，由市电换至EPS供电时金属卤化物灯有可能熄灭，不满足供电可靠性和连续性的要求，但EPS在过载能力、对环境的要求、效率、寿命等方面较有优势。热触发装置有较多的工程实例，它相当于灯具的价格让很多人望而却步。更糟糕的是，每次触发都会大大减少灯的寿命，影响灯的色温，不利于彩色电视转播。同时热触发装置有较短的转换时间，这段时间是黑灯期间，容易引起观众惊慌，存在事故隐患。由此可得，上述三种方案都有缺陷，必须找出一种新方案解决场地照明应急供电问题。

因此，有笔者提出了用场地照明专用电源装置PSFL（Power Supply of Field Lighting）作为场地照明灯的应急电源，PSFL有人称之为快速EPS，它必须根据场地照明灯的特性进行设计，吸取UPS和EPS的优点。PSFL的核心参数是切换时间。理论上，切换时间小于半个周波即可，即10ms，在半周内切换，相当于波形畸变，不影响灯连续工作。实际情况与理论分析是否一致？下面将会给出答案。

1.2 定义

1.2.1 波形的组成

市电切换到PSFL供电有共同的特点，即它们多是三相交流电源，反映到电源切换的前后，波形由三个部分组成（见图1）。

图1电源切换波形图

Ⅰ区：该区为市电三相交流正弦波区域，为近似标准的正弦波；

Ⅱ区：为电源切换区域，反映电源由市电转换到PSFL的全过程；

Ⅲ区：该区为PSFL供电的三相交流正弦波区域，波形也为近似标准的正弦波。

1.2.2 电源切换区的构成

电源切换区——Ⅱ区是转换的重点，能否保证金属卤化物灯在电源转换过程中不灭，Ⅱ区是关键。Ⅱ区也由三部分组成。

a段：为电源转换的初期。此时市电已经开始断电，从波形上看，电压还沿着原波形走势持续一段时间，但波形明显畸变。造成这一现象有以下原因：第一，开关断开有固有开断时间，这一过程实际上是开关触点拉弧时间；第二，金属卤化物灯的镇流器为电感性元件，当市电断电瞬间，电感性元件产生反向电势，阻止电流减少；第三，为提高功率因数，金属卤化物灯要加装补偿电容器，一般为40uF～60uF，电容器在电源断电时有个放电过程。放电过程与时间常数T有关，T=RC。因此，这一时期构成复杂的R、L、C电路，我们称a段为电压维持段。a段持续时间与回路电阻R、电感L、电容C、回路构成（串并联关系）、电流变化率等因素有关。

b段：为电源转换期。此段市电彻底断开，PSFL投入。触点突然吸合，并伴随抖动，导致波形剧烈振动。b段经历的时间较短，在体育场馆金属卤化物灯的应用中，b段一般小于5ms。b段也叫电源切换段。

c段：电源转换的末期。与a段相反，c段波形取决于开关固有合闸时间、金属卤化物灯镇流器反向电势的大小、电容器在电源接通时的充电过程，三种波形叠加到PSFL正弦波，造成c段波形畸变。

对于电子转换开关，b段表现得不明显，没有剧烈的振动，其经历的时间也大大缩短。

1.2.3 切换时间

定义1：切换时间T1为一路电源完全断开到另一路电源刚刚接入的时间，单位：ms。

图1b段所用的时间为切换时间T1。市电开关拉弧已经完成，电感和电容的作用也已经结束，波形刚进入b段,这是T1的起点，b段触点有一振荡,振荡结束点为T1的终点，也是c段的起点。

定义2：切换时间T2为一路电源刚开始分断但没完全断开到另一路电源完全接入的时间，单位：ms。

图1Ⅱ区所用的时间为切换时间T2，T2包括a、b、c段所用的时间之和。市电开关开始动作为T2的计时起点，经历a段畸形波形、b段振荡波形、c段畸形波形结束为止。

因此，切换时间是指由一路电源切换到另一路电源所用的时间。场地照明光源多为高强度气体放电灯，我们追求的目标是在电源切换过程中高强度气体放电灯不能熄灭，用T1和T2表示。

2试验

经过与青岛创统公司、GE公司、松下公司、PHILIPS公司、索恩公司联合试验，取得了许多宝贵数据。表2为采用GE公司EF2000投光灯的试验数据。图2为EF2000切换波形。

GE公司出品的灯具EF2S2000为最新设计产品，适合潮湿区域，标准配置为IP65。高反射率高纯电化铝反射器，铝制副反射器。AC3800V/50Hz电源，工作电流小。背后开启式换灯门（包括一级反射器），更换灯泡带开门自动断电装置。高压铸铝灯体，玻璃压圈，钢化平板玻璃。内置式眩光/溢出光控制系统，瞄准指示器。椭圆形配光灯具效率最佳。可选热启动系统。

表3为采用PHILIPS公司MVF403-2000W投光灯进行切换试验的试验数据。MVF403灯具为最新产品，采用MVF403时，PSFL的切换时间见表3，MVF403的切换波形见图3。2008年奥运会分会场——秦皇岛奥林匹克体育场、雅典奥运会众多赛场就是采用此灯具，光源配MHN-SA2000W金属卤化物灯。灯具采用高强度压铸铝灯体，1.6mm～3mm厚钢化玻璃，硅橡胶密封圈，不锈钢防护网，高纯铝反射器，热镀锌支架。全新设计椭圆形反射器，配光效果更好，效率高。外形更加紧凑美观，风阻系数大大减小，重量仅13.7kg。7种不同角度配光的反射器，满足各种应用要求。可配1000W、1800W、2000W双端金卤灯。光源显色性Ra=92，色温5600k。背后开启更换灯泡，附安全开关，维护更加安全方便。有调光刻度，并有瞄准器，防眩光罩，彩色滤色片等多种配件可供选择。可采用上照型、下照型和热启动型。

图2 EF2000切换波形图

（a）T1=1.5ms T2=15ms

（b）T1=1.5ms T2=22ms

图3 MVF403切换波形图

3结论

通过试验及其数据和波形分析可以得出以下结论：

（1）切换时间具有明显的不确定性。由表2可知，对于同一盏灯而言，具有相同切换时间T1、T2，有时候灯不熄灭，有时候灯熄灭。表2序号④切换时间T2=7.5ms，灯不熄灭；而序号③切换时间较短，T2=6ms，灯反而熄灭，不确定性十分明显。表3进一步证明了灯熄弧时间的不确定性。

（2）切换时间T1具有相同的时间。表2和表3均能说明T1=1.5ms.因为，T1为b段所持续的时间，转换的过程即是触点吸合的过程，这段时间由触点固有吸合时间所决定。

综上所述，在切换过程中，金卤灯是否熄灭不取决于切换时间（除非切换时间为零）。因为，高强度气体放电灯没有切换时间的参数，因此不同光源、或者同一光源每次切换，其切换时间各不相同，切换时间离散性较大。