防暴水炮對艦艇電站的影響及解決方法

摘 要： 通過對艦艇防暴水炮和電站的認識，分析了艦艇防暴水炮和船艇電站的作用、結構及主要組成部分，以及水炮作為大功率負載啟動、運行時對電站所造成的影響，最后，針對艦艇實際情況，提出一些改進措施和方法。

關鍵詞： 水炮； 電站； 軟啟動； 軸帶發電機； 重載詢問

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0031?04

海警部隊218B型以上的艦艇，均裝備了水炮及其操作系統，在海警部隊處置海上突發事件和執法執勤中發揮了重要作用。但現有海警船艇電站容量比較小、工作效率不高，特別是當艦載防暴水炮作為大負荷用電設備接入電網，必定對電網造成較大的沖擊，即使在兩臺發電機帶動水炮電動機運行的情況下，依然存在發電機運行吃力的問題。本文對水炮運行存在的問題，提出改進的想法和措施，并根據這一構思，分析其可行性。

1 艦載水炮的作用、結構和分類

防暴水炮是裝備在海警巡邏艦艇上的、噴射一定壓力水的非殺傷性武器，攻擊企圖抵抗和逃逸的海上犯罪嫌疑人，對他們進行海上壓制和威懾等任務；在必要時也可用于機艙應急大量排水，從而可以極大提高艦艇的生命力。艦艇上的水炮裝置由拖動電機、離心水泵、電控箱、水炮組成。根據水炮的操作方式的不同，可以分為手動和遙控兩類：

1.1 手動操作式水炮

手動操作的水炮主要由臺架、水平回轉彎管及俯仰彎管、合流管、炮筒和噴嘴組成。根據回轉機構的不同，分為手柄式、蝸輪蝸桿式和半蝸輪蝸桿式三種。其中水平回轉彎管是作左右旋轉的送水管，他的頂部有作上下俯仰彎管的轉節，其前端裝有炮筒。手柄式水炮，靠裝在俯仰水管上的手柄進行操作。

1.2 遙控式水炮

所謂遙控操作，就是以油壓或電氣為動力源對水炮進行遙控操作。

（1）油壓驅動遙控式。這種水炮的動力源是油缸，其液壓原件體積較小，能比較靈敏地進行動作調節，它特別適用于要求防暴的場合。

（2）電動遙控式。這種水炮的動力源是電動機，它動作靈敏、價格較低，因此在大多數船艇得到了廣泛應用。

對于防暴的水炮系統，要求從炮口射出的水流為密集水流，這樣才有一定的攻擊力。水的流量越大，壓頭越高，其威力越大，有效攻擊距離越遠。但由于艦艇上電站的限制，不可能選擇太大功率的水炮泵，所以利用艦艇上的電站，盡可能選用流量大的泵，選用較大口徑的炮口，從而增加水炮的攻擊力，最大限度發揮其效能。

2 水炮啟動對電站的影響

船艇電力系統是一個獨立的系統，通常其容量相對陸地上的電網來說是較小的，一般小于2 000 kW，單機容量小于1 000 kW，電力網輸電距離很短，一般不超過200 m、電壓小于500 V，多采用電纜而不采用架空線，配電裝置簡單、可靠。但水炮是大功率負載，其工作電流很大，產生較大的電動力，使用時可能會使水炮泵的刀開關產生誤動作；泵上的幾根平行導線也會在大電動力作用下變形，容易使導線折斷或接頭松脫。水炮泵起動時，同步發電機的電樞反應去磁效應會引起電網電壓大幅度下降，特別是突加和突卸時，引起的電網頻率和電壓較大的波動，影響供電質量，嚴重時還會引起電站主開關產生電弧或跳閘事故。其通過電流時會產生電阻損耗，特別是帶動水泵運轉的三相異步電動機，在交流電磁場的作用下產生磁滯渦流損耗，這些損耗都以熱的形式表現出來，在極短的時間內產生大量的熱，如果散熱不當，造成水炮局部機械強度降低，引起接觸器電阻增加，引發觸頭的熔焊，絕緣材料老化變脆，最終導致絕緣性能變壞。水炮泵由鼠籠式三相異步電動機帶動，鼠籠式三相異步電動機的啟動電流是其額定電流的6～7倍，如果水炮泵采用直接啟動的辦法，將會影響艇上的正常供電質量。另外水炮泵在傳送液體時，其流量和轉速成正比，泵轉速的微小變化會引起負載轉矩和液流壓力較大幅度的變化，突然啟動或者突然停機，液體產生巨大的沖擊力，將產生“水錘效應”，對泵體和管路設施產生損壞，縮短水炮壽命。所以需要通過從啟動、運行、停機三個環節降低這種不良影響，但最根本、最便捷的方法是增大電站的容量，從而能在根本上解決此類問題。

3 水炮啟動方式

為了使水炮達到一定的水壓、射程、噴水量，從而要求推動電機的功率要大，一般為幾十千瓦。顯然這樣大的功率已不適合直接啟動，目前艦艇上常用的啟動方式有：自耦變壓器降壓啟動、軟啟動。自耦變壓器降壓啟動屬于有級減壓啟動，啟動過程存在二次沖擊電流，所以并不是最好的選擇，而軟啟動對應的感應電動機的功率可以更大一些，能很好的解決電動機啟動時管道內水壓波動造成的沖擊問題。軟啟動是指使用降壓裝置，在規定的時間內，自動將啟動電壓連續平滑的上升，它無沖擊電流，可以根據負載情況及電網繼電保護特性，自由地無級調速至最佳啟動電流，直達電動機額定電壓。

目前船艇上多采用電力電子晶閘管式軟啟動器。電子晶閘管式軟啟動器是在三相電源與電機間串入三對反并聯的晶閘管，利用晶閘管的觸發角改變軟啟動器的輸出電壓。啟動時，電動機端電壓隨著晶閘管的導通角增大而逐漸上升，轉速也隨著增大，直到晶閘管全導通。電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉速時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路啟動器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運行提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。軟啟動器還提供了軟停車功能，軟停車消除了由于自由停車帶來的拖動系統反慣性沖擊；停車時，先啟動軟啟動器與旁路接觸器并聯運行，然后切除旁路，軟啟動器內晶閘管導通角從大逐漸減小，使輸出的電壓逐漸減小到零，電機轉速也隨著降到零，從而完成停車過程。

4 電站的改進措施

海警艦艇一般都安裝有兩臺發電機，水炮運行后必須將這兩臺發電機并車運行，但在大風浪航行和進出港等耗電量相當大的場合，水炮不一定有足夠的電力運行，這就需要利用艇上現有的裝備進行電站改良。

通常船艇主機的功率都有10%以上的富裕量，而船艇上安裝的發電機容量卻不會超過這個數值，并且主機效率也通常比常規的柴油副機發電機高，因此在考慮節能時理所當然地優先使用軸帶發電機。

4.1 軸帶發電機及其相關系統

當欲起動水炮時，應先詢問運行發電機功率儲備是否滿足其用電要求，若不能滿足時，則應先啟動備用機組，并車后才允許水炮接入電網。根據發電機功率變換器的功率變比（V/kW），在電位器的動觸頭上取一電壓信號，使之相當于準備投入的水炮功率，包括啟動時的沖擊，即所謂的“模擬負載”。經按鈕A接到運算放大器，與發電機測功器的輸出信號相加，再由鑒幅器來檢測求和的結果；鑒幅器的鑒幅值，可以設定在相當于發電機容量的某一百分值，如果鑒幅器未動作，則表明儲備夠用，水炮可以通過輔機發電機并聯啟動。若鑒幅器動作，表明儲備容量不夠，即向控制臺發出“軸帶發電機啟動”信號，同時向主機和軸帶發電機的離合器發出信號，并將信號傳遞到齒輪箱內，由變速齒輪降低螺旋槳轉速和提高軸帶發電機的轉速，盡量保證主機轉速恒定和軸帶發電機在額定轉速。這時主機開始帶動軸帶發電機運行。

軸帶發電機開始發電后，控制人員閉合開關S2，接觸器線圈KM通電，與水炮電纜相連的常閉觸頭KM斷開，水炮泵自動脫離船艇電網，另外兩條支路上的常開觸頭KM閉合。當主機轉速繼續上升達到軸帶發電機額定轉速時，速度繼電器常閉觸頭SDJ自動斷開，此時就由軸帶發電機單獨給水炮供電。軸帶發電機SG為低頻無刷同步發電機，發出非恒定頻率的交流電，經晶閘管整流器1變成直流電，再經直流平滑濾波電抗器2將疊加在直流電流上的交流分量限定在某一規定值后，通過晶閘管逆變器3將直流電變成標準頻率的交流電。在交流電抗器4的作用下，將主電源諧波、峰值電流降低后，供應額定的電流和電壓給水炮，使水炮正常運行。

4.2 船艇水炮配套系統

水炮接入電網時自動并車，水炮退出電網時自動解列。當小的負載接入、切除時，電網經過暫態過程后能自動回復到擾動前運行情況的能力，系統接入水炮等大負載時，電力系統自動調整，使電壓、頻率等參數恢復規定狀態。

（1）發電機的啟動和自動并車。通過重載詢問后，確定在電網已有機組供電的情況下，在啟動水炮的同時，水炮繼電器會將另一臺還未啟動的柴油機通過已設定好的程序自動啟動，并且通過同步裝置來實現自動同步和自動并車。其中自動同步并車可以是準同步自動并車，也可以是粗同步并車，保證水炮運行后的用電安全。

（2）發電機的自動調頻、調載和轉移負載。發電機并網后，剛開始處于空載狀態，通過自動調頻、調載裝置來實現在維持電網頻率不變的前提下，各發電機組的負載能按機組容量成比例分配，在需要增減機組時，能自動轉移負載。也可根據功率的要求，自動控制機組的起停，即當遇到惡劣海況，此時正在使用水炮，而功率要求增加，但運行機組功率不夠用，此時通過功率監視器和信息處理單元發出啟動軸帶發電機的指令；當水炮停止運行時，則會發出停機指令，自動停掉軸帶發電機。這樣不但保證了艦艇航行的要求，而且使電站經濟合理。

（3）巡回檢測。這是一種多測點的自動測量裝置，依靠各種傳感器，對水炮系統的電壓、電流、功率、溫度、液位、壓力、轉速進行自動而連續的巡回測量，并將測量結果顯示在監測屏幕上，計算機通過分析，確定是否報警。此裝置不但對水炮系統進行巡回檢測，而且還對電站、主機、副機進行自動的監視和記錄，遇到問題及時報警。

（4）自動分級卸載。當艦艇遇到復雜海況時，電網有過載的危險，可能導致配電板上主開關跳閘。為了保證正在使用的水炮等重要負載連續供電的要求，往往采用分級卸載的方法，先自動卸載掉一部分次要附載，同時通過重載詢問檢查電網能否支持水炮運行，如果不行，則立即啟動軸帶發電機，并通知控制臺。

5 改進的可行性

現在海警艦艇上的水炮自動化程度還不高，船艇上的電站一旦遇到惡劣海況，電站就顯得運行吃力。如果安裝軸帶發電機以及重載詢問等配套設施，前期需要投入一定的資金增購軸帶發電機及其相關設備，從而對安裝、維護人員技術上的要求也比較高。但是在使用時，通過顯示屏就可以了解巡回檢測的結果，極大方便了機電人員對機械故障的了解和排除。發電機的自動并車和調整，減輕了工作量，使并車變得方便、準確。

在設計中，軸帶發電機只為水炮系統提供電能，即使利用船艇電網補償電能，也是先將交流電調整為直流電，再輸入晶閘管逆變器將直流變為交流，然后供應給水炮。最大限度的避免了軸帶發電機與船艇上電網存在頻率、相位不同而需要增加的調整頻率、相位的設備，減輕了艦艇重量，節約了空間，節省了資金，降低了維護成本。雖然利用軸帶發電機帶動水炮在一定程度上降低了艦艇的機動性，但是在使用水炮時，艦艇一般不需要如此大的航速。況且只有一臺主機帶動軸帶發電機，盡量保證了船艇在使用水炮時的機動性能。軸帶發電機為水炮提供了強有力的電源，極大的減輕電站負擔，而且無需對電站進行大幅度改裝，所以加裝軸帶發電機及其配套系統是有利海警艦艇部隊裝備發展的，這項改進理論上可行。

6 結 語

通過對水炮供電系統的改進，解決了水炮啟動、運行時對電網的不良影響，為水炮提供了強大的電能，降低了操作人員和維護人員的工作強度。使發展中的海警部隊在執法執勤中更加順利和安全，為機械設備和電氣設備的正常運行提供了有力的物質保證和技術支持。

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