新型船用防海盜高壓脈沖電網的研究

摘 要：航運業在世界經濟發展中起著重要作用，但近年來不斷出現的海盜劫持商船事件嚴重干擾了航運業的秩序。該文通過對船舶現已使用的簡 易防海盜高壓電網分析與改進，提出了一種新型防海盜高壓脈沖電網的設計方案。

關鍵詞：防海盜 卷簾式 高壓脈沖電網

中圖分類號：U698 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-04

該研究是利用高壓脈沖電網、卷簾式裝置和其他輔助設備，組建成為新型高壓脈沖電網。在保證人員和船舶安全的前提下，有效地阻止海盜登船。同時又兼顧了自動收放、方便拆卸、維修的要求。為途經海盜泛濫航區的商用船舶，特別是油船提供有效、安全、方便的防海盜設備和解決方案。

1 背景

2008年9月中旬，一艘載滿33輛俄羅斯產T-72坦克、榴彈發射器以及相關武器彈藥的烏克蘭貨船“費那”號的遭遇海盜劫持，索馬里海盜問題由此正式浮出水面，受到國際社會極度關注[1]。雖然各國采取軍事力量的護航行動不斷增加。但海盜行為依然猖獗，打擊行為力度明顯不足。一方面軍事力量和組織、調配力度不足，另一方面將如此多的軍事力量長期部署索馬里海域針對海盜問題顯然不現實。因此各國商船不得不通過在本船上加裝防海盜設備的方式，進行自我保護。作為船用防海盜設備之一的高壓電網，由于其效果明顯，已有部分船舶開始加裝并使用。但由于其結構和性能的特點，因此存在一定問題。

一般船舶安裝的高壓電網主要是在船舷焊接一連串金屬支架，在每個金屬支架上固定安裝兩到三個絕緣子，再通過絕緣子架接導線的方式來組建高壓電網的外部設備，如圖1所示。

2 傳統防海盜高壓電網分析

2.1 傳統高壓電網存在的問題

舊式高壓電網使用的電力都是船舶自帶的發電機提供的。其發電機直接提供的是380 V三相交流電。電流在經過一個變壓器后其電壓被升為5000 V，然后便被通向高壓電網的導線。在船舶駛入海盜預警海域前，船員需對防海盜電網進行安裝；使用時，船員將電網在甲板左右兩舷張開后接通甲板電源；駛離預警海域后，將電網拆除并放入倉庫[2]。

導線在經過絕緣子時，是利用綁線將其固定在絕緣子上的。雖然其固定方法因絕緣子的種類和導線的材料不同而存在差異，但是使用此種連接方式的高壓電網多少都存在漏電的問題。海上航行時，船舶因為風浪搖擺，海水不可避免的會濺到船舷上，這樣海水便有可能將絕緣子與金屬支架連接，使金屬支架通電，最終使船體通電。

這樣，發生漏電事故的可能性將會大大增加。船上的設備以及人員安全也將受到一定的威脅。特別是對于油船，液化天然氣船，液化石油氣船等運輸高危險性化學品的船舶此種高壓電網會存在更嚴重的安全隱患。

傳統高壓電網在對人員安全性上也存在一定的問題。首先是5000 V的高壓電雖然能夠有效地阻止海盜劫持商船，但是人體接觸高壓電后電流通過人體時會引起極大組織損傷和功能障礙，重者發生心跳和呼吸驟停，而且超過1000 V的高壓電還可能引起

灼傷。

對于通過繩索登船的海盜，一旦接觸到電網，便會被立即發生電擊傷害，即使僅僅昏迷落入海中，也會在水流的作用下沿著船體漂流到船尾螺旋槳處，又即使能僥幸躲過螺旋槳，在昏迷的狀態下也極有可能溺水而亡。

此外當海盜看見自己的同伙被電擊死亡后，難免一時失控向商船開火泄憤。這樣，雖可以阻止海盜登船但卻造成了更加嚴重的后果。當然，船上工作人員也有可能不小心觸碰到高壓電網并發生上述慘劇，而且哪怕工作人員沒有落入海中在缺醫少藥的商船上治療電擊傷害也十分不易。

2.2 海盜登船方式

海盜目前的登船方式一是先乘快艇靠近商船，然后拋出一根末端帶鉤的纜繩，利用掛鉤掛住船體，再通過纜繩登上船舶。二是在乘快艇靠近商船后伸出一架頂端帶鉤的硬質梯子掛住船舷，隨后通過梯子登上船舶。現代大型遠洋船舶其干舷高度可高達十數米，此種高壓電網就是通過在海盜登船時設置障礙的方式，阻止并擊退登船的海盜。

一般情況下海盜都是先偽裝成漁船等小船，慢慢靠近欲劫持的商船，再通過飛爪等工具迅速登船，再加上現代化船舶上的船員數量少，船體大等現實原因，一般商船有時難以對船體周圍的可疑船舶進行很好地監控。不少被劫商船是在海盜船小艇靠近，甚至是海盜登船后才發現海盜，這樣便失去寶貴的自救時間。

3 新型船用防海盜高壓脈沖電網

現已經使用的高壓電網其主要特點就是將導線安放在固定的金屬支架上，金屬支架簡單的與船體焊接在一起，航行中海水可能飛濺到導線上，使電網出現漏電問題，對船舶安全以及人員安全造成威脅。并且這種簡易的安裝將會一定程度上破壞船體。因此本小組設計用新型的高壓脈沖電網代替傳統的高壓電網。設計將高壓脈沖電網安放在一個可以自動收縮的承載物上，即為我們所研究的卷簾式高壓脈沖電網。結構簡圖如圖2所示。

3.1 卷簾式裝置結構和功能介紹

卷簾裝置主要由卷簾軸、電動機、卷簾簾片、卷簾導軌、卷簾支架、絕緣裝置、高度范圍紅外裝置等組成。

卷簾支架通過焊接牢固的固定于船體上，用于支撐整套裝置。卷簾導軌形狀為弧形，用于承載簾片，使簾片能在其中自由滑動，并使簾片在展開后能形成弧形同樣使用螺栓固定在卷簾支架之上。簾片上有可用于固定高壓脈沖電網導線的絕緣夾，在其上面固定一條合金導線。簾片之間一滑槽結構相互連接，平時不使用時簾片收卷于卷簾軸之上，并與卷簾軸一同架設于兩支架之間以備使用。電動機通過簡單的齒輪機構與卷簾軸連接，通過螺栓固定在船舷處或置于卷簾軸內部，其轉速和扭矩完全滿足使簾片在短時間內收卷或展開的要求。

電網導線是高壓脈沖電網的外部組成部分，其安裝于簾片的外側，可隨卷簾迅速收放，每條導線都經過導軌并聯在位于軸內的干路上，與高壓脈沖電網主機相連，形成電網。其外部結構如圖3

所示。

整套設備的主要部件卷簾軸、電動機、卷簾簾片、卷簾導軌等都是由螺栓相互連接，并最終連接于船體之上。在實際航行中，特別是對于長時間遠距離航行的遠洋商船，在使用過程中設備難免損壞故障。這樣在設備個別部件損壞、故障時就可以通過拆解連接螺栓的方式將整套設備拆下進行更換和維修，而且在僅有電網導線損毀的情況下，僅僅將簾片收回于軸上就可以進行更換和維修。并且在船舶靠泊港口或其他情況下需要將電網設備拆除時，也可以簡便快速的進行拆除作業。而且對于電網外部設施的維修和更換工作在船舷內全部可以進行。

相比之下，將電網外部設施固定安裝在船舷外的傳統高壓電網一旦在航行中損壞，在船舷內進行維修將十分困難。與現已使用的傳統高壓的焊接連接方式相比，此種連接方式使對裝置進行拆解和維修更加方便。而且高壓電網導線由鋁鎂錳鋅等十幾種金屬冶煉而成，是目前高壓脈沖電網專用的合金導線，具有抗氧化、耐腐蝕、不生銹等優點。

同時，利用數字化平臺將高度范圍紅外裝置與高壓脈沖電網相連接。在高度范圍紅外裝置發現有可疑船舶靠近時，通過數字化平臺控制高壓脈沖電網展開并使電網通電。

在絕緣方面，整套設備中與高壓脈沖電網導線直接接觸或位置靠近的部分，包括承載導線的簾片和與簾片相接處的導軌，都采用絕緣的硬質塑料或硬質陶瓷材料制作。這樣既能保證簾片和導軌具有所需要的強度又能防止漏電。由于導線并聯于導軌中的導線干路上，并最終離開簾片與高壓電網主機相連，所以對于位于干路上的導線，必須用絕緣層將其包裹，以防止導線在離開簾片時與導軌或其他絕緣體接觸。在實際操作中，導線在收回時難免與鋼制船體發生接觸，造成船體帶電。因此在簾片進行收回卷軸前，主機停止對電網供電，以防這種意外接觸的發生。與船舶使用的傳統電網相比，此種新型電網的防漏電能力更高，能更好的防止由于電網漏電對船體設備、人員帶來的危險。導線與簾片連接處的結緣裝置如圖4所示。

3.2 高壓脈沖電網功能介紹

高壓脈沖電網由主機、前端配件組成[3]。高壓電子脈沖主機通電后發射端產生脈沖（大約大于或等于5000～10000 V的低頻脈沖信號，該信號約每秒1次，持續時間小于0.1 s）[4]，通過高壓導線施加于高壓電子探測式脈沖器的始端，脈沖信號沿著高壓電子脈沖式探測器的導線由始端傳向終端，再通過高壓導線形成回路施加于控制器的接收端。高壓脈沖電網電路布置如圖5所示。

高壓脈沖電網主機：放于船艙或其他合適的位置，主控整個電網。應用差分電壓輸出技術。發出和接收高壓電脈沖，調節脈沖的電壓、間隔時間，使每根輸出導線上有高壓脈沖電流以及相鄰兩線之間有壓差。

能有效保證人員的安全是此種高壓脈沖電網的一個顯著特性。雖然高壓脈沖電網的電壓在5000 v～8000 v，對海盜的威懾感很強。但是，能否對海盜造成傷害關鍵要看電流和脈沖電量，一般而言，傳統高壓電網的單個脈沖電量為40毫庫倫，而高壓脈沖電網的單個脈沖電量只有2.5毫庫倫，相差將近20倍。同時高壓脈沖電網的脈沖電流在一秒的脈沖周期中，峰值為300 mA，持續時間只有1.5 ms，而傳統高壓電網的電流卻在幾個安培以上。所以就單個脈沖而言，高壓脈沖電網的能量足以給予海盜較為痛苦的警示，而又不至于對觸碰人員造成傷害。高壓脈沖電網技術參數參照表1。

同時，若有海盜在登船時觸碰或因電擊而爬在高壓脈沖電網上，會造成高壓脈沖電網短路，此時，若是傳統高壓電網會粘住海盜，給海盜造成持續打擊并造成嚴重的傷亡，而高壓脈沖電網則會在短時間之內發出報警。同時高壓脈沖電網的電壓會變為0，脈沖主機會停止電壓輸出，并在一定時間后恢復電壓輸出，避免在海盜抓握電網導線時造成持續打擊。為避免誤報警高壓脈沖電網主機上裝有報警延時設置，一般延時2 s才會報警，可以把由海鳥等動物引起的誤報警過濾掉。當然此報警延時參數可以設定，從即時報警到4 s延時報警。

當然在船舶航行中海水或雨水很有可能是電網兩導線間短路，發生誤報警。為避免天氣因數的干擾，脈沖主機采用數字化芯片控制下的電容放電技術，主機通過檢測周界圍欄上電壓泄漏情況感知報警。圍欄上正常檢測報警電壓初始默認值是3000 V，當周圍欄受外界因素影響，導致電壓泄露，泄漏到3000 V報警線以下時會產生報警輸出。在陰雨天氣時，高壓脈沖電網易短路，使導線降到可3000 V報警線以下。這時我們可以將報警線下調至2500 V，或者其他合適的數值，減少誤報警。當然海盜劫持船舶都選在風平浪靜的天氣下進行，在惡劣海況時不會有海盜，這種時候電網簾片收卷于軸上，以減少惡劣海況對設備的損壞。以上報警參數的設置調整，通過控制軟件均可在電腦上隨時設置。

4 新型高壓脈沖電網的具體實施方式

當船舶進入危險海域前，可先將整套系統安裝在海盜容易登船處的船舷邊，可由駕駛臺上手動控制或者是無線遙控控制卷簾式電網的展開或收回，展開的同時電網主機通電進入工作狀態；測試整套系統有誤損壞或者工作不良，并在醒目位置懸掛高壓危險警

示牌。

海盜靠近船體并拋出飛爪，由于卷簾式電網的特殊形狀，飛爪將難以勾到船舷或鉤住簾片，這便形成了第一道防御；若不幸被勾到其他部位，海盜通過纜繩登船必須先越過簾片組成的弧形裝置，由于其特殊結構海盜難于抓握和翻越，這便形成了第二道防御；海盜在翻越弧形裝置時不可避免的會觸碰到高壓脈沖電網導線。導線上的高壓脈沖會在不傷性命的同時給與海盜較為痛苦的感受，迫使其放棄登船，這便形成了第三道防御。

以上三道防御措施足以有效的阻止海盜登船，若海盜在觸電后依舊頑強登船，在其觸碰電網的同時，主機早已向駕駛臺報警，及時向船上工作人員發出警告，使船員能夠以最快速度采取自救和求救措施。

在安裝此系統的時候，脈沖電壓，脈沖頻率的方法調節對企圖登船海盜的電擊力度；可以通過調節報警延時和報警電壓的方式避免誤報警。在需要檢修或靠港裝卸貨時，可控制簾片收卷回船舷內側或將整套系統拆下放于船內適當處所。

5 發展前景

對于工作人員十分有限的商船來說，進一步提高船舶設備自動化程度和安全程度，是船舶的發展重要趨勢。同樣的，對于此種高壓脈沖電網來說，如何在減少人工操作的同時，提高其工作能力，這也是一個重要的問題。

隨著電子技術的發展，商船上越來越多的設備開始利用數字化技術提高其自動化程度和工作能力。同樣的，我們也可以將高壓脈沖電網通過一定技術與電腦相連，提高整套設備的自動化程度。這樣，對于簾片的收放、電網的通電斷電、電網具體參數的設置與調節、報警信息的處理發送等操作就可以集中到一處進行操作，工作人員只用在電腦上進行操作就可以對整套裝置進行管理。同樣的，我們還可以利用數字化平臺技術將其他的輔助設備連入此高壓脈沖電網中，使有著不同功能的設備相互協助，形成系統。比如，可以利用數字化平臺將遠程遙控裝置與高壓脈沖電網相連接，使工作人員僅通過遙控器就可以控制電網的收放和通斷電。

相對于一般商船，大型油輪由于其體積龐大，滿載時干舷較低，所以經常成為海盜劫持的目標。又由于其運載的油品易燃，使得在大型油船上安裝傳統的高壓電網變得十分危險。而新型高壓脈沖電網不但克服了傳統高壓電網在安全性上的問題，而且在使用性能上更優于傳統高壓電網，所以在油輪等大型船舶之上安裝此種新型高壓脈沖電網既可以方便的保護船舶，又不必擔心由于漏電對船舶和人員造成的傷害。

當然新型高壓脈沖電網也存在著一定問題。體積過大，結構復雜便是其中最為主要的兩個問題。由于其體積過大，所以在船舶上難以大量使用此設備，而只能將其布置在海盜最易登船處，用于局部防御；由于其結構復雜，部件多，所以在使用中整套設備發生故障的概率也就比傳統電網要高，并且制造和裝配也比傳統電網復雜。這也就造成了此設備的購買、使用、維護成本高于傳統電網。

6 結語

本新型船用防海盜高壓脈沖電網，充分考慮了船舶在海上航行的實際情況，以及海盜登船的具體方法與過程，先后創新并解決了防海盜電網的安全性，電網使用時收放、維護、修理等問題和難點。本實用新型船用防海盜高壓脈沖電網，能夠對海盜起到警示作用，阻礙海盜登船，保證人員和船舶的安全。并能自動收放，方便拆卸，滿足一般商船特別是油船的對防海盜和電網后期管理的要求，為途經海盜泛濫航區的商用船舶，特別是油船提供有效、安全、方便的防海盜設備和解決方法。

參考文獻

[1]李群濤.全球化背景下的索馬里海盜問題[J].法制與社會，2009（26）.

[2]張鑫鑫，石磊.國內國際航行船舶加裝高壓電網防范海盜[J].中國新聞，2012（3）.

[3]中國門禁網.電子圍欄及電子圍欄系統.http：//www.menjin.net/a/menjinyingyong/mjjczs/20121204/600.html.

[4]東方供應商.脈沖電子圍欄報警系統功能介紹.http：//www.eastsoo.com.