防暴水炮对舰艇电站的影响及解决方法
时间：2020-04-05 05:10:06 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要： 通过对舰艇防暴水炮和电站的认识，分析了舰艇防暴水炮和船艇电站的作用、结构及主要组成部分，以及水炮作为大功率负载启动、运行时对电站所造成的影响，最后，针对舰艇实际情况，提出一些改进措施和方法。
关键词： 水炮； 电站； 软启动； 轴带发电机； 重载询问
中图分类号： TN911⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）12⁃0031⁃04
海警部队218B型以上的舰艇，均装备了水炮及其操作系统，在海警部队处置海上突发事件和执法执勤中发挥了重要作用。但现有海警船艇电站容量比较小、工作效率不高，特别是当舰载防暴水炮作为大负荷用电设备接入电网，必定对电网造成较大的冲击，即使在两台发电机带动水炮电动机运行的情况下，依然存在发电机运行吃力的问题。本文对水炮运行存在的问题，提出改进的想法和措施，并根据这一构思，分析其可行性。
1 舰载水炮的作用、结构和分类
防暴水炮是装备在海警巡逻舰艇上的、喷射一定压力水的非杀伤性武器，攻击企图抵抗和逃逸的海上犯罪嫌疑人，对他们进行海上压制和威慑等任务；在必要时也可用于机舱应急大量排水，从而可以极大提高舰艇的生命力。舰艇上的水炮装置由拖动电机、离心水泵、电控箱、水炮组成。根据水炮的操作方式的不同，可以分为手动和遥控两类：
1.1 手动操作式水炮
手动操作的水炮主要由台架、水平回转弯管及俯仰弯管、合流管、炮筒和喷嘴组成。根据回转机构的不同，分为手柄式、蜗轮蜗杆式和半蜗轮蜗杆式三种。其中水平回转弯管是作左右旋转的送水管，他的顶部有作上下俯仰弯管的转节，其前端装有炮筒。手柄式水炮，靠装在俯仰水管上的手柄进行操作。
1.2 遥控式水炮
所谓遥控操作，就是以油压或电气为动力源对水炮进行遥控操作。
（1）油压驱动遥控式。这种水炮的动力源是油缸，其液压原件体积较小，能比较灵敏地进行动作调节，它特别适用于要求防暴的场合。
（2）电动遥控式。这种水炮的动力源是电动机，它动作灵敏、价格较低，因此在大多数船艇得到了广泛应用。
对于防暴的水炮系统，要求从炮口射出的水流为密集水流，这样才有一定的攻击力。水的流量越大，压头越高，其威力越大，有效攻击距离越远。但由于舰艇上电站的限制，不可能选择太大功率的水炮泵，所以利用舰艇上的电站，尽可能选用流量大的泵，选用较大口径的炮口，从而增加水炮的攻击力，最大限度发挥其效能。
2 水炮启动对电站的影响
船艇电力系统是一个独立的系统，通常其容量相对陆地上的电网来说是较小的，一般小于2 000 kW，单机容量小于1 000 kW，电力网输电距离很短，一般不超过200 m、电压小于500 V，多采用电缆而不采用架空线，配电装置简单、可靠。但水炮是大功率负载，其工作电流很大，产生较大的电动力，使用时可能会使水炮泵的刀开关产生误动作；泵上的几根平行导线也会在大电动力作用下变形，容易使导线折断或接头松脱。水炮泵起动时，同步发电机的电枢反应去磁效应会引起电网电压大幅度下降，特别是突加和突卸时，引起的电网频率和电压较大的波动，影响供电质量，严重时还会引起电站主开关产生电弧或跳闸事故。其通过电流时会产生电阻损耗，特别是带动水泵运转的三相异步电动机，在交流电磁场的作用下产生磁滞涡流损耗，这些损耗都以热的形式表现出来，在极短的时间内产生大量的热，如果散热不当，造成水炮局部机械强度降低，引起接触器电阻增加，引发触头的熔焊，绝缘材料老化变脆，最终导致绝缘性能变坏。水炮泵由鼠笼式三相异步电动机带动，鼠笼式三相异步电动机的启动电流是其额定电流的6～7倍，如果水炮泵采用直接启动的办法，将会影响艇上的正常供电质量。另外水炮泵在传送液体时，其流量和转速成正比，泵转速的微小变化会引起负载转矩和液流压力较大幅度的变化，突然启动或者突然停机，液体产生巨大的冲击力，将产生“水锤效应”，对泵体和管路设施产生损坏，缩短水炮寿命。所以需要通过从启动、运行、停机三个环节降低这种不良影响，但最根本、最便捷的方法是增大电站的容量，从而能在根本上解决此类问题。
3 水炮启动方式
为了使水炮达到一定的水压、射程、喷水量，从而要求推动电机的功率要大，一般为几十千瓦。显然这样大的功率已不适合直接启动，目前舰艇上常用的启动方式有：自耦变压器降压启动、软启动。自耦变压器降压启动属于有级减压启动，启动过程存在二次冲击电流，所以并不是最好的选择，而软启动对应的感应电动机的功率可以更大一些，能很好的解决电动机启动时管道内水压波动造成的冲击问题。软启动是指使用降压装置，在规定的时间内，自动将启动电压连续平滑的上升，它无冲击电流，可以根据负载情况及电网继电保护特性，自由地无级调速至最佳启动电流，直达电动机额定电压。
目前船艇上多采用电力电子晶闸管式软启动器。电子晶闸管式软启动器是在三相电源与电机间串入三对反并联的晶闸管，利用晶闸管的触发角改变软启动器的输出电压。启动时，电动机端电压随着晶闸管的导通角增大而逐渐上升，转速也随着增大，直到晶闸管全导通。电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转速时，启动过程结束，软启动器自动用旁路启动器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运行提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器还提供了软停车功能，软停车消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击；停车时，先启动软启动器与旁路接触器并联运行，然后切除旁路，软启动器内晶闸管导通角从大逐渐减小，使输出的电压逐渐减小到零，电机转速也随着降到零，从而完成停车过程。
4 电站的改进措施
海警舰艇一般都安装有两台发电机，水炮运行后必须将这两台发电机并车运行，但在大风浪航行和进出港等耗电量相当大的场合，水炮不一定有足够的电力运行，这就需要利用艇上现有的装备进行电站改良。
通常船艇主机的功率都有10%以上的富裕量，而船艇上安装的发电机容量却不会超过这个数值，并且主机效率也通常比常规的柴油副机发电机高，因此在考虑节能时理所当然地优先使用轴带发电机。
4.1 轴带发电机及其相关系统
当欲起动水炮时，应先询问运行发电机功率储备是否满足其用电要求，若不能满足时，则应先启动备用机组，并车后才允许水炮接入电网。根据发电机功率变换器的功率变比（V/kW），在电位器的动触头上取一电压信号，使之相当于准备投入的水炮功率，包括启动时的冲击，即所谓的“模拟负载”。经按钮A接到运算放大器，与发电机测功器的输出信号相加，再由鉴幅器来检测求和的结果；鉴幅器的鉴幅值，可以设定在相当于发电机容量的某一百分值，如果鉴幅器未动作，则表明储备够用，水炮可以通过辅机发电机并联启动。若鉴幅器动作，表明储备容量不够，即向控制台发出“轴带发电机启动”信号，同时向主机和轴带发电机的离合器发出信号，并将信号传递到齿轮箱内，由变速齿轮降低螺旋桨转速和提高轴带发电机的转速，尽量保证主机转速恒定和轴带发电机在额定转速。这时主机开始带动轴带发电机运行。
轴带发电机开始发电后，控制人员闭合开关S2，接触器线圈KM通电，与水炮电缆相连的常闭触头KM断开，水炮泵自动脱离船艇电网，另外两条支路上的常开触头KM闭合。当主机转速继续上升达到轴带发电机额定转速时，速度继电器常闭触头SDJ自动断开，此时就由轴带发电机单独给水炮供电。轴带发电机SG为低频无刷同步发电机，发出非恒定频率的交流电，经晶闸管整流器1变成直流电，再经直流平滑滤波电抗器2将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值后，通过晶闸管逆变器3将直流电变成标准频率的交流电。在交流电抗器4的作用下，将主电源谐波、峰值电流降低后，供应额定的电流和电压给水炮，使水炮正常运行。
4.2 船艇水炮配套系统
水炮接入电网时自动并车，水炮退出电网时自动解列。当小的负载接入、切除时，电网经过暂态过程后能自动回复到扰动前运行情况的能力，系统接入水炮等大负载时，电力系统自动调整，使电压、频率等参数恢复规定状态。
（1）发电机的启动和自动并车。通过重载询问后，确定在电网已有机组供电的情况下，在启动水炮的同时，水炮继电器会将另一台还未启动的柴油机通过已设定好的程序自动启动，并且通过同步装置来实现自动同步和自动并车。其中自动同步并车可以是准同步自动并车，也可以是粗同步并车，保证水炮运行后的用电安全。
（2）发电机的自动调频、调载和转移负载。发电机并网后，刚开始处于空载状态，通过自动调频、调载装置来实现在维持电网频率不变的前提下，各发电机组的负载能按机组容量成比例分配，在需要增减机组时，能自动转移负载。也可根据功率的要求，自动控制机组的起停，即当遇到恶劣海况，此时正在使用水炮，而功率要求增加，但运行机组功率不够用，此时通过功率监视器和信息处理单元发出启动轴带发电机的指令；当水炮停止运行时，则会发出停机指令，自动停掉轴带发电机。这样不但保证了舰艇航行的要求，而且使电站经济合理。
（3）巡回检测。这是一种多测点的自动测量装置，依靠各种传感器，对水炮系统的电压、电流、功率、温度、液位、压力、转速进行自动而连续的巡回测量，并将测量结果显示在监测屏幕上，计算机通过分析，确定是否报警。此装置不但对水炮系统进行巡回检测，而且还对电站、主机、副机进行自动的监视和记录，遇到问题及时报警。
（4）自动分级卸载。当舰艇遇到复杂海况时，电网有过载的危险，可能导致配电板上主开关跳闸。为了保证正在使用的水炮等重要负载连续供电的要求，往往采用分级卸载的方法，先自动卸载掉一部分次要附载，同时通过重载询问检查电网能否支持水炮运行，如果不行，则立即启动轴带发电机，并通知控制台。
5 改进的可行性
现在海警舰艇上的水炮自动化程度还不高，船艇上的电站一旦遇到恶劣海况，电站就显得运行吃力。如果安装轴带发电机以及重载询问等配套设施，前期需要投入一定的资金增购轴带发电机及其相关设备，从而对安装、维护人员技术上的要求也比较高。但是在使用时，通过显示屏就可以了解巡回检测的结果，极大方便了机电人员对机械故障的了解和排除。发电机的自动并车和调整，减轻了工作量，使并车变得方便、准确。
在设计中，轴带发电机只为水炮系统提供电能，即使利用船艇电网补偿电能，也是先将交流电调整为直流电，再输入晶闸管逆变器将直流变为交流，然后供应给水炮。最大限度的避免了轴带发电机与船艇上电网存在频率、相位不同而需要增加的调整频率、相位的设备，减轻了舰艇重量，节约了空间，节省了资金，降低了维护成本。虽然利用轴带发电机带动水炮在一定程度上降低了舰艇的机动性，但是在使用水炮时，舰艇一般不需要如此大的航速。况且只有一台主机带动轴带发电机，尽量保证了船艇在使用水炮时的机动性能。轴带发电机为水炮提供了强有力的电源，极大的减轻电站负担，而且无需对电站进行大幅度改装，所以加装轴带发电机及其配套系统是有利海警舰艇部队装备发展的，这项改进理论上可行。
6 结 语
通过对水炮供电系统的改进，解决了水炮启动、运行时对电网的不良影响，为水炮提供了强大的电能，降低了操作人员和维护人员的工作强度。使发展中的海警部队在执法执勤中更加顺利和安全，为机械设备和电气设备的正常运行提供了有力的物质保证和技术支持。
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