超導(dǎo)電纜導(dǎo)體絞纜張力自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制

程柄松， 鄭玉鵬， 魏周榮， 戴少濤， 朱志芹， 郭澤光

(1.河北新寶豐電線電纜有限公司，河北河間062451;2.白銀有色長(zhǎng)通電線電纜有限責(zé)任公司，甘肅 白銀730900;3.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190)

0 引言

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)計(jì)劃是目前正在進(jìn)行的世界最大的國(guó)際科技合作計(jì)劃之一，也是迄今中國(guó)參加的規(guī)模最大的國(guó)際科技合作計(jì)劃。其目的是建造一個(gè)可自持燃燒的超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)堆，以對(duì)未來(lái)聚變反應(yīng)堆和商用聚變堆的物理問(wèn)題和工程問(wèn)題做深入探索。超導(dǎo)磁體系統(tǒng)是其重要的組成部分之一，而超導(dǎo)磁體的核心是管裝超導(dǎo)導(dǎo)體(CICC)，它具有良好的自支撐、較低的交流損耗、所需低溫冷卻介質(zhì)少、運(yùn)行安全可靠、性能高等特點(diǎn)，是目前國(guó)際上公認(rèn)的受控?zé)岷司圩冄b置中的大型超導(dǎo)磁體等裝置的首選導(dǎo)體［1-4］。

CICC超導(dǎo)導(dǎo)體是一種多級(jí)管裝電纜，共分五級(jí)絞合而成，導(dǎo)體的第一級(jí)子纜由若干根銅線和若干根超導(dǎo)線材按照一定的絞合節(jié)距絞合構(gòu)成，然后將若干根子纜單元再按照一定的絞合節(jié)距絞合構(gòu)成二級(jí)子纜，同理再構(gòu)成三級(jí)、四級(jí)子纜，最終絞制成五級(jí)纜。CICC超導(dǎo)導(dǎo)體由許多根極細(xì)的超導(dǎo)絲組成，絞合后的超導(dǎo)股線達(dá)1154根，每根超導(dǎo)股線直徑僅為(0.73 ±0.003)mm［5-8］。

CICC超導(dǎo)導(dǎo)體絞制過(guò)程中要求放線張力大小合適并且一致，由于超導(dǎo)股線極細(xì)，絞制過(guò)程中如果放線張力太大，超導(dǎo)股線極易拉斷;如果放線張力太小，絞制的絞纜易松散、不緊密。如果放線張力不一致，絞纜會(huì)產(chǎn)生蛇形、彎曲等現(xiàn)象。為防止上述不良現(xiàn)象，在絞纜過(guò)程中須對(duì)各級(jí)絞纜的放線張力值進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

本文介紹了CICC導(dǎo)體張力控制系統(tǒng)，分析了絞制過(guò)程中放線張力對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)控制及其絞制質(zhì)量的影響，并通過(guò)技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)了第1、2級(jí)子纜絞纜過(guò)程中的股線張力的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)控制。在此基礎(chǔ)上成功完成了一根長(zhǎng)度為765 m PF5型樣纜的絞制，試制表明，本張力控制系統(tǒng)可有效控制電纜導(dǎo)體絞制過(guò)程中張力大小，滿足超導(dǎo)電纜的絞制。

1 超導(dǎo)電纜導(dǎo)體絞纜繞制結(jié)構(gòu)

ITER超導(dǎo)磁體線圈CICC導(dǎo)體用超導(dǎo)電纜是一種多級(jí)電纜，共由5級(jí)纜組成。超導(dǎo)電纜的單線由Nb3Sn或NbTi超導(dǎo)單線和銅單線組成，PF5型線圈用CICC導(dǎo)體采用NbTi超導(dǎo)單線。超導(dǎo)單線同相同直徑銅硬單線具有相似的物理機(jī)械性能。PF5超導(dǎo)電纜第1級(jí)子纜由3根超導(dǎo)單線絞制而成;第2、3級(jí)子纜分別由4根第1、2級(jí)子纜絞制而成;第4級(jí)子纜由4根第3級(jí)子纜和銅單線絞制而成，部分CICC導(dǎo)體超導(dǎo)電纜子纜中間還設(shè)計(jì)有單獨(dú)的填充導(dǎo)體;成品超導(dǎo)電纜即第5級(jí)纜則由多根第4級(jí)子纜、中心冷卻螺旋管絞制并繞包不銹鋼鋼帶。不同的線圈用超導(dǎo)電纜具有不同的結(jié)構(gòu)，6個(gè)PF線圈用超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)也不完全相同［12］。圖1為PF5線圈用 CICC 導(dǎo)體截面圖［9-11］。

圖1 典型PF線圈用CICC導(dǎo)體截面圖

CICC導(dǎo)體繞制過(guò)程中，如果張力太大，則可能拉斷超導(dǎo)股線;如果張力太小，絞制的絞纜易散落。所以需要精準(zhǔn)控制導(dǎo)體繞制過(guò)程的張力大小，根據(jù)各級(jí)子纜的絞合要求選擇對(duì)應(yīng)的張力控制大小。對(duì)于第1、2級(jí)子纜，由于其股線易伸細(xì)，對(duì)其絞制選用了單絞機(jī)進(jìn)行絞制，并對(duì)其收、放線系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)收、放張力的電子實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。絞制過(guò)程中，第1、2級(jí)子纜放線張力分別控制在20 N和60 N以內(nèi)。第3、4級(jí)子纜和5級(jí)纜的絞線單元分別為2、3、4級(jí)子纜，抗拉能力強(qiáng)，其絞制則選用了籠式絞纜機(jī)，僅對(duì)其放線系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械改造，采用盤式剎車即可滿足絞制要求;絞纜張力分別控制在200 N、800 N和3500 N以內(nèi)。第4級(jí)子纜和5級(jí)纜分別采用1000型和2000型絞纜機(jī)絞制。三種類型設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)退扭絞制，保證股線在軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生圓周方向旋扭。表1為超導(dǎo)電纜絞制試制典型參數(shù)。

超導(dǎo)電纜采用的超導(dǎo)材料是鈮鈦合金材料，機(jī)械性能近似未經(jīng)完全熱處理的常規(guī)同規(guī)格銅單線性能。絞制過(guò)程中放線張力過(guò)大易導(dǎo)致單線外徑伸細(xì)，張力過(guò)小則易導(dǎo)致超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，絞纜外徑失控。絞制過(guò)程必須對(duì)股線放線張力加以實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)控制。

表1 超導(dǎo)電纜絞制試制典型參數(shù)

2 超導(dǎo)電纜導(dǎo)體絞纜張力控制系統(tǒng)

CICC導(dǎo)體絞纜張力自動(dòng)控制系統(tǒng)使用西門子公司的可編程邏輯控制器，張力傳感器安裝在導(dǎo)線輪上面，其信號(hào)傳輸給可編程邏輯控制器。絞線框架內(nèi)通過(guò)轉(zhuǎn)軸安裝有放線盤，絞線框架的后方安裝有導(dǎo)線輪，導(dǎo)線輪的后方安裝有收線盤，收線盤與收線電機(jī)相連接，與放線盤相連接的放線電機(jī)，張力傳感器與導(dǎo)線輪相連接;張力傳感器的信號(hào)接入控制柜內(nèi)的控制電路中，收線電機(jī)的變頻器和放線電機(jī)的變頻器分別與控制電路相連接。

可編程邏輯控制器接收A/D模塊的數(shù)字信號(hào)，A/D模塊接收張力傳感器的模擬信號(hào);可編程邏輯控制器將接收到的數(shù)字信號(hào)傳遞給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，上位機(jī)將處理后的信號(hào)輸出反饋給可編程邏輯控制器;可編程邏輯控制器將反饋的數(shù)字信號(hào)經(jīng)內(nèi)部PID處理后分別傳遞給放線電機(jī)D/A模塊和收線電機(jī)D/A模塊;放線電機(jī)D/A模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)傳遞給放線電機(jī)變頻器，放線電機(jī)變頻器根據(jù)模擬信號(hào)的大小，控制放線電機(jī)的放線速度;收線電機(jī)D/A模塊將接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)傳遞給收線電機(jī)變頻器，收線電機(jī)變頻器根據(jù)模擬信號(hào)的大小控制收線電機(jī)的收線速度。圖2為張力控制系統(tǒng)原理圖。圖3為張力控制系統(tǒng)測(cè)控柜內(nèi)部實(shí)物圖。圖4為張力控制的收線放線裝置實(shí)物照片。

圖2 張力控制系統(tǒng)原理圖

由于張力傳感器可以檢測(cè)到張力數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)而對(duì)張力進(jìn)行精確控制，放線電機(jī)有效控制放線速度，使放線平穩(wěn)，有效地解決了超導(dǎo)線材絞合中不能滿足對(duì)張力值的精確控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)線材絞合張力值按照設(shè)定值的大小對(duì)每根、股超導(dǎo)線進(jìn)行時(shí)實(shí)檢測(cè)及自動(dòng)控制，解決了超導(dǎo)線材絞合中易拉斷、松散、不均勻等難題。

圖3 測(cè)控柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物照片

圖4 張力控制的收線放線裝置實(shí)物照片

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了超導(dǎo)電纜導(dǎo)體絞纜張力控制系統(tǒng)，對(duì)第1、2級(jí)子纜絞制過(guò)程中絞制單元收、放線張力實(shí)行電子實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，以避免絞線單元發(fā)生伸細(xì)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)實(shí)際電纜繞制證明，該張力控制系統(tǒng)可滿足CICC導(dǎo)體用超導(dǎo)電纜絞纜要求，在此基礎(chǔ)上成功完成了一根長(zhǎng)度為765 m PF5型樣纜的絞制。

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［10］Technical specification ANNEX B to procurement arrangement 1.1.P6A.CN.01.0 between the ITER international fusion energy organization for the joint implementation of the ITER project and CN DA［Z］.

［11］Technical specification ANNEX B to procurement arrangement 1.1.P6C.CN.01.0 between the ITER international fusion energy organization for the joint implementation of the ITER project and CN DA［Z］.