超導電纜導體絞纜張力自動控制系統的研制

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.白銀有色長通電線電纜有限責任公司，甘肅 白銀730900;3.中國科學院電工研究所，北京100190)

0 引言

國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)計劃是目前正在進行的世界最大的國際科技合作計劃之一，也是迄今中國參加的規模最大的國際科技合作計劃。其目的是建造一個可自持燃燒的超導核聚變實驗堆，以對未來聚變反應堆和商用聚變堆的物理問題和工程問題做深入探索。超導磁體系統是其重要的組成部分之一，而超導磁體的核心是管裝超導導體(CICC)，它具有良好的自支撐、較低的交流損耗、所需低溫冷卻介質少、運行安全可靠、性能高等特點，是目前國際上公認的受控熱核聚變裝置中的大型超導磁體等裝置的首選導體［1-4］。

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

CICC超導導體絞制過程中要求放線張力大小合適并且一致，由于超導股線極細，絞制過程中如果放線張力太大，超導股線極易拉斷;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，絞纜會產生蛇形、彎曲等現象。為防止上述不良現象，在絞纜過程中須對各級絞纜的放線張力值進行嚴格的控制。

本文介紹了CICC導體張力控制系統，分析了絞制過程中放線張力對結構參數控制及其絞制質量的影響，并通過技術改造實現了第1、2級子纜絞纜過程中的股線張力的實時、精準控制。在此基礎上成功完成了一根長度為765 m PF5型樣纜的絞制，試制表明，本張力控制系統可有效控制電纜導體絞制過程中張力大小，滿足超導電纜的絞制。

1 超導電纜導體絞纜繞制結構

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

圖1 典型PF線圈用CICC導體截面圖

CICC導體繞制過程中，如果張力太大，則可能拉斷超導股線;如果張力太小，絞制的絞纜易散落。所以需要精準控制導體繞制過程的張力大小，根據各級子纜的絞合要求選擇對應的張力控制大小。對于第1、2級子纜，由于其股線易伸細，對其絞制選用了單絞機進行絞制，并對其收、放線系統進行了技術改造，實現對收、放張力的電子實時精準控制。絞制過程中，第1、2級子纜放線張力分別控制在20 N和60 N以內。第3、4級子纜和5級纜的絞線單元分別為2、3、4級子纜，抗拉能力強，其絞制則選用了籠式絞纜機，僅對其放線系統進行了機械改造，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。第4級子纜和5級纜分別采用1000型和2000型絞纜機絞制。三種類型設備均可實現退扭絞制，保證股線在軸向運動時不發生圓周方向旋扭。表1為超導電纜絞制試制典型參數。

超導電纜采用的超導材料是鈮鈦合金材料，機械性能近似未經完全熱處理的常規同規格銅單線性能。絞制過程中放線張力過大易導致單線外徑伸細，張力過小則易導致超導電纜結構穩定性下降，絞纜外徑失控。絞制過程必須對股線放線張力加以實時、精準控制。

表1 超導電纜絞制試制典型參數

2 超導電纜導體絞纜張力控制系統

CICC導體絞纜張力自動控制系統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線輪上面，其信號傳輸給可編程邏輯控制器。絞線框架內通過轉軸安裝有放線盤，絞線框架的后方安裝有導線輪，導線輪的后方安裝有收線盤，收線盤與收線電機相連接，與放線盤相連接的放線電機，張力傳感器與導線輪相連接;張力傳感器的信號接入控制柜內的控制電路中，收線電機的變頻器和放線電機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模塊的數字信號，A/D模塊接收張力傳感器的模擬信號;可編程邏輯控制器將接收到的數字信號傳遞給上位機進行數據處理，上位機將處理后的信號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字信號經內部PID處理后分別傳遞給放線電機D/A模塊和收線電機D/A模塊;放線電機D/A模塊將接收到的數字信號轉換為模擬信號傳遞給放線電機變頻器，放線電機變頻器根據模擬信號的大小，控制放線電機的放線速度;收線電機D/A模塊將接收到的數字信號轉換為模擬信號傳遞給收線電機變頻器，收線電機變頻器根據模擬信號的大小控制收線電機的收線速度。圖2為張力控制系統原理圖。圖3為張力控制系統測控柜內部實物圖。圖4為張力控制的收線放線裝置實物照片。

圖2 張力控制系統原理圖

由于張力傳感器可以檢測到張力數據的變化，進而對張力進行精確控制，放線電機有效控制放線速度，使放線平穩，有效地解決了超導線材絞合中不能滿足對張力值的精確控制問題，實現了超導線材絞合張力值按照設定值的大小對每根、股超導線進行時實檢測及自動控制，解決了超導線材絞合中易拉斷、松散、不均勻等難題。

圖3 測控柜內部結構實物照片

圖4 張力控制的收線放線裝置實物照片

3 結束語

設計了超導電纜導體絞纜張力控制系統，對第1、2級子纜絞制過程中絞制單元收、放線張力實行電子實時精準控制，以避免絞線單元發生伸細現象。經過實際電纜繞制證明，該張力控制系統可滿足CICC導體用超導電纜絞纜要求，在此基礎上成功完成了一根長度為765 m PF5型樣纜的絞制。

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［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］.