超导电缆导体绞缆张力自动控制系统的研制

程柄松， 郑玉鹏， 魏周荣， 戴少涛， 朱志芹， 郭泽光

(1.河北新宝丰电线电缆有限公司，河北河间062451;2.白银有色长通电线电缆有限责任公司，甘肃 白银730900;3.中国科学院电工研究所，北京100190)

0 引言

国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)计划是目前正在进行的世界最大的国际科技合作计划之一，也是迄今中国参加的规模最大的国际科技合作计划。其目的是建造一个可自持燃烧的超导核聚变实验堆，以对未来聚变反应堆和商用聚变堆的物理问题和工程问题做深入探索。超导磁体系统是其重要的组成部分之一，而超导磁体的核心是管装超导导体(CICC)，它具有良好的自支撑、较低的交流损耗、所需低温冷却介质少、运行安全可靠、性能高等特点，是目前国际上公认的受控热核聚变装置中的大型超导磁体等装置的首选导体［1-4］。

CICC超导导体是一种多级管装电缆，共分五级绞合而成，导体的第一级子缆由若干根铜线和若干根超导线材按照一定的绞合节距绞合构成，然后将若干根子缆单元再按照一定的绞合节距绞合构成二级子缆，同理再构成三级、四级子缆，最终绞制成五级缆。CICC超导导体由许多根极细的超导丝组成，绞合后的超导股线达1154根，每根超导股线直径仅为(0.73 ±0.003)mm［5-8］。

CICC超导导体绞制过程中要求放线张力大小合适并且一致，由于超导股线极细，绞制过程中如果放线张力太大，超导股线极易拉断;如果放线张力太小，绞制的绞缆易松散、不紧密。如果放线张力不一致，绞缆会产生蛇形、弯曲等现象。为防止上述不良现象，在绞缆过程中须对各级绞缆的放线张力值进行严格的控制。

本文介绍了CICC导体张力控制系统，分析了绞制过程中放线张力对结构参数控制及其绞制质量的影响，并通过技术改造实现了第1、2级子缆绞缆过程中的股线张力的实时、精准控制。在此基础上成功完成了一根长度为765 m PF5型样缆的绞制，试制表明，本张力控制系统可有效控制电缆导体绞制过程中张力大小，满足超导电缆的绞制。

1 超导电缆导体绞缆绕制结构

ITER超导磁体线圈CICC导体用超导电缆是一种多级电缆，共由5级缆组成。超导电缆的单线由Nb3Sn或NbTi超导单线和铜单线组成，PF5型线圈用CICC导体采用NbTi超导单线。超导单线同相同直径铜硬单线具有相似的物理机械性能。PF5超导电缆第1级子缆由3根超导单线绞制而成;第2、3级子缆分别由4根第1、2级子缆绞制而成;第4级子缆由4根第3级子缆和铜单线绞制而成，部分CICC导体超导电缆子缆中间还设计有单独的填充导体;成品超导电缆即第5级缆则由多根第4级子缆、中心冷却螺旋管绞制并绕包不锈钢钢带。不同的线圈用超导电缆具有不同的结构，6个PF线圈用超导电缆结构也不完全相同［12］。图1为PF5线圈用 CICC 导体截面图［9-11］。

图1 典型PF线圈用CICC导体截面图

CICC导体绕制过程中，如果张力太大，则可能拉断超导股线;如果张力太小，绞制的绞缆易散落。所以需要精准控制导体绕制过程的张力大小，根据各级子缆的绞合要求选择对应的张力控制大小。对于第1、2级子缆，由于其股线易伸细，对其绞制选用了单绞机进行绞制，并对其收、放线系统进行了技术改造，实现对收、放张力的电子实时精准控制。绞制过程中，第1、2级子缆放线张力分别控制在20 N和60 N以内。第3、4级子缆和5级缆的绞线单元分别为2、3、4级子缆，抗拉能力强，其绞制则选用了笼式绞缆机，仅对其放线系统进行了机械改造，采用盘式刹车即可满足绞制要求;绞缆张力分别控制在200 N、800 N和3500 N以内。第4级子缆和5级缆分别采用1000型和2000型绞缆机绞制。三种类型设备均可实现退扭绞制，保证股线在轴向运动时不发生圆周方向旋扭。表1为超导电缆绞制试制典型参数。

超导电缆采用的超导材料是铌钛合金材料，机械性能近似未经完全热处理的常规同规格铜单线性能。绞制过程中放线张力过大易导致单线外径伸细，张力过小则易导致超导电缆结构稳定性下降，绞缆外径失控。绞制过程必须对股线放线张力加以实时、精准控制。

表1 超导电缆绞制试制典型参数

2 超导电缆导体绞缆张力控制系统

CICC导体绞缆张力自动控制系统使用西门子公司的可编程逻辑控制器，张力传感器安装在导线轮上面，其信号传输给可编程逻辑控制器。绞线框架内通过转轴安装有放线盘，绞线框架的后方安装有导线轮，导线轮的后方安装有收线盘，收线盘与收线电机相连接，与放线盘相连接的放线电机，张力传感器与导线轮相连接;张力传感器的信号接入控制柜内的控制电路中，收线电机的变频器和放线电机的变频器分别与控制电路相连接。

可编程逻辑控制器接收A/D模块的数字信号，A/D模块接收张力传感器的模拟信号;可编程逻辑控制器将接收到的数字信号传递给上位机进行数据处理，上位机将处理后的信号输出反馈给可编程逻辑控制器;可编程逻辑控制器将反馈的数字信号经内部PID处理后分别传递给放线电机D/A模块和收线电机D/A模块;放线电机D/A模块将接收到的数字信号转换为模拟信号传递给放线电机变频器，放线电机变频器根据模拟信号的大小，控制放线电机的放线速度;收线电机D/A模块将接收到的数字信号转换为模拟信号传递给收线电机变频器，收线电机变频器根据模拟信号的大小控制收线电机的收线速度。图2为张力控制系统原理图。图3为张力控制系统测控柜内部实物图。图4为张力控制的收线放线装置实物照片。

图2 张力控制系统原理图

由于张力传感器可以检测到张力数据的变化，进而对张力进行精确控制，放线电机有效控制放线速度，使放线平稳，有效地解决了超导线材绞合中不能满足对张力值的精确控制问题，实现了超导线材绞合张力值按照设定值的大小对每根、股超导线进行时实检测及自动控制，解决了超导线材绞合中易拉断、松散、不均匀等难题。

图3 测控柜内部结构实物照片

图4 张力控制的收线放线装置实物照片

3 结束语

设计了超导电缆导体绞缆张力控制系统，对第1、2级子缆绞制过程中绞制单元收、放线张力实行电子实时精准控制，以避免绞线单元发生伸细现象。经过实际电缆绕制证明，该张力控制系统可满足CICC导体用超导电缆绞缆要求，在此基础上成功完成了一根长度为765 m PF5型样缆的绞制。

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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］.