薛天軍， 魏周榮， 秦經(jīng)剛， 張應俊， 熊志全， 孫慧玉

（1.白銀有色長通電線電纜有限責任公司，甘肅白銀730900；2.中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院，安徽合肥230031；3.北京云電英鈉超導電力技術(shù)有限公司，北京100080）

國際熱核聚變裝置用超導電纜絞纜過程控制

薛天軍1， 魏周榮1， 秦經(jīng)剛2， 張應俊1， 熊志全3， 孫慧玉3

（1.白銀有色長通電線電纜有限責任公司，甘肅白銀730900；2.中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院，安徽合肥230031；3.北京云電英鈉超導電力技術(shù)有限公司，北京100080）

介紹了超導電纜結(jié)構(gòu)，分析了超導電纜絞制過程中產(chǎn)生蛇形彎曲和外徑不均勻的主要因素。非正規(guī)同向絞合的超導電纜是一種松散結(jié)構(gòu)；絞制過程中，單根股線或子纜中存在的應力和放線張力不均勻是引起超導電纜產(chǎn)生蛇形彎曲的主要因素；絞合過程中各級子纜的排線和五級纜絞合時引起的扭轉(zhuǎn)和變形以及分線的不均勻，是引起超導電纜蛇形彎曲的重要因素。通過合理配置各級纜絞合設(shè)備，控制絞制過程中收、放線張力，提升絞制設(shè)備的排線系統(tǒng)，改進不銹鋼帶繞包系統(tǒng)等措施，可有效防止超導電纜產(chǎn)生蛇形彎曲。

國際熱核聚變實驗堆；管內(nèi)電纜導體；超導電纜；絞纜

0 引 言

隨著煤炭及石油等化石類資源的日漸枯竭，綠色替代新能源的開發(fā)利用已成必然。作為一種新能源，核聚變能主要利用核聚變反應過程中釋放的能量，其燃料來源是海水中有豐富蘊藏量的氫同位素氘。與常規(guī)核裂變反應不同，核聚變反應過程中產(chǎn)生的核輻射非常少，屬清潔能源。隨著科技水平的不斷提高，超導磁體技術(shù)、磁約束技術(shù)等的快速發(fā)展為可控核聚變反應裝置的研發(fā)創(chuàng)造了條件，核聚變能的利用正在成為可能。

國際熱核聚變實驗堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，簡稱ITER）計劃是由美國、歐盟、中國等七方聯(lián)合籌建的大型磁約束核聚變實驗裝置，其目的是在物理上對長脈沖氘氚自持燃燒進行實驗，在工程上對反應堆的技術(shù)可靠性進行探索。ITER裝置共包括34個磁體線圈。由于需要產(chǎn)生強磁場，磁體中最大脈沖電流高達幾十千安，限于因電阻產(chǎn)生的焦耳熱等因素，常規(guī)導體無法滿足ITER裝置磁體線圈的載流需要［1-2］。

隨著超導材料制備技術(shù)的發(fā)展，基于NiSn3和NiTi合金材料的低溫超導股線的電磁特性已能夠滿足在強磁場環(huán)境下的應用條件，且已具備商業(yè)供應的條件，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的管內(nèi)電纜導體（Cable-In-Conduit Conductors，簡稱CICC）已成為目前國際上公認的大型超導磁體線圈的首選導體［3-4］。根據(jù)相關(guān)協(xié)議，ITER裝置用TF（Toroidal Field coils）型和PF（Poloidal Field coils）型兩種CICC導體的研制由我國承擔［5］。

CICC導體由超導電纜和套裝在其外層的不銹鋼鎧裝層組成。其中，超導電纜由多達一千多根超導股線和銅單線混合、以非正規(guī)絞合方式同向絞合而成；鎧裝層則由整根的不銹鋼管組成。超導電纜套裝在鎧裝層內(nèi)并經(jīng)緊壓成型后成為CICC導體。套裝時，超導電纜與不銹鋼鎧裝層間最大間隙為2.5 mm，由于各型號CICC導體長度在800 m左右，要求不銹鋼套管長度也必須達到上述長度，穿管時，如果超導電纜外徑的均勻性和彎曲得不到保證，就會導致超導股線產(chǎn)生不可恢復性損傷，因此，超導電纜外徑的均勻性和彎曲度是影響超導電纜絞制成功的關(guān)鍵技術(shù)因素。然而，由于是同向絞合，超導電纜結(jié)構(gòu)自身具有不穩(wěn)定性，各級子纜絞制過程中產(chǎn)生的預應力容易導致蛇形彎曲。

本文介紹了CICC導體用超導電纜結(jié)構(gòu)及其絞制技術(shù)，重點分析了超導電纜絞制過程中產(chǎn)生蛇形彎曲的主要因素，并據(jù)此提出均勻控制絞合張力，優(yōu)化分線環(huán)裝置等技術(shù)措施，實現(xiàn)了各級子纜絞制過程中的股線張力的實時精準控制，有效地解決了蛇形彎曲，在此基礎(chǔ)上完成了多根PF5型超導電纜的絞制。

1 CICC導體及其超導電纜結(jié)構(gòu)

CICC導體包括超導電纜及套裝于外層的鎧裝層兩部分，套裝在CICC導體鎧裝層內(nèi)的超導電纜是一種多級纜，共由5級子纜組成。其第一級子纜由若干根超導股線按照一定的絞合節(jié)距絞合構(gòu)成；第二至第五級子纜分別由第一至第四級子纜以非正規(guī)絞合結(jié)構(gòu)、同向絞合而成。五級子纜是CICC導體用超導電纜成品，其外層重疊繞包一層不銹鋼帶，在五級子纜絞制過程中，須對超導電纜的外徑進行緊壓控制，以保證超導電纜外徑滿足設(shè)計要求，達到套裝條件。

在完成超導電纜與鎧裝層的套裝后，需對CICC導體進行緊壓，以降低超導磁體線圈結(jié)構(gòu)尺寸并防止載流過程中產(chǎn)生的巨大電動力引起的超導股線移位。緊壓后，CICC導體外形可為圓形或方形。圖1 為PF5型CICC導體用超導電纜典型結(jié)構(gòu)，圖2為PF5型CICC導體截面圖。

圖1　CICC導體用超導電纜典型結(jié)構(gòu)

圖2　CICC導體截面1—超導電纜支撐管 2—超導股線 3—繞包在第4級子纜外的不銹鋼帶 4—五級纜不銹鋼帶 5—CICC導體鎧裝層

2 超導電纜絞制技術(shù)難題

自2007年9月，白銀有色長通電線電纜有限責任公司即開展CICC導體用超導電纜絞纜技術(shù)研發(fā)。多根模型啞纜試制表明，五級子纜的絞制過程中，即使在五級子纜處于張力情況下，也極易出現(xiàn)蛇形彎曲，解除張力自由放置時，這種蛇形彎曲更趨明顯。通過采取不同的方式、設(shè)備進行絞制，均無法完全避免這種蛇形彎曲的出現(xiàn)。

由于超導電纜最終套裝在長度為800 m左右的不銹鋼管中，其最大套裝公差僅為2.5 mm，這對超導電纜的外徑均勻性和線性一致性提出了更高的要求。產(chǎn)生蛇形彎曲時，部分股線沿圓周方向突出，一個節(jié)距內(nèi)超導電纜的整體輪廓外徑明顯增大。在結(jié)構(gòu)方面，這將導致穿管難度加大，使得穿管拉力超出股線承受能力，損傷超導股線，圖3是超導電纜局部彎曲造成穿管牽引力驟增；在電氣方面，由于這種蛇形彎曲引起的超導電纜內(nèi)部空隙率不均勻，將導致股線間的電流分配不均，從而引起交流損耗增加，這將嚴重制約超導電纜的穩(wěn)定載流能力。超導電纜絞制過程中的蛇形彎曲和由此導致的外徑不均勻已成為嚴重制約超導電纜絞制成功與否的關(guān)鍵技術(shù)難題。圖4為張力條件下，五級子纜絞制過程中產(chǎn)生的蛇形彎曲。

3 導致蛇形彎曲的主要因素

經(jīng)過對超導電纜絞制過程中的張力監(jiān)測、分線角度、預絞角度等因素進行分析，并對絞制的超導電纜進行解剖。解剖分析表明，超導電纜各級子纜均存在一定的蛇形彎曲或損傷，但在五級子纜絞制過程中更為明顯。經(jīng)過對超導電纜自身結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，并經(jīng)多根模型啞纜的多次試制，對多個影響因素進行排除。理論分析和絞制實踐表明，造成超導電纜蛇形彎曲主要原因包括以下幾個方面。

圖3　超導電纜穿管牽引力曲線

3.1超導電纜自身結(jié)構(gòu)和絞纜過程中的張力

超導電纜由多級子纜絞合而成，為防止絞合過程中造成超導股線局部受力受損，超導電纜多級子纜設(shè)計為同向絞合，因而其結(jié)構(gòu)為非正規(guī)、同向絞合，這種結(jié)構(gòu)自身是一種松散結(jié)構(gòu)。單根超導電纜由一千多根超導股線或銅股線分五級絞制而成，在超導電纜子纜絞制過程中，單根股線或子纜中存在一定的應力。這種應力的存在容易導致電纜出現(xiàn)彎曲或外徑不均勻；而絞制過程中股線或子纜的周向和軸向運動，加劇了部分股線的應力，使得產(chǎn)生的應力更為不均。

每根股線或子纜的張力不均勻，必然導致絞合過程中各子纜的絞入量不一致。這使得在絞纜長度方向、不同節(jié)距內(nèi)，各股線或子纜中心與超導電纜中心軸線間的距離發(fā)生變化，產(chǎn)生外徑不均勻；而絞制過程中的周向運動容易導致蛇形彎曲的產(chǎn)生，這是造成超導電纜產(chǎn)生蛇形彎曲的主要原因。

由于各股線中存在一定的應力，如果絞合中放線張力值太大，導致股線中的應力在絞合前不能釋放，應力存留到絞合后的電纜中，致使電纜彎曲。

3.2絞合后各子（成品）纜產(chǎn)生應力

子（成品）纜應力的產(chǎn)生與絞合設(shè)備的絞合方式有著密切的關(guān)系，要使絞合后的子（成品）纜不產(chǎn)生應力，絞合設(shè)備必須完全退扭。

3.3各級子纜的排線質(zhì)量

超導電纜絞制過程中，股線或各級子纜帶有一定的張力，若設(shè)備操作不當，則容易出現(xiàn)收排線不平整現(xiàn)象，產(chǎn)生壓線。在張力條件下，這種壓線容易造成子纜局部壓散、變形，這也是造成超導電纜產(chǎn)生蛇形彎曲的重要原因之一。

3.4五級纜絞合時的扭轉(zhuǎn)和變形

為了保證超導電纜的外徑一致，五級纜絞合時，需要經(jīng)多級緊壓輪的緊壓和不銹鋼帶的強力繞包。如果各級緊壓輪不能校準在一條直線上，緊壓時電纜就會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這將導致超導電纜產(chǎn)生局部彎曲；同時，在超導電纜不銹鋼帶包覆過程中，電纜晃動幅度過大，使電纜扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生彎曲。

此外，各股線或各級子纜，尤其是五級纜絞合時四級子纜進入絞合前不能等距分線，致使各股線不能均勻一致地進行絞合，從而產(chǎn)生一定程度的彎曲。

4 解決措施

4.1設(shè)備選型

一級纜絞合的數(shù)量比較大，如采用籠式絞線機則生產(chǎn)效率較低。為提高效率，一級纜我們選用了φ630單絞機，并進行了改造，實現(xiàn)了單絞機主動放線、主動退扭。二、三級纜采用φ500/6型籠絞機，四、五級纜采用φ1250/6型籠絞機。

4.2控制收、放線張力

技術(shù)人員重點對各級纜絞合設(shè)備的收、放線張力控制系統(tǒng)進行了技術(shù)改造，實現(xiàn)收、放線張力的自動檢測、自動反饋、自動調(diào)整，確保了絞合中超導電纜股線和各級子纜的張力均勻，達到精準控制。

為消除股線中的應力，應將股線收、放線張力控制在一定的范圍內(nèi)，表1為超導電纜絞制過程中各級子纜放線張力控制范圍。

表1　各級纜放線張力控制范圍

4.3改進四、五級纜絞合設(shè)備分線裝置

一般籠式絞線機的分線環(huán)的設(shè)置按照放線盤數(shù)等分，因此φ1250/6型籠絞機的分線環(huán)是六等分，但CICC絞纜的四、五級纜絞合根數(shù)按照絞合規(guī)范來確定，有四、五、六根三種情況，為保證均勻分線，設(shè)計加工了四、五等分分線環(huán)，圖5為四等分分線環(huán)實物照片。

圖5　四等分分線環(huán)實物照片

4.4減小超導電纜絞合中的扭轉(zhuǎn)、變形

技術(shù)人員合理地配置不銹鋼鋼帶繞包模具，繞包前、后模具孔徑比電纜外徑分別大1～1.5 mm、1.3～1.8 mm；在實現(xiàn)正常繞包的前提下最大限度地縮短前后模具的距離，合理控制繞包張力，以降低電纜晃動幅度；五級纜緊壓前，將各道緊壓輪的中心校正在一條直線上，縮短各道緊壓輪的間距，以減小緊壓時的扭轉(zhuǎn)；提高排線的質(zhì)量，有效防止收排線中出現(xiàn)子纜局部壓散、變形等不良現(xiàn)象。

圖6是采取以上措施后絞制的五級纜，從圖中可以看出電纜較為筆直。

圖6　超導電纜五級纜絞制

5 結(jié)束語

通過采取上述措施，超導電纜蛇形彎曲問題得到了徹底解決。

2009年5月和2010年3月，白銀有色長通電線電纜有限責任公司完成了ITER裝置用CICC-TF型、PF型超導電纜絞纜技術(shù)工藝定型，通過了中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心組織的工藝評審。2011年、2012年分別完成第一根765 m啞纜和750 m超導電纜的絞制，實現(xiàn)了ITER裝置用超導電纜的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

［1］ 滕玉平，戴少濤，魏周榮，等.ITER裝置超導磁體線圈導體用超導電纜的絞制［J］.電工技術(shù)學報，2013，28（1）：4-12.

［2］ 滕玉平，魏周榮，薛天軍，等.國際核聚變裝置用超導電纜絞纜技術(shù)優(yōu)化研究［J］.電線電纜，2011（4）：8-10.

［3］ 蔣華偉，李國平，趙玉娟，等.基于穩(wěn)定性CICC設(shè)計模型［J］.電工技術(shù)學報，2011，21（1）：14-18.

［4］ 劉 勃，武 玉.ITER超導磁體線圈電磁分析［J］.低溫與超導，2009，39（9）：31-33.

［5］ 武 玉.ITER PF/TF導體采購包工作進展［C］//CNDA工作會議報告，2009.

Cabling Process Control of ITER Superconductive Cable

XUE Tian-jun1，WEI Zhou-rong1，QIN Jing-gang2，ZHANG Ying-jun1，XIONG Zhi-quan3，SUN Hui-yu3

（1.Baiyin Non-ferrous Changtong Wire&Cable Co.，Ltd.，Baiyin 730900，China；2.Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China；3.Beijing Innopower Superconducting Power Technology co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

The structure of the superconducting cable is introduced.The main factor which resulted in the serpentine bend and the nonuniformity in outer diameter when cabling are analyzed.The superconductive cable twisted in the same but irregular direction appears a loose struction.During the twisting process，themain factor of serpentine bend caused by the tension and its inhomogeneity existed in the single or sub-stage strand（s）are presented.Another important factor for twisting，deformation and uneven line caused by both winding displacement of every sub-stage and twisting of fifth-stage cable is also described.The serpentine bend can be avoided effectively by reasonable configuration of cable stranded equipment at all levels，adjusting the take-up and pay-off tension，upgrading the wire align system，and improving the wrapping system for the stainless steel.

ITER；CICC conductor；superconductive cable；cabling

TM249.7

A

1672-6901（2015）06-0021-04

2015-03-26

薛天軍（1971-），男，工程師.

作者地址：甘肅白銀市白銀區(qū)銀山路135號［730900］.