CN113746031A - 一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法和系统，包括：步骤1：沿线布置包括集中控制器、牵引机、多台输送机、多台滚轮的电力电缆敷设系统；步骤2：牵引机、输送机和滚轮在集中控制器控制下，进行联动或单动，实现电缆的同步敷设；步骤3：牵引机包括具备牵引力测量的牵引头，滚轮包括具备侧压力测量的转向滚轮，分别测量牵引力和侧压力并将其实时传输至集中控制器，进行牵引力及侧压力校验，控制敷设的启停。本发明可避免超导电缆受到损坏。

Description

一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法和系统

技术领域

本发明属于超导电缆敷设领域，涉及一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法和系统。

背景技术

当前，常规电缆敷设一般要使用机械设备来完成，包括卷扬机、输送机等设备，具备一定机械化程度。但通常使用人工对讲机等方式进行机械操作，无法做到完全同步。

同时，依靠技术工人观察和经验判断电缆敷设过程中是否发生变形和磨损以确定是否满足电缆的机械特性，如侧压力等。

而高温超导电缆较常规电缆外径大、重量大，同时对电缆绝热管真空绝热要求极高，一旦在敷设过程中因不同步或者牵引力、侧压力过大导致变形甚至破损，将导致超导性能急剧下降，进一步使得整段电缆报废，造成严重损失。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法和系统。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，所述方法包括：

步骤1：根据超导电缆机械参数确定敷设时最大牵引力和侧压力；

步骤2：根据线路，计算转角处设置的滚轮数量和敷设所需的输送机数量；

步骤3：沿线布置电力电缆敷设系统，包括集中控制器、牵引机、输送机和滚轮；

步骤4：牵引机、输送机和滚轮在集中控制器控制下，进行联动或单动，实现电缆的同步敷设；

步骤5：牵引机、滚轮分别测量牵引力和侧压力并将其实时传输至集中控制器，结合敷设时最大牵引力和侧压力，进行牵引力及侧压力校验，控制敷设的启停，避免超导电缆受到损坏。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，每一台输送机均配置一台输送机控制器，每一台滚轮均配置一台滚轮控制器，输送机控制器和滚轮控制器受控于集中控制器。

优选地，所述输送机控制器独立控制其相应输送机的操作，且显示电动机的转速和功率参数，所述滚轮控制器独立控制其相应的滚轮，并通过集中控制器实现与输送机的协同运行。

优选地，所述输送机控制器包括：变频器、变频器DP卡、光电信号转换模块、光纤转接器；

所述变频器，用于进行输送机的拖动控制，变频器配备网络总线接口，接收或发送数据到总线，实现控制信号的传输；

所述变频器DP卡，用于集中控制器与单台控制器之间的通讯；

所述光电信号转换模块，用于实现光信号和电信号之间的转换；

所述光纤转接器，用于实现光纤之间的连接。

优选地，所述多台输送机集中采用现场总线控制，每台输送机作为一个控制网络的节点，各控制节点采用光纤进行连接，所述集中控制器作为主节点，配备触摸屏作为操作面板，实现对整个系统的集中控制。

优选地，步骤2中，计算转角处均匀设置滚轮的数量，计算方法如下：

根据电缆在每只滚轮上的理论侧压力计算公式，结合最大牵引力和实际敷设空间，得出转弯处需设置滚轮数量；

电缆在每只滚轮上的理论侧压力计算公式为：

p＝Fs/R(n-1)(N)

式中，P为侧压力，N；F为牵引力，N；R为滚轮所设置的圆弧半径，m；θ为滚轮间平均夹角，rad；s为滚轮间距，m。

优选地，步骤3中，根据步骤2计算得到的转角处设置滚轮个数，将滚轮均匀安装在转角处，用于超导电缆的敷设转向。

优选地，步骤5中，牵引机、滚轮分别使用具备牵引力测量的牵引头和具备侧压力测量的转向滚轮进行牵引力和侧压力测量，测量数据实时传输至集中控制器，集中控制器校验牵引力及侧压力。

优选地，步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：牵引头实时测量牵引力并将其传输至集中控制器，集中控制器判断牵引力是否小于最大牵引力允许值，若是，则进入步骤5.2，否则停止敷设，增加输送机、滚轮，返回步骤4；

步骤5.2：转角处转向滚轮实时测量侧压力并将其传输至集中控制器，集中控制器判断侧压力是否小于最大侧压力允许值，若是，则敷设至目标位置，否则停止敷设，增加输送机、滚轮，返回步骤4。

本发明还公开了一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验系统，所述同步敷设及自动检验系统包括：

最大牵引力和侧压力设置模块，用于根据超导电缆机械参数确定敷设时最大牵引力和侧压力；

滚轮和输送机数量计算模块，用于根据线路，计算转角处设置的滚轮数量和敷设所需的输送机数量；

设备布置模块，用于沿线布置电力电缆敷设系统，包括集中控制器、牵引机、输送机和滚轮；

敷设模块，用于通过牵引机、输送机和滚轮在集中控制器控制下，进行联动或单动，实现电缆的同步敷设；

校验模块，用于采用牵引机、滚轮分别测量牵引力和侧压力并将其实时传输至集中控制器，结合敷设时最大牵引力和侧压力，进行牵引力及侧压力校验，控制敷设的启停，避免超导电缆受到损坏。

本申请所达到的有益效果：

本发明选用现场总线控制方案，采用光缆或通讯电缆来实现信号的传输，大大减轻了信号传输线的重量和体积，控制结构简单、可靠。

本发明还通过牵引机、滚轮分别测量牵引力和侧压力并将其实时传输至集中控制器，结合敷设时最大牵引力和侧压力，进行牵引力及侧压力校验，控制敷设的启停，避免超导电缆受到损坏。

附图说明

图1是本发明一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法的流程图；

图2是本发明实施例中电力电缆敷设系统的布置示意图；

图3是本发明实施例中电力电缆敷设系统控制原理示意图；

图4是本发明一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法的实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1、4所示，本发明的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据超导电缆机械参数确定敷设时最大牵引力和侧压力；

以国产公里级高温超导电缆示范项目为例，35kV高温超导电缆的最大允许牵引力为不使绝热管产生永久变形的最大允许牵引力规定为30kN。在敷设路径弯曲部分有滚轮时，超导电缆在每只滚轮上所受的侧压力(滚动允许值)为：2kN/只。

步骤2：根据线路，计算转角处设置的滚轮数量和敷设所需的输送机数量；

对于长距离电力电缆的敷设，其过程需要多台、滚轮输送机才能完成，需提前确定数量；

理论计算转角滚轮数量：转弯处设置滚轮，电缆在每只滚轮上的侧压力，计算公式为：

其中，

则p＝Fs/R(n-1)(N)

式中，P为电缆在每只滚轮上的侧压力，N；F为牵引力，N；R为转角滚轮所设置的圆弧半径，m；θ为滚轮间平均夹角，rad；s为滚轮间距，m。

当敷设路径为直角转弯，并且均匀设置用n只滚轮，滚轮间距s可用近似公式s＝πR/2(n-1)计算，代入上式，每只转角滚轮上的侧压力可简化为：

P＝πF/2(n-1)(kN)

故当牵引力F最大为30kN时，n>πF/2P+1＝π*30/2*2＝25只。

受敷设空间限制，转角滚轮n设置为9只，相应最大牵引力F为：

F＝2P(n-1)/π＝2×2×(9-1)/π＝10kN。

步骤3：沿线布置电力电缆敷设系统，包括集中控制器、牵引机、输送机和滚轮；

如图2所示，沿线布置包括集中控制器、牵引机、多台输送机、多台电动滚轮的电力电缆敷设系统；

其中一台输送机作为主输送机，与电缆盘布置在地面上；

根据步骤2计算得到的转角处设置滚轮个数，将滚轮均匀安装在转角处，用于超导电缆的敷设转向。

步骤4：牵引机、输送机和电动滚轮在集中控制器控制下，进行联动或单动，实现电缆的同步敷设；

输送机是主要的电缆敷设动力之一，每一台输送机均配置一台输送机控制器，用于输送机的独立操作控制，输送机控制器能够显示电动机的转速和功率参数；

所述输送机控制器包括：变频器、变频器DP卡、光电信号转换模块、光纤转接器；

所述变频器，用于进行输送机的拖动控制，变频器配备网络总线接口，接收或发送数据到总线，实现控制信号的传输；

所述变频器DP卡，用于集中控制器与单台控制器之间的通讯；

所述光电信号转换模块，用于实现光信号和电信号之间的转换；

每台输送机的控制器，通过光纤进行数据传输的，而变频器只能处理电信号，因此控制器内的光电信号转换模块就是完成光信号和电信号之间的转换；

所述光纤转接器，用于实现光纤之间的连接。

为了能够使用现有的电动滚轮设备，每一台滚轮均配置一台滚轮控制器；

所述滚轮在滚轮控制器控制下，与输送机配合进行电缆敷设。

所述滚轮控制器独立运行，其运行功能和原有系统一致，或受控于电力电缆敷设系统的集中控制器，通过集中控制实现与输送机协同运行。

所述滚轮控制器包括光纤网络接口、PLC、以及电压电器；

输送机控制器和滚轮控制器受控于集中控制器，集中控制器配有计算机操作控制，通过软件实现电缆敷设系统的组态控制，完成各种敷设工艺要求的动作。

如图3所示，所述多台输送机集中采用现场总线控制，集中控制器、输送机的控制器、以及滚轮控制器之间通过光纤或通讯电缆连接，实现网络控制，可大大减轻信号传输线的重量和体积，因此，控制结构变得简单、可靠。

每台输送机作为一个控制网络的节点，各控制节点采用光纤进行连接，所述集中控制器作为主节点，配备触摸屏作为操作面板，实现对整个系统的集中控制。

主输送机可以由专门人员看护运行，并可以干预其控制，目的是根据敷设过程的当时状况，随时调节电缆的释放速度。该输送机的启动和停止可以根据选择开关决定是由隧道内的集中控制器来控制还是由其控制器直接控制。

集中控制器可以实现对各台输送机的单动、联动、顺动等工艺控制，实现输送机运行速度的控制(主输送机除外)。

所述电力电缆敷设系统采用总线形式进行供电，电源由集中控制器输出，并对其控制，根据现场情况，考虑分布供电的方式来解决。

按照电力电缆敷设工艺的要求，电缆在敷设过程中不能承受超过规定的压力和拉力，否则会使电缆受伤。所以在进行电缆敷设时，除主输送机外的输送机在集中控制器控制下运行速度保持一致，以保证电缆在敷设过程中受力均匀。

步骤5：牵引机、电动滚轮分别测量牵引力和侧压力并将其实时传输至集中控制器，结合敷设时最大牵引力和侧压力，进行牵引力及侧压力校验，控制敷设的启停，避免超导电缆受到损坏。

使用具备牵引力测量的牵引头和具备侧压力测量的转向滚轮，实时传输数据至集中控制器，校验牵引力及侧压力。

如图4所示，步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：牵引头实时测量牵引力并将其传输至集中控制器，集中控制器判断牵引力是否小于最大牵引力允许值，若是，则进入步骤5.2，否则停止敷设，增加输送机、电动滚轮，返回步骤4；

步骤5.2：转角处转向滚轮实时测量侧压力并将其传输至集中控制器，集中控制器判断侧压力是否小于最大侧压力允许值，若是，则敷设至目标位置，否则停止敷设，增加输送机、电动滚轮，返回步骤4。

因理论情况下9只转角滚轮可以均匀受力，而实际敷设时受到超导电缆刚性的影响，滚轮受力不一致。

当某个转角滚轮测量侧压力值超出2kN时，集中控制器立即发出停止信号，牵引机、输送机、电动滚轮同时停止工作。通过增加输送机和电动滚轮数量，减少牵引力F，进而减少滚轮所受侧压力P。

继续通过集中控制器，启动牵引机、输送机、电动滚轮敷设超导电缆，重复上述过程，直到电缆敷设完毕。经过真空度测试，超导电缆性能完好，敷设成功。

本发明的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验系统，包括：

最大牵引力和侧压力设置模块，用于根据超导电缆机械参数确定敷设时最大牵引力和侧压力；

滚轮和输送机数量计算模块，用于根据线路，计算转角处设置的滚轮数量和敷设所需的输送机数量；

设备布置模块，用于沿线布置电力电缆敷设系统，包括集中控制器、牵引机、输送机和滚轮；

敷设模块，用于通过牵引机、输送机和滚轮在集中控制器控制下，进行联动或单动，实现电缆的同步敷设；

校验模块，用于采用牵引机、滚轮分别测量牵引力和侧压力并将其实时传输至集中控制器，结合敷设时最大牵引力和侧压力，进行牵引力及侧压力校验，控制敷设的启停，避免超导电缆受到损坏。

综上所述，本发明选用现场总线控制方案，采用光缆或通讯电缆来实现信号的传输，大大减轻了信号传输线的重量和体积，控制结构简单、可靠。本发明还通过牵引机、滚轮分别测量牵引力和侧压力并将其实时传输至集中控制器，结合敷设时最大牵引力和侧压力，进行牵引力及侧压力校验，控制敷设的启停，避免超导电缆受到损坏。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，其特征在于：

所述方法包括：

步骤1：根据超导电缆机械参数确定敷设时最大牵引力和侧压力；

步骤2：根据线路，计算转角处设置的滚轮数量和敷设所需的输送机数量；

步骤3：沿线布置电力电缆敷设系统，包括集中控制器、牵引机、输送机和滚轮；

步骤4：牵引机、输送机和滚轮在集中控制器控制下，进行联动或单动，实现电缆的同步敷设；

步骤5：牵引机、滚轮分别测量牵引力和侧压力并将其实时传输至集中控制器，结合敷设时最大牵引力和侧压力，进行牵引力及侧压力校验，控制敷设的启停，避免超导电缆受到损坏。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，其特征在于：

每一台输送机均配置一台输送机控制器，每一台滚轮均配置一台滚轮控制器，输送机控制器和滚轮控制器受控于集中控制器。

3.根据权利要求2所述的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，其特征在于：

所述输送机控制器独立控制其相应输送机的操作，且显示电动机的转速和功率参数，所述滚轮控制器独立控制其相应的滚轮，并通过集中控制器实现与输送机的协同运行。

4.根据权利要求2所述的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法和系统，其特征在于：

所述输送机控制器包括：变频器、变频器DP卡、光电信号转换模块、光纤转接器；

所述变频器，用于进行输送机的拖动控制，变频器配备网络总线接口，接收或发送数据到总线，实现控制信号的传输；

所述变频器DP卡，用于集中控制器与单台控制器之间的通讯；

所述光电信号转换模块，用于实现光信号和电信号之间的转换；

所述光纤转接器，用于实现光纤之间的连接。

5.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，其特征在于：

所述多台输送机集中采用现场总线控制，每台输送机作为一个控制网络的节点，各控制节点采用光纤进行连接，所述集中控制器作为主节点，配备触摸屏作为操作面板，实现对整个系统的集中控制。

6.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，其特征在于：

步骤2中，计算转角处均匀设置滚轮的数量，计算方法如下：

根据电缆在每只滚轮上的理论侧压力计算公式，结合最大牵引力和实际敷设空间，得出转弯处需设置滚轮数量；

电缆在每只滚轮上的理论侧压力计算公式为：

p＝Fs/R(n-1)(N)

式中，P为侧压力，N；F为牵引力，N；R为滚轮所设置的圆弧半径，m；θ为滚轮间平均夹角，rad；s为滚轮间距，m。

7.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，其特征在于：

步骤3中，根据步骤2计算得到的转角处设置滚轮个数，将滚轮均匀安装在转角处，用于超导电缆的敷设转向。

8.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，其特征在于：

步骤5中，牵引机、滚轮分别使用具备牵引力测量的牵引头和具备侧压力测量的转向滚轮进行牵引力和侧压力测量，测量数据实时传输至集中控制器，集中控制器校验牵引力及侧压力。

9.根据权利要求8所述的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法，其特征在于：

步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：牵引头实时测量牵引力并将其传输至集中控制器，集中控制器判断牵引力是否小于最大牵引力允许值，若是，则进入步骤5.2，否则停止敷设，增加输送机、滚轮，返回步骤4；

步骤5.2：转角处转向滚轮实时测量侧压力并将其传输至集中控制器，集中控制器判断侧压力是否小于最大侧压力允许值，若是，则敷设至目标位置，否则停止敷设，增加输送机、滚轮，返回步骤4。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的高温超导电缆的同步敷设及自动检验方法的一种高温超导电缆的同步敷设及自动检验系统，其特征在于：

所述同步敷设及自动检验系统包括：

最大牵引力和侧压力设置模块，用于根据超导电缆机械参数确定敷设时最大牵引力和侧压力；

滚轮和输送机数量计算模块，用于根据线路，计算转角处设置的滚轮数量和敷设所需的输送机数量；

设备布置模块，用于沿线布置电力电缆敷设系统，包括集中控制器、牵引机、输送机和滚轮；

敷设模块，用于通过牵引机、输送机和滚轮在集中控制器控制下，进行联动或单动，实现电缆的同步敷设；

校验模块，用于采用牵引机、滚轮分别测量牵引力和侧压力并将其实时传输至集中控制器，结合敷设时最大牵引力和侧压力，进行牵引力及侧压力校验，控制敷设的启停，避免超导电缆受到损坏。

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