在前兩篇文章中，我們了解了量子精密測(cè)量的基本原理，也認(rèn)識(shí)了其中的關(guān)鍵材料——NV色心，它可以感知磁場(chǎng)和溫度，還能以極高的精度讀出量子態(tài)信息。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合多家企業(yè)，組成“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，利用量子精密測(cè)量技術(shù)，研制出國(guó)際上首個(gè)用于高壓交變電流監(jiān)測(cè)的量子電流互感器，并且在110kV（千伏）變電站穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)一年，這臺(tái)設(shè)備的核心部件，就是我們前面講到的NV色心。它把一顆“鉆石缺陷”，變成了測(cè)量千安級(jí)大電流的量子傳感器。

電網(wǎng)中的“神經(jīng)元”：電流互感器

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電流互感器是非?；A(chǔ)又重要的設(shè)備。它的作用是把高壓線路中的大電流轉(zhuǎn)換成儀器可以讀數(shù)的小電流，幫助我們監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行。就好像我們?nèi)梭w內(nèi)的神經(jīng)元一樣，能夠隨時(shí)感應(yīng)外界或內(nèi)部的各種信息，統(tǒng)一匯總到大腦中等待下一步處理。

傳統(tǒng)的電流互感器主要依靠電流的磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)原理。

電流的磁效應(yīng)可以簡(jiǎn)單總結(jié)為“電生磁”，指的是當(dāng)電流通過(guò)一根導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形的磁場(chǎng)，方向遵循右手螺旋定則：右手握拳，大拇指指向電流方向，其余四指指向磁場(chǎng)方向。恒定的電流，如直流電，周圍會(huì)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)；變化的電流，如交流電，周圍則會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。

電流的磁效應(yīng)和右手螺旋定則

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

電磁感應(yīng)原理可以總結(jié)為“磁生電”，指的是當(dāng)穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流。傳統(tǒng)的電流互感器內(nèi)部通常有兩組線圈和一個(gè)鐵芯，“電生磁”和“磁生電”兩種機(jī)制協(xié)同作用，構(gòu)成了其核心工作原理。

傳統(tǒng)交流電流互感器結(jié)構(gòu)

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

對(duì)于傳統(tǒng)的交流電流互感器，當(dāng)一次側(cè)的大電流通過(guò)電流互感器的一次繞組（由導(dǎo)線繞制而成線圈組）時(shí)，會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)（電生磁）。這個(gè)交變磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)鐵芯傳導(dǎo)至二次繞組，并在二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（磁生電），二次側(cè)的感應(yīng)電流與一次側(cè)電流呈正比，比例系數(shù)與兩組線圈的匝數(shù)相關(guān)。通過(guò)這種方式，可以將難以直接測(cè)量的大電流，轉(zhuǎn)換為能夠用通用儀表測(cè)量的小電流，大大降低了電流測(cè)量的成本與難度。雖然這種技術(shù)已經(jīng)使用了上百年，但在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它正逐漸暴露出明顯的不足：

1.容易出現(xiàn)磁飽和：電流過(guò)大時(shí)，鐵芯傳導(dǎo)的磁通量會(huì)“飽和”，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真；

2.存在剩磁問(wèn)題：電流消失后，鐵芯內(nèi)可能殘留部分磁性，影響下一次測(cè)量；

3.通用性較差：該設(shè)備適用于測(cè)量50Hz（赫茲）左右的工頻交流電，對(duì)于直流電和低頻交流電則有些無(wú)能為力；

4.抗干擾能力差：在戶外或高壓環(huán)境中，測(cè)量結(jié)果容易受到溫度變化、電磁干擾等因素的影響；

5.安裝成本高：由于鐵芯的存在，設(shè)備整機(jī)的體積大、重量高達(dá)幾十公斤，通常需要吊裝作業(yè)；并且由于一次側(cè)需要接入高壓回路，因此設(shè)備需要做額外的電氣隔離，這也會(huì)帶來(lái)額外的安裝和維護(hù)成本。

6.需要離線校準(zhǔn)：通常需要人工定期檢修、停電維護(hù)，效率低。

為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們一直在尋找一種不依賴鐵芯、抗干擾、體積小且更精準(zhǔn)的替代方案。而量子精密測(cè)量，尤其是基于NV色心的磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)，正好具備這些潛力。它不需要鐵芯，在環(huán)境變化下穩(wěn)定，體積小、響應(yīng)快，而且測(cè)量結(jié)果基于物理常數(shù)，無(wú)需人工現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，甚至還能同時(shí)測(cè)量交流和直流電流。

鉆石中的量子“慧眼”

我們?cè)谏弦黄恼陆榻B過(guò)NV色心的原理，但是它本身并不能直接測(cè)電流，它測(cè)的是磁場(chǎng)。那怎么從磁場(chǎng)得到電流呢？根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電流周圍生成環(huán)形磁場(chǎng)，利用電流大小可以計(jì)算出空間中某一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，反之根據(jù)安培環(huán)路定理，可以利用電流周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算出電流的大小。因此，我們就可以用測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的方式，間接計(jì)算出電流的大小。

量子電流互感器的核心，就是把多個(gè)NV色心探頭環(huán)繞在導(dǎo)線周圍，均勻布置在一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)中。當(dāng)導(dǎo)線中有電流流過(guò)時(shí)，會(huì)在周圍產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。NV色心與磁場(chǎng)相互作用，通過(guò)我們之前介紹的連續(xù)波光探測(cè)磁共振(CW-ODMR)技術(shù)，把磁場(chǎng)的強(qiáng)度“轉(zhuǎn)化”為光信號(hào)。這些光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)分析出磁場(chǎng)的大小，再通過(guò)公式計(jì)算出電流值。

為了提高測(cè)量的穩(wěn)定性和精度，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)使用了四個(gè)NV色心傳感器，均勻分布在導(dǎo)線周圍的磁屏蔽環(huán)上。磁屏蔽環(huán)可以抑制來(lái)自地磁或其他電磁設(shè)備的干擾，多個(gè)探頭同時(shí)工作，相當(dāng)于“重復(fù)測(cè)量”，不僅可以提高信噪比，還可以降低導(dǎo)線偏離圓心時(shí)造成的誤差。這臺(tái)設(shè)備的控制系統(tǒng)還能根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，采取溫度補(bǔ)償、激光調(diào)節(jié)等操作，確保測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。

金剛石NV色心量子電流互感器實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量原理示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

新設(shè)備的硬核性能

這臺(tái)設(shè)備最大的特點(diǎn)之一，就是它的測(cè)量數(shù)據(jù)最終可以溯源至物理常數(shù)和時(shí)間測(cè)量。根據(jù)我們計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的公式：磁場(chǎng)強(qiáng)度等于頻率差的一半除以NV色心的電子旋磁比，其中電子旋磁比是一個(gè)固定不變的常數(shù)。

也就是說(shuō)，我們?cè)谡麄€(gè)電流測(cè)量過(guò)程中，影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的、真正需要測(cè)量的物理量是“頻率”，而頻率是時(shí)間周期的倒數(shù)，測(cè)量頻率就是在測(cè)量時(shí)間。這意味著：未來(lái)可以通過(guò)衛(wèi)星遠(yuǎn)程授時(shí)的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線校準(zhǔn)，提高大量互感器的校準(zhǔn)頻率、校準(zhǔn)效率和單次校準(zhǔn)比例，減少因停電檢修、人工校準(zhǔn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間成本。此外，不同電流互感器之間可以全球同步，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這將從根本上革新電力系統(tǒng)的計(jì)量、保護(hù)與監(jiān)測(cè)體系。

量子電流互感器在實(shí)驗(yàn)室中的表現(xiàn)非常優(yōu)秀。其一是測(cè)量精度高，在0—1000A（安培）的電流范圍內(nèi)，測(cè)量誤差低至0.05%；其二是線性度達(dá)到了0.16%，換而言之，不論是測(cè)量大電流還是小電流，都能保持良好的測(cè)量精度；其三是靈敏度高，可達(dá)到6nT/√Hz（納特/√赫茲），能夠探測(cè)非常微弱的磁場(chǎng)變化；其四是帶寬范圍覆蓋廣泛，能監(jiān)測(cè)1Hz（赫茲）—1.4kHz（千赫茲）的從低頻到中頻的交流電流；同時(shí)，其溫度漂移控制優(yōu)秀，基本消除了溫度變化對(duì)電流測(cè)量精度的影響；此外，它還具有絕緣要求低、設(shè)備體積小、交直流通用等優(yōu)點(diǎn)。

更重要的是，這臺(tái)設(shè)備已經(jīng)完成了實(shí)地運(yùn)行測(cè)試。其于2022年正式在國(guó)家電網(wǎng)入網(wǎng)調(diào)測(cè)，在安徽省合肥市110kV（千伏）潛水路變電站中掛網(wǎng)運(yùn)行240小時(shí)后取得了圓滿成功。這是量子精密測(cè)量技術(shù)首次在電力系統(tǒng)中“掛網(wǎng)運(yùn)行”，意味著它能夠在真正的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期工作，不依賴實(shí)驗(yàn)室條件。

世界首臺(tái)量子電流互感器在合肥110kV變電站內(nèi)的掛網(wǎng)示范應(yīng)用

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

這一成果還被量子科技服務(wù)平臺(tái)“光子盒”評(píng)為“2022年度中國(guó)量子公司十大社會(huì)影響力事件”之一，也被安徽創(chuàng)新館永久收藏，作為標(biāo)志性設(shè)備對(duì)外展示。

量子測(cè)量時(shí)代已來(lái)

量子電流互感器的出現(xiàn)，不僅僅是一個(gè)新儀器，更代表著電力行業(yè)進(jìn)入“量子時(shí)代”的開(kāi)端。當(dāng)然，作為量子精密測(cè)量技術(shù)在電力行業(yè)的首款產(chǎn)品，這臺(tái)量子電流互感器依然有一些地方有待改進(jìn)。研究團(tuán)隊(duì)正在嘗試將激光器、光電探測(cè)器和金剛石探頭集成在一起，取消中間連接用的光纖，從而減少由光纖振動(dòng)引入的干擾，提高測(cè)量穩(wěn)定性。

同時(shí)，他們也在開(kāi)發(fā)一種閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，讓傳感器始終工作在接近“零磁場(chǎng)”的狀態(tài)，以進(jìn)一步提升測(cè)量精度。在未來(lái)，這套系統(tǒng)還將被優(yōu)化用于更復(fù)雜的特高壓直流場(chǎng)景中，并支持與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)無(wú)縫連接，成為智能電網(wǎng)中真正的“量子級(jí)基礎(chǔ)單元”。

在《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中，我國(guó)國(guó)務(wù)院明確提出要實(shí)施“量子度量衡”計(jì)劃，建成以量子計(jì)量為核心、科技水平一流、符合時(shí)代發(fā)展需求和國(guó)際化發(fā)展潮流的國(guó)家現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量體系。量子電流互感器的研發(fā)與應(yīng)用，正是量子計(jì)量在電力行業(yè)的典型落地成果。

未來(lái)，類似的量子測(cè)量設(shè)備還有可能出現(xiàn)在礦產(chǎn)勘探、電磁檢測(cè)、導(dǎo)航定位、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各個(gè)行業(yè)。量子精密測(cè)量技術(shù)將以顛覆性的高性能重新定義人類感知世界的方式，更會(huì)在全新的計(jì)量基準(zhǔn)之上，為現(xiàn)代科技發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用奠定新基礎(chǔ)！

參考文獻(xiàn)：

[1]Shao-Chun Zhang,Long Zhao,et al.High-voltage current sensing with nitrogen-vacancy centers in diamond. APL Photonics 2025;10 (3):036117