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返朴

守护高压电网：量子精密测量的现实应用

返梁坤约 7 分钟

在现代电力系统中，电流互感器守护着电网的稳定运行，而传统设备却有许多不足，如易出现磁饱和、抗干扰弱等。如今，量子精密测量实现了更实际的应用，发挥出其独有优势——由中国科学技术大学联合多家企业组成的团队，研制出国际上首个用于高压交变电流监测的量子电流互感器。

撰文 | 梁坤（中国科学技术大学）
在前两篇文章中，我们了解了量子精密测量的基本原理（参见《量子精密测量如何重新定义世界？》），也认识了其中的关键材料——NV色心（参见《钻石里的量子秘籍：这颗 “原子级眼睛” 如何刷新测量极限》），它可以感知磁场和温度，还能以极高的精度读出量子态信息。
近日，中国科学技术大学量子信息重点实验室联合多家企业，组成“产学研用”联合研究团队，利用量子精密测量技术，研制出国际上首个用于高压交变电流监测的量子电流互感器，并且在110kV（千伏）变电站稳定运行超过一年，这台设备的核心部件，就是我们前面讲到的NV色心。它把一颗“钻石缺陷”，变成了测量千安级大电流的量子传感器。
电网中的“神经元”：电流互感器
在现代电力系统中，电流互感器是非常基础又重要的设备。它的作用是把高压线路中的大电流转换成仪器可以读数的小电流，帮助我们监测、保护和控制整个电网的运行。就好像我们人体内的神经元一样，能够随时感应外界或内部的各种信息，统一汇总到大脑中等待下一步处理。
传统的电流互感器主要依靠电流的磁效应和电磁感应原理。
电流的磁效应可以简单总结为“电生磁”，指的是当电流通过一根导线时，导线周围就会产生一个环形的磁场，方向遵循右手螺旋定则：右手握拳，大拇指指向电流方向，其余四指指向磁场方向。恒定的电流，如直流电，周围会产生恒定的磁场；变化的电流，如交流电，周围则会产生变化的磁场。
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电流的磁效应和右手螺旋定则丨图片来源：Wikipedia
电磁感应原理可以总结为“磁生电”，指的是当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，电路中会产生感生电动势，进而产生感应电流。传统的电流互感器内部通常有两组线圈和一个铁芯，“电生磁”和“磁生电”两种机制协同作用，构成了其核心工作原理。
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传统交流电流互感器结构丨图片来源：Wikipedia
对于传统的交流电流互感器，当一次侧的大电流通过电流互感器的一次绕组（由导线绕制而成线圈组）时，会在铁芯中产生交变磁场（电生磁）。这个交变磁场会通过铁芯传导至二次绕组，并在二次绕组中产生感应电流（磁生电），二次侧的感应电流与一次侧电流呈正比，比例系数与两组线圈的匝数相关。通过这种方式，可以将难以直接测量的大电流，转换为能够用通用仪表测量的小电流，大大降低了电流测量的成本与难度。虽然这种技术已经使用了上百年，但在一些关键环节，它正逐渐暴露出明显的不足：
1. 容易出现磁饱和：电流过大时，铁芯传导的磁通量会“饱和”，导致测量结果失真；
2. 存在剩磁问题：电流消失后，铁芯内可能残留部分磁性，影响下一次测量；
3. 通用性较差：该设备适用于测量50Hz（赫兹）左右的工频交流电，对于直流电和低频交流电则有些无能为力；
4. 抗干扰能力差：在户外或高压环境中，测量结果容易受到温度变化、电磁干扰等因素的影响；
5. 安装成本高：由于铁芯的存在，设备整机的体积大、重量高达几十公斤，通常需要吊装作业；并且由于一次侧需要接入高压回路，因此设备需要做额外的电气隔离，这也会带来额外的安装和维护成本。
6. 需要离线校准：通常需要人工定期检修、停电维护，效率低。
为了解决这些问题，科学家们一直在寻找一种不依赖铁芯、抗干扰、体积小且更精准的替代方案。而量子精密测量，尤其是基于NV色心的磁场探测技术，正好具备这些潜力。它不需要铁芯，在环境变化下稳定，体积小、响应快，而且测量结果基于物理常数，无需人工现场校准，甚至还能同时测量交流和直流电流。
钻石中的量子“慧眼”
我们在上一篇文章介绍过NV色心的原理，但是它本身并不能直接测电流，它测的是磁场。那怎么从磁场得到电流呢？根据电磁感应原理，电流周围生成环形磁场，利用电流大小可以计算出空间中某一点的磁场强度，反之根据安培环路定理，可以利用电流周围的磁场强度计算出电流的大小。因此，我们就可以用测磁场强度的方式，间接计算出电流的大小。
量子电流互感器的核心，就是把多个NV色心探头环绕在导线周围，均匀布置在一个环形结构中。当导线中有电流流过时，会在周围产生一个磁场。NV色心与磁场相互作用，通过我们之前介绍的连续波光探测磁共振 (CW-ODMR) 技术，把磁场的强度“转化”为光信号。这些光信号通过光纤传输到控制系统中，由计算机分析出磁场的大小，再通过公式计算出电流值。
为了提高测量的稳定性和精度，来自中国科学技术大学的“产学研用”联合研究团队使用了四个NV色心传感器，均匀分布在导线周围的磁屏蔽环上。磁屏蔽环可以抑制来自地磁或其他电磁设备的干扰，多个探头同时工作，相当于“重复测量”，不仅可以提高信噪比，还可以降低导线偏离圆心时造成的误差。这台设备的控制系统还能根据测量结果进行实时反馈，采取温度补偿、激光调节等操作，确保测量结果稳定可靠。
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金刚石NV色心量子电流互感器实验装置及测量原理示意图丨图片来源：参考文献[1]
新设备的硬核性能
这台设备最大的特点之一，就是它的测量数据最终可以溯源至物理常数和时间测量。根据我们计算磁场强度的公式：磁场强度等于频率差的一半除以NV色心的电子旋磁比，其中电子旋磁比是一个固定不变的常数。
也就是说，我们在整个电流测量过程中，影响测量结果准确性的、真正需要测量的物理量是“频率”，而频率是时间周期的倒数，测量频率就是在测量时间。这意味着：未来可以通过卫星远程授时的方式对设备进行实时的在线校准，提高大量互感器的校准频率、校准效率和单次校准比例，减少因停电检修、人工校准带来的经济损失和时间成本。此外，不同电流互感器之间可以全球同步，统一标准，这将从根本上革新电力系统的计量、保护与监测体系。
量子电流互感器在实验室中的表现非常优秀。其一是测量精度高，在0—1000A（安培）的电流范围内，测量误差低至0.05%；其二是线性度达到了0.16%，换而言之，不论是测量大电流还是小电流，都能保持良好的测量精度；其三是灵敏度高，可达到6nT/√Hz（纳特/√赫兹），能够探测非常微弱的磁场变化；其四是带宽范围覆盖广泛，能监测1Hz（赫兹）—1.4kHz（千赫兹）的从低频到中频的交流电流；同时，其温度漂移控制优秀，基本消除了温度变化对电流测量精度的影响；此外，它还具有绝缘要求低、设备体积小、交直流通用等优点。
更重要的是，这台设备已经完成了实地运行测试。其于2022年正式在国家电网入网调测，在安徽省合肥市110kV（千伏）潜水路变电站中挂网运行240小时后取得了圆满成功。这是量子精密测量技术首次在电力系统中“挂网运行”，意味着它能够在真正的工业环境下长期工作，不依赖实验室条件。
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世界首台量子电流互感器在合肥110kV变电站内的挂网示范应用丨图片来源：参考文献[1]
这一成果还被量子科技服务平台“光子盒”评为“2022年度中国量子公司十大社会影响力事件”之一，也被安徽创新馆永久收藏，作为标志性设备对外展示。
量子测量时代已来
量子电流互感器的出现，不仅仅是一个新仪器，更代表着电力行业进入“量子时代”的开端。当然，作为量子精密测量技术在电力行业的首款产品，这台量子电流互感器依然有一些地方有待改进。研究团队正在尝试将激光器、光电探测器和金刚石探头集成在一起，取消中间连接用的光纤，从而减少由光纤振动引入的干扰，提高测量稳定性。
同时，他们也在开发一种闭环反馈控制系统，让传感器始终工作在接近“零磁场”的状态，以进一步提升测量精度。在未来，这套系统还将被优化用于更复杂的特高压直流场景中，并支持与远程监控系统、工业数据平台无缝连接，成为智能电网中真正的“量子级基础单元”。
在《计量发展规划（2021—2035年）》中，我国国务院明确提出要实施“量子度量衡”计划，建成以量子计量为核心、科技水平一流、符合时代发展需求和国际化发展潮流的国家现代先进测量体系。量子电流互感器的研发与应用，正是量子计量在电力行业的典型落地成果。
未来，类似的量子测量设备还有可能出现在矿产勘探、电磁检测、导航定位、环境监测等各个行业。量子精密测量技术将以颠覆性的高性能重新定义人类感知世界的方式，更会在全新的计量基准之上，为现代科技发展与工业应用奠定新基础！

参考文献

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

出品：科普中国

监制：中国科普博览

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