在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電流互感器守護著電網的穩(wěn)定運行，而傳統(tǒng)設備卻有許多不足，如易出現(xiàn)磁飽和、抗干擾弱等。如今，量子精密測量實現(xiàn)了更實際的應用，發(fā)揮出其獨有優(yōu)勢——由中國科學技術大學聯(lián)合多家企業(yè)組成的團隊，研制出國際上首個用于高壓交變電流監(jiān)測的量子電流互感器。

撰文 | 梁坤（中國科學技術大學）

在前兩篇文章中，我們了解了量子精密測量的基本原理（參見《量子精密測量如何重新定義世界？》），也認識了其中的關鍵材料——NV色心（參見《鉆石里的量子秘籍：這顆 “原子級眼睛” 如何刷新測量極限》），它可以感知磁場和溫度，還能以極高的精度讀出量子態(tài)信息。

近日，中國科學技術大學量子信息重點實驗室聯(lián)合多家企業(yè)，組成“產學研用”聯(lián)合研究團隊，利用量子精密測量技術，研制出國際上首個用于高壓交變電流監(jiān)測的量子電流互感器，并且在110kV（千伏）變電站穩(wěn)定運行超過一年，這臺設備的核心部件，就是我們前面講到的NV色心。它把一顆“鉆石缺陷”，變成了測量千安級大電流的量子傳感器。

電網中的“神經元”：電流互感器

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電流互感器是非?；A又重要的設備。它的作用是把高壓線路中的大電流轉換成儀器可以讀數(shù)的小電流，幫助我們監(jiān)測、保護和控制整個電網的運行。就好像我們人體內的神經元一樣，能夠隨時感應外界或內部的各種信息，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和電磁感應原理。

電流的磁效應可以簡單總結為“電生磁”，指的是當電流通過一根導線時，導線周圍就會產生一個環(huán)形的磁場，方向遵循右手螺旋定則：右手握拳，大拇指指向電流方向，其余四指指向磁場方向。恒定的電流，如直流電，周圍會產生恒定的磁場；變化的電流，如交流電，周圍則會產生變化的磁場。

電流的磁效應和右手螺旋定則丨圖片來源：Wikipedia

電磁感應原理可以總結為“磁生電”，指的是當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，電路中會產生感生電動勢，進而產生感應電流。傳統(tǒng)的電流互感器內部通常有兩組線圈和一個鐵芯，“電生磁”和“磁生電”兩種機制協(xié)同作用，構成了其核心工作原理。

傳統(tǒng)交流電流互感器結構丨圖片來源：Wikipedia

對于傳統(tǒng)的交流電流互感器，當一次側的大電流通過電流互感器的一次繞組（由導線繞制而成線圈組）時，會在鐵芯中產生交變磁場（電生磁）。這個交變磁場會通過鐵芯傳導至二次繞組，并在二次繞組中產生感應電流（磁生電），二次側的感應電流與一次側電流呈正比，比例系數(shù)與兩組線圈的匝數(shù)相關。通過這種方式，可以將難以直接測量的大電流，轉換為能夠用通用儀表測量的小電流，大大降低了電流測量的成本與難度。雖然這種技術已經使用了上百年，但在一些關鍵環(huán)節(jié)，它正逐漸暴露出明顯的不足：

1. 容易出現(xiàn)磁飽和：電流過大時，鐵芯傳導的磁通量會“飽和”，導致測量結果失真；

2. 存在剩磁問題：電流消失后，鐵芯內可能殘留部分磁性，影響下一次測量；

3. 通用性較差：該設備適用于測量50Hz（赫茲）左右的工頻交流電，對于直流電和低頻交流電則有些無能為力；

4. 抗干擾能力差：在戶外或高壓環(huán)境中，測量結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，設備整機的體積大、重量高達幾十公斤，通常需要吊裝作業(yè)；并且由于一次側需要接入高壓回路，因此設備需要做額外的電氣隔離，這也會帶來額外的安裝和維護成本。

6. 需要離線校準：通常需要人工定期檢修、停電維護，效率低。

為了解決這些問題，科學家們一直在尋找一種不依賴鐵芯、抗干擾、體積小且更精準的替代方案。而量子精密測量，尤其是基于NV色心的磁場探測技術，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、響應快，而且測量結果基于物理常數(shù)，無需人工現(xiàn)場校準，甚至還能同時測量交流和直流電流。

鉆石中的量子“慧眼”

我們在上一篇文章介紹過NV色心的原理，但是它本身并不能直接測電流，它測的是磁場。那怎么從磁場得到電流呢？根據(jù)電磁感應原理，電流周圍生成環(huán)形磁場，利用電流大小可以計算出空間中某一點的磁場強度，反之根據(jù)安培環(huán)路定理，可以利用電流周圍的磁場強度計算出電流的大小。因此，我們就可以用測磁場強度的方式，間接計算出電流的大小。

量子電流互感器的核心，就是把多個NV色心探頭環(huán)繞在導線周圍，均勻布置在一個環(huán)形結構中。當導線中有電流流過時，會在周圍產生一個磁場。NV色心與磁場相互作用，通過我們之前介紹的連續(xù)波光探測磁共振(CW-ODMR)技術，把磁場的強度“轉化”為光信號。這些光信號通過光纖傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，由計算機分析出磁場的大小，再通過公式計算出電流值。

為了提高測量的穩(wěn)定性和精度，來自中國科學技術大學的“產學研用”聯(lián)合研究團隊使用了四個NV色心傳感器，均勻分布在導線周圍的磁屏蔽環(huán)上。磁屏蔽環(huán)可以抑制來自地磁或其他電磁設備的干擾，多個探頭同時工作，相當于“重復測量”，不僅可以提高信噪比，還可以降低導線偏離圓心時造成的誤差。這臺設備的控制系統(tǒng)還能根據(jù)測量結果進行實時反饋，采取溫度補償、激光調節(jié)等操作，確保測量結果穩(wěn)定可靠。

金剛石NV色心量子電流互感器實驗裝置及測量原理示意圖丨圖片來源：參考文獻[1]

新設備的硬核性能

這臺設備最大的特點之一，就是它的測量數(shù)據(jù)最終可以溯源至物理常數(shù)和時間測量。根據(jù)我們計算磁場強度的公式：磁場強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固定不變的常數(shù)。

也就是說，我們在整個電流測量過程中，影響測量結果準確性的、真正需要測量的物理量是“頻率”，而頻率是時間周期的倒數(shù)，測量頻率就是在測量時間。這意味著：未來可以通過衛(wèi)星遠程授時的方式對設備進行實時的在線校準，提高大量互感器的校準頻率、校準效率和單次校準比例，減少因停電檢修、人工校準帶來的經濟損失和時間成本。此外，不同電流互感器之間可以全球同步，統(tǒng)一標準，這將從根本上革新電力系統(tǒng)的計量、保護與監(jiān)測體系。

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

更重要的是，這臺設備已經完成了實地運行測試。其于2022年正式在國家電網入網調測，在安徽省合肥市110kV（千伏）潛水路變電站中掛網運行240小時后取得了圓滿成功。這是量子精密測量技術首次在電力系統(tǒng)中“掛網運行”，意味著它能夠在真正的工業(yè)環(huán)境下長期工作，不依賴實驗室條件。

世界首臺量子電流互感器在合肥110kV變電站內的掛網示范應用丨圖片來源：參考文獻[1]

這一成果還被量子科技服務平臺“光子盒”評為“2022年度中國量子公司十大社會影響力事件”之一，也被安徽創(chuàng)新館永久收藏，作為標志性設備對外展示。

量子測量時代已來

量子電流互感器的出現(xiàn)，不僅僅是一個新儀器，更代表著電力行業(yè)進入“量子時代”的開端。當然，作為量子精密測量技術在電力行業(yè)的首款產品，這臺量子電流互感器依然有一些地方有待改進。研究團隊正在嘗試將激光器、光電探測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引入的干擾，提高測量穩(wěn)定性。

同時，他們也在開發(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”的狀態(tài)，以進一步提升測量精度。在未來，這套系統(tǒng)還將被優(yōu)化用于更復雜的特高壓直流場景中，并支持與遠程監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)平臺無縫連接，成為智能電網中真正的“量子級基礎單元”。

在《計量發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中，我國國務院明確提出要實施“量子度量衡”計劃，建成以量子計量為核心、科技水平一流、符合時代發(fā)展需求和國際化發(fā)展潮流的國家現(xiàn)代先進測量體系。量子電流互感器的研發(fā)與應用，正是量子計量在電力行業(yè)的典型落地成果。

未來，類似的量子測量設備還有可能出現(xiàn)在礦產勘探、電磁檢測、導航定位、環(huán)境監(jiān)測等各個行業(yè)。量子精密測量技術將以顛覆性的高性能重新定義人類感知世界的方式，更會在全新的計量基準之上，為現(xiàn)代科技發(fā)展與工業(yè)應用奠定新基礎！

參考文獻

[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：科普中國
監(jiān)制：中國科普博覽

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