近日，記者從安徽省國(guó)盛量子科技有限公司獲悉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的孫方穩(wěn)教授與張少春副研究員，聯(lián)合國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院、安徽省國(guó)盛量子科技有限公司等單位，基于金剛石氮-空位（NV）色心在國(guó)際上首次研制出一種量子電流互感器，實(shí)現(xiàn)了0.05%的交流幅值測(cè)量精度。目前，該量子電流互感器已經(jīng)在變電站成功掛網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了交流電的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了量子傳感在電力場(chǎng)景中的實(shí)用性。相關(guān)成果日前發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)-光子學(xué)》，同時(shí)被期刊編輯選為同期特色文章。

在電力系統(tǒng)中，高壓電流測(cè)量至關(guān)重要，其可靠性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到高壓電流模式控制、節(jié)能和電力保護(hù)。然而，隨著高壓或超高壓電網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展，電網(wǎng)的寬帶振蕩和諧波共振問(wèn)題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)測(cè)量方法難以在寬電流和溫度范圍內(nèi)滿足高精度測(cè)量的要求。金剛石NV色心展現(xiàn)出諸多卓越特性，使其在磁場(chǎng)傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是磁場(chǎng)測(cè)量可被反演至NV色心能級(jí)共振頻率測(cè)量，使得金剛石傳感器在高精度電流測(cè)量方面頗具應(yīng)用前景。但是目前金剛石量子傳感器還面臨著集成化過(guò)程中的性能下降等問(wèn)題，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多限制。

孫方穩(wěn)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展金剛石量子傳感器件的加工制備研究，攻克了系列關(guān)鍵技術(shù)。為了解決電流測(cè)量難題，此次研究中團(tuán)隊(duì)采用光纖-金剛石傳感器進(jìn)行高壓電流測(cè)量，四個(gè)集成化金剛石量子傳感器均勻分布在磁屏蔽環(huán)中，其[100]晶向與交流磁場(chǎng)平行以提高信噪比。研究提出了在零偏置磁場(chǎng)下對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行倍頻轉(zhuǎn)換和加權(quán)平均的處理方法，該方法能夠重構(gòu)50赫茲交流電的波形；同時(shí)，為了拓寬電流測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，采用共振頻率跟蹤方法，保持金剛石傳感器對(duì)不同大小電流導(dǎo)致磁場(chǎng)變化的敏感性；針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)溫度變化影響測(cè)量精度的問(wèn)題，通過(guò)雙頻量子控制方法可抑制溫度漂移；最后在0至1000安培范圍內(nèi)進(jìn)行電流測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)電流互感器進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了0.05%的測(cè)量精度。

高壓大電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置及交流測(cè)量方法示意圖

此外，該成果最終應(yīng)用于安徽合肥110kV變電站的電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電路中單相電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該研究不僅攻克了金剛石量子傳感器的集成化關(guān)鍵技術(shù)，而且推動(dòng)了量子傳感技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用落地。

金剛石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。此外，1.6k樣本/秒的采樣率獲取到0.1s內(nèi)的數(shù)據(jù)，顯示出50Hz、幅值約300A的正弦波形。