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程中的性能下降等問題，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)量精度的問題，通過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。