近日，记者从安徽省国盛量子科技有限公司获悉，中国科学技术大学郭光灿院士团队的孙方稳教授与张少春副研究员，联合国网安徽省电力有限公司电力科学研究院、安徽省国盛量子科技有限公司等单位，基于金刚石氮-空位（NV）色心在国际上首次研制出一种量子电流互感器，实现了0.05%的交流幅值测量精度。目前，该量子电流互感器已经在变电站成功挂网运行，实现了交流电的实时状态监测，验证了量子传感在电力场景中的实用性。相关成果日前发表于《应用物理快报-光子学》，同时被期刊编辑选为同期特色文章。
在电力系统中，高压电流测量至关重要，其可靠性和准确性直接关系到高压电流模式控制、节能和电力保护。然而，随着高压或超高压电网的大规模发展，电网的宽带振荡和谐波共振问题日益严重，传统测量方法难以在宽电流和温度范围内满足高精度测量的要求。金刚石NV色心展现出诸多卓越特性，使其在磁场传感领域得到广泛应用，特别是磁场测量可被反演至NV色心能级共振频率测量，使得金刚石传感器在高精度电流测量方面颇具应用前景。但是目前金刚石量子传感器还面临着集成化过程中的性能下降等问题，导致其在实际应用中存在诸多限制。
孙方稳团队长期开展金刚石量子传感器件的加工制备研究，攻克了系列关键技术。为了解决电流测量难题，此次研究中团队采用光纤-金刚石传感器进行高压电流测量，四个集成化金刚石量子传感器均匀分布在磁屏蔽环中，其[100]晶向与交流磁场平行以提高信噪比。研究提出了在零偏置磁场下对荧光信号进行倍频转换和加权平均的处理方法，该方法能够重构50赫兹交流电的波形；同时，为了拓宽电流测量动态范围，采用共振频率跟踪方法，保持金刚石传感器对不同大小电流导致磁场变化的敏感性；针对实际应用中系统温度变化影响测量精度的问题，通过双频量子控制方法可抑制温度漂移；最后在0至1000安培范围内进行电流测量，将测量结果与标准电流互感器进行对比，实现了0.05%的测量精度。
高压大电流测量实验装置及交流测量方法示意图
此外，该成果最终应用于安徽合肥110kV变电站的电流实时监测，成功实现对三相交流电路中单相电流的实时监测。该研究不仅攻克了金刚石量子传感器的集成化关键技术，而且推动了量子传感技术在工业领域的应用落地。
金刚石量子电流互感器在合肥110kV变电站内的挂网示范应用。此外，1.6k样本/秒的采样率获取到0.1s内的数据，显示出50Hz、幅值约300A的正弦波形。
论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0256419
